Anleitung zum Bau von Spritzgießwerkzeugen

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1 Georg Menges Paul Mohren Anleitung zum Bau von Spritzgießwerkzeugen 3., völlig überarbeitete und erweiterte Auflage mit 594 Bildern und 46 Tabellen Carl Hanser Verlag München Wien

2 1 Werkstoffe für den Werkzeugbau Stähle Genereller Überblick Einsatzstähle Einsatzbehandlung Nitrierstähle Durchhärtende Stähle Vergütete Stähle zur Verwendung im Anlieferungszustand Martensitisch aushärtende Stähle Korrosionsbeständige Stähle Umschmelz-Stähle Gußwerkstoffe Stahlguß Nichteisenmetallische Werkstoffe Kupferlegierungen Kupfer-Beryllium-Legierungen Zink und dessen Legierungen Aluminium-Legierungen Zinn-Wismut-Legierungen Galvanisch abgeschiedene Werkstoffe Oberflächenbehandlung von Stählen für Spritzgießwerkzeuge Generelle Hinweise Wärmebehandlung von Stählen Aufkohlen (Einsetzen, Zementieren) Nitrieren Borieren Elektrochemische Behandlungsverfahren Verchromen - Vernickeln Hartverchromen Vernickeln NYE-CARD-Verfahren Hardalloy-Beschichtung Schlußbemerkung Beschichtung bei niedrigen Drücken CVD-Verfahren PVD-Verfahren Besondere Vergütungsverfahren Härten mit Laser Elektronenstrahl-Härten 33

3 VIII 1.7 Werkstoffe und Verfahren für die Herstellung von Versuchswerkzeugen für kleine Stückzahlen Gießharze Keramische Formmassen Werkstoffe für Funktions- und Montageteile (Formgestelle) an Spritzgießwerkzeugen (Werkzeug-Normalien) 35 Literatur zu Kapitel Fertigungsverfahren für Spritzgießwerkzeuge Gießen Gießverfahren Sandguß Genauguß, Keramikguß Preßguß Metallspritzen Galvanoformung Einsenken Spanende und abtragende Bearbeitungsverfahren Spanende Formung Oberflächenbearbeitung (Glätten) Schleifen und Polieren (manuell oder unterstützt) Gleitschleifen Strahlläppen Preßläppen Elektrochemisches Polieren Funkenerosives Polieren Integration von rechnergestützter Konstruktion und NC- Programmierung Elektroerosive Bearbeitung Funkenerosion Funkenerosives Schneiden mit Drahlelektroden Abtragen durch elektrochemische Auflösung (ECM) Abtragen durch chemische Auflösung (chemisches Ätzen) Elektroerosiv oder durch chemische Auflösung (Ätzen) gefertigte Oberflächen Werkzeuge für beliebig geformte Hohlkörper Schalentechnik - Kernausschmelztechnik Stereolithographie - Ein Verfahren zur Herstellung von Prototypen und Modellen 73 Literatur zu Kapitel Verfahren zur Abschätzung der Werkzeugkosten Allgemeines Verfahren zur Werkzeugkalkulation Kalkulationsgruppe I: Formnest Ermittlung des Zeitbedarfs für die Fasson Zeitfaktor Bearbeitungsverfahren 82

4 IX Bearbeitungszeit Konturtiefe Bearbeitungszeit Formnestoberfläche Zeitfaktor Formtrennfläche Zeitfaktor Oberflächengüte Bearbeitungszeit feststehender Kerne Zeitfaktor Toleranz Zeitfaktor Schwierigkeitsgrad und Vielgestaltigkeit Zeitfaktor Formnestzahl Ermittlung der Bearbeitungszeit für die Herstellung der Erodierelektroden Kalkulationsgruppe II: Grundaufbau Kalkulationsgruppe III: Grundfunktionseinheiten Angußsystem Angußverteilerkanäle Heißkanalsysteme Temperiersystem Auswerfersystem Kalkulationsgruppe IV: Sonderfunktionen 92 Literatur zu Kapitel Das Spritzgießverfahren Zyklusablauf beim Spritzgießen Spritzgießen von Thermoplasten Spritzgießen von vernetzenden Formmassen Spritzgießen von Elastomeren Spritzgießen von Duromeren (Duroplasten) Bezeichnungen am Spritzgießwerkzeug Einteilung der Werkzeuge Aufgaben des Spritzgießwerkzeugs Kriterien zur Einteilung der Werkzeuge in Gruppen Prinzipielle Vorgehensweise bei der Werkzeugkonstruktion Bestimmung der Werkzeuggröße Maximale Fachzahl Zuhaltekraft Maximale Aufspannfläche Erforderlicher Öffnungshub Fließweg-Wanddickenverhältnis Bestimmung der Formnestzahl Algorithmus zur Bestimmung der technisch-wirtschaftlich optimalen Formnestzahl (Werkzeug-Maschinen-Kombination) Kosten für Bemustern, Rüsten und Instandhaltung Anordnung der Formnester in der Trennebene Allgemeine Forderungen Darstellung der Lösungsmöglichkeiten Kräftegleichgewicht des Werkzeugs beim Füllvorgang Zahl der Trennebenen 131 Literatur zu Kapitel 4 132

5 X 5 Praktische Ausführung des Angußsystems Beschreibung des Angußsystems Prinzip und Definition verschiedener Angußkanalarten Normale Verteilerkanäle Heißkanäle Kaltkanal Anforderungen an das Angußsystem Angußformen Angußbuchse Gestaltung der Verteilerkanäle Gestaltung der Angußstege (Anschnitte) Lage des Anschnitts am Spritzling Verteilerkanäle und Anschnitte für vernetzende Formmassen Duromere Spritzgießmassen Elastomere Berechnung des Druckverlustes in Verteilersystemen für vernetzende Formmassen Einfluß der Lage des Anschnitts bei vernetzenden Formmassen Qualitative (Füllbild) und quantitative Berechnung des Füllvorgangs von Werkzeughohlräumen (Simulationsmodelle) Einleitung Füllbild und seine Bedeutung Vorbereitung einer Füllsimulation mit dem Füllbild" Theoretische Grundlagen der Füllbildermittlung Praktische Vorgehensweise bei der graphischen Füllbildermittlung Zeichnen der Fließfronten Leitstrahlen zur Darstellung von Schattenbereichen Bereiche unterschiedlicher Dicke Füllbilder von Rippen Füllbilder von Kastenformteilen Analyse von kritischen Füllbereichen Abschließende Hinweise Quantitative Füllanalyse Analytische Auslegung von Angüssen und Angußverteilern Rheologische Grundlage Viskosität der Schmelze bei Thermoplasten Duromere Druckberechnung für gerade Kanäle Unstetigkeitsstellen Elastomere Übliche Auslegung Einfluß der Verarbeitungseigenschaften anhand von Verarbeitungsfenstern Kritische Anmerkungen zum Modell des Verarbeitungsfensters Abschätzung der verschiedenen Druckverluste bei thermoplastischen Spritzgießmassen Krümmer und Verzweigungen 190

6 XI Unstetige Querschnittsübergänge Kanäle Besondere Phänomene bei Mehrfachanschnitten 193 Literatur zu Kapitel Ausführung der Angüsse Stangenanguß Band- oder Filmanguß Schirmanguß Ringanguß Tunnelanguß Abreiß-Punktanguß - Dreiplattenwerkzeug Vorkammer-Punktanguß Angußloses Anspritzen Isolierverteiler - selbstisolierende Verteilerkanäle Temperierte Angußsysteme - Heißkanal/Kaltkanal Heißkanalsysteme Anwendungsmöglichkeiten von Heißkanälen und Vergleich mit konkurrierenden Angußarten Aufbau und Bestandteile eines Heißkanalsystems Heißkanaldüsen Offene Düsen Nadelverschlußdüsen Verteiler Grundformen Konstruktive Auslegung und fertigungstechnische Details Zuführung der Schmelze Beheizung von Heißkanalsystemen Beheizung von Düsen Beheizung von Verteilern Ermittlung der Heizleistung Temperaturregelung in Heißkanälen Anordnung der Temperaturfühler Regler Auslegung von Heißkanalwerkzeugen Wirtschaftlichkeit von Heißkanalwerkzeugen Kaltkanäle Kaltkanalsysteme für Elastomer-Spritzgießwerkzeuge Kaltkanalwerkzeuge für Duroplaste Spezielle Werkzeugarten 263 <ß Etagenwerkzeuge Spritzgießwerkzeuge für Compact-Discs Werkzeuge für Büchsen (Konservendosenformat) Werkzeuge für vernetzende Formmassen Duroplaste Werkzeuge für 2-K-Spritzguß (2-Komponenten) 270

7 XII Werkzeuge zum Herstellen von Verbundteilen mit Blechplatinen (Outserttechnik, Gummi-Metallverbindungen Werkzeuge für das Mehrfarbenspritzgießen 271 Literatur zu Kapitel Entlüften der Werkzeuge 275 Literatur zu Kapitel Die thermische Auslegung Kühlzeit (Temperierzeit) Temperaturleitfähigkeit verschiedener wichtiger Formmassen Temperaturleitfähigkeit von Elastomeren Temperaturleitfähigkeit von duromeren Formmassen Kühlzeitermittlung bei Thermoplasten Abschätzung Kühlzeitermittlung bei Thermoplasten mit Hilfe von Nomogrammen Kühlzeit bei asymmetrischen Wandtemperaturen Kühlzeit bei anderen Geometrien Die Wärmeströme und die Temperierleistung Wärmeströme Thermoplaste Vernetzende Formmassen Duroplaste Auslegung der Temperierung anhand des spezifischen Wärmestroms (globale Auslegung) ' Berechnungsablauf Globale Berechnung Analytische thermische Berechnung Segmentierte Berechnung Auslegung der Kühlung an kritischen Formteilpartien Empirische Korrektur der Eckenkühlung Segmentierte Feinauslegung Wärmeleitwiderstände der Segmente Wärmeübergangswiderstände der Temperierelemente Homogenität _ Temperiermitteldurchsatz Druckverlust Empirische Praxis zur Kompensation des Verzugs aus Wärmestromdifferenzen in Ecken Kalter Kern und warmes Nest Änderung der Eckengeometrie Partielle Anpassung der Wärmeströme Praktische Ausführung der Kühlkanäle Temperiersysteme für Kerne und rotationssymmetrische Formteile Temperiersysteme für flächige Formteile Abdichten der Temperiersysteme 338

8 XIII 8.8 Berechnung der Heizung von Werkzeugen für vernetzende Werkstoffe Auslegung von Werkzeugen für vernetzende Werkstoffe Wärmehaushalt Temperaturverteilung Praktische Ausführung der elektrischen Beheizung von Duroplastwerkzeugen 344 Literatur zu Kapitel Schwindung Einleitung Definitionen zur Schwindung Toleranzen für Kunststofformteile Ursache der Schwindung Ursache des anisotropen Schwindungsverhaltens Ursachen des Verzugs Schwindungsbeeinflussung durch den Prozeß Hilfsmittel zur Schwindungsvorhersage 362 Literatur zu Kapitel Mechanische Auslegung von Spritzgießwerkzeugen Die Werkzeugverformung Analyse und Bewertung der Belastungen und Verformungen Bewertung der einwirkenden Kräfte Grundlagen zur Beschreibung der Deformationen Die Überlagerungsverfahren Zusammengeschaltete Federn als Ersatzelemente Parallelschaltung von Elementen Reihenschaltung von Elementen Ermittlung der Werkzeugwanddicken und der Verformung Darstellung der einzelnen Belastungsarten und Verformungen Dimensionierung kreiszylindrischer Formnester Dimensionierung von nichtrunden Werkzeugkonturen Dimensionierung der Werkzeugplatten Vorgehen bei der Dimensionierung einer Werkzeugwand unter Forminnendruck Belastungsannahmen Die Abschätzung der zusätzlich auftretenden Belastungen Ll Einflüsse aus der Werkzeugherstellung Thermische Einflüsse beim Betrieb der Werkzeuge Maschinenabhängige Belastungen Die zulässigen Verformungen der Zielgrößen der Dimensionierungsrechnung 379 Literatur zu Kapitel Kernversatz Abschätzung des maximalen Kernversatzes Kernversatz am runden Kern mit Punktanschnitt seitlich am Fuß (starre Einspannung) 382

9 XIV 11.3 Kernversatz am runden Kern mit Punktanschnitt seitlich an der Kernspitze (starre Einspannung) Kernversatz an rechteckigen Kernen mit Punktanschnitt seitlich am Fuß (starre Einspannung) Einspannungsbedingter Kernversatz (am Beispiel des runden Kerns seitlich am Fuß angespritzt) Kernversatz am runden Kern mit Schirmanguß (starre Einspannung) Grundsätzliche Betrachtung des Problems Ergebnisse der Berechnungen Kernversatz bei verschiedenen Anguß- und Anschnittformen (starre Einspannung) Konstruktionsbeispiele für die Kerneinspannung und für die Zentrierung tiefer Werkzeuge 392 Literatur zu Kapitel Entformen gespritzter Teile Übersicht über Entformungsarten Auslegung des Entformungssystems - Entformungskräfte und Öffnungskräfte Allgemeines Erfahrungen Möglichkeiten zur Bestimmung der Entformungskräfte Rechnerische Abschätzmethode Hülsenförmige Spritzlinge Zylindrische Hülsen aus Polystyrol Rechteckige Hülsen Konische Hülsen Zusammenstellung verschiedener Grundfälle Entformungskraft für komplexe Formteile am Beispiel eines Lüfterrades Flächenpressung unter Auswerferkraft am Lüfterrad Knickung der Auswerferstifte unter Werkzeuginnendruck Abschätzung der Öffnungskräfte., Zustandsverlauf im p-v-t-diagramm bei unterschiedlichen Werkzeugsteifigkeiten Mittelbare Öffnungskräfte Gesamte Öffnungskraft ' Haftreibungskoeffizienten zur Ermittlung von Entformungs- und Öffnungskräften Aufwerferarten Gestaltung und Dimensionierung von Auswerferstiften Angriffsorte für Stifte und andere Entformungselemente Aufnahme der Auswerferstifte in den Auswerferplatten Betätigung und Betätigungsmittel für das Auswerfen Betätigungsarten und Wahl des Angriffortes Betätigungsmittel Besondere Auswerfersysteme 432

10 XV Doppeletagenauswurf (zweifacher Auswerferweg) Gemischtes Auswerfen Dreiplattenwerkzeug Unterteilung der Auswerferbewegung durch Zuganker Unterteilung der Auswerferbewegung durch einen Klinkenzug Entformen auf der Spritzseite Auswerferrückzug Entformen von Formteilen mit Hinterschneidungen 441 ö Entformen von Formteilen mit Hinterschneidungen durch Abschieben Zulässige Hinterschnitthöhe bei Schnappverbindungen Entformen von Gewinden Entformen von Formteilen mit Innengewinde Abstreiferwerkzeuge Zusammenklappende Kerne Werkzeuge mit Wechselkernen Abschraubwerkzeuge Halbautomatisch arbeitende Abschraubwerkzeuge Vollautomatisch arbeitende Abschraubwerkzeuge Entformen von Formteilen mit Außengewinde Hinterschneidungen in nicht rotationssymmetrischen Formteilen Innere Hinterschneidungen Äußere Hinterschneidungen Schieberwerkzeuge Backenwerkzeuge Formen mit Kernzügen 468 Literatur zu Kapitel Zentrierung und Führung der Werkzeuge - Werkzeugwechsel Aufgaben der Führung und Zentrierung Zentrierung des Werkzeugs auf die Düsenachse der Plastifiziereinheit Innere Führung und Zentrierung Führung und Zentrierung bei großen Werkzeugen Werkzeugwechsel Werkzeugschnellwechselsysteme für Thermoplastwerkzeuge Werkzeugwechsler für Elastomerwerkzeuge 483 Literatur zu Kapitel Rechnerunterstützte Werkzeugauslegung Einleitung Rheologische Werkzeugauslegung Zweidimensionale Verfahren Dreidimensionale Verfahren Ermittlung der optimalen Anschnittlage Berechnung in Schichten entlang einer Bahnlinie Berechnungsgrundlagen '.. 505

11 XVI Anwendung auf Thermoplastwerkzeuge Anwendung auf Elastomerwerkzeuge Thermische Auslegung Thermische Grobauslegung Ergebnisüberprüfung im Schnitt durch Werkzeug und Formteil Thermische Berechnung mit der Boundary-Integral-Method Mechanische Auslegung Ausbildungsstand der Anwender von Simulationsprogrammen 523 Literatur zu Kapitel Pflege und Instandhaltung von Spritzgießwerkzeugen 527 Literatur zu Kapitel Reparaturen und Änderungen an Spritzgießwerkzeugen 531 Literatur zu Kapitel Werkzeug-Normalien 537 Literatur zu Kapitel Q 18 Temperaturregelgeräte für Spritzgieß- und Preßwerkzeuge Aufgabe, Prinzip, Einteilung Regelung Regelungsarten Voraussetzungen zur Erzielung guter Regelergebnisse Regler Heiz-, Kühl-und Pumpenleistung Temperaturfühler Anordnung des Temperaturfühlers im Werkzeug Temperierkanalsystem im Werkzeug Gerätebestimmung Anschließen des Werkzeugs an das Gerät - Sicherheitsmaßnahmen Wärmeträger Wartung, Reinigung Maßnahmen zum Beseitigen von Verarbeitungsfehlern, die durch eine fehlerhafte Werkzeugkonstruktion verursacht werden 559 Literatur zu Kapitel Sachwortverzeichnis 565