Experten-Design-Richtlinien für hochwertigen Spritzguss

Der Spritzgussprozess wird in der Großserienfertigung breit eingesetzt, da er vergleichsweise geringen Ausschuss produziert und hohe Wiederholgenauigkeit bietet. Die Vielseitigkeit des Spritzgussprozesses erfordert weitreichendere Designüberlegungen. Die meisten Designentscheidungen werden am Werkzeug getroffen, nachdem die Produktanforderungen festgelegt wurden.

Einige Faktoren, die das Spritzgussdesign beeinflussen: Wie das Teil genutzt wird (Einzelprodukt oder für Montage), seine dimensions- und mechanischen Anforderungen, und seine Fähigkeit, Elementen wie Chemikalien oder Druck standzuhalten. Einige wichtige Tipps für das Design für Spritzguss werden unten erläutert.

1. Sorgfältig Materialien wählen, die zum Design passen

Verschiedene Spritzgussmaterialien bieten unterschiedliche Eigenschaften. Einige bieten mehr Dimensionsstabilität, andere haften besser mit Klebstoffen. Materialdesign berücksichtigt: Temperatur, Druck, biologische und chemische Wechselwirkungen.

Thermoplastische Harze lassen sich grob in amorphe und teilkristalline unterteilen. Während teilkristalline Thermoplaste bessere chemische und elektrische Beständigkeit bieten, sind ihre amorphen Pendants dimensionsstabiler und schlagfester. Die Materialwahl kann den erforderlichen Toleranzlevel oder bestimmte Merkmale wie Wandstärke beeinflussen.

	Teilkristalline Harze	Amorphe Harze
Vorteile	• Exzellent für Lager, Verschleiß und strukturelle Anwendungen • Gute chemische und elektrische Beständigkeit • Niedriger Reibungskoeffizient	• Gute Klebehaftung mit Klebstoffen • Hohe Dimensionsstabilität • Gute Schlagfestigkeit
Nachteile	• Schwer mit Klebstoffen zu verbinden • Mittlere Schlagfestigkeit	• Geringe Beständigkeit gegen Ermüdung und Spannungsrissbildung

2. Teiltoleranz berücksichtigen

Toleranzen werden durch den Schwund während des Abkühlprozesses beeinflusst. Amorphe Materialien wie PLA haben generell engere Toleranzen als teilkristalline wie PEEK.

Enge Toleranzen verteuern die Produktion, können aber notwendig sein, damit das Teil passt oder funktioniert, besonders bei Montage.

Wir empfehlen, Ihren Lieferanten bereits in der Designphase zu kontaktieren, um die von ihm verwendeten Toleranzstandards zu besprechen.

Beispielsweise enthält DIN 16901 eine allgemeine Toleranztabelle als Referenz für verschiedene Materialien. Wenn Ihr Lieferant diesen Standard nutzt und Sie engere Toleranzen oder andere Standards benötigen, wird er Sie bitten, 2D-Zeichnungen bereitzustellen.

3. Die richtige Wandstärke wählen

Einige Kernpunkte, um die richtige Wandstärke für Ihr Spritzgussdesign zu wählen:

• Dünnere Wände verkürzen die Zykluszeit und senken die Teilkosten. Für viele Anwendungen reicht eine Wandstärke von 1,5–2,5 mm, Sie können aber auch empfohlene Wandstärken für verschiedene Materialien heranziehen.
• Anders als bei CNC-gefrästen Teilen profitieren Spritzgussteile von gleichmäßiger Wandstärke. Wenn ein Teil an einer Stelle dicker ist als an einer anderen, entsteht dort eine Senkmarke.
• Ungleichmäßige Wandstärken führen auch zu Verzug, da diese Wände unterschiedlich schnell abkühlen und schwinden. Wenn Sie eine ungleichmäßige Dicke benötigen, sollte der Wandstärkenwechsel 15 % der Nennwandstärke nicht überschreiten und immer einen sanften oder konischen Übergang haben, um ein hochwertiges Teil zu erhalten.

Folgende empfohlene Wandstärken für verschiedene Materialien:

Material	Empfohlene Wandstärke
ABS	1,143 mm – 3,556 mm
Acetal	0,762 mm – 3,048 mm
Acryl (PMMA)	0,635 mm – 12,7 mm
Flüssigkristallpolymer	0,762 mm – 3,048 mm
Langfaserverstärkte Kunststoffe	1,905 mm – 27,94 mm
Nylon	0,762 mm – 2,921 mm
PC (Polycarbonat)	1,016 mm – 3,81 mm
Polyester	0,635 mm – 3,175 mm
Polyethylen (PE)	0,762 mm – 5,08 mm
Polyphenylensulfid (PSU)	0,508 mm – 4,572 mm
Polypropylen (PP)	0,889 mm – 3,81 mm
Polystyrol (PS)	0,889 mm – 3,81 mm
Polyurethan	2,032 mm – 19,05 mm

4. Entformungsschrägen (Draft Angles) hinzufügen

Viele Materialabtragsprozesse wie CNC-Bearbeitung können senkrechte Wände erzeugen. Ein Spritzgussdesign mit senkrechten Wänden führt jedoch dazu, dass das Teil stecken bleibt, besonders am Kern, da es beim Abkühlen schrumpft.

Wird zu viel Kraft zum Auswerfen angewendet, steigt das Risiko, Auswerferstifte und sogar das Werkzeug zu beschädigen, stark an. Gestalten Sie die Wände der Teile mit leichter Neigung, um dieses Problem zu vermeiden. Diese Neigung heißt Entformungsschräge (Draft).

Aufgrund der hohen Komplexität, die es im Design erzeugt, wird der Draft meist in den finalen Phasen des Teiledesigns hinzugefügt. Unterschiedliche Oberflächen erfordern unterschiedliche Entformungsschrägen. Texturierte Oberflächen benötigen den größten Draft. Einige gängige Oberflächen im Spritzguss und ihre minimalen Entformungsschrägen:

• Für „fast senkrechte“ Anforderungen: 0,5°
• Häufigste Situationen: 1–2°
• Alle Abschlussoberflächen (Shutoff): 3°
• Flächen mit leichter Textur: 1–3°
• Flächen mit mittlerer Textur: 5°+

5. Rippen und Verstärkungen (Gussets) an bestimmten Teilen hinzufügen

Bestimmte Teile benötigen Rippen. Rippen und Gussets verleihen Teilen zusätzliche Festigkeit und helfen, kosmetische Fehler wie Verzug, Senkmarken und Hohlräume zu vermeiden. Diese Merkmale sind essenziell für strukturelle Komponenten. Daher ist es vorzuziehen, sie hinzuzufügen, anstatt die Wanddicke zu erhöhen, um Festigkeit zu gewinnen.

Wenn sie jedoch nicht richtig designed sind, kann dies zu Schwindung führen. Schwindung tritt auf, wenn die Abkühlrate bestimmter Bereiche viel schneller ist als andere, was zu dauerhafter Verbiegung führt. Der Verzug kann effektiv reduziert werden, indem die Rippendicke zwischen 50–60 % der Wanddicke gehalten wird, an der sie angesetzt sind.

6. Radien und Fasen zum Teiledesign hinzufügen

Das Anwenden von Radien, wo möglich, beseitigt scharfe Ecken, was den Materialfluss und die strukturelle Integrität des Teils verbessert. Scharfe Ecken schwächen das Teil, da der geschmolzene Werkstoff durch oder in die Ecke fließen muss. Die einzigen Stellen, wo scharfe Ecken unvermeidbar sind, sind Trennflächen oder Abschlussoberflächen.

Radien und Fasen erleichtern auch das Auswerfen, da abgerundete Ecken weniger wahrscheinlich stecken bleiben als scharfe. Zudem sind scharfe Ecken strukturell nicht ratsam, da sie Spannungspunkte erzeugen, die versagen können. Radien glätten die Spannung an den Ecken.

Auch die Einbeziehung scharfer Ecken in Ihr Teil erhöht die Produktionskosten exponentiell, da dies Werkzeuge mit scharfen Ecken erfordert, die nur mit sehr teuren Fertigungstechniken erreicht werden können.

Fügen Sie innere Radien von mindestens 0,5-facher Dicke der angrenzenden Wand und äußere Radien von 1,5-facher Größe hinzu.

7. Unterschnitte vermeiden und wo möglich Schlitze vorsehen

Snap-Fits werden durch Unterschnitte realisiert. Das Zweihälften-Werkzeug (Straight-Pull Mould), das aus zwei Hälften besteht und das einfachste Design ist, eignet sich nicht für Teile mit Unterschnitten. Dies liegt an der Schwierigkeit, ein solches Werkzeug mit CNC zu bearbeiten, und der Tendenz des Materials, beim Auswerfen stecken zu bleiben.

Unterschnitte werden meist mit Schiebern (Side Cores) erzeugt. Diese erhöhen jedoch die Werkzeugkosten erheblich. Glücklicherweise gibt es Designtricks, um die Funktion eines Unterschnitts ohne Schieber zu erreichen. Eine Möglichkeit ist das Einführen eines Schlitzes. Dies wird auch als Pass-Through-Core bezeichnet. Eine andere Möglichkeit ist das Verschieben oder Anpassen der Teilinglinie. Dabei muss auch der Entformungswinkel entsprechend angepasst werden. Das Verschieben der Teilinglinie eignet sich am besten für Unterschnitte an der Außenseite des Teils.

Sie können auch Abstreif-Unterschnitte (Stripping Undercuts / Bump-offs) nutzen. Verwenden Sie diese Funktion jedoch nur, wenn das Teil flexibel genug ist, um sich beim Auswerfen zu verformen und auszudehnen.

Auch ausreichend Freiraum geben: Bump-offs müssen einen Einführwinkel von 30° bis 45° für effektives Auswerfen haben. All diese Alternativen zu teuren Schiebern erfordern signifikantes Redesign des Teils. Wenn ein Redesign aufgrund möglicher Beeinträchtigung der Funktionalität nicht möglich ist, müssen Sie Schiebe-Seitenaktionen und Kerne einsetzen, um mit Unterschnitten umzugehen.

Diese Funktionen gleiten ein, wenn das Werkzeug schließt, und aus, wenn es öffnet. Die Schieber müssen sich senkrecht bewegen und geeignete Entformungsschrägen haben.

8. Ansätze (Bosses) an Seitenwände oder Rippen anbringen

Bosses sind zylindrische Stege, die in ein Kunststoffteil gespritzt werden, um Einsätze, Selbstschneideschrauben oder Stifte für Montage oder Befestigung aufzunehmen.

Der Außendurchmesser (OD) des Bosses sollte das 2,5-fache des Schraubendurchmessers für Selbstschneideanwendungen betragen.

Bosses sollten nicht freistehend sein. Befestigen Sie Bosses immer an einer Seitenwand oder am Boden mit Rippen oder Gussets. Ihre Dicke sollte 60 % der Gesamtewanddicke nicht überschreiten, um sichtbare Senkmarken auf der Außenseite zu minimieren.

Beispiel: Ein Teil mit 3 mm Außenwand sollte innere Rippen von maximal 1,7 mm Dicke haben.

9. Anguss (Gating): Optisch wichtige Flächen kennzeichnen, die keine Spuren aufweisen dürfen

Um Ihr Teil mit Spritzguss richtig zu designen und herzustellen, ist es wichtig, dass der Hersteller von Anfang an Ihre Anforderungen an das Erscheinungsbild versteht.

Ein Schlüsselpunkt für den Werkzeugbauer ist die Angussposition. Angüsse sind Eintrittsbereiche, durch die der geschmolzene Werkstoff in das Werkzeug fließt. Der Werkzeugbauer muss die Art der Angüsse wählen und sie strategisch positionieren, um potenzielle Qualitätsprobleme zu minimieren.

Angüsse hinterlassen auch Angussreste (Gate Vestige) – einen visuellen Hinweis darauf, dass das Teil angegossen wurde, auch wenn er subtil ist.

Deshalb empfehlen wir, Ihrem Lieferanten ästhetische und funktionale Anforderungen mitzuteilen und festzulegen, wo nicht angegossen werden darf.

Teile für Spritzguss designen und bei Xometry beschaffen

Bei Xometry Europe bieten wir Spritzgussservices mit über 30 Materialien an, wie Kunststoffe, synthetische und Silikonkautschuke sowie Elastomere. Gehen Sie einfach zu unserer Quoting Engine, laden Sie Ihr Modell hoch, wählen Sie Ihre Teilepräferenzen und erhalten Sie ein Angebot innerhalb von 24 Stunden.