Maß- und Formtoleranzen, Oberflächenqualität beim Spritzgießen von Thermoplasten, 2. Teil

Vergleich der Norm DIN 16 742- 2013 mit der Norm DIN 16 901- 1982:

- beide Normen geben, ebenso wie die tschechische Norm ČSN 01 4265- 1982, ausschließlich Fertigungstoleranzen an

- die Norm DIN 16 742- 2013 führt symmetrische Toleranzen um den Nennwert ein

- sie ergänzt eine Tabelle der Toleranzfelder für Bohrungsdurchmesser

- die Toleranztabellen für Längenmaße und Durchmesser enthalten die gegenwärtig- hinsichtlich Kenntnisstand, technologischem Prozess, technischer Ausstattung zur Durchführung der Fertigung usw. - erreichbaren Toleranzfelder (ebenso wie die Toleranzen in DIN 16 901- 1982 zum Zeitpunkt ihrer Entstehung)

- die tatsächlich erreichbaren Toleranzen hängen von der Fachkompetenz und der technischen Ausstattung des jeweiligen Herstellers von Spritzgussteilen ab

- die neue Norm ist auch als Bewertungssystem zur Beurteilung der Erreichbarkeit von Toleranzen beim jeweiligen Hersteller von Spritzgussteilen konzipiert

- DIN 16 742- 2013 definiert neue Toleranzgruppen für Kunststoffteile- TG 1 bis TG 9 ( TG- Toleranzgruppen )

- die neuen Toleranzgruppen sind mit den ISO-Grundtoleranzfeldern nach der Norm ISO 286- 1 verknüpft

- die genannte Korrelation mit den ISO-Toleranzfeldern- es kann in beiden Systemen gearbeitet werden- war in der Norm DIN 16 901- 1982 nicht vorhanden und ist auch in ČSN 01 4265- 1982 nicht enthalten

- aus der neuen Norm wurde die Thematik der Entformungsschrägen gestrichen, was aus meiner Sicht und Erfahrung nicht der beste Ansatz ist (der Grund für meine Ansicht ist der geringe Kenntnisstand der Konstrukteure und Designer von Kunststoffteilen).

In den Normen sind auch die Bedingungen für Prüfung und Abnahme aufgeführt. Diese legen fest, dass das Spritzgussteil vor der Messung in einer Umgebung mit einer Temperatur von 23 +/-  2 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50 +/-  5 % konditioniert werden muss, und zwar für eine Dauer von- nach ČSN 24 Stunden und nach DIN mindestens 16 Stunden (höchstens 72 Stunden) - nach der Entnahme aus der Kavität des Spritzgießwerkzeugs.  

Sowohl die ČSN-Normen als auch die DIN-Normen unterteilen Kunststoffe in Gruppen und unterscheiden Toleranzgruppen- Genauigkeitsklassen sowie werkzeuggebundene und nicht werkzeuggebundene Maße.

Zur Gruppe der nicht werkzeuggebundenen Maße gehören alle Maße, deren endgültiger Wert sich infolge einer „Bewegung“ der formgebenden Werkzeugteile ändern kann (beispielsweise Schieber oder Maße, die von der Haupttrennebene abhängen).

Werkzeuggebundene Maße sind durch die formgebenden Werkzeugteile fest vorgegeben- beispielsweise Durchmesser und Tiefen von Bohrungen, die durch Werkzeugkerne gebildet werden.

Die Aufteilung des Toleranzfeldes sollte stets +/-  1/2T betragen, d. h. symmetrisch um den Nennwert des Maßes liegen. DIN 16 742- 2013 schreibt dies vor.

Dieses Postulat beruht auf der Forderung nach einer Minimierung von Fehlern und Problemen. Der Werkzeugkonstrukteur arbeitet mit einem 3D-Modell des Spritzgussteils, das er um ein einheitliches Schwindmaß vergrößert. Bei einseitigen Toleranzen, die in der Zeichnung des Spritzgussteils angegeben sind, muss entweder das 3D-Modell im betreffenden Bereich auf die Toleranzmitte ummodelliert werden, oder bei der Fertigung der Spritzgussteile entsteht ein Maßproblem, sofern das Maß keine ausreichend große Toleranz aufweist.

Ergänzend nenne ich noch die Norm ČSN 01 4395 Auswahl der Toleranzfelder und Passungen für metrische Gewinde von Kunststoffbauteilen.

Verbindlichkeit und Anwendung tschechischer technischer Normen

Die rechtliche Regelung der technischen Normung ist im Gesetz Nr. 22/1997 Slg. über technische Anforderungen an Produkte und über die Änderung und Ergänzung einiger Gesetze in der Fassung des Gesetzes Nr. 71/2000 Slg. und des Gesetzes Nr. 102/2001 Slg.enthalten. Das Gesetz Nr. 22/1997 Slg. trat am 1.9.1997 in Kraft. Ziel seiner Ausarbeitung war es, eine Grundlage für eine rechtliche Regelung entsprechend Art. 75 des Europa-Abkommens zu schaffen, das die Verpflichtung der Tschechischen Republik enthält, "in Zusammenarbeit mit der EU die vollständige Übereinstimmung mit den technischen Vorschriften der EG, der europäischen Normung und den Konformitätsbewertungsverfahren zu erreichen". Die nachfolgenden Gesetzesänderungen bringen seinen Wortlaut in vollständige Übereinstimmung mit der Gesetzgebung der Europäischen Gemeinschaft.

Das Gesetz Nr. 22/1997 Slg. über technische Anforderungen an Produkte legt fest, dass tschechische technische Normen (ČSN) nicht allgemein verbindlich sind

Europäische harmonisierte Normen sind unverbindlich und müssen daher auch bei ihrer Übernahme in die nationalen Normen der EU-Mitgliedstaaten und der EFTA-Staaten unverbindlich bleiben.

 

Konstruktion von Spritzgussteilen und Werkzeugen – Schwindung, Maß- und Formänderungen, Verzug

In der Konstruktionspraxis ist die Bestimmung der Maße der formgebenden Teile von Spritzgießwerkzeugen einschließlich der Maßtoleranzen einer der entscheidenden Arbeitsschritte, da die Werkzeugmaße die grundlegende Voraussetzung für das Erreichen optimaler Formteilmaße bilden. Bei der Festlegung der Grundsätze für die Berechnung des Nennmaßes und der Toleranzen der formgebenden Werkzeugteile wird von den entsprechenden Werten des Formteils ausgegangen – dem Nennmaß und seiner symmetrischen Toleranz. Nach den einschlägigen Normen werden die Produkttoleranzen Genauigkeitsgraden zugeordnet, die an Kunststoffgruppen gekoppelt sind, welche unter Berücksichtigung der erreichbaren Maßhaltigkeit zusammengestellt wurden. Zu berücksichtigen sind auch weitere Faktoren wie tolerierte und nicht tolerierte Maße sowie werkzeuggebundene und nicht werkzeuggebundene Maße.

Wie bereits erwähnt, wird das Ausgangsmaß für die Berechnung der Maße der formgebenden Werkzeugteile durch das Formteilmaß bestimmt:

-     Maß mit Bohrungscharakter – das Ausgangsmaß ist das Mindestmaß

-     Maß mit Wellencharakter – das Ausgangsmaß ist das Höchstmaß

-     Maß mit Abstandscharakter – das Ausgangsmaß ist das Mittelmaß

-     Achtung - der Maßcharakter bestimmt auch die Messstelle des jeweiligen Maßes mit Entformungsschräge zur Entnahme des Formteils aus der Kavität und mit einer zusätzlichen Entformungsschräge bei einer strukturierten Formteiloberfläche - bei Maßen mit Bohrungscharakter wird stets das Mindestmaß und bei Maßen mit Wellencharakter das Höchstmaß gemessen

Zu dem so bestimmten Ausgangsmaß wird der Wert der mittleren Verarbeitungsschwindung addiert. Dieser Wert ergibt sich aus den Materialdatenblättern des jeweiligen Kunststoffs, wobei auch die Erfahrungen des Werkzeugkonstrukteurs und die Einflussfaktoren auf die Schwindung berücksichtigt werden. Darüber hinaus wird das Toleranzfeld des jeweiligen Formteilmaßes berücksichtigt (0, 6 bis 0, 7 der Produkttoleranz werden zum Ausgleich der Ungenauigkeit bei der Bestimmung der Verarbeitungsschwindung genutzt).

Eine große Rolle bei der Maßhaltigkeit von Formteilen aus Thermoplasten spielt die Anisotropie der Maßänderungen. Die Anisotropie, also die Richtungsabhängigkeit der Maßänderungen, wird vor allem durch die Orientierung der Makromoleküle und des Füllstoffs, insbesondere faserförmiger Füllstoffe, sowie der kristallinen Strukturen bei teilkristallinen Thermoplasten verursacht. Bei ungefüllten Thermoplasten besteht aufgrund der Orientierung der Makromoleküle ein Unterschied zwischen der Längsschwindung (in Fließrichtung der Schmelze) und der Querschwindung (senkrecht zur Fließrichtung der Schmelze). Angesichts der zahlreichen Einflussfaktoren und der Eigenschaften der einzelnen Thermoplaste lässt sich nicht allgemein sagen, welche Schwindung größer und welche kleiner ausfällt. Die Unterschiede in der richtungsabhängigen Schwindung sind bei amorphen Thermoplasten meist geringer (5 bis 10 %), bei teilkristallinen Thermoplasten größer (10 bis 25 %).

Bei Thermoplasten mit faserförmigem Füllstoff ist die Schwindung in Fließrichtung der Schmelze stets geringer als senkrecht zur Fließrichtung, und zwar je nach Füllstoffgehalt um ca. 20 bis 60 %. Bei Materialien mit partikelförmigem Füllstoff verringert sich der Unterschied zwischen Quer- und Längsschwindung, und bei einem Füllstoffgehalt von etwa 40 % ist die Schwindung bereits praktisch isotrop, d. h. in allen Richtungen gleich.

Die Nachschwindung ungefüllter Thermoplaste ist in Orientierungsrichtung der Makromoleküle größer als senkrecht dazu und generell größer als bei gefüllten Thermoplasten. Die Wärmeausdehnung – der Einsatz von Formteilen bei höheren Temperaturen – führt auch zu einer größeren zusätzlichen Schwindung, wobei die Wärmeausdehnung in Orientierungsrichtung der Makromoleküle geringer ist als senkrecht dazu.

Maßänderungen (sowie weitere Änderungen - Strukturänderungen, innere Spannungen, Relaxationsvorgänge usw.), die im Formteil nach dem Auswerfen aus der Kavität ablaufen, sind zeitabhängig - siehe den Hinweis zum Messzeitpunkt im Beharrungszustand in der Norm DIN 16 742- 2013.

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