Torsten Kies
10 Grundregeln zur Konstruktion von Kunststoffprodukten
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
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