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Dipl.-Ing. (FH) Roland Gänßler
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Konstruktion mit Kunststoffen

Kunststoffe bieten einige Vorteile, wenn sie eingesetzt werden.

Kunststoff ist die Werkstoffgruppe, die meisten Mitglieder hat. Dadurch kann der Werkstoff sehr viel genauer ausgewählt werden, um den Werkstoff zu finden, der für die Anforderungen optimal geeignet ist.

Materialeigenschaften

Die Materialeigenschaften können heute durch Zusätze weitgehend an die Anforderungen angepasst werden. Bei der Konstruktion von Kunststoff-Bauteilen müssen jedoch Eigenschaften berücksichtigt werden, die bei Metallen in dieser Form nicht zum Tragen kommen.

Mit Kunststoff können sehr viel mehr Funktionen in einem Bauteil integriert werden, da die durch die vielfältigen Möglichkeiten bei der Gestalt eines Bauteiles mehr Funktionen integriert werden können. Die Eigenschaften des Materials lassen auch flexible Elemente zu.

Eine weitere Möglichkeit ist es, harte und weiche Materialien kombinieren zu können, um zum Beispiel Dichtlippen an einem Gehäuse zu realisieren.

Aber es gibt auch einige Nachteile:

Während die Materialeigenschaften wie E-Modul bei Metallen als konstant angenommen werden können, sind diese bei Kunststoffen stark von der Temperatur abhängig und werden auch von der Belastungsgeschwindigkeit beeinflusst.

Ein weiterer – negativer – Punkt sind die großen Toleranzen, die bei Konstruktionen aus Kunststoffen auftreten, wenn sie im Spritzgußverfahren oder als Extrusionsprofile produziert werden. Sie sind deutlich größer als die Toleranzen Aber auch andere Eigenschaften können Probleme bereiten. Hier können und müssen bei der Konstruktion Lösungen gefunden werden, die Probleme umgehen.

Bei der Auswahl des Kunststoffes ist viel zu beachten. Neben den mechanischen Eigenschaften muss berücksichtigt werden, wie sich das Material innerhalb des Temperaturbereiches verhält, für den die Bauteile gedacht sind. Auch die Art und Dauer der Belastung ist zu berücksichtigen. Ebenso spielt die Oberfläche des Produktes eine Rolle. Nicht jeder Kunststoff kann galvanisiert werden und manche Kunststoffe können schwieriger geklebt werden als andere oder gar nicht geklebt.

Fertigungsverfahren

Neben den bekannten Herstellungsverfahren wie Sägen, Bohren, Fräsen werden Kunststoffe vor allem extrudiert, spritzgegossen oder auch blasgeformt.

Beim Extrudieren – grob gesagt – wird weicher Kunststoff aufgewärmt und durch eine Matrize gepresst. Wenn er kalt wird, bleibt die Form erhalten. Dabei sind nicht nur Profile mit konstantem Querschnitt möglich, sondern inzwischen auch Profile, bei denen sich der Querschnitt ändert.

Blasgeformte Bauteile begegnen uns meist in der Form von Kunststoffflaschen. Bei diesem Verfahren – genauer gesagt sind es mehrererVarianten – wird ein weiches Kunststoffrohteil aufgeblasen. Neben den Flaschen, die ich bereits erwähnt habe, werden viele hohle Teile in dieser Weise produziert. Neben Spielwaren sind auch Luftkanäle zu erwähnen.

Die meisten Möglichkeiten bei der Gestaltung bietet uns der Spritzguß. Bei ihm wird flüssiger Kunststoff in eine Form eingepitzt und kühlt dort soweit ab, dass das Bauteil entnommen werden kann.

Viele Spritzgußteile befinden sich im Sichtbereich. Oberflächenfehler wie Einfallstellen, Bereiche mit Weißbruch oder sichtbare Bindenähte sind dort nicht erwünscht (Optik). Diese Fehler lassen sich häufig durch Maßnahmen bei der Konstruktion wie Wanddickenverhältnisse oder fließgerechte Auslegung der Bauteilgeometrie vermeiden. Hier ist der Konstrukteur gefordert, damit seine Konstruktion diese Fehler nicht aufweist.

Bei der Konstruktion des Bauteiles muss berücksichtigt werden, dass sich das Konzept für das Spritzgusswerkzeug zumindest teilweise im Bauteil widerspiegelt. Für den Konstrukteur heißt das: Er muss nicht nur mit der Konstruktion von Bauteilen aus Kunststoff vertraut sein, sondern muss er sich auch mit der Werkzeugtechnik vertraut machen.

Viele Spritzgußteile befinden sich im Sichtbereich. Oberflächenfehler wie Einfallstellen, Bereiche mit Weißbruch oder sichtbare Bindenähte sind dort nicht erwünscht (Optik). Diese Fehler lassen sich häufig durch Maßnahmen bei der Konstruktion wie Wanddickenverhältnisse oder fließgerechte Auslegung der Bauteilgeometrie vermeiden. Mit Hilfe einer Füllstudie lassen sich Prtobleme bei der Füllung des Werkzeuges besser erkennen und von vorn herein Abhilfe schaffen. Deshalb ist es sinnvoll, bereits bei der Konstruktion solche Studien durchzuführen - nicht erst bei der Konstruktion der Werkzeuge.