Zusammenfassung Konstruieren mit Kunststoffen PDF

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Sommersemester 2019, Konstruieren mit Kunststoffen...

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Zusammenfassung Konstruieren mit Kunststoffen 01 – Einführung und geometrische Unterteilung von Produkten Lernziele: -

Phase des Konstruierens in den Produktentwicklungsprozess einsortieren, Eine Vorstellung davon haben, was unter Konstruieren verstanden wird Eigene Erwartungen an dieses Modul formuliert haben und Bauteile anhand ihrer geometrischen Merkmale unterteilen

Phasen der Produktentwicklung Planen  Konzipieren  Entwerfen  Ausarbeiten (Konstruktion und Ausführung) Geometrische Unterteilung von Produkten in: - Großflächige Produkte o Relativ dünnwandig o Aufgabe: abdecken, sich selbst tragen o optisch anspruchsvolle Freiformflächen mit teils haptischen Anforderungen o von innen komplex (Verrippungen, Schnapphaken, Hinterschneidungen - Gehäuseartige Produkte o Relativ dünnwandig o Aufgabe: dämmen, isolieren, abdecken, positionieren und verbinden o außen optisch anspruchsvolle Freiformflächen mit haptischen Anforderungen o innen komplexer als großflächige Produkte aufgrund von Hinterschneidungen, Verrippungen, Schraubdomen und weiteren Funktionselementen - Behälterartige Produkte o Relativ dünnwandig o Aufgabe: Flüssigkeiten halten, tragen und dichten o geringe optische und haptische Anforderungen o Bildung eines Hohlraumes - Komplexe Produkte o Unterschiedlich dickwandig o Aufgabe: Flüssigkeiten & Kräfte leiten, Schall isolieren, sich selbst tragen o Geometrie wegen mech. Anforderungen oder Funktionen meist sehr komplex, teilweise Bildung von Hohlräumen

01 – Auswahl und Verarbeitungsverfahren und Werkstoff Lernziele: - verschiedene Arbeitsverfahren bestimmten Geometrietypen zuordnen und sie nach ihren typischen Produktionsvolumina unterscheiden können - Rolle fixer und variabler Kosten bei der Auswahl des Verarbeitungsverfahrens kennen - Alleinstellungsmerkmale des Werkstoffs Kunststoff benennen können - Bedeutung von Werkstoffeigenschaften für die Auswahl verstehen und verschiedene Wege kennen, an diese Daten zu gelangen Auswahl des Verarbeitungsverfahrens Einflussgrößen: Gestalt des Formteils, Werkstoff, Stückzahl, Maschinenpark, Belastungen und zulässige Kosten/Stck. Großflächige Produkte:  Spritzgießen Hohe Rippen, komplexe Funktionselemente – Stückzahlen > 100.000 - GIT gegen Einfallstellen, Kaskaden gegen Bindenähte und Sandwich für hochwertige Oberflächen  Pressen keine zu komplexen Strukturelemente – Stückzahlen 50.000 bis 100.000 - SMC schlechtere Oberfläche, geringe Wärmeausdehnung, kostengünstig - GMT bessere Oberfläche, teurer - Langfaserverstärkte Thermoplaste (LFT) mittelgute Oberfläche, kostengünstig Gehäuseartige Produkte  Spritzgießen - Dünnwandspritzgießen teurere Werkzeuge und Maschinen - Thermoplastschaumgießen: günstige Werkzeuge mit Stückzahl < 50.000  Thermoformen - Ohne komplexe Funktionselemente Stückzahlen < 10.000 Behälterartige Produkte  Spritzgießteile schweißen - Komplexe, exakte Geometrien, Stückzahlen > 100.000  Rotationssintern - Geringe Werkstoffauswahl und Oberflächenqualität, Stückzahlen < 20.000  Blasformen - Keine exakte Innengeometrie, geringe Werkstoffauswahl und Oberflächenqualität – Stückzahlen < 100.00  Streckblasen - Höhere Drücke, keine Griffe – Stückzahlen > 100.000 - Bessere Oberflächenqualität Komplexe Produkte  Spritzgießen - Komplexe Innengeometrien: Schweißen oder Schmelzkerntechnik - Weniger komplexe Innengeometrien: GIT/ WIT  Blasformen - Dünnwandig und schlechtere Oberfläche: Saugblasen oder 3D-Blasformen

Produktionsmenge und Verarbeitungsverfahren - Das Mindest-Produktionsvolumen steigt je nach Verfahren: Spanende Herstellung < Rapid Prototyping < Gießen < spanende CNC Herstellung < Themorformen < GMT-Pressen < Pressen < Blasformen < Schäumen/RIM < Spritzgießen < Extrudieren -

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Einzelfertigung: o Aus Halbzeugen in handwerklichen Verfahren o Rapid Prototyping Kleinserie: o Aus Halbzeugen in NC-gesteuerten Bearbeitungsverfahren o Rapid Tooling (Prototypwerkzeuge) Großserie o Stahlwerkzeuge in kurzen Zyklen nachbearbeitungsfrei urgeformt o Hohe Funktionsintegration im Formteil

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meist stehen mehrere Verfahren zur Verfügung  Kostenbetrachtung! Unterscheidung variable und fixe Kosten: o Variable: Aufwendungen bei der Herstellung des Produktes, die mit der Zahl der hergestellten Produkte variiert (Bsp.: Material-, Personal-, Energiekosten, sowie Maschinenmiete) o Fixkosten: Unabhängig von der Zahl der hergestellten Produkte (Bsp.: Investitionen in die Entwicklung des Produkts bzw. Werkzeugs)

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Die erwartete Stückzahl bestimmt das wirtschaftlichste Verfahren!  je nach Varianten werden die Kosten pro Stück berechnet und anschließend entschieden, welches Verfahren verwendet werden soll!

Werkstoffmerkmale von Kunsttsoffen - Dichte (gering 0,8 – 2,2 g/cm3) - Steifigkeit (Widerstand gegen Verformung) o Eher gering –> ermöglicht Produkte mit Dichtfunktion, Schnapphaken und Filmscharniere - Dehnfähigkeit o Sehr hoch, ermöglicht mechanische Energieaufnahme (z.B. beim Stoßfänger) - Festigkeit (Widerstand gegen Bruch) o Gering, ermöglicht Sollbruchstellen, Steigerung durch Fasern möglich - Innere Dämpfung o Hoch, erlaubt Dämpfung von Schall und Vibrationen, höhere Lebensdauer bei Lagern und Zahnrädern, kann zu Erwärmung bei Belastung führen - Gebrauchstemperatur o Begrenzt, Festigkeit und Steifigkeit sinken mit steigender Temperatur o Ermöglichen erst die wirtschaftlichen Herstellprozesse der Kunststoffverarbeitung - Wärmeausdehnung o Hoch, erzwingt große Toleranzen zw. Großflächigen Bauteilen - Wärmeleitfähigkeit o Gering, ermöglicht Wärmeisolation, hoher Aufwand bei Kühlung der Schmelze - Elektr. Eigenschaften o Niedrige elektrische Leitfähigkeit, ermöglicht elektrische Isolation - Andere Eigenschaften o Teils hohe Transparenz o Chemikalienresistent o Hohe Härte o Für manche Gase und Flüssigkeiten durchlässig o Nicht magnetisch o Keine Oberflächenkorrosion o teils antihaftend und gut gleitend Hochleistungsthermoplaste (bis ca. 300°C)

Technische Thermoplaste (bis ca. 200°C)

Standard-Thermoplaste (bis ca. 100°C)

Werkstoffvorauswahl und endgültige Festlegung: - spätere Erkenntnisse im Entwicklungsprozess können es erforderlich machen die Werkstoffauswahl zu korrigieren (Verarbeitbarkeit, Korrektur der Schwindung) o Werkstoffvorauswahl ist nur eine Annahme, kann sich im Entwicklungsprozess ändern o Empfehlung: mehrere Optionen auswählen und im Prozess laufend abwägen Amorphe Thermoplaste - Geringe Dehnfähigkeit - Hohe Maßgenauigkeit und Maßhaltigkeit - Uneingefärbt transparent - Gefahr des Lösens und Quellens Teilkristalline Thermoplaste - Meist höhere mechanische Eigenschaften - Höhere Schwindung - Chemikalienresistenter - Uneingefärbt milchig Vorgehensweise - Umwandlung o Ermitteln von Zielen und Randbedingungen  Was soll mein Werkstoff können? - Screening (Suche in bspw. Campus und evtl. Unterstützung durch Trichtermodell etc.) o Vorsortieren durch Bedingungen  Welche Werkstoffe erfüllen die Anforderungen? - Ranking o Rangordnung der vorsortierten Werkstoffe erstellen  Wie gut werden die Anforderungen erfüllt? - Analyse o Detailbetrachtung der besten Werkstoffe  Welche Stärken/Schwächen abseits der definierten Anforderungen haben die Werkstoffe?

Wettbewerb der Werkstoffe - Teurer Werkstoff konnte aufgrund der guten mechanischen Eigenschaften sehr dünnwandig in einem Produkt eingesetzt werden  Werkstoffeinsparung, sowie geringe Kühlzeit führten zur Auswahl - Laserbeschreibbarkeit eines teuren Werkstoffs spart teures 2K-Spritzgießen Kurzdarstellung wichtiger Kunststoffe: - PVC (amorph) - PS (amorph) - ABS (amorph) - PMMA (amorph) bzw. „Plexiglas“ - PE-HD (teilkristallin) - PP (teilkristallin) - PC (amorph) - PC/ABS-Blend (amorph) - POM (teilkristallin) - PA6 (teilkristallin) - PBT (teilkristallin) - PA66 (teilkristallin) - PET (amorph/teilkristallin) - PES (amorph) - ...

Werkstoffauswahl in der Medizintechnik Was ist ein Medizinprodukt? - Alle einzeln oder miteinander verbunden verwendete Instrumente, Apparate, Vorrichtungen, Software, Stoffe und Zubereitungen aus Stoffen oder andere Gegenstände, die ihre bestimmungsgemäße Hauptwirkung auf physikalischem Weg erreicht Einteilung von Medizinprodukten: - Art des Körperkontakts o Kontakt zur Körperoberfläche o Kontakt von außen mit Körperinnerem o Implantierbare Produkte - Dauer des Körperkontakts  aufwendige Prüfungen! Sterilisationsverfahren beeinflussen Werkstoffauswahl: - Hitzesterilisationsverfahren - Niedertemperatur-Gas-Verfahren - Sterilisation mit ionisierender Strahlung - Sterilisation mit wässrigen Lösungen

02 Werkstoffgerechtes Konstruieren Lernziele: - Beispiele für die Funktions- und Gestaltungsvielfalt von Kunststoffbauteilen erläutern - Ursachen für Verzug erkennen und geeignete Abhilfemaßnahmen vorschlagen - Zustandekommen von thermischen Eigenspannungen verstanden haben - Wissen, wie geometrische Spannungskonzentrationen verringert werden können Gestaltungsvielfalt - Integration von Funktionselementen in den energieeffizienten Urformprozessen der Kunststoffverarbeitung o Rippen o Schnapphaken o Schraubdome o Kabelführung o Motor- und Getriebepositionierung o Schnappverschlüsse o Scharniere (metallischen Gelenken zu bevorzugen  einfacheres Recycling - Outserts: Funktionselemente aus Kunststoff - Inserts: Funktionselemente aus Metall Wärmeausdehnung - Thermische Spannung entstehen durch behinderte Wärmeausdehnung, Ursachen sind: o Schwindungsbehinderung durch formgebundene Werkzeugmaße o Ortsvariable Temperaturbelastung im Bauteil - Kombination von Werkstoffen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten Schwindung und Verzug Entstehung von Winkelverzug - Besonders in Ecken bzw. Kanten  Bauteil wird von „innen“ nicht so gut gekühlt wie von außen - Verringerung von Winkelverzug in Ecken durch Radien (Verringerung des Querschnitts in Eckbereichen Orientierung und Schwindung - Fließinduzierte Orientierungseffekte verursachen unterschiedliche Schwindung parallel und senkrecht zur Fließrichtung o Schwindung senkrecht zur Fließrichtung höher als in Fließrichtung - Verringerung von Schwindung o Homogenere Kühlung o Niedrige Ausstoßtemperatur (Eigenspannung werden eingefroren) o Bei hohen Ausstoßtemperaturen Vermeiden von Krümmungsverzug o Gewölbte Oberflächen o Abgestufte Zonen Wanddickeneinfluss: - Bauteilgestalt mit ungleichmäßiger Wanddicke führt zu einer Biegung durch stärkere Schwindung der dickeren Seite

Lösung: Aussparungen an der Unterseite zur Einhaltung einer einheitlichen Wanddicke

Vermeidung von Bauteilen mit unterschiedlicher Wanddicke!

Massenanhäufungen - Massenanhäufungen führen zu Lunkern im Inneren und dadurch zu Einfallstellen - Vermeidung von Massenanhäufung durch andere Gestalt! Massenanhäufungen bei Rippen - Je dicker die Rippe, desto tiefer die Einfallstelle - Verbergen von Einfallstellen durch Rippen mithilfe von Nuteneinbringung oder definierten Oberflächen (Narbung, Strukturierung, Nocken) - Auch bei Rippenkreuzungen auf Massenanhäufungen achten! - Rippenkreuzungen wenn möglich vermeiden  Kantenrippen, bzw. Rippen verlegen Massenanhäufungen bei Schraubdomen - Bildung von Einfallstellen oder Hohlräumen  meistens freistehend, versteift oder über dünne Rippen mit dem Bauteilrand verbunden, um die Biege- und Torsionssteifigkeit zu erhöhen

Zusammenfassung - Geringes E-Modul kann durch Verrippung kompensiert werden - Thermische Eigenschaften von Kunststoffen erfordern dünnwandige, schwindungs- und verzugsarm herstellbare Konstruktionen - Gleiche Wanddicken für gleichmäßige Abkühlung und Schwindung! - Kriech- und Wärmedehnung beachten! Bei der Gestaltung von Spritzgießprodukten gilt: - Gestaltungsspielraum im Urformprozess nutzen - Gleiche Wanddicken - Massenanhäufungen vermeiden - Nutzung von Rippen zur geometrischen Versteifung - Rippen spritzgießgerecht gestalten zur Einfallstellenvermeidung auf der Rückseite - Anbindung von Schraubdomen über Stege - Großflächige ebene Flächen vermeiden, um Verwerfungen zu reduzieren - Ecken und Kanten mit Radien versehen  Kerbe Bei der Gestaltung von Pressprodukten: - Wanddicke so gering wie möglich (geringe Zykluszeit) - Gleiche Wanddicken - Massenanhäufungen vermeiden - Rippen pressgerecht gestalten - Ecken und Kanten mit Radien Bei der Gestaltung von Blasformprodukten: - Gleiche Wanddicken für gleichmäßige Abkühlung und Schwindung - Massenanhäufung vermeiden - Großflächige ebene Flächen vermeiden - Butzen so klein wie möglich halten (Material einsparen)

03 Beanspruchungsgerechtes Konstruieren Lernziele: - Verschiedene Beanspruchungsarten, die ein Bauteil im Laufe seiner Lebenszeit erträgt unterteilen - Konventionelle Methoden zur beanspruchungsgerechten Gestaltung einiger typischer Funktionselemente aus Kunststoff anwenden - Maßnahmen zur geometrischen Versteifung von Bauteilen einsetzen - Prinzip sowie die Grenzen der Lebensdauervorhersage durch beschleunigte Alterung erklären Beanspruchungsgerechtes Konstruieren: - Mechanische Einflüsse (Kräfte (statisch, dynamisch), Reibung) o Praxis: Eigenspannungen, Vibration - Thermische Energie (Temperaturwechsel, Hohe/tiefe Temperaturen) o Praxis: Abwärme, Temperierung - Energiereiche Strahlung (Lichteinwirkung (UV-Strahlung), Elektronen, Protonen, Neutronen, Röntgenstrahlung) o Teilentladungen, Funkenentladungen, Durchschlag - Chemische Einflüsse (Sauerstoff, Öl, Tenside, Schadstoffe) o Kühlflüssigkeiten, Kondenswasser - Kombinierte Einflüsse Verrippung - Erhöhung des Flächenträgheitsmomentes bei gleichem Querschnitt Auslegung von Schnappverbindungen - Schnappverschlüsse ermöglichen die kostengünstige und montagefreundliche Verbindung von Anbauteilen - Ausführungen o Schnapphaken o Ringschnappverbindung o Torsionsschnappverbindung - Formschrägen von 3° oder kleiner für Entformung beim Spritzgießen - Um Lösen durch Retardation/ Kriechen zu vermeiden muss der Schnapphaken im eingeschnapptem Zustand unbelastet sein o Lösewinkel: Wie schwer der Haken lösbar ist o Fügewinkel: Schnapphaken: Bestimmung wie einfach der Haken zur Seite gedrückt werden kann - Querschnitte von Schnapphaken können: o Konstant o Verjüngend (sowohl in Dicken, Breiten oder auch in beide Richtung)  Gleichmäßigere Spannungsverteilung und höhere zulässige Durchbiegung - Bei Schnapphaken ausreichend Nachgiebigkeit durch konstruktive Optimierung gewährleisten - Lange Schnapphaken oder Torsionsschnappverbindung anstreben o Schlitze verlängern Hakenarm - Überdehnungssicherung bei dünnen Schnapphaken durch Rippen oder sonstige Begrenzungen

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o Haltesicherung / Verschlussglieder o Öffnungshilfen Ausrundungen nicht zu groß wählen  Massenanhäufung Schädigungsbeginn in Kunststoffen: Fließzonen und Crazes o In Kerben bilden sich Fließzonen aus, die den Werkstoff zusammenhalten  trotzdem Radien vorsehen! Schnapphaken werden beim Lösen und Fügen mechanisch belastet! o Beachtung der zulässigen Dehnung von Schnappverbindungen An Schwachstellen des Querschnitts Radien anbringen bzw. Wanddicke erhöhen und scharfkantige Durchbrüche vermeiden

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Kerbspannungseffekte vermeiden durch Schlitze, die eine größere Biegung ermöglichen  geringere Biegespannung Auslegung von Schraubdomen - Entlastungssenkung  verhindert Spannungsüberlagerung - Runder Kernlochquerschnitt  Vermeidung von Spannungsspitzen - Kernloch ca. 1/3 in Boden eintauchen - Konizität von 0,5 – 1 °  bessere Entformbarkeit - Aussparung um den Schraubdomfuß, Tiefe ca. 1/3 der Bodenwanddicke Haltesicherung durch Füllstift - Füllstift ist durch dünne Schwimmhäute an das Bauteil angebunden und drückt nach dem Fügen den Dom unten auseinander

Auslegung von Filmscharnieren - Radien bei Filmscharnieren müssen ausreichend groß sein, um Spannungskonzentrationen zu vermeiden und eine verteiltere Deformation und Spannung zu erreichen

Alterung und Lebensdauervorhersage - Gesamtheit aller im Laufe der Zeit in einem Material irreversibel ablaufender chemischen und physikalischen Vorgänge. - Technische Eigenschaften o Gewicht o Festigkeit, Bruchdehnung o Veränderung thermischer und elektrischer Eigenschaften o Permeation - Visuelle Veränderung o Farbänderung o Oberfläche o Spannungsrisse o Zersetzungen - Chemische Veränderung o Reaktionen an Polymer oder/und Additiv o Molmasse, Molmassenverteilung Für eine Vorhersage bzw. Entscheidung für den Versagensmechanismus muss der Grenzwert festgelegt werden, der das Bauteilversagen hinreichend charakterisiert - Tatsächliche Einsatzbedingungen: o Mechanisch (statisch, dynamisch?) o Temperatur o Medien (Kühlmittel, Kraftstoffe, …) o Strahlung (UV-, Röntgen-, …) - Versagensmechanismen: o Hauptausfallkriterium o Beschleunigungsfaktoren  Temperatur  Zyklen  Medienkonzentration  Kombinierte Einflüsse - Zeitraffende Einlagerung o Einlagerung von Prüfkörpern unter der definierten Belastung/Prüfumgebung o Entnahme der Prüfkörper nach verschiedenen Zeiten und Prüfung der spezifischen Eigenschaften o Messung bei mindestens drei weiteren Temperaturen, Entnahme und Prüfung wie oben o Auftragen der Messergebnisse und Bestimmung der Ausfallzeitgeraden o Auftragen der Zeiten t bis zum Erreichen des gleichen Grenzwertes bei drei Temperaturen. Extrapolation zur Einsatztemperatur führt zur Abschätzung der Ausfallzeit  Achtung: Beschleunigungsfaktoren verkürzen den Zeitaufwand, jedoch ungenauer! Extrapolation über mehr als eine Zeitdekade kritisch! Unbekannte Versagensmechanismen werden zeitraffend nicht erkannt.

Überlagerung mehrerer Beanspruchungen können nur schwer abgebildet werden!

04 – Bauteildimensionierung Lernziele - Festigkeits- und Verformungskennwerte zur Dimensionierung von Kunststoffbauteilen erklären - Verschiedene statische und dynamische Beanspruchungsarten darlegen - Gründe für die Verwendung von Sicherheits- und Abminderungsfaktoren kennen - Eine zur klassischen Auslegung nach Spannung sinnvolle Alternative für Kunststoffe kennengelernt haben - Gründe von Maßänderungen an Kunststoffbauteilen nennen Grundlagen der Bauteildimensionierung Basis zur Dimensionierung - Vorgegebene Belastungen (Lastannahmen) - Gemessene Werkstoffkennwerte oder Werkstoffkennwerte aus Datenbanken - Strukturmechanische Berechnungsverfahren - Berücksichtigung von Umgebungseinflüssen - Auslegeszenarien bis zum Erreichen des Gebrauchs- oder Lebensendes  unnötige Überdimensionierung führt zu - Steigerung der Bauteilkosten - Erhöhung des Gewichts - Vergrößerung der Bauteilmaße - Entscheidung gegen die Lösung aus Kunststoff Realität - Änderungen von Lastannahmen im Betrieb - Strukturberechnungen sind falsch vereinfacht - Werkstoffkennwerte streuen - Änderung von Umgebungseinflüssen  Sicherheitsfaktor um Schwankungen auszugleichen o Vermeidung des vorzeitigen Versagens aufgrund unabwägbarer Einflüsse o Eingeplante Überdimensionierung Dimensionierung gegen eine zulässige Spannung

Berechnung von Kunststoffen schwieriger, da - Viskoelastisches Verformungsverhalten - Starker Einfluss von Zeit, Temperatur und Höhe der Belastung - Fehlen von Kennwerten bei komplexer Beanspruchung - Starker Einfluss der Verarbeitung auf die Eigenschaften Kennwerte aus dem Zugversuch

Streckspannung

Bruchspannung

EC = Kriechmodul als Kennwert für zeitabhängige Belastungen: Verhalten zwischen Spannung und sich zeitabhängig einstellender

Ursprungs-Elastizitätsmodul = Zusammenhang zwischen erster Spannung und erster Verformung

Tangentenmodul = Widerstand gegen Verformung am Lastpunkt gegenüber zunehmender Belastung Sekantenmodul = Widerstand gegen Verformung zwischen Null- und Lastpunkt

Streckdehnung

Bruchdehnung

Streckspannung: Zugspannung bei der die Steigung der Spannungs-Dehnungskurve den Wert 0 erreicht Zugfestigkeit: Spannung bei Höchstkraft des Zugversuchs Sicherheitsfaktoren: - Basieren auf Erfahrungen und Untersuchungsergebnissen - Je genauer die Gebrauchsbeanspruchung vorhersehbar ist, desto niedriger können Sicherheitsbeiwerte gewählt werden - S niedriger je genauer die Berechnungsmethoden sind - Teilkristalline können durch duktiles Werkstoffverhalten mit einem niedrigeren S belegt werden, als amorphe Thermoplaste, Dur...