Design-Überlegungen zur Ästhetik von Spritzgussteilen aus Kunststoff

Der Erfolg von neu entwickelten Produkten hängt oft von ihrem optischen Erscheinungsbild ab. Neben dem Aussehen beeinflusst das ästhetische Erscheinungsbild die Haptik eines Kunststoffteils. Wir beurteilen die Qualität eines Produkts häufig danach, wie es sich anfühlt, wenn wir es in der Hand halten oder berühren.

Bei der Produktentwicklung müssen ästhetische Gesichtspunkte anderen Faktoren wie Festigkeit, Langlebigkeit, Funktionalität und Kosten gegenübergestellt werden. Bei Innenteilen sollte die Ästhetik weniger Gewicht tragen als andere, funktionale Eigenschaften. Bei Außenteilen kann die Ästhetik ein wichtiger Punkt sein.

Die kosmetischen Eigenschaften eines Teils können sowohl zur Funktionalität als auch zur Ästhetik beitragen. So kann beispielsweise die Farbe eines Teils aus Sicherheitsgründen sowie aus ästhetischen Gründen gewählt werden. Bei der Auswahl der Textur eines Griffes, kann sowohl das Aussehen, als auch die Haptik und Griffigkeit entscheidend sein.

Es gibt vier Hauptfaktoren für das ästhetische Erscheinungsbild eines Teils: die Geometrie des Teils, die Wahl des Werkstoffs, das Design der Form (oder des Werkzeugs) und die Verarbeitungsparameter während des Spritzgussvorgangs. Diese Faktoren, sowie Festigkeit und Langlebigkeit, sind voneinander abhängig. Während Teileentwickler vollständig über Geometrie und Werkstoff bestimmen können, sind sie nur unwesentlich am Design der Form beteiligt.

In der Regel sollten die Verarbeitungsparameter den Spritzgusstechnikern überlassen bleiben. Spritzgießmaschinen besitzen zahlreiche optionale Verfahrensparameter, die Auswirkungen auf das Spritzgussverfahren und somit die hergestellten Teile haben. Es ist davon auszugehen, dass Verfahrenstechniker, noch bevor die ersten Muster hergestellt werden, auf ihren gesamten Wissensschatz zurückgreifen, um das beste Verfahren für Ihr Teil zu ermitteln. Gelegentlich kommt es jedoch vor, dass der Techniker sich auf die Optimierung eines Aspekts zulasten eines anderen konzentriert, der jedoch nicht Ihren Prioritäten entspricht (z.B. hat sich der Techniker auf die Minimierung von Einsinkungen konzentriert, während es Ihnen auf die Minimierung von Gussgraten ankommt, oder umgekehrt). Wenn Sie an Musterteilen ästhetische Probleme erkennen, lohnt es sich mit Ihrem Anbieter über mögliche Alternativen bei der Verarbeitung zu reden.

Herausforderung Design

Um das gewünschte Aussehen zu erreichen, müssen Sie zuerst die relative Wichtigkeit des ästhetischen Erscheinungsbilds gegenüber anderen Faktoren, wie Festigkeit, Funktionalität oder Kosten, abwägen. Steht die Ästhetik des Teils an erster oder eher an zweiter Stelle? Normalerweise ist ein besseres Erscheinungsbild mit höheren Form- und manchmal auch Teilkosten verbunden. Wenn das Aussehen beim Endprodukt nicht wichtig ist, ist es unnötig, Geld in die Ästhetik zu stecken.

Zweitens sollten Sie die Fertigungsmethode verstehen. Es gibt mehrere Alternativen für die unterschiedlichen Arten von Formwerkstoffen (Aluminium oder die verschiedenen handelsüblichen Formstähle) sowie für das Verfahren zur Formherstellung (Fräsen, EDM¹ etc.). Ihr Anbieter kann Ihnen erklären, welchen Einfluss die Fertigungsmethode auf Ihr Projekt hat.

Drittens sollte Ihnen klar sein, dass manche ästhetischen Probleme erst sichtbar werden, nachdem das Teil tatsächlich geformt wurde. Das ist einer der Gründe, warum für die Herstellung von Prototypen häufig das eigentliche Produktionsverfahren verwendet wird, bevor die Serienfertigung in Auftrag gegeben wird.

Viertens sollte Ihnen bewusst sein, dass ästhetische Probleme auf mehrere Faktoren zurückzuführen sind. Auf der nächsten Seite sind drei der Hauptfaktoren beschrieben. Beachten Sie jedoch bitte, dass es noch weitere Faktoren gibt.

Faktor: Teilegeometrie

Die Teilegeometrie kann viele ästhetische Aspekte beeinflussen. Es gibt derart viele mögliche Geometrien, dass es unmöglich ist, ein Patentrezept für gute ästhetische Ergebnisse zu erstellen. Die Befolgung der üblichen Regeln² für das Design von Spritzgussteilen führt in der Regel zu einem verbesserten Aussehen des Teils, während ein Nichteinhalten dieser Regeln oft ästhetische Probleme mit sich bringt. Es ist ganz einfach: es gibt grundlegende physikalische Gesetzmäßigkeiten in Bezug auf die Schmelz- und Fließeigenschaften, das Befüllen des Formhohlraums und das Aushärten des Kunststoffs. Die Geometrie des Teils bestimmt, wie diese physikalischen Gesetze sich auf das Aussehen Ihres Teils auswirken.

Faktor: Materialauswahl

Der von Ihnen gewählte Kunststoff ist für das Aussehen ausschlaggebend. Am auffälligsten ist die Farbe des Kunststoffs, doch darüber hinaus gibt es viele weitere Aspekte, auf die die Materialauswahl einen Einfluss hat. Die Materialauswahl umfasst den Basiskunststoff (dessen Auswahl häufig durch die Funktion des Teils eingeschränkt ist), das Farbmittel (dessen Auswahl an den Basiskunststoff und das gewünschte Aussehen gebunden ist) und ggf. den Füllstoff (dessen Auswahl durch den Basiskunststoff und die Funktion des Teils eingeschränkt ist).

Zu den „ästhetikfreundlichsten“ Kunststoffen zählen ABS, Polycarbonat und BS/Polycarbonat-Mischungen. Zu den ungeeigneteren Kunststoffen gehören Acetal (z.B. Delrin^®) und PBT. Kunststoffe mit hohen ästhetischen Anforderungen sind beispielsweise alle glasfaserverstärkten Kunststoffe und TPE (thermoplastisches Elastomer, z.B. Santoprene^™). Je nachdem, welche ästhetischen Aspekte für Sie wichtig sind (z.B. Einsinkungen, einheitliche Struktur, Gussgrate), lässt sich unter Umständen ein Ersatz für Ihre erste Kunststoffwahl finden, der auch Ihren anderen Designanforderungen nachkommt. Lassen Sie sich von Ihrem Kunststoffanbieter beraten oder nehmen Sie einen Kunststoffleitfaden zur Hand.³ Nur Sie selbst kennen Ihre genauen Anforderungen. Aus diesem Grund werden die meisten Berater Ihnen mit allgemeinen Tipps und Kunststoffparametern zur Seite stehen, die endgültige Entscheidung jedoch Ihnen überlassen.

Ist die Auswahl des Kunststoffes eingeschränkt, müssen unter Umständen Kompromisse beim ästhetischen Erscheinungsbild eingegangen werden. Wenn Sie z.B. einen glasfaserverstärkten Kunststoff verwenden müssen, sollte Ihr Teil nicht mit einer hochglanzpolierten Oberfläche versehen werden. Mit einem verstärkten Kunststoff lässt sich niemals ein hochglanzpoliertes Aussehen erreichen. Somit wäre eine Politur der Form Geldverschwendung. Wenn Sie ein TPE, wie z.B. Santoprene, verwenden, werden Sie enttäuscht sein, wenn Sie Geld für erstklassige oder strukturierte Finishes ausgeben, da TPE in der Regel unempfindlich gegenüber nuancierten Formoberflächen ist.

Beachten Sie, dass die Qualitätsstufen der Formpolitur (z.B. SPI-C1, SPI-B1, SPI-A2, Perlstrahloberfläche) in Bezug auf die Oberfläche der Form und nicht des Kunststoffes spezifiziert und standardisiert sind. Ein Teil, das in einer Form mit A2- Finish hergestellt wurde, kann je nach verwendetem Kunststoff recht unterschiedlich aussehen. Wenn Sie einen neuen Kunststoff ausprobieren möchten, fragen Sie Ihren Spritzgießer nach einem Materialmuster aus Ihrem oder einem ähnlichen Kunststoff (vergessen Sie nicht, Füllstoffe anzugeben, wenn Sie vorhaben diese einzusetzen). Das Muster sollte verschiedene Formfinishes veranschaulichen, anhand derer Sie beurteilen können, welches ästhetische Niveau Ihr Teil möglicherweise erreichen kann.

Faktor: Formdesign (Anguss, Entlüftung und Kunststofffluss)

Das Design der Form ist die Ursache vieler ästhetischer Probleme. Manche davon, wie z.B. Trennfugen^₄ und Auswerfermarkierungen, ergeben sich daraus, dass das Teil in der Praxis auf irgendeine Weise aus der Form entfernt werden muss.

Die meisten ästhetischen Probleme im Zusammenhang mit der Form hängen mit dem Eintritt und dem Fließen des Kunststoffs zusammen. Der Weg oder die Wege, die der Kunststoff beim Befüllen der Form vom Eintritt am Anguss bis zu den entferntesten Rändern des Hohlraums nimmt, (sowie das Ablassen von Lufteinschlüssen durch Entlüftungsöffnungen über dem Kunststoff) beeinflusst die Ästhetik des entstehenden Teils.

In den meisten Fällen schlägt der Formkonstrukteur Positionen für Angüsse und Entlüftungsöffnungen, und somit den Kunststofffluss, vor. Dabei kommt es darauf an, die Stellen für Angüsse und Entlüftungsöffnungen so zu wählen, dass ein bestmögliches Teil entsteht. Doch wie auch andere Aspekte des Teiledesigns, kann die Wahl des Angusses zu Kompromissen führen. Der Formkonstrukteur braucht Informationen über Ihre Zielsetzungen. Sie werden daher vor der Herstellung einer Form dazu aufgefordert, einer Anguss- und Auswerferanordnung zuzustimmen. Falls notwendig, kann der Formkonstrukteur den Fließ- und Aushärtungsvorgang des Kunststoffs mithilfe eines Spritzguss- Simulationsprogramms simulieren.⁵

Der Formwerkstoff⁶ kann verschiedene Auswirkungen auf das ästhetische Erscheinungsbild haben. Aluminiumformen können nicht genauso poliert werden wie Stahlformen (SPI-A2 ist die höchstmögliche Politur bei Aluminium, jedoch für die meisten Zwecke ausreichend). Aluminiumformen halten dem Einspritzdruck nicht in gleichem Maße stand wie Stahlformen. Daher stehen manche Verarbeitungsoptionen bei extremen Teilegeometrien nicht zur Verfügung. Aluminiumformen sind weniger robust als Stahlformen. Aufgrund der Bearbeitungszeiten und Reparaturkosten, die bei unbeabsichtigten Schäden oder Verschleiß anfallen, wird bei Aluminiumformen von Spezialoberflächen, wie Mold- Tech^®7 Oberflächen, abgeraten.

Wechselwirkungen

Um mögliche ästhetische Probleme zu vermeiden, müssen die richtigen Entscheidungen getroffen werden. Häufig ergeben sich Probleme aus Kompromissen zwischen zwei oder mehr Faktoren. Tabelle 1 enthält einige gängige ästhetische Probleme und deren Ursachen, sowie mögliche Lösungsansätze. Manchmal wird durch die Lösung eines Problems ein anderes verschärft.

Tabelle 1: gängige ästhetische Probleme, Ursachen und Lösungsansätze

Ästhetisches Problem	Häufige Ursachen	Lösungsansätze
Angussreste	Der Kunststoff muss an irgendeiner Stelle in Ihr Teil gespritzt werden. Die Stelle, an der dies geschieht, weist einen Angussrest oder Schönheitsfehler auf.	Ändern Sie den Angusstyp oder die Angussstelle. Beachten Sie, dass die Änderung der Angussposition oder des Angusstyps bei einer suboptimalen Konfiguration häufig andere Probleme mit sich bringt.
Einsinkung	Alle Kunststoffe schrumpfen beim Abkühlen. Dicke Bereiche schrumpfen tendenziell mehr als dünne, sodass sich dort erkennbare Einsinkungen an der Oberfläche bilden.⁸	1. Entkernen Sie dicke Bereiche. 2. Sorgen Sie für eine gleichmäßige Wandstärke. 3. Die Wahl eines anderen Basiskunststoffs kann manchmal Einsinkungen verringern, wenn die Geometrie nicht geändert werden kann.
Schönheitsfehler durch Auswerfstifte⁹	Auswerferstifte beschädigen die Oberfläche des Teils immer. Der Formkonstrukteur versucht im Normalfall, das Teil in der Form so auszurichten, dass die Ausrückstifte mit einer nicht-kosmetischen Oberfläche des Teils korrespondieren.	1. Platzieren Sie die Auswerfer an einem nicht-kosmetischen Bereich des Teils (aufgrund anderer Designanforderungen des Teils nicht immer möglich). 2. Wenn das Teil nur kosmetische Oberflächen besitzt (z.B. bei einem Brillenglas aus Kunststoff), müssen dem Teil spezielle Merkmale hinzugefügt werden, die den Auswurf erleichtern. 3. Zum Auswerfen von Teilen können bei komplexeren Formen Verfahren, wie Abstreifplatten eingesetzt werden. Diese sind sehr viel teurer als Auswerferstifte und hinterlassen trotzdem Spuren.
Schleifspuren	Normalerweise durch unzureichende Formschräge verursacht. Das Teil schleift beim Auswurf aus der Form an der Formwand, wodurch die Oberfläche des Teils beschädigt wird.	1. Vergrößern Sie die Formschräge. 2. Ändern Sie das Finish in den betroffenen Bereichen, damit die Spuren weniger auffallen.
Schattenbildung bei strukturierten Oberflächen	Alle Oberflächendefekte (z.B. leichte Einsinkungen) werden durch eine strukturierte Oberfläche betont, da hervorstehende Strukturelemente Schatten werfen, wenn das Licht schräg auf die Oberfläche fällt.	1. Wählen Sie falls möglich einen helleren Kunststoff. 2. Korrigieren Sie das Problem, das den Oberflächenfehler verursacht. 3. Wählen Sie eine nicht-strukturierte Oberfläche. 4. Verwenden Sie Merkmale (z.B. Text, dekorative Rippenelemente), die die Oberfläche aufbrechen, um den Schönheitsfehler zu kaschieren. 5. Beseitigen Sie Übergänge zwischen dicken und dünnen Wandbereichen unterhalb des strukturierten Bereichs.
Bindenähte¹⁰	1. Löcher im Teil verursachen immer Bindenähte 2. Mehrere Angüsse verursachen immer Bindenähte. 3. Extreme Geometrien können Bindenähte verursachen. 4. Falsch positionierte Angüsse können Bindenähte verursachen.	1. Verzichten Sie wenn möglich auf Löcher. 2. Ändern Sie die Position der Angüsse. 3. Verwenden Sie möglichst wenige Angüsse. 4. Korrigieren Sie Geometrien, die problematische Kunststoffflüsse verursachen oder mehrere Angüsse bzw. ungünstige Angussstellen erforderlich machen.
Gußgrat¹¹	1. Zum vollständigen Befüllen der Form ist übermäßiger Druck notwendig, der Grund hierfür sind dünne Wände oder Bereiche, lange dünne Teile, ungünstige Angussstellen, die Korrektur von Einsinkungen in dicken Bereichen usw. 2. Bei manchen Werkstoffen bilden sich eher Gussgrate als bei anderen. 3. Sehr komplexe Trennfugen schließen möglicherweise nicht richtig.	1. Korrigieren Sie zugrunde liegende Probleme, die einen übermäßigen Einspritzdruck erforderlich machen. 2. Wählen Sie einen Kunststoff, der weniger anfällig für Gussgrate ist. 3. Vereinfachen Sie den Entwurf so, dass eine einfachere Trennfuge möglich ist.
Verbrennungen	Lufteinschlüsse in Formteilkavitäten können sich infolge der Verdichtung durch den mit hohem Druck nachfließenden Kunststoff schnell erhitzen. Dies kann zu unansehnlichen Brandstellen am Kunststoff führen. Manche Kunststoffe (z.B. Nylon) brennen leichter als andere.	1. Lassen Sie den Formkonstrukteur Entlüftungsöffnungen einplanen, die zur Entlüftung von Gaseinschlüssen notwendig sind. Dies kann Schönheitsfehler hinterlassen, die Auswerfermarkierungen ähneln. 2. Wählen Sie einen Werkstoff, der weniger anfällig gegenüber Verbrennungen ist. 3. Ändern Sie das Design und beseitigen Sie Kavitäten, in denen sich Lufteinschlüsse bilden können.
Uneinheitliche Farbe	1. Sonderfarben, die durch die Beimischung von Farbmitteln erzeugt werden. 2. Wesentlich seltener: Verarbeitungsprobleme.	1. Verwenden Sie fertig aufbereitete Kunststoffe.¹² 2. Korrigieren Sie Design-Probleme, die zu Verarbeitungsproblemen führen.

Kunststoff-Formteil mit Maschenlinienfehler

Abbildung 1: unschöne Bindenaht im strukturierten Bereich. Der runde helle Fleck entsteht durch reflektierendes Licht. Der hellere senkrechte, elliptische Bereich in der Mitte besitzt eine sichtbar andere Struktur als der umliegende Bereich.

Die Wechselwirkungen bei der Lösung von ästhetischen Problemen lassen sich am besten anhand von Beispielen verdeutlichen.

Beispiel: Bindenähte

Das Foto in Abbildung 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Abdeckung für ein Verbrauchergerät. Die Außenseite der Abdeckung wurde durch mittleres Perlstrahlen strukturiert. Der Formkonstrukteur hat sich für zwei Kantenangüsse entschieden (nicht sichtbar auf der gegenüberliegenden nicht-kosmetischen Seite des Teils). Zu dieser Entscheidung führte die Überlegung, dass das Teil schwer zu füllen ist, da es relativ groß und dünn ist und ein paar dickere Abschnitte besitzt. Die Angussstelle wurde so gewählt, dass die Angussreste nicht sichtbar sind.

Abbildung 2: Heißkanalangussrest. Der Angussrest ist die kleine Erhebung an der Oberkante des Teils in Höhe des 65-mm-Teilstrichs des Lineals. Normalerweise wird die Erhebung nach dem Spritzgießen so bündig wie möglich abgetrennt, ein Rest bleibt jedoch immer zurück.

Das Foto zeigt eine Bindenaht auf dem strukturierten Bereich. Es wurde beleuchtet, um die Problematik zu verdeutlichen. Die Bindenaht selbst (die senkrechte Linie in der Mitte) ist bei dieser Beleuchtung sichtbar, doch das größte Problem ist die Struktur. Die kühleren Fließfronten des Kunststoffs, sowie der heißere Kunststoff hinter der Fließfront werden nicht in die Struktur der Formoberfläche gepresst. Da das Teil dünn ist und schnell abkühlt, kann der Spritzgusstechniker das Teil nicht so füllen, dass eine einheitliche Struktur erreicht wird. Dadurch entsteht um die Bindenaht eine sichtbar unterschiedliche Struktur.

Es gab mehrere Möglichkeiten, um das Problem zu reduzieren. Ein einzelner Kantenanguss würde eine Bindenaht in diesem Bereich ausschließen. Jedoch würden sich beim Befüllen des Teils wahrscheinlich Probleme ergeben. Das Teil könnte dicker gestaltet werden, um einen einzelnen Kantenanguss praktikabel zu machen. Dadurch würde das Teil schwerer und teurer ausfallen und es ergäbe sich ein zusätzlicher Zeitaufwand für den Neuentwurf sowie möglicherweise Probleme mit Passteilen. Die Angüsse könnten näher am betroffenen Bereich untergebracht werden, sodass der kalte Bereich der zusammentreffenden Fließfronten durch die Fließfront weggedrückt würde. Die Kantenangussreste würden dadurch jedoch in kosmetische Bereiche fallen.

Abbildung 3: Gleicher Bereich wie in Abbildung 1 nach Wechsel zu einem Heißkanalanguss. Der Anguss befindet sich auf der Oberkante in der Mitte dieses Fotos.

In diesem Fall entschied sich der Kunde nach Absprache mit dem Formkonstrukteur für einen Heißkanalanguss in der Mitte des Teils. Bei einem Heißkanalanguss wird Kunststoff über die A-Seite der Form direkt in das Teil eingespritzt (d.h. ohne Angusskegel oder Angusskanäle); dabei bleibt ein kleiner Rest zurück (siehe Großaufnahme des Angussrests in Abbildung 2). Außerdem kommt es zu einer leichten Fehlstelle rund um den Angusspunkt (kaum sichtbar in Abbildung 2 und 3, Bereich mit etwa 1,0 mm Durchmesser). Bei der Verlegung des Angusses wurde der Heißkanalangussrest (der Grund, warum der Heißkanalanguss zuerst verworfen wurde) als Wechselwirkung für die Beseitigung der Bindenaht in Kauf genommen

Abbildung 4: Einsinkung. Die Mitte dieser Einsinkung liegt etwa 1 mm unter dem eigentlichen Oberflächenprofil des Teils.

Beispiel: Einsinkung

Ein weiteres Beispiel für ein Problem mit mehreren Lösungsmöglichkeiten ist in Abbildung 4 dargestellt. Hier ist eine Einsinkung auf einem kosmetischen Teil zu sehen. Beim Umdrehen des Teils findet man den Grund für die Einsinkung: es handelt sich um ein dünnwandiges Teil mit einem großen robusten Dom (Abbildung 5). Da der Kunststoff im Dom von außen nach innen erstarrt ist, kam es an beiden Enden des Doms zu einer Kontraktions- und Ziehbewegung. Den dadurch entstandenen, deutlich sichtbaren Schönheitsfehler konnte der Spritzgusstechniker nicht vermeiden. Der Werkstoff verstärkte das Problem zusätzlich. Der Kunde benötigte ein Teil aus Polycarbonat, einem Werkstoff, der extrem steif (einer der steifesten technischen Kunststoffe) und anfällig für Einsinkungen ist. Die Designempfehlungen für Polycarbonat¹³ verlangen eine Wandstärke von mindestens 1 mm bei kleinen Teilen (dies ist kein kleines Teil) und höchstens 3,8 mm bei großen Teilen. Der untere Teil des Wulstes übersteigt die empfohlene maximale Stärke für Polycarbonat um einiges.

Abbildung 5: Die Ursache. Der 76 mm lange Dom besitzt an der Basis einen Durchmesser von etwa 9,5 mm. Aufgrund der sowohl innen als auch außen erforderlichen Formschräge reicht die Mittelbohrung weniger als die Hälfte in den Dom hinein.

Die ideale Lösung für dieses Problem wäre, den Dom bis zum Boden zu entkernen, wobei die Bohrung groß genug sein müsste, sodass lediglich ein dünnwandiges Röhrchen auf der Rückseite der kosmetischen Oberfläche übrig bleibt (idealerweise müsste die Wandstärke 40-60 % der Stärke der Hülle betragen¹⁴). In diesem Fall war dies aufgrund der innerhalb und außerhalb des Röhrchens notwendigen Formschräge nicht möglich. Ohne Formschräge an der Außenseite würde der Dom in die Form hineinragen und im Normalfall beim Auswurf in der Form abbrechen. Ohne Formschräge an der Innenseite würde der Kernstift vom Dom festgehalten, sodass beim Auswurf entweder der Stift abbrechen oder sich das Teil verziehen würde

Kein Einsinken mehr mit PC/ABS-Kunststoff

Abbildung 6: Keine Einsinkungen mehr mit PC/ABS. Dieses Foto zeigt denselben Bereich wie in Abbildung 4.

Abhilfe schuf die Wahl eines anderen Werkstoffes (Polycarbonat/ABS-Mischung, siehe Abbildung 6). Die Probleme mit Einsinkungen waren fast vollständig ausgeräumt. Die Wahl des Werkstoffes kann – nicht nur bei Einsinkungen – einen großen Einfluss auf das ästhetische Erscheinungsbild haben.

Die Abbildungen 7 bis 10 zeigen unterschiedliche Materialien, die in exakt dieselbe Form (ein Schildchen für Werkstoffmuster) eingespritzt und beleuchtet fotografiert wurden, um die Oberflächenkontraste zu verdeutlichen. Die verschiedenen Oberflächenfinishes des Schildchens waren: SPI-A2 (geschliffen mit Grade 6 Diamant), SPI-B1 (poliert mit 600er Schleifpapier), SPI-C1 (poliert mit 600er Stein), PM-F0 (wie maschinell bearbeitet; „as machined“), PM-F1 (Frässpuren größtenteils entfernt), PM-T1 (leichte Perlstrahloberfläche) und PM-T2 (mittlere Perlstrahloberfläche).

Abbildung 7: schwarzes ABS. Dieser Kunststoff reproduziert die Oberflächen in der Form originalgetreu.

Abbildung 9: schwarzes Nylon 66. Ebenso wie ABS sorgt Nylon für optisch ansprechende Teile.

Abbildung 11: schwarzes Santoprene TPE (55 Durometer). Zwischen einer hochpolierten Formoberfläche (SPI-A2) und einer „as machined“-Oberfläche (PM-F10) besteht fast kein Unterschied.

Abbildung 8: hellgraues ABS. Oft kann ein hellerer Kunststoff verwendet werden, um Oberflächenfehler wie Unebenheiten oder Einsinkungen zu kaschieren.

Abbildung 10: schwarzer Nylon 66, 33 % glasfaserverstärkt. Vergleichen Sie diesen Werkstoff mit dem unverstärkten Nylon 66 in Abbildung 9. Der Unterschied zwischen den Oberflächenqualitäten strukturiert (T1 und T2), Stein (C1) und Papier (B1) ist deutlich weniger sichtbar. Der Bereich SPI-A2 zeigt eine leicht strukturierte Oberfläche.

Abbildung 12: schwarzes Delrin 500 (Acetal). Beachten Sie die Fließlinien und die unebene Einsinkung im Bereich SPI-A2. Es ist möglich, ein optisch ansprechendes Acetalteil herzustellen. Dazu müssen die Konstruktionsregeln für Acetal genau eingehalten werden.

Beispiel: Änderung der Teilegeometrie

Gelegentlich lässt sich ein ästhetisches Problem am besten durch eine Änderung der Geometrie des Teils lösen. Das Teil in Abbildung 13 soll verdeutlichen, wie alle Aspekte des Designs – von der Geometrie bis hin zu den Verarbeitungsparametern – miteinander verzahnt sind. Dieses Teil besteht aus Acetal, womit sich gewöhnlich nur schwer, ästhetisch anspruchsvolle Ergebnisse erzielen lassen.

Das in Abbildung 13 gezeigte Originalteil, besitzt dicke Bereiche und verstößt damit gegen die Prinzipien für Kunststoffkonstruktionen. Der Spritzgusstechniker änderte einen Aspekt des Verfahrens (Einspritzgeschwindigkeit), um den besten Kompromiss zu erzielen. (A) und (B) sind die extremen Varianten. Bei (A) wurde die Einspritzgeschwindigkeit reduziert, um Fehlstellen am Anguss zu minimieren, die einen Orangenhauteffekt verursachen. Bei (B) wurde die Einspritzgeschwindigkeit höher eingestellt, um den Orangenhauteffekt zu unterbinden. Dies führte zu Fehlstellen am Anguss und zu verstärkten Einsinkungen in den dicken Bereichen. Zur Veranschaulichung sind die Angüsse und Angusskanäle mit abgebildet. Nachdem das Verfahren so optimiert wurde, dass ein bestmögliches ästhetisches Ergebnis erzielt werden konnte, ohne dabei Einbußen bei den Materialeigenschaften hinnehmen zu müssen (nicht abgebildet), lag das Erscheinungsbild dieses Teils immer noch unter dem Standard, da es erkennbare Einsinkungen und Fehlstellen am Anguss aufwies.

Um die Ästhetik zu verbessern, wurde dieses Teil unter Berücksichtigung der Grundregeln für Kunststoffkonstruktionen neu entworfen. In diesem Fall mussten die Wände eine einheitliche Stärke besitzen, die innerhalb des empfohlenen Bereichs für Acetal lag. Das Ergebnis ist in Abbildung 13(C) abgebildet. Die Auflösung des Fotos ist nicht hoch genug für einen detaillierten Vergleich, doch das Endergebnis ist eindeutig besser.

Drei Spritzgusskonstruktionen eines Teiles

Abbildung 13: Acetalteil. (A) Optimiert auf minimale Fehlstellen am Anguss. (B) Optimiert auf minimalen Orangenhauteffekt. (C) Neuentwurf ohne dicke Bereiche.

Zusammenfassung

Das Aussehen ist einer von vielen Aspekten, die beim Entwerfen eines Kunststoffteils berücksichtigt werden müssen. Es ist jedoch ein besonders komplexes Thema, das Farbe, Form und Oberflächenbeschaffenheit umfasst und durch das Design, den Werkstoff und das Spritzgussverfahren beeinflusst wird. Außerdem ist es der subjektiven Wahrnehmung unterworfen, was das Thema noch komplizierter macht. Da so viele verschiedene Faktoren beteiligt sind, kann das endgültige Aussehen schwer vorherzusehen sein.

Wenn Sie mit dem Spritzgussdienst von Protolabs, zusammenarbeiten, stellen Sie das Ausgangsdesign zur Verfügung und das Endprodukt gehört Ihnen. Zwischen dem Anfang und dem Ende bietet Protolabs jedoch Hilfestellungen, die zur Feinabstimmung des Endergebnisses verwendet werden können. Protolabs stellt während des Angebots- und Spritzgussprozesses Informationen zur Verfügung, die dazu verwendet werden können, um Ihr Teil zu ändern und das Design zu verfeinern und dadurch die bestmögliche Ästhetik zu erzielen. Der Abschlusstest ist natürlich die Herstellung eines Prototypen, der darüber entscheidet, ob das Produkt in die Produktion gelangt oder für weitere Verfeinerungen zurück auf das Zeichenbrett kommt.

¹ EDM: elektroerosive Bearbeitung. Beim Formenbau versteht man hierunter in der Regel das Einbrennen einer Graphitelektrode in einer Form mithilfe eines Funkenerosionsverfahrens. Das Verfahren wird zur Herstellung von Merkmalen eingesetzt, die mit herkömmlichen Bearbeitungsverfahren nicht zu erreichen sind.

² Allgemeine Designempfehlungen für das Spritzgussverfahren.

³ Unter dem folgenden Link finden Sie einen Kunststoffleitfaden mit einer Bewertung verschiedener Gattungen an technischen Kunststoffen im Hinblick auf unterschiedliche Aspekte, von denen einige für das Aussehen von Bedeutung sind.

⁴ Die Stelle, an der die Teile einer Form aufeinandertreffen. In der Regel entsteht entlang dieser Linie ein dünner Streifen auf dem Teil.

⁵ Siehe z.B. ProtoFlow. ProtoFlow.

⁶ Für Formen werden manchmal andere Werkstoffe, wie z.B. RTV, verwendet. Diese erlauben jedoch keine Einspritzdrücke und das Aussehen der Teile unterscheidet sich deutlich von einem Spritzgussteil.

⁷ Mold-Tech: siehe mold-tech.com

⁸ Einsinkung: Kunststoff erstarrt beim Abkühlen in einer Form von außen nach innen. Aufgrund des Zusammenziehens führt dies in dickwandigen Abschnitten zu einer nach innen gerichteten Zugbelastung, die zu Vertiefungen (Einsinkungen) an den Außenflächen des Teils führen kann. Vermeidung von Einsinkungen: siehe Designempfehlungen.

⁹ Ausrückstift: runder Stift, der in der Regel in der B-Seite einer Spritzgussform angebracht ist, um das Teil nach dem Spritzgießen aus dem Hohlraum zu drücken. Normalerweise hinterlässt ein Auswerfer am Teil einen runden Schönheitsfehler.

¹⁰ Bindenähte: sichtbare Spuren am fertigen Teil, wo zwei oder mehr Kunststoff-Fließfronten zusammentreffen. Bindenähte sind nicht nur unansehnlich, sondern außerdem potenziell schwächer als das Basismaterial, da die Fließfronten abkühlen und es unter Umständen nicht zu einer Verschmelzung kommt.

¹¹ Gussgrat: Kunststoff, der in die Trennfuge zwischen den Flächen der Formhälften, um Löcher bildende Abquetschflächen oder um Flächen für Seitwärtsbewegungen gepresst wird. Dieser Kunststoff bildet beim Aushärten dünne Schichten von überschüssigem/unerwünschtem Kunststoff, der in einem zweiten (normalerweise manuellen) Arbeitsschritt vom fertigen Teil entfernt werden muss.

¹² Beispiel für einen Compoundierer: Albis Plastic GmbH (polyone.com)

¹³ Empfohlene minimale und maximale Wandstärke für gängige Kunststoffe finden Sie hier.

¹⁴ Empfehlungen für eine einheitliche Wandstärke finden Sie hier. Gleichmäßige Wandstärke