Master-Spritzguss:Grundlagen, Anwendungen und Designtipps

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In diesem Ratgeber finden Sie alles, was Sie zum Thema Spritzgießen wissen müssen. Beherrschen Sie die Grundprinzipien der Technologie und lernen Sie schnell umsetzbare Designtipps, die Ihnen Zeit sparen und Kosten senken.

Teil 1

Die Grundlagen des Spritzgießens

Was ist ein Spritzguss? Wie funktioniert es und wofür wird es verwendet?

In diesem Abschnitt beantworten wir diese Fragen und zeigen Ihnen gängige Beispiele für Spritzgussteile, damit Sie sich mit den grundlegenden Mechanismen und Anwendungen der Technologie vertraut machen können.

Was ist Spritzguss?

Spritzguss ist eine Fertigungstechnologie für die Massenproduktion aus identischen Kunststoffteilen mit guten Toleranzen. Beim Spritzgießen werden Polymergranulate zunächst geschmolzen und dann unter Druck in eine Form eingespritzt, wo der flüssige Kunststoff abkühlt und erstarrt. Die beim Spritzguss verwendeten Materialien sind thermoplastische Polymere, die eingefärbt oder mit anderen Zusatzstoffen gefüllt werden können.

Fast jedes Kunststoffteil um Sie herum wurde im Spritzgussverfahren hergestellt:von Autoteilen über Elektronikgehäuse bis hin zu Küchengeräten.

Spritzguss erfreut sich aufgrund der dramatisch niedrigen Stückkosten großer Beliebtheit bei der Herstellung hoher Stückzahlen . Spritzguss bietet eine hohe Wiederholgenauigkeit und gute Designflexibilität . Die größten Einschränkungen beim Spritzgießen liegen in der Regel in der Wirtschaftlichkeit, beispielsweise in der hohen Anfangsinvestition für die Form ist erforderlich. Auch die Bearbeitungszeit Vom Design bis zur Produktion dauert es langsam (mindestens 4 Wochen).

Der Spritzgussprozess

Spritzguss wird heute sowohl für Konsumgüter als auch für technische Anwendungen häufig eingesetzt. Fast jeder Kunststoffartikel in Ihrer Nähe wurde im Spritzgussverfahren hergestellt. Dies liegt daran, dass mit der Technologie identische Teile in sehr hohen Stückzahlen hergestellt werden können (normalerweise 1.000 bis 100.000+ Einheiten) zu sehr niedrigen Kosten pro Teil (normalerweise 1–5 $ pro Einheit).

Aber im Vergleich zu anderen Technologien sind die Anlaufkosten höher Die Kosten für das Spritzgießen sind relativ hoch, hauptsächlich weil kundenspezifische Werkzeuge erforderlich sind. Eine Form kann zwischen 3.000 und mehr als 100.000 US-Dollar kosten, je nach Komplexität, Material (Aluminium oder Stahl) und Genauigkeit (Prototyp, Pilotserie oder Serienform).

Alle thermoplastischen Materialien können spritzgegossen werden. Einige Arten von Silikon und anderen duroplastischen Harzen sind auch mit dem Spritzgussverfahren kompatibel. Die am häufigsten verwendeten Materialien beim Spritzgießen sind:

• Polypropylen (PP): ~38 % der weltweiten Produktion
• ABS: ~27 % der weltweiten Produktion
• Polyethylen (PE): ~15 % der weltweiten Produktion
• Polystyrol (PS): ~8 % der weltweiten Produktion

Auch wenn wir alle anderen möglichen Fertigungstechnologien berücksichtigen, macht das Spritzgießen mit diesen vier Materialien allein mehr als 40% aus aller jährlich weltweit produzierten Kunststoffteile!

Eine kurze Geschichte des Spritzgießens

Kunststoffe ersetzen Elfenbein

Im Jahr 1869 erfand John Wesley Hyatt Zelluloid, den ersten praktischen künstlichen Kunststoff, der Elfenbein bei der Herstellung von … Billardkugeln ersetzen sollte! Frühe Spritzgussmaschinen verwendeten einen Zylinder zum Erhitzen des Kunststoffs und einen Kolben, um ihn in die Form einzuspritzen.

Eine revolutionäre Erfindung

Mitte der 1950er Jahre revolutionierte die Erfindung der Hubkolbenschnecke im Alleingang die Kunststoffindustrie. Die Hubkolbenschnecke löste wichtige Probleme mit der ungleichmäßigen Erwärmung des Kunststoffs, mit denen frühere Systeme konfrontiert waren, und eröffnete neue Horizonte für die Massenproduktion von Kunststoffteilen.

Spritzguss heute

Heute ist Spritzguss ein 300-Milliarden-Dollar-Markt. Jedes Jahr werden weltweit mehr als 5 Millionen Tonnen Kunststoffteile im Spritzgussverfahren hergestellt. Aus Umweltgründen steigt in letzter Zeit die Nachfrage nach biologisch abbaubaren Materialien.

Spritzgießmaschinen:Wie funktionieren sie?

Eine Spritzgießmaschine besteht aus 3 Hauptteilen:der Spritzeinheit , die Form - das Herzstück des gesamten Prozesses - und die Spann-/Auswerfereinheit .

In diesem Abschnitt untersuchen wir den Zweck jedes dieser Systeme und wie sich ihre grundlegende Betriebsmechanik auf das Endergebnis des Spritzgussprozesses auswirkt.

Sehen Sie sich hier im Video eine große Spritzgießmaschine in Aktion an, die alle 3 Sekunden 72 Flaschenverschlüsse herstellt:

Die Spritzeinheit

Die Aufgabe der Spritzeinheit besteht darin, den Rohkunststoff aufzuschmelzen und in die Form zu leiten. Es besteht aus dem Trichter , das Fass , und die Kolbenschraube .

So funktioniert der Spritzgussprozess:

1. Das Polymergranulat wird zunächst getrocknet und in den Trichter gegeben, wo es mit dem Farbpigment oder den anderen verstärkenden Zusatzstoffen vermischt wird.
2. Das Granulat wird in den Zylinder geleitet, wo es gleichzeitig erhitzt, gemischt und durch eine Schnecke mit variabler Steigung in Richtung der Form bewegt wird. Die Geometrie der Schnecke und des Zylinders ist optimiert, um den richtigen Druckaufbau und das Schmelzen des Materials zu unterstützen.
3. Der Stößel bewegt sich dann vorwärts und der geschmolzene Kunststoff wird durch das Angusssystem in die Form eingespritzt, wo er die gesamte Kavität ausfüllt. Wenn das Material abkühlt, verfestigt es sich wieder und nimmt die Form der Form an.
4. Zuletzt öffnet sich die Form und das nun feste Teil wird durch die Auswerferstifte herausgedrückt. Anschließend schließt sich die Form und der Vorgang wiederholt sich.

   Der gesamte Vorgang lässt sich sehr schnell wiederholen:Der Zyklus dauert etwa 30 bis 90 Sekunden abhängig von der Größe des Teils.

   Nach dem Auswerfen des Teils erfolgt die Abgabe auf ein Förderband oder in einen Vorratsbehälter. Normalerweise sind Spritzgussteile sofort einsatzbereit und erfordern kaum oder gar keine Nachbearbeitung.

Herstellung der Form

Die Form ist wie das Negativ einer Fotografie:Ihre Geometrie und Oberflächenstruktur wird direkt auf das Spritzgussteil übertragen.

Sie machen in der Regel den größten Teil der Anlaufkosten beim Spritzgießen aus:Die Kosten für eine typische Form beginnen bei etwa 2.000 bis 5.000 US-Dollar für eine einfache Geometrie und relativ kleine Produktionsläufe (1.000 bis 10.000 Einheiten) und können bis zu 100.000 US-Dollar für Formen steigen, die für Großserienproduktionsaufträge optimiert sind (100.000 Einheiten oder mehr).

Dies ist auf das hohe Maß an Fachwissen zurückzuführen, das für die Entwicklung und Herstellung einer hochwertigen Form erforderlich ist, mit der Tausende (oder Hunderttausende) Teile präzise hergestellt werden können.

Formen werden normalerweise CNC-gefräst aus Aluminium oder Werkzeugstahl hergestellt und anschließend nach dem erforderlichen Standard bearbeitet. Abgesehen vom Negativ des Teils verfügen sie auch über andere Merkmale, wie das Angusssystem, das den Fluss des Materials in die Form erleichtert, und interne Wasserkühlkanäle, die das Abkühlen des Teils unterstützen und beschleunigen.

Erfahren Sie mehr über die CNC-Bearbeitung im Fertigungs- und Konstruktionsleitfaden →

Jüngste Fortschritte bei 3D-Druckmaterialien haben die Herstellung von Formen ermöglicht, die für den Spritzguss kleiner Stückzahlen (100 Teile oder weniger) zu einem Bruchteil der Kosten geeignet sind. Solche kleinen Mengen waren in der Vergangenheit aufgrund der sehr hohen Kosten des traditionellen Formenbaus wirtschaftlich unrentabel.

*Ein industrielles Formendesign zur Herstellung von Kunststoffteilen mit einer Anzahl von Zehntausenden Teilen. Links ist der Hohlraum und rechts der Kern zu sehen.*

Die Anatomie der Form

Die einfachste Form ist die Straight-Pull-Form. Es besteht aus 2 Hälften:dem Hohlraum (der Vorderseite) und dem Kern (die Rückseite).

In den meisten Fällen handelt es sich um Straight-Pull-Formen werden bevorzugt, da sie einfach zu entwerfen und herzustellen sind und die Gesamtkosten relativ niedrig bleiben. Es gibt jedoch einige Designeinschränkungen:Das Teil muss auf jeder Seite eine 2D-Geometrie und keine Überhänge (d. h. Bereiche, die von unten nicht unterstützt werden) aufweisen.

Wenn komplexere Geometrien erforderlich sind, sind einziehbare Side-Action-Kerne möglich oder andere Einfügungen erforderlich sind.

Seitenkerne sind bewegliche Elemente, die von oben oder unten in die Form eintreten und zur Herstellung von Teilen mit Überhängen (z. B. einer Kavität oder einem Loch) verwendet werden. Allerdings sollten Nebenwirkungen sparsam eingesetzt werden, da die Kosten schnell steigen.

Interessante Tatsache: Etwa 50 % des typischen Spritzgießzyklus sind dem Abkühlen und der Erstarrung gewidmet. Die Minimierung der Dicke eines Designs ist der Schlüssel zur Beschleunigung dieses Schritts und zur Kostensenkung.

Die 2 Seiten der Form:A-Seite und B-Seite

Spritzgussteile haben zwei Seiten:die A-Seite, die der Kavität zugewandt ist (vordere Hälfte der Form), und die B-Seite, die dem Kern zugewandt ist (hintere Hälfte der Form). Diese beiden Seiten dienen normalerweise unterschiedlichen Zwecken:

• Die A-Seite hat normalerweise ein besseres optisches Erscheinungsbild und wird oft als kosmetische Seite bezeichnet . Die Flächen auf der A-Seite werden je nach Ihren Designvorgaben glatt oder strukturiert sein.

• Die B-Seite Enthält normalerweise die verborgenen (aber sehr wichtigen) Strukturelemente des Teils (die Vorsprünge, Rippen, Schnappverbindungen usw.). Aus diesem Grund wird sie auch als funktionale Seite bezeichnet . Die B-Seite weist oft eine rauere Oberfläche und sichtbare Spuren der Auswerferstifte auf.

Material in die Form einspritzen:Das Angusssystem

Das Läufersystem ist der Kanal, der den geschmolzenen Kunststoff in den Hohlraum der Form leitet. Es steuert den Durchfluss und den Druck mit dem der flüssige Kunststoff in die Kavität eingespritzt und nach dem Ausstoß wieder entfernt wird (Abknicken). Das Läufersystem besteht normalerweise aus drei Hauptabschnitten:

• Der Anguss ist der Hauptkanal, durch den der gesamte geschmolzene Kunststoff zunächst fließt, wenn er in die Form gelangt.
• Der Läufer Verteilt den geschmolzenen Kunststoff entlang der Fläche, an der sich die beiden Formhälften treffen, und verbindet den Sporn mit den Anschnitten. Es können ein oder mehrere Läufer vorhanden sein, die das Material zu einem oder mehreren Teilen führen. Das Angusssystem wird nach dem Auswerfen vom Teil getrennt. Dies ist der einzige Materialabfall beim Spritzgießen, von dem 15–30 % recycelt und wiederverwendet werden können.
• Das Tor (ist der Eintrittspunkt des Materials in den Hohlraum der Form. Seine Geometrie und Position sind wichtig, da sie den Fluss des Kunststoffs bestimmen.

Verschiedene Tortypen eignen sich für unterschiedliche Anwendungen. Beim Spritzgießen werden vier Arten von Anschnitten verwendet:

• Randtore Sie spritzen Material an der Trennlinie der beiden Formhälften ein und sind der gebräuchlichste Angusstyp. Das Angusssystem muss später manuell entfernt werden, wodurch eine kleine Unvollkommenheit an der Einspritzstelle zurückbleibt.
• Tunneltore Material unterhalb der Trennlinie einspritzen. Das Angusssystem bricht ab, wenn das Teil aus der Form ausgeworfen wird, sodass keine manuelle Entnahme erforderlich ist. Dies macht diesen Tortyp ideal für sehr große Volumina.
• Pfostentore Injizieren Sie das Material von der Rückseite des Hohlraums und verdecken Sie so die kleinen Unvollkommenheiten, die durch das Brechen der anderen Anschnitttypen entstanden sind. Diese Anschnitte werden für Teile verwendet, die ein hervorragendes optisches Erscheinungsbild erfordern.
• Heiße Tipps werden direkt mit dem Sporn verbunden und spritzen Kunststoff von der Oberseite des Teils ein. Auf diese Weise wird am Angusssystem kein Material verschwendet, was es ideal für die Produktion in großem Maßstab macht. Am Einspritzpunkt ist jedoch eine Vertiefung sichtbar.

Das Überbleibsel

An der Stelle, an der das Angusssystem mit dem Teil verbunden ist, ist normalerweise eine kleine Unvollkommenheit sichtbar, die als Rest bezeichnet wird.

Wenn das Vorhandensein des Rests aus ästhetischen Gründen nicht erwünscht ist, kann er auch in der funktionalen B-Seite des Teils „versteckt“ werden.

Das Spann- und Auswurfsystem

Auf der anderen Seite einer Spritzgießmaschine befindet sich das Spannsystem. Das Spannsystem hat einen doppelten Zweck:Es hält die beiden Teile der Form während des Einspritzens fest geschlossen und drückt das Teil nach dem Öffnen aus der Form.

Nachdem das Teil ausgeworfen wurde, fällt es zur Lagerung auf ein Förderband oder einen Eimer und der Zyklus beginnt von vorne.

Die Ausrichtung der verschiedenen beweglichen Teile der Form ist jedoch nie perfekt. Dadurch entstehen zwei häufige Unvollkommenheiten, die auf fast jedem Spritzgussteil sichtbar sind:

• Trennlinien die auf der Seite eines Teils sichtbar sind, wo die beiden Hälften der Form zusammentreffen. Sie werden durch winzige Fehlausrichtungen und die leicht abgerundeten Kanten der Form verursacht.

• Auswerfermarkierungen (oder Zeugenmarkierungen) die auf der verdeckten B-Seite des Teils sichtbar sind. Sie entstehen dadurch, dass die Auswerferstifte leicht über die Oberfläche der Form hinausragen oder darunter eingedrückt sind.

 Das Bild unten zeigt die Form, mit der beide Seiten des Gehäuses für eine Fernbedienung hergestellt wurden. Kurzes Quiz:Versuchen Sie, den *Kern* (A-Seite), den *Hohlraum* (B-Seite) und das Laufsystem zu lokalisieren , die Auswerferstifte , der Nebenwirkungskern und die Lüftungsschlitze auf dieser Form.

Vorteile und Grenzen des Spritzgießens

Spritzgießen ist eine etablierte Fertigungstechnologie mit langer Geschichte, die jedoch durch neue technologische Fortschritte ständig verfeinert und verbessert wird.

Nachfolgend finden Sie einen kurzen Überblick über die wichtigsten Vor- und Nachteile des Spritzgießens, damit Sie besser verstehen, ob es die richtige Lösung für Ihre Anwendung ist.

Vorteile des Spritzgießens

Großserienfertigung von Kunststoffen

Spritzguss ist die kostengünstigste Technologie zur Herstellung großer Mengen identischer Kunststoffteile. Sobald die Form erstellt und die Maschine eingerichtet ist, können zusätzliche Teile sehr schnell und zu sehr geringen Kosten hergestellt werden.

Die empfohlene Mindestproduktionsmenge für den Spritzguss beträgt 500 Einheiten. An diesem Punkt beginnen Skaleneffekte zu greifen und die relativ hohen Anschaffungskosten für die Werkzeuge wirken sich weniger stark auf den Stückpreis aus.

Große Auswahl an Materialien

Nahezu jedes thermoplastische Material (und einige Duroplaste und Silikone) kann im Spritzgussverfahren hergestellt werden. Dadurch steht eine sehr große Auswahl an verfügbaren Materialien mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften für die Gestaltung zur Verfügung.

Im Spritzgussverfahren hergestellte Teile weisen sehr gute physikalische Eigenschaften auf. Ihre Eigenschaften können durch den Einsatz von Zusatzstoffen (z. B. Glasfasern) oder durch das Mischen verschiedener Pellets (z. B. PC/ABS-Mischungen) individuell angepasst werden, um das gewünschte Maß an Festigkeit, Steifigkeit oder Schlagfestigkeit zu erreichen.

Sehr hohe Produktivität

Der typische Spritzgießzyklus dauert 15 bis 60 Sekunden, abhängig von der Größe des Teils und der Komplexität der Form. Im Vergleich dazu kann es bei der CNC-Bearbeitung oder beim 3D-Druck Minuten bis Stunden dauern, bis die gleiche Geometrie entsteht. Außerdem kann eine einzige Form mehrere Teile aufnehmen, was die Produktionskapazitäten dieses Herstellungsprozesses weiter erhöht.

Dies bedeutet, dass jede Stunde Hunderte (oder sogar Tausende) identischer Teile hergestellt werden können.

Große Wiederholgenauigkeit und Toleranzen

Der Spritzgussprozess ist sehr wiederholbar und die hergestellten Teile sind im Wesentlichen identisch. Natürlich kommt es mit der Zeit zu einem gewissen Verschleiß an der Form, aber eine typische Pilotform aus Aluminium hält 5.000 bis 10.000 Zyklen, während Serienformen aus Werkzeugstahl mehr als 100.000 Zyklen überstehen.

Typischerweise werden beim Spritzgießen Teile mit Toleranzen von ± 0,500 mm (0,020 Zoll) hergestellt. Unter bestimmten Umständen sind auch engere Toleranzen bis zu ± 0,125 mm (0,005 Zoll) möglich. Dieses Maß an Genauigkeit reicht für die meisten Anwendungen aus und ist sowohl mit der CNC-Bearbeitung als auch mit dem 3D-Druck vergleichbar.

Hervorragendes optisches Erscheinungsbild

Eine wesentliche Stärke des Spritzgussverfahrens besteht darin, dass damit fertige Produkte hergestellt werden können, die kaum oder gar keine zusätzliche Nachbearbeitung erfordern. Die Oberflächen der Form können bis zu einem sehr hohen Grad poliert werden, um spiegelähnliche Teile zu erzeugen. Oder sie können perlengestrahlt werden, um strukturierte Oberflächen zu erzeugen. Die SPI-Standards bestimmen den Grad der Endbearbeitung, der erreicht werden kann.

Holen Sie sich die Empfehlungen zur Verarbeitung/Materialkompatibilität →

Einschränkungen des Spritzgusses

Hohe Anschaffungskosten für Werkzeuge

Die größte wirtschaftliche Einschränkung des Spritzgießens sind die hohen Werkzeugkosten. Da für jede Geometrie eine individuelle Form angefertigt werden muss, sind die Anlaufkosten sehr hoch. Diese hängen hauptsächlich mit der Konstruktion und Herstellung der Form zusammen, die typischerweise zwischen 5.000 und 100.000 US-Dollar kostet. Aus diesem Grund ist Spritzguss erst ab einer Stückzahl von 500 Stück wirtschaftlich sinnvoll.

Designänderungen sind kostspielig

Nachdem eine Form hergestellt wurde, ist es sehr teuer, sie zu modifizieren. Designänderungen erfordern normalerweise die Erstellung einer neuen Form von Grund auf. Aus diesem Grund ist die korrekte Gestaltung eines Teils für das Spritzgießen sehr wichtig.

In Teil 2 listen wir die wichtigsten Designüberlegungen auf, die Sie bei der Konstruktion für das Spritzgießen berücksichtigen sollten. In Teil 5 erfahren Sie außerdem, wie Sie das Risiko mindern können, indem Sie physische Prototypen Ihrer Teile erstellen.

Längere Vorlaufzeiten als bei anderen Technologien

Die typische Bearbeitungszeit beim Spritzgießen liegt zwischen 6 und 10 Wochen. 4–6 Wochen für die Herstellung der Form, plus 2–4 weitere Wochen für Produktion und Versand. Wenn Designänderungen erforderlich sind (was durchaus üblich ist), verlängert sich die Bearbeitungszeit entsprechend.

Im Vergleich dazu können Teile, die mit einem Desktop-3D-Drucker hergestellt werden, über Nacht zur Auslieferung bereit sein, während industrielle 3D-Drucksysteme eine typische Vorlaufzeit von 3–5 Tagen haben. CNC-bearbeitete Teile werden in der Regel innerhalb von 10 Tagen oder sogar 5 Tagen geliefert.

Beispiele für Produkte, die im Spritzgussverfahren hergestellt wurden

Wenn Sie sich jetzt umschauen, werden Sie zumindest einige Produkte sehen, die im Spritzgussverfahren hergestellt wurden. Wahrscheinlich sehen Sie gerade eines:das Gehäuse des Geräts, das Sie zum Lesen dieses Handbuchs verwenden.

Um sie zu erkennen, achten Sie auf diese drei Dinge:eine Trennlinie , Zeugenzeichen auf der verdeckten Seite und eine relativ gleichmäßige Wandstärke im gesamten Teil.

Wir haben einige Beispiele für Produkte zusammengestellt, die üblicherweise im Spritzgussverfahren hergestellt werden, um ein besseres Verständnis dafür zu vermitteln, was mit diesem Herstellungsverfahren erreicht werden kann.

Spielzeug

Verpackung

Miniaturen

Automobil

Elektrik

Gesundheitswesen

Legosteine

Legosteine sind eines der bekanntesten Beispiele für Spritzgussteile. Sie werden mit Formen wie der auf dem Bild hergestellt, mit denen 120 Millionen Legosteine (das sind 15 Millionen Zyklen) hergestellt wurden, bevor sie außer Betrieb genommen wurden.

Das für Legosteine verwendete Material ist ABS aufgrund seiner hohen Schlagfestigkeit und hervorragenden Formbarkeit. Jeder einzelne Stein wurde bis zur Perfektion entworfen und erreicht Toleranzen von bis zu 10 Mikrometern (oder einem Zehntel eines menschlichen Haares).

Dies wird teilweise durch die Verwendung der besten Designpraktiken erreicht, die wir im nächsten Abschnitt untersuchen werden (gleichmäßige Wandstärke, Formschrägen, Rippen, geprägter Text usw.).

Eine ausgediente Legosteinform

Flaschenverschlüsse

Viele Kunststoffverpackungen werden im Spritzgussverfahren hergestellt. Tatsächlich ist die Verpackung der größte Markt für Spritzguss.

Beispielsweise werden Flaschenverschlüsse aus Polypropylen spritzgegossen. Polypropylen (PP) verfügt über eine hervorragende chemische Beständigkeit und ist für den Kontakt mit Lebensmitteln geeignet.

Auf Flaschenverschlüssen können Sie auch alle üblichen, unvermeidbaren Spritzgussfehler (Trennlinie, Auswerfermarkierungen usw.) und allgemeine Designmerkmale (Rippen, Abstreifunterschnitte usw.) erkennen.

Modellflugzeuge

Modellflugzeuge sind ein weiteres häufiges Beispiel für Spritzgussteile. Das hier verwendete Material ist aufgrund seiner geringen Kosten und einfachen Formbarkeit hauptsächlich Polystyrol (PS).

Das Interessante an Modellflugzeugbausätzen ist, dass sie mit noch angebrachtem Läufersystem geliefert werden. So können Sie den Weg sehen, den der geschmolzene Kunststoff nahm, um die leere Form zu füllen.

Autoteile

Nahezu jedes Kunststoffbauteil im Innenraum eines Autos wurde im Spritzgussverfahren hergestellt. Die drei am häufigsten in der Automobilindustrie verwendeten Spritzgussmaterialien sind Polypropylen (PP) für unkritische Teile, PVC wegen seiner guten Wetterbeständigkeit und ABS wegen seiner hohen Schlagfestigkeit.

Mehr als die Hälfte der Kunststoffteile eines Autos bestehen aus einem dieser Materialien, darunter die Stoßfänger, die Karosserieinnenteile und das Armaturenbrett.

Unterhaltungselektronik

Die Gehäuse fast aller in Massenproduktion hergestellten Unterhaltungselektronikgeräte wurden im Spritzgussverfahren hergestellt. ABS und Polystyrol (PS) werden hier aufgrund ihrer hervorragenden Schlagfestigkeit und guten elektrischen Isolierung bevorzugt.

Medizinische Geräte

Für den Spritzguss stehen viele sterilisierbare und biokompatible Materialien zur Verfügung.

Medizinisches Silikon ist eines der beliebtesten Materialien in der Medizinbranche. Silikon ist jedoch ein Duroplast, daher sind spezielle Maschinen und Prozesskontrollen erforderlich, was die Kosten erhöht.

Für Anwendungen mit weniger strengen Anforderungen sind andere Materialien wie ABS, Polypropylen (PP) und Polyethylen (PE) häufiger anzutreffen.

Erfahren Sie mehr über die Herstellung medizinischer Geräte →

Teil 2

Es gibt mehrere Faktoren, die die Qualität beeinflussen können des Endprodukts und der Wiederholbarkeit des Prozesses. Um den vollen Nutzen aus dem Prozess zu ziehen, muss der Designer bestimmte Designrichtlinien befolgen.

In diesem Abschnitt beschreiben wir häufige Fehler beim Spritzgießen sowie grundlegende und erweiterte Richtlinien beim Entwerfen von Teilen zu beachten, einschließlich Empfehlungen zur Minimierung der Kosten.

Häufige Spritzgussfehler

Die meisten Fehler beim Spritzgießen hängen entweder mit dem Fließen des geschmolzenen Materials oder seiner ungleichmäßigen Abkühlgeschwindigkeit während der Erstarrung zusammen.

Hier finden Sie eine Liste von Mängeln, die Sie bei der Konstruktion eines Teils für den Spritzguss berücksichtigen sollten. Im nächsten Abschnitt erfahren Sie, wie Sie jedes dieser Probleme vermeiden können, indem Sie bewährte Designpraktiken befolgen.

Verzerrung

Wenn bestimmte Abschnitte schneller abkühlen (und dadurch schrumpfen) als andere, kann sich das Teil aufgrund innerer Spannungen dauerhaft verbiegen.

Teile mit nicht konstanter Wandstärke sind am anfälligsten für Verformungen.

Einfallstellen

Wenn das Innere eines Teils vor seiner Oberfläche erstarrt, kann in einer ansonsten flachen Oberfläche eine kleine Vertiefung entstehen, die als Einfallstelle bezeichnet wird.

Teile mit dicken Wänden oder schlecht gestalteten Rippen sind am anfälligsten für Einsinken.

Ziehmarken

Wenn der Kunststoff schrumpft, übt er Druck auf die Form aus. Beim Auswerfen gleiten und kratzen die Teilewände an der Form, was zu Schleifspuren führen kann.

Teile mit vertikalen Wänden (und ohne Formschräge) sind am anfälligsten für Schleifspuren.

Linien stricken

Beim Zusammentreffen zweier Strömungen kann es zu kleinen haarähnlichen Verfärbungen kommen. Diese Stricklinien beeinträchtigen die Ästhetik der Teile, verringern aber im Allgemeinen auch die Festigkeit des Teils.

Teile mit abrupten Geometrieänderungen oder Löchern sind anfälliger für Verbindungslinien.

Kurze Aufnahmen

In der Form eingeschlossene Luft kann den Materialfluss während des Einspritzens behindern, was zu einem unvollständigen Teil führt. Durch gutes Design kann die Fließfähigkeit des geschmolzenen Kunststoffs verbessert werden.

Teile mit sehr dünnen Wänden oder schlecht gestalteten Rippen sind anfälliger für Kurzschüsse.

Umgang mit Hinterschnitten

Die einfachste Form (die Straight-Pull-Form) besteht aus 2 Hälften. Elemente mit Hinterschneidungen (z. B. die Zähne eines Gewindes oder der Haken einer Schnappverbindung) können jedoch möglicherweise nicht mit einer geraden Form hergestellt werden. Dies liegt entweder daran, dass die Form nicht CNC-bearbeitet werden kann oder weil das Material den Auswurf des Teils behindert.

Hinterschnitte beim Spritzgießen sind Teilemerkmale, die mit einer einfachen zweiteiligen Form nicht hergestellt werden können, weil beim Öffnen der Form oder beim Auswerfen Material im Weg ist.

Beispiele für Hinterschneidungen sind die Zähne eines Gewindes oder der Haken einer Schnappverbindung.

Hier einige Ideen, die Ihnen beim Umgang mit Hinterschnitten helfen:

Vermeiden Sie Unterschnitte durch Absperrungen

Die gänzliche Vermeidung von Unterschneidungen könnte die beste Option sein . Hinterschneidungen erhöhen immer die Kosten, die Komplexität und den Wartungsaufwand für die Form. Durch eine geschickte Neukonstruktion können Hinterschnitte häufig beseitigt werden.

Absperrungen sind ein nützlicher Trick, um mit Hinterschnitten in Innenbereichen des Teils (für Schnappverbindungen) oder an den Seiten des Teils (für Löcher oder Griffe) umzugehen.

Nachfolgend finden Sie einige Beispiele dafür, wie Spritzgussteile so umgestaltet werden können, dass Hinterschneidungen vermieden werden:Im Wesentlichen wird Material im Bereich unter der Hinterschneidung entfernt, wodurch das Problem vollständig beseitigt wird.

Trennlinie verschieben

Der einfachste Weg, mit einem Hinterschnitt umzugehen, besteht darin, die Trennlinie der Form so zu verschieben, dass sie diese schneidet.

Diese Lösung eignet sich für viele Konstruktionen mit Hinterschnitten auf einer Außenfläche. Vergessen Sie nicht, die Entformungswinkel entsprechend anzupassen.

Verwenden Sie einen Abstreif-Hinterschnitt (Bumpoffs)

Abstreif-Hinterschnitte (auch Bumpoffs genannt) können verwendet werden, wenn das Merkmal flexibel genug ist, um sich beim Auswerfen über der Form zu verformen . Zur Herstellung von Gewinden in Flaschenverschlüssen werden Abisolier-Hinterschnitte verwendet.

Hinterschnitte können nur unter folgenden Bedingungen verwendet werden:

• Die Abisolierunterschneidung muss von Versteifungselementen entfernt liegen , wie Ecken und Rippen.
• Der Hinterschnitt muss einen Steigungswinkel haben von 30o bis 45o Grad.
• Das Spritzgussteil muss Platz haben und muss flexibel sein genug, um sich auszudehnen und zu verformen.

Es wird empfohlen, bei Teilen aus faserverstärkten Kunststoffen das Abisolieren von Hinterschneidungen zu vermeiden. Typischerweise flexible Kunststoffe wie PP, HDPE oder Nylon (PA) können Hinterschnitte von bis zu 5 % ihres Durchmessers tolerieren.

*Beispielteil mit Abisolier-Hinterschnitten. Das Teil wird beim Herausdrücken aus der Form verformt.*

Gleitende Nebenaktionen und Kerne

Gleitende Seitenteile und Kerne werden eingesetzt, wenn eine Umgestaltung des Spritzgussteils zur Vermeidung von Hinterschneidungen nicht möglich ist.

Nebenwirkungskerne sind Einsätze die hineingleiten, wenn sich die Form schließt, und herausgleiten, bevor sie sich öffnet. Bedenken Sie, dass diese Mechanismen Kosten und Komplexität mit sich bringen zur Form.

Befolgen Sie beim Entwerfen von Nebenaktionen die folgenden Richtlinien:

• Es muss Platz für die Ein- und Ausbewegung des Kerns sein . Das bedeutet, dass sich das Feature auf der anderen Seite des Teils befinden muss.
• Die Nebenaktionen müssen sich senkrecht bewegen . Das Bewegen in einem anderen Winkel als 90° ist komplizierter, was zu höheren Kosten und Durchlaufzeiten führt.
• Vergessen Sie nicht, Entformungsschrägen hinzuzufügen Passen Sie Ihr Design wie gewohnt an und berücksichtigen Sie dabei die Bewegung des seitlichen Aktionskerns.

Gemeinsame Designmerkmale

Erfahren Sie anhand dieser praktischen Richtlinien, wie Sie die häufigsten Merkmale von Spritzgussteilen entwerfen. Nutzen Sie sie, um die Funktionalität Ihrer Designs zu verbessern und gleichzeitig die grundlegenden Designregeln einzuhalten.

Gewindebefestigungen (Vorsprünge und Einsätze)

Es gibt drei Möglichkeiten, einem Spritzgussteil Befestigungselemente hinzuzufügen:durch die Konstruktion eines Gewindes direkt am Teil, durch das Hinzufügen eines Vorsprungs, an dem die Schraube befestigt werden kann, oder durch das Einfügen eines Gewindeeinsatzes.

Modellieren eines Gewindes direkt am Teil ist möglich, wird aber nicht empfohlen, da es sich bei den Zähnen des Gewindes im Wesentlichen um Hinterschnitte handelt, was die Komplexität und Kosten der Form drastisch erhöht (auf Hinterschnitte gehen wir in einem späteren Abschnitt näher ein). Ein Beispiel für ein Spritzgussteil mit Gewinde sind Flaschenverschlüsse.

Bosse

Vorsprünge kommen bei Spritzgussteilen sehr häufig vor und werden als Befestigungs- oder Montagepunkte verwendet . Sie bestehen aus zylindrischen Vorsprüngen mit Löchern zur Aufnahme von Schrauben, Gewindeeinsätzen oder anderen Arten von Befestigungs- und Montageteilen. Man kann sich einen Chef gut als eine Rippe vorstellen, die sich in sich selbst schließt im Kreis.

Vorsprünge werden als Befestigungs- oder Befestigungspunkte (in Verbindung mit selbstschneidenden Werkzeugen) verwendet Schrauben oder Gewindeeinsätze).

*Empfohlenes Design eines Chefs*

Wenn Vorsprünge als __Befestigungspunkte__ verwendet werden, sollte der Außendurchmesser des Vorsprungs das Zweifache des Nenndurchmessers der Schraube oder des Einsatzes betragen und sein Innendurchmesser dem Durchmesser des Schraubenkerns entsprechen. Das Loch des Vorsprungs sollte bis zur Basiswandebene reichen, auch wenn nicht die gesamte Tiefe für die Montage benötigt wird, um eine __gleichmäßige Wandstärke__ über das gesamte Element hinweg zu gewährleisten. Fügen Sie eine Fase hinzu, um das Einführen der Schraube oder des Einsatzes zu erleichtern.

__Für beste Ergebnisse:__

Vermeiden Sie es, Vorsprünge zu entwerfen, die in die Hauptwände übergehen

Stützen Sie die Vorsprünge mit Rippen ab oder verbinden Sie sie mit einer Hauptwand

Verwenden Sie für Vorsprünge mit Einsätzen einen Außendurchmesser, der dem Zweifachen der Nenngröße des Einsatzes entspricht

Threads

Gewindeeinsätze aus Metall kann zu Kunststoff-Spritzgussteilen hinzugefügt werden, um ein dauerhaftes Gewindeloch für Befestigungselemente wie Maschinenschrauben bereitzustellen. Der Vorteil der Verwendung von Einsätzen besteht darin, dass sie viele Montage- und Demontagezyklen ermöglichen .

Einsätze werden durch thermisches, Ultraschall- oder In-Mold-Einlegen in Spritzgussteile eingebaut. Um einen Vorsprung zu konstruieren, der einen Gewindeeinsatz aufnehmen soll, verwenden Sie ähnliche Richtlinien wie oben und verwenden Sie den Durchmesser des Einsatzes als Richtmaß.

*Ein Gewindeeinsatz in einer Nabe*

__Für beste Ergebnisse:__

Vermeiden Sie es, Gewinde direkt an Ihrem Spritzgussteil anzubringen

Konstruieren Sie Vorsprünge mit einem Außendurchmesser, der dem Zweifachen des Nenndurchmessers der Schraube oder des Einsatzes entspricht

Fügen Sie an den Kanten des Gewindes ein Relief von 0,8 mm hinzu

Verwenden Sie ein Gewinde mit einer Steigung von mehr als 0,8 mm (32 Gewindegänge pro Zoll)

Verwenden Sie ein Trapez- oder Sägegewinde

Der beste Weg, mit den entstandenen Hinterschneidungen umzugehen:

Verwenden Sie ein Gewinde mit einer Steigung von mehr als 0,8 mm (32 Gewindegänge pro Zoll)

Platzieren Sie Außengewinde entlang der Trennlinie

Rippen

Wenn selbst die maximal empfohlene Wandstärke nicht ausreicht, um die funktionalen Anforderungen eines Teils zu erfüllen, können Rippen zur Verbesserung der Steifigkeit eingesetzt werden.

Beim Entwerfen von Rippen:

● Verwenden Sie eine Dicke, die dem 0,5-fachen der Hauptwanddicke entspricht

● Definieren Sie eine Höhe kleiner als 3 × Rippendicke

● Verwenden Sie eine Basisverrundung mit einem Radius von mehr als ¼ × Rippendicke

● Fügen Sie einen Entformungswinkel von mindestens 0,25° – 0,5° hinzu

● Fügen Sie eine Minute hinzu. Abstand zwischen Rippen und Wänden von 4 × Rippendicke

Schnappverbindungen

Schnappverbindungen sind eine sehr einfache, wirtschaftliche und schnelle Möglichkeit, zwei Teile ohne Verbindungselemente oder Werkzeuge zu verbinden . A wide range of design possibilities exists for snap-fit joints.

As a rule of thumb, the deflection of a snap-fit joint mainly depends on its length and the permissible force that can be applied on it on its width (since its thickness is more or less defined by the wall thickness of the part). Also, snap-fit joints are another example of undercuts.

*Example of an assembly with snap-fit joints*

In the example above, the most common snap-fit joint design (known as the __cantilever snap-fit joint__) is shown. As with ribs, add a draft angle to your snap-fit joints and use a minimum thickness of 0.5x the wall thickness.

Specific guidelines on designing snap-fit joints is a big subject that goes beyond the scope of this article. For more detailed information, please refer to this article from MIT.

For best results:

Add a draft angle to the vertical walls of your snap-fit joints

Design snap-fits with thickness greater than 0.5x the wall thickness

Adjust their width and length to control their deflection and permissible force

Living hinges

Living hinges are thin sections of plastic that connect 2 segments of a part and allow it to flex and bend . Typically these hinges are incorporated in mass-produced containers, such as plastic bottles. A well-designed living hinge can last for up to a million cycles without failure.

The material used to injection mold a living hinge must be flexible. Polypropylene (PP) and Polyethylene (PE) are good choices for consumer application and Nylon (PA) for engineering uses.

A well-designed hinge is shown below. The recommended minimum thickness  of the hinge ranges between 0.20 and 0.35 mm, with higher thicknesses resulting in more durable, but stiffer, parts.

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*Example of a living hinge (left) and recommended design dimensions for PP or PE (right)*

Before going to full-scale production, prototype your living hinges using CNC machining or 3D printing to determine the geometry and stiffness that best fits your application. Add generous fillets and design shoulders with a uniform wall thickness as the main body of the part to improve the material flow in the mold and minimize the stresses. Divide hinges longer than 150 mm in two (or more) to improve lifetime.

For detailed guidelines, please refer to this MIT guide.

For best results :

• Design hinges with a thickness between 0.20 and 0.35 mm

• Select a flexible material (PP, PE or PA) for parts with living hinges

• Use shoulders with a thickness equal the thickness of the main wall

• Add fillets as large as possible

Crush ribs

Crush Ribs are small protruding features that deform to create friction when different components are pushed together, securing their possition.

Crush ribs can be an economical alternative for manufacturing high tolerance holes for tight fits . They are commonly used to house bearings or shafts and other press fit applications.

An example of a part with crush ribs is shown below. Using three crush ribs is recommended to ensure good alignment. The recommended height/radius for each rib is 2 mm . Add a minimum interference of 0.25 mm between the crush rib and the fitted part. Because of the small surface contact with the mold, crush ribs can be designed without a draft angle.

*Example of an crush rib (left) and recommended design dimensions (right)*

__For best results:__

Add a minimum interference of 0.25 mm between crush rib and the component

Do not add a draft angle on the vertical walls of a crush rib

Lettering and symbols

Text is a very common feature that can be useful for logos, labels, warnings, diagrams and instructions, saving the expense of stick-on or painted labels.

When adding text, choose embossed text over engraved text, as it’s easier to CNC machine on the mold and thus more economical.

Also raising the text 0.5 mm above the part surface will ensure that the letters are easy to read. We recommend selecting a bold, rounded font style with uniform line thickness, with a size of 20 points or larger. Some font examples include:Century Gothic Bold, Arial and Verdana.

Use embossed text (0.5 mm height) instead of engraved texted

Use a font with uniform thickness and a minimum font size of 20 points

Align the text perpendicular to the parting line

Use a height (or depth) greater than 0.5 mm

Tolerances

Injection molding typically produces parts with tolerances of ± 0.250 mm (0.010").

Tighter tolerances are feasible in certain circumstances (down to ± 0.125 mm - and even ± 0.025 mm), but they increase the cost drastically.

For small production runs (<10,000 units), consider using a secondary operation (such as drilling) to improve accuracy. This ensures the correct interference of the part with other components or inserts (for example, when using press fits).

Design rules for injection molding

One of the biggest benefits of injection molding is how easily complex geometries can be formed, allowing a single part to serve multiple functions.

Once the mold is manufactured, these complex parts can be reproduced at a very low cost. But changes to the mold design at later stages of development can be very expensive, so achieving the best results on the first time ist wesentlich. Follow the guidelines below to avoid the most common defects in injection molding.

Use a constant wall thickness

Use a uniform wall thickness throughout the part (if possible) and avoid thick sections . This is essential as non-uniform walls can lead to warping or the part as the melted material cools down.

If sections of different thickness are required, make the transition as smooth as possible using a chamfer or fillet. This way the material will flow more evenly inside the cavity, ensuring that the whole mold will be fully filled.

Industry Application Best material Why it’s a fit Aerospace Airframes, turbines, fasteners Titanium High strength-to-weight ratio, heat and corrosion resistance Medical Implants, surgical tools Titanium / copper Titanium is biocompatible; copper is antimicrobial (used externally only) Electronics Wiring, PCBs, motors Copper Excellent conductivity and ease of forming HVAC Heat exchangers, radiators Copper Superior thermal conductivity Marine Underwater fasteners, piping Titanium Outstanding corrosion resistance Automotive Exhausts, wiring harnesses Titanium / copper Lightweight strength or conductivity needs Construction Plumbing, cladding Copper Durable, corrosion-resistant, aesthetic

For best results:

Use a uniform wall thickness within the recommended values

When different thickness are required, smoothen the transition using a chamfer or fillet with length that is 3x the difference in thickness

Hollow out thick sections

Thick sections can lead to various defects, including warping and sinking. Limiting the maximum thickness of any section of your design to the recommended values by making them hollow is essential.

To improve the strength of hollow section, use ribs to design structures of equal strength and stiffness but reduced wall thickness. A well-designed part with hollow sections is shown below:

*Hollow thick sections and add ribs to improve stiffness*

Ribs can also be used to improve the stiffness of __horizontal sections__ without increasing their thickness. Remember though that the wall thickness limitations still apply. Exceeding the recommended rib thickness (see below) can result in sink marks.

*The wall thickness limitations still apply for ribs*

For best results:

Hollow out thick sections and use ribs to improve the strength and stiffness of the part

Design ribs with max. thickness equal to 0.5x the wall thickness

Design ribs with max. height equal to 3x the wall thickness

Add smooth transitions

Recommended: 3 × wall thickness difference

Sometimes sections with different wall thicknesses cannot be avoided. In these cases, use a chamfer or fillet to make the transition as smooth as possible.

Similarly, the base of vertical features (like ribs, bosses, snap-fits) must also always be rounded.

Round all edges

The uniform wall thickness limitation also applies to edges and corners:the transition must be as smooth as possible to ensure good material flow.

For interior edges , use a radius of at least 0.5 x the wall thickness . For exterior edges , add a radius equal to the interior radius plus the wall thickness . This way you ensure that the thickness of the walls is constant everywhere (even at the corners).

Adding to this, sharp corners result in stress concentrations which can result in weaker parts.

*Add wide radii to all edges to maintain uniform wall thickness and avoid defects*

For best results:

Add a fillet equal to 0.5x the wall thickness to internal corners

Add a fillet equal to 1.5x the wall thickness to external corners

Add draft angles

To make the ejection of the part from the mold easier, a draft angle must be added to all vertical walls. Walls without a draft angle will have drag marks on their surface, due to the high friction with the mold during ejection.

A minimum draft angle of 2° is recommended. Larger draft angles (up to 5o °) should be used on taller features.

Erfahren Sie in diesem Artikel mehr über die Bedeutung von Formschrägen →

A good rule of thumb is to increase the draft angle by one degree for every 25 mm . For example, add a draft angle of 3o degrees to a feature that is 75 mm tall. Larger draft angle should be used if the part has a textured surface finish . As a rule of thumb, add 1o to 2o extra degrees to the results of the above calculations.

Remember that draft angles are also necessary for ribs. Be aware though that adding an angle will reduce the thickness of the top of the rib, so make sure that your design complies with the recommended minimum wall thickness.

*Add a draft angle (minimum 2o)to all vertical walls*

__For best results:__

Add a minimum draft angle of 2o degrees to all vertical walls

For features taller than 50 mm, increase the draft angle by one degree every 25 mm

For parts with textured surface finish, increase the the draft angle by 1-2o extra degrees

Part 3

Injection molding materials

Injection molding is compatible with a wide range of plastics. In this section, you’ll learn more about the key characteristics of the most popular materials. We’ll also discuss the standard surface finishes that can be applied to injection molded parts.

Materials used for injection molding

All thermoplastics can be injection molded. Some thermosets and liquid silicones are also compatible with the injection molding process.

They can be also reinforced with fibers, rubber particles, minerals or flame retardant agents to modify their physical properties. For example fiberglass can be mixed with the pellets at ratios of 10%, 15% or 30% resulting in parts with higher stiffness.

Polypropylene (PP)

The most common Injection molding plastic. Excellent chemical resistance. Food-safe grades available. Not suitable for mechanical applications.

ABS

Common thermoplastic with high impact resistance, low-cost &low density. Vulnerable to solvents.

Polyethylene (PE)

Lightweight thermoplastic with good impact strength &weather resistance. Suitable for outdoor applications.

Polystyrene (PS)

The Injection molding plastic with the lowest cost. Food-safe grades available. Not suitable for mechanical applications.

Polyurethane (PU)

Thermoplastic with high impact strength and good mechanical properties &hardness. Suitable for molding parts with thick walls.

Nylon (PA 6)

Engineering thermoplastic with excellent mechanical properties and high chemical &abrasion resistance. Susceptible to moisture.

Polycarbonate (PC)

The plastic with the highest impact strength. High thermal resistance, weather resistance &toughness. Can be colored or transparent.

PC/ABS

Blend of two thermoplastics resulting in high impact strength, excellent thermal stability, and high stiffness. Vulnerable to solvents.

POM (Acetal/Delrin)

Engineering thermoplastic with high strength, stiffness &moisture resistance and self-lubricating properties. Relatively prone to warping.

PEEK

High-performance engineering thermoplastic with excellent strength and thermal &chemical resistance. Used to replace metal parts.

Silicone rubber

Thermoset with excellent heat &chemical resistance and customizable shore hardness. Food-safe and medical grade available.

An additive that is commonly used to improve the stiffness of the injection molded parts is fiberglass. The glass fibers can be mixed with the pellets at ratios of 10%, 15% or 30%, resulting in different mechanical properties.

Colorant can be added to the mixture (at a ratio of about 3%) to create a great variety of colored parts. Standard colors include red, green, yellow, blue, black and white and they can be mixed to create different shades.

Surface finishes and SPI standards

Surface finishes can be used to give an injection molded part a certain look or feel. Besides cosmetic purposes surface finishes can also serve technical needs . For example, the average surface roughness (Ra) can dramatically influence the lifetime of sliding parts such as plain bearings.

Injection molded parts are not usually post-processed, but the mold itself can be finished to various degrees.

Keep in mind that rough surfaces increase the friction between the part and the mold during ejection, therefore a larger draft angle is required.

The Society of Plastics Industry (SPI) explains several standard finishing procedures that result in different part surface finishes.

Finish Description SPI standards* Anwendungen Glossy finish The mold is first smoothed and then polished with a diamond buff, resulting in a mirror-like finish. A-1
A-2
A-3 Suitable for parts that require the smoothest surface finish for cosmetic or functional purposes (Ra less than 0.10 μm). The A-1 finish is suitable for parts with mirror-like finish and lenses. Semi-gloss finish The mold is smoothed with fine grit sandpaper, resulting in a fine surface finish. B-1
B-2
B-3 Suitable for parts that require a good visual appearance , but not a high glossy look. Matte finish The mold is smoothed using fine stone powder, removing all machining marks. C-1
C-2
C-3 Suitable for parts with low visual appearance requirements , but machining marks are not acceptable. Textured finish The mold is first smoothed with fine stone powder and then sandblasted, resulting in a textured surface. D-1
D-2
D-3 Suitable for parts that require a satin or dull textured surface finish. As-machined finish The mold is finished to the machinist's discretion. Tool marks will be visible. - Suitable for non-cosmetic parts , such industrial or hidden components.

When selecting a glossy surface finish, remember these useful tips:

• A high glossy mold finish is not equivalent to a high glossy finished product. It is significantly subject to other factors such as plastic resin used, molding condition and mold design. For example, ABS will produce parts with a higher glossy surface finish than PP. To find the recommended material and surface finish combination visit the appendix.
• Finer surface finishes require a higher grade material for the mold. To achieve a very fine polish, tool steels with the highest hardness are required. This has an impact on the overall cost (material cost, machining time and post-processing time).

Part 4

Cost reduction tips

Learn more about the main cost drivers in injection molding and actionable design tips that will help you reduce the costs of your project.

Cost drivers in injection molding

The biggest costs in injection molding are:

• Tooling costs determined by the total cost of designing and machining the mold
• Material costs determined by the volume of the material used and its price per kilogram
• Production costs determined by the total time the Injection molding machine is used

Tooling costs are constant (starting at $3,000 and up to $5,000). This cost is independent of the total number of manufactured parts, while the material and production costs are dependent on the production volume.

For smaller productions (1,000 to 10,000 units), the cost of tooling has the greatest impact on the overall cost (approximately 50-70%). So, it’s worthwhile altering your design accordingly to simplify the process of manufacturing of the mold (and its cost).

For larger volumes to full-scale production (10,000 to 100,000+ units), the contribution of the tooling costs to the overall cost is overshadowed by the material and production costs. So, your main design efforts should focus on minimizing both the volume part and the time of the molding cycle.

Here we collected some tips to help you minimize the cost of your Injection molded project.

Tip #1:Stick to the straight-pull mold

Side-action cores and the other in-mold mechanisms can increase the cost of tooling by 15% to 30%. This translates to a minimum additional cost for tooling of approximately $1,000 to $1,500.

In a previous section, we examined ways to deal with undercuts. To keep your production on-budget, avoid using side-action cores and other mechanisms unless absolutely necessary.

Tip #2:Redesign the injection molded part to avoid undercuts

Undercuts always add cost and complexity, as well as maintenance to the mold. A clever redesign can often eliminate undercuts.

Tip #3:Make the injection molded part smaller

Smaller parts can be molded faster resulting in a higher production output, making the cost per part lower. Smaller parts also result in lower material costs and reduce the price of the mold.

Tip #4:Fit multiple parts in one mold

As we saw in a previous section, fitting multiple parts in the same mold is common practice. Usually, 6 to 8 small identical parts can fit in the same mold, essentially reducing the total production time by about 80%.

Parts with different geometries can also fit in the same mold (remember, the model airplane example). This is a great solution for reducing the overall cost of assembly.

Here’s an advanced technique:

In some cases, the main body of 2 parts of an assembly is the same. With some creative design, you can create interlocks points or hinges at symmetrical locations, essentially mirroring the part. This way the same mold can be used to manufacture both halves, cutting the tooling costs in half.

Tip #5:Avoid small details

To manufacture a mold with small details require longer machining and finishing times. Text is an example of this and might even require specialized machining techniques such as electrical discharge machining (EDM) resulting in higher costs.

Tip #6:Use lower grade finishes

Finishes are usually applied to the mold by hand, which can be an expensive process, especially for high-grade finishes. If your part is not for cosmetic use, don’t apply a costly high-grade finish.

Tip #7:Minimize the part volume by reducing wall thickness

Reducing the wall thickness of your part is the best way to minimize the part volume. Not only does it mean less material is used, but also the injection molding cycle is greatly accelerated.

For example, reducing the wall thickness from 3 mm to 2 mm can reduce the cycle time by 50% to 75%.

Thinner walls mean that the mold can be filled quicker. More importantly, parts thinner parts cool and solidify much faster. Remember that about half the injection molding cycle is spent on the solidification of the part while the machine is kept idle.

Care must be taken through to not overly reduce the stiffness of the part which would downgrade its mechanical performance. Ribs in key locations can be used to increase stiffness.

Tip #8:Consider secondary operations

For lower volume productions (less than 1000 parts), it may be more cost effective to use a secondary operation to complete your injection molded parts. For example, you could drill a hole after molding rather than using an expensive mold with side-action cores.

Part 5

Start Injection molding

Once your design ready and optimized for injection molding, what’s next? In this section we’ll take you through the steps needed to start manufacturing with injection molding.

Step 1:Start small and prototype fast

Before you commit to any expensive injection molding tooling, first create and test a functional prototype of your design.

This step is essential for launching a successful product. This way design errors can be identified early, while the cost of change is still low.

There are 3 solutions for prototyping:

1. 3D printing (with SLS, SLA or Material Jetting)
2. CNC machining in plastic
3. Low-run injection molding with 3D printed moldsThese processes can create realistic prototypes for form and function that closely resemble the appearance of the final injection molding product.

Use the information below as a quick comparis on guide to decide which solution is best for your application.

Prototyping with 3D printing

Designs optimized for injection molding can be easily 3D printed

The prototyping solution with the lowest cost and fastest turnaround

Not every injection molding material is available for 3D printing

3D printed parts are 30-50% weaker than injection molded parts

Prototyping with CNC machining

Material properties identical to the injection molded parts

Excellent accuracy and finishing

Design modifications may be need, as different design restrictions apply

More expensive than 3D printing with longer lead time

Prototyping with low-run injection molding

The most realistic prototypes with accurate material properties

The actual process and mold design is simulated

The prototyping solution with the highest cost

Smaller availability than CNC or 3D printing

Step 2 :Make a “pilot run” (500 - 10,000 parts)

With the design finalized, it time to get started with Injection molding with a small pilot run.

The minimum order volume for injection molding is 500 units. For these quantities, the molds are usually CNC machined from aluminum. Aluminum molds are relatively easy to manufacture and low in cost (starting at about $3,000 to $5,000) but can withstand up to 5,000 - 10,000 injection cycles.

At this stage, the typical cost per part varies between $1 and $5, depending on the geometry of your design and the selected material. The typical lead time for such orders is 6-8 weeks.

Don’t get confused by the term “pilot run”. If you only require a few thousand parts, then this would be your final production step.

The parts manufactured with “pilot” aluminum molds have physical properties and accuracy identical to parts manufactured with “full-scale production” tool steel molds.

Step 3 :Scale up production (100,000+ parts)

When producing parts massive quantities of identical parts (from 10,000 to 100,000+ units) then special Injection molding tooling is required.

For these volumes, the molds are CNC machined from tool steel and can withstand millions of Injection molding cycles. They are also equipped with advanced features to maximize production speeds, such as hot-tip gates and intricate cooling channels.

The typical unit cost at this stage varies between a few cents to $1 and the typical lead time is 4 to 6 months, due to the complexity of designing and manufacturing the mold.

Part 6

Useful resources

In this guide we touched on everything you need to get started with injection molding - but there’s plenty more to learn.

Here are the most useful resources on injection molding and other digital manufacturing technologies if you want to delve deeper.

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