Produktdesigner verstärken Spritzgussteile auf unterschiedliche Weise und aus unterschiedlichen Gründen. Eine Analyse der späteren Anwendung des Teils ist ein guter erster Schritt, um zu ermitteln, ob das Teil mit zusätzlicher Festigkeit ausgestattet werden muss. Wie werden die Kunden Ihr Produkt verwenden und in welcher Umgebung soll es eingesetzt werden? Möglicherweise werden Teile benötigt, die wiederholten Stößen standhalten, Verschleiß widerstehen oder schwere Lasten tragen müssen. Manchmal reicht es aus, Rippen oder Versteifungen in das Design zu integrieren. In anderen Fällen wiederum ist eine kompliziertere Kombination aus passenden Designelementen, z.B. wie Stützmerkmalen, Werkstoffen und der richtigen Wandstärke, notwendig. Eine ausgewogene Berücksichtigung dieser Faktoren beim Design wird Ihnen helfen, dem Festigkeits- und Stabilitätsbedarf Ihres Teils gerecht zu werden.
Festere Spritzgussteile durch Rippen, Versteifungen und haltbare Werkstoffe
Ergänzen Sie Verstärkungen in Ihren Teilentwurf, indem Sie strategische Unterstützungsmerkmale einbauen und die richtigen Thermoplaste auswählen.
Kunststoffkonstruktionen mit Rippen
Rippen sind dünne, wandähnliche Merkmale, die typischerweise in die Geometrie eines Teils integriert werden, um Wände oder andere Merkmale, wie Dome, von innen zu stützen. Ein ähnliches Stützmerkmal ist die Versteifung, mit der Bereiche, wie Wände oder Dome am Boden verstärkt werden. Beim Spritzgießen gilt das gleiche Prinzip wie bei Brückenbalken und -pfeilern, die an ihrem Scheitelpunkt mit Versteifungen verstärkt werden, um der Konstruktion zusätzliche Stabilität zu verleihen.
Versteifungen für Dome und Wände
Sowohl Rippen als auch Versteifungen, bieten Stabilität in den Teilen, ohne das die Wanddicke erhöht werden muss. Diese sind besonders vorteilhaft für Teile mit bereits dünnen Wänden, die durch Verschleiß durch den Endverbraucher möglicherweise beeinträchtigt werden könnten. Es ist wichtig zu beachten, dass Rippen und Versteifungen nicht mehr als 60 Prozent der Nennwanddicke betragen sollten. Diese Merkmale werden dünner als die Primärwände gehalten, um zu dicke Abschnitte zu vermeiden, in denen sich Rippen und Versteifungen mit der Wand schneiden. Wenn Sie an internen Rippen-Wand-Schnittstellen einen Überschuss an Material treffen, können Einfallstellen auf der sichtbaren Seite des Teils auftreten.
Versteifungen, wie sie hier um ein freistehendes Anschlussteil zu sehen sind, dienen als strukturelle Stütze und verleihen Teilen mehr Steifigkeit, ohne dass dickere Wände benötigt werden.
Produktdesigner können mit verschiedenen gerippten Formationen spielen, um quadratische, rechteckige, rautenförmige, dreieckige oder wabenartige Muster zu entwerfen, die das Teil verstärken. Bei einem Rippenmuster wird unnötiges Material entkernt, wobei nur das Rippen-Stützsystem zurückbleibt — das Teil wird dadurch leichter und kostengünstiger. Achten Sie jedoch darauf, dass Sie keine Oberflächen und Merkmale entfernen, die an andere Teile in der Baugruppe des Produkts anschließen.
Kehlen, wie sie in Beispiel (1) und der Detailvergrößerung (2) zu sehen sind, sind gerundete Flächen an Stellen, wo Rippen auf Wände treffen, und tragen zur Vermeidung zusätzlicher mechanischer Spannung an scharfen Ecken bei.
Kehlen und Rundungen
Da Teile durch scharfe Ecken geschwächt werden können, können auch Ausrundungen — gekrümmte Flächen, bei denen Rippen auf Wände treffen — in die Teilegeometrie integriert werden, um zusätzliche mechanische Spannungskonzentrationen am fertigen Teil zu beseitigen. Ähnlich wie bei einer Versteifung kann eine zu kleine Ausrundung ihre Aufgabe der Reduzierung von Spannungen nicht erfüllen, während eine zu große Ausrundung wiederum Einfallstellen hervorrufen kann. Es ist wichtig, die richtige Größe und Position von Ausrundungen (sowie Rippen und Versteifungen) zu ermitteln. Wenn eine Ausrundung auf der Innenseite einer Ecke hinzugefügt wird, sollte die Außenseite der Ecke wenn möglich abgerundet werden. Wenn das Risiko von Einfallstellen in manchen Abschnitten zu groß ist, sollten andere festigkeitsbildende Maßnahmen in Betracht gezogen werden.
Stabile Thermoplaste
Die Materialauswahl spielt bei der Steifigkeit, Haltbarkeit, Zähigkeit und anderen Eigenschaften von Teilen ebenfalls eine wichtige Rolle. Es ist daher von entscheidender Bedeutung, für ein ausgewogenes Verhältnis zwischen den Materialeigenschaften und der Funktionalität des Teils zu sorgen. So können sich Produktdesigner beispielsweise für einen thermoplastischen Kunststoff entscheiden, mit dem sich steife Teile herstellen lassen; wenn die Anwendung des Teils jedoch eine hohe Schlagzähigkeit erfordert, kann die Brüchigkeit eines unflexiblen Teils dazu führen, dass das Teil zerbricht. Die Materialeigenschaften sind je nach Kunststoff unterschiedlich. Hier eine kurze Übersicht über einige unserer am häufigsten eingesetzten Kunststoffe:
- ABS ist ein guter, stabiler Kunststoff für den Einsatz in Verbrauchsgütern, der sich aufgrund seiner Robustheit und Schlagzähigkeit für Anwendungen e ignet, die täglich zum Einsatz kommen. Er wird häufig in Gehäusen von Fernbedienungen, batteriebetriebenen Werkzeugen und Verkleidungen von Monitoren, Druckern und Kopierern eingesetzt. Bei ABS kann die Chemikalienbeständigkeit Probleme bereiten.
- Polycarbonat ist schlagzäher als ABS und gut für Linsen und Teile mit einer glänzenderen Oberfläche geeignet. Der Werkstoff ist aufgrund seiner eingeschränkten chemischen Verträglichkeit anfällig gegenüber Spannungsrissen und Eintrübungen.
- Ungefülltes Nylon ist biegsam und schlagzäh und besitzt einen guten Widerstand gegen Verschleiß. Die Glasfaserfüllung erhöht die Steifigkeit und Druckfestigkeit des Nylons, macht den Werkstoff jedoch auch brüchiger bei Stößen. Die Glasfaserfüllung trägt zu einer höheren Wärmeformbeständigkeit bei.
- Acetal ist ein ausgezeichnetes selbstschmierendes Trägermaterial mit sehr guten Verschleißeigenschaften und einer guten Steifigkeit. Er eignet sich nicht für kosmetische Teile oder Teile, die einen Tampondruck, eine Lackierung oder eine Etikettierung benötigen.
- TPE eignen sich hervorragend für Staubdichtungen und zum Polstern von Ecken zur Erhöhung der Schlagzähigkeit und wird in Umspritzanwendungen für griffige Merkmale verwendet. In dynamischen Anwendungen sind sie nicht immer die ideale Wahl; für statische Anwendungen eignen sie sich am besten. Bei TPE kann die Chemikalienbeständigkeit Probleme bereiten.
Um die Leistungseigenschaften eines Basiskunststoffs zu verändern, sind oft Zusatzstoffe wie Glasfasern, Glasperlen oder Talkum erforderlich. Durch Glasfasern wird die Druckfestigkeit eines Materials erhöht, außerdem erhöhen sie die Wärmeabweisung von Teilen, sodass sie auch in Umgebungen und Anwendungen eingesetzt werden können, denen der Basiskunststoff nicht gewachsen wäre. Glasperlen sorgen für höhere Wärmeabweisung, jedoch machen sie das Material auch etwas brüchiger, da sich Glasperlen im Vergleich zu Glasfasern eher wie ein Kugelbad als wie ein Heuhaufen schichten. Glasperlen können auch innere Spannungen reduzieren, wie sie durch Glasfaserfüller verursacht werden können. Talkum wird oft verwendet, um die Steifigkeit von Werkstoffen zu erhöhen, wirkt sich jedoch in der Regel negativ auf die Schlagzähigkeit aus. Wir müssen bei Zusatzstoffen also sowohl den Nutzen als auch die Risiken bedenken. Diese Risiken zu verstehen und sie gegen die gewonnenen Vorteile abzuwägen, gehört zum Prozess der Materialprüfung und -auswahl.
Gesamtwandstärke
Wenn Sie die Festigkeit eines Teils erhöhen möchten, reicht es manchmal aus, die Gesamtwandstärke zu erhöhen. Protolabs stellt eine Liste mit empfohlenen Wandstärken auf der Grundlage des Kunststofftyps bereit, die bei der Entwicklung von Teilen mit der richtigen Wandstärke hilft, die weder zu dick noch zu dünn sind. Im Allgemeinen lassen sich kleine Tele mit einer Wandstärke von 1 mm hinlänglich gut verarbeiten. Aber wenn es um handteller- oder handgroße Teile geht, ist eine nominale Wandstärke von 2 mm in Betracht zu ziehen. Beim Design größerer Teile sind vielleicht stärkere Wände erforderlich, um die durch den Kunststofffluss/das Füllen der Kavität bedingte Belastung zu reduzieren, ab 3 mm ist jedoch Vorsicht geboten. Wenn Teile 3,8 mm erreichen, sind die manchmal so dick, dass der Querschnitt beim Abkühlen nach innen einfallen kann. In solchen Fällen sind andere Fertigungsverfahren oder Hilfen zu erwägen. Spritzguss mit Thermoplasten ist im Allgemeinen recht stabil und reproduzierbar in einem Bereich von 1,5 mm bis 2,5 mm. Je größer das Teil, umso sorgfältiger muss auf Rippen, Versteifungen, Werkstoffe und andere Faktoren zu Erhöhung der Festigkeit geachtet werden. Wie immer sind unsere Anwendungstechniker gerne bereit, mit Ihnen die Geometrien und das Design Ihres Teils zu besprechen; beachten Sie auch die interaktive Formbarkeitsanalyse, die Protolabs mit jedem Angebot bereitstellt.