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Toleranzen beim Spritzguss

Dieser Artikel fasst die wichtigsten Faktoren zusammen, die für Toleranzen von Spritzguss-Formteilen eine Rolle spielen, und liefert eine Reihe nützlicher Tipps zur Verringerung deren Auswirkungen.

Enge Toleranzen und korrekte Maße nehmen beim Spritzguss bezüglich Konstruktion und Produktion eine zentrale Rolle ein. Falls diese nicht eingehalten werden, kann dies zu Funktionseinbußen oder gar zum vollständigen Versagen des Teils führen. Insbesondere für komplexe Kunststoff-Formteile stellen enge Toleranzen ein wichtiges Leistungsmerkmal dar. Beim Spritzgießen liegen typische Toleranzen bei +/-0,1 mm und sehr enge Toleranzen bei +/- 0,025 mm.

Beeinträchtigende Faktoren & wie deren Einfluss verringert werden kann

Schwindung bzw. Schrumpfung

Verschiedene Materialien schrumpfen unterschiedlich stark – je höher die Schwindung, desto schwieriger ist es enge Toleranzen einzuhalten. Kristalline Materialien (z.B. PEEK, PA, PP) erreichen normalerweise schlechtere Toleranzen als amorphe Materialien (z.B. PE, PC, PS). Das liegt daran, dass kristalline Materialien einen Phasenübergang durchlaufen, wenn sie beim Schmelzen von einem festen, kristallinen Zustand (dicht gepackte Struktur) in einen flüssigen, amorphen Zustand (weniger dichte Struktur) übergehen. Dieser Übergang geht mit einer Änderung des Volumens einher.

Im Gegensatz dazu bleiben amorphe Materialien selbst beim Schmelzen amorph und durchlaufen keine drastischen Volumenänderungen. Daher schrumpfen diesen Materialien weniger.

Amorphe harzeTeilkristalline harzeKosten
Hochleistungskunststoffe
Polyetherimide oder PEI
Festigkeit: Hoch
Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit: Hoch
Anwendungen: Luft- und Raumfahrt
Hochleistungskunststoffe
Polyetheretherketon oder PEEK
Festigkeit: Hoch
Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit: Hoch
Anwendungen: Lager,  medizinische Implantate
Teuer
Technische Kunststoffe
Polycarbonate oder PC
Transparent
Festigkeit: Moderat
Temperaturbeständigkeit: Hoch
Elektrische Isolation: Hoch
Anwendungen: Elektronik, Fenster
Technische Kunststoffe
Polymide oder PA (Nylon)
Festigkeit: Moderat bis hoch
Chemikalienbeständigkeit: Hoch
Abriebfestigkeit: Hoch
Schwindung und Verzug: Niedrig
Anwendungen: Kfz-Teile, Textilien
Moderat
Standardkunststoffe
Polystyrol oder PS
Transparent
Festigkeit: Niedrig
Wärmebeständigkeit: Niedrig
Anwendungen: Besteck, Becher
Standardkunststoffe
Polypropylen oder PP
Flexibilität & Zähigkeit: Hoch
Chemikalienbeständigkeit: Hoch
Ermüdungsbeständigkeit: Hoch
Anwendungen: Flaschen, Kästen & Kisten, Scharniere
Günstig

Spritzgießwerkzeuge werden mit Hilfe hochpräziser CNC-Fertigungsmethoden aus Aluminium oder Stahl mit typischen Toleranzen zwischen +/-0,1 mm und +/- 0,7 mm hergestellt. Nachdem der flüssige Kunststoff in das Werkzeug eingespritzt wurde, kühlt er ab und schrumpft dabei. Die Schwindung hängt dabei stark vom eingesetzten Material ab. Die Spritzgießwerkzeuge werden bewusst etwas größer angefertigt, um die beim Abkühlen auftretende Schwindung zu berücksichtigen.

Mould for injection moulding
Spritzgießwerkzeug

Wie man Schwindung verringern kann

Da die Schwindung sich von Material zu Material unterscheidet, sollte diese für das jeweils gewünschte Material nachgeschlagen werden, um die erwartete Schwindung im Voraus abschätzen zu können. Weiterführende Informationen zur Schwindung verschiedener Kunststoffe finden Sie hier.

Obwohl diese Schwindung gut vorhersehbar ist, können kleine Variationen im Ausgangsmaterial die Schwindung und damit auch die Toleranz des gefertigten Teils beeinflussen. Die Unsicherheit der Abschätzung wächst mit der Größe des Teils. Je nach Material kann eine durch Schwindung hervorgerufene Toleranz von etwa +/- 0,05 mm/mm angenommen werden. So hat beispielsweise ein Teil aus 100 mm ABS eine Toleranz von ungefähr +/- 0,28 mm. Die Abweichung zwischen Teilen der gleichen Produktionsreihe ist dabei äußerst klein bzw. kaum vorhanden.

Verzug

Beim Abkühlen in der Form schrumpfen alle Teile. Teile, die eine gleichmäßige Wandstärke besitzen, schrumpfen gleichmäßig und leiden nicht unter Verzug oder Einfallstellen. Teile, die ungleichmäßige Wandstärken besitzen, kühlen und schrumpfen in verschiedenen Bereichen unterschiedlich stark. Das führt bei diesen Teilen zu einem stärkeren Verzug.

Wie man Verzug verringert

Falls eine ungleichmäßige Wandstärke unbedingt erforderlich ist, sollte die Abweichung der Dicke nicht mehr als 15% der nominalen Wandstärke betragen und immer mit einem gleichmäßigen, langsam ansteigenden Übergang versehen werden. Die folgende Tabelle liefert eine Übersicht über die empfohlenen Wandstärken zur Vermeidung von Verzug.

MaterialEmpfohlene Wanddicke
ABS1,1-3,5 mm
Acetal0,7-3,0 mm
Acryl0,6-12 mm
Flüssigkristallpolymer (LCP)0,7-2,9 mm
Faserverbundkunststoff1,9-27 mm
Nylon0,7-2,9 mm
Polycarbonat1-3,8 mm
Polyester0,6-3,1 mm
Polyethylen0,7-5 mm
Polyphenylensulfid0,5-4,5 mm
Polypropylen0,88-3,8 mm
Polystyrol0,88-3,8 mm
Polyurethan2-19 mm

Weitere Informationen finden Sie in unseren Design-Tipps für Spritzgussteile.           

Wärmeausdehnung

Ein weitere Faktor, der während der Konstruktionsphase berücksichtigt werden sollte, ist die Temperatur. Das Einhalten sehr enger Toleranzen ist für die meisten Harze und Kunststoffe aufgrund ihrer hohen Wärmeausdehnung eine Herausforderung. Auch wenn Kunststoffteile in einer kontrollierten Umgebung enge Toleranzen einhalten können, bedeutet das nicht automatisch, dass ihre Abmessungen auch bei Temperaturänderungen, wie zum Beispiel beim Einsatz im Freien, unverändert bleiben. Das ist vor allem von Bedeutung, wenn Kunststoff-Formteile mit anderen Materialarten, z.B. Metallen, kombiniert werden und starken Temperaturänderungen ausgesetzt sind.

Wie man die Auswirkung von Temperaturänderungen verringert

Da die Umgebungsbedingungen und die Außentemperatur die Eigenschaften von Kunststoff beeinflussen, sollten Ingenieure dies bereits bei der Materialauswahl berücksichtigen. Falls ein Material gewählt wird, das anders als erwartet auf die Umgebungsbedingungen reagiert, können enge Toleranzen nicht eingehalten werden.

Dabei sollten Sie beachten, dass Kunststoffe typischerweise hohe Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen. Die Toleranzen in einer kontrollierten Umgebung unterscheiden sich von den Toleranzen unter realen Einsatzbedingungen. Kunststoffe wie ULTEM und PEEK sind beispielsweise temperaturbeständiger als ABS oder PC.

Bauteilgestaltung

Das Design des Teils ist für die Toleranzen von zentraler Bedeutung. Verbesserungen, die in der Entwicklungsphase vorgenommen werden, können nicht nur enge Toleranzen in der Produktion sicherstellen, sondern auch Qualität, Umsetzbarkeit, Kosten und Zufriedenheit des Endkunden positiv beeinflussen.

Sowohl die Geometrie des Teils, als auch die Gesamtgröße und die Wandstärke haben einen deutlichen Einfluss auf die Einhaltung der Toleranzen. Bei hohen Wandstärken können in den dickeren Bereichen Abweichungen der Schwindung auftreten und somit die Einhaltung enger Toleranzen erschweren. Die Größe des Teils spielt vor allem dann eine Rolle, wenn große Abmessungen mit engen Toleranzen gefertigt werden sollen (enge Toleranzen können in kleinen Bereichen besser eingehalten werden). Je größer die Abmessungen, desto größer ist auch die Gesamtschwindung, was wiederum die Einhaltung und Kontrolle enger Toleranzen erschwert.

Die Lösung

Die Identifikation enger Toleranzen bereits in den Anfängen der Entwurfsphase ermöglicht es den Ingenieuren die entscheidenden Faktoren, die die Toleranzen im Spritzguss beeinflussen (Geometrie, Gesamtgröße, Wandstärke und weitere Merkmale), rechtzeitig festzulegen. Die Einhaltung einer gleichmäßigen Wandstärke gehört zu den wichtigsten Faktoren, um eine ungleichmäßige Schwindung und eine damit einhergehende Verformung, Verschlechterung der Toleranzen und Verringerung der Leistungsfähigkeit des Teils zu vermeiden. In den meisten Fällen sind unterstützende Merkmale wie Verstärkungsrippen oder Versteifungen besser geeignet, um eine Verbesserung der Bauteilsteifigkeit zu erreichen, als eine Erhöhung der Wandstärke.

Ribs and gussets design for injection moulding
Verstärkungsrippen und Versteifungen können dem Teil zusätzliche Stabilität verleihen

Komplexität des Teils

Die Komplexität des Teils beeinträchtigt den Materialfluss und die Konstruktion des Spritzgießwerkzeugs, da ein schnelles Einbringen des Materials, die Einhaltung der richtigen Werkzeugtemperatur und die Steuerung des Abkühlvorgangs für die Einhaltung enger Toleranzen unabdingbar ist.

Die Lösung

Obwohl diese Überlegungen vor allem für den Hersteller von Bedeutung sind, sollte die Auswirkung einer komplexen Geometrie während der Entwicklungsphase nicht vernachlässigt werden. Es empfiehlt sich, den Entwurf so einfach wie möglich zu halten, um Hinterschneidungen zu vermeiden. Falls die Komplexität unbedingt notwendig ist, ist es häufig besser, ein Spritzgießwerkzeug mit seitlicher Entformung zu verwenden. Gut konstruierte Spritzgießwerkzeuge gewährleisten einen korrekten Abkühlvorgang und spielen daher eine wichtige Rolle bei der Einhaltung enger Toleranzen.

Durch eine fortlaufende Überprüfung des Einspritzdrucks, der Harzviskosität und der Formfüllzeit können Hersteller wichtige Fertigungsparameter kontrollieren und anpassen, damit der richtige Druck und die richtige Temperatur während des gesamten Vorgangs  eingehalten wird. Zur genauen Bestimmung weiterer für die Toleranz entscheidender Faktoren wie Formtemperatur, korrektes Aufheizen und Abkühlen, Schwindung und Verzug muss eine Füllanalyse durchgeführt werden.

Werkzeuge

Die Spritzgießwerkzeuge lassen sich in drei verschiedene Typen unterteilen:

  • Einzelkavitätenwerkzeuge – für die Fertigung eines einzigen Kunststoff-Formteils pro Durchlauf
  • Mehrfachkavitätenwerkzeuge – für die Fertigung mehrerer Kunststoff-Formteile pro Durchlauf
  • Familienwerkzeuge – für die Fertigung aller Kunststoff-Formteile einer Baugruppe in einem einzigen Durchlauf
Werkzeugtypen für den Spritzguss

Die Werkzeuggeometrie, das Werkzeugmaterial und die Kavitäten des Werkzeugs sind die entscheidenden Faktoren zum Erreichen der gewünschten Toleranzen. Das Erreichen enger Toleranzen wird durch die Anzahl der Kavitäten und die Notwendigkeit, das Werkzeug aufzuheizen und abzukühlen, zusätzlich erschwert. Falls die Werkzeuggeometrie ein konsistentes und reproduzieren Abkühlen unmöglich macht, steigt die Schwindung und somit verschlechtert sich die erreichbare Toleranz. Ein Mehrfachkavitätenwerkzeug oder Familienwerkzeug besitzt zum Beispiel eine größere Anzahl an Kavitäten und benötigt daher bei der Abkühlung zusätzliche Unterstützung. Enge Toleranzen sind außerdem nur schwer erreichbar, wenn die entsprechenden Werkzeugkavitäten aufgrund des Entwurfs selbst oder aufgrund anderer Faktoren wie Werkzeugdruck und Werkzeugtemperatur anfällig für Fehler sind.

Die Lösung

Dieser Punkt ist ebenfalls vor allem für die Hersteller von Bedeutung, aber er kann sich auch für Konstrukteure als sehr nützlich erweisen. Bei Fertigungsverfahren spielen viele Faktoren eine wichtige Rolle, die sich auf die Umsetzbarkeit und Qualität des Teils auswirken. Durch eine Steuerung der Fertigungsparameter können diese Faktoren genau aufeinander abgestimmt werden, um mögliche Schwankungen zu minimieren.

Im Werkzeug integrierte Temperatur- und Drucksensoren spielen eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung dieser Kontrollmechanismen, da  sie ein Echtzeit-Feedback dieser Parameter liefern und so gegebenenfalls schnelle Anpassungen und Änderungen ermöglichen. Wenn diese Parameter korrekt gesteuert werden, können Teile mit sehr engen Toleranzen und nur minimalen Abweichungen hergestellt werden. Eine weitere Methode zur Ermittlung der Bedingungen im Werkzeug ist die sogenannte Füllanalyse.

Weitere Überlegungen

Vor dem Start der Produktion sollte unbedingt festgestellt werden, ob enge Toleranzen für das Teil überhaupt erforderlich sind. Möglicherweise sind enge Toleranzen für diesen Entwurf bzw. diese Anwendung nicht zwingend notwendig. Häufig legen Konstrukteure eine allgemein gültige Toleranz in ihrem CAD-Programm fest, die dann automatisch auf alle Abmessungen des Teils angewendet wird. Dabei sind diese engen Toleranzen möglicherweise gar nicht erforderlich. Enge Toleranzen können jedoch zu höheren Produktions- und Entwicklungskosten führen.

Fazit

Xometry Europe bietet Spritzguss-Fertigung sowohl für Prototypen als auch für Großserien online an. Mit einem Netzwerk aus mehr als 2.000 Partnern in ganz Europa ist Xometry in der Lage Spritzgussteile in bis zu 3 Tagen zu liefern. Laden Sie Ihre CAD-Dateien auf der Xometry Plattform für Sofortangebote hoch, um sofort ein Angebot mit verschiedenen Fertigungsoptionen für Ihr Spritzgussteil zu erhalten.