Kies 10 Grundregeln zur Konstruktion von Kunststoffprodukten

2. aktualisierte Auflage 2018
ISBN: 978-3-446-45633-4
Verlag: Carl Hanser
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark

E-Book, Deutsch, 338 Seiten

Die bekannten und bewährten Konstruktionshinweise für Kunststoffe anwendungsbezogen unter 10 Grundregeln systematisiert:
Zunächst werden die Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Medieneinfluss und einwirkende Spannungen untersucht. Aus den werkstofflichen Potenzialen der Kunststoffe leiten sich die gestalterischen Möglichkeiten beim Kunststoffeinsatz ab. Neben der reinen Erzeugniskonstruktion werden auch die Anlage von Werkzeugen sowie die Funktionsintegration bei der Produktauslegung und die Effizienz von Prozessen bei Massenfertigung behandelt. Aufbauend auf den zehn Grundregeln werden mithilfe einer Art Checkliste einige Anwendungsbeispiele aus vorhandenen Konstruktionen auf eine kunststoffgerechte Konstruktion hin diskutiert.


Man:

- erarbeitet sich ein systematisches Verständnis für die Werkstoffklasse und kann dann sehr schnell vorhandene Konstruktionen überprüfen, deren Fehler erkennen, um dann eigene Konstruktionen kunststoffgerecht auszuführen.
- kann an Metallerzeugnissen gewonnene Konstruktionserfahrungen einfach auf die Werkstoffklasse der Kunststoffe übertragen und erweitern.
- bekommt gezeigt, wie man eigene Erzeugnisse oder Produkte von Wettbewerbern analysieren kann.
- ist in der Lage mit der angeeigneten Methodik, seine eigenen Konstruktionen während des Entwicklungsprozesses stetig zu verbessern.


Die 2. Auflage ist durchgehend aktualisiert.
Mit: E-Book Inside

Autoren/Hrsg.

Kies, Torsten

Fachgebiete

• Technische Wissenschaften Maschinenbau | Werkstoffkunde Maschinenbau Konstruktionslehre, Bauelemente, CAD
• Technische Wissenschaften Verfahrenstechnik | Chemieingenieurwesen | Biotechnologie Technologie der Kunststoffe und Polymere
• Technische Wissenschaften Technik Allgemein Konstruktionslehre und -technik

Inhaltsverzeichnis

1;Inhalt;10
2;Vorwort;6
2.1;Vorwort zur 2. Auflage;6
2.2;Vorwort zur 1. Auflage;6
3;Der Autor;8
3.1;Prof.?Dr.-Ing.?Torsten Kies;8
4;Zum Inhalt des Buches;18
4.1;Die Zehn Grundregeln;19
5;1 Grundregel: Temperatureinsatzbereich;24
5.1;1.1 Phasenübergänge bei Kunststoffen;24
5.1.1;1.1.1 Der Übergang vom festen in den geschmolzenen Zustand;24
5.1.2;1.1.2 Die Volumenänderung beim Phasenübergang von der Schmelze zum festen Zustand;29
5.1.3;1.1.3 Phasenübergänge am starren Körper;30
5.2;1.2 Die Temperaturabhängigkeit der Materialkennwerte von Kunststoffen;32
5.2.1;1.2.1 Der Vergleich mit anderen Werkstoffgruppen;32
5.2.2;1.2.2 Die thermische Ausdehnung;32
5.2.3;1.2.3 Temperaturabhängiges Spannungs-Dehnungs-Verhalten;36
5.3;1.3 Der Einsatztemperaturbereich;38
5.3.1;1.3.1 Tatsächlich wirkende Temperaturen;38
5.3.2;1.3.2 Temperaturabhängige Lasteinwirkung;39
5.3.3;1.3.3 Die Notwendigkeit von einsatznahen Funktionsuntersuchungen;41
5.4;1.4 Der Einfluss der Geometrie auf die Temperaturbeständigkeit;42
5.4.1;1.4.1 Aussagefähigkeit der Rohstoffkennwerte;42
5.4.2;1.4.2 Betrachtete Geometrie;43
5.4.3;1.4.3 Modifikation der Wanddicke;45
5.4.4;1.4.4 Belastungsdauer und Durchwärmung der Produkte;45
5.4.5;1.4.5 Bessere Wärmestandfestigkeit durch Faserverstärkung;46
5.4.6;1.4.6 Werkstoffkombination;47
5.4.7;1.4.7 Zusätzliche Versteifungen gegen die thermisch bedingte Biegung;48
5.4.8;1.4.8 Einseitige Kühlung am Erzeugnis;49
6;2 Grundregel: Medienangriff;52
6.1;2.1 Die Wirkung von Medien auf Kunststoffe;52
6.1.1;2.1.1 Begriffserklärung: Medienangriff;52
6.1.2;2.1.2 Direkter und indirekter Medienangriff;53
6.1.3;2.1.3 Strahlungs- und stofflich-medialer Angriff;54
6.1.4;2.1.4 Chemischer und physikalischer Medienangriff;56
6.2;2.2 Voraussetzungen für einen Medienangriff;57
6.3;2.3 Der Schutz vor Medienangriff;58
6.4;2.4 Die Schädigungsmechanismen;59
6.4.1;2.4.1 Arten der Schädigungsmechanismen;59
6.4.2;2.4.2 Der oxidative Abbau;60
6.4.3;2.4.3 Schädigung durch Hydrolyse;61
6.4.4;2.4.4 Schädigung durch Chemikalien;65
7;3 Grundregel: Spannungszustand;68
7.1;3.1 Die Ursache von Spannungen;68
7.1.1;3.1.1 Krafteinwirkung auf eine Flüssigkeit;68
7.1.2;3.1.2 Krafteinwirkung auf einen Festkörper;70
7.1.3;3.1.3 Viskoses und elastisches Verformungsverhalten von Kunststoffen;71
7.2;3.2 Spannungen am Bauteil;73
7.3;3.3 Spannungen und Orientierungen;75
7.3.1;3.3.1 Die Unterscheidung zwischen Spannungen und Orientierungen;75
7.3.2;3.3.2 Orientierungen in Kunststoffprodukten;78
7.3.2.1;3.3.2.1 Voraussetzungen für Orientierungen;78
7.3.2.2;3.3.2.2 Orientierungen bei faserverstärkten Materialien;79
7.3.2.3;3.3.2.3 Molekülorientierungen;80
7.3.3;3.3.3 Eigenspannungen;81
7.4;3.4 Die Bildung von Orientierungen und Eigenspannungen;84
7.4.1;3.4.1 Unterschiede zwischen Spannungen und Orientierungen;84
7.5;3.5 Eigenspannungen und Orientierungen beim Spitzgießen;86
7.5.1;3.5.1 Orientierungen und Eigenspannungen am Spritzgussteil;86
7.5.2;3.5.2 Die Ausbildung von Orientierungen;86
7.5.3;3.5.3 Eigenspannungen beim Spritzgießen;87
7.5.3.1;3.5.3.1 Ursachen der Eigenspannungen;87
7.5.3.2;3.5.3.2 Prozessablauf beim Spritzgießen;88
7.5.3.3;3.5.3.3 Die Entformung;91
7.5.3.4;3.5.3.4 Auswirkungen einer Schwindungsbehinderung auf Eigenspannungen;93
7.5.3.5;3.5.3.5 Eigenspannungen bei Montageprozessen;94
8;4 Grundregel: Schadensfreie Verformung;96
8.1;4.1 Einleitung;96
8.2;4.2 Differential- und Integralbauweise;97
8.2.1;4.2.1 Unterscheidung der Kategorien;97
8.2.2;4.2.2 Die Differentialbauweise;97
8.2.3;4.2.3 Die Integralbauweise;98
8.2.4;4.2.4 Die Mischbauweise;99
8.2.5;4.2.5 Geeignete Bauweisen für Kunststoffprodukte;100
8.3;4.3 Das Verformungsverhalten der Werkstoffe;101
8.3.1;4.3.1 Begriffe zum Verformungsverhalten;101
8.3.2;4.3.2 Die Zugfestigkeit;102
8.3.3;4.3.3 Die Steifigkeit eines Materials;102
8.3.4;4.3.4 Die Dehnung;103
8.3.4.1;4.3.4.1 Die Kritische Dehnung;103
8.3.4.2;4.3.4.2 Die zulässige Dehnung;104
8.3.5;4.3.5 Bauteilspezifische Minderung;106
8.3.5.1;4.3.5.1 Einflussfaktoren;106
8.3.5.2;4.3.5.2 Vorgehensweise;107
8.3.5.3;4.3.5.3 Anzahl der Lastwechsel;107
8.3.5.4;4.3.5.4 Füll- und Verstärkungsstoffe;108
8.3.5.5;4.3.5.5 Starke Materialbelastung bei der Fertigung;109
8.3.5.6;4.3.5.6 Mehrachsige Spannungszustände;110
8.3.5.7;4.3.5.7 Beanspruchungsgeschwindigkeit;110
8.3.5.8;4.3.5.8 Die Wanddicke;110
8.3.5.9;4.3.5.9 Berücksichtigung der Kerbwirkung;110
8.4;4.4 Starre und flexible Konstruktionen;112
9;5 Grundregel: Entformbarkeit;118
9.1;5.1 Beschreibung der Situation;118
9.1.1;5.1.1 Die Entwicklung von Werkzeugen;118
9.1.2;5.1.2 Stückzahlen;119
9.1.3;5.1.3 Die Verwendung von Normalien im Werkzeugbau;121
9.2;5.2 Teile aus der flachen Trennebene;122
9.2.1;5.2.1 Die Werkzeuganlage;122
9.2.2;5.2.2 Auswerfen;127
9.2.3;5.2.3 Besonderheiten;129
9.3;5.3 Teile aus Werkzeugen mit Trennungssprung;130
9.3.1;5.3.1 Die Werkzeuganlage;130
9.3.2;5.3.2 Auswerfen;132
9.3.3;5.3.3 Besonderheiten;133
9.4;5.4 Teile mit Durchbrüchen und Werkzeuge mit Blockierungen;134
9.4.1;5.4.1 Die Werkzeuganlage;134
9.4.2;5.4.2 Auswerfen;137
9.4.3;5.4.3 Besonderheiten;140
9.5;5.5 Becherförmige Teile;142
9.5.1;5.5.1 Die Werkzeuganlage;142
9.5.2;5.5.2 Auswerfen;143
9.5.3;5.5.3 Besonderheiten;145
9.6;5.6 Schieber- und Backenwerkzeuge mit zusätzlichen Trennebenen;150
9.6.1;5.6.1 Der Werkzeugaufbau;150
9.6.2;5.6.2 Auswerfen;152
9.6.3;5.6.3 Besonderheiten;153
9.7;5.7 Ausdreh-Werkzeuge für innere Gewinde;156
9.7.1;5.7.1 Die Werkzeuganlage;156
9.7.2;5.7.2 Auswerfen;158
9.7.3;5.7.3 Besonderheiten;158
9.8;5.8 Werkzeuge mit inneren Schiebern und Einfallkernen;160
9.8.1;5.8.1 Das Werkzeugkonzept;160
9.8.2;5.8.2 Auswerfen;162
9.8.3;5.8.3 Besonderheiten;163
9.9;5.9 Teile mit extremen Hinterschneidungen;165
9.9.1;5.9.1 Verfahrenstechnik und Werkzeugaufbau;165
9.9.2;5.9.2 Auswerfen und Nachbearbeitung;168
9.9.3;5.9.3 Besonderheiten;169
9.10;5.10 Teile mit Hinterschneidungen, die Zwangsentformung zulassen;170
9.10.1;5.10.1 Der grundsätzliche Werkzeugaufbau;170
9.10.2;5.10.2 Auswerfer;172
9.10.3;5.10.3 Besonderheiten;173
10;6 Grundregel: Konstante Wanddicken;176
10.1;6.1 Wanddicken an einem Erzeugnis;176
10.1.1;6.1.1 Wanddicken und Leichtbau;176
10.1.2;6.1.2 Wanddicke und Verarbeitungsverfahren;177
10.2;6.2 Grundlagen von technologischen Prozessen bei der Kunststoffverarbeitung;179
10.2.1;6.2.1 Einordnung;179
10.2.2;6.2.2 Betrachtungsweise;179
10.2.3;6.2.3 Erwärmen der Schmelze;183
10.2.4;6.2.4 Kompression zur Formgebung;183
10.2.5;6.2.5 Abkühlung unter Druckabbau;184
10.2.6;6.2.6 Isobare Abkühlung bei atmosphärischem Druck;185
10.3;6.3 Probleme, die durch Wanddickenunterschiede verursacht sind;186
10.4;6.4 Das Kantenproblem bei kastenartigen Strukturen;189
11;7 Grundregel: Geometrische Versteifung;194
11.1;7.1 Ausführungen einer geometrischen Versteifung;194
11.1.1;7.1.1 Erhöhung der Steifigkeit;194
11.1.2;7.1.2 Varianten der geometrischen Versteifung;195
11.2;7.2 Versteifung mit Rippen;197
11.2.1;7.2.1 Rippenversteifung an belasteten Flächen;197
11.2.2;7.2.2 Anordnung der Rippen;198
11.2.3;7.2.3 Belastungsgerechte Anpassung der Rippen;199
11.2.4;7.2.4 Anbindung der Rippen an die Grundstruktur;202
11.2.5;7.2.5 Werkzeugtechnische Umsetzung von Rippenstrukturen;206
11.2.6;7.2.6 Funktionale Einbindung von Rippen;209
11.3;7.3 Versteifung mit Schalengeometrie;210
11.3.1;7.3.1 Schalengeometrie als Art des fertigungsgerechten Konstruierens;210
11.3.2;7.3.2 Zur konstruktiven Umsetzung;212
11.4;7.4 Anwendung des Prinzips „Wellblech“;213
11.5;7.5 Kombination der Möglichkeiten zur geometrischen Versteifung;214
12;8 Grundregel: Konstruktive Duktilität;216
12.1;8.1 Duktilität als Konstruktionsforderung;216
12.2;8.2 Rasthaken;219
12.2.1;8.2.1 Vorteile von Rasthaken;219
12.2.2;8.2.2 Montagestrategien;220
12.2.3;8.2.3 Varianten der Rastverbindungen;222
12.3;8.3 Montagebruch an Rasthaken;227
12.3.1;8.3.1 Grundsätzliche Lösungsansätze;227
12.3.2;8.3.2 Technologische Maßnahmen gegen den Montagebruch von Rasthaken;227
12.3.2.1;8.3.2.1 Zur Vorgehensweise;227
12.3.2.2;8.3.2.2 Eingangsgrößen für den Prozess;228
12.3.2.3;8.3.2.3 Betrachtung des Herstellungsprozesses für die Bauteile;229
12.3.2.4;8.3.2.4 Betrachtung des Montageprozesses;230
12.3.3;8.3.3 Grundsätzliche konstruktive Möglichkeiten zur Vermeidung des Montagebruchs von Rasthaken;231
12.3.4;8.3.4 Beseitigung der Kerbwirkung;231
12.3.5;8.3.5 Vergrößerung der Biegelänge;232
12.3.6;8.3.6 Veränderungen am Querschnitt des Rasthakens;234
12.3.7;8.3.7 Verminderung der Durchbiegung;235
12.3.8;8.3.8 Zusätzliche, alternative Verformungsmechanismen;236
12.3.9;8.3.9 Alternatives Konstruktionsprinzip für die Rastverbindung;237
12.4;8.4 Vermeidung einer unbeabsichtigten Demontage von Rastverbindungen;238
12.5;8.5 Weitere elastische Konstruktionselemente;240
12.6;8.6 Möglichkeiten zur Verbesserung der Elastizität;240
12.6.1;8.6.1 Überblick;240
12.6.2;8.6.2 Anspritzen einer weichen Komponente;241
12.6.3;8.6.3 Schlitze an becherartigen Formteilen;242
12.6.4;8.6.4 Faltungen an Schalenelementen;243
12.7;8.7 Zur Modifikationen von Gehäusen;244
13;9 Grundregel: Veränderliche Geometrie;248
13.1;9.1 Begriffsbestimmung;248
13.2;9.2 Veränderliche Geometrie als Nutzungsmerkmal bei Kunststoffprodukten;251
13.2.1;9.2.1 Mögliche Mechanismen;251
13.2.2;9.2.2 Temperatureinfluss;252
13.2.3;9.2.3 Medienaufnahme und Medienabgabe;253
13.2.4;9.2.4 Freisetzen von Spannungen;254
13.2.5;9.2.5 Verformungsverhalten;254
13.3;9.3 Veränderliche Geometrie für unterschiedliche Abschnitte des Produktlebenszyklus;256
13.3.1;9.3.1 Motivation;256
13.3.2;9.3.2 Allmähliche Veränderung der Geometrie im Herstellungsprozess und beim Gebrauch;258
13.3.3;9.3.3 Allmähliche anwendungsbedingte Veränderung der Geometrie;260
13.4;9.4 Diskontinuierliche, schnelle Veränderung der Geometrie im Herstellungsprozess;261
13.4.1;9.4.1 Begriffserklärung;261
13.4.2;9.4.2 Spannvorrichtungen;262
13.4.3;9.4.3 Vorrichtungen zum nachträglichen Kalibrieren;266
13.4.4;9.4.4 Nachträgliche Bearbeitung eines Bauteils;268
13.4.5;9.4.5 Einspannen des Bauteils für die Montage;269
13.4.6;9.4.6 Demontage von Baugruppen vor dem Einsatz;271
13.4.7;9.4.7 Umbau von Baugruppen nach der ersten Nutzungsphase, um eine weitere Nutzung zu ermöglichen;272
13.4.8;9.4.8 Endgültiger Rückbau von Baugruppen nach der Nutzung;273
13.5;9.5 Funktionsbedingte veränderliche Geometrie;276
13.5.1;9.5.1 Erprobte Einsatzgebiete;276
13.5.2;9.5.2 Gelenklose Anwendungen, die Duktilität nutzen;278
13.5.3;9.5.3 Lokale Gelenke;280
13.5.4;9.5.4 Faltbare Anwendungen;283
13.5.5;9.5.5 Lokale Flexibilität und Hochelastische Anwendungen;285
13.5.5.1;9.5.5.1 Realisierung mit einer weichen Materialkomponente;285
13.5.5.2;9.5.5.2 Abdichtung mit konstruktiver Duktilität;287
13.5.6;9.5.6 Reversibles Beulen;289
14;10 Grundregel: Funktionsintegration;292
14.1;10.1 Der Begriff Funktionsintegration;292
14.2;10.2 Die konstruktive Funktionsintegration;296
14.2.1;10.2.1 Das Wesen der konstruktiven Funktionsintegration;296
14.2.2;10.2.2 Das Prinzip „Funktionelle Mehrfachnutzung“;298
14.2.3;10.2.3 Das Prinzip „zusätzliche Geometrie“ zur Gewährleistung einer weiteren Funktion;299
14.2.4;10.2.4 Vergleich der beiden Prinzipien;301
14.2.5;10.2.5 Beispiele für eine konstruktive Funktionsintegration;302
14.3;10.3 Die technologische Funktionsintegration;305
14.3.1;10.3.1 Optimierung der technologischen Abläufe;305
14.3.2;10.3.2 Funktionsintegration durch Anpassung technologischer Abläufe;306
14.4;10.4 Sonderverfahren als Mittel der technologischen Funktionsintegration;311
14.4.1;10.4.1 Übersicht;311
14.4.2;10.4.2 Die Sondertechnologie „Mehrkomponentenspritzgießen“;311
14.4.3;10.4.3 Einige Gestaltungsregeln zum Mehrkomponentenspritzgießen;313
14.4.4;10.4.4 Sondertechnologien als Hinterspritzverfahren;316
15;11 Checkliste zur Konstruktion von Kunststoffteilen;322
16;12 Weiterführende Literatur;328
17;Index;330