Konstruieren mit Duroplasten:  

Jedes Element einer Maschine erfüllt eine oder mehrere Teilfunktionen die letztendlich die Gesamtfunktion der Maschine erst ermöglichen. Sowohl kleine als auch große Maschinenelemente erfordern daher besondere Sorgfalt beim Entwurf und der Auslegung. Auch vermeidlich kleinere Aufgaben erfordern eine enge Zusammenarbeit mit verschiedenen Fachdisziplinen. 

Die Duroplaste weisen eine hohe Formstabilität, geringe Wasseraufnahme, eine äußerst gute Kriechstromfestigkeit und hervorragende Brandresistenz auf. Im Vergleich mit Thermoplasten liegt die Dauergebrauchstemperatur höher. Bei erhöhter thermischer Belastung ist die Gestaltfestigkeit der Duroplaste besser als bei Thermoplasten. Nachteil im Vergleich zu Thermoplasten ist die geringe Flexibilität der Duroplaste. 

  1.    Werkstoffdaten
  2.    Bezeichnungen
 
3.    Relevante Normen
  4.    Verschnitt- oder Arbeitszeitoptimierung
  5.    Allgemeintoleranzen nach DIN ISO 2768 
  6.    Form- und Lagetoleranzen – Ebenheit, Planheit
  7.    Freibohrungen – zulässige Innenradien
  8.    Werkstückkanten nach DIN 6784
  9.    Wichtig beim Auslegen eines Bauteils aus faserverstärkten Kunststoffen
         (Lage der Schichten zur Lastrichtung)
10.    Oberflächenrauigkeiten
11.    Kostenzielorientiertes Entwickeln
12.    Bearbeitungshinweise zur Zerspanung und Fügung von Kunststoffen


 

1. Werkstoffdaten: die Datenblätter können Sie bei uns anfordern unter info@isovolta.de

2. Bezeichnungen: siehe Internationaler Normenvergleich

3. Relevante Normen: 

DIN EN 60893     DIN EN 612612  DIN EN 13706
Ergänzend:  DIN Taschenbuch 51    Kunststoffnormen f. Halbzeuge/Fertigerzeugnisse
 

4. Verschnitt- oder Arbeitszeitoptimierung:

Um Kosten sparend zu fertigen ist es wichtig auf eine gezielte Verwertung der Reste zu achten. Ist der Auftrag mit Resten nicht durchführbar, sollte der Zuschnittoptimierung, welche die Möglichkeit zum Einsparen von Material, Zeit und damit Geld bietet, große Aufmerksamkeit geschenkt werden.

Dabei bestehen (z. B. bei Platten) generell zwei Möglichkeiten um Einsparungen zu realisieren. Zum einen kann auf Verschnittoptimierung Wert gelegt werden, was zu Materialeinsparungen führt, zum anderen kann auf die Minimierung der Arbeitszeit beim Zuschneiden Priorität gelegt werden.

Um den Zeitaufwand für die Berechnung des optimalen Schnittes zu minimieren, sind Programme erhältlich, welche unter Angabe der Plattengröße und der Maße für die daraus zu fertigenden Teile in sekundenschnelle eine optimale Lösung bestimmen.

 5. Allgemeintoleranzen nach DIN ISO 2768

 Einteilen der Kunststoffarten in Maßkategorien (A u. B) nach Maßhaltigkeit. 

Maßkategorie Kunststoffe Bemerkung
A POM, PETP, PTFE gefüllt, PCTFE, PFA, PVDF, PC, PVC-Hart, PP, PMMA, PPO PVX, PS, PPS, PSU, PES, PEEK, PEI, PAI, EP-GF, PI, HP (Hartpapier), Hgw (Hartgewebe), HM Thermo- und Duroplaste mit oder ohne Verstärkungsstoffe (mit geringer Feuchtigkeitsaufnahme)
B PE, UHMW-PE, PTFE, PA6, PA6G, PA66, PA4.6 Sehr weiche Thermoplaste und Polyamide mit großer Feuchtigkeitsaufnahme

 Toleranzreihe für Dreh- und Frästeile aus Kunststoff nach ISO 286/VSM 58400 

Nennmaßbereich

Drehteile

Frästeile

(mm)

Kategorie A (µm)

Kategorie B (µm)

Kategorie A (µm)

Kategorie B (µm)

von 1 bis 3

25

40

40

60

über 3 bis 6

30

48

48

75

über 6 bis 10

36

58

58

90

über 10 bis 18

43

70

70

110

über 18 bis 30

52

84

130

210

über 30 bis 50

100

160

160

250

über 50 bis 80

120

190

190

300

über 80 bis 120

140

220

220

350

über 120 bis 180

160

250

400

630

über 180 bis 250

290

460

460

720

über 250 bis 315

320

810

810

1300

über 315 bis 400

360

890

890

1400

über 400 bis 500

400

970

970

1550

 

Nennmaßbereich

Genauigkeitsgrad  Drehteile

Genauigkeitsgrad Frästeile

(mm)

fein

mittel

grob

sehr grob

fein

mittel

grob

sehr grob

bis 6

± 0,05

± 0,1

± 0,2

± 0,5

± 0,05

± 0,1

± 0,2

± 0,5

über 6 bis 30

± 0,1

± 0,2

± 0,5

± 1

± 0,1

± 0,2

± 0,5

± 1

über 30 bis 100

± 0,15

± 0,3

± 0,8

± 1,5

± 0,15

± 0,3

± 0,8

± 1,5

über 100 bis 300

± 0,2

± 0,5

± 1,2

± 2

± 0,2

± 0,5

± 1,2

± 2

über 300 bis 1000

± 0,3

± 0,8

± 2

± 3

± 0,3

± 0,8

± 2

± 3

über 1000 bis 2000

± 0,5

± 1,2

± 3

± 5

± 0,5

± 1,2

± 3

± 5

über 2000 bis 4000

--

± 2

± 4

± 8

--

± 2

± 4

± 8

über 4000

--

± 3

± 5

± 10

--

± 3

± 5

± 10

 

6. Form- und Lagetoleranzen – Ebenheit, Planheit 

Dicke d in mm

Länge des Lineals in mm

1000

500

1,6  ≤ d ≤ 3

Siehe Anmerkung

                 3 < d ≤ 6

10

2,5

                 6 < d ≤ 8

8

2,0

                 8 < d

6

1,5

ANMERKUNG: Die Grenzwerte für Tafeln von 1,6 mm bis einschließlich 3 mm   

                          Nenndicke sind in Beratung.

 

Nenndicke

Nennbreite mm (alle Typen)

über 3

bis 50

über 50

bis 100

über 100

bis 160

über 160

bis 300

über 300

bis 500

von 500

bis 600

0,4

0,5

0,5

0,5

0,6

1,0

1,5

0,5

0,5

0,5

0,5

0,6

1,0

1,5

0,6

0,5

0,5

0,5

0,6

1,0

1,5

0,8

0,5

0,5

0,5

0,6

1,0

1,0

1,0

0,5

0,5

0,5

0,6

1,0

1,0

1,2

0,5

0,5

0,5

1,0

1,2

1,2

1,6

0,5

0,5

0,5

1,0

1,2

1,2

2,0

0,5

0,5

0,5

1,0

1,2

1,5

2,5

0,5

1,0

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

0,5

1,0

1,0

1,5

2,0

2,5

4,0

0,5

2,0

2,0

3,0

4,0

5,0

5,0

0,5

2,0

2,0

3,0

4,0

5,0

ANMERKUNG: Falls im Kaufvertrag nicht anders festgelegt, darf die gemessene Breite der Streifen nicht größer als die festgelegte Nennbreite sein. Die Werte sind einseitige, untere Grenzabmaße. Andere Grenzabmaße sind Bestandteil des Kaufvertrags.

 7. Freibohrungen – zulässige Innenradien

Freibohrungen- zulässige Innenradien

 

 8. Werkstückkanten nach DIN 6784

Werkstückkanten nach DIN 6784

9. Wichtig beim Auslegen eines Bauteils aus faserverstärkten Kunststoffen (Lage der Schichten zur Lastrichtung)

Anisotropie der Laminateigenschaften
Legt man den Laminataufbau eines Faserverbundbauteils fest, sollte man stets an die anisotropen Eigenschaften der Verstärkungsfasern denken. Das bedeutet, dass die Festigkeit und Steifigkeit sehr stark von der Orientierung der Fasern zur Lastrichtung abhängen.

Zur Verdeutlichung sei hier ein Diagramm aus dem Buch "GFK-Technik im Modellbau" gezeigt:
(S. 96, Daten für symmetrische Laminate, bei RT, Fasergehalt 60%)

 

Richtungsabhängigkeit des E-Moduls

 

 

 

Dieser Belastungsfall findet sich z.B. bei Rohren aus Flechtschlauch oder Belastung eines
0/90°-Gewebes in 45°-Richtung.

Was besonders deutlich hervortritt, ist die wesentlich größere Orientierungsempfindlichkeit der synthetischen Fasern
gegenüber Glasfasern. Ihr Einsatz lohnt sich evtl. nur, wenn die genaue Belastungsrichtung bekannt ist (z.B. Holmgurte).

Zu beachten ist die richtige Krafteinleitung (F) wegen der Orientierungsempfindlichkeit der Fasern. 

                                                     
   
               Krafteinteilung, Faserrichtung

10. Oberflächenrauigkeiten

Qualität und Ausführungsform einer Werkstückoberfläche sind von der Funktion und den zu stellenden Ansprüchen abhängig. Welche Oberflächenbeschaffenheiten oder Gestaltabweichung ein Werkstück aufweisen darf, muss unter Berücksichtigung der Funktionserfüllung (Verschleißverhalten, Reibungs- und Gleiteigenschaften, Schmierfähigkeit, Ermüdungsfestigkeit, Korrosionsanfälligkeit), wirtschaftlicher Fertigung und gegebenenfalls ästhetischen Gesichtspunkten entschieden werden.

Nachfolgender Graph zeigt die Trendlinien der gemittelten Rautiefen der Werkstoffe UP GM 203, UP GM 205, HM 2472, und EPGM 203.

 Oberflächenrauhigkeiten, Trendlinien, Rautiefen

 
11. Kostenzielorientiertes Entwickeln

Kosten sind allgemein ein leistungsbedingter, bewerteter Güterverzehr.
Aus Sicht des Herstellers sind Kosten alle Aufwendungen, die zum Erstellen und Vertrieb von Produkten anfallen.

Die meisten Kosten in einem Unternehmen entstehen in der Fertigung und in der Materialwirtschaft.
Die Entwicklungskosten sind dagegen eher gering.

Zum ermitteln der Herstellungskosten und der Selbstkosten wird häufig das Schema der Zuschlagskalkulation verwendet.

Nachfolgend sind drei Beispiele aufgeführt, die den Kostenvergleich von Produkten mit unterschiedlichem Produktionsaufwand zeigen.
Es werden zwei Metalle (Stahl, Aluminium) und zwei Duroplaste (Hm2472, EP GC 203) miteinander verglichen, wobei Stahl als Bezugsgrößen für Material- und Bearbeitungskosten herangezogen wird.

Kostenvergleich – einfacher Bauteile

Kostenvergleich, einfache Bauteile thermische Kunststoffe

Konstruieren mit Kunststoffen, Materialeinsatz

 

Kostenvergleich – mittlerer Bauteile

Kostenvergleich mittlerer Bauteile

Konstruieren mit Kunststoffen, mittlere Bauteile

 

Kostenvergleich – aufwendiger Bauteile

Kostenvergleich- aufwendiges Bauteil, Konstruieren mit Kunststoffen

Materialeinsatz Konstruktion mit Thermoplasten

    


Das Substitut Duroplast bietet ein enormes Kosteneinsparungspotential.

Folgende Tabelle zeigt Bereiche der Herstellungskosten, bei denen Einsparungen erzielt werden können:

Herstellungskosten reduzieren Thermoplasten 

12. Bearbeitungshinweise zur Zerspanung und Fügung von Kunststoffen

 Für die maschinelle Zerspanung sollten Sie folgende Hinweise beachten:

  • Nur harte Kunststoffe sind für die maschinell spanende Bearbeitung geeignet.
  • Vermeiden Sie örtliche Überhitzung.
    Technische Kunststoffe haben eine wesentlich geringere Wärmeleitfähigkeit als
    Metalle und leiten daher die bei der Zerspanung entstehende Wärme sehr viel schlechter ab.
    Dadurch kann es zu lokalen Überhitzungen kommen.

Maschinen:

Für die Bearbeitung von Kunststoffhalbzeugen sind die handelsüblichen Maschinen der Holz- und Metallverarbeitung geeignet.

Werkzeuge:

Achten Sie auf eine besondere Schneidegeometrie, Verwenden Sie bei verstärkten oder mit Füllstoffen versehenen Kunststoffen
(PTFE - Compounds) aufgrund der längeren Standzeit Hartmetall- oder diamantbestückte Werkzeuge.
Für die Bearbeitung ungefüllter Kunststoffe reichen dagegen HSS-Werkzeuge aus. Mit Hilfe einer scharfen Werkzeugschneide ist eine gute Wärmeabfuhr über den Span möglich. Zudem kann bei Thermoplasten und Duroplasten durch Wasser (Bohrwasser) bzw. durch Pressluft für zusätzliche Kühlung gesorgt werden.

Maßhaltigkeit:

Um Deformationen zu vermeiden, sollte bei der Bearbeitung mit niedrigem Spanndruck gearbeitet werden. Sorgen Sie für Spannungsbeseitigung und Materialberuhigung im Falle unsymmetrischer Spanabnahme oder bei hohem Zerspanungsvolumen. Kunststoffe, die zur Wasseraufnahme neigen oder Kunststoffe, die ein relativ hohes Wärmeausdehnungsvermögen besitzen, erfordern größere Fertigungstoleranzen als Metalle. Um enge Toleranzen zu gewährleisten, sollten bei der Konstruktion bzw. Auslegung des Bauteils die zu erwartenden Maßabweichungen vor der Bearbeitung berücksichtigt werden.

Bearbeitungsverfahren

Sägen: Verwenden Sie beim Sägen von Kunststoffen Kreissägen mit Hartmetallwerkzeugen, sowie Bandsägen mit HSS - Sägebändern, wobei die Sägeblätter scharf und stark geschränkt sein sollten, um Erwärmung zu vermeiden.

Sägerei, Sägen von Duroplasten

Bohren: Sorgen Sie bei langen Bohrungen für ein häufiges Herausziehen des Bohrers um eine auszureichende Kühlung und Spanentfernung zu ermöglichen. Große Bohrdurchmesser sollten vorgebohrt und mit einem Kreisschneider fertig gestellt werden.

Drehen: Arbeiten Sie mit hohen Schnittgeschwindigkeiten und verwenden Sie eine Spantiefe von mindestens 0,5 mm.
Um eine riefenfreie Oberfläche zu gewährleisten, verwenden Sie Werkzeuge mit einem kleinen Schneidenradius.
Zur Kühlung ist Pressluft besonders geeignet, da diese zusätzlich der Spanbeseitigung dient.

Drehteile, duoplastische Laminate

Fräsen: Verwenden Sie Werkzeuge mit großen Spanräumen und halten Sie den Spanquerschnitt durch Schnitttiefe und Vorschub möglichst groß.

Fräsen von Schichtpressstoffen

Schleifen: Für Schleifarbeiten ist Schleifpapier in staubfeiner bis grober Körnung geeignet.
Arbeiten Sie bei umlaufenden Schleifbändern nur mit geringem Anpressdruck.

Schleifen von duroplastischen Laminaten

Polieren: Polieren Sie geschliffene Kunststoffflächen mit Filz-, Baumwoll- oder Lammfellschwabbelscheiben, auf denen Polierpaste bzw. wässrige Aufschwemmungen aufgetragen sind.

Fügen: Thermoplastische Kunststoffe können lösbar durch Schrauben und Schnappverbindungen oder unlösbar durch Nieten, Schweißen, Verkleben oder Einbetten verbunden werden. Duroplaste und Elastomere lassen sich hingegen durch Schweißen oder Einbetten nicht verbinden, da sie sich bei Erwärmung zersetzen, ohne flüssig zu werden.

Kleben: Beim Verkleben von Kunststoffen sollten Sie die folgenden Punkte beachten:

  • Die zu verklebenden Teile sollten klebegerecht gestaltet sein.
  • Die Klebestellen sollten richtig vorbehandelt sein.
  • Wählen Sie den für den Kunststoff geeigneten Kleber.

 Kleben von Duroplasten, verkleben versch. Materialien

 6.2. Wissenswertes im Umgang mit den Schichtpressstoffen

Beim Konstruieren oder beim Bearbeiten von Schichtpressstoffen müssen bestimmte Kriterien beachtet werden. An dieser Stelle möchten wir zwei wesentliche Eigenschaften darstellen, die beim Konstruieren aber auch beim Bearbeiten von Schichtpressstoffen berücksichtigt werden müssen.

 6.2.1. Harzart und Trägermaterial

    Die Eigenschaften eines Schichtpressstoffes hängen von
    der Harzart
    dem Trägermaterial
    der Faserart
    der Faserrichtung
    dem Fasergehalt
    sowie von der Beanspruchungsart ab. Dabei muss sehr genau geprüft werden, wie sich die
    mechanische Belastung im Bauteil zusammensetzt und wie hoch sie ist

Die thermischen Eigenschaften hängen in erster Linie von der Harzart ab. Da es sich bei den Schichtpressstoffen um vernetzte Systeme handelt, ist der Kriecheffekt, wie es sich bei den Thermoplasten zeigt, sehr gering.

Die chemische Beständigkeit von Schichtpressstoffen hängt von der Harzart sowie vom Trägermaterial ab. Dabei muss ebenfalls die Temperatur und die Belastungsart berücksichtigt werden. Aufgrund dieses komplexen Verhaltens können für die chemische Beständigkeit nur generelle Aussagen gemacht werden (siehe dazu das Kapitel „Schichtpressstoffe“).

Einzelne Schichtpressstoffe (vor allem Epoxid mit Glasfaserverstärkung) haben dank ihrer elektrischen Isoliereigenschaften eine große Bedeutung erlangt. Schichtpressstoffe mit hoher Durchschlagsfestigkeit sind in der Hochspannungstechnik nicht mehr wegzudenken.

Bis zu welcher Dauergebrauchstemperatur sind die verschiedenen Materialien einsetzbar?

 Dauergebrauchstemperatur Materialeinsatz

Füllstoffe, Zusatzstoffe, verbesserte Eigenschaften