Leitfaden zur Umstellung von Metall auf Kunststoff

Was ist eine Metall-zu-Kunststoff-Umstellung?

Die Umstellung von Metall auf Kunststoff ist so einfach, wie es klingt: Es handelt sich um den Prozess, bei dem Teile, die ursprünglich aus Metall gefertigt wurden, so reproduziert oder neu konstruiert werden, dass sie aus Kunststoff bestehen.

Kunststoffkomponenten und der Spritzgießprozess, der ihre Vielseitigkeit möglich machte, wurden erstmals Ende des 19. Jahrhunderts entwickelt. Diese Teile und Verfahren wurden während des Zweiten Weltkriegs extrem populär, da der Krieg eine enorme und dringende Nachfrage nach günstigen, zuverlässigen und in Massen produzierbaren Produkten schuf. Als Folge ersetzten spritzgegossene Kunststoffteile viele Metallteile. Die daraus resultierenden Vorteile genießen Hersteller noch heute, da sich die Kunststofftechnologie stetig weiterentwickelt.

Als technische Kunstharze und Kunststoffe in den 1950er Jahren weiterentwickelt wurden, sind zahlreiche zuvor aus Metall gefertigte Teile durch spritzgegossene Komponenten ersetzt worden.

Warum zögern Hersteller, Metallteile durch Kunststoffteile zu ersetzen?

Von vermeintlichen Konstruktions-Herausforderungen über die Angst vor geringerer Festigkeit bis zur generellen Veränderungsresistenz – es gibt viele Gründe, warum manche Hersteller die Umstellung von Metall auf Kunststoff noch nicht in Betracht gezogen haben. Falls Produkthersteller den Austausch von Metall durch Kunststoff nicht bedacht haben, liegt das meist daran, dass ihnen die komplexen Eigenschaften des Kunststoffs nicht bewusst sind. Andere wiederum schätzen die Vorhersehbarkeit des gewohnten Werkstoffs aus der ursprünglichen Konstruktion, anstatt Kunststoffmaterialien in Betracht zu ziehen, die den bisherigen Werkstoff in Leistung und Eigenschaften erreichen oder übertreffen können. Zum Glück lassen sich nahezu alle Barrieren mit Expertise des richtigen Partners überwinden – und die zahlreichen Vorteile einer Kunststoffumstellung kann fast jeder OEM oder Hersteller, der Metallteile verwendet, genießen.

In diesem Beitrag gehen wir auf die am häufigsten gestellten Fragen ein und bieten essenzielle Informationen für eine erfolgreiche Metall-zu-Kunststoff-Umstellung, darunter:

• Was sind die Vorteile der Metall-zu-Kunststoff-Umstellung?
• Welche Eigenschaften können mit Kunststoff erreicht werden?
• Wie sieht der Ablauf der Metall-zu-Kunststoff-Umstellung aus?
• Welche Fragen sollten vor der Umstellung auf Kunststoffkomponenten berücksichtigt werden?
• Welche Rolle spielt „Design for Manufacturing“ (DFM) bei der Metall-zu-Kunststoff-Umstellung?
• Welche Kunststoffe eignen sich für die Umstellung von Metall- zu Kunststoffkomponenten?
• Welche Branchen profitieren am meisten von der Metall-zu-Kunststoff-Umstellung?
• Welche Kosten sind mit der Umstellung von Teilen auf Kunststoff verbunden?
• Analyse einer Fallstudie zur Metall-zu-Kunststoff-Umstellung
• Warum ist Rosti der richtige Partner für Ihr Metall-zu-Kunststoff-Projekt?

Von Kosteneinsparungen über Produktdesign-Updates bis hin zur Verbesserung Ihrer Fertigungsprozesse – es gibt zahlreiche Gründe, Metallkomponenten durch Kunststoff zu ersetzen. Lesen Sie weiter, um mehr über die Eigenschaften von Kunststoffteilen zu erfahren – bis hin zu einer Fallstudie mit realen Details.

Was sind die Vorteile einer Metall-zu-Kunststoff-Umstellung?

Wenn die aktuell eingesetzten Metallteile Ihre Anforderungen erfüllen, wirkt eine Umstellung auf den ersten Blick oft nicht dringend. Dennoch gibt es bedeutende Vorteile, wenn Sie Ihre Möglichkeiten zur Metall-zu-Kunststoff-Umstellung ausloten. Hier sind sechs Wege, wie eine Kunststoff- statt Metall-Lösung nahezu jeden Bereich Ihres Unternehmens beeinflussen kann.

1. Designqualität und -freiheit: Kunststoff kann stärker, leichter und vielfältiger in der Gestaltung als Metall sein. Als Werkstoff lässt sich Kunststoff gezielt zu spezifischen Umwelt-, Struktur- und Betriebsanforderungen anpassen. Durch das richtige Design und die geeignete Materialwahl kann ein Kunststoffteil eine bessere Performance als Metall erzielen. Außerdem lassen sich Verstärkungsstrukturen wie Rippen und Stege direkt in das Kunststoffteil integrieren, wodurch Festigkeit und Haltbarkeit verbessert und die Fertigungszeit reduziert werden. Werden Additive direkt in den Kunststoff eingearbeitet, können gezielt spezielle Eigenschaften verstärkt und hochgradig individualisierte Materialien geschaffen werden. Diese Zusatzstoffe steigern die Kunststoffleistung zum Beispiel in Bereichen wie Schlag- und Zugfestigkeit, Reibungs-, Kratz- und Flammenbeständigkeit. Additive machen Kunststoffe leichter, sicherer für den Einsatz in der Lebensmittelverteilung und Medizintechnik und umweltfreundlicher. Die Gestaltungsmöglichkeiten und Freiheiten, die Kunststoffteile bieten, sind besonders geeignet für Anwendungen in der Sanitär-, Haushaltsgeräte-, Filter- und Motorentechnik, bei denen die Vermeidung von Leckagen im Vordergrund steht. Darüber hinaus sorgen heutige spritzgegossene Kunststoffteile dank präziser Fertigungsprozesse für exakte, enge Toleranzen – ganz ohne Nachbearbeitung. Ein letzter wesentlicher Designaspekt ist das Aussehen: Zu den Designattributen von Kunststoffkomponenten zählen:
   • Mit modernster Software und Technologie können Spritzgießer im Designprozess verschiedenste Materialien testen – was vorausschauende Designanpassungen und verbesserte Performance-Ergebnisse ermöglicht.
   • Die Möglichkeit zur Integration und Realisierung komplexer Formen und Geometrien sowie zur Bauteilkonsolidierung.
   • Gewichtsreduktion und verbesserte strukturelle Belastungsgrenzen.
   • Da Kunststoffe in einer großen Farbvielfalt erhältlich sind und attraktivere Oberflächen und Texturen bieten als Metalle, dominieren spritzgegossene Kunststoffteile häufig ihre Metallgegenstücke. Kunststoffteile ermöglichen zudem eine direkte Veredelung oder Kennzeichnung im Werkzeug und steigern so ihren ästhetischen Mehrwert weiter.
   • Dies sind nur einige der Merkmale, mit denen Sie neue Potenziale bei Design und Leistung Ihrer Produkte erschließen können.
2. Kosteneinsparungen: Eine Umstellung von Metall- auf Kunststoffteile führt zu einer durchschnittlichen Gesamtkosteneinsparung von 25-50 %, wobei diese Vorteile in vielen Bereichen zu finden sind – von der Fertigung und Zeit bis hin zur Logistik.
3. Ein schnellerer Prozess: Eine Umstellung von Metall auf Kunststoff ermöglicht deutlich schnellere Fertigungszyklen und eine höhere Produktionsrate. Die Präzision des Spritzgießens macht zudem zeitaufwändige, mehrstufige Prozesse wie Schleifen und Nachbearbeitung der Endteile überflüssig.
4. Höhere Fertigungseffizienz: Zusätzlich zu den bereits erwähnten ästhetischen Vorteilen können finale Farben und Oberflächenoptionen direkt im Spritzgussverfahren hinzugefügt werden, sodass separate Arbeitsschritte wie Lackieren, Lasergravur usw. entfallen. Weitere Vorteile umfassen:
   • Wartungsfreiheit – Im Gegensatz zu Metallteilen benötigen Kunststoffkomponenten keine Beschichtung oder Lackierung zum Schutz des Materials, wodurch sie praktisch wartungsfrei sind.
   • Längere Werkzeuglebensdauer – Während die Werkzeugkosten für Metall- und Kunststoffteile meist ähnlich sind, ist die Fertigungsrate bei Metallen oft langsamer. Zusätzlich liegt die durchschnittliche Lebensdauer von Werkzeugen für Kunststoffteile etwa zehnmal höher als die von Gusswerkzeugen aus Aluminium.
   • Leichtere Änderungen – Es ist praktisch unmöglich, bei Metall einfach auf eine günstigere Legierung umzusteigen, ohne eine komplette Neukonstruktion durchzuführen. Bei Kunststoffen hat der Preis des Rohmaterials jedoch in der Regel keinen Einfluss auf das Werkzeug, was ein hohes Maß an Flexibilität bei Materialqualität und Kosten ermöglicht.
   • Kunststoffkomponenten können schneller produziert werden als ihre Gegenstücke aus Metall, da sie mit zyklischen und hochgradig wiederholbaren Prozessen hergestellt werden, die insgesamt weniger Arbeitsschritte benötigen. Im Gegensatz zu Metallfertigung ist die Produktion von Kunststoffteilen oft automatisiert, mechanisiert und erfordert nur minimale Überwachung.
   • Kunststoff-Spritzgussformen können aufwendige sekundäre Montageprozesse überflüssig machen, indem sie komplexe und geometrisch variierende Bauteile in einem einzigen Schritt herstellen. In der Metallbearbeitung müssen Teile oft nachträglich durch Schweißen, Anbringen zusätzlicher Bauteile wie Lager oder das Auftragen von Schutzschichten fertiggestellt werden. Kunststoff-Spritzguss liefert hingegen ein einzelnes, sofort einsatzbereites Teil, das mehrteilige Konstruktionen, integrierte Zusatzteile und eingemischte Schutzbeschichtungen direkt im Material abbilden kann.
5. Verbesserte Teileperformance: Im Vergleich zu Metallteilen sind Kunststoffteile meist bis zu 50 % leichter und bieten Leistungsmerkmale, die Metalle schlichtweg nicht erreichen, darunter:
   • Reduzierte Größe, Gewicht und Dicke – Gerade bei engen Bauraumbeschränkungen, wie sie in der Herstellung von Haushaltsgeräten, Motoren, Medizintechnik und technischen Geräten auftreten, bieten spritzgegossene Teile den Vorteil, kleiner, dünner und leichter als Metallteile ausgeführt werden zu können.
   • Höhere Festigkeit und Haltbarkeit – Die heutigen technischen Kunststoffe halten nicht nur erheblichen Belastungen stand; daraus gefertigte Teile können auch enge Toleranzen einhalten und sind damit ebenso robust und zuverlässig wie Metallteile.
   • Widerstandsfähigkeit gegen Stöße, Korrosion und Hitze – Mit mehr als 25.000 verfügbaren technischen Kunststoffen, darunter neue Mischungen und hybride Formulierungen, können Spritzgussteile sehr spezifische Leistungsanforderungen erfüllen. Manche Mischungen sind ideal für Anwendungen, die Schlagabsorption erfordern und bei denen Beständigkeit gegenüber korrosiven Einflüssen und Hitze gefordert ist.
6. Materialkosten: Kunststoff ist in der Regel deutlich günstiger als Blech und unterliegt auch weniger starken Preisschwankungen am Markt. Das Spritzgussverfahren ist zudem hochgradig reproduzierbar, was weniger Ausschuss verursacht. Niedrigere Schmelztemperaturen und der Wegfall mehrerer Bearbeitungsschritte senken zusätzlich den Energiebedarf gegenüber der Produktion von Metallteilen.
7. Verpackungs- und Versandkosten: Das geringe Eigengewicht von Kunststoff ist nicht nur aus konstruktiver und leistungstechnischer Sicht von Vorteil, sondern ermöglicht auch deutliche Einsparungen bei Verpackungs-, Fracht- und Lagerkosten.

Was sind die HAUPTMERKMALE, die mit Kunststoff erreicht werden können?

Neben der Gestaltungsfreiheit und den Kostenvorteilen, die die Umwandlung von Metall zu Kunststoff bietet, verfügt Kunststoff über zahlreiche positive Eigenschaften, die Metallteile nicht bieten können. Es stehen über 25.000 technische Kunststoffe zur Verfügung, die für nahezu jeden Fertigungsbedarf spezifiziert werden können. Außerdem können neue, kundenspezifische Mischungen geschaffen werden, um nahezu jede spezifische Leistungsanforderung zu erfüllen. Hier sind einige Möglichkeiten, wie diese anpassbaren Kunststoffe dazu beitragen können, die Leistungsfähigkeit Ihrer Produkte zu steigern:

Gewicht: Kunststoffteile sind in der Regel mindestens 50 % leichter als vergleichbare Metallteile. Sie ermöglichen zudem kleinere Abmessungen und geringere Wandstärken, was insbesondere beim Bau von Motoren, Haushaltsgeräten, Kfz-Teilen oder überall dort, wo Bauraum knapp ist, von Vorteil sein kann.

Festigkeit: Moderne spritzgegossene Kunststoffe sind bei Belastungen ebenso zuverlässig wie Metallteile, und ihre Zugfestigkeit kann die von Metallen sogar noch übertreffen. Zudem entfällt durch die Verwendung eines einzigen Kunststoff-Formteils anstelle mehrerer Metallteile das Schweißen und damit verbundene Schwachstellen.

Wartungsaufwand: Im Vergleich zu Metall erfordern Kunststoffteile praktisch keinen Wartungsaufwand, da sie weder eine Anfangs- noch wiederholte Beschichtung oder Lackierung zum Schutz benötigen. Sie sind zudem besser als viele Metallteile gegenüber Stößen, Bewegungen, Hitze und korrosiven Einflüssen beständig.

Innovationspotenzial: Durch die Gestaltungsmöglichkeiten bei Kunststoffbauteilen können Ihre Ingenieure komplexe Herausforderungen einfach lösen. Ganz gleich, ob es um raue Umgebungen, komplizierte Formen und Prozesse, Bau- oder Gewichtsbeschränkungen oder auch nur die Produktästhetik geht: Mit der Umstellung auf Kunststoffkomponenten erhalten Sie die nötige Flexibilität, um kreative und wirkungsvolle Lösungen zu finden.

Wie läuft die Umstellung von Metall auf Kunststoff ab?

Einer der wichtigsten ersten Schritte bei einem Projekt zur Umstellung von Metall auf Kunststoff ist es, das Ausmaß des Vorhabens genau zu verstehen. Neben vielfältigen Einsparmöglichkeiten – wie der Wegfall von Fertigungsschritten, die Zusammenlegung von Komponenten, die Reduzierung des Materialeinsatzes und des Teilegewichts – ergeben sich oft auch Mehrwerte, etwa indem Text, Oberflächenbeschichtungen oder Funktionen integriert werden, die im Metallumformungsprozess schwierig zu realisieren wären. Die Vereinbarung eines Vor-Ort-Termins oder einer Online-Zusammenarbeit mit einem erfahrenen Spritzgießer ist ein idealer erster Schritt, um Chancen und mögliche Einschränkungen zu identifizieren.

Sie können mit einem Schritt-für-Schritt-Prozess wie dem folgenden rechnen:

1. Detaillierte Überprüfung des Konstruktionsziels und der Teileidentifikation: Was macht ein Metallteil zu einem guten Kandidaten für den Ersatz durch Kunststoff?
   • Teile mit hohen Stückzahlen
   • Teile mit komplexen Geometrien, Baugruppen oder sekundären Arbeitsschritten, die eingespart oder reduziert werden können
   • Bauteile, die ein geringeres Gewicht und vielfältigere Designoptionen erfordern
2. Teileanforderungen definieren: Stellen Sie den Erfolg der Produktionsserie sicher, indem Sie die Anforderungen im Vorfeld festlegen, wie zum Beispiel:
   • Umwelteinflüsse wie Temperatur, UV-Strahlung, Chemikalien und Feuchtigkeit
   • Strukturelle Leistungsanforderungen, einschließlich Festigkeit, Steifigkeit und Belastungen
3. Besondere Überlegungen prüfen: Gibt es spezielle Anforderungen oder Eigenschaften, die das Teil erfüllen muss, wie zum Beispiel:
   • Regulatorische Anforderungen
   • Einzigartige Eigenschaften (Verschleiß, Leitfähigkeit, Farbe, Flammschutz)
     Diese Überlegungen wirken sich auf die Auswahl und Verarbeitung des Kunststoffmaterials aus.
4. Kostenanalyse durchführen: Die Herstellung von Kunststoffbauteilen kann, wenn alle Aspekte berücksichtigt werden, erhebliche Kosteneinsparungen im Vergleich zu Metallteilen ermöglichen, etwa durch die Reduzierung von:
   • Rohmaterialkosten und Dichte
   • Werkzeug- und Verarbeitungsaufwand
   • Zykluszeiten
   • Montageschritte und Arbeitsaufwand
   • Nachbearbeitungsschritte
5. Projektentwurf und Unterstützungsbedarf prüfen: Es ist wichtig, die einzelnen Schritte durchzugehen, um die Machbarkeit einer Metall-zu-Kunststoff-Umstellung vollständig zu verstehen. Der Prozess von Rosti umfasst die Überprüfung von 3D-Modellen der Zielkomponenten und -systeme. So können sich Rosti-Ingenieure an Fertigungsgerechtes Konstruieren (DFM) zu Formenbau, Funktion, Montage und Nachhaltigkeit beteiligen. Dieser Prozess ist iterativ, da sich das Design weiterentwickelt und reift.
6. Prototypenbedarf und Teilevalidierung bewerten: Rosti unterstützt Sie bei Materialtests, um sicherzustellen, dass das Teil für die Produktion bereit ist. Dieser Prozess kann Folgendes beinhalten:
   • Prototypenbau
   • Überprüfung von Teil, Werkzeug, Prozess und Design
   • SOLIDWORKS-Simulation und Designvalidierung
7. Umstellung auf Kunststoff-Komponentenfertigung: Die Produktionsformprozesse sollten so optimiert werden, dass ein reibungsloser Übergang von der Teilevalidierung zur Serienproduktion möglich ist. Möchten Sie gerne einen Schritt zurückgehen, um mehr über das Spritzgussverfahren vom Design bis zur Produktion zu erfahren? Sehen Sie sich unser umfassendes Infomaterial an und laden Sie es herunter

Welche Fragen sollten vor der Umstellung auf Kunststoffbauteile berücksichtigt werden?

Wenn Hersteller die Umstellung von Metall auf Kunststoff erwägen und jeden Aspekt des Prozesses bewerten, ergeben sich viele Fragen – von der Qualifizierung verschiedener Materialeigenschaften, über Designänderungen, bis hin zur Teilevalidierung und mehr. Zögern Sie nicht, diese Fragen während des Prozesses zu stellen, und behalten Sie Ihre Ziele stets im Fokus, um ein erfolgreiches Ergebnis zu sichern. Möchten Sie das Teilegewicht reduzieren? Die Qualität oder Konsistenz verbessern? Sind die funktionalen und ästhetischen Eigenschaften Ihres Kunststoffbauteils wichtig und wie beeinflusst das neue Material diese? Indem Sie diese Fragen im Vorfeld stellen, halten Sie Ihr Projekt auf optimalem Kurs.

Es wird empfohlen, alle nachfolgenden und zusätzlich auftretenden Fragen sorgfältig mit einem vertrauenswürdigen und erfahrenen Spritzgussunternehmen zu besprechen, das Sie bei allen Aspekten Ihres individuellen Projekts unterstützt.

Welche Merkmale und/oder Qualitätsanforderungen machen dieses Teil zu einer Herausforderung für Werkzeuge oder Spritzguss, und wie einfach lässt sich das Design übertragen?

Mit einem optimierten Design können die meisten Komponenten im Spritzgussverfahren hergestellt werden. Es ist jedoch entscheidend, das technisch Machbare mit der Auswahl der Materialien, die die Leistung des Teils verbessern, zu balancieren. Qualitätsanforderungen, die vorgesehene Verwendung der Komponente und mögliche Einwirkungen von Umwelteinflüssen sollten stets mit Ihrem Formenbau-Partner besprochen werden.

Insbesondere erfordert die Konstruktion eines Kunststoffteils für die Fertigung (DFM) wichtige Überlegungen in Bezug auf die Konstruktion, den Formenbau, die Materialauswahl und die Produktion. Ergreifen Kunststoffteiledesigner einen kollaborativen Ansatz und binden Werkzeugmacher frühzeitig in den Konstruktionsprozess ein, lassen sich zahlreiche Vorteile erzielen.

Studien zeigen, dass 70 bis 80 Prozent der Kosten eines neuen Produkts durch das Design bestimmt werden. Hersteller legen daher großen Wert auf eine Beratung zur Kunststoffkonstruktion, um die Gesamtkosten der Produktion zu senken. Die vormals strikte Trennung zwischen Entwicklung und Produktion ist heute nicht mehr so deutlich – Produktentwickler beziehen Spritzguss-Experten inzwischen deutlich früher in den Prozess ein.

Im DFM-Abschnitt unten gehen wir weiter ins Detail, aber einige wichtige Elemente der Designoptimierung und Merkmale, die früh in den Designtransfer oder Entwicklungsprozess einbezogen werden sollten, sind:

1. • Entformungsschrägen
   • Wandstärke
   • Radien an Kanten
   • Versteifungsrippen
   • Entformungsschrägen
   • Abschlusselemente
2. 
   

   Warum ist es so wichtig, sich bei einem Kunststoffteil auf die Wandstärke zu konzentrieren?

   
   

   Eine gleichmäßige Wandstärke ist entscheidend für das Design eines Spritzgussteils. Uneinheitliche Wandstärken führen zu Problemen bei der Maßhaltigkeit, Verzug und anderen Stabilitätsproblemen des Bauteils, wenn das geschmolzene Material abkühlt.

   
   

   Wenn Bereiche mit unterschiedlichen Dicken erforderlich sind, empfehlen Konstrukteure, den Übergang so glatt wie möglich zu gestalten, damit das Material gleichmäßiger in der Kavität fließen kann. Das sorgt dafür, dass die gesamte Form vollständig ausgefüllt wird und senkt letztlich das Risiko von Fehlern. Abgerundete oder abgeschrägte Wanddickenübergänge minimieren eingebaute Spannungen und Spannungskonzentrationen, die mit abrupten Dickenänderungen einhergehen.

   
   

   Die richtige Wandstärke für Ihr Teil kann erhebliche Auswirkungen auf die Herstellungskosten und die Produktionsgeschwindigkeit haben. Die minimale Wandstärke, die verwendet werden kann, hängt von der Größe und Geometrie des Teils, den strukturellen Anforderungen und dem Fließverhalten des Kunststoffs ab. Die Wandstärken von Spritzgussteilen liegen in der Regel zwischen 2 mm und 4 mm (0,080″ – 0,160″). Beim Dünnwand-Spritzguss lassen sich Wände von bis zu 0,5 mm (0,020″) herstellen. Sprechen Sie mit Ihrem Spritzgießer und Konstrukteur, um sicherzustellen, dass die geeigneten Wandstärken für das Design und die Materialauswahl Ihres Teils umgesetzt werden.

   
   
3. 
   

   Wo ist der optimale Ort, um dieses Teil anzuspritzen?

   
   

   Obwohl hochwertige spritzgegossene Kunststoffteile eine gleichmäßige Wandstärke haben sollten, kann es sein, dass die geplante Nutzung des Teils unterschiedliche dicke und dünne Bereiche erfordert. Ist dies bei Ihrem Metall-zu-Kunststoff-Umstellungsprojekt der Fall, empfiehlt es sich, den Anspritzpunkt im dicksten Bereich zu platzieren und dünne Bereiche zu vermeiden. Plastics Technology beschreibt dies sehr gut und erklärt, dass ein Missachten zu Hohlräumen oder Einfallstellen führen kann. Der Nachdruck wird verwendet, um den Kunststoff beim Abkühlen und Schrumpfen in der Form vollständig zu verdichten. Änderungen des Nachdrucks beeinflussen die Kompression der Schmelze entlang des Fließwegs.

   
   

   Die beste Verdichtung erfolgt am Anspritzpunkt, und gerade bei dicken Bereichen ist die beste Verdichtung notwendig, um Fehler zu vermeiden. Die Lage des Anspritzpunktes beeinflusst außerdem die Orientierung der Polymermoleküle und das Schwinden des Teils. Schrumpfung bezeichnet die Verkürzung des Formteils beim Abkühlen nach dem Spritzgießen. Alle Materialien haben je nach Kunststofffamilie (amorphe vs. kristalline Werkstoffe), Werkzeugdesign und Prozessbedingungen unterschiedliche Schrumpfraten. Unten gehen wir weiter auf Materialien und deren Eigenschaften ein.

   
   

   Zusätzlich zur optimalen Anspritzpunktwahl sollten geeignete Winkel bzw. Schrägen an Produktmerkmalen wie Wänden, Rippen, Stegen und Aufnahmen vorgesehen werden, die parallel zur Ausstoßrichtung liegen – dadurch wird das Entformen erleichtert.

   
   

   Möchten Sie mehr darüber erfahren, wie Schrumpfung die Kontraktion eines Formteils beim Abkühlen nach dem Spritzguss beeinträchtigt? Laden Sie Rosti’s Plastic Injection Molding Material Shrink Rate Guide herunter.

   
   
4. 
   

   Gibt es zusätzliche Materialien oder Prozesse, die wir in Betracht ziehen könnten, um dem Teil zusätzlichen Mehrwert zu verleihen?

   
   

   Wenn die Materialleistung mit verfügbaren Kunststoffen nicht erreicht werden kann, lassen sich durch kundenspezifische Materialmischungen die Eigenschaften mehrerer Kunststoffe kombinieren und steigern. Durch die Verstärkung von Kunststoffen mit Additiven können Bauteile stabiler, steifer – und damit verzugs- und schrumpffester – gemacht werden. Additive wie Glas- oder Carbonfasern können die Leistung verbessern und Fließverhalten, Entformung und Verteilung optimieren.

   
   

   Werden Additive direkt in den Kunststoff eingemischt, werden gezielt bestimmte Eigenschaften erhöht und ein maßgeschneidertes Material geschaffen. Diese Additive steigern die Kunststoffleistung z.B. bei Schlagzähigkeit, Zugfestigkeit, Reibungs-, Kratz- und Flammschutz. Additive machen Kunststoffe leichter, sicherer für Lebensmittel- und Medizinanwendungen und umweltfreundlicher.

   
   

   In manchen Fällen können Hochtemperatur- und Spezialkunststoffe für bestimmte Anwendungsfälle infrage kommen. Diese Materialien sind zunächst teurer als Standardkunststoffe, bieten aber enorme Haltbarkeits- und Leistungsreserven für komplexe Bauteile – was letztlich die Gesamtkosten der Produktion senkt.

   
   

   Zusätzliche Mehrwerte für Ihr Teil oder seine Funktionalität können auch Fertigungsverfahren außerhalb des Spritzgusses liefern. Nachgelagerte Fertigungsoptionen, Baugruppen und Nachbearbeitungen helfen, Prozesse zu optimieren und weitere Effizienz- sowie Kostenvorteile zu erzielen. Dazu gehören beispielsweise Heißprägen, Einlegetechniken, Thermokontaktieren und vieles mehr.

   
   
5. 
   

   Welche Prüfverfahren können eingesetzt werden, um unsere Entscheidung und die Teileleistung zu validieren?

   
   

   Spritzgießer, die innovative und wissenschaftliche Ansätze in den Fertigungsprozess integrieren, erzielen letztlich die besten Ergebnisse.

   
   

   Kunststoff-Prototyping: Rosti stellt sicher, dass Spritzgusswerkzeuge präzise nach Spezifikation gebaut werden, sodass der Kunde volles Vertrauen hat, dass das Prototypenbauteil getestet, vermarktet oder sogar für kurzfristige bzw. Kleinserienfertigung eingesetzt werden kann. Dies geschieht gemeinsam mit Prototypen-Formenpartnern, die individuelle Formen und Komponenten nach Produktionsanforderungen erstellen. Kurze Lieferzeiten und kostengünstige Preise ermöglichen es dem Kunden, Prototypenteile zu bestellen, die das Design eines Serienteils exakt abbilden.

   
   

   SOLIDWORKS: Rosti erweitert stetig die Ressourcen, um Ingenieure beim Kunststoffteiledesign, Werkzeugdesign und Materialflusssimulation zu unterstützen. Mit dem SOLIDWORKS^® Plastics Premium II Simulationspaket kann das Rosti-Engineering-Team zusätzliche Vorhersagen zur Kunststoffteilentwicklung in frühen Phasen treffen, wodurch sich die Gesamtzeit bis zur Markteinführung durch Verkürzung des Entwicklungszyklus reduziert. Die SolidWorks Plastics Premium Software ist ein frühzeitiges Designvalidierungs-Tool, das Einblicke in Geometrien gewährt, die sich konventionell oft nur schwer, teuer oder gar nicht vorhersagen lassen.

   
   

   

   
   

   Verweilzeit des Kunststoffs: Die Berechnung der spezifischen Kunststoffverweilzeit für den jeweiligen Prozess steigert die Materialleistung und letztlich die Produktqualität.

   
   

   Das Material wird schnell durch die Verweilzeit und die Einwirkungstemperatur beeinflusst. Nach dem Injection Molding Handbook sind einige Polymere „hydrolytisch abbaubar und können durch Feuchtigkeit bereits vor der Entgasung unerwünschte Depolymerisationserscheinungen zeigen.“ Die Kenntnis der Materialverweilzeit hilft, die optimale Zeit und Temperatur für den Fertigungsprozess zu bestimmen.

   
   

   Teileverifizierung: Die Validierung ist ein Schlüsselaspekt, da das Design von Kunststoffteilen oft grundlegend anders ist als das von Metallbauteilen. Somit ist das Teiledesign völlig neu. Wie gehen Sie vor, um sicherzustellen, dass ein neues Design Ihre Anforderungen erfüllt? Rosti-Ingenieure sind überzeugt, dass es sinnvoll ist, mit einem einnestigen Pilot- oder Prototypen-Werkzeug aus Stahl alle Annahmen zu überprüfen. Neben der Validierung des Teiledesigns werden damit auch Werkzeug und Prozessparameter geprüft, um den Erfolg sicherzustellen.

   
   

Welche Rolle spielt Design for Manufacturing (DFM) bei der Umstellung von Metall auf Kunststoff?

Der Design for Manufacturing-Prozess (DFM) ist ein entscheidendes Element jeder Metall-zu-Kunststoff-Umstellung. Nachdem der Projektumfang definiert wurde, schafft der DFM-Prozess ein Rahmenwerk, damit Spritzgussingenieure gemeinsam am Teileentwurf für Werkzeugbau, Formgebung, Funktion und Nachhaltigkeit arbeiten können. Rosti verfügt über umfassende Erfahrung bei der Empfehlung von Designänderungen, um Bauteile leichter und robuster zu machen – mit besonderem Fokus auf kunststoffgerechte Designelemente, einschließlich Nennwandstärken, Entformungsschrägen, Verstärkungsrippen, Montageeigenschaften usw. Die Konstrukteure von Rosti fertigen meist Maßhaltigkeitsmerkmale mit hohen Toleranzen, wodurch eine bessere Kontrolle und die Realisierung extrem hoher Prozesswiederholbarkeit möglich werden. Das ultimative Ziel ist sicherzustellen, dass ein Kunststoffbauteil dauerhaft mit optimalen Eigenschaften und höchster Qualität gefertigt werden kann.

Design for Manufacturing (DFM) bedeutet, ein Produkt so zu gestalten, dass die Fertigungseffizienz für die eingesetzte Ausrüstung und/oder den gewählten Prozess optimiert wird – mit dem Ziel, die niedrigsten Stückkosten bei höchstmöglicher Qualität zu erzielen. Der wichtigste Grund zur Integration von DFM in die Herstellung eines spritzgegossenen Kunststoffprodukts ist, wie oben erwähnt, dass 70–80 Prozent der Produktionskosten durch Konstruktionsentscheidungen festgelegt werden.

DFM bedeutet, das richtige Herstellungsverfahren für ein Teil oder Produkt zu wählen, Investitionen in verschiedene Technologien zu tätigen, modernste Konstruktionsprinzipien anzuwenden und die passenden Materialien mit den richtigen Eigenschaften auszuwählen, um die Konstanz und Qualität liefern zu können, die Ihre Kunden und Interessenten erwarten.

DFM ist auch ein wichtiger Faktor für die Senkung von Fertigungs- und Montagekosten. Ein Überblick darüber, wie dies erreicht wird, folgt unten; allerdings sollte ein DFM-Plan am Arbeitsplatz als Ingenieursdokument erstellt werden, das sich ausschließlich darauf konzentriert, die „goldene Mitte“ zwischen Qualität und Kosten zu finden.

13 DFM-Richtlinien zur Senkung von Kosten und Herausforderungen bei der Herstellung eines Kunststoffbauteils

1. Beginnen Sie frühzeitig im Designprozess mit DFM, bevor der Werkzeugbau startet
2. Involvieren Sie Ingenieure, Designer, den Auftragsfertiger, den Werkzeugbauer und den Materiallieferanten, um das Design zu hinterfragen
3. Konstruktionsziel: Reduzieren Sie die Gesamtanzahl der Bauteile
4. Verwenden Sie ein modulares Design
5. Minimieren Sie die Anzahl der Maschinenoperationen
6. Nutzen Sie Standardkomponenten
7. Konstruktion für multifunktionale Teile
8. Konstruktion für Mehrfachverwendung
9. Konstruktion für einfache Fertigung
10. Vermeiden Sie separate Verbindungselemente
11. Minimieren Sie die Anzahl der Montagrichtungen
12. Maximieren Sie die Nachgiebigkeit/Flexibilität
13. Minimieren Sie das Handling und berücksichtigen Sie, wie das Design die Verpackung und den Versand der Teile beeinflusst

Welche Kunststoffe werden beim Umstieg von Metall- auf Kunststoffbauteile eingesetzt?

Ist Kunststoff wirklich so belastbar und dauerhaft wie Stahl? Viele Hersteller wissen nicht, dass die richtige Konstruktion und Entwicklung bei Kunststoffen dieselben präzisen Toleranzen ermöglichen kann wie bei Metallteilen – mit gleichzeitig überlegener Performance. Kunststoffe lassen sich gezielt zu Hochleistungskunststoffmischungen kombinieren, die höchste Anforderungen an Festigkeit, Flexibilität, Temperatur-, Korrosionsbeständigkeit und mehr übertreffen können.

…für Ihre individuelle Anwendung kann es Zeit brauchen – und erfordert die Zusammenarbeit mit einem erfahrenen Spritzgießbetrieb, der mithilfe strategischer Partnerschaften mit Experten für Kunststoffe Ihr Projekt und den Verwendungszweck sorgfältig bewerten kann. Rosti verarbeitet jährlich über 150 verschiedene Kunststoffe und ist spezialisiert auf folgende:

• PPS (Polyphenylensulfid)
• PPSU (Polyphenylsulfon)
• PSU (Polysulfon)
• Acetal
• PPO (Polyphenylenoxid)
• TPV (Thermoplastische Vulkanisate)
• TPE (Thermoplastisches Elastomer)
• PP (Polypropylen)
• HDPE (High-Density Polyethylen)
• LDPE (Low-Density Polyethylen)
• Hochtemperatur-Polymere
• Hochgefüllte Kunststoffe (Glas, Mineralien, Talkum)
• Sämtliche technische Nylon-Typen

Laut der American Society of Mechanical Engineers ist einer der größten Vorteile von Kunststoffen die Verfügbarkeit von über 25.000 entwickelten Werkstoffen für Fertigungsanwendungen. Wichtige Überlegungen bei der Auswahl des Kunststofftyps sind:

• Kristallin vs. amorph: Kunststoffe, die beim Spritzgießen verwendet werden, bestehen aus Strukturen, die in Bezug auf ihre Kristallinität – also wie die Moleküle des Polymers angeordnet sind – definiert sind. Kristalline Strukturen sind meist sehr geordnet, was dem Material Stärke und Steifigkeit verleiht. Amorphe Polymere sind das Gegenteil.
• Additive: Additive beeinflussen Festigkeit, Steifigkeit, Temperaturverhalten, Aussehen, Verpackungsanforderungen und Kosten.
• Füllstoffe aus Kohlenstoff und Edelstahl verbessern die Leitfähigkeit und/oder Abschirmeigenschaften.
• Schmierstoff-Füllstoffe verbessern das Verschleiß- und Reibungsverhalten.
• Mineralische Füllstoffe verbessern elektrische Eigenschaften, das schwerere Materialgefühl, Schalldämpfung, eine höhere spezifische Dichte sowie die Dimensionsstabilität.
• Schlagzäh-Modifier verbessern die Zähigkeit.

Für die Auswahl des besten Kunststoffmaterials ist es essenziell, bei der Entwicklung eines Spritzgussteils die angestrebte Endanwendung und die wichtigsten Materialeigenschaften zu verstehen. Hier finden Sie einen Überblick über einige der wesentlichen Unterschiede bei häufig verwendeten Kunststoffen.

ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) ist ein verbreitetes Spritzgussmaterial, das sich relativ einfach beschaffen und verarbeiten lässt und zudem einen attraktiven Preis bietet. Es ist ein starkes, robustes Material mit guter Schlagfestigkeit, lässt sich leicht bearbeiten und erfüllt vielfältige optische Anforderungen. Für Bauteile, die dauerhaft starker Hitze ausgesetzt werden, ist der Kunststoff allerdings ungeeignet, da er sich ab etwa 200 Grad Fahrenheit verzieht oder schmilzt.

Polycarbonate gehören zu den hochwertigen Thermoplasten, die sich leicht verarbeiten lassen und in der Regel schlagfester sind. Polycarbonat ist von Natur aus transparent und daher ideal für hochfeste, glasähnliche Anwendungen (Schutzbrillen, medizinische Laboranwendungen usw.). Für Anwendungen, die eine hohe Flexibilität oder bestimmte Farbeigenschaften erfordern, ist Polycarbonat jedoch nicht geeignet.

Glasfaserverstärktes Nylon ist ein verstärkter Thermoplast, bei dem dem Grundmaterial Nylon Glasfasern zur Steigerung von Festigkeit und Hitzebeständigkeit zugesetzt werden. Das Material ist auch weniger stromleitend als viele andere Kunststoffe, hat trotz seines hohen Schmelzpunktes jedoch eine höhere Brandanfälligkeit als andere Materialien.

Polypropylen ist ein flexibler Thermoplast, der sich sowohl für industrielle als auch für Verbraucher-Anwendungen eignet. Dieser Kunstoff ist besonders biegsam und kann auf verschiedene Weisen verarbeitet werden, ohne seine ursprüngliche Form zu verlieren. Polypropylen ist darüber hinaus beständig gegenüber Lösungsmitteln, Chemikalien und UV-Strahlung.

Acetal ist für seine gute Reibungsbeständigkeit und hohe Steifigkeit bekannt. Im Spritzgussprozess kann es leicht eingefärbt werden, bietet aber keine überdurchschnittlich hohe Hitzebeständigkeit.

Das frühzeitige Berücksichtigen spezifischer Anforderungen im Designprozess kann helfen, teure Änderungen zu einem späteren Zeitpunkt zu vermeiden. Es ist entscheidend, Eigenschaften wie Steifigkeit, Haltbarkeit, Zähigkeit und andere gegeneinander abzuwägen, um eine optimale Funktionalität des Bauteils zu erreichen. Die Bedeutung einer frühzeitigen Designberatung im Spritzgussprozess wurde auf dieser Seite mehrfach hervorgehoben. Besonders kritisch wird dies jedoch, wenn Hochtemperaturwerkstoffe eingesetzt werden, um die Festigkeit, Stabilität und andere spezielle Anforderungen eines Bauteils zu erfüllen. Konventionelle Spritzgussverfahren sind bei Hochtemperatur- und speziellen Kunststoffen nicht immer ausreichend effektiv.

Welche Branchen profitieren am meisten vom Metall-Kunststoff-Wandel?

Viele der von Rosti belieferten Märkte nutzen die Vorteile, die der Wechsel von Metall zu Kunststoff bietet. Die Anwendungen konzentrieren sich in der Regel auf Metallbauteile, die schwer sind oder deren gewünschte Eigenschaften mit mehreren Fertigungsschritten erzeugt werden müssen.

Beispielsweise nutzt die Automobil- und Luftfahrtindustrie den Wechsel von Metall zu Kunststoff, um Gewicht zu reduzieren und die Kraftstoffeffizienz zu verbessern (der Austausch eines Metallbauteils durch ein Kunststoffbauteil führt zu einer Gewichtsreduzierung von etwa 50 Prozent). Neben der Gewichtsersparnis können Bauteile aus technischen Kunststoffen genauso langlebig, hitzebeständig und chemikalienbeständig sein wie Metallteile, sodass sie sich auch für raue Umgebungen oder Betriebsbedingungen eignen.

Auch in der Medizintechnikbranche findet zunehmend eine Umstellung von Metall auf Kunststoff statt. Werkzeuge und Instrumente, die früher aus Metall gefertigt wurden, werden heute aus Kunststoff hergestellt, um das Gewicht zu reduzieren, während dennoch ein hohes Maß an Festigkeit und Steifigkeit gewährleistet wird. Wenn Hochtemperaturkunststoffe eingesetzt werden, können die Bauteile erhöhten Anforderungen an Desinfektion und Sterilisation standhalten.

Weitere Branchenanwendungen, die bei der Umstellung von Metall auf Kunststoff im Aufschwung sind, umfassen unter anderem Landwirtschaft, Baugeräte, Industrie­pumpen, Fluidtechnik, schwere Maschinen, Haushaltsgeräte und viele Konsumgüter.

Welche Kosten sind mit der Umstellung von Metall auf Kunststoff verbunden?

In den meisten Fällen erfordert die Entwicklung eines neuen Kunststoffteils ein Werkzeug. Werkzeuge für den Kunststoffspritzguss müssen wiederholtem Temperaturwechsel, Kavitationsdrücken von über 30.000 psi, Stahlt­emperaturen von über 300 Grad Fahrenheit und Kunststofftemperaturen von über 700 Grad Fahrenheit standhalten. Hochgefüllte Harze wirken sich außerdem extrem abrasiv auf herkömmliche Werkzeugstähle aus. Deshalb sind Spritzgusswerkzeuge im Vergleich zu Werkzeugen für viele andere Prozesse meist kostspieliger. Obwohl die Einsparungen pro Einheit durch den Spritzguss diese Werkzeugkosten in der Regel ausgleichen, ist das Werkzeug ein wichtiger Faktor im Budget.

Es besteht kein Zweifel daran, dass der Spritzguss eine Anfangsinvestition in das Werkzeug erfordert. Dennoch ist es aufgrund der Zykluszeit beim Spritzguss sehr wahrscheinlich, dass eine Kunststoffvariante Ihres Teils deutlich kostengünstiger ist.

Quelle: Design for Manufacturing and Assemble, D. Havel, https://www.slideshare.net/dhaval6693/dfma-57014998