Leitfaden für die Umstellung von Metall auf Kunststoff

Was ist die Metall-zu-Kunststoff-Umstellung?

Die Metall-zu-Kunststoff-Umstellung ist so einfach, wie es klingt: Es handelt sich dabei um den Prozess, Bauteile, die ursprünglich aus Metall gefertigt wurden, nachzubilden oder neu zu konstruieren, sodass sie aus Kunststoff bestehen.

Kunststoffkomponenten und das Spritzgießverfahren, das sie so vielfältig gemacht hat, wurden Ende des 19. Jahrhunderts erstmals entwickelt. Diese Teile und Verfahren wurden während des Zweiten Weltkriegs besonders populär, da der Krieg einen enormen und dringenden Bedarf an erschwinglichen, zuverlässigen und in Massen produzierten Produkten schuf. Infolgedessen ersetzten spritzgegossene Kunststoffteile viele Metallteile, und von den Vorteilen profitieren Hersteller noch heute, da sich die Kunststofftechnologie ständig weiterentwickelt.

Als technische Kunststoffe und Kunststoffmaterialien in den 1950er-Jahren weiterentwickelt wurden, wurden viele früher aus Metall gefertigte Teile durch spritzgegossene Bauteile ersetzt.

Warum zögern Hersteller, Metallteile durch Kunststoffteile zu ersetzen?

Von wahrgenommenen Konstruktionsherausforderungen über die Angst vor geringerer Festigkeit bis hin zum Widerstand gegen Veränderungen – es gibt viele Gründe, warum manche Hersteller die Metall-zu-Kunststoff-Umstellung bisher nicht in Betracht gezogen haben. Wenn Produzenten nicht daran gedacht haben, Metall durch Kunststoff zu ersetzen, liegt das meist daran, dass sie sich der komplexen Eigenschaften von Kunststoffen nicht bewusst sind. Andere wiederum schätzen die Verlässlichkeit des im ursprünglichen Design verwendeten Werkstoffs und ziehen nicht in Betracht, dass Kunststoffmaterialien gleiche oder bessere Leistungseigenschaften bieten können. Zum Glück lassen sich nahezu alle Hürden mit der Expertise des richtigen Partners überwinden, sodass praktisch jeder OEM oder Hersteller, der Metallteile einsetzt, von den vielfachen Vorteilen der Kunststoffumstellung profitieren kann.

Im weiteren Verlauf dieses Beitrags beantworten wir die häufigsten Fragen und liefern wichtige Informationen für eine erfolgreiche Metall-zu-Kunststoff-Umstellung, darunter:

• Was sind die Vorteile einer Metall-zu-Kunststoff-Umstellung?
• Welche Eigenschaften können mit Kunststoff erzielt werden?
• Wie läuft die Metall-zu-Kunststoff-Umstellung ab?
• Welche Fragen sollten vor dem Wechsel zu Kunststoffkomponenten berücksichtigt werden?
• Welche Rolle spielt Design for Manufacturing (DFM) bei der Metall-zu-Kunststoff-Umstellung?
• Welche Kunststoffmaterialien eignen sich für die Umwandlung von Metall- zu Kunststoffteilen?
• Welche Branchen profitieren am meisten von der Metall-zu-Kunststoff-Umstellung?
• Mit welchen Kosten ist die Umstellung von Teilen auf Kunststoff verbunden?
• Vorstellung einer Fallstudie zur Metall-zu-Kunststoff-Umstellung
• Warum ist Rosti der richtige Partner für ein Metall-zu-Kunststoff-Umstellungsprojekt?

Von Kosteneinsparungen über Aktualisierungen im Produktdesign bis hin zur Verbesserung Ihres Fertigungsprozesses – es gibt viele Gründe, Metallteile durch Kunststoff zu ersetzen. Lesen Sie weiter, um mehr über die Eigenschaften von Kunststoffteilen bis hin zur Fallstudie mit praxisnahen Details zu erfahren.

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

Wenn die derzeit verwendeten Metallteile Ihre Anforderungen erfüllen, erscheint eine Umstellung auf den ersten Blick vielleicht nicht dringlich. Dennoch gibt es erhebliche Vorteile, wenn Sie die Möglichkeiten einer Metall-zu-Kunststoff-Umstellung prüfen. Im Folgenden finden Sie sechs Wege, wie eine Umstellung von Metall auf Kunststoff nahezu jeden Bereich Ihres Geschäfts positiv beeinflussen kann.

1. Designqualität und Gestaltungsfreiheit: Kunststoff kann stärker, leichter und vielseitiger in der Optik sein als Metall. Als Werkstoff kann Kunststoff individuell abgestimmt werden, um bestimmte Umwelt-, Struktur- und Betriebserfordernisse zu erfüllen. Die richtige Konstruktion und Materialauswahl kann dazu führen, dass ein Kunststoffbauteil besser abschneidet als sein metallisches Pendant. Darüber hinaus steigern direkt in das Bauteil einformbare Verstärkungen wie Rippen und Versteifungen die Festigkeit und Haltbarkeit und verkürzen die Produktionszeit. Werden Additive direkt in den Kunststoff eingemischt, lassen sich spezielle Eigenschaften gezielt verstärken und ein hochindividualisiertes Material erzeugen. Diese Zusätze verbessern die Kunststoffeigenschaften hinsichtlich Schlag- und Zugfestigkeit, Reibungs-, Kratz- und Flammresistenz. Additive machen Kunststoffe leichter, lebensmitteltauglich, für medizinische Anwendungen sicherer und umweltfreundlicher. Die Qualitäten und Freiheiten von Kunststoffbauteilen eignen sich ideal für Anwendungen in Sanitär, Haushaltsgeräten, Filtration und Motoren, bei denen das Verhindern von Leckagen im Vordergrund steht. Darüber hinaus ermöglichen moderne wissenschaftliche Spritzgießverfahren die Herstellung maßgenauer Kunststoffteile mit engen Toleranzen, die ohne Nachbearbeitung einsatzbereit sind. Ein letzter wichtiger Gestaltungsaspekt ist die Ästhetik. Zu den Designeigenschaften von Kunststoffteilen zählen:
   • Mit neuester Software und modernster Technologie können Spritzgießer bereits in der Entwicklungsphase verschiedene Materialien testen – damit sind vorausschauende Designanpassungen und bessere Leistungsresultate möglich.
   • Möglichkeit zur Integration und Umsetzung komplexer Formen und Geometrien sowie zur Bauteilkonsolidierung.
   • Gewichtsreduzierung und optimierte strukturelle Belastungsgrenzen.
   • Da Kunststoffe in vielen Farben erhältlich sind und darüber hinaus Oberflächengestaltungen und Texturen ermöglichen, die attraktiver sind als bei Metallen, dominieren spritzgegossene Kunststoffteile meist ihre metallischen Gegenstücke. Außerdem lassen sich Kunststoffteile direkt im Werkzeug besser dekorieren und kennzeichnen, was ihre optische Vielfalt nochmals erweitert.
   • Dies sind nur einige der Features, mit denen Sie neues Potenzial im Design und in der 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 spürbar sind – von der Fertigung und Zeit bis hin zur Logistik.
3. Schnellere Prozesse: Eine Umstellung von Metall auf Kunststoff ermöglicht deutlich kürzere Fertigungszyklen und eine höhere Ausbringung. Die Genauigkeit des Spritzgießverfahrens eliminiert zudem zeitaufwändige Mehrschrittprozesse wie Schleifen und Nachbearbeitung der Endteile.
4. Höhere Fertigungseffizienz: Mit den zuvor erwähnten ästhetischen Vorteilen können finale Farben und Oberflächen bereits im Spritzguss hinzugefügt werden, sodass separate Arbeitsschritte wie Lackieren, Lasern und mehr entfallen. Weitere Vorteile sind:
   • Wartungsfreiheit – Anders als Metallteile 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 Fertigungsgeschwindigkeit bei Metallen oft geringer. Außerdem ist die Lebensdauer von Werkzeugen für Kunststoffteile im Durchschnitt zehnmal so hoch wie die für Werkzeuge aus Aluminiumguss.
   • Einfachere Änderungen – Es ist praktisch unmöglich, auf ein günstigeres Metall zu wechseln, ohne eine komplette Neuentwicklung vorzunehmen. Die Kosten für Kunstharze beeinflussen jedoch in der Regel nicht das Werkzeug, was eine größere Flexibilität bei Materialqualität und -kosten bietet.
   • Kunststoffkomponenten können durch zyklische und hochgradig wiederholbare Prozesse, die insgesamt weniger Schritte erfordern, schneller hergestellt werden als ihre metallischen Gegenstücke. Im Gegensatz zu vielen Metallherstellungsverfahren wird die Produktion von Kunststoffteilen häufig automatisiert, mechanisiert und benötigt nur minimale Überwachung.
   • Kunststoff-Spritzgussformen können den Bedarf an nachgelagerten Montageprozessen eliminieren, indem sie komplexe und geometrisch variierende Komponenten in einem einzigen Schritt herstellen. Bei der Metallverarbeitung nach der Produktion müssen häufig mehrere Teile zusammengeschweißt, externe Bauteile wie Lager angebracht und Schutzbeschichtungen aufgebracht werden. Kunststoff-Spritzgussformen liefern ein einziges, gebrauchsfertiges Bauteil, ermöglichen mehrteilige Designs, integrieren unterstützende Komponenten und mischen Schutzbeschichtungen direkt ins Material ein.
5. Verbesserte Teile-Performance: Im Vergleich zu Metallteilen sind Kunststoffteile meist bis zu 50 % leichter und bieten Leistungsvorteile, die Metalle nicht erreichen können, darunter:
   • Reduzierte Größe, Gewicht und Dicke – Angesichts der engen Platzverhältnisse bei der Herstellung von Kleingeräten, Motoren, medizintechnischen Geräten und technischen Produkten ist es ein unschätzbarer Vorteil, dass Spritzgussteile kleiner, dünner und leichter als Metallteile gefertigt werden können.
   • Erhöhte Festigkeit und Haltbarkeit – Moderne technische Kunststoffe halten nicht nur erheblichen Belastungen stand, sondern fertige Kunststoffteile können zudem enge Toleranzen einhalten und sind damit genauso robust und zuverlässig wie Metallteile.
   • Widerstandsfähigkeit gegen Stöße, Korrosion und Hitze – Mit mehr als 25.000 technischen Kunststoffmaterialien, darunter neue Mischungen und Hybridformulierungen, lassen sich Spritzgussteile gezielt auf spezifische Anforderungen ausrichten. Manche Werkstoffe eignen sich ideal für Anwendungen mit Stoßdämpfung oder Widerstandsfähigkeit gegenüber korrosiven Einflüssen und Hitze.
6. Materialkosten: Kunststoff ist in der Regel ein deutlich kostengünstigeres Material als Blech und unterliegt außerdem weniger Preisschwankungen. Das Spritzgießverfahren ist zudem sehr reproduzierbar und verursacht weniger Materialabfall. Durch niedrigere Schmelztemperaturen und den Entfall weiterer Bearbeitungsschritte verbraucht Spritzguss außerdem weniger Energie als die Herstellung von Metallteilen.
7. Verpackungs- und Versandkosten: Das geringe Gewicht von Kunststoff bietet offensichtliche Vorteile in der Konstruktion und Performance, sorgt aber auch für erhebliche Einsparungen bei Verpackung, Transport und sogar bei Lagerungskosten.

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

Neben Gestaltungsfreiheit und Kosteneinsparungen, die eine Umstellung von Metall auf Kunststoff mit sich bringt, besitzt Kunststoff zahlreiche vorteilhafte Eigenschaften, die mit Metallteilen nicht realisierbar sind. Es gibt mehr als 25.000 technische Kunststoffmaterialien, die sich nahezu für jeden Fertigungsanspruch spezialisieren lassen. Darüber hinaus lassen sich neue, individuelle Mischungen kreieren, um auch spezifischste Anforderungen zu erfüllen. Hier einige Wege, wie anpassbare Kunststoffe die Performance Ihrer Produkte steigern können:

Gewicht: Kunststoffteile sind in der Regel mindestens 50 % leichter als vergleichbare Metallteile. Sie ermöglichen kleinere Bauformen und geringere Dicke, was etwa beim Bau von Motoren, Haushaltsgeräten, Automobilkomponenten und überall dort, wo Platz knapp ist, einen entscheidenden Vorteil darstellt.

Festigkeit: Moderne spritzgegossene Kunststoffe sind bei der Aufnahme von Belastungen genauso zuverlässig wie Metallteile, oft sogar mit größerer Zugfestigkeit. Wird ein einzelnes, formgespritztes Kunststoffteil anstelle mehrerer Metallteile verwendet, entfällt zudem das Schweißen sowie die damit verbundenen Schwachstellen.

Wartung: Im Vergleich zu Metall benötigen Kunststoffteile nahezu keine Wartung, da sie keinen anfänglichen oder regelmäßigen Schutzanstrich oder Lack benötigen. Sie sind zudem oft widerstandsfähiger gegen Stöße, Bewegung, Hitze und korrosive Einflüsse als viele Metallteile.

Innovation: Dank der gestalterischen Freiheit bei der Fertigung von Kunststoffteilen können Ihre Ingenieure komplexe Herausforderungen problemlos lösen. Egal ob es um widrige Umgebungen, komplizierte Formen und Prozesse, Struktur- oder Gewichtsbeschränkungen oder einfach das Produktdesign geht: Eine Umstellung auf Kunststoffteile verschafft Ihnen die nötige Flexibilität für kreative und leistungsfähige Lösungen.

Welche Schritte umfasst die Umstellung von Metall auf Kunststoff?

Eines der wichtigsten ersten Kriterien bei einem Umstellungsprojekt von Metall auf Kunststoff ist es, den Projektrahmen vollständig zu verstehen. Neben den vielen Kostenvorteilen für Hersteller wie Wegfall von Fertigungsschritten, Bauteil-Konsolidierung, Materialeinsparungen und geringeres Teilegewicht gibt es auch immer wieder Möglichkeiten, durch die Integration von Text, Oberflächen oder Funktionen einen Mehrwert zu schaffen, die bei Metallbearbeitung schwer erreichbar sind. Ein Besuchstermin oder eine Online-Zusammenarbeit mit einem erfahrenen Spritzgießer ist ein idealer erster Schritt, um Potenziale und Einschränkungen zu identifizieren.

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

1. Genaues Überprüfen von Designabsicht und Teileidentifikation: Was macht ein Metallteil zu einem guten Kandidaten für die Kunststoffsubstitution?
   • Serienfertigung und Großserien
   • Teile mit komplexen Geometrien, Baugruppen oder Folgeoperationen, die eliminiert oder reduziert werden können
   • Teile, die ein geringeres Gewicht und vielfältigere Designoptionen erfordern
2. Teileanforderungen definieren: Unterstützen Sie den Erfolg der Serienproduktion, indem Sie die Anforderungen im Voraus festlegen, wie zum Beispiel:
   • Umwelteinflüsse wie Temperatur, UV-Strahlung, Chemikalien und Feuchtigkeit
   • Anforderungen an die strukturelle Leistung, einschließlich Festigkeit, Steifigkeit und Stoßbelastungen
3. Spezielle Anforderungen überprüfen: Gibt es besondere Anforderungen oder Eigenschaften, die das Teil erfüllen muss, wie beispielsweise:
   • Behördliche Vorgaben
   • Einzigartige Eigenschaften (Verschleiß, Leitfähigkeit, Farbe, Flammschutz)
     Diese Überlegungen tragen zur Auswahl des Kunststoffmaterials und dessen Verarbeitung bei.
4. Kostenanalyse durchführen: Die Fertigung von Kunststoffkomponenten kann im Vergleich zu Metall bei Berücksichtigung aller Aspekte erhebliche Kosteneinsparungen ermöglichen, etwa durch Reduzierung von:
   • Rohstoffkosten und Dichte
   • Werkzeug- und Prozesskosten
   • Zykluszeiten
   • Montageschritte und Arbeitsaufwand
   • Nachgelagerte Arbeitsschritte
5. Projektentwurf und Unterstützungsbedarf prüfen: Es ist entscheidend, die einzelnen Schritte durchzugehen, um die Umsetzbarkeit einer Umstellung von Metall auf Kunststoff vollständig zu verstehen. Rostis Prozess umfasst die Überprüfung von 3D-Modellen der Zielkomponente(n) und Systeme. Dies ermöglicht es den Rosti-Ingenieuren, Design-for-Manufacturing-(DFM)-Diskussionen zu Formgebung, Funktion, Montage und Nachhaltigkeit zu führen. Dieser Prozess ist iterativ, da sich das Design weiterentwickelt und ausreift.
6. Bedarf an Prototypenformung und Validierung der Teile beurteilen: Rosti kann Material- und Formversuche unterstützen, um sicherzustellen, dass das Teil bereit für die Produktion ist. Dieser Prozess kann Folgendes beinhalten:
   • Prototyping
   • Teil-, Werkzeug-, Prozess- und Designüberprüfungen
   • SOLIDWORKS-Simulation und Designvalidierung
7. Umstellung auf Kunststoffserienteile: Serienfertigungsprozesse für Kunststoff sollten optimiert werden, um eine reibungslose Umstellung von der Teilevalidierung auf den Produktionslauf zu gewährleisten.Sie möchten einen Schritt zurückgehen und mehr über den Spritzgussprozess von der Entwicklung bis zur Produktion erfahren? Sehen und laden Sie unser umfassendes Werk herunter

Welche Fragen sollten vor der Umstellung auf Kunststoffkomponenten berücksichtigt werden?

Wenn Hersteller die Umstellung von Metall auf Kunststoff in Betracht ziehen und jeden Aspekt dieses Prozesses bewerten, ergeben sich zahlreiche Fragen – von der Qualifizierung verschiedener Materialeigenschaften über Designänderungen bis hin zur Validierung der Teile und vielem mehr. Scheuen Sie sich nicht, diese Fragen zu stellen, während Sie den Prozess durchlaufen. Behalten Sie stets Ihre Ziele im Blick, um ein erfolgreiches Projektergebnis zu erzielen. Möchten Sie das Teilegewicht reduzieren? Die Qualität oder Konsistenz verbessern? Sind die funktionalen und ästhetischen Eigenschaften Ihrer Kunststoffkomponente wichtig und welchen Einfluss hat das neue Material? Diese Fragen im Voraus zu stellen, hält Ihr Projekt auf Kurs.

Es wird empfohlen, die folgenden und alle im Verlauf entstehenden Fragen gemeinsam mit einem erfahrenen und vertrauenswürdigen Spritzgießer sorgfältig zu diskutieren, der Sie in jeder Phase Ihres individuellen Projekts berät.

Welche Merkmale und/oder Qualitätsanforderungen machen dieses Teil für die Werkzeugherstellung oder das Spritzgießen herausfordernd – und wie einfach lässt sich das Design übertragen?

Mit optimiertem Design lassen sich die meisten Komponenten spritzgießen. Es ist jedoch wichtig, ein Gleichgewicht zwischen den physisch verarbeitbaren Geometrien und den Materialien zu finden, die eine bessere Leistung des Bauteils ermöglichen. Qualitätsanforderungen, die geplante Verwendung der Komponente und die möglichen Umwelteinflüsse sollten alle gemeinsam mit Ihrem Spritzgießpartner besprochen werden.

Insbesondere umfasst das Designen eines Kunststoffteils für die Herstellbarkeit (DFM) wichtige Aspekte, die den Entwurf des Kunststoffteils, die Werkzeugherstellung, die Materialauswahl und die Produktion betreffen. Wenn Kunststoffteil-Konstrukteure frühzeitig einen kooperativen Austausch mit Werkzeugmachern suchen, können viele Vorteile erzielt werden.

Tatsächlich haben Untersuchungen gezeigt, dass 70 bis 80 Prozent der Kosten eines neuen Produkts auf das Design entfallen – und Hersteller bewerten die Konstruktionsberatung für Kunststoffe als einen der wichtigsten Faktoren zur Senkung der Gesamtkosten. Die einst klare Trennung zwischen Entwicklung und Produktion verschmilzt: Hersteller von Endprodukten verlassen sich zunehmend darauf, dass Spritzguss-Designexperten wesentlich früher in den Prozess eingebunden werden als zuvor.

Wir gehen im Abschnitt DFM weiter unten näher auf diese Frage ein. Einige zentrale Aspekte der Designoptimierung und Merkmale, die frühzeitig im Prozess der Designübertragung oder -entwicklung berücksichtigt werden sollten, sind unter anderem:

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

   Warum ist es so wichtig, sich auf die Wandstärke eines Kunststoffteils zu konzentrieren?

   
   

   Eine gleichmäßige Wandstärke ist entscheidend für das Design eines spritzgegossenen Teils. Uneinheitliche Wandstärken führen zu Problemen bei der Maßhaltigkeit, Verzug und weiteren Integritätsproblemen des Bauteils, wenn das geschmolzene Material abkühlt.

   
   

   Wenn unterschiedliche Wandstärken im Bauteil erforderlich sind, empfehlen Konstrukteure, den Übergang so gleichmäßig wie möglich zu gestalten, damit das Material gleichmäßig in die Kavität fließen kann. Das stellt sicher, dass die gesamte Form vollständig gefüllt wird und verringert letztendlich die Wahrscheinlichkeit von Fehlern. Abgerundete oder konische Wandübergänge minimieren eingebettete Spannungen und Spannungskonzentrationen, die mit abrupten Wandstärkenänderungen verbunden sind.

   
   

   Die richtige Wandstärke deines Teils hat erheblichen Einfluss auf die Herstellungskosten und die Produktionsgeschwindigkeit. Die minimale Wandstärke, die verwendet werden kann, hängt von der Größe und Geometrie des Bauteils, den strukturellen Anforderungen und dem Fließverhalten des Rohmaterials ab. Die Wandstärken eines spritzgegossenen Teils liegen in der Regel zwischen 2 mm und 4 mm (0,080″ – 0,160″). Im Dünnwand-Spritzguss lassen sich Wände bis zu 0,5 mm (0,020″) realisieren. Konsultiere deinen Spritzgießer und Entwicklungskonstrukteur, um sicherzustellen, dass die richtigen Wandstärken für das Design und Material deines Teils ausgeführt werden.

   
   
3. 
   

   Wo ist der optimale Ort zum Anspritzen dieses Teils?

   
   

   Obwohl qualitativ hochwertige spritzgegossene Kunststoffteile eine gleichmäßige Wandstärke aufweisen sollten, kann der beabsichtigte Einsatzzweck manchmal eine Variation zwischen dicken und dünnen Bereichen erfordern. Falls das bei deinem Metall-zu-Kunststoff-Konversionsprojekt der Fall ist, empfiehlt es sich, am dicksten Bereich anzuspritzen und dünne Bereiche zu vermeiden. Plastics Technology beschreibt dies treffend und erklärt, dass die Nichteinhaltung zu Lunkern oder Einfallstellen führen kann. Beim Nachdruck wird der Kunststoff während des Abkühlens und Schrumpfens vollständig verdichtet. Änderungen am Nachdruck beeinflussen die Verdichtung des Schmelzenstroms entlang des Fließweges.

   
   

   Das beste Nachverdichten findet am Anspritzpunkt statt und besonders an dicken Bereichen ist dies wichtig, um Defekte zu vermeiden. Die Lage des Anspritzpunktes beeinflusst zudem die Orientierung der Polymermoleküle und das Schrumpfverhalten des Bauteils. Schrumpfung ist die Kontraktion des Bauteils beim Abkühlen nach dem Einspritzen. Alle Materialien haben abhängig von der Harzgruppe (amorphe vs. kristalline Werkstoffe), dem Werkzeugdesign und den Verarbeitungsbedingungen unterschiedliche Schrumpfraten. Weiterführende Informationen zu Materialien und deren Eigenschaften findest du weiter unten.

   
   

   Neben der optimalen Anspritzposition sollten die richtigen Winkel oder Konizitäten an Produktelementen wie Wänden, Rippen, Stiften und Bossen berücksichtigt werden, die parallel zur Entformungsrichtung liegen. Dies erleichtert die Entformung aus dem Werkzeug.

   
   

   Möchtest du mehr darüber erfahren, wie die Schrumpfung die Kontraktion eines geformten Teils beim Abkühlen nach dem Spritzgießen beeinflusst? Lade den Rosti Leitfaden für Schwindungsraten bei KunststoffspritzgussSchwindungsratenleitfaden herunter.

   
   
4. 
   

   Gibt es zusätzliche Materialien oder Prozesse, die wir berücksichtigen könnten, um dem Bauteil zusätzlichen Mehrwert zu verleihen?

   
   

   Wenn die erforderliche Materialleistung mit verfügbaren Kunststoffen nicht erreicht werden kann, können individuelle Materialmischungen erzeugt werden, um Eigenschaften mehrerer Werkstoffe zu kombinieren. Durch den Zusatz von Verstärkungsstoffen lassen sich Bauteile verstärken und steifer machen, was Verzug und Schrumpfung verringern kann. Zusätze wie Glas- oder Kohlenstofffasern verbessern die Leistung, den Materialfluss, das Auswerfen und die Dispersion des Teils.

   
   

   Werden Zusätze direkt in den Kunststoff eingearbeitet, verstärken sie gezielt bestimmte Eigenschaften und schaffen ein hochgradig individuelles Material. So erhöhen Additive die Kunststoffleistung zum Beispiel bei Schlag- und Zugfestigkeit, Reibung, Kratz- und Flammschutz. Additive machen Kunststoffe leichter, sicherer im Umgang mit Lebensmitteln und medizinischen Anwendungen und umweltfreundlicher.

   
   

   In manchen Fällen können für Anwendungen Hochtemperatur- oder Sonderkunststoffe in Betracht gezogen werden. Diese Materialien sind in der Anschaffung teurer als Standardkunststoffe, bieten dafür aber eine deutlich höhere Langlebigkeit und Leistungsfähigkeit für komplexe Bauteile – was zu einer Senkung der Gesamtherstellungskosten führen kann.

   
   

   Es gibt auch weiterführende Prozesse ergänzend zum Spritzgießen, die dem Bauteil zusätzlichen Nutzen und Funktionalität geben können. Sekundäre Herstellungsoptionen, Baugruppen und nachgelagerte Prozesse können deinen Produktionsablauf optimieren und weitere Effizienzsteigerungen sowie Kostensenkungen ermöglichen. Zu den Dienstleistungen zählen zum Beispiel Heißprägen, Einlegeteile, Wärmeverstemmen und vieles mehr.

   
   
5. 
   

   Welche Prüfungen können durchgeführt werden, um unsere Entscheidung und die Leistung eines Bauteils zu validieren?

   
   

   Spritzgießer, die einen innovativen und wissenschaftlichen Ansatz für ihre Herstellungsprozesse verfolgen, liefern letztlich bessere Ergebnisse.

   
   

   Kunststoff-Prototypenbau: Rosti stellt sicher, dass Spritzgusswerkzeuge so gebaut werden, dass der Kunde das volle Vertrauen erhält, dass das Prototypenbauteil getestet, vermarktet oder sogar für Kleinserienproduktionen eingesetzt werden kann. Dies wird durch die Zusammenarbeit mit Partnern für Prototypenspritzguss erreicht, die individuell angepasste Formen und Komponenten mit Produktionsmentalität herstellen. Kurze Lieferzeiten und kosteneffiziente Preise ermöglichen es, Prototypenkomponenten zu bestellen, die das Design des späteren Serienteils exakt abbilden.

   
   

   SOLIDWORKS: Rosti erweitert kontinuierlich die Ressourcen, um seinen Ingenieuren bei der Konstruktion von Kunststoffteilen, Spritzgusswerkzeugen und Materialflusssimulationen Unterstützung zu bieten. Mit dem SOLIDWORKS^® Plastics Premium Prognose-II Simulationspaket verfügt das Rosti-Engineering-Team über zusätzliche Möglichkeiten, um schon in den frühen Entwicklungsphasen vorausschauende Einblicke in die Bauteilgeometrie zu geben und so die Entwicklungszeit bis zur Markteinführung durch eine Komprimierung des Produktentwicklungszyklus zu reduzieren. Die SolidWorks Plastics Premium Software ist ein Designvalidierungs-Tool, das bereits im Vorfeld hilfreiche Erkenntnisse über Bauteilgeometrien liefert, die mit herkömmlichen Methoden schwierig, teuer oder gar nicht vorherzusagen wären.

   
   

   

   
   

   Verweilzeit des Kunststoffes: Die Berechnung der spezifischen Verweilzeit des Kunststoffs für den jeweiligen Herstellungsprozess trägt zur Verbesserung der Materialleistung und des Endproduktes bei.

   
   

   Das Material wird maßgeblich durch die Verweildauer und die Temperatur beeinflusst. Laut dem Injection Molding Handbook sind einige Polymere „hydrolytisch abbaubar und können durch die chemische Reaktion von Feuchtigkeit mit dem Polymer vor der Entgasung unerwünschte Depolymerisationseffekte erfahren“. Das Verständnis der Verweilzeit hilft, den optimalen Zeitraum und die Temperatur für den eigenen Fertigungsprozess zu bestimmen.

   
   

   Bauteilvalidierung: Die Validierung des Bauteils ist ein entscheidender Aspekt, da die Konstruktion von Spritzgussteilen oft grundlegend vom Design für Metallumformung abweicht. Daher ist das Bauteildesign meist neu und unterschiedlich. Welchen Ansatz wählst du, um sicherzustellen, dass ein neues Design deinen Anforderungen entspricht? Die Ingenieure von Rosti empfehlen, ein einnestiges Pilot- oder Prototypwerkzeug aus Stahl zu bauen, um alle Annahmen zu überprüfen. Neben der Validierung des Bauteildesigns dient dieser Schritt auch dazu, das Werkzeug und die Prozessbedingungen zu prüfen, die für den Erfolg entscheidend sind.

   
   

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

Der Design-for-Manufacturing-Prozess (DFM) ist ein entscheidender Bestandteil bei jedem Metall-zu-Kunststoff-Projekt. Nach der Festlegung des Projektumfangs schafft der DFM-Prozess einen Rahmen, in dem sich Spritzgussingenieure zu Werkzeugkonstruktion, Verarbeitung, Funktion und Nachhaltigkeit abstimmen. Rosti verfügt über umfassende Erfahrung in der Empfehlung von Designanpassungen, um Bauteile leichter und robuster zu machen – mit klarem Fokus auf die spezifischen Kunststoffdesign-Kriterien wie Nennwandstärke, Entformungsschrägen, Verstärkungsrippen-Schnittpunkte, Montageeigenschaften und mehr. Die Konstruktionsingenieure von Rosti realisieren in der Regel enge Toleranzen und ermöglichen damit eine bessere Kontrolle sowie ein sehr hohes Maß an Prozesswiederholbarkeit. Das Ziel ist stets, ein Kunststoffbauteil mit den optimalen Funktionsmerkmalen und höchster Qualität über die gesamte Laufzeit des Programms zu gewährleisten.

Design for Manufacturing (DFM) bedeutet, ein Produkt so zu gestalten, dass die Fertigungseffizienz für die eingesetzten Anlagen und/oder Prozesse maximiert wird – mit dem Ziel, die Stückkosten möglichst niedrig und die Qualität bestmöglich zu halten. Der wichtigste Grund, DFM in die Herstellung eines spritzgegossenen Kunststoffteils zu integrieren, ist, dass – wie oben erwähnt – 70–80 % der Herstellungskosten durch Konstruktionsentscheidungen bestimmt werden.

DFM erfordert die Auswahl des passenden Fertigungsprozesses für ein Produkt, Investitionen in unterschiedliche Technologien, die Anwendung moderner Konstruktionsprinzipien sowie die Auswahl geeigneter Materialien mit den jeweils gewünschten Eigenschaften, um die von Ihren Kunden und Interessenten gewünschte Qualität und Wiederholbarkeit sicherzustellen.

DFM trägt auch maßgeblich zur Senkung der Fertigungs- und Montagekosten bei. Nachstehend ist eine einfache Übersicht dargestellt; in der Praxis sollte ein DFM-Plan jedoch als technisches Dokument erstellt werden, das gezielt auf das perfekte Gleichgewicht zwischen Qualität und Kosten ausgerichtet ist.

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

1. Beginne DFM frühzeitig im Entwicklungsprozess, bevor das Werkzeug gebaut wird
2. Bringe Ingenieure, Designer, den Auftragsfertiger, den Werkzeugbauer und den Materiallieferanten zusammen, um das Design zu hinterfragen
3. Entwerfe so, dass die Gesamtanzahl der Bauteile reduziert wird
4. Nutze ein modulares Design
5. Begrenze die Anzahl der notwendigen Maschinenoperationen
6. Verwende Standardkomponenten
7. Konstruiere Bauteile mit Mehrfachfunktion
8. Konstruiere Bauteile für Mehrfachverwendung
9. Gestalte für eine einfache Herstellung
10. Vermeide separate Befestigungselemente
11. Minimiere die Montagerichtungen
12. Maximiere die Flexibilität
13. Minimiere den Handhabungsaufwand und berücksichtige, wie sich das Design auf Verpackung und Versand auswirkt

Welche Kunststoffe werden für die Umstellung von Metall- auf Kunststoffbauteile verwendet?

Ist Kunststoff wirklich so widerstandsfähig und langlebig wie Stahl? Was viele Hersteller nicht wissen: Bei richtiger Auslegung und Entwicklung lassen sich dieselben engen Toleranzen wie bei Metallteilen erreichen – und das oftmals mit besseren Leistungswerten. Kunststoffe können gezielt zu Hochleistungs-Kunststoffmischungen verarbeitet werden, die strengste Anforderungen an Festigkeit, Flexibilität, Temperatur-, Korrosionsbeständigkeit und mehr übertreffen.

…für deine spezielle Anwendung kann dies Zeit in Anspruch nehmen und erfordert die Zusammenarbeit mit einem erfahrenen Spritzgießer, der auf strategische Partnerschaften mit Materialexperten zurückgreifen kann, um dein Projekt und seine spätere Anwendung genau zu bewerten. Konkret verarbeitet Rosti jährlich über 150 Kunststoffe und ist spezialisiert auf folgende Arten:

• PPS (Polyphenylensulfid)
• PPSU (Polyphenylsulfon)
• PSU (Polysulfon)
• Acetal
• PPO (Polyphenylenoxid)
• TPV (Thermoplastische Vulkanisate)
• TPE (Thermoplastisches Elastomer)
• PP (Polypropylen)
• HDPE (Polyethylen hoher Dichte)
• LDPE (Polyethylen niedriger Dichte)
• Hochtemperaturharze
• Stark gefüllte Harze (Glas, Mineral, Talkum)
• Alle technische Nylonsorten

Laut der American Society of Mechanical Engineers ist einer der größten Vorteile von Kunststoffen die Verfügbarkeit von mehr als 25.000 technischen Werkstoffen für Fertigungsanwendungen. Wichtige Überlegungen zu Kunststoffarten sind:

• Kristallin vs. amorph: Harze, die im Spritzgussverfahren verwendet werden, bestehen aus Strukturen, die im Hinblick auf ihre Kristallinität – also wie die Moleküle des Polymers angeordnet sind – definiert werden. Kristalline Strukturen sind in den meisten Fällen sehr geordnet, was dem Material Festigkeit und Steifigkeit verleiht. Amorphe Polymere hingegen sind das Gegenteil.
• Additive: Additive beeinflussen Festigkeit, Steifigkeit, Temperaturbeständigkeit, Optik, Verpackungsanforderungen und Kosten.
• Kohlenstoff- und Edelstahlfüllstoffe verbessern die Leitfähigkeit und/oder Abschirmung.
• Schmierstoff-Füllstoffe verbessern Verschleiß- und Reibeigenschaften.
• Mineralische Füllstoffe verbessern die elektrische Leistung, das Gewichtsempfinden, die Schalldämpfung, erhöhen die spezifische Dichte und verbessern die Maßhaltigkeit.
• Schlagzähmodifikatoren verbessern die Zähigkeit.

Bei der Auswahl eines Spritzgussteils ist das Verständnis der wichtigsten Eigenschaften entscheidend, um das beste Kunststoffmaterial zu wählen. Beachten Sie diese Unterschiede bei einigen der am häufigsten verwendeten Harze.

ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) ist ein gängiger Werkstoff für den Spritzguss, der relativ einfach beschafft und verarbeitet werden kann und zudem kostengünstig ist. Es handelt sich um ein starkes, stabiles Material mit guter Schlagfestigkeit, das sich leicht bearbeiten lässt und unterschiedliche optische Anforderungen erfüllt. Dieses Harz ist allerdings nicht ideal für Teile, die einer dauerhaft hohen Hitze ausgesetzt sind, da es sich oberhalb bzw. um 200 Grad Fahrenheit verziehen oder schmelzen kann.

Polycarbonate sind eine hochwertige Klasse von Thermoplasten, die sich leicht formen lassen und die Splitterfestigkeit erhöhen. Polycarbonat ist von Natur aus transparent und eignet sich dadurch ideal für hochfeste, glasartige Anwendungen (Sicherheitsbrillen, Anwendungen im medizinischen Labor und mehr). Polycarbonat ist jedoch nicht für Anwendungen geeignet, bei denen eine hohe Flexibilität oder eine farbige Optik erforderlich ist.

Glasfaserverstärktes Nylon ist ein verstärkter Thermoplast, dem dem Basisharz Nylon Glasfasern für zusätzliche Festigkeit und Hitzebeständigkeit hinzugefügt werden. Dieses Harz ist zudem elektrischer weniger leitfähig als viele andere, aber trotz seines hohen Schmelzpunktes ist es leichter entflammbar als andere Materialien.

Polypropylen ist ein flexibler Thermoplast, der sowohl für industrielle als auch für Konsumeranwendungen geeignet ist. Es ist als sehr biegsames Harz bekannt, das in vielerlei Hinsicht verformt werden kann, ohne seine ursprüngliche Form zu verlieren. Polypropylen ist zudem beständig gegen Lösungsmittel, Chemikalien und UV-Strahlung.

Acetal ist bekannt für seine ausgezeichnete Reibungsbeständigkeit und hohe Steifigkeit. Es lässt sich im Spritzgussverfahren leicht einfärben, bietet jedoch keine besondere Hitzebeständigkeit.

Das frühzeitige Eingehen auf spezifische Anforderungen im Designprozess kann helfen, teure Änderungen später zu vermeiden. Die richtige Balance zwischen Eigenschaften wie Steifigkeit, Haltbarkeit, Zähigkeit und anderen ist entscheidend für eine optimale Funktion des Bauteils. Die Bedeutung einer frühen Designberatung im Spritzgussprozess wird auf dieser Seite mehrfach betont. Sie ist jedoch von größter Bedeutung, wenn Hochtemperaturmaterialien verwendet werden, um Eigenschaften wie Festigkeit und Stabilität zu erhöhen, die für die jeweilige Anwendung unerlässlich sind. Tatsächlich sind konventionelle Spritzgusstechniken bei Hochtemperatur- und Exotikhharzen nicht immer effektiv.

Welche Branchen profitieren am meisten von der Umstellung von Metall auf Kunststoff?

Viele der von Rosti belieferten Branchen profitieren vom Mehrwert, den die Umrüstung von Metall auf Kunststoff bietet. Typische Anwendungen betreffen Bauteile aus Metall, die schwer sind oder mehrere Produktionsschritte benötigen, um die gewünschten Eigenschaften zu erreichen.

Beispielsweise haben die Automobil- und Luftfahrtindustrie die Umstellung von Metall auf Kunststoff genutzt, um Gewicht zu reduzieren und die Kraftstoffeffizienz zu verbessern (der Austausch eines Metallteils durch ein Kunststoffteil führt zu einer Gewichtsreduktion von etwa 50 Prozent). Neben der Gewichtsreduzierung können aus technischen Kunststoffen gefertigte Komponenten ebenso langlebig, hitze- und chemikalienbeständig wie Metallteile sein – und sind dadurch auch für raue Umgebungs- oder Betriebsbedingungen geeignet.

Auch in der Medizintechnikbranche findet vermehrt eine Umstellung von Metall auf Kunststoff statt. Werkzeuge und Instrumente, die früher aus Metall gefertigt wurden, werden nun aus Kunststoff hergestellt, um das Gewicht zu reduzieren und dennoch ein hohes Maß an Festigkeit und Steifigkeit zu gewährleisten. Durch den Einsatz von Hochtemperaturkunststoffen können Bauteile erhöhten Anforderungen an Desinfektion und Sterilisation standhalten.

Weitere Branchenanwendungen, bei denen der Trend zur Umstellung von Metall auf Kunststoff zunimmt, sind Landwirtschaft, Baugeräte, Industrielle Pumpen, Fluidtechnik-Anwendungen, Schwermaschinen, Haushaltsgeräte und zahlreiche Konsumgüter.

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

In den meisten Fällen erfordert die Entwicklung eines neuen Kunststoffteils ein spezielles Werkzeug. Spritzgusswerkzeuge für Kunststoffe müssen wiederholte Temperaturschwankungen, Kavitäten-Drucke von über 30.000 psi, Stahlt-Temperaturen von über 300 Grad Fahrenheit und Kunststofftemperaturen von über 700 Grad Fahrenheit aushalten. Hochgefüllte Kunststoffe sind zudem sehr abrasiv für herkömmliche Werkzeugstähle. Daher sind Spritzgusswerkzeuge im Vergleich zu Werkzeugen für viele andere Verfahren kostspieliger. Zwar werden die Werkzeugkosten durch die Einsparungen pro produziertem Teil beim Spritzgussverfahren in der Regel wieder ausgeglichen, dennoch ist die Werkzeugherstellung ein wichtiger Faktor, der im Budget berücksichtigt werden muss.

Es steht außer Frage, dass für das Spritzgießen eine Investition in die Werkzeugherstellung im Voraus erforderlich ist. Dennoch ist es aufgrund der kurzen Zykluszeiten beim Spritzguss sehr wahrscheinlich, dass die Kunststoffvariante Ihres Teils deutlich kostengünstiger sein wird.

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