Spritzgusstoleranzen: Optimieren Sie sie auf vier Arten

Spritzgießen ist das gebräuchlichste Herstellungsverfahren zur Herstellung von Kunststoffprodukten, die aus mehreren Teilen bestehen, die in der Endphase der Produktion zusammengefügt werden müssen. Bei der Teilemontage geht es um die richtige Ausrichtung und Verbindung verschiedener Teile. Hier ist die Toleranz sehr wichtig, und wenn sie nicht richtig spezifiziert und kontrolliert wird, schlägt die Montage fehl.

Toleranzfehler sind aufgrund der Kosten einer Spritzgussform immer problematisch. Daher muss man wissen, wie man die Toleranzen beim Spritzguss kontrolliert. In diesem Artikel erfahren Sie, wie Sie die Toleranzen beim Kunststoffguss mithilfe von DFM-Materialauswahl (Design for Manufacturing), Werkzeugdesign und Prozesssteuerung kontrollieren können.

Warum sind Toleranzen für Spritzgussteile wichtig?

Der Grad der Abweichungen bei jedem Rapid-Prototyping-Prozess hängt von seiner Genauigkeit ab, und obwohl das Spritzgießen ziemlich präzise ist, gibt es immer noch kleine Abweichungen. Aufgrund dieser Variation ist es wichtig, den zulässigen Abweichungsbereich für die effektive Funktion der Teile nach der Montage zu bestimmen.

Kunststoffformtoleranzen sind bei der Montage von Produkten mit mehreren Spritzgussteilen von entscheidender Bedeutung. Wenn Sie beispielsweise zwei Kunststoffformteile mit einer Schraube verbinden möchten, müssen Sie in beide Teile ein Loch bohren. Jeder Fehler in der Position und Größe der Löcher kann zu Fehlern beim Zusammenbau und zum Funktionsverlust führen. Daher sind für eine maximale Funktion örtliche Toleranzen an beiden Teilen erforderlich.

Vereinfacht ausgedrückt ist die Kontrolle und Optimierung der Spritzgusstoleranzen eine Möglichkeit, vom „Worst-Case-Szenario“ auszugehen. Dabei geht es darum, den zulässigen Abweichungsbereich zu bestimmen, der die maximale Funktionsfähigkeit von Produkten unterstützt.

So optimieren Sie Spritzgusstoleranzen

Um Spritzgusstoleranzen zu optimieren, können Sie das Produktdesign mithilfe von Design for Manufacturing optimieren, indem Sie die richtigen Spritzgussmaterialien verwenden, das Spritzgussformdesign und die Prozesssteuerung optimieren. In diesem Abschnitt wird jede Kategorie vorgestellt, damit Sie eine realistische Kunststoffspritzgusstoleranz erreichen können.

Während der Designphase

Hersteller, die Spritzguss verwenden, stoßen während des Prozesses auf Probleme wie Verzug, übermäßiges Schrumpfen der Teile und Teilefehlausrichtung, die sich auf die Toleranz der Spritzgussteile auswirken. Um dem entgegenzuwirken, stellen Designer sicher, dass jedes Produktdesign eingehalten wird Design für die Fertigung (DFM), da es das Auftreten solcher Probleme einschränken kann.

Sie können Zugang zu einem guten DfM erhalten, indem Sie einen guten Rapid-Prototyping-Dienst mit umfassender Erfahrung im Spritzgießen in Anspruch nehmen (z. B RapidDirect) früh im Entwurfsprozess. Im Folgenden sind vier Faktoren aufgeführt, die Sie bei der Teilekonstruktion berücksichtigen sollten.

Gesamte Größe

Je größer die Gesamtgröße der Produkte oder Teile ist, die Sie herstellen möchten, desto wichtiger ist die Toleranz. Beim Kunststoffspritzguss wird eine Vergrößerung eines Produkts wahrscheinlich zu einer Verformung des Produkts führen und kann zu Verformungen oder Schrumpfungen führen. Um dies zu reduzieren, ist es daher wichtig, die Größe zu berücksichtigen.

Wandstärke

Schrumpfung ist die Kontraktion des Kunststoffteils während der Abkühlphase. Es handelt sich um einen integralen Spritzgussprozess, der von Faktoren wie Wandstärke, Temperatur usw. gesteuert wird.

Eine gleichmäßige Wandstärke führt zu einer stabilen Schrumpfrate, wodurch kosmetische Mängel wie Verziehen, Einsinken, Risse und Verdrehungen reduziert werden. Sie können eine gleichmäßige Wandstärke erreichen, indem Sie wie folgt vorgehen:

• Vermeiden Sie Teilegeometrien wie scharfe Innenecken, lange, nicht unterstützte Spannweiten und schlecht gestaltete Vorsprünge
• Verwenden Sie bei Bedarf Rippen zur Verstärkung der Wände
• Der Radius an den Innenecken verringert die Verformung
• Verwenden Sie die richtige Materialien unter Berücksichtigung der Wandstärke

Außerdem sollten Sie dicke Wände vermeiden, da dies die Abkühlungsrate verringert. Folglich erhöht es die Schrumpfungsrate und folglich die Verformung.

Entwurfswinkel

Formschrägen sind ein wichtiger Teil von Spritzgussdesign da sie das einfache Entfernen eines Teils aus einer Spritzgussform ermöglichen. Die einfache Entfernung kann Reibungsschäden verringern, den Verschleiß minimieren und eine glatte Oberfläche gewährleisten.

Wenn Sie beim Spritzgießen keinen Entformungswinkel berücksichtigen, kann dies zu Schrumpfungen und zum Feststecken von Teilen beim Auswerfen führen (Kunststoffmaterialien wie Nylon liefern auch bei 0 °C noch perfekte Ergebnisse).⁰). Der Entformungswinkel wird in Grad/Zoll/Millimeter gemessen, es gibt jedoch keine Standardregel für Spritzgusstoleranzen bei der Einbeziehung in das Produktdesign. Wir haben jedoch einige Faustregeln, die Sie befolgen können.

• Ein Entformungswinkel von 1⁰ zu 2⁰ ist für die meisten Teile geeignet.
• 1 hinzufügen⁰ für 1 Zoll Tiefe.
• Verwenden 3⁰ für leichte Textur und >5⁰ für schwere Textur
• Verwenden 0.5⁰ auf allen vertikalen Flächen.

Dome (Bosses)

Vorsprünge sind ein wichtiger Bestandteil des Produktdesigns und werden zur Befestigung von Komponenten während der Teilemontage verwendet. Bei der Gestaltung eines Chefs sind einige wichtige Überlegungen zu berücksichtigen. Zum einen darf die Wand des Vorsprungs nicht dick sein. Die Einbindung eines dicken Vorsprungs in Ihr Design führt zu Folgendem:

• Die Entstehung von Hohlräumen und Senken
• Erweiterung der Zykluszeit
• Beim Befestigen reißt der Kunststoff

Außerdem sollten Sie Kernvorsprünge anbringen (d. h. sie an der nächsten Seitenwand befestigen). Dies führt zu einer zusätzlichen Lastverteilung für das Teil und verbessert die Kältebeständigkeit und den Materialfluss des Teils.

Wählen Sie das richtige Material für enge Einspritztoleranzen

Ihre Materialwahl spielt eine große Rolle bei der Spritzgusstoleranz, da eine gleichmäßige Schrumpfung (d. h. die Kontraktion eines Spritzgussmaterials während der Abkühlungsphase aufgrund der Dichteänderung) erforderlich ist. Die Schrumpfung hängt von Faktoren wie Wandstärke, Temperatur, Teilen und Materialart ab. Bei der Materialauswahl sollten Sie die folgenden Faktoren als Hilfestellung verwenden:

• Kunststoffzusammensetzung: Amorphe Kunststoffe, z. B. ABS, weisen aufgrund ihrer weniger kompakten Struktur eine geringere Schrumpfung auf als teilkristalline Kunststoffe, z. B. Polyethylen.
• Molekulargewicht: Harze mit hohem Molekulargewicht weisen eine hohe Viskosität und einen hohen Druckabfall auf, was die Schrumpfrate erhöht.
• Zusatzstoffe: Der Zusatz von Füllstoffen mit geringer Wärmeausdehnung verringert die Schrumpfrate.

Verschiedene Harze haben unterschiedliche Schrumpfungsraten. Daher müssen Sie dies bei der Materialauswahl und dem Spritzgussdesign berücksichtigen, um kosmetische Defekte wie Verformungen, Einsinken, Risse und Verdrehungen zu reduzieren, die die Toleranz von Spritzgussteilen beeinträchtigen. 

Denken Sie an Formenwerkzeuge

Bei der Auswahl der idealen Materialien bieten Formenbauer an, die Form zu überdimensionieren, um der Materialschrumpfung Rechnung zu tragen. Unterschiedliche Materialien weisen aufgrund ungleichmäßiger Dicken unterschiedliche Schrumpfraten auf. Um dies zu reduzieren, sollten Sie bei der Gestaltung der Form Folgendes beachten.

Werkzeugkühlung

Die Kühlung ist ein entscheidender Schritt beim Spritzgießen, der die Qualität des Endprodukts bestimmt. Dabei wird das erhitzte Kunststoffpolymer vor seinem Auswurf gleichmäßig abgekühlt.

Die Kühlung muss gleichmäßig erfolgen, da eine ungleichmäßige Kühlung zu Schrumpfung, Einfallstellen, Auslaufen, Verziehen usw. führt, was sich auf das Aussehen, die Toleranz und die Funktion des Endprodukts auswirkt.

Um eine gleichmäßige Kühlung zu erreichen, sollten Spritzgussform-Designer Kühlkanäle an strategischen und effektiven Stellen in der Form platzieren. Außerdem kann es erforderlich sein, die folgenden Parameter zu überwachen:

• Einspritzdruck
• Harzviskosität
• Zeit füllen

Werkzeugtoleranz

Eine Spritzgussform wird üblicherweise mittels CNC-Bearbeitung hergestellt, was es ermöglicht, eine enge Toleranz zu erreichen, die die Genauigkeit während des gesamten Heiz- und Kühlzyklus des Prozesses beibehält.

Durch die Toleranz wird sichergestellt, dass die Teile ordnungsgemäß abkühlen, ohne die Genauigkeit zu beeinträchtigen. Obwohl es aufgrund der Verwendung von nicht üblich ist CNC-BearbeitungWenn die Toleranz bei der Herstellung einer Form nicht kontrolliert wird, kann dies zu schwerwiegenden Mängeln wie Verziehen, Schrumpfen, Einsinken usw. führen.

Position des Auswerferstifts

An Auswerferstift ist eine Funktion in einer Spritzgussform, die das Endprodukt aus der Form drückt. Der Stift ist in verschiedenen Formen erhältlich (am besten sind flache Formen), durch die er eine gewisse Kraft ausübt, um das Produkt herauszudrücken. Wenn es an der falschen Stelle angebracht ist, kann es daher zu unerwünschten Vertiefungen am fertigen Produkt kommen. Außerdem kann ein Auswerferstift bei nicht starren Materialien oder Materialien mit ungleichmäßiger Kühlung das unfertige Produkt zerreißen, was zu mehreren kosmetischen Mängeln und physikalischen Abweichungen führt.

Gate-Standort

Der Anschnitt ist der Teil der Form, durch den die Spritzgussmaterialien in die Form gelangen. Bei der Entscheidung über den Standort des Tores sollten Sie Folgendes berücksichtigen

• Platzieren Sie das Tor im tiefsten Querschnitt: Dadurch werden Einsinken und Hohlräume minimiert. Es wird auch den Kunststofffluss verbessern.
• Platzieren Sie das Tor zum vollständigen Packen in dickwandigen Bereichen.
• Platzieren Sie das Tor nicht neben Hindernissen wie Stiften und Kernen.
• Lassen Sie nicht zu, dass die Position des Anschnitts die Verformung des Läufers und die Ästhetik des Benutzers beeinträchtigt.

Das Tor muss an der richtigen Stelle angebracht werden, da eine falsche Platzierung zu Folgendem führen kann:

• Ungleichmäßige Füllrate: Dies führt zu Verwerfungen und Schrumpfungen
• Schlechte kosmetische Oberflächen.

Führen Sie wiederholbare Prozesskontrollen aus

Prozesskontrollen sind Methoden, mit denen Hersteller Variablen kalibrieren, die die Teilequalität beeinflussen können. Diese Variablen sind ein integraler Bestandteil jedes Herstellungsprozesses und ihre Kalibrierung trägt dazu bei, die Abweichung zu verringern. Häufige Variablen sind Temperatur, Druck und Haltezeit. Einige Möglichkeiten, dies zu erreichen, sind:

• Sie können Temperatur- und Drucksensoren in die Form einbetten, um die Formumgebung zu messen und Echtzeit-Feedback und wiederholbare Prozesskontrollen bereitzustellen.
• Harze haben einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der bei Temperaturschwankungen zu Größenveränderungen führen kann. Daher sollten Sie bei der Arbeit mit Teilen mit konstanter Temperatur vorsichtig sein.

Erreichbare Toleranzen beim Kunststoffspritzguss

Um echte Spritzgusstoleranzen zu erreichen, gibt es einige erreichbare Kunststoffspritzgusstoleranzen, die Sie in Ihr Kunststoffformdesign einbeziehen können. Im Folgenden sind die häufigsten Kunststoffe aufgeführt, die beim Kunststoffspritzguss verwendet werden:

Maßtoleranzen +/- mm

Die Aufrechterhaltung des Genauigkeitsgrads kann eine große Herausforderung sein. Daher verwenden Designer das (+/-)-Zeichen, um einen Messbereich anzuzeigen. Jedes Material hat mit zunehmenden Abmessungen einen anderen Toleranzbereich. Die obige Tabelle zeigt die Maßtoleranzen der wichtigsten Kunststoffe, die beim Spritzgießen verwendet werden.

Geradheits-/Ebenheitstoleranzen

Verwerfungen treten aufgrund unterschiedlicher Formschrumpfraten in Richtung des Formflusses und quer zum Fluss auf. Dies kann auf unterschiedliche Wandstärken zurückzuführen sein, die zu unterschiedlichen Schrumpfraten führen. Durch eine Optimierung des Formdesigns, eine bessere Anschnittposition und eine bessere Prozesskontrolle können Verformungen minimiert werden. Möglicherweise müssen Sie jedoch eine praktische Toleranz gegenüber Kunststoffen einhalten, da sich die Verformung nur schwer zu 100 % erreichen lässt.

Lochdurchmessertoleranzen +/- mm

Je größer die Lochgröße, desto mehr muss die Toleranz berücksichtigt werden. Die obige Tabelle zeigt explizit die Toleranz für verschiedene Lochdurchmessergrößen.

Sacklochtiefentoleranzen +/- mm

Sacklöcher sind Löcher, die mit einem Einsatzkern in ein Werkstück gebohrt werden, ohne es zu durchbrechen. Sie werden an einem Ende fixiert und gehalten, was ihre Tendenz zur Verformung unter starker Schmelzflusskraft erhöht. Die obige Tabelle zeigt die verschiedenen Toleranzen, die Sie verwenden können.

Konzentrizitäts-/Ovalitätstoleranzen +/- mm

Dabei wird die Wandstärke (Differenz zwischen Außendurchmesser und Innendurchmesser) ermittelt. Die obige Tabelle zeigt die unterschiedlichen Toleranzen und Kostenänderungen bei der Erreichung dieser Toleranz.

Fazit

Beim Spritzgießen kommt es immer zu Abweichungen, sodass es wichtig ist, einen zulässigen Abweichungsbereich zu haben, damit die Teile nach der Montage effektiv funktionieren. Daher sind die Toleranzen beim Spritzgießen bei der Montage von Produkten mit mehreren Spritzgussteilen von entscheidender Bedeutung.

Durch die Kontrolle und Optimierung von Spritzgusstoleranzen ist es möglich, den zulässigen Abweichungsbereich zu bestimmen, der die maximale Funktionsfähigkeit von Produkten unterstützt. Gängige Wege, dies zu erreichen, hängen stark von DfM, Materialauswahl und Prozesskontrolle ab. Dieser Artikel hilft Ihnen, die gebräuchlichen Wege zu vereinfachen, die in Ihrem Projekt sehr nützlich sein werden.

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Die Herstellung leistungsstarker und konsistenter Produkte aus mehreren Spritzgussteilen erfordert die gezielte Reduzierung von Variationen beim Spritzguss. Durch Teileoptimierung ist es möglich, Teile herzustellen, die zuverlässig und von hoher Qualität sind.

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