Lösungen für übermäßige Wandstärken beim Spritzgießen

Übermäßige Wandstärke ist ein häufiges Problem bei der Konstruktion und Fertigung von Spritzgussteilen. Sie beeinträchtigt nicht nur die Produktqualität, sondern erhöht auch die Produktionskosten und verringert die Produktionseffizienz. Die spezifischen Gefahren zeigen sich hauptsächlich in folgenden Aspekten:

1. Häufige Formfehler: Zu große Wandstärken führen zu ungleichmäßiger Abkühlung der Schmelze und erschweren die Wärmeabfuhr im Inneren. Dies verursacht leicht Fehler wie Einfallstellen, Vertiefungen, Blasen und Verzug. Schrumpft beispielsweise der dickwandige Bereich beim Abkühlen, kann das Oberflächenmaterial nicht rechtzeitig nachgefüllt werden, was zu deutlichen Einfallstellen führt. Die unvollständig abgekühlte Schmelze im Inneren schrumpft weiter, wodurch sich Blasen bilden und die strukturelle Integrität des Produkts beeinträchtigt werden kann.

2. Geringe Produktionseffizienz: Eine erhöhte Wandstärke verlängert die Schmelzefüllzeit und den Kühlzyklus, wodurch die Effizienz des Spritzgießens deutlich sinkt. Unter gleichen Produktionsbedingungen kann die Kühlzeit dickwandiger Teile das Zwei- bis Dreifache der Kühlzeit von Teilen mit angemessener Wandstärke betragen, was zu einem erheblichen Rückgang des Ausstoßes pro Zeiteinheit und einem erhöhten Energieverbrauch in der Produktion führt.

3. Materialverschwendung und steigende Kosten: Übermäßige Wandstärken führen zu einem erhöhten Rohmaterialverbrauch und damit zu höheren Materialkosten. Gleichzeitig verlängert sich die Abkühlzeit, was einen höheren Energieverbrauch und beschleunigten Werkzeugverschleiß zur Folge hat und die Produktionskosten weiter in die Höhe treibt.

4. Schlechte mechanische Eigenschaften: Eine zu große Wandstärke kann zu ungleichmäßiger Kristallisation im Inneren des Kunststoffs und zum Auftreten von Spannungskonzentrationen führen, wodurch die mechanischen Eigenschaften des Produkts wie Schlagfestigkeit und Zähigkeit verringert und die Lebensdauer und Sicherheit des Produkts beeinträchtigt werden.

Um das Problem der übermäßigen Wandstärke anzugehen, ist ein umfassender Ansatz erforderlich, der verschiedene Aspekte wie die Optimierung der Konstruktionsgrundlagen, die Anpassung der Prozesse und die Anpassung der Materialien berücksichtigt, mit dem Ziel, die Wandstärke zu reduzieren, ohne die Qualität zu beeinträchtigen.

(I) Optimierung der Produktstruktur: Wandstärkekontrolle an der Quelle

Die Produktgestaltung ist der entscheidende Faktor zur Vermeidung übermäßiger Wandstärken. Unter der Voraussetzung, dass die Nutzungsanforderungen erfüllt werden, sollte die unnötige Wandstärke durch eine wissenschaftliche Konstruktion reduziert werden, wobei die strukturelle Festigkeit gewährleistet bleiben muss.

1. Gleichmäßige Wandstärke ist entscheidend: Spritzgussteile sollten eine gleichmäßige Wandstärke aufweisen, um lokal auftretende, übermäßig dicke Wandabschnitte zu vermeiden. Bei der Konstruktion sollte ein geeigneter Wandstärkenbereich anhand der Produktanwendung und der Belastungsbedingungen festgelegt werden (typischerweise liegt die optimale Wandstärke für Thermoplaste zwischen 1 und 4 mm, wobei sie je nach Materialeigenschaften angepasst werden muss). Bei stark beanspruchten Bauteilen können anstelle einer Erhöhung der Wandstärke Verstärkungsrippen und Rundungen eingesetzt werden. Dies gewährleistet nicht nur die Festigkeit, sondern verhindert auch lokal auftretende, übermäßige Wandstärken.

2. Hohlstrukturen und Entlastungsbohrungen einsetzen: Bei großvolumigen Spritzgussteilen ohne interne Funktionsanforderungen können Hohlstrukturen oder Entlastungsbohrungen verwendet werden, um die Wandstärke im Kernbereich zu reduzieren. Beispielsweise lassen sich bei Produkten wie Gehäusen für Haushaltsgeräte und Fahrzeuginnenausstattungen gitterartige Hohlstrukturen in nicht beanspruchten Bereichen anordnen. Dies reduziert nicht nur den Materialverbrauch, sondern verbessert auch den Schmelzfluss und die Kühlung.

3. Optimierung der Übergangszone: Der Übergang zwischen Bereichen mit unterschiedlichen Wandstärken im Produkt sollte gleichmäßig sein. Abrupte Änderungen im rechten oder spitzen Winkel sind zu vermeiden. Dies verhindert Schmelzstau und -ansammlungen während des Fließens und reduziert gleichzeitig Defekte durch ungleichmäßige Abkühlung. Der Neigungswinkel der Übergangszone sollte idealerweise zwischen 30° und 60° liegen, um einen gleichmäßigen Schmelzfluss zu gewährleisten.

(II) Anpassung der Spritzgießprozessparameter: Anpassung an die Formgebungsanforderungen nach der Dickenreduzierung

Nach der Optimierung der Produktstruktur ist es notwendig, die Parameter des Spritzgießprozesses anzupassen, um ein reibungsloses Formen der spritzgegossenen Teile mit reduzierter Dicke zu gewährleisten und Probleme wie unzureichende Füllung und Gratbildung zu vermeiden.

1. Verbesserung der Schmelzefließfähigkeit: Durch eine angemessene Erhöhung der Zylinder- und Werkzeugtemperatur wird die Viskosität der Schmelze reduziert und ihre Fließfähigkeit verbessert. Dadurch füllt die Schmelze den Formhohlraum schnell und mit reduzierter Wandstärke. Die Zylindertemperatur sollte je nach Kunststoffmaterial angepasst werden (z. B. 180–220 °C für PP und 200–250 °C für ABS), die Werkzeugtemperatur wird üblicherweise auf 40–80 °C eingestellt. Dies verhindert Materialschäden durch zu hohe oder zu niedrige Temperaturen.

2. Optimieren Sie Einspritzdruck und -geschwindigkeit: Erhöhen Sie Einspritzdruck und -geschwindigkeit, um die Schmelzefüllzeit zu verkürzen und eine unzureichende Füllung aufgrund reduzierter Kavitätswandstärken zu vermeiden. Es wird empfohlen, den Einspritzdruck im Vergleich zu den ursprünglichen Parametern um 10–20 % zu erhöhen (die Anpassungen sollten in Verbindung mit der Werkzeugtragfähigkeit erfolgen). Die Einspritzgeschwindigkeit kann segmentiert werden: schnelles Füllen in der Anfangsphase und langsames Halten des Drucks in der späteren Phase, um Schmelzeaufprall und Gratbildung zu reduzieren.

3. Anpassung der Druckhalte- und Kühlparameter: Die Abkühlgeschwindigkeit von Spritzgussteilen mit reduzierter Wandstärke ist höher. Daher müssen die Druckhaltezeit und die Kühlzeit entsprechend angepasst werden. Die Druckhaltezeit kann um 10–15 % verkürzt werden, um Verformungen durch zu hohen Druck zu vermeiden. Die Kühlzeit sollte je nach Formgebungssituation optimiert werden, um sicherzustellen, dass die Produkttemperatur beim Entformen unterhalb der Wärmeformbeständigkeitstemperatur liegt und somit Verzug minimiert wird.

(III) Geeignete Materialien auswählen und Formen verbessern

1. Wählen Sie hochfließfähige Materialien: Für Spritzgussteile mit dünnen Wänden empfiehlt sich die Verwendung von Kunststoffen mit guter Fließfähigkeit, wie z. B. PP, PE und ABS, oder modifizierten Kunststoffen (z. B. mit Weichmachern modifiziertes PVC), um den Spritzguss zu vereinfachen. Vermeiden Sie die Verwendung von Materialien mit geringer Fließfähigkeit (wie PC und POM) für dünnwandige Produkte, es sei denn, die Spritzgussanforderungen können durch Prozessoptimierung oder Werkzeugverbesserung erfüllt werden.

2.Optimieren Sie die Werkzeugstruktur: Verbessern Sie das Anguss-System des Werkzeugs, indem Sie die Angussgröße vergrößern und die Kanallänge verkürzen, um den Schmelzeflusswiderstand zu reduzieren. Verwenden Sie beispielsweise Punkt- oder Fächerangüsse, um die Schmelzefüllung zu verbessern. Installieren Sie Kaltanschnitte im Kanal, um zu verhindern, dass kaltes Material in den Formhohlraum gelangt und die Formqualität beeinträchtigt. Polieren Sie gleichzeitig die Oberfläche des Formhohlraums, um die Schmelzeflussreibung zu verringern und die Füllwirkung zu verbessern.

3.Entlüftungssysteme hinzufügen: Nach der Wandstärkenreduzierung lässt sich das Gas im Formhohlraum schlechter abführen, was leicht zu Fehlern wie Blasenbildung und Brandflecken am Produkt führen kann. Entlüftungsnuten sollten am Ende des Formhohlraums, an Stellen mit ungünstigem Schmelzfluss und an anderen geeigneten Stellen angeordnet werden. Die empfohlene Breite der Entlüftungsnut beträgt 0,01–0,03 mm und die Tiefe 0,5–1 mm, um eine rechtzeitige Gasabführung während des Formprozesses zu gewährleisten.

(IV)Stärkung der Qualitätsprüfung und iterativen Optimierung

1. Standards für die Wanddickenprüfung festlegen: Die Wanddicke von Spritzgussteilen ist während der Produktion regelmäßig mit Werkzeugen wie Messschiebern und Ultraschall-Dickenmessgeräten zu prüfen, um sicherzustellen, dass die tatsächliche Wanddicke den Konstruktionsvorgaben entspricht und um lokale übermäßige Wanddicken aufgrund von Produktionsabweichungen zu vermeiden.

2. Formprüfung und Prozessoptimierung: Nach Anpassung der Produktstruktur und der Prozessparameter führen Sie eine Formprüfung durch, um den Füllzustand, die Oberflächenqualität und die mechanischen Eigenschaften des Produkts zu überprüfen. Treten Probleme wie unzureichende Füllung oder Einfallstellen auf, optimieren Sie die Konstruktion oder die Prozessparameter weiter, bis die geforderten Standards erreicht sind.

3. Langfristige Überwachung und Rückmeldung: Die Produktqualität wird während der Serienproduktion kontinuierlich überwacht. Daten zu Formfehlern werden erfasst und die Ursachen regelmäßig analysiert, um das Verfahren zu optimieren. Treten beispielsweise wiederholt lokale Einfallstellen auf, kann die Wandstärke in diesem Bereich optimiert werden, was eine Anpassung der Konstruktion erforderlich macht.

I. Vorsichtsmaßnahmen und Zusammenfassung

Um das Problem übermäßiger Wandstärken bei Spritzgussteilen zu lösen, muss das Prinzip „Priorität im Design, Prozessanpassung und Materialabstimmung“ befolgt werden. Im Kern geht es darum, unnötige Wandstärken unter Einhaltung der Produktfunktionen und mechanischen Eigenschaften so weit wie möglich zu minimieren. Dabei sind folgende Punkte zu beachten:

1. Bei der Optimierung der Struktur sollte die Wandstärke nicht übermäßig reduziert werden. Es ist notwendig, durch Festigkeitsprüfungen zu überprüfen, ob das Produkt die Nutzungsanforderungen erfüllt, um Qualitätsprobleme wie Produktbruch und Verformung aufgrund zu dünner Wände zu vermeiden;

2. Die Anpassung der Prozessparameter sollte schrittweise erfolgen. Vermeiden Sie drastische Änderungen auf einmal, um neue Formfehler wie Gratbildung und Formverklemmung zu verhindern;

3. Die Werkzeugoptimierung sollte mit der Produktstruktur und den Materialeigenschaften abgestimmt sein. Vermeiden Sie das unreflektierte Hinzufügen von Angüssen oder Entlüftungsnuten, da dies die Werkzeuglebensdauer und das Produktbild beeinträchtigen kann.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Lösung des Problems übermäßiger Wandstärken bei Spritzgussteilen ein systematisches Projekt darstellt. Es erfordert eine kollaborative Optimierung verschiedener Aspekte, darunter Konstruktion, Prozess, Materialien und Formen. Dadurch werden nicht nur bestehende Mängel behoben, sondern auch Produktionseffizienz und Kostenkontrolle in Einklang gebracht, was letztendlich zu einer Win-Win-Situation für Produktqualität und Wirtschaftlichkeit führt.