Torsten Kies
10 Grundregeln zur Konstruktion von Kunststoffprodukten
Einleitung
6
Vorwort
6
Zum Inhalt des Buches
7
Danksagung
10
Inhalt
12
1 Temperatureinsatzbereich
1 Temperatureinsatzbereich
1.1 Phasenübergänge bei Kunststoffen
18
1.1.1 Der Übergang vom festen in den geschmolzenen Zustand
18
1.1.2 Die Volumenänderung beim Phasenübergang von der Schmelze zum festen Zustand
22
1.1.3 Phasenübergänge am starren Körper
23
1.2 Die Temperaturabhängigkeit der Materialkennwerte von Kunststoffen
25
1.2.1 Der Vergleich mit anderen Werkstoffgruppen
25
1.2.2 Die thermische Ausdehnung
26
1.2.3 Temperaturabhängiges Spannungs-Dehnungs-Verhalten
29
1.3 Der Einsatztemperaturbereich
31
1.3.1 Tatsächlich wirkende Temperaturen
31
1.3.2 Temperaturabhängige Lasteinwirkung
32
1.3.3 Die Notwenigkeit von einsatznahen Funktionsuntersuchungen
34
1.4 Der Einfluss der Geometrie auf die Temperaturbeständigkeit
35
1.4.1 Aussagefähigkeit der Rohstoffkennwerte
35
1.4.2 Betrachtete Geometrie
36
1.4.3 Modifikation der Wanddicke
37
1.4.4 Belastungsdauer und Durchwärmung der Produkte
38
1.4.5 Bessere Wärmestandfestigkeit durch Faserverstärkung
39
1.4.6 Werkstoffkombination
40
1.4.7 Einseitige Kühlung am Erzeugnis
40
1.4.8 Zusätzliche Versteifungen gegen die thermisch bedingte Biegung
42
2 Medienangriff
44
2.1 Die Wirkung von Medien auf Kunststoffe
44
2.1.1 Begriffserklärung: Medienangriff
44
2.1.2 Direkter und indirekter Medienangriff
45
2.1.3 Strahlungs- und stofflich-medialer Angriff
46
2.1.4 Chemischer und physikalischer Medienangriff
48
2.2 Voraussetzungen für einen Medienangriff
49
2.3 Der Schutz vor Medienangriff
50
2.4 Die Schädigungsmechanismen
51
2.4.1 Arten der Schädigungsmechanismen
51
2.4.2 Der oxidative Abbau
52
2.4.3 Schädigung durch Hydrolyse
53
2.4.4 Schädigung durch Chemikalien
57
3 Spannungszustand
60
3.1 Die Ursache von Spannungen
60
3.1.1 Krafteinwirkung auf eine Flüssigkeit
60
3.1.2 Krafteinwirkung auf einen Festkörper
62
3.1.3 Viskoses und elastisches Verformungsverhalten von Kunststoffen
63
3.2 Spannungen am Bauteil
64
3.3 Spannungen und Orientierungen
67
3.3.1 Die Unterscheidung zwischen Spannungen und Orientierungen
67
3.3.2 Orientierungen in Kunststoffprodukten
69
3.3.2.1 Voraussetzungen für Orientierungen
69
3.3.2.2 Orientierungen bei faserverstärkten Materialien
70
3.3.2.3 Molekülorientierungen
72
3.3.3 Eigenspannungen
73
3.4 Die Bildung von Orientierungen und Eigenspannungen
75
3.4.1 Unterschiede zwischen Spannungen und Orientierungen
75
3.5 Eigenspannungen und Orientierungen beim Spitzgießen
77
3.5.1 Orientierungen und Eigenspannungen am Spritzgussteil
77
3.5.2 Die Ausbildung von Orientierungen
78
3.5.3 Eigenspannungen beim Spritzgießen
79
3.5.3.1 Ursachen der Eigenspannungen
79
3.5.3.2 Prozessablauf beim Spritzgießen
80
3.5.3.3 Die Entformung
82
3.5.3.4 Auswirkungen einer Schwindungsbehinderung auf Eigenspannungen
84
3.5.3.5 Eigenspannungen bei Montageprozessen
85
4 Schadensfreie Verformung
86
4.1 Einordnung
86
4.2 Differential- und Integralbauweise
87
4.2.1 Unterscheidung der Kategorien
87
4.2.2 Die Differentialbauweise
87
4.2.3 Die Integralbauweise
88
4.2.4 Die Mischbauweise
89
4.2.5 Geeignete Bauweisen für Kunststoffprodukte
90
4.3 Das Verformungsverhalten der Werkstoffe
91
4.3.1 Begriffe zum Verformungsverhalten
91
4.3.2 Die Zugfestigkeit
92
4.3.3 Die Steifigkeit eines Materials
92
4.3.4 Die Dehnung
93
4.3.4.1 Die Kritische Dehnung
93
4.3.4.2 Die zulässige Dehnung
94
4.3.5 Bauteilspezifische Minderung
96
4.3.5.1 Einflussfaktoren
96
4.3.5.2 Vorgehensweise
96
4.3.5.3 Anzahl der Lastwechsel
97
4.3.5.4 Füll- und Verstärkungsstoffe
98
4.3.5.5 Starke Materialbelastung bei der Fertigung
99
4.3.5.6 Mehrachsige Spannungszustände
99
4.3.5.7 Beanspruchungsgeschwindigkeit
100
4.3.5.8 Die Wanddicke
100
4.3.5.9 Berücksichtigung der Kerbwirkung
100
4.4 Starre und flexible Konstruktionen
101
5 Entformbarkeit
106
5.1 Beschreibung der Situation
106
5.1.1 Die Entwicklung von Werkzeugen
106
5.1.2 Stückzahlen
107
5.1.3 Die Verwendung von Normalien im Werkzeugbau
108
5.2 Teile aus der flachen Trennebene
110
5.2.1 Die Werkzeuganlage
110
5.2.2 Auswerfen
114
5.2.3 Besonderheiten
116
5.3 Teile aus Werkzeugen mit Trennungssprung
117
5.3.1 Die Werkzeuganlage
117
5.3.2 Auswerfen
119
5.3.3 Besonderheiten
120
5.4 Teile mit Durchbrüchen und Werkzeuge mit Blockierungen
121
5.4.1 Die Werkzeuganlage
121
5.4.2 Auswerfen
123
5.4.3 Besonderheiten
126
5.5 Becherförmige Teile
128
5.5.1 Die Werkzeuganlage
128
5.5.2 Auswerfen
129
5.5.3 Besonderheiten
131
5.6 Schieber- und Backenwerkzeuge mit zusätzlichen Trennebenen
136
5.6.1 Der Werkzeugaufbau
136
5.6.2 Auswerfen
139
5.6.3 Besonderheiten
139
5.7 Ausdreh-Werkzeuge für innere Gewinde
142
5.7.1 Die Werkzeuganlage
142
5.7.2 Auswerfen
143
5.7.3 Besonderheiten
144
5.8 Werkzeuge mit inneren Schiebern und Einfallkernen
146
5.8.1 Das Werkzeugkonzept
146
5.8.2 Auswerfen
148
5.8.3 Besonderheiten
148
5.9 Teile mit extremen Hinterschneidungen
150
5.9.1 Verfahrenstechnik und Werkzeugaufbau
150
5.9.2 Auswerfen und Nachbearbeitung
153
5.9.3 Besonderheiten
154
5.10 Teile mit Hinterschneidungen,
5.10 Teile mit Hinterschneidungen,
155
155
5.10.1 Der grundsätzliche Werkzeugaufbau
155
5.10.2 Auswerfer
157
5.10.3 Besonderheiten
157
6 Konstante Wanddicken
160
6.1 Wanddicken an einem Erzeugnis
160
6.1.1 Wanddicken und Leichtbau
160
6.1.2 Wanddicke und Verarbeitungsverfahren
161
6.2 Grundlagen von technologischen Prozessen bei der Kunststoffverarbeitung
163
6.2.1 Einordnung
163
6.2.2 Betrachtungsweise
163
6.2.3 Erwärmen der Schmelze
167
6.2.4 Kompression zur Formgebung
167
6.2.5 Abkühlung unter Druckabbau
168
6.2.6 Isobare Abkühlung bei atmosphärischem Druck
169
6.3 Probleme, die durch Wanddickenunterschiede verursacht sind
170
6.4 Das Kantenproblem bei kastenartigen Strukturen
173
7 Geometrische Versteifung
178
7.1 Ausführungen einer geometrischen Versteifung
178
7.1.1 Erhöhung der Steifigkeit
178
7.1.2 Varianten der geometrischen Versteifung
179
7.2 Versteifung mit Rippen
181
7.2.1 Rippenversteifung an belasteten Flächen
181
7.2.2 Anordnung der Rippen
181
7.2.3 Belastungsgerechte Anpassung der Rippen
183
7.2.4 Anbindung der Rippen an die Grundstruktur
185
7.2.5 Werkzeugtechnische Umsetzung von Rippenstrukturen
189
7.2.6 Funktionale Einbindung von Rippen
192
7.3 Versteifung mit Schalengeometrie
193
7.3.1 Schalengeometrie als Art des fertigungsgerechten Konstruierens
193
7.3.2 Zur konstruktiven Umsetzung
194
7.4 Anwendung des Prinzips „Wellblech“
195
7.5 Kombination der Möglichkeiten zur geometrischen Versteifung
196
8 Konstruktive Duktilität
198
8.1 Duktilität als Konstruktionsforderung
198
8.2 Rasthaken
201
8.2.1 Vorteile von Rasthaken
201
8.2.2 Montagestrategien
201
8.2.3 Varianten der Rastverbindungen
203
8.3 Montagebruch an Rasthaken
208
8.3.1 Grundsätzliche Lösungsansätze
208
8.3.2 Technologische Maßnahmen gegen den Montagebruch von Rasthaken
208
8.3.2.1 Zur Vorgehensweise
208
8.3.2.2 Eingangsgrößen für den Prozess
209
8.3.2.3 Betrachtung des Herstellungsprozesses für die Bauteile
210
8.3.2.4 Betrachtung des Montageprozesses
211
8.3.3 Grundsätzliche konstruktive Möglichkeiten zur Vermeidung des Montagebruchs von Rasthaken
211
8.3.4 Beseitigung der Kerbwirkung
212
8.3.5 Vergrößerung der Biegelänge
213
8.3.6 Veränderungen am Querschnitt des Rasthakens
214
8.3.7 Verminderung der Durchbiegung
215
8.3.8 Zusätzliche, alternative Verformungsmechanismen
216
8.3.9 Alternatives Konstruktionsprinzip für die Rastverbindung
217
8.4 Vermeidung einer unbeabsichtigten Demontage von Rastverbindungen
218
8.5 Weitere duktile Konstruktionselemente
220
8.6 Möglichkeiten zur Verbesserung der Duktilität
221
8.6.1 Überblick
221
8.6.2 Anspritzen einer weichen Komponente
221
8.6.3 Schlitze an becherartigen Formteilen
222
8.6.4 Faltungen an Schalenelementen
223
8.7 Zur Modifikationen von Gehäusen
224
9 Veränderliche Geometrie
228
9.1 Begriffsbestimmung
228
9.2 Veränderliche Geometrie als Nutzungsmerkmal bei Kunststoffprodukten
231
9.2.1 Mögliche Mechanismen
231
9.2.2 Temperatureinfluss
232
9.2.3 Medienaufnahme und Medienabgabe
233
9.2.4 Freisetzen von Spannungen
234
9.2.5 Verformungsverhalten
234
9.3 Veränderliche Geometrie für unterschiedliche Abschnitte des Produktlebenszyklus
235
9.3.1 Motivation
235
9.3.2 Allmähliche Veränderung der Geometrie im Herstellungsprozess und beim Gebrauch
237
9.3.3 Allmähliche anwendungsbedingte Veränderung der Geometrie
239
9.4 Diskontinuierliche, schnelle Veränderung der Geometrie im Herstellungsprozess
240
9.4.1 Begriffserklärung
240
9.4.2 Spannvorrichtungen
241
9.4.3 Vorrichtungen zum nachträglichen Kalibrieren
245
9.4.4 Nachträgliche Bearbeitung eines Bauteils
247
9.4.5 Einspannen des Bauteils für die Montage
248
9.4.6 Demontage von Baugruppen vor dem Einsatz
250
9.4.7 Umbau von Baugruppen nach der ersten Nutzungsphase,
9.4.7 Umbau von Baugruppen nach der ersten Nutzungsphase,
251
251
9.4.8 Rückbau von Baugruppen nach der Nutzung
251
9.5 Funktionsbedingte veränderliche Geometrie
255
9.5.1 Erprobte Einsatzgebiete
255
9.5.2 Gelenklose Anwendungen, die Duktilität nutzen
256
9.5.3 Lokale Gelenke
258
9.5.4 Faltbare Anwendungen
261
9.5.5 Lokale Flexibilität und Hochelastische Anwendungen
263
9.5.5.1 Realisierung mit einer weichen Materialkomponente
263
9.5.5.2 Realisierung mit konstruktiver Duktilität
265
9.5.6 Reversibles Beulen
266
10 Funktionsintegration
270
10.1 Der Begriff Funktionsintegration
270
10.2 Die konstruktive Funktionsintegration
274
10.2.1 Das Wesen der konstruktiven Funktionsintegration
274
10.2.2 Das Prinzip „Funktionelle Mehrfachnutzung“
276
10.2.3 Das Prinzip „zusätzliche Geometrie“ zur Gewährleistung einer weiteren Funktion
277
10.2.4 Vergleich der beiden Prinzipien
278
10.2.5 Beispiele für eine konstruktive Funktionsintegration
280
10.3 Die technologische Funktionsintegration
282
10.3.1 Optimierung der technologischen Abläufe
282
10.3.2 Funktionsintegration durch Anpassung technologischer Abläufe
283
10.4 Sonderverfahren als Mittel der technologischen Funktionsintegration
287
10.4.1 Übersicht
287
10.4.2 Die Sondertechnologie „Mehrkomponentenspritzgießen“
288
10.4.3 Einige Gestaltungsregeln zum Mehrkomponentenspritzgießen
289
10.4.4 Sondertechnologien als Hinterspritzverfahren
292
Checkliste zur Konstruktion von Kunststoffteilen
298
Autor
304
Index
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