Konstruktion für Spritzguss: Ein praktischer DFM-Leitfaden 

Wer sich mit der Konstruktion für Spritzgussverfahren auskennt, weiß auch, dass man sich zunächst überlegen sollte, wie und ob ein Entwurf herstellbar ist, bevor man über Produktästhetik und Funktion nachdenkt.

Wird dem Faktor „Design for Manufacturability“ (DFM) keine Priorität eingeräumt, kann dies zu erheblichen Verlusten durch Werkzeugwechsel, Fehlschüsse, unschöne Einfallstellen, Verzug und unerwartete Verzögerungen bei Werkzeugtests führen.

Bei der Konstruktion von Spritzgussteilen ist es daher entscheidend, wichtige Aspekte wie Wandstärke, Materialwahl, Eckradius und Rippenpositionierung im Voraus zu berücksichtigen. Andernfalls besteht die Gefahr, dass man ständig Konstruktionsänderungen oder Werkzeuganpassungen vornehmen muss.

Wir möchten Ihnen helfen. Deshalb haben wir wichtige praktische DFM-Tipps zusammengestellt, damit Sie kostspielige Fehler vermeiden, bevor Sie die CAD-Daten endgültig festlegen.

Die wichtigsten Designentscheidungen vor CAD

Bevor Sie ein computergestütztes Design für den Spritzguss erstellen, müssen Sie immer zwei grundlegende Entscheidungen berücksichtigen.

• Produktabsicht.
• Materialverhalten.

Werden diese beiden Entscheidungen vernachlässigt, kann dies die Produktion unzuverlässig und kostspielig machen, selbst wenn Ihr Entwurf scheinbar perfekt ist.

Produktabsicht und Werkzeuge

Wenn Sie ein Bauteil konstruieren, ohne dessen Produktionsumfang zu kennen, kann es passieren, dass Sie es für kleine Produktionsserien überdimensionieren oder für die langfristige Produktion unterdimensionieren.

Bevor Sie also mit Ihrem CAD-Projekt beginnen, sollten Sie sich diese wichtige Frage zum Produktvolumen und den Werkzeugen stellen.

Entwerfen Sie: 

• Ein Prototyp?
• Ein Brückenwerkzeug mit geringem Volumen?
• Ein Produktionsprogramm?

Obwohl alle drei Optionen häufig Phasen desselben Produktentwicklungsprozesses darstellen, erfordert jede unterschiedliche Konstruktionsentscheidungen und Werkzeugstrategien. Zudem entstehen jeweils unterschiedliche Vorlaufkosten für die Werkzeuge, unterschiedliche Vorlaufzeiten und unterschiedliche Gesamtstückzahlen. 

Prototypenwerkzeug

Prototypen dienen der Überprüfung und Prüfung von Passform, Form und Funktion eines Modells. Sie werden aus denselben Produktionskunststoffen wie das eigentliche Bauteil gefertigt und sind die beste Option für die Herstellung kleinerer Erstserien.

Bei der Prototypenentwicklung liegt der Fokus auf Geschwindigkeit, Flexibilität und geringen Kosten. Dies ermöglicht schnelle, einfache und kostengünstige Änderungen am Bauteildesign.

Bei der Herstellung von Prototypenwerkzeugen ist Aluminium das gebräuchlichste Material. Weichstahl kann jedoch bevorzugt werden, um die Bearbeitungszeit zu minimieren.

Manuelle Beladung wird häufig eingesetzt, um Kosten zu sparen, anstatt komplexer und teurer automatisierter Schlitten zu verwenden. Die Produktionsziele können bei etwa tausend Stück liegen.

Da Prototypwerkzeuge in der Regel experimentell sind, weisen sie eine geringere Haltbarkeit auf und können nur eine begrenzte Anzahl von Schüssen in längeren Zykluszeiten produzieren.

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Low-Volume Bridge Tool

Ein Werkzeug für Kleinserien schlägt die Brücke zwischen Prototypenentwicklung und Serienfertigung. Es ermöglicht, den Markt mit frühen Produktionsläufen zu testen, bevor das endgültige Stahlwerkzeug vollständig gefertigt ist.

Hierbei liegt der Fokus auf einem ausgewogenen Verhältnis von Langlebigkeit und Wirtschaftlichkeit durch die Produktion durchschnittlicher Stückzahlen. Als Material wird üblicherweise das härtere Aluminium verwendet, aber auch vorgehärteter Stahl ist gängig. 

Der Prozess ist teilautomatisiert und verwendet robustere Werkzeuge als die Prototypen. Die Produktionsmengen können von tausend bis zu Zehntausenden Stück reichen.

Ziehen Sie die Kleinserien-Brückenwerkzeuge für Pilotproduktionen oder die Markteinführung in Betracht. Sie eignen sich perfekt, wenn die tatsächliche Nachfrage nach einem Produkt und der ROI noch ungewiss sind, und sind ideal für Projekte wie Medizinprodukte in klinischen Studien.

Lesen Sie auch: Spritzgießen in Kleinserien | Schnelle, kostengünstige Kleinserienfertigung

Produktionsprogramm 

Ein Produktionsprogramm oder ein Werkzeug für die Serienfertigung ist das finale Fertigungswerkzeug. Es wird für Effizienz, Präzision, Langlebigkeit und maximale Produktionsmengen in einem kontinuierlichen und wiederholbaren Produktionsprozess entwickelt.

Aus diesen Gründen liegt der Fokus auf Langlebigkeit und gleichbleibender Teilequalität zu möglichst geringen Kosten.

Gehärtete Stahlwerkzeuge, wie beispielsweise S7 und H13, sind hier das Hauptmaterial. Sie sind für Millionen von Zyklen ausgelegt und halten diesen stand. Der Prozess ist vollautomatisiert und nutzt fortschrittliche automatische Schlitten, Heber und komplexe Kühlsysteme.

Aufgrund ihrer Komplexität sind Werkzeuge für die Serienfertigung kostspielig, haben lange Lieferzeiten und lassen sich nach Fertigstellung nur schwer und teuer modifizieren. Deshalb dienen die Erkenntnisse aus der Prototypen- und Brückenwerkzeugphase oft dazu, die Fehlerfreiheit des Serienwerkzeugs sicherzustellen.

Auswirkungen auf die Werkzeugauswahl (Aluminium vs. Stahl)

Sobald Ihre Werkzeugoption festgelegt ist, müssen Sie noch die Auswirkungen der Werkzeugwahl auf Ihre Produktionsabsicht bewerten. 

Die Wahl besteht hier zwischen Aluminium und Stahl. 

Für die Herstellung von Prototypenwerkzeugen sind Aluminiumformen am gebräuchlichsten. Sie sind:

• Schneller für die Maschine.
• Geringere Vorlaufkosten verursachen. 
• Manuelles Einlegen der Einsätze verwenden.
• Die Kühlung wurde vereinfacht.
• Allerdings sind sie weniger langlebig und weisen eine geringe Toleranz auf.

Für Brückenwerkzeuge wird härteres Aluminium oder P20-Stahl verwendet. Die Werkzeuge zeichnen sich durch folgende Merkmale aus:

• Halbautomatisierte Aktionen.
• Mäßige Kühlung.
• Moderate Kosten und Lieferzeiten.

Für die Werkzeuge des Produktionsprogramms ist gehärteter Stahl wie H13 oder P20 unerlässlich. Die Werkzeuge zeichnen sich durch folgende Merkmale aus:

• Höhere Vorabkosten.
• Vollständige Automatisierung.
• Große Produktionsmengen.
• Optimierte Kühlung für mehrfache und schnellere Zykluszeiten.
• Enge Toleranzen.
• Überragende Haltbarkeit und hohe Verschleißfestigkeit

Bedenken Sie, dass die Geometrie Ihrer Konstruktion ebenfalls eine wichtige Rolle spielt. Beispielsweise kann eine Konstruktion mit dünnen Wänden, komplexen Rippen und engen Toleranzen bei gehärtetem Stahl mit hoher Toleranz hervorragend funktionieren. Bei Aluminiumwerkzeugen kann sie jedoch zu schnellem Verschleiß und Verformungen führen.

Hier eine kurze Zusammenfassung der drei Produktionsoptionen und ihrer Auswirkungen auf die Werkzeuge.

Produktionsabsicht	Schüsse (Lautstärke)	Werkzeugmaterial	Durchschnittliche Lieferzeit	Kavitation	Automatisierungsstufe	Kosten
Prototypenwerkzeug	1-1,000	Weiches Aluminium, weicher Stahl	2-6 Wochen	Einzelner Hohlraum	Minimal (Manuelle Beladung)	Niedrig
Brückenwerkzeug	1-100,000	Härteres Aluminium, P20-Stahl	5-10 Wochen	Einzel- oder Mehrkavität	Halbautomatisch	Durchschnittlich
Produktionswerkzeug	100,000–1 Monate+	Gehärteter Stahl (H13, S7, 420SS)	8-20+ Wochen	Multi-Cavity	Vollständige Automatisierung von Schlitten, Hebevorrichtungen usw.	Hoch

Materialverhalten 

Bei der Auswahl des Werkzeugmaterials sollten Sie bedenken, dass es nicht nur um Kosten und Festigkeit geht. Denn beim Spritzgießen bestimmt das Materialverhalten, wie gut das Teil gefüllt wird und wie formstabil es ist, sowie die Abkühl- und Erstarrungsgeschwindigkeit.

Beachten Sie diese drei Schlüsselaspekte:

• Amorphe vs. teilkristalline Kunststoffe. 
• Auswirkungen von Schrumpfung und Fließverhalten auf die Konstruktion. 
• Warum Materialien wie PP und PE empfindlicher auf Wandstärke und Rippen reagieren. 

Amorphe vs. teilkristalline Kunststoffe

Thermoplaste werden üblicherweise in zwei große Typen unterteilt: amorphe und teilkristalline Kunststoffe.

Der Hauptunterschied zwischen den beiden liegt in ihrem Verhalten beim Erhitzen und Abkühlen. Und dies wird durch ihre Molekularstrukturen bestimmt.

Amorphe Kunststoffe

Zu den amorphen Kunststoffen gehören PC und ABS . Beim Erhitzen verhalten sie sich wie Butter beim Kochen. Sie werden erst weich und dann flüssig, wodurch sie die Form gleichmäßig ausfüllen und beim Abkühlen kaum zusammenziehen.

Das bedeutet, dass amorphe Kunststoffe eine gleichmäßigere Schrumpfung aufweisen und ihre Abmessungen besser vorhergesagt werden können. Sie eignen sich hervorragend für die Herstellung von Produkten wie Kosmetikartikeln.

Halbkristalline Kunststoffe

Zu den teilkristallinen Kunststoffen gehören PE , PP und Nylon. Beim Erhitzen und Abkühlen verhalten sie sich wie gefrierendes Wasser. Sie sind fest und schmelzen bei einer bestimmten Temperatur. Beim Abkühlen lagern sich ihre Moleküle zu dichten Kristallen zusammen, was zu starker Schrumpfung und Volumenreduktion führt.

Bei teilkristallinen Kunststoffen ist daher mit einer höheren und ungleichmäßigeren Schrumpfung zu rechnen, was ein größeres Verzugsrisiko birgt. Diese Besonderheiten müssen bei der Wandstärke und der Rippenkonstruktion berücksichtigt werden.

Fassen wir die wichtigsten Unterschiede zwischen amorphen und teilkristallinen Kunststoffen in einer Tabelle zusammen.

	Teilkristalline Kunststoffe	Amorphe Kunststoffe
Beispiele	PP, PE, Nylon	ABS, PS, PC
Struktur	Kristalle vermischt mit amorphen Bereichen.	Ungeordnet, wie verhedderte Ketten.
Schmelzen	Scharfer Schmelzpunkt. Schneller Übergang vom Feststoff in eine niedrigviskose Flüssigkeit.	Kein scharfer Schmelzpunkt. Erweicht allmählich.
Schrumpfung	Hoch, ungleichmäßig (anisotrop)	Niedrig, gleichmäßig (isotrop)
Verzug	Sehr anfällig für Verformungen.	Weniger anfällig für Verformungen.
Oberfläche	Robust, glatt, matt	Glänzend, starr.
Transparenz	undurchsichtig/durchscheinend	Oft transparent

Auswirkungen von Schwindung und Durchfluss auf die Konstruktion

Geschmolzener Kunststoff füllt die Form beim Einspritzen nicht einfach nur aus. Er fließt unter Druck weiter und kühlt schließlich an den Formwänden ab. Dabei erstarrt er und schrumpft. 

Bei der Materialauswahl sollten Sie folgende wichtige Punkte beachten: 

• SchrumpfungAmorphe Kunststoffe schrumpfen weniger, zwischen 0.3 % und 0.7 %. Teilkristalline Kunststoffe schrumpfen deutlich stärker, etwa um 1.5 % bis 3.0 %. Auch unebene Wände führen zu erheblichen Unterschieden im Schrumpfverhalten.
• ÜbergängeAmorphe Kunststoffe sind widerstandsfähiger gegen Geschwindigkeitsänderungen, während teilkristalline Materialien einen hohen Druck und eine hohe Einspritzgeschwindigkeit benötigen, um gleichmäßig abzukühlen.
• Anleitung Im Vergleich zu amorphem Material schrumpfen halbkristalline Kunststoffe quer zur Fließrichtung stärker als parallel zur Fließrichtung.
• MaterialstärkeDickere Abschnitte kühlen langsamer ab und schrumpfen daher stärker.

Werden diese Tatsachen ignoriert, kann dies zu Fehlern beim Spritzgießen führen, wie z. B. Einfallstellen, Verzug, Lunker und Maßabweichungen. Berücksichtigen Sie diese daher bei der Konstruktion für das Spritzgießen wie folgt:

• Sicherstellung einer gleichmäßigen Wandstärke und dickere Bereiche sollten unbedingt an dünnere Bereiche angrenzen. Da dickere Bereiche langsamer abkühlen, ziehen sie an den dünneren, was zu Hohlräumen oder Einfallstellen führen kann. 
• Großzügige Radien an den Ecken hinzufügen um Spannungskonzentrationen zu vermeiden, insbesondere bei teilkristallinen Werkstoffen.
• Das Tor in der Nähe des dicksten Abschnitts platzieren oder um sicherzustellen, dass der Strömungsweg symmetrisch ist.

Warum PP und PE empfindlicher auf Wandstärke und Rippen reagieren

Folgendes sollten Sie bei der Verwendung von PP- und PE-Materialien beachten.

Polypropylen (PP) und Polyethylen (PE) sind Polyolefine. Das bedeutet, sie sind hochgradig teilkristallin und relativ flexibel. Daher schrumpfen sie stärker als amorphe Materialien. 

Obwohl man sie vielleicht wählt, weil sie billiger, robust und chemikalienbeständig sind, können sie sich in Bezug auf die Dimensionsstabilität als Albtraum erweisen.

PP und PE reagieren besonders empfindlich auf zu große Rippen, Übergänge von dicken zu dünnen Wänden und lokale Massenkonzentrationen. Sie kristallisieren beim Abkühlen, und dickere Bereiche schrumpfen stärker. 

Sind die Rippen deutlich dicker als die Nennwandstärke, kühlt das Innere langsamer ab, während die Außenwand erstarrt. Beim vollständigen Abkühlen des Kerns wird die Außenwand nach innen gezogen, was zu Einfallstellen auf der Produktoberfläche führen kann. Ist die Außenwand hingegen zu starr, entsteht beim Schrumpfen des Inneren ein Hohlraum.

Hier sind also ein paar praktische Regeln, die Sie beachten sollten: 

• Bei teilkristallinen Werkstoffen sollte die Rippenstärke 40–60 % der Nennwandstärke betragen. Dickere Rippen führen zu Einfallstellen.
• Die Rippen sollten großzügige Entformungswinkel (mindestens 1°–2°) aufweisen und schlank und abgerundet statt scharfkantig sein. PE und PP sind weich und glatt und lassen sich daher schwerer auswerfen.
• Die Wände sollten dünn (ca. 1.5–2.5 mm) und möglichst gleichmäßig dick sein. Bei teilkristallinen Werkstoffen ist die Gleichmäßigkeit wichtiger als die absolute Dicke.
• Für hohe Dimensionsstabilität eignen sich amorphe Werkstoffe wie ABS und PC. Dadurch wird Verformungen vermieden. Sind Chemikalienbeständigkeit und Produktzähigkeit Ihre Prioritäten, greifen Sie zu teilkristallinen Werkstoffen (Nylon, PBT, PE und PP).

Ein prioritätenbasiertes Designregelset

Bei der Konstruktion für den Spritzguss müssen einige Regeln beachtet werden. Manche davon haben einen erheblichen Einfluss auf die Kosten, andere bestimmen die Herstellbarkeit des Teils und die Reproduzierbarkeit der Fertigung.

Beachten Sie die vier untenstehenden Regeln. Denken Sie daran: Ein Verstoß gegen Regel 1 kann durch Regel 2 nicht behoben werden. Ebenso wenig lässt sich ein Verstoß gegen Regel 3 durch Werkzeuganpassungen korrigieren, und das Gleiche gilt für Regel 4. 

Wir werden die von erfahrenen Formenkonstrukteuren bevorzugten Regeln in der Hierarchie besprechen.

1. Beginnen Sie mit einer gleichmäßigen Wandstärke.

Wenn Sie sich eine Regel beim Spritzgießen unbedingt merken müssen, dann ist es diese: Die Wandstärke muss über alle Oberflächen hinweg gleichmäßig sein.

Dies liegt daran, dass die Wandstärke mehrere andere Aspekte beeinflusst, darunter:

• Die Gleichmäßigkeit des Materialflusses.
• Abkühlungsrate.
• Zykluszeit.
• Schrumpfungsverhalten.
• Innerer Stress.

Folglich stärkt die strikte Einhaltung dieser Regel die Bauteilstruktur, optimiert die Zykluszeiten und beugt Fehlern wie Einfallstellen, Verzug und Schwachstellen vor.

Beachten Sie außerdem, dass die Wandstärke wichtiger ist als Formschräge, Abrundungen, Rippen und die Oberflächenstruktur.

Warum die Wandstärke wichtiger ist als die Entformungsschräge

Die Entformungsschräge ist der leichte Winkel, der an den vertikalen Wänden der Teile angebracht wird, um ein reibungsloses Auswerfen aus der Form zu gewährleisten. 

Während die Entformungsschräge beim Auswurfprozess eine einfache Funktion erfüllt, bestimmt die Wandstärke die strukturelle und funktionelle Integrität des Bauteils sowie seine Kühldynamik.

Anders ausgedrückt: Im schlimmsten Fall erschwert ein mangelhafter Formschrägenansatz das Auswerfen und führt zu einem unansehnlichen Bauteil. Eine ungeeignete Wandstärke hingegen kann katastrophale Defekte wie Verzug, Einfallstellen und Lunker verursachen, die das Bauteil oft unbrauchbar machen. Und das bedeutet auch finanzielle Verluste.

Anders ausgedrückt: Ein gleichmäßig dickes Teil mit unzureichendem Entformungsgefälle verformt sich, was zu Schwierigkeiten beim Auswerfen und Werkzeugverschleiß führen kann. Ein Teil mit unebener Wandstärke hingegen verzieht sich mit Sicherheit, senkt sich ab oder weist Maßunregelmäßigkeiten auf. 

Kurz gesagt, die Entformungsschräge beeinflusst den Auswurf und die Ästhetik des Bauteils. Die Wandstärke beeinflusst die Gesamtphysik, die den Kern des gesamten Produktionsprozesses bildet.

Wie dicke Abschnitte zu Senkungen, Verzug und langen Zykluszeiten führen

Die Wandstärke hat einen erheblichen Einfluss auf den Abkühlprozess. Entscheidend ist hierbei, dass dünnere Wandstärken schneller abkühlen als dickere. 

Hier eine detaillierte Erklärung, wie die Wandstärke zu Einfallstellen, Verformungen und langen Zykluszeiten führt.

Einfallstellen:

Beim Einspritzen von geschmolzenem Kunststoff kühlt der Bereich, der die Formwände berührt, zuerst ab und bildet eine feste Außenhaut. Ist ein Abschnitt dicker als der Rest, bleibt sein Kern länger flüssig. Beim endgültigen Abkühlen schrumpft er und zieht die bereits erstarrte Außenhaut mit sich, wodurch eine Vertiefung an der Oberfläche des Bauteils entsteht.

Die Lösung: Dickere Abschnitte aushöhlen und die Rippendicke auf 40-60% der Wandstärke reduzieren.

Verzerrung:

Beim Abkühlen erstarren dünnere Bereiche zuerst. Dickere Bereiche hingegen, die länger heiß bleiben, kühlen weiter ab und schrumpfen allmählich, wodurch innere Spannungen entstehen. Beim Auswerfen des Teils führen diese Spannungen dazu, dass sich der dünnere Bereich zur dickeren Seite hin verzieht, verdreht oder wölbt.

Ungleichmäßige Wandstärke, asymmetrische Konstruktion oder unausgewogene Formkühlung können diese Defekte begünstigen.

Die Lösung: Die Wandstärke sollte gleichmäßig gehalten und alle Übergänge im Verhältnis 3:1 allmählich gestaltet werden.

Lange Zykluszeiten:

Die Abkühlung ist der dominierende Schritt im Spritzgießprozess und beansprucht oft 60 bis 80 % der Zeit. Während dieser Zeit muss die Form geschlossen bleiben, bis alle Bereiche, einschließlich der dicksten, vollständig abgekühlt und zum Auswerfen bereit sind.

Sind die Wände zu dick, kann die Abkühlzeit bis zu viermal länger dauern als üblich. Das bedeutet, dass eine einzige dickere Stelle dazu führen kann, dass das gesamte Bauteil länger in der Form verbleibt. Folglich wird mehr Zeit für jedes einzelne Bauteil benötigt, und es werden weniger Teile produziert. All das erhöht die Kosten pro Teil und verringert die Produktivität.

Die Lösung: Die Wandstärke auf das zulässige Minimum reduzieren. Dadurch wird die Formkühlung deutlich verbessert.

Profi-Tipp zur Wandstärke: Achten Sie auf eine gleichmäßige Wandstärke, vorzugsweise 1.2-3.0 mm, und verwenden Sie Rippen zur Verstärkung anstelle dickerer Wände.

2. Entwurf vor Textur hinzufügen

Beim Spritzguss hat die Entformungsschräge zunächst eine mechanische Funktion und dient dann wieder als ästhetisches Merkmal. Sie befindet sich an jeder vertikalen Fläche eines Formteils und ermöglicht dessen sauberes Entformen. Fehlt die Entformungsschräge, schleift das Teil an der Form, was zu Verschleiß und Beschädigungen führt.

Die Textur hingegen bildet die Mikrohinterschneidungen, die das Teil in der Form fixieren. Um es deutlich zu sagen: Die Textur erhöht den Bedarf an Entformungsschräge und ersetzt diese nicht. Daher sollte bei der Konstruktion die Entformungsschräge vor der Texturierung hinzugefügt werden.

Warum erst entwerfen, dann texturieren?

Darum sollten Sie zuerst den Entwurf und dann die Textur hinzufügen:

• Die Entformungsschräge verhindert ein Blockieren des Bauteils aufgrund der Mikrohinterschneidungen.Wird beispielsweise durch das Auftragen von Poren auf die Formoberfläche mittels Kugelstrahlen eine Textur erzeugt, wirken diese wie viele winzige Haken, die das Formteil in der Form fixieren, wenn keine Entformungsschräge verwendet wird. Dies kann sowohl das Formteil als auch die Werkzeugoberfläche beim Auswerfen beschädigen.
• Es kontrolliert die Schrumpfung aufgrund hoher Reibung.Beim Abkühlen schrumpft das Formteil und zieht sich eng um den Formkern zusammen. Die Entformungsschräge verringert die Kontaktfläche beim Auswerfen und damit die Reibung. Dadurch lässt sich das Teil leichter aus der Form lösen, was nicht der Fall wäre, wenn die Oberfläche des Teils gerade an der Formwand anliegen würde. Dies würde außerdem zu Brand- oder Schrammenspuren führen.
• Ein Entwurf bestimmt die Tiefe der Textur.In den Industrienormen sind Mindestwinkel für die Oberflächenstruktur festgelegt, die durch den Entformungswinkel definiert werden. Beispielsweise benötigt eine leichte Oberflächenstruktur (PM-T1) mindestens 3° Entformungswinkel, während eine mittlere oder starke Oberflächenstruktur (PM-T2) mindestens 5° Entformungswinkel erfordert. Daher gilt die Faustregel: Pro Tausendstel Zoll (0.001 Zoll/0.025 mm) Oberflächenstrukturtiefe sollte mindestens 1° Entformungswinkel hinzugerechnet werden. Die Oberflächenstruktur wird nach dem Entformungswinkel bestimmt, nicht umgekehrt.
• Die Erstellung eines Entwurfs hat Auswirkungen auf Kosten und Produktionszeit.Ein korrekt platzierter Formschrägenansatz verhindert Einfallstellen, beugt Beschädigungen der Form vor, minimiert Produktionsunterbrechungen und senkt die Auswerferkraft, wodurch die Form vor unnötigem Verschleiß geschützt wird.

Warum Textur den Entwurf nicht ersetzt

Da Sie wissen, warum die Kontur vor der Textur kommt, müssen Sie auch wissen, warum die Textur die Kontur nicht ersetzen kann.

• Die Oberflächenstruktur erhöht die Reibung beim Auswerfen.Die Oberflächenstruktur erleichtert das Entformen nicht. Das liegt daran, dass sie die Oberfläche vergrößert und Mikrohinterschneidungen aufweist. Beides erschwert das Auswerfen im Vergleich zu einer sauberen, glatten Oberfläche mit Formschräge.
• Luftzug schützt die TexturOb zur Griffigkeit oder zum Kaschieren von Fehlern – die Textur wird beim Auswerfen abgerieben, wenn kein Entformungsschrägen vorhanden ist. Das gilt auch für die Formoberfläche, da zum Entformen mehr Kraft aufgewendet werden muss.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass hochwertige Formteile durch das Erstellen einer Entformungsschräge und das anschließende Auftragen der Oberflächenstruktur entstehen. Die korrekte Reihenfolge ist daher: Funktionsgeometrie festlegen – Entformungsschräge anbringen – Oberflächenstrukturtiefe bestimmen.

3. Vor dem Eindicken den Kern entfernen

Die naheliegendste Überlegung, wenn Bauteile verstärkt werden müssen, ist die Zugabe von mehr Material. Dies funktioniert jedoch nicht bei der Konstruktion für den Spritzguss.

Stattdessen sollten Sie die Geometrie konsultieren, die zeigt, dass man ein Bauteil durch Aushöhlen und Verstärken mit Rippen verstärken kann.

Kernbohrung vs. Vollwände

Eine massive Wand mag in der CAD-Planung robust aussehen. Beim Formenbau ist sie jedoch ein Garant für Probleme. Hier kommt das Kernbohren ins Spiel.

Beim Auskernen wird Material aus dem Inneren dicker Bauteilabschnitte entfernt, um diese auszuhöhlen. Dadurch entsteht eine gleichmäßige, mit Rippen verstärkte Hülle.

Wenn man dicke, massive Wände lässt, erstarren diese langsam von innen, während die Außenseite bereits abgekühlt ist. Und das führt zu Einfallstellen, Verformungen und Hohlräumen.

Das Kernbohren hingegen sorgt für eine gleichmäßige Wandstärke, ermöglicht eine gleichmäßige Kühlung und beugt kosmetischen Mängeln vor.

Rippen als Ersatz für Wandstärke, nicht für zusätzliche Masse

Rippen sind senkrechte Verlängerungen, die die Festigkeit und Steifigkeit der Konstruktion erhöhen, wo massives Material entfernt wurde. In der Konstruktionsgeometrie tragen sie dazu bei, die primäre Wandstärke beizubehalten und gleichzeitig die strukturelle Integrität der Konstruktion zu verbessern.

Anstatt also an „zusätzliche Masse“ zur Verstärkung eines Bauteils zu denken, denken Sie an „Rippen“. Damit schlagen Sie zwei Fliegen mit einer Klappe, denn sie tragen auch zur Aufrechterhaltung der Wandstärke bei.

Aber es gibt eine Einschränkung. 

Legen Sie nicht so viele Rippchen auf, dass sie zu eng beieinander liegen. Als Faustregel gilt: Der Abstand zwischen ihnen sollte mindestens ihrer Höhe entsprechen. Andernfalls besteht die Gefahr, dass sie langsamer abkühlen, was Sie ja eigentlich vermeiden wollen.

Coring	Rippen
– Reduziert massive Abschnitte mit dicken Wänden. – Beschleunigt die Kühlung und verkürzt die Zykluszeit. – Verhindert Hohlräume, Verformungen und Absenkungen.	– Erhöht die Festigkeit und Steifigkeit des Bauteils, ohne die Masse zu erhöhen. – Verhindert Defekte wie Verformungen. – Verbessert die Tragfähigkeit.

4. Unterbietungen vermeiden, bis sie gerechtfertigt sind

Beim Spritzgießen sind Hinterschnitte Löcher, Vertiefungen oder Vorsprünge, die das geradlinige Auswerfen der Teile aus der Form verhindern. Sie erfordern komplexe Werkzeuge wie Schieber, Auswerfer und zusammenklappbare Kerne und verursachen daher zusätzliche Kosten.

Wenn man also Hinterschnitte in Betracht zieht, sollte die entscheidende Frage nicht lauten, ob sie geformt werden können, sondern ob sie die damit verbundenen, dauerhaften Kosten rechtfertigen.

Unterbietungen und Nebenaktionen als Kostenmultiplikatoren

Zum Formen von Hinterschneidungen benötigen Sie zusätzliche Werkzeugdetails, darunter:

• Nebenaktionen (Folien).
• Heber.
• Zusammenklappbare Kerne.
• Abschraubmechanismen (für Gewinde).

Jedes zusätzliche Werkzeugdetail bedeutet längere Bearbeitungszeiten, das Verschieben von Bauteilen, Neuausrichtungen und einen erhöhten Wartungsaufwand.

All das kann die Kosten in die Höhe treiben, manchmal weit über den eigentlichen Kosten des Bauteils selbst.

Bei der Massenproduktion können Hinterschneidungen die Vorlaufzeit für den Formenbau verlängern, den Werkzeugverschleiß erhöhen und aufgrund der Schieberbewegung die Zykluszeit verlängern. 

Aus diesen Gründen werden Unterschreitungen zu Kostenmultiplikatoren und führen oft zu drastischen Änderungen der Werkzeugstrategie.

Nur weil Undercuts ihren Preis haben, heißt das nicht, dass sie sich nie lohnen.

Wann sich Undercuts tatsächlich lohnen

Unterbietungen lohnen sich, wenn sie dem gesamten Spritzgießsystem einen größeren Nutzen bringen als ihre tatsächlichen Kosten.

Dies kann in folgenden Situationen zutreffen: 

• Wenn sie Befestigungselemente und Klebstoffe durch Riegel und Schnappverschlüsse ersetzen, um ineinandergreifende Mechanismen zu ermöglichen.
• Wenn sie Schraubverbindungen direkt in die Form für Gewindeteile wie Flaschenverschlüsse einarbeiten.
• In Kombination mit dem Kernbohren werden dicke Materialmassen entfernt, um funktionale Designelemente wie Seitenlöcher, Schnappverbindungen und komplexe Geometrien zu erzeugen. Dies dient der Vermeidung von Einfallstellen und Verzug sowie der Reduzierung der Abkühlzeit.
• Wenn sie die Benutzerfreundlichkeit verbessern, wie zum Beispiel Griffe an Konsumgütern oder Anschlüsse für Tasten und Kabel.
• Wenn sie eliminieren Sekundärmontagevorgänge wie Entgraten und Gewindeschneiden oder die Montage von Befestigungselementen. 

Das allgemeine Prinzip lautet also: Zuerst sollte man für gerade Züge konstruieren, dann Hinterschnitte hinzufügen, wenn diese wirtschaftliche und funktionale Vorteile bieten, die den Aufwand für die Werkzeugkomplexität rechtfertigen.

Gemeinsame Merkmale von Spritzgussteilen

Einige Merkmale treten bei nahezu jedem Spritzgussteil auf. Dazu gehören Entformungsschrägen, Rippen, Vorsprünge, Radien, Ecken, Hinterschneidungen und Abschlüsse.

Bei der Konstruktion für Spritzgussverfahren haben diese Merkmale nicht nur eine kosmetische Funktion. Sie sind entscheidend dafür, ob das Teil sauber geformt und ausgeworfen werden kann.

Das Verständnis dieser Merkmale unterscheidet herstellbare Konstruktionen von solchen, die schwer zu verarbeiten sind.

Entwurfswinkel

Sie wissen inzwischen, dass die Entformungsschräge die leichte Verjüngung an den vertikalen Flächen ist, die ein reibungsloses Auswerfen des Formteils ermöglicht. Fehlt diese, haftet das Formteil an der Form, was einen höheren Kraftaufwand zum Auswerfen erfordert und das Risiko von Beschädigungen und Werkzeugverschleiß birgt.

Effekte von Tiefe, Textur und Material

Der erforderliche Tiefgang korreliert auf folgende Weise mit der Tiefe, der Textur und dem Material der Merkmale:

• Merkmalstiefe: Tiefere Wände bieten größere Kontaktflächen für das Werkzeug, was den Auswurf erschwert. Je größer die Tiefe, desto größer die Reibung und desto mehr Tiefgang ist erforderlich..
• Oberflächenstruktur: Die Oberflächenstruktur erhöht die Haftung zwischen Werkstück und Werkzeug. Tiefere Texturen benötigen über die Grundwerte hinaus eine zusätzliche Entfaltung..
• Materialverhalten: Einige Materialien (insbesondere teilkristalline Kunststoffe wie PP und PE) schrumpfen stärker und haften fester an der Form. Halbkristalline Kunststoffe benötigen höhere Entformungswinkel als amorphe Kunststoffe wie PC und ABS..

Zugkraftbereiche

Die Tiefgangsbereiche können je nach Geometrie und anderen Merkmalen variieren. Die allgemeinen Empfehlungen lauten: 

• 0.5° ist das absolute Minimum (muss vorhanden sein), damit jede vertikale Fläche nicht verschoben wird.
• 1° pro Seite für glatte, unstrukturierte Oberflächen (minimale Ausgangsvoraussetzung).
• 1.5–2° pro Seite für tiefergehende Funktionen.
• 3° oder mehr für strukturierte Oberflächen (abhängig von der Strukturtiefe).

Für die Bestimmung der Entformungsgrade in Bezug auf Materialverhalten, Merkmalstiefe und Oberflächenbeschaffenheit sollten Sie Folgendes berücksichtigen:

Anhand der Oberflächenstruktur:

• 0.5 ° - 1 ° für polierte oder glatte Oberflächen.
• 1 ° - 3 ° für leichte Oberflächenstrukturen, wie z. B. Glasperlenstrahlen.
• 3 ° - 5 ° für mittlere bis schwere Texturen, wie z. B. leichte Körnung oder leichte Funkenbildung.
• 5° – 12°+ für aggressive Texturen wie Holzmaserung und Leder.

Nach Materialtyp:

• 0.5 ° –1.5 ° für amorphe Polymere mit geringerer Schrumpfung (PS, PC, ABS).
• 1.5°–3°+ für halbkristalline Polymere, die sich stärker an die Form anhaften und stärker schrumpfen (POM, PP, PE, Nylon).

Nach Texturtiefe: 

• 1 °C. extra für jede 0.001 Zoll/0.025 mm Texturtiefe.

Der entscheidende Punkt hierbei ist, die Entwürfe von Anfang an bewusst zu gestalten und sie nicht erst im Nachhinein als Korrekturmaßnahme hinzuzufügen.

Rippen und Bosse

Bei der Konstruktion von Spritzgussteilen sind Rippen und Ansätze entscheidende Merkmale, die Kunststoffteilen zusätzliche Stabilität und Funktionalität verleihen. Ihr Vorteil liegt darin, dass sie nicht zwangsläufig Gewicht oder Wandstärke erhöhen.

Unsachgemäß konstruierte Rippen und Ansätze können jedoch unnötiges Gewicht und eine zu hohe Wandstärke verursachen, was zu Defekten wie Einfallstellen und Verformungen führen kann.

Verhältnis der Rippen- zur Wandstärke

Rippen sollten die Steifigkeit und Festigkeit erhöhen, ohne die Masse zu vergrößern. Um dies zu erreichen, ist Folgendes zu beachten: 

• Die Rippenbasis beträgt 40-60% der nominalen Wandstärke.
• Die Dicke der Rippe beträgt maximal 60-70% der Dicke der angrenzenden Wand.
• Die Rippenhöhe beträgt höchstens das Dreifache der nominellen Wandstärke.
• Die Rippe weist einen Entformungswinkel von 0.5° bis 1.5° pro Seite auf, um ein reibungsloses Entformen zu ermöglichen.
• Die Rippenbasis weist eine Abrundung (Radius) von 0.25 bis 0.5 Mal der Wandstärke auf, um Spannungskonzentrationen zu minimieren.

Warum Chefs oft für Probleme sorgen

Vorsprünge sind die zylindrischen Strukturen, die als Führungsstifte dienen oder für Einsätze und Schrauben verwendet werden. Bei unsachgemäßer Anwendung können sie sich zu dicken, schlecht kühlenden Bereichen entwickeln, die unschöne Einfallstellen verursachen. 

Hier die Gründe:

• Langsamere AbkühlungDas zusätzliche Material an der Basis der Erhebungen benötigt länger zum Abkühlen und Schrumpfen. Dadurch kann es die Oberfläche nach innen ziehen und Vertiefungen verursachen. 
• Zusätzliche MasseDie Vorsprünge erhöhen das Massenvolumen an den Befestigungspunkten an der Wand. Diese Abschnitte können als Kühlkörper dienen.
• Zusätzliche HöheEin zu hoher oder zu dickwandiger Vorsprung kann eine zusätzliche, langsam abkühlende Masse bilden, wodurch eine mögliche Einfallstelle entsteht.

Diese Missgeschicke treten besonders häufig auf, wenn man Bosse als massive Stützen konstruiert.

Richtige Boss- und Rippenkombinationen

Um Einfallstellen zu vermeiden, beachten Sie beim Kombinieren von Rippen und Zapfen folgende Tipps:

• Arbeiten jederzeit weiterbearbeiten können. Jede Präsentation und jeder KI-Avatar, den Sie von Grund auf neu erstellen oder hochladen, Verstärkungsrippen verbinden die Befestigungspunkte mit der nächstgelegenen Seitenwand. anstatt sie allein zu lassen. 
• Beachten Sie die 40%-60%-Dickenregel. sowohl mit den Rippen als auch mit den Bossen.
• Kern-Out-Bosse um eine gleichmäßige Wandstärke zu gewährleisten.
• Verwenden Sie Zwickel um die Basis der Bosse herum, um sie zu verstärken, ohne Masse hinzuzufügen.
• Platzieren Sie die Bosse nicht direkt gegenüber. Hochglanzpolierte oder kosmetische Oberflächen.

Ecken und Radien

Ecken sehen in CAD-Programmen sauber aus. Beim Formenbau können sie jedoch eine Reihe von Problemen verursachen. 

Warum scharfe Ecken Stress und Arbeitsablaufprobleme verursachen

Scharfe Ecken im Design verursachen Spannungen und Fließprobleme beim Spritzgießen, weil:  

• Sie konzentrieren die Lasten und erzeugen Schwachstellen, die anfällig für Risse sind.
• Geschmolzener Kunststoff fließt bei einem Winkel von 90° nicht frei. Das führt zu turbulenten Strömungen und Lufteinschlüssen und schließlich zu unvollständiger Füllung.
• Scharfe Ecken führen zu bis zu 30 % dickeren Abschnitten aus geschmolzenem Kunststoff, was eine langsamere Abkühlung und Schrumpfung zur Folge hat – beides Ursachen für Verzug und Einfallstellen.
• Geschmolzener Kunststoff verträgt abrupte Änderungen der Fließgeschwindigkeit und -richtung nicht gut. Dies führt zu Schweißnähten.

Aus all diesen Gründen bieten abgerundete Ecken eine bessere Herstellbarkeit und Bauteilhaltbarkeit.

Grundlegende Beziehungen zwischen Innen- und Außenradius

Die Festlegung desselben Innen- und Außenradius ist ein Konstruktionsfehler. Dadurch entsteht kein Gleichgewicht, und es werden Mängel verursacht. 

Stattdessen wird empfohlen, den minimalen Innenradius (R _in) = 0.5 x Wandstärke (T) zu berechnen, während empfohlen wird, den minimalen Außenradius (R _out ) = 1.5 x T zu berechnen.

Demnach sollte das korrekte Verhältnis zwischen Innen- und Außenradius wie folgt lauten:

Außenradius (R _außen ) = Innenradius (R _innen ) + Wandstärke (T).

Dadurch wird eine gleichmäßige Wandstärke über die gesamte Ecke gewährleistet. Andernfalls besteht die Gefahr von Materialflussbehinderungen, hoher Spannungskonzentration und ungleichmäßiger Formfüllung.

Unterschnitte und Abschaltungen

Hinterschneidungen behindern den Teileauswurf. Sie können jedoch durch den Einsatz von Absperrvorrichtungen anstelle komplexer Seitenmechanismen beseitigt werden. 

Wann Abschaltungen besser sind als Nebenmaßnahmen

Eine Absperrstelle ist ein Punkt in der Form, an dem zwei Werkzeugflächen aufeinandertreffen und den Fluss des geschmolzenen Kunststoffs unterbrechen. Dadurch entsteht ein Formelement, ohne dass Bauteile bewegt werden müssen. 

Wenn das Merkmal jedoch so konstruiert werden kann, dass es durch geradlinige Zuggeometrie und Stahlabsperrung anstelle von Schiebern geformt wird, werden die Werkzeuge billiger, einfacher, haltbarer und ermöglichen schnellere Zyklen.

Situationen, in denen Abschaltungen besser sind als Gegenmaßnahmen, umfassen:

• Wenn Sie Kosten und Geschwindigkeit prüfen müssen, da sie den Bedarf an zusätzlichen Mechanismen eliminieren, die Werkzeugkosten senken und die Produktion beschleunigen.
• Wenn einfachere Merkmale komplexere ersetzen können, wie z. B. Durchgangslöcher oder Schlitze anstelle einer Tasche, die einen Schieber benötigt, oder interne Rippen und Schnappverschlüsse anstelle von zusammenklappbaren Kernen.
• Wenn Sie die Zuverlässigkeit durch Gleit-auf-Metall-Konstruktionen verbessern müssen, die den mechanischen Verschleiß im Vergleich zu komplexen beweglichen Teilen minimieren.

Wie viele Hinterschneidungen können in der Entwurfsphase vermieden werden?

Viele Hinterschneidungen können bereits in der Entwurfsphase vermieden werden, und jede vermiedene Hinterschneidung reduziert Kosten, Komplexität und das Beschädigungsrisiko.

Hinterschneidungen lassen sich bereits in der Entwurfsphase vermeiden, indem man: 

• Indem man sie in Durchgangslöcher anstatt in Taschen oder Sacklöcher umwandelt, kann das Werkzeug eine Absperrung erzeugen.
• Durch Hinzufügen eines Entformungswinkels von 3° oder mehr an vertikalen Flächen lässt sich das Material leichter auswerfen, insbesondere bei flexiblen Werkstoffen.
• Das Bauteil wird so umgestaltet, dass nicht notwendige Schnappverbindungen entfernt oder kleinere Bauteile verwendet werden.
• Durch die Änderung der Trennlinien zur Ausrichtung des Merkmals an der Öffnungs- oder Schließrichtung wird der Bedarf an komplexen Mechanismen beseitigt.

Diese Designanpassungen verhindern Probleme mit den Werkzeugen in späten Phasen.

Konstruktionsbedingte Formfehler

Viele Hersteller schieben Fehler im Spritzgussverfahren schnell auf die Verarbeitung. Häufig liegen die Ursachen für Fehler wie Verzug, Einfallstellen und unvollständige Füllung jedoch in Konstruktionsentscheidungen. Und genau dort lassen sie sich auch vermeiden.

Verzug

Verzug entsteht im Allgemeinen durch innere Spannungen, die beim Abkühlen und ungleichmäßigen Schrumpfen der Bauteile auftreten. Dies kann durch drei wesentliche Konstruktionsfaktoren verursacht werden.

Ungleichmäßige Wandstärke

Dies ist die Hauptursache für Verzug. Ungleichmäßige Wandstärken verursachen drei Hauptprobleme, die die Abkühlung und das Schrumpfen beeinträchtigen:

• Ungleichmäßige Kühlung Dabei kühlen die dünneren Wandabschnitte schneller ab als die dickeren. Letztere schrumpfen stärker und ziehen die bereits erstarrten Abschnitte mit sich, wodurch diese sich verbiegen oder verdrehen (verziehen).
• Plötzliche Übergänge im Materialfluss, wodurch lokal begrenzte Hochspannungszonen entstehen.
• Dicke Rippen oder Vorsprünge über die empfohlene maximale Dicke von 60 % der angrenzenden Wände hinaus, wodurch Kühlkörper entstehen, die eine Verformung der umgebenden Oberfläche verursachen.

Materialwahl

• Halbkristalline Kunststoffe (PP, PE, Nylon) schrumpfen bis zu 3 % stärker und neigen eher zum Verziehen. 
• Amorphe Kunststoffe (ABS, PC) weisen Schrumpfungsraten unter 0.7 % auf und sind formstabiler, was bedeutet, dass sie weniger anfällig für Verformungen sind.
• Fasergefüllte Harze (Mit Glas, Kohlenstoff oder natürlichen Alternativen) wird die Steifigkeit erhöht. Dies macht sie jedoch auch anfällig für anisotropes Schrumpfen, das ungleichmäßig ist und bei unausgewogenem Materialfluss zu Verzug führen kann.

Ungleichmäßige Kühlung

Die Kühlungsanordnung in CAD ist häufig für ungleichmäßige Erstarrung verantwortlich. Zu den spezifischen Konstruktionsproblemen gehören:

• Asymmetrische Geometrie, wo große Formen oder ebene Flächen unterschiedlich schnell abkühlen und dadurch Verformungen verursachen.
• Ungünstig platzierte Tore, Sie befindet sich an der letzten Stelle, die befüllt werden muss. Der geschmolzene Kunststoff ist viel dickflüssiger und führt zu ungleichmäßigem Befüllen und Abkühlen.
• Unzulässige Eckradien Dort, wo scharfe Ecken Hitze und Spannungen konzentrieren und die äußere Ecke nicht auf die Wandstärke abgestimmt ist. (Siehe vorherigen Abschnitt „Ecken und Radien“).

Einfallstellen

Wir haben bereits erwähnt, dass eine höhere Masse bei Spritzgussteilen nicht automatisch zu mehr Festigkeit führt. Dickere Bauteile kühlen langsamer ab, schrumpfen stärker und neigen daher eher zu Dellen oder Einfallstellen. 

Insbesondere ist das Erhöhen der Dicke durch Rippen, Vorsprünge oder scharfe Ecken der falsche Weg, um die Festigkeit zu erhöhen, denn:

• Dadurch entstehen thermische Konzentrationen oder Hotspots, die länger zum Abkühlen brauchen.
• Dabei entstehen Oberflächenvertiefungen, wenn die langsam abkühlenden Teile die bereits abgekühlten und erstarrten Teile nach innen ziehen.
• Es erhöht die innere Spannung, was zu Verformungen und manchmal zu inneren Hohlräumen oder Blasen führt.
• Durch die Verlängerung der Abkühlzeit wird die Produktionszeit verlangsamt.
• Es mindert die Qualität des Endprodukts.

Kurze Aufnahmen und Schweißnähte

Kurzschüsse sind auf Probleme im Fließweg zurückzuführen, während Schweißnähte auf Verarbeitungsprobleme zurückzuführen sind.

Kurze Aufnahmen 

Fehlfüllungen sind unvollständige Füllungen, die entstehen, wenn geschmolzener Kunststoff erstarrt, bevor er den gesamten Hohlraum ausfüllt. Sie resultieren aus geometrischen Unregelmäßigkeiten, darunter: 

• Extrem dünne Wände die dazu führen, dass das Polymer abkühlt und aushärtet, bevor es das Ende der Füllung erreicht.

• Komplexer und langer Durchfluss Wege, die den Strömungswiderstand erhöhen und eine frühzeitige Abkühlung verursachen, bevor der Hohlraum gefüllt ist.
• Mangelhafte Belüftungskonstruktion wo die Luft nicht entweichen kann und sich im Inneren Druck aufbaut, wodurch eine Barriere im Hohlraum entsteht.
• Kleine Tore und Laufschienensysteme die den Durchfluss einschränken und eine vorzeitige Abkühlung begünstigen.
• Plötzliche Übergänge aufgrund unebener Wände, wodurch ungleichmäßige Strömungen entstehen.

Schweißleitungen

Schweißnähte sind sichtbare Verbindungsstellen, die durch das Zusammentreffen zweier oder mehrerer geschmolzener Kunststofffronten ohne vollständige Vermischung entstehen. 

Dies wird durch folgende Probleme verursacht: 

• Kerne oder Verstopfungeneinschließlich Schlitzen, Löchern und Rippen, die den Harzfluss unterbrechen und dazu führen, dass sich das Harz teilt und dann wieder vereint.
• Falsche Torposition an Positionen, die längere Strömungsfronten erzeugen.
• Layouts mit mehreren Toren die dafür sorgen, dass sich die Ströme treffen und senkrechte Linien zu derjenigen bilden, die die Tore verbindet.

All diese und weitere Konstruktionsfragen können die Kosten erheblich beeinflussen.

Wie sich Designentscheidungen auf die Kosten auswirken

Bei der Konstruktion von Spritzgussteilen wird der Kostenfaktor maßgeblich von der Geometrie bestimmt. Zwei Teile können aus der gleichen Kunststoffmenge bestehen, aber dennoch erhebliche Kostenunterschiede aufweisen. Zu verstehen, wie dies zustande kommt, ist für ein effektives Design for Manufacturing (DFM) unerlässlich.

Geradezug-Hebel vs. Seitenhebel

Geradziehformen öffnen sich in eine Richtung und ermöglichen das reibungslose Auswerfen der Teile ohne zusätzliche mechanische Bewegungen. Daher sind sie kostengünstiger.

Sobald jedoch Hinterschnitte vorhanden sind, benötigt die Form seitliche Eingriffe oder Schieber, Heber, zusammenklappbare Kerne und andere Entschraubungsvorgänge.

Jeder zusätzliche Eingriff verursacht zusätzliche Kosten: 

• Komplexität des Werkzeugbaus.
• Kosten für das Formmaterial.
• Bearbeitungszeit.
• Wartungsanforderungen.
• Das Risiko von Ausfallzeiten und Reparaturkosten.

Diese Kosten können sich im Laufe der Zeit summieren. Entscheiden Sie sich daher nach Möglichkeit zunächst für eine geradlinige Zugkonstruktion, da diese stets günstiger und langlebig ist. Zusätzliche Maßnahmen sollten nur dann in Betracht gezogen werden, wenn der Mehraufwand gerechtfertigt ist.

Dickwandige Konstruktionen vs. Rippenkonstruktionen.

Wir wissen mittlerweile, dass dicke Wände die Abkühlung verlangsamen und die Auswurfzeit eines Teils erheblich verlängern können. Das bedeutet insgesamt längere Zykluszeiten, ein größeres Materialvolumen und das Risiko von Einfallstellen und Verzug. 

Hohe Materialmengen, längere Prozesszeiten und Verluste durch beschädigte Produkte führen insgesamt zu Mehrkosten.

Durch die Wahl von Rippenstrukturen lassen sich diese Kosten hingegen vermeiden: 

• Beibehaltung der nominellen Wandstärke und kürzeren Abkühlzeiten. 
• Effiziente Erhöhung der Steifigkeit ohne zusätzliche Masse.
• Einsparung von Materialkosten.

Rippenstrukturen ergeben zudem stabilere Bauteile, die sich leichter biegen lassen, günstiger zu verarbeiten sind und eine höhere strukturelle Festigkeit aufweisen. All das kann Kosten sparen.

Einzelkavitäten- vs. Mehrkavitätenwerkzeuge.

Die Anzahl der Kavitäten kann sich direkt auf die Werkzeug- und Produktionskosten auswirken.

Einzelkavitätenwerkzeuge zeichnen sich durch geringere Anschaffungskosten und eine einfachere Auswuchtung aus. Allerdings ist ihre Gesamtleistung geringer.

Mehrkavitätenwerkzeuge weisen höhere Anschaffungskosten und eine komplexere Durchflussregelung auf. Sie ermöglichen jedoch eine höhere Produktionsleistung und somit niedrigere Stückkosten.

Sowohl Einzel- als auch Mehrkavitätenwerkzeuge haben Vor- und Nachteile. Ihre Entscheidung sollte auf dem erwarteten jährlichen Produktionsvolumen basieren, z. B. Einzelkavitätenwerkzeuge für die Prototypenfertigung und Mehrkavitätenwerkzeuge für Serienproduktionen.

Bedenken Sie außerdem, dass die Bauteilkonstruktion darüber entscheiden kann, ob sich der Einsatz von Mehrfachkavitäten lohnt, selbst bei der Serienfertigung. 

Die Fertigung großer Teile, komplexe Fließwege und ungleichmäßige Füllung können beispielsweise die Anzahl der Kavitäten begrenzen. Konstruktionsentscheidungen, die Fließ- und Kühlprozesse vereinfachen, ermöglichen hingegen den Einsatz mehrerer Kavitäten und senken so langfristig die Gesamtkosten des Spritzgießens.

Die wahren Kosten enger Toleranzen.

Die Einhaltung präziser Teileabmessungen ist entscheidend, wenn perfekte Passform, Funktionalität und Ausrichtung von größter Bedeutung sind, wie beispielsweise bei Automobil- und Medizingeräten. 

Dies kann jedoch aufgrund folgender Faktoren mit zusätzlichen Kosten verbunden sein: 

• Präzise Formenbearbeitung.
• Zusätzlicher Zeitaufwand für die Formoptimierung und Probenahme.
• Höhere Ablehnungsquoten.
• Strengere Inspektionsanforderungen.
• Mögliche Folgeoperationen.

Die Qualität von Spritzgussteilen kann aufgrund von Materialschwankungen erheblich variieren. Enge Toleranzen bei der Materialwahl können daher die Kosten erhöhen, nicht nur für das Material selbst, sondern auch für die Werkzeugherstellung und die zusätzliche Bearbeitungszeit.

Ein effizientes DFM für Spritzgussverfahren sollte daher enge Toleranzen nur dann einhalten, wenn die Funktion des Bauteils dies unbedingt erfordert.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei der Entscheidung für CAD zu beachten ist, dass es beim Design für Spritzgussverfahren mehr um die Effizienz der Produktionskosten über die gesamte Lebensdauer geht als um Form und Funktion.

Checkliste für die Konstruktion für den Spritzguss

Die kostspieligsten Probleme beim Formenbau treten nicht in der Bearbeitungsphase auf, sondern bereits in der Konstruktionsphase. Stellen Sie daher sicher, dass alle Aspekte Ihrer computergestützten Konstruktion für den Werkzeugbau einwandfrei sind, bevor Sie diese freigeben. 

Diese Checkliste für die Konstruktion von Spritzgussteilen wird Ihnen helfen. 

• Gleichmäßige Wandstärke

• Ist die Wandstärke im gesamten Bauteil gleichmäßig? (1-3 mm bei den meisten Kunststoffen).
• Sind Übergänge von dick zu dünn allmählich und erfolgen sie nur bei Bedarf?
• Sind Eckradien so ausgelegt, dass eine gleichmäßige Wandstärke gewährleistet ist?
• Wurden potenziell dicke Wände durch Rippen und Verstärkungsstreben optimiert, um das Risiko von Verzug und Einfallstellen zu reduzieren?

• Entformung an allen vertikalen Flächen

• Sind alle vertikalen Wände leicht zu durchziehen? (Mindestens 0.5°–1° und 2°–3° bei strukturierten Oberflächen). 
• Wird der Entformungswinkel an die Tiefe und die Materialart angepasst?
• Wird der zusätzliche Entformungswinkel für strukturierte Oberflächen angepasst?

• Dicke Abschnitte ausgehöhlt

• Werden Rippen verwendet, um das Bauteil zu verstärken, anstatt die Wandmasse zu erhöhen?
• Wurden alle festen Massen (Rippen und Vorsprünge) entfernt? (Zumindest soweit möglich)
• Beträgt die Dicke der Verstärkungsrippen und Rippen 40–60 % der Nennwandstärke? 

• Abgerundete, keine scharfen Ecken
• Wurden scharfe Kanten durch Abrundungen ersetzt, um den Materialfluss zu verbessern und Spannungskonzentrationen zu reduzieren?

• Unterschnitte frühzeitig minimieren

• Würde eine Neugestaltung mit Alternativen, wie z. B. geänderten Trennlinien und der Verwendung von „Abstreif“-Elementen, bei geraden Zugvorrichtungen helfen?
• Ist die Öffnungsrichtung der Form festgelegt?
• Sind etwaige Nebenmaßnahmen wirklich erforderlich?

• Definition kosmetischer Oberflächen

• Sind Oberflächen der Klasse A (kosmetische Oberflächen) deutlich gekennzeichnet, um Trennlinien, Auswerferstifte und Angussstellen auf solchen Oberflächen zu vermeiden?
• Werden Rippen und Vorsprünge sachgemäß verwendet, um Einfallstellen zu vermeiden?
• Wurde die Textur zusammen mit dem Entwurf angemessen berücksichtigt?

• Formgeberprüfung vor dem Einfrieren der CAD-Datei.

• Wurde die Konstruktion vom Spritzgießer auf ihre Herstellbarkeit geprüft?
• Wurde die Materialwahl auf Basis der Schrumpfungsraten getroffen?
• Wurde das Tor an der schwersten Stelle positioniert, um Senkungen und Hohlräume zu vermeiden?
•  Wurden die Toleranzen an die Formgebungsfähigkeiten angepasst?

EzraMade

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Abschließende Gedanken

Jeder Konstrukteur sollte wissen, dass es bei der Konstruktion für Spritzgussteile auf Präzision in jedem Detail ankommt und nicht darauf, Fehler erst während der laufenden Produktion zu beheben. Das bedeutet, Aspekte wie Wandstärke, Entformungsschrägen, Rippen, Materialverhalten und Werkzeugstrategie sorgfältig zu prüfen, bevor die CAD-Zeichnungen endgültig festgelegt werden.

Geringfügige geometrische Abweichungen können langfristig erhebliche Auswirkungen auf Kosten, Zykluszeit, Produktqualität und die Stabilität des gesamten Produktionsprogramms haben.

Durch die Priorisierung von Faktoren wie gleichmäßigen Wänden, der Verwendung von Rippen und Ansätzen, geradem Zug und struktureller Konsistenz kann das Risiko großer Verluste durch Konstruktions- und Werkzeugänderungen verringert werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass fundierte DFM-Entscheidungen Designherausforderungen in vorhersehbare und wiederholbare Produktionsanlagen verwandeln können, was Vorteile für die Prozess- und Kosteneffizienz sowie die Endproduktqualität mit sich bringt.

Quellen:

• Polyplastics: Überblick über das Spritzgießen.
• Thogus: Kennen Sie die verschiedenen Werkzeugtypen: Prototypen-, Brücken- und Serienwerkzeuge..
• Plunkett: Worin unterscheiden sich Werkzeuge für die Kleinserienfertigung (LVP) von Entwicklungs- oder Produktionswerkzeugen??
• Abasalizadeh, M. et al. (2018). Experimentelle Studie zur Optimierung des Schwindverhaltens von teilkristallinen und amorphen Thermoplasten. Iranian Journal of Materials Science and Engineering. 15. 41-51. https://doi.org/10.22068/ijmse.15.4.41.
• Zielverarbeitung: Wie man die Mindestwandstärke für Spritzgussteile ermittelt – Optimierung Ihrer Teilekonstruktionen.
• Premium-Teile: Warum ist eine gleichmäßige Wandstärke beim Spritzgießen wichtig??
• UPM: Warum ist eine gleichmäßige Wandstärke wichtig??
• PROTOLABS: Richtlinien für die Wandstärke beim Spritzgießen.
• Fiktiv: Verzug beim Spritzgießen: Ursachen, Vorbeugung und Leitfaden zur Fehlerbehebung.
•  PROTOLABS: Richtlinien für den Entformungswinkel beim Spritzgießen.
• Xometrie: Kunststoffrippen für Spritzgusskonstruktion.
• VEM: Hinterschnitte beim Spritzgießen.
• Chen HL, Huang PW & Huang YS. (2025). Einfluss der Formschrägengestaltung auf die Kopplung von Oberflächentextur und Maßgenauigkeit bei spritzgegossenen Standard- und technischen Polymeren mit teilkristallinen und amorphen Eigenschaften. Polymers (Basel). 17(21):2892. https://doi.org/10.3390/polym17212892. 
• Fiktiv: Designleitfaden für Spritzguss.
• Kunststoffformen: Konstruktion von Führungszapfen für Spritzgussteile: Ein vollständiger Leitfaden.
• THY Präzision: Wesentliche Konstruktionsrichtlinien für Präzisionsspritzguss.
• Mikroformen: Hinterschnitte beim Spritzgießen erklärt.
• Ankush Mourya, Arshit Nanda, Kartik Parashar, Sushant, Rajender Kumar. (2023). Eine erklärende Studie über Defekte in Kunststoffformteilen, die durch Maschinenparameter im Spritzgießprozess verursacht werden. Materials Today: Proceedings, 78(3). 656-661. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.12.070. 
• Xometrie: 16 häufige Fehler beim Spritzgießen: Arten, Ursachen und Lösungen.
• Hohlraumformen: Mehrfach- vs. Einzelkavitätenformen: Welche ist die richtige für Ihre Massenproduktion??
• FacFox-Dokumentation: Die Konstruktionsrichtlinie für Spritzguss.