Spritzgussgerecht konstruieren – Kunststoffteile, die sich formen lassen

Spritzgussgerecht konstruieren: zuerst gleichmäßige Wände

Kunststoff schwindet beim Abkühlen, und dicke Bereiche schwinden stärker und kühlen langsamer ab als dünne. Die Folgen sind Einfallstellen, Lunker und Verzug. Grundregel ist deshalb eine möglichst gleichmäßige Wandstärke im ganzen Teil. Übergänge zwischen verschiedenen Dicken verlaufen allmählich, über eine Strecke von etwa dem Dreifachen des Dickenunterschieds.

Welche Dicke sinnvoll ist, hängt vom Werkstoff ab. ABS und PC funktionieren typisch gut zwischen etwa 1,2 und 3,5 mm, während PP, PA und POM dünner geformt werden können. Unnötig dicke Wände verlängern die Zykluszeit, und die Zykluszeit bestimmt den Stückpreis in der Serie. Braucht es Steifigkeit, sind Rippen fast immer besser als dickere Wände.

Ein Teil, das für 3D-Druck oder Fräsen gezeichnet wurde, hat oft massive Bereiche, die dort funktionieren, im Werkzeug aber nicht. Wir höhlen solche Bereiche von der Rückseite aus, sodass die Wand gleichmäßig wird, und ersetzen Vollmaterial durch ein Rippennetz. Das Teil wird leichter und bekommt eine kürzere Zykluszeit, ohne an Steifigkeit zu verlieren.

Entformungsschrägen und Trennebene

Alle Flächen parallel zur Öffnungsrichtung des Werkzeugs brauchen eine Entformungsschräge, damit sich das Teil ohne Kratzer löst. Der Richtwert liegt bei mindestens 0,5–1° auf glatten Flächen. Strukturierte Oberflächen brauchen mehr, oft zusätzlich 1–1,5° je 0,025 mm Strukturtiefe, nach Angabe des Werkzeugbauers oder Narbungsanbieters. Tiefe Teile brauchen in der Regel größere Schrägen als flache, weil die Reibung am Kern mit der Tiefe zunimmt.

Die Trennebene, an der die Werkzeughälften zusammentreffen, hinterlässt immer eine feine Linie am Teil. Wir legen sie in Abstimmung mit dem Werkzeugbauer an eine Kante, an der sie nicht sichtbar ist und keine Dichtung stört. Bohrungen und Ausschnitte quer zur Öffnungsrichtung erfordern Schieber oder lose Kerne und verteuern das Werkzeug. Oft beseitigt eine geänderte Geometrie den Bedarf ganz, etwa ein durchgehender Ausschnitt statt einer Sacknut.

Hinterschnitte, also Formen, die sich im Werkzeug verhaken, lassen sich manchmal mit einer durchgehenden Öffnung im Boden lösen. Durch sie formt ein Kern von der Gegenseite den Haken. Diese Technik nutzen wir oft für Schnapphaken; sie spart einen Schieber. Solche Lösungen schlagen wir früh vor, bevor der Werkzeugbauer das Werkzeug kalkuliert.

Rippen, Radien und Schraubdome

Eine Rippe bringt Steifigkeit ohne dicke Wände. Als Richtwert beträgt die Rippendicke 50–60 Prozent der Wand, bei einfallgefährdeten Werkstoffen weniger. Die Höhe sollte höchstens etwa das Dreifache der Wandstärke betragen, der Abstand zwischen Rippen mindestens das Doppelte. Auch Rippen erhalten eine Entformungsschräge und einen kleinen Radius am Fuß.

Scharfe Innenecken führen zu Spannungsspitzen und schlechterer Füllung. Innenradien sollten mindestens die halbe Wandstärke betragen und Außenradien gleich Innenradius plus Wandstärke sein, damit die Wand um die Ecke gleichmäßig bleibt. Schraubdome binden wir über Rippen an die Wand an und halten sie frei von Materialanhäufungen. Die Domwand beträgt etwa 60 Prozent der Nennwand, um Einfallstellen auf der Sichtseite zu vermeiden.

Schnapphaken legen wir nach der zulässigen Dehnung des Werkstoffs aus. Eine zur Spitze hin schmaler werdende Zunge verteilt die Dehnung gleichmäßiger als eine gerade, und ein Radius am Fuß senkt das Bruchrisiko. Wir rechnen die Biegung vereinfacht nach und prüfen die Funktion dann mit einem gedruckten Prototyp.

Werkstoffwahl und Schwindung

Der Werkstoff beeinflusst Konstruktion und Werkzeug. Amorphe Kunststoffe wie ABS und PC schwinden wenig und gleichmäßig, etwa 0,4–0,7 Prozent. Teilkristalline Kunststoffe wie PP, PA und POM schwinden stärker, oft 1–2,5 Prozent, und unterschiedlich längs und quer zum Fließweg. Glasfasergefüllte Typen schwinden weniger, haben aber richtungsabhängige Eigenschaften.

Schnapphaken funktionieren am besten in zähen Werkstoffen wie PP, PA und POM, die mehr Dehnung vertragen als PC und ABS. PP eignet sich für Filmscharniere, die sich tausendfach biegen lassen, ohne zu brechen. Wir wählen den Werkstoff nach Temperatur, Chemikalien, Steifigkeit und Oberfläche und geben die Bezeichnung in der Zeichnung an. Wie die Werkstoffwahl mit den Produktanforderungen zusammenhängt, beschreiben wir im Ratgeber von der Idee zum Produkt. Die Schwindung selbst gleicht der Werkzeugbauer durch eine vergrößerte Kavität aus. Unsere Aufgabe ist es, den Werkstoff klar anzugeben und ungleichmäßig schwindende Geometrie zu vermeiden, etwa große ebene Flächen ohne Rippen.

Mit Prototypen testen, bevor das Werkzeug bestellt wird

Ein Spritzgusswerkzeug ist schwer und teuer zu ändern, wenn der Stahl einmal bearbeitet ist. Deshalb prüfen wir die Geometrie zuerst mit 3D-gedruckten Prototypen. Passung, Schnapphaken und Montage lassen sich bewerten, auch wenn ein Druck nie genau die Eigenschaften eines Spritzgussteils hat. Mehr zum Ablauf unter Produktentwicklung und Prototypen. Manchmal lohnt es sich auch, zunächst ein einfacheres Prototypwerkzeug aus Aluminium für die ersten Teile zu bestellen.

Ist die Konstruktion fertig, geht STEP an den Werkzeugbauer. Dazu kommt eine Zeichnung mit kritischen Maßen, Flächen mit Oberflächenanforderungen und zulässigen Positionen für Anschnitt und Auswerfer. Füllsimulationen führen wir nicht selbst durch, liefern aber saubere Daten für den, der die Analyse macht. Gehäuse sind eine häufige Anwendung – siehe Elektronikgehäuse konstruieren.

Denken Sie auch an die Kennzeichnung. Werkstoffkennzeichnung nach ISO 11469, Datumsstempel und Kavitätennummer gehören auf eine verdeckte Fläche. Wir zeichnen sie von Anfang an ins Modell, damit der Werkzeugbauer sie nicht nachträglich ergänzen muss.

Richtwerte für Spritzgussteile

Richtwerte für ungefüllte Werkstoffe. Datenblatt des Rohstofflieferanten und Erfahrung des Werkzeugbauers haben Vorrang vor der Tabelle.

Das benötigen wir von Ihnen

• 3D-Modell als STEP oder ein vorhandener gedruckter Prototyp
• Funktion und Umgebung: Last, Temperatur, Chemikalien, UV-Licht und Lebensmittelkontakt
• Gewünschter Werkstoff oder die Anforderungen, die ihn bestimmen
• Sichtflächen und Anforderungen an Oberfläche oder Narbung
• Erwartete Stückzahl pro Jahr
• Teile, an die das Teil montiert wird: Schrauben, Einsätze und andere Kunststoffteile
• Kontaktdaten des Werkzeugbauers, falls bereits gewählt

Typische Aufträge

• Gehäuse und Deckel für Elektronik
• Schnapphaken und Clips
• Griff mit Rippen statt Vollmaterial
• Dose mit Schraubdeckel
• Deckel mit Filmscharnier aus PP
• Räder und Rollen
• Abdeckung mit Schraubdomen und Gewindeeinsätzen
• Umkonstruktion eines gedruckten Teils für die Serie
• Halter aus glasfasergefülltem PA
• Teile mit strukturierter Oberfläche

Das beeinflusst Preis und Lieferzeit

• Wie viel der vorhandenen Geometrie geändert werden muss
• Anzahl der Schieber und losen Kerne, die wegkonstruiert werden müssen
• Schnapphaken, Filmscharniere und Gewinde
• Anzahl der Teile, die in einer Baugruppe zusammenpassen müssen
• Anzahl der Prototyprunden vor der Werkzeugbestellung
• Revisionen nach Rückmeldung des Werkzeugbauers

Das erhalten Sie

• STEP für den Werkzeugbauer
• Prüfung von Entformungsschrägen und Wandstärken im ganzen Teil
• Vorschlag für Trennebene, Anschnitt und Auswerfer
• Zeichnung mit kritischen Maßen, Werkstoff und Oberflächenanforderungen
• Prototypdateien und gedruckte Musterteile
• Revisionsverwaltung nach Rückmeldung des Werkzeugbauers

Häufige Fragen