3. Konstruktionselemente in Kunststoff. 3.1.Kunststofftypische Elemente Designelemente, Flächen
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- Thomas Hase
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1 3. Konstruktionselemente in Kunststoff 3.1.Kunststofftypische Elemente Designelemente, Flächen Die vorhandenen Formgebungsverfahren für Kunststoffe erlauben die kostengünstige Herstellung von designerisch hochwertigen Erzeugnissen (geometrisch und von der Oberflächenstruktur). In Verbindung mit computergestütztem Design und der Umsetzung mittels CAD und entsprechend ausgerüsteter Maschinen sind die Möglichkeiten der Erzeugnisgestaltung enorm. Beispiele zeigen Möglichkeiten der 3 D CAD-Programme Konstruktionselemente Leichtbauteile mit Verrippungen Vorteile: - Erhöhung der Steifigkeit - Materialeinsparung - Gewichtseinsparung Nachteile: - Einfallstellen am Rippengrund möglich - Verzug des Teils möglich Um die Nachteile auszugleichen, mü ssen Rippen richtig dimensioniert werden. Sie sollten nur 0,5 bis 0,75 mal so dick sein, wie die zu verstärkende Wand. Beispiel für die Wirkung von Verrippungen: Möglichkeiten zur Dimensionierung von Versteifungsrippen: - Berechnung der sog. äquivalenten Wanddicke aus dem Ansatz E-Modul x Trägheitsmoment bleibt konstant. Daraus ergibt sich: 3 däquiv = (E/Ekunststoff). d Seite 1 von 7
2 Mit diesem Wert und mit aus der Literatur oder bei Kunststoffhertellern beschaffbaren Kurvenscharen kann die Verrippung dimensioniert werden. Ansatz für die Berechnung dieser Kurven ist Gleichheit des Trägheitsmomentes. In den folgenden Beispielkurven wurde eine Rippenbreite von 0,75xWanddicke und eine Entformungsschräge von 0,5 zugrunde gelegt Spritzgußgerechte Gestaltung von Verrippungen: Seite 2 von 7
3 Filmgelenke Seite 3 von 7
4 Lichtleiter Bei Lichtleitern wird die Totalreflektion ausgenutzt. Licht wird unter bestimmten Bedingungen beim Übergang von einem optisch dichten Medium in ein optisch dünneres Medium an der Grenzfläche reflektiert. Dadurch ist es möglich, Licht in Fasern oder Körpern mit einer bestimmten Geometrie von einer Lichtquelle an ein vorgegebenen Ort zu leiten. Diese Tatsache wird nicht nur zur Informationsübertragung in Lichtleitkabeln benutzt, sondern auch zur Beleuchtung von Bedien- und Anzeigeelementen. Seite 4 von 7
5 Seite 5 von 7
6 Beispiele für weitere Anwendungen, di e durch komplexe Teile möglich werden - Lamelle mit Zahnsegment - Zahnrad mit Toleranzausgleich 3.2. Standardelemente Zahnräder und Verzahnungen Vorteile von Kunststoffzahnrädern: - wirtschaftlich herstellbar - Kombination von Funktionen möglich - Keine Nacharbeit oder Gratentfernung - Geringes Gewicht - Wartungsfreundlich - Stoß- und Vibrationsdämpfung - Niedriger Geräuschpegel - korrosionsbeständig Nachteile: - begrenztes Lastaufnahmevermögen - begrenzte Temperaturbeständigkeit - hoher Wärmeausdehnungskoeffizient - geringe Dimensionsstabilität - begrenzte Herstellgenauigkeit - hohe Werkzeugkosten bevorzugte Materialien: PA wenn Zähigkeit gefordert wird Durch Glasfaservrstärkung erreicht man höhere Festigkeit, Maßhaltigkeit und Wärmebeständigkeit, allerding erhöht sich die Stoßempfindlichkeit POM sehr gute Gleiteigenschaften, hohe Festigkeit PET, PBT als Partner für POM, nicht für Stoßbelastung PC gute Zähigkeit aber schlechte Reibwerte PP, PE preisgünstige Werkstoffe, geringere Wärmeformbeständigkeit und Festigkeitseigenschaften Termoplastisches PUR hohes Dämpfungsvermögen, geringe Festigkeit PI teuerer Werkstoff für Sonderfälle, sehr gute mechanische und thermische Eigenschaften, schlechte Verarbeitbarkeit Herstelungsverfahren: Spritzgießen: Anwendung nach unten begrenzt durch Mindestwandstärken, nach oben durch max. mögliche Wandstärken und daraus resultierende Zykluszeiten für hohe Genauigkeiten mechanische Nacharbeit notwendig Gießen: für Zahnräder mit größeren Abmessungen, Masse > 1kg, bei größeren Schwindungen oft mechanische Nacharbeit notwendig Spanende Bearbeitung: bei kleinen Losgrößen, bei hohen Genauigkeiten Seite 6 von 7
7 Lager Vorteile: - kostengünstig herstellbar (für hohe Genauigkeiten spanende Nacharbeit notwendig!) - geringer Wartungsaufwand - gute Notlaufeigenschaften - geräuscharm - chemikalienbeständig - freie Gestaltungsmöglichkeiten - mechanische Dämpfung Nachteile: - Kraftaufnahme begrenzt - Verschleiß Wesentliche Ursachen für den Ausfall von Gleitlagern aus Kunststoff sind Verschleiß und thermische Überlastung. Zu berücksichtigende Zusammenhänge: Reibungszahl und Oberflächenrauheit Rauheit und Verschleiß Einfluß der Geschwindigkeit Einfluß der Lagergeometrie (Wanddicke, Beseitigung von Abriebpartickeln) Materialien: PA: hohe Verschleißfestigkeit bei Gleiten auf Stahl, Paarung mit POM POM: hoher Verschleißwiderstand bei glatter Stahloberfläche hoher Reibungskoeffizient paaren mit PA oder PBT PE, PP: bei stoßartigen Belastungen, PTFE PI: teuer, für Sonderanwendungen, ermöglicht die höchste Kraftaufnahme PTFE: niedrigster Reibungskoeffizient, selbstschmierend Als Schmierstoffe können in den Grundwerkstoff eingebaut werden: PTFE: mindert die Festigkeit Silikon: geringe Beimengungen, deshalb nur geringe Wirkung Grafit: erhöht Zugfestigkeit, Steifigkeit, Härte, elektrische und thermische Leitfähigkeit, Schlagzähigkeit nimmt ab Molybdändisulfid: verbessert Steifigkeit, Härte und Verarbeitbarkeit Kohlefasern: starker Einfluß auf Zugfestigkeit und Biegemodul, Wärmebeständigkeit erhöht sich Seite 7 von 7
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