10 Grundregeln zur Konstruktion von Kunststoffprodukten (eBook)

Prof. Torsten Kies studierte Polymerwerkstofftechnik in Merseburg und begann seine berufliche Tätigkeit in der Automobilzuliefererindustrie. Er arbeitet und forscht an der Martin-Luther-Universität Halle. Kunststofftechnik lehrte er an der Hochschule Lausitz und der Hochschule Merseburg.

Inhalt 10
Vorwort 6
Vorwort zur 2. Auflage 6
Vorwort zur 1. Auflage 6
Der Autor 8
Prof.?Dr.-Ing.?Torsten Kies 8
Zum Inhalt des Buches 18
Die Zehn Grundregeln 19
1 Grundregel: Temperatureinsatzbereich 24
1.1 Phasenübergänge bei Kunststoffen 24
1.1.1 Der Übergang vom festen in den geschmolzenen Zustand 24
1.1.2 Die Volumenänderung beim Phasenübergang von der Schmelze zum festen Zustand 29
1.1.3 Phasenübergänge am starren Körper 30
1.2 Die Temperaturabhängigkeit der Materialkennwerte von Kunststoffen 32
1.2.1 Der Vergleich mit anderen Werkstoffgruppen 32
1.2.2 Die thermische Ausdehnung 32
1.2.3 Temperaturabhängiges Spannungs-Dehnungs-Verhalten 36
1.3 Der Einsatztemperaturbereich 38
1.3.1 Tatsächlich wirkende Temperaturen 38
1.3.2 Temperaturabhängige Lasteinwirkung 39
1.3.3 Die Notwendigkeit von einsatznahen Funktionsuntersuchungen 41
1.4 Der Einfluss der Geometrie auf die Temperaturbeständigkeit 42
1.4.1 Aussagefähigkeit der Rohstoffkennwerte 42
1.4.2 Betrachtete Geometrie 43
1.4.3 Modifikation der Wanddicke 45
1.4.4 Belastungsdauer und Durchwärmung der Produkte 45
1.4.5 Bessere Wärmestandfestigkeit durch Faserverstärkung 46
1.4.6 Werkstoffkombination 47
1.4.7 Zusätzliche Versteifungen gegen die thermisch bedingte Biegung 48
1.4.8 Einseitige Kühlung am Erzeugnis 49
2 Grundregel: Medienangriff 52
2.1 Die Wirkung von Medien auf Kunststoffe 52
2.1.1 Begriffserklärung: Medienangriff 52
2.1.2 Direkter und indirekter Medienangriff 53
2.1.3 Strahlungs- und stofflich-medialer Angriff 54
2.1.4 Chemischer und physikalischer Medienangriff 56
2.2 Voraussetzungen für einen Medienangriff 57
2.3 Der Schutz vor Medienangriff 58
2.4 Die Schädigungsmechanismen 59
2.4.1 Arten der Schädigungsmechanismen 59
2.4.2 Der oxidative Abbau 60
2.4.3 Schädigung durch Hydrolyse 61
2.4.4 Schädigung durch Chemikalien 65
3 Grundregel: Spannungszustand 68
3.1 Die Ursache von Spannungen 68
3.1.1 Krafteinwirkung auf eine Flüssigkeit 68
3.1.2 Krafteinwirkung auf einen Festkörper 70
3.1.3 Viskoses und elastisches Verformungsverhalten von Kunststoffen 71
3.2 Spannungen am Bauteil 73
3.3 Spannungen und Orientierungen 75
3.3.1 Die Unterscheidung zwischen Spannungen und Orientierungen 75
3.3.2 Orientierungen in Kunststoffprodukten 78
3.3.2.1 Voraussetzungen für Orientierungen 78
3.3.2.2 Orientierungen bei faserverstärkten Materialien 79
3.3.2.3 Molekülorientierungen 80
3.3.3 Eigenspannungen 81
3.4 Die Bildung von Orientierungen und Eigenspannungen 84
3.4.1 Unterschiede zwischen Spannungen und Orientierungen 84
3.5 Eigenspannungen und Orientierungen beim Spitzgießen 86
3.5.1 Orientierungen und Eigenspannungen am Spritzgussteil 86
3.5.2 Die Ausbildung von Orientierungen 86
3.5.3 Eigenspannungen beim Spritzgießen 87
3.5.3.1 Ursachen der Eigenspannungen 87
3.5.3.2 Prozessablauf beim Spritzgießen 88
3.5.3.3 Die Entformung 91
3.5.3.4 Auswirkungen einer Schwindungsbehinderung auf Eigenspannungen 93
3.5.3.5 Eigenspannungen bei Montageprozessen 94
4 Grundregel: Schadensfreie Verformung 96
4.1 Einleitung 96
4.2 Differential- und Integralbauweise 97
4.2.1 Unterscheidung der Kategorien 97
4.2.2 Die Differentialbauweise 97
4.2.3 Die Integralbauweise 98
4.2.4 Die Mischbauweise 99
4.2.5 Geeignete Bauweisen für Kunststoffprodukte 100
4.3 Das Verformungsverhalten der Werkstoffe 101
4.3.1 Begriffe zum Verformungsverhalten 101
4.3.2 Die Zugfestigkeit 102
4.3.3 Die Steifigkeit eines Materials 102
4.3.4 Die Dehnung 103
4.3.4.1 Die Kritische Dehnung 103
4.3.4.2 Die zulässige Dehnung 104
4.3.5 Bauteilspezifische Minderung 106
4.3.5.1 Einflussfaktoren 106
4.3.5.2 Vorgehensweise 107
4.3.5.3 Anzahl der Lastwechsel 107
4.3.5.4 Füll- und Verstärkungsstoffe 108
4.3.5.5 Starke Materialbelastung bei der Fertigung 109
4.3.5.6 Mehrachsige Spannungszustände 110
4.3.5.7 Beanspruchungsgeschwindigkeit 110
4.3.5.8 Die Wanddicke 110
4.3.5.9 Berücksichtigung der Kerbwirkung 110
4.4 Starre und flexible Konstruktionen 112
5 Grundregel: Entformbarkeit 118
5.1 Beschreibung der Situation 118
5.1.1 Die Entwicklung von Werkzeugen 118
5.1.2 Stückzahlen 119
5.1.3 Die Verwendung von Normalien im Werkzeugbau 121
5.2 Teile aus der flachen Trennebene 122
5.2.1 Die Werkzeuganlage 122
5.2.2 Auswerfen 127
5.2.3 Besonderheiten 129
5.3 Teile aus Werkzeugen mit Trennungssprung 130
5.3.1 Die Werkzeuganlage 130
5.3.2 Auswerfen 132
5.3.3 Besonderheiten 133
5.4 Teile mit Durchbrüchen und Werkzeuge mit Blockierungen 134
5.4.1 Die Werkzeuganlage 134
5.4.2 Auswerfen 137
5.4.3 Besonderheiten 140
5.5 Becherförmige Teile 142
5.5.1 Die Werkzeuganlage 142
5.5.2 Auswerfen 143
5.5.3 Besonderheiten 145
5.6 Schieber- und Backenwerkzeuge mit zusätzlichen Trennebenen 150
5.6.1 Der Werkzeugaufbau 150
5.6.2 Auswerfen 152
5.6.3 Besonderheiten 153
5.7 Ausdreh-Werkzeuge für innere Gewinde 156
5.7.1 Die Werkzeuganlage 156
5.7.2 Auswerfen 158
5.7.3 Besonderheiten 158
5.8 Werkzeuge mit inneren Schiebern und Einfallkernen 160
5.8.1 Das Werkzeugkonzept 160
5.8.2 Auswerfen 162
5.8.3 Besonderheiten 163
5.9 Teile mit extremen Hinterschneidungen 165
5.9.1 Verfahrenstechnik und Werkzeugaufbau 165
5.9.2 Auswerfen und Nachbearbeitung 168
5.9.3 Besonderheiten 169
5.10 Teile mit Hinterschneidungen, die Zwangsentformung zulassen 170
5.10.1 Der grundsätzliche Werkzeugaufbau 170
5.10.2 Auswerfer 172
5.10.3 Besonderheiten 173
6 Grundregel: Konstante Wanddicken 176
6.1 Wanddicken an einem Erzeugnis 176
6.1.1 Wanddicken und Leichtbau 176
6.1.2 Wanddicke und Verarbeitungsverfahren 177
6.2 Grundlagen von technologischen Prozessen bei der Kunststoffverarbeitung 179
6.2.1 Einordnung 179
6.2.2 Betrachtungsweise 179
6.2.3 Erwärmen der Schmelze 183
6.2.4 Kompression zur Formgebung 183
6.2.5 Abkühlung unter Druckabbau 184
6.2.6 Isobare Abkühlung bei atmosphärischem Druck 185
6.3 Probleme, die durch Wanddickenunterschiede verursacht sind 186
6.4 Das Kantenproblem bei kastenartigen Strukturen 189
7 Grundregel: Geometrische Versteifung 194
7.1 Ausführungen einer geometrischen Versteifung 194
7.1.1 Erhöhung der Steifigkeit 194
7.1.2 Varianten der geometrischen Versteifung 195
7.2 Versteifung mit Rippen 197
7.2.1 Rippenversteifung an belasteten Flächen 197
7.2.2 Anordnung der Rippen 198
7.2.3 Belastungsgerechte Anpassung der Rippen 199
7.2.4 Anbindung der Rippen an die Grundstruktur 202
7.2.5 Werkzeugtechnische Umsetzung von Rippenstrukturen 206
7.2.6 Funktionale Einbindung von Rippen 209
7.3 Versteifung mit Schalengeometrie 210
7.3.1 Schalengeometrie als Art des fertigungsgerechten Konstruierens 210
7.3.2 Zur konstruktiven Umsetzung 212
7.4 Anwendung des Prinzips „Wellblech“ 213
7.5 Kombination der Möglichkeiten zur geometrischen Versteifung 214
8 Grundregel: Konstruktive Duktilität 216
8.1 Duktilität als Konstruktionsforderung 216
8.2 Rasthaken 219
8.2.1 Vorteile von Rasthaken 219
8.2.2 Montagestrategien 220
8.2.3 Varianten der Rastverbindungen 222
8.3 Montagebruch an Rasthaken 227
8.3.1 Grundsätzliche Lösungsansätze 227
8.3.2 Technologische Maßnahmen gegen den Montagebruch von Rasthaken 227
8.3.2.1 Zur Vorgehensweise 227
8.3.2.2 Eingangsgrößen für den Prozess 228
8.3.2.3 Betrachtung des Herstellungsprozesses für die Bauteile 229
8.3.2.4 Betrachtung des Montageprozesses 230
8.3.3 Grundsätzliche konstruktive Möglichkeiten zur Vermeidung des Montagebruchs von Rasthaken 231
8.3.4 Beseitigung der Kerbwirkung 231
8.3.5 Vergrößerung der Biegelänge 232
8.3.6 Veränderungen am Querschnitt des Rasthakens 234
8.3.7 Verminderung der Durchbiegung 235
8.3.8 Zusätzliche, alternative Verformungsmechanismen 236
8.3.9 Alternatives Konstruktionsprinzip für die Rastverbindung 237
8.4 Vermeidung einer unbeabsichtigten Demontage von Rastverbindungen 238
8.5 Weitere elastische Konstruktionselemente 240
8.6 Möglichkeiten zur Verbesserung der Elastizität 240
8.6.1 Überblick 240
8.6.2 Anspritzen einer weichen Komponente 241
8.6.3 Schlitze an becherartigen Formteilen 242
8.6.4 Faltungen an Schalenelementen 243
8.7 Zur Modifikationen von Gehäusen 244
9 Grundregel: Veränderliche Geometrie 248
9.1 Begriffsbestimmung 248
9.2 Veränderliche Geometrie als Nutzungsmerkmal bei Kunststoffprodukten 251
9.2.1 Mögliche Mechanismen 251
9.2.2 Temperatureinfluss 252
9.2.3 Medienaufnahme und Medienabgabe 253
9.2.4 Freisetzen von Spannungen 254
9.2.5 Verformungsverhalten 254
9.3 Veränderliche Geometrie für unterschiedliche Abschnitte des Produktlebenszyklus 256
9.3.1 Motivation 256
9.3.2 Allmähliche Veränderung der Geometrie im Herstellungsprozess und beim Gebrauch 258
9.3.3 Allmähliche anwendungsbedingte Veränderung der Geometrie 260
9.4 Diskontinuierliche, schnelle Veränderung der Geometrie im Herstellungsprozess 261
9.4.1 Begriffserklärung 261
9.4.2 Spannvorrichtungen 262
9.4.3 Vorrichtungen zum nachträglichen Kalibrieren 266
9.4.4 Nachträgliche Bearbeitung eines Bauteils 268
9.4.5 Einspannen des Bauteils für die Montage 269
9.4.6 Demontage von Baugruppen vor dem Einsatz 271
9.4.7 Umbau von Baugruppen nach der ersten Nutzungsphase, um eine weitere Nutzung zu ermöglichen 272
9.4.8 Endgültiger Rückbau von Baugruppen nach der Nutzung 273
9.5 Funktionsbedingte veränderliche Geometrie 276
9.5.1 Erprobte Einsatzgebiete 276
9.5.2 Gelenklose Anwendungen, die Duktilität nutzen 278
9.5.3 Lokale Gelenke 280
9.5.4 Faltbare Anwendungen 283
9.5.5 Lokale Flexibilität und Hochelastische Anwendungen 285
9.5.5.1 Realisierung mit einer weichen Materialkomponente 285
9.5.5.2 Abdichtung mit konstruktiver Duktilität 287
9.5.6 Reversibles Beulen 289
10 Grundregel: Funktionsintegration 292
10.1 Der Begriff Funktionsintegration 292
10.2 Die konstruktive Funktionsintegration 296
10.2.1 Das Wesen der konstruktiven Funktionsintegration 296
10.2.2 Das Prinzip „Funktionelle Mehrfachnutzung“ 298
10.2.3 Das Prinzip „zusätzliche Geometrie“ zur Gewährleistung einer weiteren Funktion 299
10.2.4 Vergleich der beiden Prinzipien 301
10.2.5 Beispiele für eine konstruktive Funktionsintegration 302
10.3 Die technologische Funktionsintegration 305
10.3.1 Optimierung der technologischen Abläufe 305
10.3.2 Funktionsintegration durch Anpassung technologischer Abläufe 306
10.4 Sonderverfahren als Mittel der technologischen Funktionsintegration 311
10.4.1 Übersicht 311
10.4.2 Die Sondertechnologie „Mehrkomponentenspritzgießen“ 311
10.4.3 Einige Gestaltungsregeln zum Mehrkomponentenspritzgießen 313
10.4.4 Sondertechnologien als Hinterspritzverfahren 316
11 Checkliste zur Konstruktion von Kunststoffteilen 322
12 Weiterführende Literatur 328
Index 330