Ein Bauteil kann funktional einwandfrei sein und dennoch schwer herzustellen sein. Dies ist der Fall, wenn bei der Entwicklung des Designs der Schwerpunkt auf der Endfunktion lag, ohne jedoch ausreichend zu berücksichtigen, wie es in einem Spritzgusswerkzeug hergestellt werden soll.
Design for Manufacturing, oft mit DfM abgekürzt, ist die Disziplin, die eine Brücke zwischen Produktdesign und Fertigung schlägt. Dabei geht es darum, die Geometrie, Wandstärken und Oberflächen des Werkstücks so anzupassen, dass es zuverlässig, effizient und innerhalb der vorgegebenen Toleranzen gefertigt werden kann.
Im Spritzguss ist DfM besonders entscheidend, da Fehler in der Konstruktionsphase nicht nur zu Produktionsproblemen führen. Sie wirken sich auch auf das Endprodukt aus, und Änderungen nach Beginn der Fertigung sind kostspielig und zeitaufwendig. Lesen Sie hier mehr: Von der Idee bis zum fertigen Spritzgusswerkzeug
Was DfM im Spritzguss bedeutet
Das Spritzgießen ist ein Verfahren mit klaren physikalischen Grenzen. Die Kunststoffmasse wird unter Druck in einen geschlossenen Formhohlraum eingespritzt, kühlt ab und muss anschließend ausgeworfen werden, ohne dabei weder das Werkstück noch das Werkzeug zu beschädigen.
Damit dies konsistent und fehlerfrei geschehen kann, muss bei der Konstruktion des Werkstücks berücksichtigt werden, wie sich das Material beim Einfüllen und Abkühlen verhält und wie das Werkstück physikalisch aus der Form gelöst werden kann. Diese Anforderungen lassen sich in eine Reihe konkreter Konstruktionsprinzipien umsetzen.
Abzugswinkel
Eine der grundlegendsten Voraussetzungen für einen erfolgreichen Spritzguss ist das Vorhandensein von Entformungsschrägen an allen Flächen, die parallel zur Entformungsrichtung verlaufen.
Ohne Entformungsschrägen bleibt das Werkstück beim Auswerfen am Formhohlraum haften. Dies führt zu Oberflächenbeschädigungen, Verformungen und im schlimmsten Fall zu einer Beschädigung des Werkzeugs. Schon ein Winkel von 1 bis 2 Grad reicht in vielen Fällen aus, um ein sauberes Auswerfen zu gewährleisten.
Die Anforderungen an die Freiwinkel variieren je nach Oberflächenbeschaffenheit und Schrumpfung des Werkstoffs. Werkstücke mit einer mattierten oder strukturierten Oberfläche erfordern in der Regel größere Freiwinkel als polierte Oberflächen, da die Oberflächenstruktur die Reibung gegenüber der Stahloberfläche erhöht.
Wandstärken und Gleichmäßigkeit
Schwankende Wandstärken sind eine der häufigsten Ursachen für Qualitätsprobleme bei Spritzgussteilen. Wenn ein dickerer Abschnitt langsamer erstarrt als die umgebende Geometrie, entstehen an der Außenseite Absackstellen und innere Spannungen im Material.
Das Grundprinzip besteht darin, dass die Wandstärke über das gesamte Werkstück hinweg gleichmäßig ist. Übergänge zwischen dünnen und dicken Abschnitten sollten eher allmählich und abgerundet als abrupt sein, damit sich die Kunststoffschmelze gleichmäßig verteilen kann und die Abkühlung kontrolliert erfolgt.
Die empfohlenen Wandstärken variieren je nach Material. Technische Thermoplaste wie Polyamid und Polycarbonat weisen andere optimale Bereiche auf als Polypropylen und Polyethylen. Die Materialauswahl und die Wandstärken sind daher Entscheidungen, die untrennbar miteinander verbunden sind. Lesen Sie hier mehr dazu: Stahlsorten für Spritzgusswerkzeuge – Auswahl des Werkzeugstahls.
Lage der Trennlinie
Die Trennlinie ist die Linie, an der sich die beiden Formhälften treffen und schließen. Ihre Lage beeinflusst das Aussehen, die Funktionalität und die Herstellungskosten des Werkstücks.
Eine sinnvoll platzierte Trennlinie ist auf den kritischen Flächen des Werkstücks nicht sichtbar und ermöglicht eine effektive Entlüftung des Formhohlraums. Eine ungünstige Platzierung erfordert komplexe Kern- und Backenlösungen, die die Komplexität und den Preis des Werkzeugs erhöhen. Lesen Sie hier mehr: Was kostet ein Spritzgusswerkzeug?
In der Praxis sollte die Trennlinie bereits früh im Entwurfsprozess festgelegt werden und nicht als Folge der Geometrie betrachtet werden, sondern als aktive konstruktive Entscheidung.
Schnittbilder und Lösungen
Unterbrechungen sind geometrische Elemente, die einen direkten Ausstoß in eine Richtung verhindern. Dabei kann es sich um innere Rillen, äußere Haken- und Schnappverbindungen oder durchgehende Löcher senkrecht zur Ausstoßrichtung handeln.
Für Unterschnitte sind Schieber oder Heber im Werkzeug erforderlich, d. h. bewegliche mechanische Elemente, die vor dem Auswerfen des Werkstücks zur Seite gezogen werden. Dies erhöht die Komplexität, die Kosten und den Wartungsaufwand des Werkzeugs.
Bei der DfM-Arbeit geht es nicht darum, alle Unterschnitte zu beseitigen, sondern bewusst zu beurteilen, welche funktional notwendig sind und welche durch eine Neugestaltung der Geometrie beseitigt werden können, ohne die Funktion des Werkstücks zu beeinträchtigen.
Rippen, Verstärkungen und Verbindungsknoten
Rippen dienen dazu, die Steifigkeit zu erhöhen, ohne die Wandstärke zu vergrößern. Dies ist ein wirksamer Ansatz, doch bei falscher Dimensionierung bergen Rippen das Risiko, dass sich auf der gegenüberliegenden Seite des Werkstücks Eindrücke bilden.
Als Faustregel gilt, dass eine Rippe eine Dicke von 50 bis 70 Prozent der Dicke der angrenzenden Wand haben sollte. Zu dicke Rippen führen zu denselben Problemen wie generell überdimensionierte Wandstärken.
Befestigungsknoten werden für Schraubenlöcher und Befestigungspunkte verwendet. Sie sollten mit einem Kernbohrungsdurchmesser ausgelegt werden, der zum gewählten Schraubentyp passt, und über eine ausreichende Stützgeometrie verfügen, um eine Verformung während der Montage zu vermeiden.
Anordnung der Anschlüsse und Injektion
Der Anguss ist die Stelle, an der die Kunststoffmasse in den Formhohlraum eingespritzt wird. Seine Position beeinflusst das Füllverhalten, die Lage eventueller Schweißnähte und die Oberflächenqualität des fertigen Werkstücks.
Eine in der Mitte des Werkstücks angeordnete Öffnung sorgt in der Regel für die gleichmäßigste Füllung. Eine am Rand angeordnete Öffnung kann zu einer orientierten Füllung führen, die an kritischen Stellen Schweißnähte hinterlässt oder in bewehrten Werkstoffen eine unerwünschte Faserorientierung verursacht.
Die Art der Markierung – sei es eine Punkt-, Tunnel- oder Folienmarkierung – beeinflusst ebenfalls das Aussehen des Werkstücks und den Bedarf an Nachbearbeitung. Die Markierung ist auf dem Werkstück sichtbar und sollte nach Möglichkeit auf nicht sichtbaren Flächen angebracht werden.
DfM in der Praxis
DfM ist nicht nur eine einmalige Überprüfung eines CAD-Entwurfs. Es handelt sich um einen iterativen Prozess, bei dem der Konstrukteur, der Werkzeugbauer und der Hersteller zusammenarbeiten, um sicherzustellen, dass der Entwurf wie spezifiziert hergestellt werden kann.
In der Praxis werden bei einer DfM-Prüfung in der Regel einige wenige Anpassungen ermittelt, die zusammen das Risiko von Produktionsproblemen deutlich verringern. Diese Anpassungen lassen sich fast immer kostengünstiger in der Konstruktionsphase umsetzen, als sie nachträglich zu beheben, wenn der Stahl bereits in die Maschine eingebaut ist.
Ein DfM-optimiertes Bauteil sorgt für kürzere Zykluszeiten, weniger Ausschuss und einen geringeren Wartungsaufwand für das Werkzeug im Laufe der Zeit. Dies wirkt sich direkt auf die Gesamtproduktionskosten aus. Erfahren Sie mehr über vorbeugende Wartung
Zusammenfassung
Beim „Design for Manufacturing“ im Spritzguss geht es darum, sicherzustellen, dass die Geometrie des Werkstücks und die physikalischen Anforderungen des Produktionsprozesses miteinander im Einklang stehen. Entformungsschrägen, Wandstärken, Trennlinie, Hinterschneidungen und Angussposition sind allesamt Parameter, die in der Konstruktionsphase aktiv berücksichtigt werden müssen.
Teile, die nicht nach DfM-Kriterien optimiert sind, werden oft unter Einbußen bei der Qualität, der Zykluszeit oder dem Wartungsaufwand hergestellt. Teile, die von Anfang an durchdacht sind, sorgen für eine besser vorhersehbare und stabilere Produktion über die gesamte Lebensdauer des Werkzeugs hinweg.
Häufig gestellte Fragen
„Design for Manufacturing“ ist ein Ansatz, bei dem die Konstruktion des Bauteils für den Fertigungsprozess optimiert wird. Im Spritzguss bedeutet dies konkret, dass Geometrie, Wandstärken und Oberflächen so angepasst werden, dass das Bauteil in einem Spritzgusswerkzeug stabil und effizient hergestellt werden kann.
So früh wie möglich. DfM-Anpassungen lassen sich am kostengünstigsten in der Entwurfsphase umsetzen. Änderungen, nachdem die Fertigung bereits begonnen hat, erfordern eine Nachbearbeitung des Stahls und können das Projekt erheblich verzögern.
Die häufigsten Probleme sind fehlende Entformungsschrägen, ungleichmäßige Wandstärken und Unterschnitte, die für die Funktion des Werkstücks nicht erforderlich sind.
Ja. Die Platzierung von Trennlinien, Anschlussmarkierungen und eventuellen Eintauchmarkierungen ist eine direkte Folge von Designentscheidungen. Die DfM-Arbeit umfasst die Platzierung dieser Elemente, sodass sie die kritischen Oberflächen nicht beeinträchtigen.
Bei der herkömmlichen Konstruktion stehen in erster Linie die Funktion und die Geometrie des Bauteils im Vordergrund. DfM ergänzt dies um eine Fertigungsperspektive, bei der die Geometrie dahingehend bewertet wird, ob sie im gewählten Fertigungsprozess stabil und effizient hergestellt werden kann.
