10 Grundregeln zur Konstruktion von Kunststoffprodukten

10 Grundregeln zur Konstruktion von Kunststoffprodukten

 

 

 

von: Torsten Kies

Carl Hanser Fachbuchverlag, 2014

ISBN: 9783446441682

Sprache: Deutsch

319 Seiten, Download: 9786 KB

 
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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  
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