Messung von Kunststoff-Formteilen

Spritzgießen

Beim Spritzgießen wird der erhitzte und geschmolzene Kunststoff in eine Form gespritzt. Da das Kunststoffmaterial mit hohem Druck eingespritzt wird, können dünnwandige Produkte und Produkte mit komplexen Formen mit hoher Geschwindigkeit geformt werden, wodurch sich diese Methode für die Serienproduktion eignet. Sie wird hauptsächlich für das Formen von thermoplastischen Kunststoffen verwendet, seltener auch für das Formen von duroplastischen Kunststoffen.

Das Grundprinzip des Spritzgießens ist unten dargestellt.
(1) Das Kunststoffmaterial wird aus einem Trichter zugeführt, erhitzt und geschmolzen, um es zu plastifizieren.
(2) Anschließend wird es mit Hilfe eines Formwerkzeugs in eine bestimmte Form gebracht.
(3) Schließlich kühlt das Material ab und härtet in der Form aus.

Im nächsten Schritt wird das geformte Teil aus der Maschine entnommen und durchläuft verschiedene Prozesse und Prüfungen, um zum Kunststoffprodukt zu werden. Zu den wichtigsten Produkten, die im Spritzgussverfahren hergestellt werden, gehören die folgenden:

• Smartphone-Hüllen
• Gehäuse für Elektrogeräte, Plastikmodellbausätze
• Toilettensitze
• Stoßstangen und Armaturenbretter für Automobile

Das Spritzgießen kann als die am weitesten verbreitete Methode des Kunststoffgusses bezeichnet werden, da es für die Serienproduktion einer sehr großen Bandbreite von Kunststoffprodukten aller Größen verwendet wird. Spritzgussverfahren werden je nach dem herzustellenden Produkt in die folgenden Methoden unterteilt.

Umspritzen:

Bei dieser Methode (auch Verbundguss genannt) wird ein Einsatz, z. B. eine Metallschraube oder eine Anschlussklemme, im Voraus in die Form gelegt und anschließend Kunststoff um den Einsatz herum gespritzt, um ihn zusammen mit dem Einsatz zu formen.

Spritzguss mit mehreren Farben/Materialien:

Bei dieser Methode werden Kunststoffe verschiedener Farben oder Materialien kombiniert, um ein einziges Produkt zu formen.

Filmanguss- und In-Mold-Verfahren:

Filmanguss- und In-Mold-Verfahren werden für Oberflächendekorationen wie Logos oder Schriftzeichen auf Kunststoffteilen, Membranschaltern von Elektrogeräten und im Automobil-Innenraum (Gangschalter und andere Kunststoffteile) eingesetzt. Sie werden auch als „dekoratives Spritzgießen“ bezeichnet.
Beim Filmanguss wird eine mit einem Muster bedruckte Folie, eine glänzende oder matte Folie (Dekorfolie) im Voraus in die Form eingelegt, und die Folie und der Kunststoff werden während des Spritzgussverfahrens durch Hitze und Druck in der Form miteinander verbunden. Beim In-Mold-Verfahren (auch als „Hinterspritzen“ bezeichnet) wird eine dekorative Folie im Voraus in die Form eingelegt, und die Dekoration der Folie wird dann während des Spritzgussverfahrens auf den Kunststoff übertragen.

Blasformen (Hohlguss)

Beim Blasformen wird erhitzter und geschmolzener Kunststoff schlauchförmig extrudiert und in die Form gelegt. Anschließend wird Luft in das Innere geblasen, um den Kunststoff aufzublasen und zu formen. Diese Methode eignet sich für die Herstellung von Kunststoffformteilen, die innen hohl sind, und wird aufgrund der Herstellungsmethode auch als „Hohlguss“ bezeichnet. Zu den wichtigsten Produkten, die im Blasformverfahren hergestellt werden, gehören die folgenden:

• Kunststoff-Getränkeflaschen
• Behälter für Produkte wie Flüssigkosmetik und Flüssigwaschmittel
• Rohre
• Rohrverbindungen

Wenn das Produkt mit Flüssigkeit gefüllt werden soll, kann es erforderlich sein, die Art des Kunststoffs entsprechend den Eigenschaften der Flüssigkeit zu wählen. Wenn zum Beispiel die Oxidation durch das Eindringen von Sauerstoff verhindert werden muss, wird ein Kunststoff verwendet, der eine Gasbarriere besitzt. Wenn chemische Beständigkeit erforderlich ist, werden mehrere Formmaterialien, darunter auch Kunststoffe, die sich bei Kontakt mit Chemikalien nicht zersetzen, in Schichten geformt.
Es gibt verschiedene Blasformverfahren, die je nach dem herzustellenden Produkt eingesetzt werden. In diesem Abschnitt werden die gängigsten Blasformverfahren erläutert.

Extrusionsblasformen (direktes Blasformen):

Der grundlegende Aufbau und das Prinzip einer Extrusionsblasformmaschine sind unten dargestellt.

1. (1) Der geschmolzene Kunststoff wird extrudiert.
2. (2) Ein Werkzeug wird verwendet, um eine zylindrische Form zu formen, die als (heißer) Vorformling bezeichnet wird.
3. (3) Der Vorformling wird in die Form gelegt, bevor er abkühlt und fest wird.
4. (4) Es wird Luft hineingeblasen, um die gewünschte Form zu erhalten.

Streckblasen (Spritzstreckblasen oder 2-Achsen-Streckblasen):

Der grundlegende Aufbau und das Prinzip einer Streckblasmaschine sind unten dargestellt. Typische im Streckblasprozess hergestellte Produkte sind Kunststoff-Getränkeflaschen aus Polyethylenterephthalat (PET).

1. (1) Durch Spritzgießen von thermoplastischem Kunststoff wird ein (kalter) Vorformling in Reagenzglasform im Voraus hergestellt.
2. (2) Der Vorformling wird erhitzt und mit Hilfe eines Stempels in die Form gesetzt.
3. (3) Hochdruckluft wird in den Vorformling geblasen, um die gewünschte Form zu erzeugen.

Mehrschichtiges Blasformen:

Um die Oxidation und den Verfall des Inhalts zu verhindern und die Festigkeit zu verbessern, wird das für den Vorformling verwendete Material durch Co-Extrusion von Ethylen-Vinylalkohol-Copolymer (EVOH) oder einem anderen Material mit einer hohen Gasbarrierefähigkeit hergestellt. Diese Methode eignet sich daher zum Formen von Produkten wie Kunststoffbehältern für Speiseöl oder Gewürze oder Benzintanks.
Das Grundprinzip des mehrschichtigen Blasformens ist unten dargestellt.

1. (1) Zwei oder mehr Arten von Kunststoffmaterial werden co-extrudiert, um einen mehrschichtigen (kalten) Vorformling zu bilden.
2. (2) Der (kalte) Vorformling wird erhitzt.
3. (3) Es wird Luft eingeblasen, um den Blasformprozess durchzuführen.

Dreidimensionales Blasformen:

Im Gegensatz zum Extrusionsblasformen, bei dem der Vorformling vertikal extrudiert wird, ist es möglich, eine dreidimensionale Form zu erzeugen, die Materialverzug und Gratbildung verhindern kann.
Mit dieser Methode ist es möglich, hochwertige Klimaschläuche, Rohre und andere Produkte mit komplexen Formen wie Kurven oder Faltenbälgen herzustellen.

1. (1) Der Speicher des Extruders wird mit Kunststoff gefüllt und ein Vorformling wird geformt.
2. (2) Die Luft wird vom Ausgang auf der gegenüberliegenden Seite angesaugt. Der Vorformling tritt in die Form ein und bewegt sich entlang der inneren Form, bis er den Boden der Form erreicht.
3. (3) Es wird Luft eingeblasen, um den Blasformprozess durchzuführen.

Wölbung und Welligkeit

Wölbung und Welligkeit von Kunststoff-Formteilen bedeutet, dass das Werkstück wie ein Bogen verformt ist. Bei diesen Mängeln spricht man auch oft von verbogenen oder verdrehten Teilen. Bei der Wölbung unterscheidet man zwischen konkaver und konvexer Wölbung, je nach Richtung der Verformung.
Welligkeit bezieht sich auf Oberflächenunregelmäßigkeiten, die durch Wölbungen in verschiedenen Richtungen entstehen. Die Hauptursachen für Wölbung und Welligkeit bei Kunststoff-Formteilen sind die folgenden:

• Unterschiede beim Schrumpfen von Kunststoff
• Ungleiche Temperatur der Form
• Unterschiede in den Schrumpfungsraten der geschmolzenen Kunststoffe aufgrund der Fließrichtung

Unterschiede beim Schrumpfen von Kunststoff:

Wölbungen treten auf, wenn Unterschiede beim Schrumpfen von Kunststoff aufgrund von Temperatur- oder Druckschwankungen innerhalb der Kavität auftreten. Die Menge der plastischen Schrumpfung im Inneren des Hohlraums ist proportional zur Temperatur und umgekehrt proportional zum Druck. Wenn ein Werkstück sowohl einen dünnen als auch einen dicken Teil hat, ist die Schrumpfung geringer, weil der dünne Teil eine niedrigere Temperatur hat, während der dicke Teil mehr schrumpft, weil er mehr Wärme speichert. Der Temperaturunterschied führt zu einem Unterschied in der plastischen Schrumpfung innerhalb des Hohlraums, was zu der als Wölbung bekannten Verformungsart führt.

Ungleiche Temperatur der Form:

Wölbungen treten auf, wenn innerhalb der Kavität aufgrund ungleichmäßiger Formtemperaturen Unterschiede bei der Schrumpfung von Kunststoff auftreten. Wenn die Abkühlzeit an verschiedenen Stellen der Form unterschiedlich ist, führt dies zu Unterschieden in der Kunststoffschrumpfung, die zu Wölbungen führen.

Unterschiede in den Schrumpfungsraten des geschmolzenen Kunststoffs aufgrund der Fließrichtung:

Wölbung oder Welligkeit entstehen, weil die Schrumpfungsrate je nach Richtung des Kunststoffflusses unterschiedlich ist. Wenn der Kunststoff ein Material wie z. B. Glasfasern enthält, werden die Fasern in die Richtung ausgerichtet, in die mehr Kunststoff fließt. Infolgedessen wird die Schrumpfung in Richtung des plastischen Flusses kleiner und die Schrumpfung in die Richtung senkrecht zum plastischen Fluss nimmt zu. Dies wird als Anisotropie der Schrumpfung aufgrund der Faserausrichtung bezeichnet und ist eine Ursache für eine Wölbung.

Dehnung

Dehnung in einem aus Kunststoff geformten Produkt ist ein Phänomen, bei dem das gesamte Werkstück verdreht oder verzogen wird. Dies wird hauptsächlich durch Eigenspannung verursacht. Unter Eigenspannung versteht man beim Kunststoffguss die innere Spannung, die in einem geformten Produkt verbleibt. Sie umfasst Zugeigenspannungen, bei denen eine Kraft nach außen wirkt, und Druckeigenspannungen, die nach innen wirken.
Die Zugeigenspannung ist eine Spannung, die das Innere des geformten Produkts nach außen zieht. Sie entsteht, wenn geschmolzener Kunststoff, der unter hohem Druck in die Form gespritzt wurde, von außen nach innen abkühlt und erstarrt. Druckeigenspannung ist eine Spannung, die entsteht, wenn der Druck, der auf die Form ausgeübt wird, um das Produkt zu formen, den Kunststoff nach innen drückt.

Ein Kunststoffprodukt mit Eigenspannungen kann nicht nur durch Schrumpfung oder Ausdehnung seine Maßhaltigkeit verlieren, sondern auch Verformungen oder Risse verursachen, wenn die Eigenspannungen des Kunststoffprodukts auf Faktoren wie Schneiden, Schleifen, Schweißen oder andere Erhitzung sowie Behandlung oder Endbearbeitung mit einer Beschichtung oder einem Lösungsmittel reagieren. Bei der Herstellung und Verarbeitung ist besondere Vorsicht geboten, da sich die Form aufgrund der Dehnung, die durch die Alterung des Produkts entsteht, verändern kann.
Aus diesem Grund kann ein Prozess durchgeführt werden, der als Glühen bezeichnet wird, um Eigenspannungen zu beseitigen.

Teilfüllung

Eine Teilfüllung ist ein Phänomen, bei dem ein Teil der geformten Produktform unvollständig ist, weil das Kunststoffmaterial nicht alle Ecken des Formhohlraums erreicht hat.
Zu den Hauptursachen gehört die Erstarrung an der Vorderkante des Flusses, die dazu führt, dass der Kunststoff abkühlt und erstarrt, bevor er die am weitesten entfernten Teile erreicht, was zu einer unvollständigen Form an bestimmten Teilen führt. Eine weitere Ursache sind Lufteinschlüsse, die verhindern, dass das Kunststoffmaterial gleichmäßig in die Form fließt.

Mögliche Gegenmaßnahmen gegen die Erstarrung an der Vorderkante des Flusses sind unter anderem die folgenden:
• Erhöhen Sie die Temperatur des eingespritzten Kunststoffs.
• Erhöhen Sie die Dicke des Angusskanals.
• Erhöhen Sie den Nachdruck oder die Nachdruckzeit.
Mögliche Gegenmaßnahmen gegen Lufteinschlüsse sind unter anderem die folgenden:
• Ändern Sie die Einspritzgeschwindigkeit.
• Erhöhen Sie die Oberflächentemperatur der Kavität.
• Ändern Sie das Flussmuster.

Schwierigkeiten bei der Messung – 3D-Koordinatenmessgerät

Bei der Messung von Wölbung und Welligkeit mit einem 3D-Koordinatenmessgerät muss das Ende des Messtasters in der Regel vier oder mehr Punkte an den Ecken des Messobjekts berühren.
Bei einer Platte zum Beispiel werden üblicherweise sechs bis acht Punkte gemessen. Wenn die Messfläche groß ist, kann die Genauigkeit der Messung verbessert werden, indem die Anzahl der Messpunkte erhöht wird, um mehr Messdaten zu sammeln.
Bei der Messung von Wölbung und Welligkeit treten jedoch folgende Herausforderungen auf:

• Da die Messung durch den Kontakt einzelner Punkte erfolgen muss, ist es schwierig, die Form des gesamten Messobjekts zu erkennen.
• Die Messung von mehreren Punkten, um mehr Messdaten zu erhalten, erfordert viel Zeit. Dennoch ist es nicht möglich, die detaillierte Form des gesamten Messobjekts zu erkennen.

Schwierigkeiten bei der Messung – Messschieber

Handmessmittel wie Messchieber sind für Messungen sehr praktisch. Es gibt jedoch zahlreiche Ursachen, die zu Messfehlern oder Abweichungen bei den Messdaten führen.
Bei Messschiebern sind die Messbedingungen, wie z. B. die Kontaktkraft (Messkraft) bei der Messung von Hand und die Auswahl der gemessenen Punkte je nach Anwender unterschiedlich. Dies führt zu Schwankungen bei den Messwerten und erschwert quantitative Messungen. Bei Wölbung und Welligkeit über eine große Fläche müssen viele Punkte gemessen werden. Darüber hinaus erfordern die Prüfungen einiges an Zeit.

Vorteil 1: Durch Scannen der 3D-Form einer Oberfläche lassen sich Wölbung und Welligkeit auf einen Blick erkennen.

Wenn ein Kunststoffprodukt mit einer komplexen Form mit einem 3D-Koordinatenmessgerät oder einem Handmessmittel gemessen wird, erfordert die Messung aufgrund der vielen Punkte, die gemessen werden müssen, sehr viel Zeit. Da nur einzelne Punkte gemessen werden, ist es schwierig, die 3D-Form des Messobjekts zu messen.
Mit der Modellreihe VL müssen Sie das Messobjekt nur auf dem Tisch platzieren und scannen. Die 3D-Form des Messobjekts kann berührungslos erfasst werden und eine Positionierung ist nicht erforderlich. Da die Profilmessung an jeder beliebigen Stelle des Messobjekts möglich ist, können Sie die Positionen und genauen Zahlenwerte von Formfehlern visualisieren und identifizieren.
Dies ermöglicht eine einfache Überprüfung der Form und der Gussbedingungen für Testprodukte und erlaubt es, die Ursachen von Montagefehlern bei kommerziellen Produkten problemlos zu identifizieren und zu korrigieren. Da die Formdaten quantitativ gemessen werden, ist es möglich, Wölbung und Welligkeit auf der Grundlage von Toleranzen leicht zu überprüfen und die Messungen für Trendanalysen zu nutzen.

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Vorteil 2: Unterschiede zu den CAD-Daten werden in Farbe angezeigt.

Durch den Vergleich der CAD-Daten eines Produkts mit den erfassten Messdaten können Unterschiede zwischen dem tatsächlichen Produkt und den Sollwerten visualisiert werden. Bei Bauteilen, die mit bisher verwendeten Systemen schwer zu messen waren, können durch den Vergleich der Messergebnisse mit den CAD-Daten unentdeckte Defekte identifiziert werden. Dies ist effektiv für Prüfungen und Ursachenanalysen von Bauteilen mit Passmängeln.
Da eine breite Palette von Maßhaltigkeitsprüfungen unterstützt wird, ermöglicht die präzise Messung der Maße an den betreffenden Stellen eine detaillierte Problemanalyse.

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Vorteil 3: Die Querschnittsanalyse kann zerstörungsfrei durchgeführt werden.

Querschnitte, die mit handelsüblichen Systemen nur schwer zu messen sind, können nun zerstörungsfrei erstellt werden und ermöglichen eine detaillierte Messung und Analyse. Querschnitte können anhand von Basisebenen aus verschiedenen Perspektiven gelegt werden, um vielfältige Messungen zu ermöglichen.

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