modulus empfehlungen für den konstrukteur -...

Modulus®

Empfehlungen für den Konstrukteur

It’s about time.

Thema Teil/Seite

Willkommen! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IZum Geleit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I–2Die Polymere von AlliedSignal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I–2Recycling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I–2Konstruktionsunterstützung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I–3CAD/CAE–Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I–3Sicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I–3

Konstruktionsgrundlagen für Spritzgußteile. . . . . . . . . . . . . . . IIWerkzeugtrennflächen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II–2Entformungsschrägen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II–3Wanddicke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II–3Abrundungen und Radien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II–3Nocken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II–4Rippen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II–4Öffnungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II–5Schwindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II–5Anguß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II–5Werkzeugentlüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II–6Fließnähte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II–6

Konstruktionstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IIISpannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–2Spannung/Dehnung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–2Normalspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–3Scherspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–3Torsionsspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–4Biegespannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–5Eigenschaften unterschiedlicher Querschnitte . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–6Definition der Variablen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–6Querschnitte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–6Formeln für die Durchbiegung gängiger Kragarme/Träger . . . . . . . . . III–7Formeln für Deformation und Spannung unter Torsion . . . . . . . . . . . III–8I–,T– und L–Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–9Formeln für ebene Flächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–10Druckgefäße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–11Wärmeausdehnung und Spannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–12Schlagspannung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–13Spannungskonzentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–14Rippenauslegung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–15Steifigkeitsausgleich. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–18

Konstruktionsbeispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IVTräger für Geschwindigkeitsregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV–2Abdeckung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV–4

Montage- und Fügetechniken. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VSchnappverbindungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–2Konstruktionskriterien für Schnappverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . V–2Rechteckige oder runde Schnapphakenträger . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–2Gerade oder abgeschrägte Schnapphakenträger. . . . . . . . . . . . . . . . . V–2Kurze Schnapphaken. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–3Neue Formeln für Schnapphaken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–4Konstruktionsbeispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–4Preßpassungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–5Klebeverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–6Schrauben, Muttern und Gewinde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–8Eingeformte Gewinde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–9

Inhaltsverzeichnis

Thema Teil/Seite

Schneidschrauben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–10Einsatzmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–11Ultraschallschweißen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–12Scherschweißverbindungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–12Ultraschallkonzentratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–13Vibrationsschweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–14Sonstige Fügetechniken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–15Thermoplastisches Vernieten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–15Rotationsschweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–15Induktionsschweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–16

Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VIKlassifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI–2Verteilung der Molmasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI–4Physikalische Eigenschaften im Vergleich zu Metallen . . . . . . . . . . . . VI–5Dichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI–5Wärmeausdehnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI–5Wärmeleitfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI–6

Physikalische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VIIMechanische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII–2Kurzzeiteigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII–2Kerben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII–2Belastungsgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII–2Temperaturbeständigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII–4Wärmealterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII–4Feuchtigkeitsaufnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII–5Berücksichtigung der Feuchtigkeitsaufnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII–6Feuchtebedingte Eigenschaftsänderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII–6Feuchtebedingte Ausdehnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII–6Beschleunigte Feuchtkonditionierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII–6Prozeßbedingte Eigenschaftsänderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII–7Additive (Farbpigmente) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII–8UV–Einstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII–8Chemikalien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII–8Langzeiteigenschaften – Kriechen,

Spannungsrelaxation und Nutzdauer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII–9Reibungskoeffizient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII–11

Gasinjektionsanwendungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VIIIHohlformteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VIII-2Teilfülling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VIII-3Schwindungsausgleich. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VIII-3

Oberflächenveredelung & Nachbearbeitung . . . . . . . . . . . . . . . IXGalvanisieren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX-2Lackieren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX-2Bedrucken/Heißprägen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX-2Schneiden/Sägen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX-3Oberflächendesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX-3

Anhang A: Physikalische Eigenschaften & Terminologie . . . . . AAnisotropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-2Dichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-2Duktilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-2Elastizität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-2

Thema Teil/Seite

Gleitfähigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-2Härte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-2Isotropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-2Kerbempfindlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-2Plastizität. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-3Reibung und Verschleiß. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-3Spezifisches Gewicht (relative Dichte). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-3Sprödigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-3Verarbeitungsschwindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-3Verzug. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-3Wasseraufnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-3Zähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A-3

Anhang B: Internationale Prüfnormen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B

Anhang C: Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C

Alle Aussagen und Informationen in dieser Veröffentlichung ergehen in

gutem Glauben und nach bestem Wissen, sind jedoch in keiner Weise

als ausdrückliche oder implizierte Garantie zu verstehen. Risiko und

Haftung für Folgen aus dem Einsatz hierin beschriebener Produkte,

Verfahren oder Maßnahmen liegen beim Anwender.Angaben oder

Empfehlugen in dieser Druckschrift zum möglichen Einsatz von

Produkten oder Verfahren entbinden den Anwender nicht davon,

bestehende Patent- oder Schutzrechte einzuhalten. Der Anwender

sollte nicht davon ausgehen, daß alle Toxizitätsdaten und

Sicherheitsmaßnahmen aufgeführt bzw. keine weiteren Vorkehrungen

erforderlich sind.Weitere Informationen bezüglich der sicheren

Handhabung von Kunststoffen sind die einschlägigen Werkstoff-

Sicherheitsdaten zu entnehmen.

Capron®, Petra®, Dimension® und Nypel® sind eingetragene

Warenzeichen von AlliedSignal Inc.

Verkaufsbüros: Hinckley (Großbritannien), Raunheim (Deutschland), Le Perreux-sur-Marne (Frankreich), Viggiù (Italien)

Technische Zentren: Morristown, NJ (U.S.A.), Detroit, MI (U.S.A.), Heverlee (Belgien), Hong Kong, Seoul (Korea)

Kundenberatungszentren:

AlliedSignal Polymers GmbHBreitscheidstraße 105D-07407 RudolstadtDeutschlandTel: +49 3672 52461Kostenfrei Tel: 0130 124 106Fax:+49 3672 52957

AlliedSignal Europe N.V.Engineering PlasticsGrauwmeer 1Haasrode Research Park B-3001 Heverlee (Leuven)BelgienTel: +32 1639 1267Fax: +32 1640 0674

AlliedSignal Inc.Engineering Plastics101 Columbia RoadMorristown, New Jersey 07962U.S.A.Tel: +1 602 496 1000Fax: +1 804 530 6670

Internet: http://www.asresin.com

Teil I

Zum Geleit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I–2

Die Polymere von AlliedSignal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I–2

Recycling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I–2

Konstruktionsunterstützung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I–3

CAD/CAE-Service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I–3

Sicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I–3

Willkommen!

Dieses Handbuch bietet Ihnenals Teil unserer kunden-orientierten Geschäfts-philosophie einen Überblicküber das Konstruieren mittechnischen Kunststoffen vonAlliedSignal. Darüber hinausunterstützen wir unsere Kundenmit einem umfassenden Paketkonstruktions- undentwicklungstechnischerServiceleistungen.

Zum GeleitKernelemente einer vorausschauendenKonstruktionsstrategie sind:

a) Sicherheit und Produktleistung

b) Optimale Materialwahl und Fertigungstechnik zur Sicherung der spezifizierten Konstruktionsziele

c) Maximale Funktionalität

d) Wirtschaftlicher und umweltverträglicher Materialeinsatz

Die Empfehlungen und Beispiele in diesem Handbuchinformieren Sie über grundlegende Konstruktions-kriterien für typische Anwendungsfälle. Zur vertieftenDiskussion markt- und produktspezifischerAnforderungen wird in den kommenden Monaten eineReihe weiterführender Broschüren erscheinen. IhrKonstruktionserfolg ist unser Hauptanliegen.

Die Polymere von AlliedSignalDie technischen Kunststoffe von AlliedSignal umfassenPolyamide, thermoplastische Polyester und Polymer-blends. Die Konstruktionsempfehlungen in diesemHandbuch basieren auf den verfügbaren Daten dieserKunststoffe. Da jedoch jede Polymerfamilie in mehr oderweniger zahlreiche Typen mit teilweise sehr unterschied-lichen Eigenschaften verzweigt, ist sollten der konkretenMaterialwahl und Konstruktion nur die Produktdatender jeweils in Frage kommenden Typen zugrunde gelegtwerden.Verlassen Sie sich darüber hinaus nie aufEigenschaftswerte in Datenblättern, da diese imallgemeinen nur Labor- und Richtwerte darstellen.Zuverlässige Aussagen über das tatsächliche Verhaltender Materialien unter Einsatzbedingungen erfordernpraxisnahe Prüfungen.

AlliedSignal bietet hochwertige technischer Polymere invier Hauptproduktlinien:

• Capron® PA 6 und PA 6.6

• Dimension® PPE/PA 6-Blends

• Petra® PET-Recyclate (aus Verbraucherquellen)

• Nypel® PA 6-Recyclate (aus Industriequellen)

Diese Kunststoffe sind in homopolymeren sowiecopolymeren und verstärkten Qualitäten lieferbar.Details finden Sie in unserer Produktliteratur, oder fragenSie unsere Mitarbeiter in Vertrieb und Anwendungs-technik. Darüber hinaus erreichen Sie uns unter derAdresse http://www.asresin.com on-line im Internet.

RecyclingRecycling gilt heute als selbstverständlicher Bestandteileiner umweltverträglichen und rohstoffsparendenMaterialwirtschaft und macht sich in den meisten Fällendurch reduzierte Produktkosten bezahlt. Kunststoff-recyclate sind unter Berücksichtigung der gefordertenProduktleistung oft eine wirtschaftliche Alternative.

I-2

Teil I: Willkommen!

Beim Einsatz von Recyclaten sollte außerdem folgendesbedacht werden:

• Verwenden Sie für verschweißte oder verklebte Teile möglichst dasselbe oder ein weitgehend identisches,kompatibles Polymer. Unterschiedliche Polymere sollten nur für Anwendungen eingesetzt werden, die mechanisch miteinander verbunden werden und sich wieder demontieren lassen.

• Die Farbauswahl ist in der Regel begrenzt.

• Aus Umweltgründen sind in Europa und weltweit zunehmend cadmiumfreie Farben gefragt. Dies hat die Farbauswahl zunächst weiter eingeschränkt. Es wird jedoch verstärkt daran gearbeitet, dieses Problem zu lösen.

AlliedSignal hat zwei Produktlinien, die zu denKunststoffrecyclaten zählen: Petra®, das zu 100% ausrecycelten PET-Getränkeflaschen besteht; und Nypel®,ein PA6-Recyclat aus Produktionsquellen.

Die Polymere von AlliedSignal sind in einer breitenPalette cadmiumfreier Farbeinstellungen lieferbar. Dasgilt auch für die Familie der PaintFree™ Petra® Produkte,die den Zeit- und Kostenaufwand für das Lackierensparen.

KonstruktionsunterstützungKonstruktionstechnische Unterstützung bieten dieModulus® Designteams von AlliedSignal Plastics inMorristown (New Jersey, USA), Southfield (Michigan,USA) und Heverlee (Belgien). Das Spektrum derDienstleistungen umfaßt:

FertigteilprüfungenSpannungsanalysenFinite-Elemente-AnalysenKonstruktionsseminarePrototypenbauPrototypentestsStereolithografieNormprüfungenDesignkonzepteSchnappverbindungsauslegungProduktwertanalysenMontagetechnikenFließ-/VerzugstudienKostenanalysenComputergestütztes DesignGasinjektionstechnologiePolymeranalysenUnterstützen bei der WerkzeugkonstruktionToleranzstudienFehleranalysen

CAD/CAE-ServiceEine der vielen Stärken von AlliedSignals Modulus®

Designservice sind unsere CAD/CAE-Kapazitäten.Wirberaten Sie nicht nur in Konstruktionsfragen, sondernunterstützen Sie auch mit modernster Entwicklungs-software für Finite-Elemente-Analysen (FEA),Werkzeugfüllstudien etc.

Darüber hinaus haben wir erfahrene Spezialisten fürPrototypenbau und Stereolithografie. Das Modulus®Servicepaket wird laufend erweitert und aktualisiert, umIhnen zu helfen, die technologischen Herausforderungenam Markt mit neuen und innovativen Produkten zumeistern.

SicherheitBeim Konstruieren sollte ein Sicherheitsfaktorberücksichtigt werden, um ernsthaften Ausfällen odervorzeitigem Versagen der Formteile vorzubeugen. DerFaktor hängt von zahlreichen Erwägungen ab, wieTemperatur, Schmelzehomogenität, unvorhersehbarerÜberlastung und anderen Unbekannten.

Mit der Größe des Sicherheitsfaktors erhöht sich zwardie Nutzdauer der Teile unter Belastung. Um jedoch zuverhindern, daß die Anwendung unnötig über-imensioniert wird, sollte die angenommene Belastungmöglichst genau eingegrenzt werden. Die effektiveGröße des Faktors richtet sich dann danach, wie kritischdie spezifische Belastbarkeit für die sichere Funktion derTeile ist. Details zu diesem Thema finden Sie in dereinschlägigen Konstruktionsliteratur.

Polyamid weist in diesem Zusammenhang einigeBesonderheiten auf. So beeinflußt erhöhte Umgebungs-feuchtigkeit seine physikalischen Eigenschaften:Festigkeit, Steifigkeit, Oberflächenhärte und Sprödigkeitnehmen ab, während Schlagzähigkeit,Volumen undKriechneigung zunehmen. Diese und andereToleranzbreiten müssen beim Konstruieren mit Hilfe desSicherheitsfaktors berücksichtigt werden.Aus diesemGrund sind auch Eigenschaftswerte aus Datenblättern,wie sie von vielen Herstellern veröffentlicht werden, fürkonkrete Berechnungen ungeeignet und nur alspunktuelle Richtwerte zu verstehen.

Hinweis: Verarbeitungsempfehlungen findenSie in einer separaten Broschüre.

Wir hoffen, daß Ihnen dieses und unsereanderen Handbücher von Nutzen sind. Bittezögern Sie nicht, weiterführendeProduktliteratur oder Unterstützunganzufordern:

AlliedSignal Europe N.V.Engineering PlasticsGrauwmeer 1Haasrode Research ParkB-3001 HeverleeBelgienTel. +32 1639 1267 (Wir sprechen Deutsch!)Fax +32 1640 0674

Und im Internet erreichen Sie uns unter derAdresse: http: // www. asresin. com

I-3

Teil II

Konstruktionsgrundlagen für Spritzgußteile

Werkzeugtrennflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II–2

Entformungsschrägen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II–3

Wanddicke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II–3

Abrundungen und Radien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II–3

Nocken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II–4

Rippen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II–4

Öffnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II–5

Schwindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II–5

Angußsysteme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II–5

Werkzeugentlüftung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II–6

Fließnähte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . II–6

Das Spritzgießen ist das gängigste Verfahren für diewirtschaftliche und automatisierte Fertigungthermoplastischer Formteile.Werkzeug, Maschine undZusatzausrüstung erfordern hohe Investitionen.Folgende Aspekte sind beim Konstruieren der Teile und Werkzeuge besonders zu überlegen:

WerkzeugtrennflächenEntformungsschrägenWanddicke(n)Abrundungen und RadienNockenRippenÖffnungenSchwindungAnbindung/Anguß(Angüsse)WerkzeugentlüftungFließnähte

Bild II-1.Schema einer SchneckenkolbenSpritzgießmaschine

WerkzeugtrennflächenDie Auslegung der Werkzeugtrennebene oder -trennflächen hängt von der Form und Funktion der Teileab. Falls es sich beispielsweise um eine Welle handelt,deren Durchmesser als Lagerfläche dienen soll, ist eineherkömmliche Trennebene ungeeignet. Statt dessensollte die Welle zur Trennebene hin leicht abgeflachtwerden, um Fehlpassungen zu vermeiden und dieBildung von Grat zu minimieren (Bild II-2).

Bild II-2.Freilaufwelle

Bild II-3 zeigt ein Beispiel für unregelmäßigeTrennflächen. Bei engtolerierten Trennflächen müssendie Werkzeughälften gut ineinandergreifen oder je nachFertigabmessung ein Spiel von 0,125 bis 0,25 mm lassen,um mögliche Fehlpassungen aufzufangen.

Bild II-3. Unregelmäßige Werkzeugtrennflächen

II-2

Teil II: Konstruktionsgrundlagen für Spritzgußteile

Werkzeug (Formnest)

Düse

RückströmsperreBegrenzungsschalterfür Schneckenhub

Einspritz-kolben

MotorSchneckeTrichterHeizbänderSchließeinheit

Motoren, Pumpen, Ventile, Öltank, Wärmetauscher etc.

Regler und Steuerung

0,15 mmWerkzeugtrennfälchen 0,15 mm

Werkzeugtrennflächen

EntformungsschrägenEntformungsschrägen werden für das Auswerfen derspritzgegossenen Teile aus dem Werkzeug benötigt undgrundsätzlich empfohlen. Normal sind Mindestschrägenvon 1° und 0,5° bei Rippen. Kleine Schrägen sind besserals keine, und wo es die Konstruktion erlaubt, solltengrößere in Erwägung gezogen werden. Falls nur sehrkleine Entformungsschrägen möglich sind, sollte derWerkzeugstahl gut poliert und die Tiefe nicht größer als12,5 mm sein.

WanddickeOberste Regel beim Konstruieren von Spritzgußteilen istgleichmäßige Wanddicke–je gleichmäßiger, desto besserdas Fließverhalten der Schmelze im Werkzeug und destogeringer die Neigung zu Einfallstellen, eingeformtenSpannung und Schwindungsunterschieden.

Wanddickenübergänge sollten 15% der Nennwanddickenicht überschreiten und graduell verlaufen (Bild II-4).Das gilt auch für Richtungsänderungen im Bereich vonEcken und Kanten.

Bild II-4.

Bild II-5.

Abrundungen und RadienScharfe Ecken und Kanten sind eine der Hauptursachenfür das Versagen von Formteilen, für Spannungs-konzentrationen, mangelhaften Schmelzefluß underhöhten Werkzeugverschleiß. Ecken und Kanten solltendaher je nach Anwendung möglichst großzügigabgerundet werden. Empfohlene Mindestradien sind 50%der Wanddicke (D) innen und 150% der Wanddickeaußen (Bild II-5).

II-3

0,15 TT

0,15 T

Nicht empfohlen Empfohlen

D

R ≥ 0,5 D

R ≥ 1,5 D


NockenNocken dienen meistens zur Aufnahme von Einsätzen,Schneidschrauben, Stiften und anderen Montage- oderFunktionselementen.Vermeiden Sie freistehendeNocken. Um ihre strukturelle Festigkeit sicherzustellen,sollten Nocken möglichst immer über Rippen oder Stegemit der Wand des Formteils oder einer Versteifungsrippeverbunden sein (Bild II-6).

Bild II-6.

Der Außendurchmesser von Nocken für Schneid-schrauben sollte im Idealfall das 2,5fache des Schrauben-durchmessers betragen. Dickwandige Nocken mitGrundflächen von mehr als 50% der Wanddickeverursachen sichtbare Einfallstellen. Dies läßt sichumgehen, indem man die Nockenwand nur bis zumZweifachen des Schraubendurchmessers auslegt undüber mehrere Stegrippen anbindet (Bild II-7).

Bild II-7.

Die Dicke der Stegrippen an ihrer Basis sollte 50% derangrenzenden Wanddicke nicht überschreiten. Berück-sichtigen Sie bei den Innen- und Außendurchmessernvon Nocken außerdem eine Entformungsschräge von0,5°.Weitere Informationen über die Auslegung vonNocken für Preßpassungen und Schneidschraubenfinden Sie in Teil V dieses Handbuchs.

RippenRippen eignen sich, um die Steifigkeit zu erhöhen oderdas Füllen komplexer Werkzeuge zu optimieren.

Bei tragenden, verdeckten Teilen, bei denen Einfallstellenkeine Rolle spielen, kann die Dicke der Rippenbasis(d)75% bis 85% der angrenzenden Wanddicke(D) betragen.

Bei texturierten Sichtteilen ohne Einfallstellen sollte dieRippenbasis nur maximal halb so dick wie dieangrenzende Wand sein; bei untexturierten Sichtteilennur bis zu 30%.

Eine wirksame Verbesserung der Steifigkeit erfordertRippen, deren Höhe mindestens das 2,5- bis 3fache derWanddicke(D) beträgt.

Berücksichtigen Sie auf beiden Rippenseiten eineNennentformungsschräge von 0,5° und Radien vonmindestens 0,5 mm an der Rippenbasis.

Als empfohlener Mindestabstand zwischen zwei Rippengilt das Zweifache der Wanddicke, um die eingeformtenSpannungen zu minimieren und Probleme mit derWerkzeugkühlung zu vermeiden (Bild II-8).

Bild II-8.

II-4


D

0,5 D an der Basis


Einfallstellen

D

0,7 D

R = 0,25 D0,5 D

mind. 0,5°

mind. 2 D

mind. 2,5-3,0 D

D

d

R ≥ 0,5 mm

ÖffnungenÖffnungen im Formteil (beispielsweise für Schnapp-verbindungen), die ohne Kernzüge realisiert werdensollen, erfordern einen Öffnungswinkel zwischen Kernund Kavität von 5° (Bild II-9).

Bild II-9.

SchwindungPolymere schwinden beim Erstarren im Werkzeug. DasAusmaß der Schwindung hängt von der Art des Kunst-stoffs ab. Kristalline und teilkristalline Materialienschwinden mehr als amorphe.Verstärkte Polymereschwinden weniger als unverstärkte. Um die typischeSchwindung zu berücksichtigen, muß das Material vorder Konstruktion des Werkzeugs spezifiziert sein.Grundlegende Schwindungsdaten werden nach ISO2577 ermittelt.

Darüber hinaus wird die Schwindung von der Formteil-und Werkzeugkonstruktion beeinflußt: DickwandigeTeile schwinden mehr als dünnwandige.Wanddickenunterschiede könnenSchwindungsdifferenzen und Verzug verursachen.Vorallem bei glasfaserverstärkten Materialien bestehenaußerdem Schwindungsunterschiede in Abhängigkeitvon der Fließrichtung.

Zu den Verarbeitungsbedingungen, die die Schwindungbeeinflussen, zählen der Werkzeuginnendruck – je höherdesto geringer die Schwindungsneigung sowie dieWerkzeug- und Verarbeitungstemperaturen. KühlereWerkzeuge reduzieren die Schwindung. HoheVerarbeitungstemperaturen erhöhen sie, insbesonderebei teilkristallinen Polymeren.

Für typische Schwindungsdaten unserer Polymerewenden Sie sich bitte an den technischen Service vonAlliedSignal Plastics.

AngüsseDer Anguß, über den das Formteil angespritzt wird, istnormalerweise der kleinste Durchmesser im Anguß-system.Wie diese Anbindung ausgelegt wird—einschließlich Position, Größe,Art und Anzahl derAngüsse—hängt von der geforderten Oberflächen-qualität am Auguß, von der Werkzeugkonstruktion undFormteilgeometrie sowie von der Materialwahl ab.

Allgemeine Empfehlungen:

• Anguß möglichst nicht in Bereiche legen, die erhöhter Spannung oder Schlag ausgesetzt sind.

• Anguß so konfigurieren und positionieren, daß sie die Oberflächenqualität so wenig wie möglich beeinträchtigen.

• Anguß so auslegen, daß sie keine nachträgliche Angußabtrennung erfordern.

• Anguß so positionieren, daß sie ein optimales Füllbild sicherstellen, mit vorteilhafter Glasfaserorientierung (falls gegeben) und Fließnähten nur in spannungsarmen Bereichen.

Weitere Einzelheiten finden Sie im Spritzgießhandbuchvon AlliedSignal.

II-5

��mind. 5°

Werkzeug-öffnungsweg

WerkzeugentlüftungUm Luft und Gase entweichen zu lassen, muß dasSpritzgießwerkzeug gut entlüftet werden. MangelhafteEntlüftung kann überhöhten Spritzdruck, unterfüllteTeile, Brandspuren und Streifenbildung verursachen. EinWerkzeug gilt als ausreichend entlüftet, wenn keinerleiBrandspuren sichtbar sind.

Die Entlüftung erfolgt normalerweise entlang derTrennflächen über kleine Schlitze oder Bohrungen.Deren Größe hängt von der Art des eingespritztenMaterials ab; fragen Sie den technischen Service vonAlliedSignal nach spezifischen Empfehlungen.

Weitere Möglichkeiten der Werkzeugentlüftung sindAuswerferstifte, Entlüftungsstifte und Angußverteiler.Welche Bereiche besonders entlüftet werden müssen,läßt sich am besten mit Fließstudien ermitteln.

FließnähteWo sich zwei Fließfronten im Werkzeug vereinen, ist diemechanische Festigkeit des Formteils im allgemeinengeringer. Die in Werkzeugfüllstudien gut erkennbarenFließnähte sollten daher so weit wie möglich inspannungsärmere Bereiche hinein verlegt werden.Fließnähte entstehen meistens nach Einsätzen oderanderen Hindernissen, wie Kernstiften oder Nocken, dieden Schmelzestrom teilen oder umlenken.

II-6

Teil III

Konstruktionstechnik

Spannung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–2

Spannung/Dehnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–2

Normalspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–3

Scherspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–3

Torsionsspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–4

Biegespannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–5

Eigenschaften unterschiedlicher Querschnitte . . . . . . . III–6

Definition der Variablen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–6

Querschnitte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–6

Formeln für die Durchbiegung

gängiger Kragarme/Träger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–7

Formeln für Deformation

und Spannung unter Torsion . . . . . . . . . . . . . . . . . III–8

I-,T- und L-Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–9

Formeln für ebene Flächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–10

Gleichungen für ebene Flächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–10

Druckgefäße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–11

Wärmeausdehnung und Spannung. . . . . . . . . . . . . . . . III–12

Schlagspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–13

Spannungskonzentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–14

Rippenauslegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–15

Steifigkeitsausgleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III–18

SpannungSpannung/DehnungWenn eine Kraft auf ein Formteil aufgebracht wird,kommt es durch auftretende Spannung und Dehnung zurVerformung. Die Spannung (σ) im Formteil wird von deraufgebrachten Kraft (F) pro Flächeneinheit (A) bestimmt.

Dehnung (ε) ist die Längenänderung des Formteilsgegenüber seiner Ausgangslänge (Bild III-1).

Bild III-1.Dehnung

Nach dem Hooke-Gesetz verhält sich die Dehnungproportional zur Spannung, und der Elastizitätsmodul (E)ist die Konstante dieser Proportionalität.

Alle Kunststoffe haben eine typische Spannungs-/Dehnungskurve (Bild III-2).

Bild III-2. Typische Spannungs-/Dehnungslinien

Die Spannungs-/Dehnungskurve für einen Kunststoff wirdmittels Zugprüfung bei Raumtemperatur ermittelt. Siebeschreibt das Verhalten der Materialprobe (Prüfstab) unterStreckspannung bei definierter (konstanter) Streck-geschwindigkeit (5-12 mm/min).Die Proportionalitäts-grenze,ab der die Kurve abweichend vom Hooke-Gesetznichtliniear verläuft,hängt neben Temperatur und Feuchtig-keit auch vom Material ab.Kunststoffe haben kein linearesVerhalten ähnlich dem von Metallen.

Wenn die Zugkraft groß genug ist, erreicht die Kurve dieElastizitätsgrenze des Kunststoffs, ab der eine irreversibleVerformung auftritt.Als Streckgrenze bezeichnet manden Punkt, ab dem die Dehnung bei konstanter Spannungzunimmt. Bei spröden Kunststoffen verläuft die Kurvesteiler als bei duktilen, und es kommt oft noch vor derStreckgrenze zum Bruch (Sprödbruch). Der Zähbruchduktiler Kunststoffe erfolgt demgegenüber meistens weitjenseits der Streckgrenze, sofern überhaupt eineStreckgrenze erkennbar ist.

III-2

Teil III: Konstruktionstechnik

A

L

∆L

F

F

σ= FA

ε=∆LL

Dehnung

Span

nung

Typisches Metall

Spröder Kunststoff

Duktiler Kunststoff

E= σε

Normalspannung

Normalspannung (σ) ist das Verhältnis der aufgebrachtenKraft (F) senkrecht zur Querschnittfläche (A):Eine senkrecht (normal) auf die Oberfläche wirkendeKraft verursacht eine Spannung im Querschnitt. Dabeihandelt es sich je nach Richtung der Kraft um Zug- oderDruckspannung (Bilder III-3 und III-4).

Bild III-3. Zugspannung

Bild III-4.

Druckspannung

ScherspannungScherspannung (τ) wird wie die Zug- oderDruckspannung als Verhältnis der aufgebrachten Kraft

(F) zur Querschnittfläche (A) ausgedrückt.Die Kraft wirkt dabei jedoch parallel versetzt auf dieFläche (Bild III-5).

Bild III-5. ScherspannungIllustration: Beer & Johnson, Mechanical Materials,1981

III-3

A

F

F

A

F

F

F

C

C

C

A

F

F

F

SCHNITT C - C

σ= FA

τ= FA

TorsionsspannungWenn ein zylindrisches Formteil entlang seiner Achseverdreht wird (Bild III-6), entsteht an einem beliebigenPunkt seiner Oberfläche eine Torsionsspannung (τ), diewie folgt berechnet wird:

Dabei ist Mt der Drehmoment, e die Senkrechte von derZylinderachse zur Oberfläche, an der die Spannung amgrößten ist, und It die Querschnittfunktion (vgl. auchSeite III-8).

Bild III-6.TorsionsspannungIllustration: Beer & Johnson, Mechanical Materials

Das Drehmoment wird nach folgender Formel berechnet:

Dabei ist die Variable der vom Drehmoment bestimmteTorsionswinkel, G der Schubmodul und L die Länge desTeils. Für den Torsionswinkel ergibt sich:

Beispiel für einen massiven Rundstab (Welle):

Ein 100 mm langer, massiver Rundstab mit 10 mmDurchmesser wird einem Drehmoment von 1 Nmausgesetzt. Zu berechnen sind die Torsionsspannung undder Torsionswinkel.

Der Prüfstab besteht aus 40% mineralgefülltem undglasfaserverstärktem Capron® 8267, spritztrocken; dieTorsion erfolgt bei Raumtemperatur.

Die Torsionsspannung ist sehr niedrig im Vergleich zurZugfestigkeit des Kunststoffs, so daß der Rundstab dasspezifizierte Drehmoment aushält.

III-4

τ=Mt

. eIt

L

e

(b)γ

Mt

γ . It. G

LMt=

Mt. L

It. G

γ=

E2(1+ν)

E= Elastizitätsmodul = 7600 N/mm2

ν= Poissonzahl = 0,35

7600 N/mm2

2(1+0,35)G= = = 2815 N/mm2

12

(6 mm)4

2It= πR4= π = 2035,8 mm4

900 Nmm . 6 mm2035,8 mm4τ= = 2,653 N/mm2

900 Nmm . 130 mm

2035,8 mm4 . 2815 N/mm2γ= = 0,0204 rad

BiegespannungWenn ein an den Enden aufliegender Träger sich unterBelastung durchbiegt, steht der obere Teil unter Druckund der untere unter Zug.

Die Nullinie (NL) ist spannungslos. Die größte Spannungherrscht an den Oberflächen des Trägers (A und B). Fürdie Biegespannung gilt:

Dabei ist M das Biegemoment, e der Abstand von derneutralen Achse zur Oberfläche und I dasTrägheitsmoment (Bild III-7).

Bild III-7.Nullinie bei Durchbiegung

Beispiel für einen Kragbalken:

Der in Bild III-8 gezeigte Doppel-T-Träger wird mit einerKraft von 10 kp belastet. Um die dabei entstehendeBiegespannung zu ermitteln, muß erst das Trägheits-moment berechnet werden. Der Träger besteht ausCapron® 8267 (40% mineralgefülltes und glasfaser-verstärktes PA6) und hat spritztrocken eine Zugfestigkeitvon 140 N/mm2.

Bild III-8.I-Träger im Querschnitt

Ein Vergleich der Biegespannung mit der Zugfestigkeitdes Materials zeigt, daß der I-Träger die spezifizierteBelastung aushält.

* Trägheitsmomente für andere Trägerquerschnitte sieheBilder III-9 bis III-14.

III-5

σ= MeI

��NL

Zug

B

A

Druck F

Breite (b)

Höhe bis NL (e)

NL

Höhe (h)

b(d+2t)3

12(b-w)d3

12I*= - = 625 mm4

M = Kraft x Abstand = 90 N . 0,05 m = 4,5 Nm

σb= 36 N/mm2

��

�w = 4d = 5

50 mm

F = 90 N

t = 2,5

10

b = 8

Eigenschaftenunterschiedlicher QuerschnitteDefinition der VariablenDie Variablen für die in den Bildern III-9 bis III-14benutzten Größen sind wie folgt definiert:

A = FlächeY = Abstand von der Nullinie zur OberflächeI = Trägheitsmoment im Bereich der Hauptachser = Kreisradius um die Hauptachse

Querschnitte

Bild III-9.Rechteck

Bild III-10.Vollkreis

Bild III-11.Kreisring

Bild III-12.I-Träger, U-Profil und rechtwinkliges Hohlprofil

Bild III-13.U-, T- und L-ProfileSide T section, Cross section, and H section

Bild III-14.T-, Kreuz- und H-Profil

III-6

�y

b

d

�Ri

R

y��R

y

A= bd

γ= d2

I= bd3

r= 0,2887d

112

A= πR2

γ= RR2

I= R4

r=

π4

A= π(R2-Ri2)

γ= R12

I= (R4-Ri4)

r= R2-Ri2

π4

�� d d

w/2

t t

d

y y y

w w

t

b b b

A= 2bt + wd

γ= + t I

A

1 2d2

I= -

r= ( )

b(d+2t)3

12(b-w)d 3

12

��

d d d

y y y

w/2 w w

t

b b bb

t t

A= tb + wd

y=bt 2 + wd (2t + d)

2(tb + wd)

I= (d + t)3- (b - w) - A(d + t - y)2b3

d3

3

IA

12

r= ( )

��d

y

d d

y y

w w

t

bb

b

2

2w

t t

A = w d

y =I

A

1 2d2

I =

r =( )

wd3+ bt 3

12

Formeln für die Durchbiegung gängiger Kragarme/TrägerNachstehend die Gleichungen zum Berechnen desmaximalen Biegemoments Mmax, der punktuellen (y) undmaximalen Lastverlagerung ymax und der Maximal-spannung (σmax) typischer Träger; c = Abstand zur Nullinieim Querschnitt (Bilder III-15 bis III-22).

Bild III-15.Kragarm, Belastung am freien Ende

Bild III-16.Kragarm, punktuelle Belastung

Bild III-17.Kragarm, gleichmäßige Belastung über gesamte Länge

Bild III-18.Kragarm, gleichmäßige Belastung über Teillänge

Bild III-19.Eingespannter Träger, punktuelle mittig

Bild III-20.Eingespannter Träger, mittige Belastung

Bild III-21.Eingespannter Träger, gleichmäßige Belastung

Bild III-22.Frei aufliegender Träger, mittige Belastung

III-7

��

W

LY

xX

y

οymax

Mmax =WL

-Wx2(3L - x)6EI

y=

-WL3

3EIymax =

WLeI

σmax = für x= 0��WL

Y

L/2

x

yο

X

ymax

y= (3Lx2- 4x 3)

Mmax =

-W48EI

WL8

L2

L2

-WL3

192EIymax =

für x=

für x=

WLe8I

σmax = für x= 0, L

WL

L/2

ymax

Mmax =WL4

L2

x=für

-WL3

48EIymax =

-WLe

4Ix= 0, Lσmax = für

y= (3L2 x - 4x3) L2

-W

48EI0 ≥ x ≤für

��WL

Y

x

yο X

ymaxy=

Mmax =

Wx2

24EI

WL2

12

L2

-WL4

384

x= 0, L

x=

(2Lx - L2- x2)

ymax =

-WL2e

12Ix= 0, Lσmax = für

für

für

W = Kraft/Länge

��WL

Y

a

ο X

ymax

Mmax =Wa2(L - a)

L2

L2

a >

-Wa2(L - a)e

L2Iσmax =

ymax=-2W(L - a)2a3

3EI(L + 2a)2

L2

wenn a >2aL

L + 2ax = für

��W

LY

Xa

οymax

Mmax =W(L - a)

-W(2L3- 3L2a + a3)6EI

ymax =

W(L - a)eI

σmax = für x= 0

��W

LY

x

Xyο

ymax

Mmax =

-Wx2

24EI

WL2

2

y= (6L2- 4Lx + x2)

WL2e2I

σmax =

für x= 0

für x= 0

-WL4

8EIymax= für x= L

W = Kraft/Länge

��W

LY

a

Xο

ymax

ymax = (L - a)3 (3L + a)

Mmax =

-W24EI

W(L - a)2

2

W(L - a)2e2I

σmax =

für x= 0

für x= 0

Formeln für Deformation und Spannungunter TorsionNachstehend die Gleichungen zum Berechnen derTorsionswinkel (γ) und der maximalenTorsionsspannung (max) für Träger mit gängigenQuerschnitten (Bilder III-23 bis III-29).

Where: Mt= Drehmoment (Kraft-Länge)L = TrägerlängeG = Schubmodul (Kraft pro Flächeneinheit)It = Querschnittfunktion (Länge4)

Quelle: Roark, Raymond & Young,Warren, Formulas for Stress andStrain, McGraw Hill

Träger unter Torsion

Bild III-23.Kreisprofil

Bild III-24.Kreisscheibe

Bild III-25.Rechteckprofil

Bild III-26.Quadratisches Profil

III-8

γ=Mt

. LG . It��

2R

It= πR412

τmax=2 . Mt

πR 3 am Umkreis

��

R1

R2

It= π(R24- R1

4)12

τmax=2Mt R2

π (R24- R1

4)am Umkreis

�

2a

2b

It= ab3[ ]( ) für a ≥ b- 3,36163

b

a1 -

b4

12a4

τmax=Mt(3a +1,8b)

8a2b2im Mittelpunkt der Ingeren Seiten

2a

�

It= 2,256a4

τmax=0,601Mt

a3im Mittelpunkt jeder Seite

I-, T- und L-ProfileBei I-, T- und L-Profilen liegt die maximale Torsions-spannung dort, wo der Inkreis (D) den Rand berührt.A = Querschnittfläche.

Wenn b < d dann t = b und t1 = dWenn b > d dann t = d und t1 = b

Bild III-27.I-Profil

Bild III-28.T-Profil

Bild III-29.L-Profil

III-9

I1= ab3

τmax=Mt . e

I

D

π2D4

16A2

e= 1 + 0,762 0,118 loge + 0,238 1 +

- 0,2113

D2r

D2r

b

a1 -

b4

12a4

1 +

D

π2D4

16A2

e= 1 + 0,15π2D4

16A2

1 +

wo der Inkreis (D) den Rand berührt

wobei D den RadiusR berührt

d

a

b

e

b

r

�

DI= 2I1 + I2 + 2αD4

I2= ed 313

0,1rb

d 2

4

α= 0,15 +tt1

D=(b + r)2+ rd +

2r + b

d

��

��

a

e

b

r

D

I= I1 + I2 + αD4

I2= cd3 - (1-

0,10rb

13

0,105de

d 4

192e4

d 2

4

α= 0,15 +tt1

D= für d < 2(b + r)(b + r)2+ rd +

(2r + b)

)

��D

ra

e

d��b

��I= I1 + I2 + αD4

I2= cd 3 - 1-

0,076rb

13

0,105de

d 4

192e4

α= 0,07 +db

D= 2 d + b +3r- 2(2r + b)(2r + d)

für b < 2(d + r)

Formeln für ebene FlächenNachstehend die Formeln für die maximaleLastverlagerung ymax und Biegespannung σmaxkreisrunder oder eckiger planer Platten untergleichmäßiger Belastung (Bilder III-30 bis III-33);υ = Poissonzahl.

Gleichungen für ebene Flächen

Bild III-30Frei aufliegende Kreisplatte, gleichmäßige Belastung

Bild III -31Eingespannte Kreisplatte, gleichmäßige Belastung

Bild III-32Frei aufliegende Rechteckplatte, gleichmäßigeBelastung

Bild III-33Eingespannte Rechteckplatte, gleichmäßige Belastung

III-10

ymax

W = wπr2 w= Belastung pro Flächeneinheit

m= 1ν

-3W(3m+1)

8πmt 2σmax= im Mittelpunkt

ymax =-3W(m - 1)(5m +1)r2

16πEm2t 3 im Mittelpunkt

�

��

ymax

W = wπr2 w= Belastung pro Flächeneinheit

m= 1ν

3W

4πt 2σmax= am Rand

ymax =-3W(m2 - 1)r2

16πEm2t 3im Mittelpunkt

b

a

ymax =αwb4

Et 3

βwb2

t 2σmax= im Mittelpunkt

im Mittelpunkt

��b

a

ymax=αwb4

Et 3

βwb2

t 2σmax=

w= Belastung pro Flächeneinheit

im Mittelpunkt

im Mittelpunktder Langen Seiten

a/b 1 1,2 1,4 1,6 1,8

a/b 2 3 4 5 ∞

β 0,2874 0,3762 0,4530 0,5172 0,5688

0,6102 0,7134 0,7410 0,7476 0,750

α

βα

0,0444 0,0616 0,0770 0,0906 0,1017

0,1110 0,1335 0,1400 0,1417 0,1421

1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 ∞β 0,3078 0,3834 0,4356 0,4680 0,4872 0,4974 0,500

α 0,0138 0,0188 0,0226 0,0251 0,0267 0,0277 0,0284

a/b

DruckgefäßeKonstruktionen von Druckgefäßen (Behältern,Tanks)lassen sich aufgrund ihrer schalenförmigen Gehäuse undsymmetrischen Belastung mit Hilfe derSchalenbautheorie analysieren. Um zwischen dick- unddünnwandigen Gehäusen oder Zylindern zuunterscheiden, muß das Verhältnis der Wanddicke (t)zum Radius (r) berücksichtigt werden:

• Für 10t < r ist die Dünnwandtheorie anzuwenden.• Für 10t > r ist die Dickwandtheorie anzuwenden.

Es wird an dieser Stelle nur auf die maximaleDruckspannung eingegangen, die von innen auf dieBehälterwand wirkt (Bild III-34). Das Versagen vonDruckgefäßen aufgrund von äußerem Druck spielt in derPraxis kaum eine Rolle.

Für die maximale Wand- oder Umfangsspannungdünnwandiger Behälter gilt:

Dabei ist P der Innendruck, r der Innenradius und t dieWanddicke.

Für die maximale Innendruckspannung dickwandigerBehälter gilt:

r1 und r2 stehen hierbei für den Außen- undInnendurchmesser.

Bild III-34

•Dickwandig: Nur Radial- und Wand-(Zug-)spannung

•Dünnwandig: Nur Wandspannung

Der kritische oder am höchsten beanspruchte Bereichvon Druckgefäßen ist das Scharnier oder der Übergangvom Gehäuse zum Endverschluß (Bild III-35).

Bild III-35

Spannungserhöhende Faktoren können sich imScharnierbereich konzentrieren; vgl. auch Seite III-14 zuSpannungskonzentratoren. Je abrupter der Übergang,desto höher die Spannung. Kugelförmig gewölbteEndverschlüsse sind daher am besten geeignet.

III-11

σ= Prt

σ=P(r2

2+ r12)

r22- r1

2

Pr1

r2

��Endverschluß

GehäuseScharnier

Druckgefäße (fortgesetzt)Beispiel:

Zu konstruieren ist ein zylindrischer Behälter mit 300 mm Durchmesser, der einen Innendruck von 4 baraushalten soll.Als Material wurde Capron® 8233 gewählt(33% glasfaserverstärktes Polyamid 6).Aus Verarbeitungs-gründen sollte die Wanddicke 6 mm nicht überschreiten.

Analyse der Wanddicke–Dick- oder Dünnwandgleichung?Daraus folgt, daß die Dünnwandlösung anwendbar ist:

Der Vergleich dieser Spannung mit der maximalen

Zugspannung des Materials (130 N/mm2 bei 50% r.L.)zeigt, daß die in Betracht gezogeneDünnwandkonstruktion für vorübergehendeDruckspannungen der angenommenen Höhe mehr alsausreichend ist. Falls das Druckgefäß dieser Belastunglänger ausgesetzt werden soll, müssen entsprechenderweiterte Tests durchgeführt werden.

Hinweis: Bei kugelförmigenEndverschlüssen halbiert sichdie Spannung:

Das unterstreicht die Zweckmäßigkeit dieser Form.

Wärmeausdehnung und SpannungThermische Spannungen sind in der Regel kein großesProblem, außer wenn Materialien mit unterschiedlicherWärmeausdehnung miteinander verbunden werden;beispielsweise ein thermoplastisches mit einemMetallteil.

Bei fester Montage neigt das Material mit der größerenWärmeausdehnung zum Stauchen und kann sichverziehen. Um dies zu verhindern, muß die Maximal-spannung des Materials größer sein als die beimAusdehnen entstehende Druckspannung. Die kritischeDruckspannung (σcc) läßt sich mit der Euler-Gleichungder Stauchbelastung (Pe) berechnen:

Bild III-36.Thermoplast Metall

Für die kritische Druckspannung gilt:

Mit nachstehender Gleichung kann der Unterschied der Wärmeausdehnung zweier Materialien (1 & 2)berechnet werden:

Die Formel zur Kalkulation der thermischen Spannung ist:

Falls σc > σcc, muß mit Stauchung und Verzug gerechnetwerden. Dies läßt sich durch eine der folgenden Maß-nahmen vermeiden:

III-12

300 mm2

10t=10 . 6= 60 mm

r= = 150 mm

60 mm < 150 mm

σ= = = 7,5 N/mm2Prt

0,3 N/mm2 . 150 mm6 mm

σ= = = 3,75 N/mm2Pr2t

0,3 N/mm2 . 150 mm2 . 6 mm

Pe=4π2EI

L 2

α1 = Wärmeausdehnungskoefficient von Material 1∆L=(α1 - α2)

α2 = Wärmeausdehnungskoefficient von Material 1∆L = Längenänderung∆T = Temperaturänderung

L = Abstand zwischen Befestigungsmittelpunkten

∆TL

σc=(α1 - α2) E∆T

σcc = kritische Druckspannung

σcc =

A1 = Querschnittfläche von Material 1I = Trägheitsmoment von Material 1E = Elastizitätsmodul

Pe

A,��

∆L L

1Thermoplast

2Metall

SchlagspannungSchlagspannung tritt auf, wenn das Material kurzfristigdurch eine Schlag- oder Stoßkraft belastet wird. BeimKonstruieren schlagfester Teile ist es sehr wichtig, dieSpannungskonzentrationen zu minimieren. Bohrungen,Kerben, Nuten,Vertiefungen, scharfe Ecken und Kanten,sowie Rippen und Nocken sind potentielle Spannungs-konzentratoren, die zu Schlagbruch führen können. Zuden typischen Schwachstellen zählen außerdemFließnähte.

Modifizieren Sie die Konstruktion möglichst so, daß dieSchlagspannung reduziert und über einen größerenBereich verteilt wird.

Um die schlagbedingte (dynamische) Spannung,Durchbiegung oder Dehnung zu ermitteln, benötigenwir die statische Durchbiegung (ystat) und statischeSpannung (ystatic) des Formteils.Aus ystat läßt sich einVerstärkungskoeffizient (KD) ableiten, der dann mit ystatbzw. sstat multipliziert zu Näherungswerten derdynamischen Durchbiegung (ydynamic)und dynamischenSpannung (ydynamic) führt; h = Fallhöhe.

Beispiel:Eine Last von 0,5 kp fällt aus 1.200 mm Höhe mittig aufeine rundum befestigte, kreisförmig plane Thermoplast-platte mit 0,6 mm Durchmesser.

Bild III-37

Zum Berechnen der statischen Durchbiegung undstatischen Spannung greifen wir auf die Formeln in BildIII-31 zurück:

Dann berechnen wir den Verstärkungskoeffizienten:

Durch Einsetzen erhalten wir nun die dynamische Durchbiegung und dynamisch Spannung:

Bitte beachten Sie, daß diese Methode nur Näherungs-werte liefert, die auf bewährte Weise durch praxisnaheSchlagprüfungen verifiziert werden sollten.

III-13

KD= 1 + 1 + 2hystatic

ν= Poissonzahl

ν= 0,35 E=9000 N/mm2

��

0,540 kg → W= 5,5 kp

1,2 m

ystatic =

10,35

-3W(m2- 1)r2

16πEm2t 3

=-3(5,5) -1 38 2

16π9000 6,353

2

10,35

2

= 1,8 . 10-4 mm

σstatic =3W

4πt 2

3(5,5 N)

4π(6,35 mm2)=

= 3,256 . 10-2 N/mm2

KD= 1 + 1 + 2hystatic

= 1 + 1 + 2(-1200 mm)

-1,8 . 10-4mm

= 3652,5

ydynamic= KD ystatic

= 3652,5 . (-1,8 . 10-4)mm

= -0,657 mm

σdynamic= KD σstatic

= 3652,5 . 3,256 . 10-2 N/mm2

= 119 N/mm2

SpannungskonzentrationWenn Bereiche mit unregelmäßiger Geometrie belastetwerden, können hohe lokale Spannungen bzw.Spannungskonzentrationen auftreten (Bild III-38). Zudiesen spannungserhöhenden Faktoren zählenBohrungen, scharfen Kanten und Ecken, abrupteWanddickenübergänge und zahlreiche weiteregeometrische Merkmale.

Bild III-38.Spannungskonzentrationsfaktor

Oft ist es schwer, die effektive Spannung in diesenBereichen zu berechnen. Es gibt jedoch eine brauchbareMethode, um sie zu schätzen. Bild III-39 zeigt die Kurvefür eine definierte Konfiguration. Je kleiner derInnenradius (R) im Verhältnis zur Wanddicke (D), destogrößer die Spannungskonzentration (Faktor K).

Bild III-39.SpannungskonzentrationsfaktorIllustration: Peterson, R.E., Stress Concentration Factors

Die effektive Spannung kann nun durch Multiplizierender berechneten Spannung mit dem Konzentrations-faktor K ermittelt werden.

Beispiel:

Falsch

Richtig

Bei der oben abgebildeten Konstruktion undLastannahme müßte mit einer Spannungskonzentrationauf 205 MPa gerechnet werden. Beachten Siedemgegenüber, daß dieser Wert sich bei einemInnenradius (R) von 6 mm (R/D = 1) nahezu halbiert.

III-14

Spannungskonzentration bei zu kleinem Radius

Spannungskonzentration = Spannungszunahme

Bruch durch Spannungskonzentration

VORHER

�

�Kleiner Radius

NACHHER

��

BruchLast

σ=

σ

MeI

= 2500 Nmm . 3,125 mm101,725 mm4

= 76,8 N/mm2

I=

= 101,725 mm4

bh3

125 mm . 6,253mm3

12

σ= K MeI

Rh

= = 0,21,25 mm6,25 mm

K= 2,5

σ= 2,5 . 76,8 N/mm2= 192 N/mm2

M= Fd

= 50 N . 50 mm

= 2,5 Nm

e=

= 3,125 mm

h2

�

Kragarm

50 N

d = 50 mm

h = 6,25 mm

b = 5 mm

Typischer Querschnitt

��

R = 1,25 mm

��Last

Spannungskonzentrationsfaktor

Span

nung

skon

zent

ratio

nsfa

ktor

(K)

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,41,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

R/D

T

R

RippenauslegungOft muß beim Konstruieren entschieden werden, wieviele Rippen erforderlich sind, um die Spannung beieinem ursprünglich unversteiften Teil gleichmäßig zuverteilen. So wird bei der Substitution einer Aluminium-oder Stahlkonstruktion durch ein thermoplastischesFormteil in der Regel erwartet, daß dieses mindestensgenauso steif wie das Metallteil ist.

Im folgenden wird beschrieben, wie sich die Anzahl dererforderlichen Versteifungsrippen berechnen und dasGewicht des Teils minimieren lassen, ohne dieVerarbeitung zu erschweren oder die Belastbarkeit zubeeinträchtigen.

Verjüngungswinkel (Entformungsschräge): 0,5°

Verhältnis der Rippendicke an der Basis zurPlattenwanddicke: DB /DW = 0,75

Alle Werte pro Einheit der Plattenwanddicke DW.

Bild III-40. Versteifungsrippe mit Entformungsschräge

Wobei DW = PlattenwanddickeDB = Rippendicke an der BasisL = RippenabstandH = Rippenhöhe

Die Äquivalenzkurven (Bild III-41) wurden für einePlatte mit DB /DW = 0,75 und beidseitig um 0,5°abgeschrägten Versteifungsrippen erstellt. ÄhnlicheKurven stehen auch für zahlreiche andereKonfigurationen bereit.

Bild III-41. Äquivalente Wanddickenkurven

III-15

H

Dw

DB

L

Verjüngungswinkel

Äquivalente Wanddicken-Spannungslinien

D equivDW

1.5

2

3

456.5810

152030405070100

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

1

0 2 4 6 8 10 12 14 16H/DW

L/DW

Äquivalente Wanddicken-Durchbiegungslinien

D equivDW

2

3

456,5813152030

405070100

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

1 1,5

0 2 4 6 8 10 12 14 16H/DW

L/DW

Um diese Kurven zur Umkonstruktion eines Aluminium-auf ein gleich steifes Thermoplastteil zu nutzen, müsseneinige Verhältnisse und die Vergleichswanddicke Dequivberechnet werden. Dann wird eine Nennwanddicke(DW) und entweder die Rippenhöhe (H) oder die Anzahlder Rippen gewählt, um anhand der Kurven dasgeeignete Rippenmuster zu ermitteln. Umgekehrt läßtsich auch die Spannung bzw. Spannungsverteilung füreinen gerippten Träger ermitteln, wobei dieser imPrinzip auf eine plane Platte reduziert wird.

Beispiel:Nachfolgend die Berechnung zur Substitution einer 200mm x 300 mm großen, 3 mm dicken Aluminiumplattedurch eine gleich steife Platte aus glasfaserverstärktemPolyamid, einmal ohne und danach mit Versteifungs-rippen. Für den ersten Fall gilt:

Dies wäre die erforderliche Wanddicke des thermo-plastischen Teils, wenn die ursprüngliche Steifigkeit derAluminiumplatte ohne Versteifungsrippen erreichtwerden soll. Da diese Wanddicke größer ist, als imSpritzgießverfahren wünschenswert, ist die gerippteKonstruktion die bessere Alternative.

Hierfür müssen die Nennwanddicke (DW) und entwederdie Rippenhöhe (H) oder den Rippenabstand (L)definieren. Nehmen wir also an: DW = 3 mm und H = 18 mm.

Daraus folgt:

Da wir die gleiche Durchbiegungscharakteristik(Steifigkeit) wie bei der Aluminiumplatte anstreben,können wir aus dem Schnittpunkt der beidenVerhältnisse Dequiv/DW und H/DW in der Wanddicken-Durchbiegungsgrafik die entsprechende S/DW-Linieablesen und daraus den Abstand S berechnen:

Das heißt, wir würden für ein 200 mm x 300 mm großesKunststoffteil mit 3 mm Nennwanddicke und gleicherSteifigkeit 3x 4 Versteifungsrippen benötigen. Bild III-42illustriert dieses Resultat.

Bild III-42. Kreuzgerippte Kunststoffplatte mit der Steifigkeiteiner Aluminiumplatte derselben Größe undNennwanddicke

Hinweis: Um die Spannungen in der Platte zureduzieren, sollten die Radien an der Rippenbasisgroßzügig abgerundet werden.

Tabelle III-1 zeigt das Verhältnis von Gewicht undSteifigkeit anhand unterschiedlicher Rippenhöhen.

III-16

EAtA3= Eptp

3

tp=

EAluminium= 70000 N/mm2

EKunststoff= 3500 N/mm2

EAtA3

EP

13

tp= Wequiv = 8,14 mm

=70000 N/mm2 . 33mm3

3500 N/mm2

13

(vgl. Seite III-18)

Bekannt sind:

Daraus folgt:

150 mm

240 mm

17,4 mm3 mm

= = 2,713 Wequiv

W8,14 mm

3 mm

= = 5,8 H

W

17,4 mm3 mm

= 0,75⇒ T = 0,75 . 3 mm

= 2,25 mm

T

W

III-17

Tabelle III-1

Gewicht und Steifigkeit eines gerippten Teils mit 6 mm Nennwanddicke und 50 mm Rippenabstand bei unterschiedlicher Rippenhöhe

Fall Rippen- Rippenhöhe/ Prozentuale- ProzentualeForm abmessungen Wanddicke Gewichtszunahme Steifigkeitszunahme

0 k.A. N/A N/A N/A

1 k.A. N/A 100% 700%

2 2,5 mm B x 2,5 mm H 1:2 3,12% 21%

3 2,5 mm B x 5 mm H 1:1 6,25% 77%

4 2,5 mm B x 10 mm H 2:1 12,5% 350%

5 2,5 mm B x 15 mm H 3:1 19,0% 927%

6 2,5 mm B x 20 mm H 4:1 25,0% 1900%

7 2,5 mm B x 25 mm H 5:1 31,0% 3353%

D = Dicke = 5 mm

D

2D

40 mm

D

SteifigkeitsausgleichWenn ein Metallteil durch eine Kunststoffkonstruktiongleicher Steifigkeit substituiert wird, ist auch dieDurchbiegung unter Belastung gleich bzw. umgekehrtproportional zum Steifigkeitsmodul (R):

Dabei ist E der Elastizitätsmodul und I das Trägheits-moment abhängig von der Geometrie (Bild III-43).Gleicht man den Steifigkeitsmodul aus, dann bieten dieMetall- und Kunststoffteile auch gleiche Steifigkeit.

Für körper gleicher Dicke

Bild III-43.Querschnitte vergleichbarer Steifigkeit:

III-18

R= EI

EAluminium . IAluminium = EKunststoff . IKunststoff

EAluminium . t3Aluminium = EKunststoff . t 3

Kunststoff

E= 9400 N/mm2

I= 17403 mm4

EI= 1,636 . 108 N/mm2

A= 183 mm2

E= 9400 N/mm2

I= 17403 mm4

EI= 1,636 . 108 N/mm2

A= 377 mm2

E= 14000 N/mm2

I= 11685 mm4

EI= 1,636 . 108 N/mm2

A= 330 mm2

E= 71000 N/mm2

I= 2304 mm4

EI= 1,636 . 108 N/mm2

A= 192 mm2

Aluminum

��

12

16

��

Zink

16

20,6

16

Polyamid-GF 33%

�23,5

��Polyamid-GF 33%

31,2

2,5

16

2,5��

Teil IV

Konstruktionsbeispiele

Träger für Geschwindigkeitsregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV–2

Abdeckung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV–4

Beispiel 1: Träger für Geschwindigkeitsregler

Bild IV-1. Träger für Geschwindigkeitsregler

Anwendung: Träger für einen Kfz-Geschwindigkeitsregler

Problem: Träger nach Umkonstruktion von Stahl auf Kunststoff nicht steif genug; bricht bei Belastung

MöglicheUrsachen: a) Material

b) Verarbeitungc) Konstruktion

Analyse: Anhand eines einfachen Tragarms (praxisnahe Einsatzbedingung, vgl.Umriß des Trägers in Bild IV-2)

Bild IV-2.Steifigkeitsmodul R = EI

IV-2

Teil IV: Konstruktionsbeispiele

A

A

Stahlteil

B

B

Bisheriges Kunststoffteil

C

C

Umkonstruktion

FX

L ��

�

�h

b �Befestigung des Teils

Schnitt XX

X

��E= Elastizitätsmodul

I= Trägheitsmoment

R= erhöht sich daher mit E und/oder I

Hinweis: Beachten Sie, daß nur der kleinere Querschnittanalysiert wurde, da das Teil am befestigten Ende einengrößeren Modul aufweist und erheblich steifer ist als inder Mitte.

Da I = bh3/12, hat schon eine geringe Änderung derHöhe großen Einfluß auf das Trägheitsmoment undwirkt sich somit auch deutlich auf den Steifigkeitsmodulaus:Wird h beispielsweise verdoppelt, erhöht sich R um denFaktor 8!

Wenn die Kunststoffkonstruktion mindestens genausosteif wie das Stahlteil sein soll, dann gilt:

EIkunststoff ( EIstahl (kg/m2)

Für Ekunststoff = 5.100 N/mm2 (Capron® 8233) und Estahl = 210.000 N/mm2 (beide Werte bei 50% r.L.)ergeben sich folgende Berechnungen:

Bild IV-3.

Fazit:a) Ein Materialwechsel wäre keine effektive Lösung des

Problems, würde die Kosten erhöhen und eine erneute Abnahme des Teils erfordern.

b) Laboruntersuchungen ergaben, daß die Problemursache nicht in der Verarbeitungsqualität lag.

c) Das Kunststoffteil wurde erfolgreich umkonstruiert.

IV-3

EIkunststoffe ≥ EIstahl N/mm2

Schnitt AA

Ursprüngliches Stahlteil Bisherige Konstruktion Umkonstruktion

Kunststoff

Schnitt BB Schnitt CC

I= 80 mm4

IE= 16,8 . 106 N/mm2

I= 320 mm4

IE= 1,63 . 106 N/mm2

I= 16400 mm4

IE= 836,4 . 106 N/mm2

Beispiel 2: Abdeckung

Anwendung: Abdeckung

Problem: Abmessungen größer als spezifiziert;Abdeckung unbrauchbar

Mögliche Ursachen:a) Materialb) Verarbeitung

Kundenbericht:1) Teile bei Lieferung inspiziert, von der

Qualitätssicherung akzeptiert, gelagert.

2) Teile nach fünf Monaten für eine Bestellung benötigt.

3) Teile 0,11 mm zu groß, vom Endkunden abgelehnt.

Analyse:Die Abdeckung wurde aus Capron® 8233 hergestellt. Diespezifizierte Abmessung hatte einen Durchmesser von50,05 mm. Es lag nahe, den Grund für die Abweichungin der Aufnahme von Feuchtigkeit zu vermuten.

Falls die Teile ursprünglich kurz nach dem Entformengemessen wurden, waren sie spritztrocken.Abmessungen, Gewicht und Volumen sind in der Praxisjedoch von der Feuchtigkeitsaufnahme abhängig. Bild IV-4 zeigt, daß der Faktor der Maßabweichung bei 50%relativer Luftfeuchtigkeit für Capron® 8233 ca.0,0025 mm/mm beträgt. 50% r.L. ist ein globaler Durch-schnittswert, der bei allen kritischen Abmessungenberücksichtigt werden sollte.

Wobei

Bei Multiplikation des Abweichungsfaktors mit demDurchmesser (50,50 mm) erhalten wir eine Zunahmevon fast 0,13 mm, was dem beanstandeten Übermaß derTeile nach Lagerung entspricht und der Fehler-beseitigung zugrunde gelegt wurde.

Bild IV-4.

Fazit:a) Die Maßabweichung in Abhängigkeit von der

Luftfeuchtigkeit ist bei diesem Kunststoff nur dann von Bedeutung, wenn sehr enge Toleranzen eingehalten werden müssen.

b) Teile nach fünf Monaten für eine Bestellung benötigt.

c) Teile 0,11 mm zu groß, vom Endkunden abgelehnt.

IV-4

C= 2 . π . r

C= π . Doder

r= radius

D= Durchmesser

.010

.005

.0025

00 20 40 60 80 100

Maß

abw

eich

ung

(mm

/mm

)

Relative Luftfeuchtigkeit (%)

Schnappverbindungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–2

Konstruktionskriterien für Schnappverbindungen . . . . . . . . V–2

Rechteckige oder runde Schnapphakenträger . . . . . . . . . . . V–2

Gerade oder abgeschrägte Schnapphakenträger . . . . . . . . . . V–2

Kurze Schnapphaken. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–3

Neue Formeln für Schnapphaken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–4

Konstruktionsbeispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–4

Preßpassungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–5

Klebeverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–6

Schrauben,Muttern und Gewinde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–8

Eingeformte Gewinde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–9

Schneidschrauben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–10

Einsatzmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–11

Ultraschallschweißen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–12

Scherschweißverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–12

Ultraschallkonzentratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–13

Vibrationsschweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–14

Sonstige Fügetechniken. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–15

Thermoplastisches Vernieten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–15

Rotationsschweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–15

Induktionsschweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V–16

Teil V

Montage- und Fügetechniken

SchnappverbindungenKonstruktionskriterien fürSchnappverbindungenZwei- oder mehrteilige Konstruktionen sind mitSchnappverbindungen einfach, kostengünstig undschnell montiert. Bei korrekter Auslegung lassen sich dieTeile mehrfach aus- und wiedereinbauen, ohne densicheren Sitz der Schnapphaken zu beeinträchtigen. Dasmacht die Schnappverbindung außerdem zu einerwartungs- und recyclinggerechten Montagetechnik.

Der Konstrukteur sollte jedoch einige Grenzenbeachten: Dazu zählen das mögliche Spiel derSchnappverbindung aufgrund der summiertenToleranzen beider Teile sowie der niedrigenAusziehkräfte. Schnappverbindungen können die Kostendes Spritzgießwerkzeugs erhöhen, wenn sie den Einsatzvon Schiebern erfordern. Dies läßt sich jedoch durcheinen zusätzlichen Schlitz unmittelbar unter derSchnappkante oder durch Verlegen derSchnappverbindung an eine Außenkante des Formteilsvermeiden.

Rechteckige oder rundeSchnapphakenträgerIn den meisten Fällen basiert die Schnappverbindung aufeinem rechteckigen Schnapphakenträger. Diezylinderförmige Alternative (Bild V-1) kann bei Teilen ausungefüllten bzw. unverstärkten Polymeren eingesetztwerden. Ein typisches Beispiel sind aufschnappbarerunde Verschlußkappen.

Um einen rechteckigen Kragarm als Schnapphakenauszulegen, muß der Konstrukteur schrittweisevorgehen – Änderung von Länge und Wanddicke,Durchbiegungskriterien etc. Ziel ist eine Konstruktion,deren Dehnung niedriger ist als die zulässige Dehnungdes Materials (siehe Beispiel auf Seite V-4).

Bild V-1.

Gerade oder abgeschrägteSchnapphakenträgerIn den meisten Fällen genügt zur Konstruktion vonSchnapphaken ein Kragarm mit konstantem Querschnitt.Abgeschrägte Kragarme eignen sich dort, wo eine höhereDurchbiegung gewünscht wird (Bild V-2).

Bild V-2.Standardformeln für rechteckige Schnapphakenträger

V-2

Teil V: Montage- und Fügetechniken

��

Y

Rechteckige Konstruktion(auch mit verstärkten/gefüllten Polymeren)

Zylindrische Konstruktion(nur mit unverstärkten/ungefüllten Polymeren)

��

Y2

t

B

P

t

BL

t

B

P

t/2

BL

= 1,50 = Yt

L2ε

= 0,92 = Yt

L2ε

KONSTANTERQUERSCHNITT

VERJÜNGTERQUERSCHNITT

Kurze SchnapphakenDie herkömmlichen Formeln zur Berechnung derDurchbiegung von Schnapphakenträgern liefern deutlichgeringere Werte, als sie bei kurzen Schnapphaken(trägern) auftreten. Diese Formeln gehen davon aus, daßdie Trägerwand steif bleibt, was jedoch nur bei langenTrägern der Fall ist. Bei kurzen Schnapphakendurchbiegt sich die Trägerwand unter Belastung.

Praxistests und Finite-Elemente-Analysen von AlliedSignalhaben dies bewiesen. Die Resultate der Untersuchungsind in Bild V-4 für unterschiedliche Konfigurationen(Bild V-3) zusammengefaßt.Auf Seite V-4 finden Sie einentsprechendes Konstruktionsbeispiel und neueFormeln zur Berechnung der maximalen Dehnung,Durchbiegung und erforderlichen Schnappkraft. FragenSie unseren technischen Service nach dem speziellenHandbuch über Schnappverbindungen (deutsch inVorbereitung)

1 1987 SPE ANTEC, Chul S. Lee,Alana Dublin and Elmer D. Jones, „ShortCantilever Beam Deflection Analsysis Applied to Thermoplastic Snap-fitDesign“,Vortrag in Los Angeles, Kalifornien, USA.

Bild V-3.Unterschiedliche Auslegung kurzer Schnapphaken

Bild V-4.Faktor Q

HINWEIS: DIE ZAHLEN IN KREISEN BEZIEHEN SICH AUF DIEKONFIGURATIONSBEISPIELE IN BILD V-3.

V-3

BlockförmigeTrägerwand(massiv)

PlattenförmigeTrägerwand(dünn)

2

1

4

53

8,0

7,0

6,0

5,0

4,0

3,0

2,0

1,0

0,0

0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11.0

Kantenverhältnis L/d

Ve

rgrö

ße

run

gsf

ak

tor

Q d

er

Du

rch

bie

gu

ng

Neue Formeln für Schnapphaken

Bild V-5.

MAXIMALEDEHNUNG

Wobei

SCHNAPPKRAFT:

Wobei

Bild V-6.Konstruktionsbeispiel:

GEGEBEN:Material.⇒( PETRA® 130

(PET)

BERECHNE:A) DIE MAXIMAL ZULÄSSIGE DURCHBIEGUNG

DES SCHNAPPHAKENSB) DIE ERFORDERLICHE SCHNAPPKRAFT

LÖSUNG:A) MAXIMAL ZULÄSSIGE DURCHBIEGUNG

Im konkreten Anwendungsfall würde daher zurSicherheit ein kleinerer Durchbiegungswert (Y) gewählt werden.

B) ERFORDERLICHE SCHNAPPKRAFT

Demnach wäre eine Schnappkraft erforderlich, damit dieSchnappverbindung hält.

(Weitere Details finden Sie in unserem speziellenHandbuch über Schnappverbindungen (deutsch inVorbereitung).

V-4

�t

P

Y

W

B

L

α

= 1,5 tY

L2Qεo

�t

P

Y

W

B

L

α

t= 3 mmL= 15 mmB= 6 mmE= 9000 N/mm2

µ= 0,2α= 30,0°

= 1,5%εo

= 1,5

= 5,0

1,5 t

tYmax

Ymax=

YmaxL2 Q

Q= 2,0

=1,5 mm0,015 . 152mm2 . 2.0

1,5 . 3 mm

L2 Q

t

L

εoεo

= Maximale Dehnung an der Basist= Trägerdicke

Y= DurchbiegungL= TrägerlängeQ= Durchbiegungsfaktor

εo

F= P µ + tan α

1 - µ tan α Fv=Bt 2

6LQ

εo

F= AufschnappkraftF'= AbzugskraftFv= Vertikalkraftµ= Reibungskoeffizientα= Vorwinkelα'= Gegenwinkel B= Trägerbreite

t= TrägerdickeE= Biegemodul

= DehnungL= TrägerlängeQ= Durchbiegungsfaktor (vgl. Bild V-4)

εo

F= Fv

F= 40,5

Fv=

Fv=

µ + tan α1 - µ tan α

0.2 + tan30

1 - 0,2 (tan30)

=40,5 N

=35,6 N

Bt 2E εo

6LQ

6 mm . 32mm2 . 9000N/mm2 . 0,015

6 . 15 mm . 2

PreßpassungenBild V-7 zeigt eine typische Preßpassung. Diese in derMetalltechnik gängige Montageweise erfordert beithermoplastischen Teilen zwar einige besondereErwägungen, ist aber grundsätzlich möglich und wirdhäufig eingesetzt.Aufgrund der Kriechneigung undSpannungsrelaxation von Kunststoffen muß derKonstrukteur mit einer erheblichen Verringerung deranfänglichen Preßkraft rechnen. Gut konstruiertePreßpassungen zeichnen sich durch minimale Dehnungdes Kunststoffs aus (Bilder V-8 & V-9) undberücksichtigen bei der Berechnung der Paßkraft dieToleranzen der Teile sowie die Spannungsrelaxation desKunststoffs.

Bild V-7.

Bild V-8.Preßpassung mit zwei gleichen Materialien

HINWEIS:

1. Die radiale Deformation d muß für das Gesamtübermaß der

Preßpassung im Durchmesser verdoppelt werden.

2. b und c sind Radien, nicht Durchmesser.

3. Die Formel gilt nur, wenn Stab/Welle und Buchse aus demselben

Kunststoff bestehen.

4. Die Kriechneigung des Kunststoffs muß vollständig analysiert und

berücksichtigt werden.

Bild V-9.Preßpassung eines massiven Metallstabs in einerKunststoffbuchse

HINWEIS:1. Die radiale Deformation d muß für das Gesamtübermaß der

Preßpassung im Durchmesser verdoppelt werden.

2. b und c sind Radien, nicht Durchmesser.

3. Die Formel geht davon aus, daß der Metallstab sich nicht verformt.

4. Die Kriechneigung des Kunststoffs muß vollständig analysiert und

berücksichtigt werden.

BEISPIEL:

Ein Metallstab (Außendurchmesser = mm) soll in eineBuchse aus Capron® 8233 (Außendurchmesser = mm)gepreßt werden. Zu berechnen ist das maximaleÜbermaß unter Berücksichtung von 2% zulässigerDehnung für Capron® 8233.

LÖSUNG:

Der Innendurchmesser der Capron®-Buchse sollte daherfür ein Übermaß von mm (2d) ausgelegt werden(Mindestdurchmesser mm).

V-5

��

Kunststoff

Kunststoff

a

b

c

δ =2ε b3 (c2- a2)

(c2+ b2)(b2- a2)

δ =2ε bc2

c2+ b2

RADIALE DEFORMATION

WOBEI:

δ = Radiale Deformationε = Dehnung

WENN a = 0

��

Kunststoff

Metall

b

c

δ = bε + νPL

νPL= Poissonzahl

RADIALE DEFORMATION

WOBEI

δ = Radiale Deformationε = Dehnung

c2- b2

c2+ b2

c2+ b2

c2- b2

δ = bε

δ = 0,144 mm

+ νPLc2- b2

c2+ b2

c2+ b2

c2- b2

= 6,25 . 0,02 . +0,35102- 6,252

102+ 6,252

10 2+ 6,252

10 2- 6,252

KlebeverbindungenKunststoffteile lassen sich in vielen Fällen problemlos,dauerhaft fest und dicht miteinander verkleben. BeiTeilen aus unterschiedlichen Kunststoffen sollten jedochRecyclingkriterien berücksichtigt werden(Kompatibilität). Bild V-10 zeigt einige Beispiele.

Die Wahl des Klebers hängt von der Anwendung undihren Einsatzbedingungen ab.Tabelle V-1 nennt einigeKleber, die sich bei Teilen aus Capron®, Petra® undDimension® bewährt haben.Typische Vor- und Nachteile:

Polyurethankleber: Hohe Festigkeit, guteSchlagzähigkeit, gute Kältezähigkeit, meistens 2K-Systeme, begrenzte Feuchtebeständigkeit, langeAushärtungszeiten,Teile müssen normalerweise fixiertwerden.

Epoxidharzkleber: Hohe Festigkeit, hoheTemperaturbeständigkeit, meistens 2K-Systeme, geringeSchlagzähigkeit, lange Aushärtungszeiten,Teile müssennormalerweise fixiert werden.

Cyanacrylatkleber: (wie Crazy Glue®): Hohe Festigkeit,sehr schnelle Aushärtung, 1K-System, begrenzteWärmebeständigkeit (< 100°C), geringe Schlagzähigkeit,begrenzte Feuchtebeständigkeit.

Siliconkleber: Geringe Festigkeit, sehr hoheWärmebeständigkeit, gute Kälteelastizität, guteSchlagzähigkeit, gute Dichteigenschaften, langeAushärtungszeiten,Teile müssen normalerweise fixiertwerden, sehr hohe Materialkosten.

* 3M,Structural Adhesive Guide for Industrial Product Design and Assembly

V-6

Bild V-10. Typische Klebeverbindungen *

Doppelstoßüberlappung

Herkömmliches Nut & Feder-Design

Einfache Überlappung

Gefalzte Überlappung

V-7

Kleber Art Aushrtung Hersteller

UR 1100 1 K Urethan 30 min at 120° C HB Fuller (612) 481-3415

FE 6046 (Flexible Epoxy) 2 K Epoxy 60 min at 95° C HB Fuller (612) 481-3415

Hysol 934 2 K Epoxy 60 min at 95° C Hysol Aerospace Products(510) 458-8000

Scotch-Weld 2214 Regular 1 K Epoxy 40 min at 120° C 3M Company1-800-362-3455

Scotch-Weld 2214 Hi-Temp 1 K Epoxy 40 min at 120° C 3M Company1-800-362-3455

Scotch-Weld 2216 2 K Epoxy 5 min at 120° C 3M Company1-800-362-3455

Tyrite 5700 A/C 2 K Epoxy 15 min at 95° C Lord Industrial Adhesives(814) 868-3611

Superbonder 498 Cyanacrylat 30 sec at 23° C Loctite Corporation1-800-562-0560

Cylok P Cyanacrylat 10 - 30 sec at 23° C Lord Industrial Adhesives(814) 868-3611

Permabond 268 Cyanacrylat 10 sec at 23° C Permabond Int’l 1-800-526-4741

3-0100 Silicon 24 hrs at 23° C Dow Corning(517) 496-6000

Tabellle V-1. Empfohlene Kleber für Polymere von AlliedSignal

Schrauben, Muttern undGewinde

Unter den metallischen Befestigungsmitteln fürthermoplastische Teile sind Schneidschrauben amhäufigsten. Für Kunststoff/Metall- undKunststoff/Kunststoff-Montagen werden auchGewindeschrauben und Muttern eingesetzt. Die auf denKunststoff wirkende Druckspannung sollte nicht zuhoch sein.

• Schrauben immer mit einem definierten und kontrollierten Drehmoment festziehen. Drehmoment nicht zu schnell aufbringen, da die meisten Kunststoffe darauf empfindlich reagieren.

• Hohe Drehmomente verursachen normalerweise hohe Druckspannung. Die Anfangsspannung nimmt zunächst schnell ab, bevor sich das Spannungsniveu langfristig einspielt. Je höher die Spannung, desto höher die Spannungsrelaxation.Auch erhöhte Temperaturen tragen zur Relaxation bei.

• Schrauben mit breiten Köpfen oder zusätzlichen breiten Unterlegscheiben (auch für Muttern) vergrößern die Kontaktfläche und verringern die Spannung. Bild VII-11 illustriert das Prinzip.

• Flachkopfschrauben und -nieten sollten für Kunststoffteile nicht eingesetzt werden, da sie eine Keilwirkung haben, die hohe Spannungen in der Verbindung bis hin zum Ausfall der Teile verursachen kann.

• Im Verlauf der Spannungsrelaxation des Kunststoffs verliert die Schraubverbindung an Spannkraft und Drehmoment. Federscheiben helfen, der Spannungsrelaxation entgegenzuwirken und den festen Sitz der Schraube sicherzustellen. Bild V-12 illustriert einige Möglichkeiten. Bei Varianten 1 & 2 wird außerdem eine Bundscheibe oder Ansatzschraube eingesetzt, so daß die Befestigung vorwiegend in der Verschraubung mit dem Metallteil beruht, während das Kunststoffteil von einer kleineren Kraft gehalten wird.

Bild V-11. Berücksichtigung der Spannungsrelaxation beim Konstruieren von Verschraubungen

Bild V-12. Minimierung der Spannungsrelaxation

V-8

Spannungsrelaxation bei einem Kunststoffteil

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

Zeit (h)

S/So

So = 105 N/mm2

So = 35 N/mm2

0,01 0,1 1 10 100

So=105 So=35

��Rüttelfeste Verschraubung(Schraube mit integrierter Zentrierscheibe)

Zentrierscheibe

Kunststoff

Metall

Ansatzschraube

Federscheibe

Kunststoff

Metall

��Schraube (mit integrierter

Flache Scheibe (optional)

Kunststoff

Metall��Variante 1 Variante 2

Variante 3

Eingeformte GewindeEiner der Vorteile des Spritzgießens ist die Möglichkeit,unterschiedlichste Funktionen zu integrieren, darunterauch eingeformte Gewinde herkömmlicher oder aufspezifische Anwendungen zugeschnittener Art.Aufgrundihrer höheren Festigkeit und Drehmomentbegrenzungwerden normalerweise grobgängige Gewinde bevorzugt.Für Anwendungen, die hohe Ausziehkräfte erfordernoder hoher Druckbelastung ausgesetzt sind, könnenAcmetrapez- oder Sägezahngewinde eingesetzt werden.

Prinzipiell ist zwischen Außen- und Innengewinden zuunterscheiden. In beiden Fällen sollte ein spannungs-entlastender, stumpfer Ansatz am Gewindeauslaufberücksichtigt werden. In der Regel genügen hierfür 0,8 mm. Es hat sich zudem bewährt, am GewindegrundRadien von 0,12 mm bis 0,25 mm vorzusehen, um auchdort die Spannungskonzentration zu minimieren.

Bild V-13. Gewinde mit eingeformter Spannungsentlastung

Außengewinde sollten möglichst in der Werkzeug-trennebene liegen, um Hinterschneidungen und denAufwand für Ausschraubmechanismen zu vermeiden. Dasspart Werkzeugkosten und Zykluszeit. Innengewindewerden meistens auf einem Ausschraub- oder Faltkerngespritzt. Einfache Innengewinde mit einer Umdrehungvon etwas weniger als 360° lassen sich auch mit geradenKernzügen entformen (Bild V-14).

Bild V-14. Innengewinde mit einfacher Umdrehung < 360°

Konische RohrgewindeBesondere Vorsicht gilt beim Konstruieren konischerInnengewinde von Kunststoffrohrteilen, die mit Metall-teilen verschraubt werden sollen. Die Keilwirkung dieserGewinde kann hohe Rohrwandspannungen verursachen,so daß das Kunststoffteil reißt oder bricht, wenn dieVerschraubung überdreht wird. Um dem vorzubeugen,sollte eine feste Begrenzung vorhanden sein, beispiels-weise ein eingeformter Anschlag am hinterenGewindeauslauf des Kunststoffteils.

V-9

0,8 mm

0,8 mm0,8 mm

SchneidschraubenBei den Schneidschrauben für die Montage vonKunststoffteilen muß zwischen gewindetreibenden undgewindeformenden unterschieden werden.

Treibende Schneidschrauben werden normalerweise nurbei spröden Kunststoffen eingesetzt, wie Duroplastenoder hochgefüllten (> 50%) Thermoplasten. Sieschneiden sich ihren Gewindegang mit einemgeschlitzten Schaft. Da sie dabei Material vor sichhertreiben, sollten die Schrauben nicht wieder heraus-und erneut eingedreht werden und für denMaterialabtrag ein Reservoir vorgesehen werden.

Die bevorzugte Schneidschraube für thermoplastischeTeile ist die gewindeformende, da sie begrenzt (3- bis7mal) wiederaus- und eindrehbar ist. Für häufigereDemontagen sollte jedoch ein Metalleinsatz in Betrachtgezogen werden. Drei der gängigsten Schneidschraubenspeziell für Kunststoffe sind nachfolgend beschrieben:

Plastite™Gewindefurchende Schneidschraube mit dreiblättrigemQuerschnitt, die das Material beim Eindrehen nur zurSeite drückt. Nach der Installation umschließt dasMaterial wieder den Schraubenschaft, was dieRestspannung in der Nocke minimiert. Das sorgtaußerdem für äußerst rüttelfeste Verschraubungen. DieSchrauben verursachen eine vergleichsweise hoheWandspannung.

Hi-Lo™Schneidschraube mit einem 30° steilen und einem 60°flachen Gewinde. Der Vorschub dieser Schraube ist imVergleich zu ihrem Anzugsdrehmoment sehr hoch –wichtig bei kurzen Schrauben. Die Schraube verursachteine vergleichsweise geringe Wandspannung, aberaufgrund ihrer spitzwinkligen Gewinde höhereSpannungskonzentrationen.

PT™Schneidschraube mit 30° Öffnungswinkel, der dieWandspannung in der Nocke reduziert und ebenfallseine sehr hohes Vorschub-/Anzugsverhältnis bietet.

Empfehlungen für Schneidschraubverbindungen:1. Die Gewindeeinzugstiefe sollte mindestens das

2,5fache des Schraubendurchmessers (D) betragen.

2. Der Außendurchmesser der Nocke sollte mindestens zweimal so groß wie ihr Führungsdurchmesser (d) sein.

3. Der Führungsdurchmesser sollte je nach Material und Schraubentyp für 50% bis 70% Gewindeschnitt ausgelegt sein.

4. Gekernte Nocken sollten 0,25° bis 0,5°Entformungsschräge haben.

5. Die Nocke sollte eine 0,5 mm tiefe Ansatz- oder Schulterbohrung haben, damit die Schraube leichter eingeführt werden kann und die Nocke nicht reißt.

6. Das Verhältnis des Vorschub- zum Anzugsdrehmoment sollte mindestens 3:1 betragen. Der Unterschied zwischen den beiden Momenten ist jedoch wichtiger als das Verhältnis.

7. Das Sitzmoment sollte nicht größer als 2/3 des Vorschubmoments sein.

Bild V-15. Nocke für Schneidschraube

V-10

��D

2,0 to 2,5D 0,5 mm

D

d

EinsatzmethodenMetalleinsätze sind in der Spritzgießtechnik sehr häufig.Solche mit Innen- oder Außengewinden bieten sichüberall dort an, wo Bauteile wiederholt auseinander- undzusammengeschraubt werden sollen oder die Verbindungerhöhte Beständigkeit gegen Kriechen und Druck-relaxation erfordert. Es gibt mehrere Einsatzmethoden:

UltraschalleinätzeDie Ausrüstung für Ultraschalleinsätze und Ultraschall-schweißverbindungen sind gleich. Ein Hochfrequenz-horn erzeugt Reibungswärme zwischen dem Metallein-satz und dem Kunststoff, so daß der Einsatz in die Nockeeingeschmolzen wird. Das Verfahren dauert keine fünfSekunden, erzeugt nur eine geringe Restspannung undliefert ausgezeichnete Auszugsfestigkeiten.

WärmeeinsätzAbweichend vom Ultraschallverfahren können Metall-einsätze auch unter der Wärmeeinwirkung eines Lötkol-bens in die Nocke hineingeschmolzen werden. DieMethode ist relativ zeitaufwendig, führt jedoch ebenfallszu guten Auszugsfestigkeiten bei geringer Restspannung.

SchneideinsätzeEinsätze mit selbstschneidendem Außengewinde sindeine kostengünstige Alternative. Zu den Konstruktions-kriterien vgl. Seiten V-5 und V-8 über Preßpassungen undSchneidschrauben.

ExpansionspreßpassungenPreßpassungen, die anschließend mit einem Werkzeug inder Nocke verspannt werden, sind im allgemeinenweniger geeignet, da sie hohe Spannungen verursachenund nur eine begrenzte mechanische Festigkeit bieten.

EinlegeteileGroße oder besondere Einsätze werden in vielen Fällenins Werkzeug eingelegt und direkt umspritzt. Das Ein-legen erhöht die Zykluszeit und kann außerdem Schädenam Werkzeug verursachen.

V-11

Bild V-16. Typische Gewindeeinsätze aus MetallIllustration Credit: Spirol Inserts CEM Corporation Inc. and In-X Fasteners Corp.

Wärmeeinsatz Ultraschalleinsatz Expansionseinsatz Selbstschneidender Einsatz

UltraschallschweißenDas Ultraschallschweißen ist eine schnelle undzuverlässige Fügetechnik für Teile aus gleichen oderähnlichen Thermoplasten. Dabei wird elektrischeEnergie in mechanische Vibration umgewandelt, derenReibwärme die Teile miteinander verschweißt. Die Teilewerden und bleiben zu diesem Zweck fixiert, bis dieSchweißnaht nach Abzug der Energiequelle verfestigt ist.Die Gesamtschweißzeiten liegen zwischen 0,5 und 1 s.Standardfrequenzen sind 20 kHz. Bei kleinen,empfindlichen Teilen kommen auch 40 kHz-Einheitenzum Einsatz.

Hauptfaktor für die Qualität des Ultraschallschweißensist die Auslegung der Schweißnaht. Die beidenhäufigsten Varianten sind gescherte und konzentrierteUltraschallverbindungen. Die Wahl hängt von dem zuverschweißenden Material und den Einsatzbedingungender Anwendung ab.

ScherschweißverbindungenScherschweißnähte werden häufig bei teilkristallinenMaterialien wie Polyamiden* oder thermoplastischenPolyestern eingesetzt, bei denen aufgrund der engbegrenzten Schmelztemperaturen nicht mit Ultraschall-konzentratoren (Bild V-18) gearbeitet werden kann. Dasgeschmolzene Material würde sich beim Fließen(Verteilen) in der Naht zu schnell wieder verfestigen undkeine ausreichende Verbindung mit der anderen Flächeeingehen.

Beim Scherschweißen werden die Teile ausgehend voneinem sich gering schneidendem aufgeschmolzenemBereich ihrer Kontaktflächen entlang einer Schweißnahtzusammengefügt. Dabei lassen sich sehr homogene undfeste, hermetisch dichte Verbindungen erzielen.

Bilder 17(a-b) zeigen typische Auslegungen, 17(b)speziell für Sichtflächen ohne Schweißgrat.

Bild V-17 (a). ScherschweißnahtIllustration; „Vibration Welding“, Branson Ultrasonics Corp. 1980

Bild V-17 (b). Scherschweißnaht

* Hinweis:Teile aus hygroskopischen Materialien wiePolyamid sollten „spritztrocken“ verschweißt werden,um spröde Schweißnähte zu vermeiden. Falls diesunmittelbar nach dem Spritzgießen nicht möglich ist,sollten die Teile bis zum Schweißen in feuchtigkeits-abweisenden Trockenbeuteln gelagert werden.

Teilabmessung Überlappen(mm) per Kante (mm)

< 18 0,2 – 0,3

18 – 35 0,3 – 0,4

> 35 0,4 – 0,5

V-12

6,35 mm

30˚– 45˚

Übermaß

Ansatztiefe> 0,5 mm

Tiefe der Verschweißung

Befestigungsvorrichtung

0,2 mm

UltraschallkonzentratorenUltraschallkonzentratoren sind eingeformte, dreikantigvorstehende Schweißraupen auf einer der beidenSchnittflächen. Sie konzentrieren die Ultraschallenergie,so daß der Kunststoff schnell erweicht und die Flächenmiteinander verschweißt werden.

Ultzraschallkonzentratoren werden normalerweise nurbei amorphen Polymeren eingesetzt. Bilder V-18(a-b) undV-19 zeigen typische Konfigurationen,V-19 mit einer„Gratfalle“ für Sichtflächen.

Bild V-18 (a) & (b). Ultraschallkonzentrator

*Minimum 0,6 mm für

Bild V-19. Gratlose VerschweißungHoltz, Richard, „Vibration Welding: Fast, Quiet, Efficient“,Assembly

Engineering, Hitchcock Publishing

V-13

Nach dem Schweißen

W

D64

Vor dem Schweißen

W

D8

D4

Vor dem Schweißen Nach dem Schweißen

Ansatzschlupf

D8

3D8

D4

D

D8

*

Ansatzspiel(beide Seiten)

D4

D8

Schräge 3° bis 5°D2

D8

D

3D8

D4

VibrationsschweißenDas Vibrationsschweißen ist eine bevorzugteFügetechnik für große tragende Formteile aus gleichenoder sehr ähnlichen Thermoplasten. Die Teile werdenunter Druck gegeneinander hin- und herbewegt. Diedabei entstehende Reibungswärme führt zu einerhermetisch festen Verbindung.

Je nach Ausrüstung wird entweder mit Schweiß-frequenzen von 120 oder 240 Hz und Amplituden von1,5 bis 3,5 bzw. 0,75 bis 1,5 mm gearbeitet. Das Spiel fürdie Amplitude muß bei der Konstruktion berücksichtigtwerden. Die Schweißzeiten liegen in der Regel bei 2 bis3 s. Der Schweißzyklus ist unten näher beschrieben.

Bild V-20. VibrationsschweißstandIllustration: „Designing Parts for Ultrasonic Welding“, © BransonUltrasonics Corp., 1980

Auf normalen Anlagen lassen sich Teile von bis zu 400 mm x 600 mm verschweißen. Durch die Relativ-bewegung der Teile werden die Fügeflächen auch vonVerunreinigungen befreit, wie z.B. Rückstände vonFormtrennmittel.

Eine wichtige Einschränkung des Vibrationsschweißensbetrifft die Schweißnaht: Sie muß so ausgelegt sein, daßdie Teile sich beim Schweißen nur linear gegeneinanderbewegen. Das schließt jedoch gewölbte und gebogeneTeile nicht aus, wie beispielsweise Kfz-Lufteinlaß-verteiler.Auch mehrere parallel zur Relativbewegungverlaufende Schweißnähte sind in einem Durchgangrealisierbar. Dies wird unter anderem bei der Fertigungvon Motorsägegehäusen mit getrennt integrierten Gas-und Öltanks genutzt.

Entscheidend für das Schweißergebnis ist die Fixierungder Teile, die so ausgelegt sein muß, daß sie alle Wand-bereiche der Teile gegen Durchbiegung unterstützt. Dasrelativ neue Orbitalvibrationsschweißen erleichtert dieseAnforderung, da sich aufgrund der konstanten Kreis-bewegung keine Wand genau senkrecht zurSchweißrichtung befindet.

Bild V-21 zeigt einige typische Konfigurationen,einschließlich „Gratfalle“ für Sichtflächen. Die Gratfallemuß etwa das gleiche Volumen wie die Schmelzflächehaben (schraffierte Bereiche).

Bild V-21. VibrationsschweißnähteHoltz, Richard, „Vibration Welding: Fast, Quiet, Efficient“,Assembly

Engineering, Hitchcock Publishing

V-14

FedernVibrationselement

Elektro-magnet

Elektro-magnet

Stationäres Element

> 0,5 mm

Schmelztiefe 0,4-0,8 mm

Schweißfläche

Wanddicke

Sonstige FügetechnikenThermoplastisches VernietenTeile aus ungleichen oder inkompatiblen Materialienwerden häufig auch unter Ultraschall,Wärme oderHeißgas miteinander vernietet. Bild V-22 illustriert dasPrinzip am Beispiel einer gewölbten Schmelznietung:Der in das eine Formteil eingeformte Nietzapfen greiftdurch eine entsprechende Aussparung im anderenFormteil und wird dort durch ein konturiertes Niethornausgeformt. Das Verfahren ist einfach, schnell und ergibteine permanent feste Verbindung.

Bild V-22. Schmelznietung mit Kopf

RotationsschweißenDas Rotationsschweißen ist eine schnelle und praktischeFügetechnik für kreisrunde Teile oder Flächen für diemeisten Thermoplaste, insbesondere Hartpolymere. DieVerschweißung entsteht durch Drehen des einen Teilsmit hoher Geschwindigkeit bei hohem Druck gegen dasandere, fixierte Teil. Die Rotation wird gestoppt und derDruck aufrechterhalten, bis sich die Schweißnahtverfestigt hat. Das Verfahren ermöglicht feste,permanente und hermetisch dichte Verbindungen. Es istjedoch schwierig, die Teile präzise zueinanderauszurichten. Die Schweißzeiten liegen bei 1 bis 2 s. Einnormales Schweißgerät genügt. Die Rotation erforderteine entsprechende Auslegung der Teile und/oderVorrichtung.

Die Schweißnaht kann plan, winklig oder V-förmig seinund hat meistens einen Flansch, um die Schweißflächeund die Steifigkeit der Verbindung zu erhöhen.Sichtbarer Schweißgrat läßt sich bei gezielterKonstruktion vermeiden.

Bild V-23.Quelle: Forward Technologies Industries

V-15

��Niethorn

��Stahl

Kunststoff

��SCHERNAHT NUT & FEDER

Spiel 0,05 mm

1,2 t

1,5 t

0,4-0,5 mm

t

r

t •

a�a

InduktionsschweißenDas Induktionsschweißen ist ein einfaches, schnellesund zuverlässiges Verfahren für feste, hermetischeVerbindungen. Entlang der Schweißnaht wird einspezielles Schweißprofil eingelegt und Induktionswärmeaufgebracht, bis das Profil schmilzt und sich mit denbeiden ebenfalls erweichten Kunststoffen verbindet.Unsere Untersuchungen haben Scherfestigkeiten derSchweißnaht bis ca. 35 N/mm2 ergeben.Wie bei denanderen Schweißtechniken kann die Schweißnahtunterschiedlich ausgelegt werden. Bild V-24 zeigt eineNut-und-Feder-Konstruktion.

Bild V-24.Quelle: Emabond Systems

V-16

��2,2 mm

1 mm

≥ 2,2 mm≥ 2,2 mm

0,5 mm

2,5 mm

NACH DEM SCHWEIßEN

�

8,25 mm

5,5 mm

ANSCHLAG

Emabond-Schweißprofil

1,95 mm

VOR DEM SCHWEIßEN�

1 mm 0,5 mm

0,5

2,85 mm

≥ 6,8 mm

��

7,95,2 mm

Teil VI

Kunststoffe

Klassifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI–2

Verteilung der Molmasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI–4

Physikalische Eigenschaften im Vergleich zu Metallen . . VI–5

Dichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI–5

Wärmeausdehnung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI–5

Wärmeleitfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VI–6

Kunststoffe bestehen aus mehr oder weniger langenKetten großer Moleküle. Jedes Molekül setzt sich auseiner Vielzahl organischer Teilbausteine zusammen,deren Ketten dann als Polymere (viele Teile) oder auchMakromoleküle bezeichnet werden. Bei Raumtemperatursind die Materialien fest und hart und halten erheblicherstruktureller Belastung stand. Einige Polymere behaltenihre Steifigkeit auch bei relativ hohen Temperaturen beiund eignen sich daher zur Substitution von Metallen intypischen Einsatzbereichen wie unter der Motorhaubevon Kraftfahrzeugen.

Die meisten polymeren Anwendungen werden imSpritzgieß- oder im Extrusionsverfahren hergestellt. Oftwerden auch Vorformlinge spritzgegossenen oderHalbzeuge (Folien/Platten) extrudiert und in einerzweiten Verfahrensstufe zu Fertigteilen blas- bzw.thermogeformt.

KlassifizierungTabelle VI-1 zeigt eine allgemeine Klassifizierung vonKunststoffen.

Tabelle VI-1. Die Familie der Kunststoffe

KUNSTSTOFFE

THERMOPLASTE DUROPLASTE

KRISTALLINE AMORPHE EPOXIDEMELAMINE

PP PC PHENOLEPE PS UNGESTÄTITTE POLYESTER

PET PPS BUTYLKAUTSCHUKEPBT PPE

POLYAMIDE (PA) PVCACETALE (POM) ABS

SANPOLYSULPHONEPOLYARYLATE

POLYETHERIMIDEPMMA (ACRYLE)

Thermoplastische Materialien werden in geschmolzenemZustand bei erhöhten Temperaturen verarbeitet und sindwiederholt plastifizierbar. Demgegenüber ist das Aushärtenvon Duroplasten unter dem Einfluß von Wärme oderVernetzungsmittel ein irreversibler Prozeß, da Duro-plaste keinen Schmelzpunkt haben und sich beierhöhten Temperaturen zersetzen oder verkohlen.

Thermoplaste werden normalerweise in zwei Kategorienunterteilt: Kristalline und amorphe Polymere. Bild VI-1illustriert die unterschiedlichen Molekülstrukturen.

VI-2

Teil VI: Kunststoffe

Bild VI-1.Molekülstruktur kristalliner und amorpher Polymere

a) Amorphes Polymer, verfestigtb) Polymerkristall mit gefalteter Molekülkettec) Gereckte Molekülkette – gezogene Polymerfaserd) Teilkristallines Polymer

Kristalline Polymere weisen regelmäßig gefalteteMolekülketten auf.Amorphe Polymere bestehen aus wirrineinander verknäulten Molekülketten.

Im Gegensatz zum klar definierbaren Schmelzpunkt(Tm) kristalliner Polymere haben amorphe Polymere nureine Glasübergangstemperatur (Tg), ab der sie beizunehmender Wärme langsam vom festen in einenfließfähigen Zustand übergehen.

Bild VI-2 zeigt E-Modulkurven unterschiedlicherKunststoffklassen in Abhängigkeit von der Temperatur.

Bild VI-2.Mechanische Eigenschaften unterschiedlicherKunststoffe in Abhängigkeit von der Temperatur

In den meisten Fällen jedoch erreichen kristallinePolymere bei der Verarbeitung keine vollständigeKristallinität, sondern nur eine gemischte Struktur auskristallinen und amorphen Phasen. Sie werden daherauch als teilkristalline Polymere bezeichnet. DasVerhältnis der beiden Phasen zueinander hängt von derGeschwindigkeit ab, mit der die Formteile im Werkzeugabkühlen. Je schneller die Abkühlung, desto höher derAnteil der amorphen Bereiche. Bild VI-3 zeigt eineteilkristalline Struktur typisch für Polyamid 6.

Aufgrund ihrer kristallinen und amorphen Phasen habenteilkristalline Polymere sowohl eine Schmelz- als aucheine Glastemperatur.

Bild VI-3.Volumen von PA6 in Abhängigkeit von der Temperatur

VI-3

c.

b.

d.

a.

Modul

TemperaturAmorpher Thermoplast

Teilkristalliner Thermoplast Duroplast mit Glasbergang

Duroplast ohne Glasbergang

500 100 150 200 250 300˚C

1,08

1,04

1,00

0,96

0,92

0,88

0,84

0,80

Amorphe Polymere

Vollkristalline Strukturen

Typisches PA6

Temperatur

Spe

zifi

sche

s V

olum

enc

m3

g

Verteilung der MolmasseDie Länge der Molekülketten in Kunststoffen schwanktvon sehr kurz bis sehr lang, und ihre Verteilung – alsMolekulargewicht oder Molmasse bezeichnet – kann inForm von Glockenkurven dargestellt werden (Bild VI-4).

Bild VI-4.Verteilung der molaren Masse bei Polymeren

Von der mittleren molaren Masse (Mw) sind wichtigephysikalische Eigenschaften abhängig, wieSchmelzeviskosität und Formteilfestigkeit.

Das komplette Spektrum der Molekulargewichts-verteilung läßt sich mit Hilfe der Gelpermeations-chromatografie (GPC) darstellen. Diese Laboranalyse istjedoch ziemlich zeitaufwendig und teuer. Eine vergleichs-weise einfache Methode, um die unterschiedlichemittlere Molmasse von Kunststoffen zu ermitteln, bietetder Schmelzindex (Melt Flow Index, MFI). Der MFIbezeichnet die Masse einer polymeren Schmelze, dieunter dem definierten Gewicht eines Kolbens innerhalbeiner bestimmten Zeit durch ein konstant erwärmtesKapillarviskosimeter gepreßt werden kann. Je höher derMFI-Wert, desto niedriger die mittlere Molmasse.Ähnliche, aber kompliziertere Methoden zur Ableitungder mittleren Molmasse sind die Messung derFormylsäure- und der intrinsischen oder Grenzviskosität(FAV und IV). Für Polyamide wird meistens die FAV-Methode eingesetzt; für thermoplastisches PET die IV-Methode.

VI-4

Molmasse von Polymeren

Mn : ZahlenmittelMw : Gewichtsmittel

•••

Kettenlänge1

I2•••In

Besetzungn1

n2•••

nn

Bese

tzun

g N

n2

nn

KettenlängeI1 I2 InMn Mw

n1

Physikalische Eigenschaften im Vergleich zu MetallenDie physikalischen Eigenschaften von Polymerenunterscheiden sich teilweise deutlich von denenmetallischer Werkstoffe.

DichteKunststoffe sind erheblich leichter als die meistenMetalle (Bild VI-5) und ersetzen diese aus Gewichts-gründen.

Bild VI-5.Dichte

WärmeausdehnungDie Abmessungen von Kunststoffteilen sindtemperaturabhängig. Der Konstrukteur sollte daher dieeffektiven Umgebungs- und Einsatztemperaturenberücksichtigen und sicherstellen, daß alle kritischenAbmessungen innerhalb akzeptabler (spezifizierter)Toleranzen liegen.VI-6 verdeutlicht dies am Beispiel desWärmeausdehnungskoeffizienten unterschiedlicherWerkstoffe.

Bild VI-6. Wärmeausdehnungskoeffizienten

VI-5

��0

1

2

3

4

5

6

7

8��

1,131,49

2,76

7,73

DichteDichtevergleich

Dich

teg/

cm3

PA ungefüllt PA-GF Aluminum Stahl

WärmeausdehnungWarmeausdehnung im Vergleich

PA ungefüllt PA-GF Aluminum Stahl0

25

50

75

100

��Wär

mea

usde

hnun

gsko

effiz

ient

(x 1

0–6 m

m/m

m .

°C)

83

38

24

14

WärmeleitfähigkeitKunststoffe sind keine guten Wärmeleiter und liegen indieser Beziehung rund zwei Größenordnungen unter dervon Metallen. Das macht sie umgekehrt jedoch zu gutenthermischen Isolatoren. Der Vor- oder Nachteil dieserEigenschaft hängt von der Anwendung ab. Bild VI-7illustriert die Wärmeleitfähigkeit zahlreicher Polymereim Vergleich zu anderen Materialien und Stoffen.

VI-6

Bild VI-7.Wärmeleitfähigkeit fester, flüssiger und gasförmiger Stoffe in Abhängigkeit von der TemperaturQuelle:Arpaci,Vedal S., „Convection Heat Transfer“,Addison-Wesley

Aluminium

Kupfer

Absoluttemperatur (K)200150 300 400 500 700 15001000 2000

PBT-GF 30%

PA-GF 30%

ABSPolyethylen

AcetalPolypropylenePolyamid

Polycarbonat

Polystyrol

PVC

Zink (fest)

Natrium (flüssig)

Zink (flüssig)

Stahl (legiert)

Kalium (flüssig)

Stahl (hochlegiert)Blei (flüssig)

Ziegel (Magnesit)

Ziegel (Silika)

Ziegel (Missouri-Schamotte)

700

400

200150100

40

70

201510

7,0

4,0

2,01,51,0

0,7

0,4

0,20,150,10

0,07

0,04

0,020,0150,010

0,007

Eis

Wasser

Luft

Eisen

Kunststoffe

Diatomeenerde160 kg/m3

Benzol (gasförmig)

Methan Kohlendioxid

Stahl (weich)

0,07

0,08

0,090,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,91,0

2,0

W/mK

Teil VII

Physikalische Eigenschaften

Mechanische Eigenschaften. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII-2

Kurzzeiteigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII-2

Kerben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII-2

Belastungsgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII-2

Temperaturbeständigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII-4

Wärmealterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII-4

Feuchtigkeitsaufnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII-5

Berücksichtigung der Feuchtigkeitsaufnahme . . . . . . . VII-6

Feuchtebedingte Eigenschaftsänderungen . . . . . . . . . . VII-6

Feuchtebedingte Ausdehnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII-6

Beschleunigte Feuchtkonditionierung . . . . . . . . . . . . . VII-6

Prozeßbedingte Eigenschaftsänderungen. . . . . . . . . . . VII-7

Additive (Farbpigmente) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII-8

UV-Einstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII-8

Chemikalien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII-8

Langzeiteigenschaften – Kriechen,

Spannungsrelaxation und Nutzdauer. . . . . . . . . . . VII-9

Reibungskoeffizient. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII-11

Mechanische EigenschaftenDie mechanische Belastbarkeit von Kunststoffteilenhängt unter anderem von der Einsatzumgebung, derBelastungsdauer im Einsatz, der Art der Belastung undder Geometrie der Formteile ab. Kurzzeiteigenschaftenvon Kunststoffen sind daher für Langzeitanwendungenweitgehend unerheblich. Der Konstrukteur sollte nurEigenschaftsdaten verwenden, die denEinsatzbedingungen und der Nutzdauer der jeweiligenAnwendung entsprechen.

Definitionen physikalischer Eigenschaften siehe Anhang A.

KurzzeiteigenschaftenGängige mechanische Eigenschaften werdennormalerweise nach Prüfmethoden der InternationalStandards Organization (ISO) oder nationalerNormungsgremien wie dem Deutschen Institut fürNormung (DIN) und der American Society for Testing &Materials (ASTM) gemessen und angegeben (Anhang B).Sie finden diese Eigenschaften in denProduktdatenblättern der meisten Kunststoffe.Produktdaten sämtlicher Kunststoffe von AlliedSignalsind außerdem über das Internet erhältlich. Oderwenden Sie sich an unseren technischen Service.

Bild VII -1.Standardprüfkörper

Bild VII-1 zeigt einige der standardisierten Prüfkörper fürNormprüfungen. Die ermittelten Prüfwerte werdenjedoch von mehreren Faktoren erheblich beeinflußt.

KerbenKerben und scharfe Kanten oder Ecken sindSpannungskonzentratoren und können zu vorzeitigemVersagen der Teile führen.Auch abrupteWanddickenübergänge sollten vermieden werden.

BelastungsgeschwindigkeitKunststoffe neigen bei erhöhten Belastungsgeschwindig-keiten zur Dehnung. Einige sind zähelastisch genug, umdem standzuhalten, bei anderen kommt es zum Spröd-bruch. Die Beständigkeit von Materialien gegen die Aus-wirkung von Kerben und Schlag kann mit der Izod-Kerbschlagprüfung gemessen werden. Die Geometrieder dafür verwendeten Prüfkörper ist in Bild VII-2erläutert. Bild VII-3 zeigt die Kerbschlagempfindlichkeitin Abhängigkeit vom Kerbradius. Die reine Schlagzähig-keit wiederum läßt sich besser mit Fallversuchen testen(Bild VII-4).Tabelle VII-1 verdeutlicht die unterschied-liche Einstufung gleicher Materialien nach beidenVerfahren.

VII-2

Teil VII: Physikalische Eigenschaften

Für Fallbolzen- und Kugelfallversuche

Zugstab Typ II

Für Biege-, DTUL-, Izod-, UL-Tests

Für Zug- und Schlagprüfungen

Bild VII-2.Schlagprüfkörper

Bild VII-3.Izod-Kerbschlagzähigkeit in Abhängigkeit vomKerbradius

Bild VII-4.Fallbolzen-Schlagprüfung

Bild VII-5.Schlagzähigkeit technischer Thermoplaste imFallversuch und nach Izod

VII-3

Fallbolzentest(J)

IZOD-Kerbschlag(J/m)

Polycarbonat >240Polyamid 6 183PA 6.6 modifiziert 170PA 6 Copolymer 170PBT 129PA 6.6 1026 nukleiert 102PA 6-GF 30% 8PA-GF 20% 2.7PA 6.6-GF 30% 2.0PBT-GF 30% 1.4

PA 6.6 modifiziert 160PA 6-Copolymer 133Polycarbonat 123PPE modifiziert 101PC-GF 20% 96PBT-GR 30% 69PA 6-GF 30% 69PBT 43PA 6.6 32PA 6 27PA 6 nukleiert 21

10,16

31,75

63,5

12,7

45°

R 0,254

OO

100

200

300

400

500

600

700

1,25 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0

Stan

dard

-PA

(Cap

ron

8202

, MF

2,5%

)

PA-Copolymer (C

apron 8253, trocke

n)

Standard-PA (Capron 8202, trocken)

PA-GF (trocken)

Kerbradius, 1/100 mm

Izo

d-K

erb

sch

lag

zhig

ke

itJ

/m K

erb

rad

ius

�

��Fallrohr

(Querschnitt)

Fallgewicht

Prüfkörper

Querschnitt Prüfkörper/Ringscheibe

Ringscheibe

Draufsicht

Fallbolzen

TemperaturbeständigkeitKunststoffeigenschaften sind außerdem sehrtemperaturabhängig, wie Bild VII-6 zeigt. ZurKonstruktion sollten nur solche Eigenschaftswerteherangezogen werden, die den tatsächlichen Einsatz-temperaturen des Teils entsprechen. Die oft für erhöhtwärmeformbeständige Materialien herangezogenen ISO- und ASTM-Tests (HDT und DTUL, Bild VII-7) messenjedoch nur die erforderliche Umgebungswärme bis zueiner bestimmten Durchbiegung der belasteten Prüf-körper und sagen daher nur wenig über dasLangzeitverhalten aus. Die Ergebnisse sollten nie ohneentsprechende Zusatzprüfungen verwendet werden.

Bild VII-6.Zugspannungs-Dehnungskurve von Petra® 130 beiunterschiedlichen Temperaturen

Bild VII-7. DTUL-Prüfstand (Wärmeformbeständigkeit unter Belastung)

WärmealterungKunststoffe neigen bei fortgesetzter erhöhterWärmeeinwirkung zu Polymerabbau. Bilder VII-7 und VII-8 illustrieren die Auswirkung der thermischenAlterung auf ein wärmestabilisiertes, 33% glasfaser-verstärktes Polyamid bzw. 30% glasfaserverstärktes PET.

VII-4

-40° C

23° C

93° C

149° C

Dehnung (%)

Zugs

pann

ung

(MPa

)

Probe

ErwärmtesFlüssigmedium

��Thermometer

Meßskala

Last

Bild VII-8.Auswirkung der Wärmealterung auf die Zugfestigkeit

Bild VII-9.Ermüdungsfestigkeit von Petra® 130vor und nach Wärmealterung

FeuchtigkeitsaufnahmePolyamid 6 und 6.6 nehmen Feuchtigkeit aus der Luftund Umgebung auf. Die effektiven mechanischenEigenschaften und Abmessungen der Formteile sind vonder Feuchtigkeitsaufnahme abhängig. Bild VII-10 zeigtdies am Beispiel des Biegemoduls bei zusätzlicherWärmeeinwirkung.

Bild VII-10.Biegemodul von Capron® 8202 in Abhängigkeitvon Temperatur und Luftfeuchtigkeit

VII-5

125

100

75

50

25

05000 1000 1500 2000

Auswirkung der thermischen Alterung auf Capron 8233G HS BK-102Er

halt

derZ

ugfe

stig

keit

(%)

Zeit (h)

121°C149°C177°C

Legende:

Span

nung

(MPa

)

Zyklen bis zum Bruch

60

70

40

50

30

10

20

Wie gespritztNach 650 h Alterung bei 200°C

Legende:

1E3 1E4 1E5 1E6 1E7 1E8

��Bi

egem

odul

(N/m

m2 )

0

500

1000

1500

2000

2500

50 100 150 180

D.A.M. 50% R.H.

Legende:

Temperatur (°C)

Berücksichtigung derFeuchtigkeitsaufnahmeFeuchtebedingte EigenschaftsänderungenAlle Polyamide sind hygroskopisch.Wie schnell und wieviel Feuchtigkeit absorbiert wird, hängt von denrelativen Luftfeuchtigkeit und den Temperatur unterEinsatzbedingungen ab. Die relative Luftfeuchtigkeit inEuropa liegt meistens im Bereich von 40% bis 60%.

Dies muß bei der Konstruktion von Teilen aus Polyamidberücksichtigt werden. Die üblichen Eigenschaftswertegehen aus von 50% relativer Luftfeuchte und 23°C.

Schlagzähigkeit und Ausdehnung von Polyamid erhöhensich mit zunehmender Feuchtigkeitsaufnahme; Festigkeitund Steifigkeit nehmen ab. Die Zeit bis zur Sättigunghängt von der Wanddicke ab. Bild VII-11 illustriert diesam Beispiel von 33% glasfaserverstärktem Capron® 8233.

Bild VII-11.

Feuchtebedingte AusdehnungWie Bild VII-12 zeigt, spielt die feuchtigkeitsbedingteAusdehnung von PA-Teilen normalerweise nur dann eineRolle, wenn sehr enge Toleranzen eingehalten werdenmüssen bzw. sehr große Abmessungen vorliegen.

Bild VII-12.

Beschleunigte FeuchtkonditionierungAnwendungen mit erhöhter Anforderung an die Maß-genauigkeit oder Eigenschaften wie Schlagzähigkeit müssenunter Umständen vor Einsatz oder Prüfung feucht-konditioniert werden.Die Zeit bis zum Erreichen desspezifischen Feuchtegehalts kann durch Lagerung der Teilein Wasser mit Raum- oder erhöhter Temperatur beschleunigtwerden; vergleiche Bild VII-11 gegenüber VII-13.

Bild VII-13.

VII-6

3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

02 4 6 8 10 12

1,5 mm 3,2 mm

6,4 mm

Zeit (Monate)

Feuc

htig

keits

aufn

ahm

e (%

)

Capron® 8233 (PA-GF 33%) bei unterschiedlicher Wanddicke

Feuchtigkeitsaufnahme in Abhängigkeit von der Zeitbei 50% r.L. und 23°C

25

20

15

10

5

0

10

8

6

4

2

020 40 60 80 100

Längenänderung (µm/mm)Feuchtigkeitsaufnahme bei Sättigung (%)

Legende:

Relative Luftfeuchtigkeit (%)

Läng

enän

deru

ng

Feuc

htig

keits

aufn

ahm

e be

i Sät

tigun

g

8233

Zeit (h)

Feuc

htig

keits

aufn

ahm

e (%

)

CAPRON® 8233Wasser (23°C)

Zeit (h)

Feuc

htig

keits

aufn

ahm

e (%

)CAPRON® 8233

Wasser (80°C)

10

5

2

1

0,5

0,2

2 5 10 20 50 100

10

5

2

1

0,5

0,2

0,2 0,5 1,0 2 5 10

1,5 mm

3,2 mm

6,4 mm

1,5 mm

3,2 mm

6,4 mm

Bild VII-14. Prozeßbedingte EigenschaftsänderungenDie bei der Verarbeitung entstehende Faserorientierungerzeugt richtungsabhängige Eigenschaftsunterschiede. Sosind die mechanischen Werte in Fließrichtung oft höherals die vergleichbaren Werte quer zur Fließrichtung. BildVII-15 verdeutlicht dies an einem spritzgegossenenGehäuseteil aus 30% glasfaserverstärktem Petra® 130.

Fließnähte (Bild VII-14) sind eine weitere potentielleSchwachstelle vor allem bei Formteilen aus glasfaser-verstärkten Materialien. Zu hohe Regranulatanteile,mangelhaftes Vortrocknen (falls erforderlich) und falscheVerarbeitungsparameter können die physikalischen undmechanischen Eigenschaften weiter beeinträchtigen.

VII-7

Anschnitt

Längs zur Fließrichtung(Biegeprüfstab)

ANSCHNITT

Quer zur Fließrichtung(Platte)

FaserorientierungGlasfaserverstärkte Polymere

Stärker

Schwächer

Stärker

Schwächer

FließnahtAussparung

durch Kernstift

Bild VII-15.Eigenschaften in Abhängigkeit von der Faserorientierung bei einem Gehäuseteil aus Petra® 130

Legende: L-Längs zur FließrichtungX-Quer zur Fließrichtung

L X

Biegefestigkeit

Bieg

efes

tigke

itN/

mm

2

0

50

100

150

200

��L X

Biegemodul

Flex

ural

Mod

ulus

N/

mm

2

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

��0

20

40

60

80

��XL

Schlagzähigkeit

Izod

-Ker

bsch

lagz

ähig

keit

(J/m

)

Additive (Farbpigmente)Rußschwarz und andere Farbpigmente können je nachInhaltsstoffen und Anteilen die Festigkeit vonKunststoffen beeinflussen.

UV-Einstrahlung UV-Licht wirkt auf die Polymerstruktur und beeinträchtigtdie physikalischen Eigenschaften von Kunststoffen. DerPolymerabbau findet überwiegend in den äußerenBereichen der Teile statt, ist also insgesamt minimal aberim Bezug auf die Oberflächenqualität kritisch.AlliedSignalbietet UV-stabilisierte Materialtypen, die diesen Effektminimieren und damit die Nutzdauer der Teile erhöhen.

ChemikalienViele Chemikalien können Polymere angreifen und ihrephysikalischen Eigenschaften beeinträchtigen. JedesPolymer verhält sich dabei sehr unterschiedlich. DerKonstrukteur sollte über entsprechende Daten verfügen,um sicherzustellen, daß der gewählte Kunststoff dieerforderliche Chemikalienbeständigkeit bietet; fürCapron® und Petra® ist eine entsprechende Druckschrifterhältlich. Darüber hinaus wird empfohlen, Eignungstestsunter konkreten Einsatzbedingungen durchzuführen.

VII-8

Langzeiteigenschaften – Kriechen,Spannungsrelaxation und NutzdauerWenn eine Last auf ein Kunststoffteil aufgebracht wird,neigt dieses mit der Zeit zur Dehnung bis hin zumVersagen. Die effektive Dehnung hängt von der Größeder Last, der Belastungsdauer und davon ab, ob die Lastkonstant bleibt oder im Lauf der Zeit abnimmt. Diezeitabhängige, reversible Dehnung unter konstanterBelastung wird Kriechen genannt. Bild VII-16(a)illustriert diesen Zusammenhang.

Bei fortgesetzter Belastung kann irreversible Verformung(Fließen) auftreten, bis das Teil schließlich reißt oderbricht.Wird die Last jedoch aufgebracht und dannfixiert, nimmt die Spannung im Lauf der Zeit ab. DiesesPhänomen der Spannungsrelaxation kann beimechanisch befestigten Kunststoffteilen beobachtetwerden und ist in Bild VII-16(b) dargestellt.

VII-9

��w

w

Lo + ∆ L Lo Lo + ∆LLo + ∆LLo + ∆L + ∆cLo

∆c = Kriechneigung

Zeit = 1 min

Zeit = T

∆L ∆L ∆L ∆L �∆c

A) Zugkriechneigung(Fortgesetzte Belastung)

B) Spannungsrelaxation(Abnehmende Belastung)

Anfangsdehnung(Kurzzeitkriechneigung)

Kraftmeßskala Kraftmeßskala

Bild VII-16. Kriechneigung und Spannungsrelaxation

Während die Dehnung im elastischen Bereich sofortwieder zurückgeht, sobald das Teil entlastet wird, erholtes sich von der Kriechdehnung nur mit zeitlicherVerzögerung. Bei fortgesetzter und erhöhter Belastungbleibt in der Regel ein erheblicher Teil derGesamtdehnung irreversibel. Die effektiveKriechdehnung und die Dehngeschwindigkeit hängenvon der aufgebrachten Last ab: Je höher die Last oderSpannung, desto höher und schneller die Dehnung (BildVII-17).

Bild VII-17.Kriechneigung als Funktion von Spannung und Zeit

Die Spannungsrelaxation erfolgt um so schneller, jehöher die Anfangsspannung ist (Bild VII-18).Wenn daherdie Spannung einer mechanischen Verbindung minimiertwird, reduziert sich auch das Nachlassen der Spannkraft.

Die Höhe der irreversible Deformation bis zum Versagenvon Kunststoffteilen sind vom Spannungsniveauabhängig. Durch Auftragen der Zeit bis zum Bruch gegendie aufgebrachte Spannung in einer Logarithmusgrafikerhält man eine nahezu lineare Kurve, die über dieNutzdauer der Teile bei fortgesetzter BelastungAufschluß gibt. Es wird davon abgeraten, die Kurve übereinen Zeitraum von 10 Jahren hinaus zu extrapolieren.Beispiele für diese Methode der Nutzdauerberechnungzeigen Bilder VII-19 und VII-20.

Bild VII-18. Druckrelaxation von 33% glasfaserverstärktemPolyamid

VII-10

Zunehmende Spannung

101 102 103 104 105

Zeit (h)

Loga

rithm

us d

er K

riech

dehn

ung

σ3

σ2

σ1

σ3 > σ2 > σ1 ��St/

S 0

50 100 150 200Zeit (h)

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0

- SO = 35 N/mm2

- SO = 70 N/mm2

- SO = 105 N/mm2

Legende:

Bild VII-19.Extrapolation einer Kriech-Bruch-Kurve zurAbschätzung der Nutzdauer

Bild VII-20.Druck als Funktion der Zeit bis zum Bruch für Räder bei 23°C

ReibungskoeffizientAls Reibungskoeffizient (µ) gilt der einheitsloseProportionalitätsfaktor aus dem Verhältnis derReibungskraft (F) zur Normalkraft (F), mit der Flächenzusammengepreßt werden: µ = F/N

Der Koeffizient drückt den Widerstand aus, derüberwunden werden müßte, um die Flächengegeneinander zu bewegen. Dabei wird zwischen deranfänglichen Haft- und der weiteren Gleitreibungunterschieden, mit entsprechenden statischen undkinematischen Reibungskoeffizienten (µs und µk). ms istnormalerweise größer als mk. Je niedriger derKoeffizient, desto geringer der Reibungswiderstand.

Die in Tabelle VII-2 aufgeführten Reibungskoeffizientenwurden nach ASTM D-1894 mit einem Schlitten (Material 1)ermittelt, der über eine Fläche (Material 2) gezogen wird(Bild VII-20). Die Prüfmethode ist sehr empfindlich fürUnebenheiten, Oberflächendefekte und Verzug. Dieaufgeführten Faktoren gelten als charakteristisch, solltenim konkreten Anwendungsfall aber durch praxisnaheTests überprüft werden.

Bild VII-21.

VII-11

101 102 103 104 105

Zeit (h)

Loga

rithm

us d

er S

pann

ung

(σ10

00)

10

1

0,1

••••

•

x x x

1 10 100 1000 10.000 100.000Zeit (h)

Druc

k (b

ar)

CAPRON 8267 CAPRON 8233

PETRA 130 Betriebsdruck

•CAPRON 8267 CAPRON 8233 x PETRA 130

��N

µN

W

F

N = WF = µN

Tabelle VII-1.Reibungskoeffizienten

VII-12

PRODUKT

CAPRON®

8200 HS 0,26 0,21 0,17 0,16

8202C HS 0,53 0,33 0,24 0,16

8224 HS 0,48 0,47 0,23 0,17

8253 HS 0,33 0,32 0,25 0,16

8254 HS BK-102 0,48 0,47 0,32 0,22

8350 HS 0,35 0,32 0,25 0,17

8351 HS BK-102 0,4 0,35 0,25 0,18

D-8358 HS BK-102 0,39 0,38 0,25 0,19

8233G HS 0,34 0,32 0,25 0,16

8267G HS 0,3 0,22 0,23 0,17

D-8333G HS GY5723 0,34 0,32 0,26 0,17

8360 HS 0,41 0,22 0,23 0,15

PETRA®

130 0,22 0,21 0,15 0,13

230 0,37 0,27 0,2 0,15

D-242 BK-112 0,33 0,32 0,21 0,16

132 0,33 0,32 0,18 0,15

DIMENSION®

D-9000 0,25 0,24 0,18 0,15

D-9130 0,38 0,37 0,17 0,14

Capron®, Petra®, and Dimension® sind eingetragene Warenseichen von AlliedSignal

POLYMER-AUF-POLYMER POLYMER-AUF-STAHL

STATIC KINETIC STATIC KINETIC

Hohlformteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VIII-2

Teilfüllung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VIII-3

Vollständig gefüllte Form. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VIII-3

Teil VIII

Gasinjektionsanwendungen

Das Gasinjektionsverfahren wird eingesetzt, umHohlräume in dickwandigen Bereichen von Spritzguß-teilen ohne Kern zu erzeugen. Es ermöglicht dieFertigung großer, dimensionsstabiler aber leichter Teilemit guten Oberflächen und mechanischen Eigen-schaften. Darüber hinaus verringern sich Zykluszeit undMaterialverbrauch, was Kosteneinsparungen erschließt.

Beim Spritzgießen mit anschließender oder auchsimultaner Gasinjektion wird das Werkzeug normaler-weise nur teilweise gefüllt und in die Schmelze eininertes Gas (meistens Stickstoff) injiziert. Letzteresgeschieht je nach Verfahrensvariante und Einsatzzweckentweder direkt über die Einspritzdüse oder überseparate Kanäle. Der Gasdruck, mit dem die Schmelzeaufgeblasen und an die Werkzeuginnenwand gedrücktwird, kann bis kurz vor dem Entformen beibehaltenwerden.Werkzeugschwindung beim Kühlen, Einfall-stellen und Eigenspannungen, die zum Verzug der Teileführen können, lassen sich auf diese Weise wirksamminimieren.

1. Hohlformteile2. Teilfüllung3. Vollständige Füllung

HohlformteileTypische Anwendungen sind Großformteile, Stühle undArmlehnen, aber auch zahlreiche Griffe für Kraftfahrzeuge,Kettensägen etc. Der Querschnitt der Hohlformteile hängtvon ihrer Geometrie, vom Gas- und Schmelzestrom sowievom Materialtyp und Füllstoffanteil ab. Bild VIII-1 zeigt dreider häufigsten Varianten. Der maximale Kreisdurchmesserfür den Hohlraum beträgt in der Regel 30 mm.

Bild VIII-1Quelle: „Application of Gas Injection Technology“, Matthey Sayer,Cinpress Ltd.

(A) KreisrunderHohlraum,entsteht in(Phase 2) undbleibt beimweiteren Fließenund Verdichtender Schmelze(Phase 3)erhalten.

(B) ElliptischerHohlraum, mitgrößeren Wand-dicken imBereich derkürzeren Seiten.

(C) VersetzterHohlraum, mitgrößeren Wand-dicken imBereich dergegenüberliegenden Seite.

Phase 1. EinspritzenPhase 2. GasinjectionPhase 3. Verdichten, bis zum Erreichen der

Kanalgeometrie

VIII-2

Teil VIII: Gasinjektionsanwendungen

�

A

��

B

��Phase 2, Schmelzeverteilung

Max. Kreisdurchmesser = ca. 30 mm

Kühlung durch Werkzeugstahl

C

TeilfüllungDieses Verfahren wird normalerweise bei strukturiertenBauteilen eingesetzt, die stärkere Rippen zum erreichender geforderten Steifigkeit benötigen. Die Gaskanäle sindim allgemeinen so ausgelegt, daß das Gas unter demRippen- bzw. Nockenfuß durchströmt, um Einfallstellenzu vermeiden. Nach demselben Prinzip lassen sich auchUnterstützungen unter Seitenwänden realisieren, um dasFormteil zu versteifen und Verzug zu verhindern.

Bild VIII-2.Quelle: ”Design Tips for Gas-Assisted Injection Molding,” Indra Baxi,Sajar Plastics, Plastics Design Forum (July/August 1990)

A. Vertikale Rippe

B. Doppelrippe

C. Kantenversteifung

D. Seitenwand

E. Kanäle

Vollständige FüllungIn diesem Fall wird das Werkzeug vor der Gasinjectionvollständig gefüllt. Die Gasinjection wird reduziert aufden Ausgleich der Schwindung des Formteils im Werk-zeug. Diese Variante sichert ausgezeichnete Oberflächenund wird vor allem dort eingesetzt, wo Einfallstellenminimiert oder ausgeschlossen werden müssen. Dies giltspeziell für Teile wie Außenspiegelgehäuse und Türgriffeim Fahrzeugbau, die lackiert oder metallisiert werdensollen.

VIII-3

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D

Teil IX

Oberflächenveredelung & Nachbearbeitung

Galvanisieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX–2

Lackieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX–2

Bedrucken/Heißprägen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX–2

Schneiden/Sägen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX–3

Oberflächendesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX–3

Galvanisieren Das speziell für galvanisierbare Teile entwickelteCapron® 8260 (mineralgefülltes PA6) bietet aus-gezeichnete Metallhaftung und Oberflächenqualität. DasGalvanisieren kann eingesetzt werden, um die Leitfähig-keit,Abschirmung und/oder das Aussehen der Teile zuoptimieren. Die Oberflächen werden zunächstelektrolytisch vorverkupfert oder vorvernickelt unddann mit Kupfer, Nickel und Chrom veredelt (in dieserReihenfolge).Auch andere Metalle sind möglich. Zweiwichtige Konstruktionskriterien für guteGalvanisierbarkeit:

a) Große Vertiefungen und scharfe Kanten vermeiden

b) Großzügig abrunden, um überhöhte Metall-anreicherungen zu vermeiden

Bei großen Vertiefungen (Taschen) muß mit mangel-hafter Metallisierung gerechnet werden. In einigen Fällenkann es erforderlich sein, die Oberflächen vor-zubehandeln. Die empfohlene Gesamtdicke derAuftragsmaterialien liegt zwischen 25 und 125 mm.Weitere Details finden Sie im Finishing-Handbuch vonAlliedSignal. Oder wenden Sie sich an unserentechnischen Service.

LackierenDie meisten und vor allem amorphe Polymere sind gutlackierbar.Auf Materialien wie PE, PP und Acetalen, diesehr glatte Oberflächen haben und besonderschemikalienbeständig sind, läßt sich die Lackhaftungdurch gezielte Vorbehandlung der Oberflächenverbessern. Sorgfältige Reinigung ist entscheidend.

Die technischen Kunststoffe von AlliedSignal vertragensich mit den unterschiedlichsten Lacksystemen. PA,PPE/PA-Blends und PET bieten die erforderlicheWärmeformbeständigkeit auch für erhöhteEinbrenntemperaturen.

Als kostensparende Alternative zum Lackieren stehtPaintFree™ Petra® in einer Reihe stabilerFarbeinstellungen bereit.

Bedrucken/HeißprägenDie Polymere von AlliedSignal können mit allen gängigenDrucktechniken veredelt werden. Im Einzelfall kann eineVorbehandlung der Oberflächen erforderlich sein, umdie Haftfestigkeit der Druckfarben zu sichern.Auchhierbei ist eine gründliche Reinigung der Oberflächendas wichtigste Qualitätskriterium.

IX-2

Teil IX: Oberflächenveredelung & Nachbearbeitung

Schneiden/Sägen/BohrenPA, PET und PPE/PA-Blends können mit normalenMetallschneidwerkzeugen bearbeitet werden. DieSchneidtechnik unterscheidet sich von der für Metalle.Es sollte insbesondere auf folgende Kriterien geachtetwerden:

• Ausreichend Kühlung sicherstellen.• Schneidwerkzeug (mit ausreichender Schärfe)

und vor allem für glasfaserverstärkte Materialien nur Schneidwerkzeuge mit Hinterschliff einsetzen.

• Plane saubere Auflagefläche verwenden.• Mit niedrigen Schnittkräften arbeiten.• Möglichst nur hartmetallbestückte Werkzeuge

verwenden.• Schnittspitzen abrunden.

OberflächendesignZahlreiche Oberflächenmerkmale – einschließlich Farbe– lassen sich ohne Nachbearbeitung direkt im Spritz-gießwerkzeug realisieren. Konturen und Muster etc.werden von den formgebenden Werkzeugflächen präziseabgebildet.

Funktion der Teile und/oder geforderte optischeEigenschaften diktieren normalerweise die Oberflächen-gestaltung: Glatt und gleichmäßig vorzugsweise fürmetallisier- und lackierbare Teile, hochglänzend für vieleVerbrauchsgüter. Doch auch matte, genarbte undtexturierte Teile können sehr attraktiv wirken, sindaußerdem griffiger und bieten mehr Kontrast. Einfall-stellen, Kratzer und normaler Verschleiß fallen hierweniger auf als bei glatten Flächen.

Die Oberflächenveredelung mit Hilfe der formgebendenWerkzeugflächen ist in der Vergangenheit oft nurwillkürlich spezifiziert oder völlig vernachlässigtworden.Als ein praktischer Ratgeber für gezieltesOberflächendesign hat sich der ”Mold Finish Guide” derSociety of the Plastics Industry (SPI) bewährt.Vielfachwerden heute auch dort aufgeführte SPE/SPI-Nummernfür das Finish spezifiziert.

Gleichmäßig matte und texturierte Werkzeugflächensind normalerweise kostengünstiger als hochpolierteund können mit Dampf- oder Sandstrahlern hergestelltwerden. Besondere Muster und Narbungen lassen sichdurch spanende Bearbeitung oder Ätzen erzielen. Es gibtaußerdem zahlreiche Unternehmen, die sich auf dasGravieren der Werkzeuge für eingeformte Muster,Ornamente und Schriftzüge spezialisiert haben.

IX-3

Anhang A

Physikalische Eigenschaften & Terminologie

Anisotropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A–2

Dichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A–2

Duktilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A–2

Elastizität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A–2

Gleitfähigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A–2

Härte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A–2

Isotropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A–2

Kerbempfindlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A–2

Plastizität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A–3

Reibung und Verschleiß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A–3

Spezifisches Gewicht (relative Dichte). . . . . . . . . . . . . . A–3

Sprödigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A–3

Verarbeitungsschwindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A–3

Verzug. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A–3

Wasseraufnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A–3

Zähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A–3

Physikalische Eigenschaften – wie Dichte, spezifischesGewicht,Verarbeitungsschwindung,Wasseraufnahme,Elastizität, Duktilität, Zähigkeit, Sprödigkeit, Kerbemp-findlichkeit,Tribologie (Gleitfähigkeit und Abrieb-beständigkeit) und (An-) Isotropie – sind für die Eignungund Haltbarkeit von Kunststoffteilen entscheidend.Nachstehend einige Definitionen:

AnisotropieBei anisotropen Materialien sind die Eigenschaftenabhängig von der Meßrichtung (in oder quer zurFließrichtung). Dies gilt insbesondere für glasfaser-verstärkte und mineralgefüllte Polymere mit orientiertenFasern.

DichteDie Dichte eines Kunststoffs ist die Masse seinerVolumeneinheit an Luft, wird normalerweise bei 23°Cgemessen und in g/cm3 ausgedrückt.

DuktilitätDuktilität ist die Streck-, Zieh- oder Rollbarkeit einesMaterials ohne Zerstörung seiner Integrität. DuktilesVersagen (Zähbruch) ist ein typisches Zeichen fürgleitende Moleküleschichten.

ElastizitätElastizität ist die Rückstellfähigkeit eines Materials nachVerformung zu seiner ursprünglichen Größe und Form.Sie reicht bis zur Streckgrenze, die das Höchstmaß derSpannung definiert, bis zu der sich der Kunststoff ohnebleibende Dehnung elastisch verhält, und wird als Kraftpro Fläche ausgedrückt. Der elastische Bereich spielteine bedeutende Rolle in der Finite-Elemente-Analysevon thermoplastischen Formteilen und ist bei denmeisten Kunststoffen begrenzt.

GleitfähigkeitGleitfähigkeit bezieht sich auf die Belastbarkeit einesMaterials unter Bewegung. Polymere mit guter Gleit-fähigkeit haben niedrige Reibungskoeffizienten beiKontakt mit gleichen oder anderen Materialien undneigen nicht dazu, sich festzufressen.

HärteHärte ist eng mit Verschleiß-, Kratz- und mechanischerFestigkeit sowie Steifigkeit und Sprödigkeit verbunden.Die unterschiedlichen Härteprüfungen für Kunststoffeliefern Aussagen über deren Widerstandsfähigkeit gegendas Eindrücken oder Eindringen von Körpern, über dieKratzfestigkeit bei Kontakt mit anderen Materialien undüber die Rückstellfähigkeit.

IsotropieIsotrope Materialien haben die gleichen physikalischenEigenschaften unabhängig von der Meßrichtung.

KerbempfindlichkeitKerbempfindlichkeit bezeichnet die Neigung einesKunststoffs zur Rißweiterbildung in Bereichen mitSpannungskonzentratoren – wie scharfen Ecken/Kanten,Rillen, abrupten Wanddickenübergängen etc.Von denKonstruktionsparametern in diesen Bereichen hängt ab,wie sich die Anwendung unter Schlag- oder zyklischerBelastung verhalten wird.

A-2

Anhang A: Physikalische Eigenschaften & Terminologie

PlastizitätPlastizität ist die Eignung oder Neigung eines Materials,sich unter der Einwirkung einer Kraft (Spannung)bleibend zu verformen. In den Spannungs-/Dehnungs-kurven von Polymeren liegt die Plastizität im Bereichjenseits der Streckgrenze. Erhöhte Temperaturen könnendie Plastizität eines Kunststoffs beeinflussen.

Reibung und VerschleißReibung ist der Widerstand gegen die Relativbewegungvon zwei sich berührenden Flächen.Wenn der Kunst-stoff im Bereich der Kontaktfläche über seine Festigkeithinaus belastet wird, entsteht Verschleiß- oder Abrieb.Obwohl Kunststoffe meist weniger hart als Metalle sind,weisen sie zum Teil ausgezeichnete Abrieb- undVerschleißfestigkeit auf.

Spezifisches Gewicht (relative Dichte)Als spezifisches Gewicht oder relative Dichte bezeichnetman die Masse eines Materialvolumens an Luft und bei23°C im Verhältnis zu einer entsprechenden Wasser-menge gleicher Volumendichte an Luft bei gleicherTemperatur. Der Wert wird ohne Einheit angegeben undweicht geringfügig von dem der Dichte ab, da die Dichtevon Wasser bei 23°C nicht ganz 1 g/cm3 beträgt. DieAngabe des spezifischen Gewichts gilt seit Einführungder SI-Einheiten im internationalen Normierungssystemals veraltet, wird jedoch im englischen Sprachraum nachwie vor gepflegt.

SprödigkeitSprödigkeit ist das Gegenteil von Zähigkeit. Generell gilt,daß verstärkte Thermoplaste steifer und weniger schlag-zäh, also spröder sind als unverstärkte Thermoplaste.

VerarbeitungsschwindungVerarbeitungsschwindung ist die Kontraktion vonFormteilen beim Abkühlen auf Raumtemperatur imVergleich zum Volumen oder den Abmessungen desWerkzeugs. Sie beginnt im Werkzeug unmittelbar nachdem Einspritzen der Schmelze und ist meist erst nachdem Entformen abgeschlossen. Durch optimale Wahl derAngußposition(en),Angußdurchmesser, Zykluszeit undungehinderte Fließwege läßt sich die Schwindung oderMaßdifferenz in allen Bereichen des Formteilsminimieren.

Bei gleichen Materialien kann aufgrund spezifischerKonstruktions- und Verarbeitungsparameter – wieWanddicke, Fließrichtung und Spritzdruck – unter-schiedliche Schwindung auftreten. Die Verarbeitungs-schwindung ist ein entscheidender Faktor beimSubstitutieren von Materialien für bestehendeKonstruktionen (Metall durch Kunststoff oder Kunststoffdurch Kunststoff) und bei Formteilen aus verstärktenKunststoffen (Vermeidung von Schwindungsdifferenzenbzw.Verzug).

VerzugBei Formteilen mit komplexer Geometrie können dieSchwindmaße von Bereich zu Bereich schwanken undwährend der Kühlphase zum Aufbau von Spannungenführen, die schließlich Verzug verursachen.

Verzug und Verwindung treten auch auf, wenn zu hoheSchwindungsdifferenzen (Längs- gegen Querschwindung)vorliegen. Der Verzug kann erheblich größer ausfallen alsdas Schwindmaß in der Ebene.

WasseraufnahmeWasseraufnahme (Hygroskopie) ist die prozentualeGewichtszunahme eines Formteils bei Lagerung inWasser oder Einfluß von Umgebungsfeuchtigkeit. Nichtalle Kunststoffe sind hygroskopisch. Die meisten Teileaus technischen Thermoplasten neigen jedoch dazu, inspritztrockenem Zustand Feuchtigkeit aufzunehmen. DieGeschwindigkeit, mit der dies geschieht, ist zum Teil sehrunterschiedlich.

Standardprüfkörper aus Materialien, deren physikalischeEigenschaften bei Temperaturen im Bereich von 110°Cmerklich beeinflußt werden, sollten nach dem Spritz-gießen 24 h bei 50°C getrocknet, in einem Exsikkatorgekühlt und sofort auf ein 10.000tel Gramm genaugewogen werden.

Die Geschwindigkeit der Wasseraufnahme wird bei 50%relativer Luftfeuchtigkeit gemessen. Die Sättigung wirdin Prozent des Trockengewichts angegeben. Feuchtigkeitin Kunststoffteilen (Wasseraufnahme) beeinflußt diephysikalischen, mechanischen und elektrischen Eigen-schaften sowie die Dimensionsstabilität. Feuchtigkeit imGranulat kann zu erheblichem Abbau der physikalischenEigenschaften des Kunststoffs führen, wenn sie vor derVerarbeitung nicht auf die empfohlene Restfeuchtereduziert wird.

ZähigkeitZähigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Materials,mechanische Energie zu absorbieren, ohne zu brechen.Dies kann bei elastischer und bei plastischer Deformationbeobachtet werden. Die Zähigkeit von Polymeren wirddaher oft als Bereich unter der Spannungs-/Dehnungs-kurve angegeben. Ungefüllte Kunststoffe sind in derRegel sehr zäh. In bestimmten Fällen mißt man dieZähigkeit als die absorbierte Energie pro Flächeneinheitbis zum Bruch.

A-3

Anhang B

Internationale Prüfnormen

B-2

Typische Nummer SI Einheit2 SI Einheit2 U.S.Einheitnach ISO ISO ASTM für für für10350:1993 Eigenschaft Prüfnormen3 Prüfnormen3 ISO Test ASTM Test ASTM Test

1 Rheologische

1.1 Schmelz- 1133:1991 D 1238 g/10 min g/10 min g/10 minindex

1.2 Volumen- 1133:1991 - cm3/10 min - -fließindex

1.3 Läng- - - % % %schwindung

1.3 Quer-schwindung - - % % %

2 Mechanische

2.1 Zug- 527-1 & D 638 MPa MPa psimodul 2:1993

2.2 Streck- 527-1 & D 638 MPa MPa psispannung 2:1993

2.3 Streck- 527-1 & D 638 % % %dehnung 2:1993

2.4 Reiß- 527-1 & - % - -dehnung 2:1993

— Bruch- 527:1966 D 638 % % %dehnung

2.5 Spannung bei 527-1 & - MPa - -50% Dehnung 2:1993

2.6 Bruchspannung 527-1 & 2:1993 - MPa MPa psi

2.7 Bruch- 527-1 & D 638 % % %dehnung 2:1993

2.10 Biegemodul 178:1993 D 790 MPa MPa psi

2.11 Biegefestigkeit 178:1993 D 790 MPa MPa psi

2.12 Charpy-Schlag- 179:1993 - kJ/m2 - -zähigkeit bei -30°C

2.12 Charpy-Schlag 179:1993 - kJ/m2 - -zähigkeit bei 23°C

2:13 Charpy-Kerbchlag- 179:1993 - kJ/m2 - -zähigkeit bei -30°C

2:13 Charpy-Kerbchlag- 179:1993 - kJ/m2 - -zähigkeit bei 23°C

2:14 Zugschlagzähigkeit 8256:1990 D 1822 kJ/m2 kJ/m2 ft - lb/in2

— Izod-Schlagzähig- 180:1993 D 4812 kJ/m2 J/m ft - lb/inkeit bei -30°C

— Izod-Schlagzähig- 180:1993 D 4812 kJ/m2 J/m ft - lb/in keit bei 23°C

— Izod-Kerbschlag- 180:1993 D 256 kJ/m2 J/m ft - lb/in zähigkeit bei -30°C

— Izod-Kerbschlag- 180:1993 D 256 kJ/m2 J/m ft - lb/in zähigkeit bei 23°C

Anhang B: Internationale Prüfnormen1

B-3

Typische Nummer SI Einheit SI Einheit SI Einheit nach ISO ISO ASTM für für für10350:1993 Eigenschaft Prüfnormen Prüfnormen ISO Test ASTM Test ASTM Test

3 Thermische

3.1 Schmelz- 3146:1985 D3418 C C Ftemperatur

3.3 HDT - 75-1& D 648 C C Fbei 1,8 MPa 2:1993

3.4 HDT 75-1& D 648 C C Fbei 0,45 MPa 2:1993

3.7 VST/B 306:1987 D 1525,rt.B C C F

3.8 CLTE* längs, TMA** E228 or 831 E-4 1/K 1/C 1/F23°C bis 55°C

3.9 CLTE* quer, TMA** E228 or 831 E-4 1/K 1/C 1/F23°C bis 55°C

- Flammwidrigkeit bei (UL94) (UL94) klasse (HB,V-2,V-1,V-0)1,6 mm Wanddicke (UL94) (UL94) mm mm mm

- Flammwidrigkeit (UL94) (UL94) klasse klasse klasse5VB,5VA (UL94) (UL94) mm mm mm

3.16 Sauerstoff- 4589:1994 D 2863 % % %index

4 Elektrische

4.1 Rel. Dielektrizitäts- IEC 250 D 150konstante, 100Hz

4.2 Rel. Dielektrizitäts- IEC 250 D 150konstante, 1MHz

4.3 Verlustfaktor, IEC 250 D 150 E-4100 Hz

4.4 Verlustfaktor, IEC 250 D 150 E-41MHz

4.5 Durchgangs IEC 93 D 257 ohm cm ohm cm ohm cmwiderstand

4.6 Oberflächen- IEC 93 D 257 ohm ohm ohm widerstand

4.7 Durchschlag IEC 243-1 D 149 kV/mm kV/mm V/milfestigkeit

4.9 Kriechstrom- IEC 112 -festigkeit (CTI)

5 Sonstige

5.1 Wasseraufnahme 2:1980 D570 % % %nach 24 h,23°C

5.2 Wasseraufnahme . 62:1980 D570 % % %bei 23°C, 50% r.L

5.3 Spezifisches 62:1980 - % % %Gewicht

5.4 Dichte 1183:1987 D792 g/cm3 g/cm3 lb/ft3

— Spezifisches Gewicht 1183:1987 D792

* CLTE = Coefficient of Linear Thermal Expansion** TMA = Thermo-Mechanical Analysis

1 In Anlehnung an:Wigotsky,Victor, „The Road to Standardization“, Plastics Engineering2 Für die jeweils erstgenannte Prüfnorm3 Nur teilweise vergleichbar4 HDT/DTUL = Wärmeformbeständigkeit unter Belastung (ISO/ASTM)

VST/B = Vicat-Erweichungstemperatur,Verfahren B/120CLTE = Linearer Wärmeausdehnungskoeffizient längs und quer zur Fließrichtung (Thermomechanische Analyse,TMA)UL-Flammwidrigkeitsklassen: HB,V2,V1,V0, 5VB, 5VA (höchste)

Anhang C

Literatur

Konstruktionsgrundlagen für SpritzgießteileDym, Joseph B., Injection Molds and Molding, SecondEdition,Van Nostrand Reinhold Company.

Strukturelle BerechnungenBeer & Johnson, Mechanical Material.

Peterson, R.E., Stress Contribution Factors.

Platten-,Torsions- und Spannungsformeln:Roark, Raymond, and Young,Warren, Formulas for Stressand Strain, McGraw Hill.

Montage- & Fügetechniken“Designing Parts for Ultrasonic Welding,” ©BransonUtrasonics Corporation, Danbury, CT.

“Ultrasonic Insertion,” Branson Utrasonics Corporation,Danbury, CT.

“Vibration Welding,” Branson Utrasonics Corporation,Danbury, CT.

Holtz, Richard,“Vibration Welding: Fast, Quiet, Efficient,”Assembly Engineering, Hitchcock Publishing.

1987 SPE ANTEC, Chul S. Lee,Alan Dubin and Elmer D.Jones,‘‘Short Cantilever Beam Deflection AnalysisApplied to Thermoplastic Snap-Fit Design,’’ Held in LosAngeles, California, USA.

3M,“Structural Adhesive Guide for Industrial ProductDesign and Assembly”.

Forward Technology Industries,“Joint Designs”.

Emabond Systems,“Emaweld, Electromagnetic WeldingSystem for Assembling Thermoplastic Parts”.

MaterialeigenschaftenArpaci,Vedal S.,“Convection Heat Transfer,”Addison-Wesley.

GasinjektionsverfahrenSayer, Matthew,“Application of Gas InjectionTechnology,” Cinpress, Ltd.

“Design Tips for Gas-Assisted Injection Molding,” diagramof rib designs by Indra Baxi of Sajar Plastics, PlasticsDesign Forum.

Anhang B: Internationale PrüfmethodenWigotsky,Victor,“The Road To Standardization,” PlasticsEngineering.

C-2

Anhang C: Literatur

HAFTUNGSAUSSCHLUß

Alle Aussagen und Informationen in dieser Druckschrift ergehen in gutem Glauben und nach bestem Wissen, sind jedoch in keiner Weise als

ausdrückliche oder implizierte Garantie zu verstehen. Risiko und Haftung für Folgen aus dem Einsatz hierin beschriebener Produkte,Verfahren oder

Maßnahmen liegen beim Anwender.Angaben oder Empfehlungen in dieser Druckschrift zum möglichen Einsatz von Produkten oder Verfahren

entbinden den Anwender nicht davon, bestehende Patent- oder Schutzrechte einzuhalten. Der Anwender sollte nicht davon ausgehen, daß alle

Toxizitätsdaten und Sicherheitsmaßnahmen aufgeführt bzw. keine weiteren Vorkehrungen erforderlich sind.

Verkaufsbüros: Hinckley (Großbritannien), Raunheim (Deutschland), Le Perreux-sur-Marne (Frankreich), Viggiù (Italien)

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