Anleitung zum Bau von Spritzgießwerkzeugen

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1 Menges/Michaeli/Mohren Anleitung zum Bau von Spritzgießwerkzeugen 5., völlig überarbeitete Auflage mit 608 Abbildungen und 62 Tabellen An diesem Buch haben folgende Mitautoren mitgewirkt: Dipl.-Ing. J. Berthold, Dr.-Ing. A. Biswas, Prof. Dr.-Ing. A. Bührig Polaczek, Dr.-Ing. C. Brockmann, Dipl.-Ing. K.P. Cuttat, Dr.-Ing. F. Ehrig, Dr.-Ing. P. Feldhaus, Dr.-Ing. P. Filz, Dipl.-Ing. H. Genoske, P. Gorbach, Dipl.-Ing. E. Henze, Dipl.-Ing. C. Hopmann, Dipl.-Ing. A. Karden, Prof. Dr.-Ing. F. Klocke, Dr.-Ing. N. Kudlik, Dr.-Ing. M. Langen, Dipl.-Ing. P. Niggemeier, Dr.-Ing. M. Polifke, Dipl.-Ing. H. Recker, Dr.-Ing. A. Rogalla, Dr.-Ing. V. Romberg-Forkert, Dipl.-Ing. C. Ronnewinkel, Dipl.-Ing. K. Schlesinger, Prof. Dr.-Ing. H. Schlüter, Prof. Dr.-Ing. E. Schmachtenberg, Dipl.-Ing. O. Schneer-Häselbarth, Dipl.-Ing. A. Spennemann, Dr.-Ing. M. Stommel, Dr.-Ing. J. Zachert Carl Hanser Verlag München Wien

2 1 Werkstoffe für den Werkzeugbau Stähle Genereller Überblick Einsatzstähle Nitrierstähle Durchhärtende Stähle ; Vergütete Stähle Martensitisch aushärtende Stähle Hartstofflegierungen Korrosionsbeständige Stähle Umschmelz-Stähle Gußwerkstoffe Nichteisenmetallische Werkstoffe Kupferlegierungen Kupfer-Beryllium-Legierungen Zink und dessen Legierungen Aluminiumlegierungen Zinn-Wismut-Legierungen Galvanisch abgeschiedene Werkstoffe Oberflächenbehandlung von Stählen für Spritzgießwerkzeuge Generelle Hinweise Thermische Behandlungsverfahren Thermochemische Behandlungsverfahren Aufkohlen (Einsetzen, Zementieren) Nitrieren Borieren Elektrochemische Behandlungsverfahren Hartverchromen Vernickeln NYE-CARD-Verfahren Hardalloy-Beschichtung Beschichtungen bei niedrigen Drücken CVD-Verfahren PVD-Verfahren , Laserstrahloberflächenbehandlung (LOB) Laserhärten und -umschmelzen Laserlegieren, -dispergieren und -beschichten Elektronenstrahlhärten Lamcoat-Beschichtung 34 Literatur 34

3 VIII Fertigungsverfahren für Spritzgießwerkzeuge Herstellung metallischer Spritzgußformen und Formeinsätze durch Gießen 40 2.'1.1 Gießverfahren und Gußlegierungen Sandgießverfahren Präzisionsgießverfahren Rapid Tooling für Spritzgießwerkzeuge Stand der Technik Direktes Rapid Tooling Direktherstellung metallischer Werkzeuge Generierende Verfahren Direktherstellung nichtmetallischer Werkzeuge Indirektes Rapid Tooling (mehrstufige Prozeßketten) Prozeßketten über ein Positivmodell Prozeßketten über ein Negativmodell Ausblick Einsenken Spanende und abtragende Bearbeitungsverfahren Spanende Fertigungsverfahren Oberflächenbearbeitung (Glätten) Schleifen und Polieren (manuell oder unterstützt) Gleitschleifen Strahlläppen Preßläppen Elektrochemisches Polieren Funkenerosives Polieren Funkenerosives Abtragen (EDM) Funkenerosives Senken Funkenerosives Schneiden mit Drahtelektroden Abtragen durch elektrochemische Auflösung (ECM) Elektrochemisches Oberflächenabtragen (Elektrochemisches Ätzen) Elektroerosiv oder durch chemische Auflösung (Ätzen) gefertigte Oberflächen Laser-Carving Rapid Tooling mit LASERCAV..' Werkzeuge für Formteile in Schmelzkerntechnik Werkzeuge für das Umspritzen der Schmelzkerne Anbindung des Formteils, Thermische Werkzeugauslegung Kernversatz Entlüftung Werkzeuge für die Herstellung der Schmelzkerne Kernwerkstoff Aufbau eines Gießwerkzeuges Angußsysteme Thermische Auslegung des Kerngießwerkzeuges Entformung gegossener Schmelzkerne 94 Literatur 94

4 IX 3 Verfahren zur Abschätzung der Werkzeugkosten Allgemeines Verfahren zur Werkzeugkalkulation Kalkulationsgruppe I: Formnest Ermittlung des Zeitbedarfs für die Fasson Zeitfaktor Bearbeitungsverfahren 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 Weitere Kalkulationsansätze Kalkulation auf der Basis von Ähnlichkeitsbetrachtungen Das Prinzip der hierarchischen Ähnlichkeitssuche 119 Literatur Das Spritzgießverfahren Zyklusablauf beim Spritzgießen Spritzgießen von Thermoplasten Spritzgießen von vernetzenden Formmassen Spritzgießen von Elastomeren Spritzgießen von 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 140

5 X Algorithmus zur Bestimmung der technischwirtschaftlich optimalen Formnestzahl (Werkzeug-Maschinen-Kombination) 143 ; 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 158 Literatur Eintritt der Schmelze ins Werkzeug, ihre Verteilung und der Füllvorgang der Kavitäten Beschreibung des Angußsystems Prinzip und Definition verschiedener Augußkanalarten Normale Verteilerkanäle Heißkanäle Kaltkanal Anforderungen an das Angußsystem Angußformen Angußbuchse Gestaltung der Verteilerkanäle Gestaltung der Angußstege (Anschnitte) Lage des Anschnittes am Spritzling Verteilerkanäle und Anschnitte für vernetzende Formmassen Elastomere Duroplaste, Einfluß der Lage des Anschnittes bei Elastomeren Verteilerkanäle für hochgefüllte Schmelzen Qualitative (Füllbild) und quantitative Berechnung des Füll Vorganges 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 Grundlagen Ermittlung des viskosen Fließverhaltens unter Scherung mit Hilfe des Kapillarrheometers 206

6 XI Dehnviskosität Einfache Gleichungen zur Druckverlustberechnung in Angüssen und Angußverteilern Besondere Phänomene bei Mehrfachanschnitten Auslegung von Angüssen und Angußverteilern für vernetzende Formmassen Elastomere Berechnung des Füllvorgangs Einfluß der Verarbeitungseigenschaften ermittelt anhand von Verarbeitungsfenstern Kritische Anmerkungen und Beispiele zum Modell des Verarbeitungsfensters Duroplaste Fließ-Härtungsverhalten von Duroplasten 219 Literatur 221 Ausführung der Angüsse Stangenanguß Band- oder Filmanguß Schirmanguß Ringanguß Tunnelanguß Abreiß-Punktanguß - Dreiplattenwerkzeug Vorkammer-Punktanguß Angußloses Anspritzen Werkzeuge mit Isolierkanalverteilern Temperierte Angußsysteme - Heißkanal Heißkanalsysteme Wirtschaftliche Vor- und Nachteile der Heißkanalsysteme Heißkanäle für verschiedene Anwendungen und neue Möglichkeiten Aufbau und Bestandteile eines Heißkanalsystems Angußbuchse Schmelzefilter Verteilerblöcke Einnestformen Verteilerbalken Vielnestformen Heißkanaldüsen (Anspritzdüsen, Anschnittdüsen) Daten zur Auslegung von Heißkanalverteilern Verteilerbalken Düsenauslegung Hinweise zum Betrieb von Heißkanälen Beheizung von Heißkanalsystemen Elemente zur Beheizung von t Heißkanalsystemen Beheizung von Düsen Beheizung von Verteilern Ermittlung der Heizleistung 263

7 XII Temperaturregelung in Heißkanälen Anordnung der Temperaturfühler Kaltkanäle 264 "<! Kaltkanalsysteme für Elastomer-Spritzgießwerkzeuge Kaltkanalwerkzeuge für Duroplaste Spezielle Werkzeugarten Etagenwerkzeuge Werkzeuge für Mehrkomponenten-Spritzgießverfahren Verbund-Spritzgießwerkzeuge Zweikomponenten-Sandwich-Spritzgießwerkzeuge Biinjection-Spritzgießwerkzeuge 279 Literatur Entlüften der Werkzeuge Passive Entlüftung Aktive Entlüftung Entlüften beim Gasgegendruckspritzgießen 291 Literatur Die thermische Auslegung Kühlzeit (Temperierzeit) Temperaturleitfähigkeit verschiedener wichtiger Formmassen Temperaturleitfähigkeit bei Elastomeren Die Temperaturleitfähigkeit von duroplastischen 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 " Analytische thermische Berechnung anhand des spezifischen Wärmestroms (globale Auslegung) Berechnungsablauf Kühlzeitberechnung Wärmestrombilanz Temperiermitteldurchsatz Temperierkanaldurchmesser Lage der Temperierkanäle Auslegung des Temperierkreislaufes 332, Temperiermitteldurchsatz Berechnung von Druckbedarf und Pumpleistung 333

8 XIII 8.6 Numerische Berechnung zur thermischen Formteilauslegung Zweidimensionale Berechnung Dreidimensionale Berechnung Einfache Abschätzung der unterschiedlichen Wärmeströme an kritischen Stellen Empirische Korrektur der Eckenkühlung Praktische Ausführung der Kühlkanäle Temperiersysteme für Kerne und rotationssymmetrische Formteile Temperiersysteme für flächige Formteile Abdichten der Temperiersysteme Dynamische Werkzeugtemperierung Empirische Praxis zur Kompensation des Verzugs aus Wärmestromdifferenzen in Ecken bei thermoplastischen Formteilen Kalter Kern und warmes Nest Änderung der Eckengeometrie Partielle Anpassung der Wärmeströme Berechnung der Heizung von Werkzeugen für vernetzende Werkstoffe Thermische Auslegung von Werkzeugen für vernetzende Werkstoffe Wärmehaushalt Temperaturverteilung Praktische Ausführung der elektrischen Beheizung von Duroplastwerkzeugen 357 Literatur Schwindung Einleitung Definitionen zur Schwindung Toleranzen für Kunststofformteile Ursache der Schwindung Ursachen des anisotropen Schwindungsverhaltens Ursachen des Verzugs Beeinflussung von Schwindung und Verzug durch den Prozeß Hilfsmittel zur Schwindungsvorhersage 377 Literatur Mechanische Auslegung von Spritzgießwerkzeugen Die Werkzeugverformung Analyse und Bewertung der Verformungen Bewertung der einwirkenden Kräfte Grundlagen zur Beschreibung der Deformationen Einfache Rechnung zur Abschätzung der Spaltbildung Genauere Rechnung zur Abschätzung der Spaltbildung und Verhinderung von Schwimmhäuten und Graten Das Überlagerungsverfahren Zusammengeschaltete Federn als Ersatzelemente Parallelschaltung von Elementen Reihenschaltung von Elementen 386

9 XIV 10.5 Ermittlung der Werkzeugwanddicken und ihrer Verformungen Darstellung der einzelnen Belastungsarten und Verformungen Dimensionierung kreiszylindrischer Formnester Dimensionierung von nichtrunden Werkzeugkonturen Dimensionierung der Werkzeugplatten Vorgehen bei der Dimensionierung einer Werkzeugwand unter Forminnendruck Verformung von Backen und Schiebern unter dem Forminnendruck Backen Werkzeuge Vorbereitungen der Verformungsrechnungen Vereinfachungen der Geometrie Hinweise zur Wahl der Randbedingungen Rechenbeispiele Weitere Belastungen Die Abschätzung der zusätzlich auftretenden Belastungen 414 Literatur Versatz von Kernen und Einlegeteilen Abschätzung des maximalen Kernversatzes Kernversatz am runden Kern mit Punktanschnitt seitlich am Fuß (starre Einspannung) Kernversatz am runden Kern mit Schirmanguß (starre Einspannung) Grundsätzliche Betrachtung des Problems Ergebnisse der Berechnungen Kernversatz bei verschiedenen Anguß- und Anschnittformen (starre Einspannung) Versatz von Einlegeteilen Analytische Berechnung der Verformung von Metalleinlegeteilen am Beispiel zylindrischer Walzenkörper Auswertung des Biegelinienverlaufs für verschiedene Formteilgeometrien Konstruktionsbeispiele für die Kerneinspannung und für die Zentrierung tiefer Werkzeuge 429 Literatur Entformen gespritzter Teile Übersicht über Entformungsarten Auslegung des Entformungssystems - Entformungskräfte und Öffnungskräfte Allgemeines Möglichkeiten zur Bestimmung der Entformungskräfte Haftreibungskoeffizienten zur Ermittlung von Entformungs- und Öffnungskräften Rechnerische Abschätzmethode für zylindrische Hülsen Rechteckige Hülsen konische Hülsen Zusammenstellung verschiedener Grundfälle 446

10 XV Entformungskraft für komplexe Formteile am Beispiel eines Lüfterrads Numerische Berechnung von Entformungsvorgängen (bei Elastomerformteilen) Abschätzung der Öffnungskräfte Zustandsverlauf im p-v-t-diagramm bei unterschiedlichen Werkzeugsteifigkeiten Mittlere Öffnungskräfte Gesamte Öffnungskraft Auswerferarten 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 Angriffsortes Betätigungsmittel Besondere Auswerfersysteme 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 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 Backen Werkzeuge Formen mit Kernzügen 508 Literatur Zentrierung und Führung der Werkzeuge, Werkzeugwechselsysteme Aufgabe der Führung und Zentrierung Zentrierung des Werkzeugs auf die Düsenachse der Plastifiziereinheit

11 XVI 13.3 Innere Führung und Zentrierung Führung und Zentrierung bei großen Werkzeugen Werkzeugwechselsysteme '.5.1 Werkzeugschnellwechselsysteme für Thermoplastwerkzeuge Werkzeugwechsler für Elastomerwerkzeuge 527 Literatur Rechnerunterstützte Werkzeugauslegung und CAD Einsatz in der Werkzeugkonstruktion Einleitung Die Füllbildmethode zeigte den Weg Geometrieaufbereitung als Schlüssel zum Erfolg Komplexe Algorithmen sind beherrschbar Simulationstechniken noch zu wenig genutzt Einfacher und kostengünstiger Die nächsten Schritte sind vorgezeichnet CAD-Einsatz in der Werkzeugkonstruktion Einleitung Grundlagen von CAD D/3D Modelldarstellung Leistungssteigerung von CAD-Modellen durch Assoziativität, Parametrik und Features Schnittstellen und integrierter CA-Einsatz Datenverwaltung und Informationsfluß CAD-Anwendung im Werkzeugbau Geometrieerzeugung/Modellierung Integrierte Funktionalitäten für den Werkzeugbau Anwendungsspezifische Funktionserweiterung Möglichkeiten des Concurrent Engineering durch CAD-Einsatz Auswahl und Einführung von CAD-Systemen Phasen der Systemauswahl Formulierung des CAD-Konzepts Systemtest (Benchmark) Einführung 562 Literatur Instandhaltung von Spritzgießwerkzeugen Nutzen einer planmäßigen Instandhaltung Vörgehensweise zur planmäßigen Werkzeug-Instandhaltung Datenerfassung Datenauswertung und Schwachstellenanalyse EDV-Unterstützung Lagerung und Pflege von Spritzgießwerkzeugen Reparaturen und Änderungen an Spritzgießwerkzeugen 579 Literatur - 583

12 XVII 16 Messen in Spritzgießwerkzeugen Sensoren in Werkzeugen Temperaturmessung Messung von Massetemperaturen in Werkzeugen mit IR-Sensoren Druckmessung Ziel der Druckmessung Sensoren zur Messung von Schmelzedrücken in Werkzeugen Direkte Druckmessung Indirekte Druckmessung Einsatz der Meßsensorik Prozeßoptimierung Qualitätsüberwachung 591 Literatur Werkzeugnormalien 595 Literatur Temperiergeräte für Spritzgieß- und Preßwerkzeuge Aufgabe, Prinzip, Einteilung Regelung Regelungsarten Voraussetzungen zur Erzielung geringer Temperaturabweichungen Regler Heiz-, Kühl- und Pumpenleistung Temperaturfühler Anordnung des Temperaturfühlers im Werkzeug Temperierkanalsystem im Werkzeug Einhalten einer möglichst konstanten Temperatur Gerätebestimmung Anschließen des Werkzeugs an das Gerät: Sicherheitsmaßnahmen Wärmeträger Wartung, Reinigung 615 Literatur Maßnahmen zum Beseitigen von Verarbeitungsfehlern beim Spritzgießen 617 Literatur Sonderverfahren-Sonderwerkzeuge Spritzgießen von MikroStrukturen Werkzeugtechnik und Prozeßführung Herstellungsverfahren für Mikrokavitäten Si-Technik Das LiGA-Verfahren Laser-LiGA Laserabtragung Funkenerosives Abtragen Mikrozerspanung In-Mould-Decoration (Hinterspritzen) 636

13 XVIII 20.3 Flüssigsilikonverarbeitung Evakuierung Anguß Entformung Temperierung Kaltkanaltechnik Spritzprägen 642 Literatur 645 Index 651