Entwicklung und Konstruktion von Kunststoffteilen

Name: Entwicklung und Konstruktion von Kunststoffteilen | Anwendungsorientierte Arbeitsunterlagen
Brand: Hanser
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Anwendungsorientierte Arbeitsunterlagen

Bernd-Rüdiger Meyer(Autor*in)

Hanser (Verlag)

1. Auflage

Erschienen am 9. August 2021

443 Seiten

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978-3-446-46841-2 (ISBN)

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Intro
Inhalt
Vorwort
Der Autor
1 Struktur - Eigenschaftsbeziehungen der Polymere
1.1 Übersichten
1.2 Konstitution und Konfiguration der Makromoleküle
1.2.1 Zusammensetzung, Größe und Gestalt der Makromoleküle
1.2.2 Zwischenmolekulare Kräfte (ZMK)
1.2.3 Chemische Struktur thermoplastischer Polymere
1.2.4 Nomenklatur und Kurzzeichen spezieller Polymergruppen
1.3 Konformation und Aggregation der Makromoleküle
1.3.1 Einführung
1.3.2 Molekulare und morphologische Ordnungsstrukturen
1.3.3 Thermische Zustandsänderungen der Polymere
1.3.4 Vernetzungsstrukturen der Polymere
1.3.5 Abmessungsbereiche molekularer und morphologischer Strukturelemente
1.3.6 Löslichkeit und Quellbarkeit der Polymere
1.4 Dilatometrisches und mechanisches Eigenschaftsbild der Kunststoffe
1.4.1 Thermische Zustände und Übergangsbereiche von Polymeren (außer LCP)
1.4.2 p-v-T-Verhalten von Thermoplasten
1.4.3 Bereiche mechanischer und dilatometrischer Eigenschaften der Polymere (außer LCP)
1.4.4 Orientierung molekularer und morphologischer Strukturen durch Reck- und Fließprozesse
1.4.5 Zeitabhängiges Deformationsverhalten der Polymere
1.5 Stoffliche Modifizierung der Polymere
1.5.1 Funktionsadditive und chemische Modifizierung
1.5.2 Füll- und Verstärkungsstoffe
1.5.3 Schaumstoffe
1.5.4 Äußere Weichmachung und Brennbarkeitsminderung
1.5.5 Polymermischungen und Werkstoffkombinationen
2 Systematische Kunststoffauswahl für Formstoffe
2.1 Übersicht
2.1.1 Gliederung der Anforderungen
2.1.2 Werkstoffentscheidung
2.1.3 Software zur Kunststoffvorauswahl
2.2 Einführung zur Kunststoffauswahl
2.2.1 Richtlinien für die Kunststoffvorauswahl
2.2.2 Übergeordnete Polymerstrukturmatrix und Beständigkeitskriterien der Kunststoffe
2.3 Medienbeständigkeit und Wasseraufnahme
2.3.1 Medienbeständigkeit (ohne Spannungsrissbildung)
2.3.2 Bewertung der Medienbeständigkeit (ohne Spannungsrissbildung)
2.3.3 Wasseraufnahme
2.4 Wärmealterungsbeständigkeit und hydrothermische Beständigkeit
2.4.1 Wärmealterungsbeständigkeit
2.4.2 Hydrothermische Beständigkeit
2.5 Strahlenbeständigkeit und Witterungsbeständigkeit
2.5.1 Strahlenbeständigkeit
2.5.2 Witterungsbeständigkeit
2.6 Werkstoffdichte und Kohäsionsenergiedichte
2.6.1 Werkstoffdichte
2.6.2 Kohäsionsenergiedichte
2.7 Steifigkeit/Härte und Wärmedehnung
2.7.1 Steifigkeit/Härte
2.7.2 Wärmedehnung
2.8 Wärmeformbeständigkeit, Kriechneigung und mechanische Dämpfung
2.8.1 Wärmeformbeständigkeit
2.8.2 Kriechneigung der Kunststoffe
2.8.3 Mechanische Dämpfung
2.9 Umgebungsbedingte Spannungsrissbildung (ESC)
2.9.1 Spannungsrissbildung (ESC) im Zusammenhang mit der Kunststoffvorauswahl
2.9.2 Phänomen
2.9.3 Rissbildungsarten
2.9.4 Umgebungsbedingungen
2.9.5 Medienaktivität bei Thermoplasten
2.9.6 Richtwertbereiche kritischer Dehnungen aus Prüfungen in Luftumgebung
2.10 Dehnbarkeit und Schlagzähigkeit
2.10.1 Einleitung
2.10.2 Dehnbarkeit
2.10.3 Schlagzähigkeit
2.11 Reibung und Verschleiß
2.11.1 Einleitung
2.11.2 Gleitreibungskoeffizient (m)
2.11.3 Verschleiß
2.12 Lichtdurchlässigkeit (Transparenz)
2.13 Brennbarkeit und Verbrennungsenthalpie
2.13.1 Einleitung
2.13.2 Brennbarkeit
2.13.3 Verbrennungsenthalpie (unterer Heizwert)
2.14 Elektrisches Isoliervermögen und elektrostatische Aufladbarkeit
2.15 Dielektrische Verluste und Kriechstromfestigkeit
2.15.1 Dielektrische Verluste
2.15.2 Kriechstromfestigkeit
2.16 Wärmeleitung
2.16.1 Einleitung
2.16.2 Bereiche und Vergleichswerte von Wärmeleitzahlkennwerten bei 23?°C
2.16.3 Auswahlaspekte
2.16.4 Berechnung der Wärmeleitkennzahlen von Kunststoffen mit festen Zusatzstoffen
2.16.5 Wärmeübertragung bei Kontakt von Feststoffschichten
2.17 Maßhaltigkeit von Kunststoff-Formteilen
2.17.1 Einleitung
2.17.2 Verarbeitungsschwindung (VS) von Kunststoff-Formmassen
2.17.3 Toleranzgruppen (TG) als Bewertungsmaßstab der Fertigungsgenauigkeit nach DIN 16742 und DIN ISO 20457
2.17.4 Anwendungsbedingte Maßänderungen
2.18 Klimadaten für technische Anwendungen
2.18.1 Einleitung
2.18.2 Klimabegriffe und Klimagrößen
2.18.3 Klimadaten für Freiluftklimamodelle
2.18.4 Klimadaten für Raumklimamodelle
2.18.5 Kennzeichnung der Freiluftklimagebiete der Erde
2.18.6 Bestimmung der klimaabhängigen Wassersättigungskonzentration für Kunststoffe und andere Werkstoffe
2.19 Demonstrationsbeispiel zur Kunststoffvorauswahl
3 Überschlägige Bestimmung deformationsmechanischer Kennwerte von Kunststoffen
3.1 Einführung
3.2 Abschätzmethoden
3.2.1 Basisdaten aus Normprüfung kohärenter Kompaktstoffe
3.2.2 Zeitverlaufsarten (ZVA)
3.2.3 Reduktionsfaktoren (F)
3.2.4 Linearitätsfaktoren, Deformationskennwerte, zulässige Spannungen
3.2.5 Gewaltbruchsicherheit
3.3 Ausgewählte Stützkernstoffe für Verbundkonstruktionen
3.3.1 Einleitung
3.3.2 Homogene Polyurethanhartschaumstoffe (PUR-HS)
3.3.3 Papierwabenstoffe
3.4 Strukturschaumstoffe (Integralschaumstoffe)
3.4.1 Einleitung
3.4.2 Bestimmung des Ersatzursprungsmodul ER0 für flächige Strukturschaumstoffbauteile
3.5 Bestimmung des wirtschaftlichen Fasergehalts mechanisch beanspruchter Verbundkunststoffe (Composite)
4 Nachweis der Knick-, Kipp- und Beulstabilität für Leichtbaukonstruktionen
4.1 Berechnungsgrundlagen
4.1.1 Einleitung
4.1.2 Basisgleichungen für die Stabilitätsnachweise
4.2 Biegedrillknicken von geraden Stäben und Trägern
4.2.1 Einleitung
4.2.2 Einspannfälle und Einspannwerte für das Biegeknicken
4.2.3 Querschnittskennwerte
4.2.4 Stabknicken durch mittige und richtungstreue Axialdruckkräfte
4.2.5 Kippen biegebeanspruchter Träger
4.2.6 Berechnungsparameter für Kippbeanspruchung
4.2.7 Scheitelknicken biegebeanspruchter Träger mit Hohlzylinderquerschnitt
4.2.8 Örtliches Beulen von Stäben (Profilen) mit Querschnitten aus dünnwandigen Scheiben bei Axialdruckbelastung
4.2.9 Berechnungsbeispiel zum örtlichen Scheibenbeulen
4.3 Beulen von Platten und Plattenstreifen
4.3.1 Einleitung
4.3.2 Beulen von Rechteckplatten durch einachsige Druckbeanspruchung
4.3.3 Beulen isotroper Platten durch konstante Randdruckspannungen
4.3.4 Beulen von Rechteckplatten durch konstante Randschubspannungen
4.4 Beulen oder Knicken dünnwandiger Schalen
4.4.1 Einleitung
4.4.2 Beulen oder Drillknicken dünnwandiger Hohlzylinder durch Torsionsbeanspruchung
4.4.3 Beulen oder Knicken dünnwandiger Hohlzylinder durch Axialdruckbeanspruchung und/oder Biegebeanspruchung
4.4.4 Beulen dünnwandiger Hohlzylinder durch Radialdruckbeanspruchung (Manteldruck)
4.4.5 Beulen oder Knicken dünnwandiger Hohlzylinder durch kombinierte Beanspruchung
4.4.6 Beulen und Knicken von Kegelschalen
4.4.7 Beulen offener Zylinderschalen durch Axialdruckbeanspruchung
4.4.8 Beulen dünnwandiger Hohlzylinder durch Radialdruckbeanspruchung bei elastischer Außenbettung
4.4.9 Beulen ringversteifter Hohlzylinder durch Radialdruckbeanspruchung (Manteldruck)
4.4.10 Beulen von Hohlzylindern mit profilierten und/oder mehrschichtigen Wänden durch Radialdruckbeanspruchung (Manteldruck) bei bekannter Ringsteifigkeit
4.4.11 Beulen dünnwandiger und isotroper Kugelschalen durch radiale Druckbeanspruchung
4.5 Stabilitätsnachweise für Stützkernverbundbauteile (Sandwichkonstruktionen)
4.5.1 Einleitung und Voraussetzungen
4.5.2 Örtliches Beulen bei Stützkernverbundbauteilen
4.6 Berechnungsbeispiele
5 Bestimmung von Wärmeübergangszahlen für Wärmeübertragungsvorgänge der Polymerverarbeitung
5.1 Problemabgrenzung und Zielbestimmung
5.2 Stoffkennwerte für die Wärmeübergangsrechnung
5.2.1 Stoffdaten für Wärmeträgermedien
5.2.2 Emissionsgrade wärmeabstrahlender Körperoberflächen (Graustrahler)
5.3 Thermische und rheologische Randbedingungen der Wärmeübergangsrechnung
5.4 Ähnlichkeitskennzahlen des konvektiven Wärmeübergangs
5.5 Wärmeübergangszahlen für durchströmte Kanäle
5.5.1 Kanalgrundformen
5.5.2 Bestimmungsgrößen der Kanäle
5.5.3 Nußeltgleichungen
5.5.4 Querschnittsabhängige Kennwerte und Thermikfaktoren
5.5.5 Oberflächenzustand und Sandrauigkeitskennwerte der Kanäle
5.6 Wärmeübergangszahlen für Einzelkörper in isothermer Umgebung
5.6.1 Umgebungsmodell und Berechnungskonzept
5.6.2 Wärmeübergangszahlen durch freie und erzwungene Konvektion
5.6.3 Wärmeübergangszahlen durch Wärmeleitung in das Konvektionsmedium
5.6.4 Äquivalente Wärmeübergangszahlen durch Wärmestrahlung
5.7 Wärmeübergangszahlen für Filmkondensation von Wasserdampf
5.8 Wärmeübergangszahlen für geschlossene Spaltquerschnitte mit Fluidfüllung
5.9 Äquivalente Wärmeübergangszahlen durch Rippenwirkung von Aufspannplatten
5.10 Anwendungsbeispiele
6 Ausgewählte rheologische Grundlagen für Thermoplastschmelzen
6.1 Scherströmung und Stoffansätze
6.1.1 Einleitung
6.1.2 Rheologische Stoffansätze für stationäres Scherfließen strukturviskoser Fluide ohne Fließgrenze
6.1.3 Abnahme der Viskosität und Vergrößerung der entropieelastischen Rückverformungskräfte durch strömungsbedingte Molekülorientierung
6.2 Rheologische Bestimmungsgrößen und Strömungsverlaufsformen
6.2.1 Druckströmung in beheizten Kanälen (z.?B. Extrusion)
6.2.2 Scherströmung mit Randschichterstarrung (z.?B. Spritzgießen)
6.2.3 "Strömungslegenden" bei volumetrischer Werkzeugfüllung durch Quellströmung
6.2.4 Überlagerung von Scher- und Dehnströmungen beim Spritzgießen
6.3 Bestimmung der rheologisch repräsentativen Fluidtemperatur bei Druckströmungen
6.3.1 Aufgabenstellung und Berechnungsmodell
6.3.2 Strömungstemperaturfeld ohne Randschichterstarrung
7 Grundlagen des werkstofflichen Recycling von Kunststoffen
7.1 Entsorgungsmethoden und Stoffkreisläufe
7.1.1 Entsorgungsmethoden
7.1.2 Stoffkreisläufe der Kunststoffverarbeitung und -anwendung
7.1.3 Verarbeitungskreislaufmodell für die Ermittlung zulässiger Rezyclatanteile
7.1.4 Ausgewählte Veröffentlichungen zum Thema
7.2 Werkstoffliche Voraussetzungen für Kunststoffrecycling und Regeln für das recyclingorientierte Entwickeln von Kunststoffteilen
7.2.1 Eigenschaftsänderung der Kunststoffe bei Verarbeitung und Anwendung
7.2.2 Regeln und Richtlinien für das recyclingorientierte Entwickeln von Kunststoffteilen
7.3 Wiederverarbeitungsstrategien für Thermoplastrezyclat in geschlossenen Verarbeitungskreisläufen
7.3.1 Minimalstrategie: Kein Rezyclatzusatz bzw. nur geringe Rezyclatanteile zum Originalmaterial
7.3.2 Blendstrategie: Eigenschaftsoptimierte Mischung aus Rezyclat und Originalmaterial
7.3.3 Maximalstrategie: Kein Originalmaterialzusatz zum Rezyclat
7.4 Mathematische Modellierung der Verarbeitungskreisläufe
7.4.1 Materialzusammensetzung der Fertigteile in Verarbeitungskreisläufen (Beispiel)
7.4.2 Eigenschaftsaddition
7.5 Demonstrationsbeispiele
8 Orientierende Wirtschaftlichkeitsvergleiche für Fertigungsvarianten von Spritzgieß- u. Pressteilen
8.1 Einführung
8.1.1 Zielstellung
8.1.2 Voraussetzungen und Handhabung
8.2 Bestimmung von Basisdaten für Fertigungsvarianten
8.2.1 Verfahrenszuordnung und Fertigungsstückzahlen
8.2.2 Verfügbare Maschinenlaufzeit und Ausschussabschätzung
8.2.3 Arbeitsplatzstruktur, Maschinenbelegung und Maschinenbedienung
8.3 Abschätzung der Verschleißstandzahl für Spritzgieß- und Presswerkzeuge
8.3.1 Einleitung
8.3.2 Abschätzkonzept für die Verschleißstandzahl
8.3.3 Kompliziertheit des Werkzeugaufbaus (a1)
8.3.4 Mechanische Werkzeugbeanspruchung (a2)
8.3.5 Verschleißwiderstand der Werkzeugkonturteile (a3)
8.3.6 Konturoberflächenbeschaffenheit (a4)
8.3.7 Fertigungstoleranzforderungen (a5)
8.3.8 Abrasionsverschleiß durch Polymerschmelzen (a6)
8.4 Überschlägige Berechnung von Maschinenstundensätzen für Spritzgießmaschinen und Pressen
8.4.1 Einleitung
8.4.2 Maschinenteilkostensatz
8.4.3 Raumnutzungsteilkostensatz
8.4.4 Energieteilkostensatz
8.5 Kalkulation der Vergleichsstückkosten
8.5.1 Berechnungskonzept
8.5.2 Materialkosten (K'M)
8.5.3 Fertigungskosten (K'F)
8.5.4 Werkzeugkosten (K'W)
8.5.5 Ausschuss- und Qualitätssicherungskosten
8.6 Bestimmung optimaler Werkzeugfachzahlen, des Werkzeugbedarfs und der Maschinenbelegungszeit
8.6.1 Einleitung
8.6.2 Berechnung der optimalen Fachzahl
8.6.3 Werkzeugbedarf und Maschinenbelegungszeit
8.7 Bestimmung gewinnoptimaler Losgrößen
8.8 Strukturierung zeitlicher Fertigungsabläufe in der kunststoffverarbeitenden Industrie (kvI)
8.9 Demonstrationsbeispiel
9 Bestimmung der Zykluszeit für das Thermoplastspritzgießen
9.1 Einführung
9.2 Polymer- und Zusatzstoffdatei
9.3 Stoffdaten der Formmassen und Werkzeugkonturwerkstoffe
9.4 Spritzlinggeometrie
9.5 Auswahl der Verarbeitungsparameter nach Qualitätsanforderungen und rheologischen Bedingungen
9.5.1 Werkzeugtemperierung
9.5.2 Massetemperatur (?M) und Einspritzdruck (pS)
9.5.3 Entformungstemperatur
9.5.4 Festlegung der Werkzeugkonturtemperatur bei Einspritzbeginn (?W)
9.5.5 Mehrkomponentenspritzgießen
9.6 Kühlzeitberechnungsgleichungen
9.7 Zykluszeitberechnung
9.8 Berechnungsbeispiele
10 Berechnung von Kunststoffstirnradgetrieben
10.1 Berechnungsgegenstand
10.2 Werkstoffdaten
10.2.1 Basisdaten für Kunststoffe und Metalle
10.2.2 Maximal zulässige Zahnflankentemperatur (?Fmax)
10.2.3 Bestimmung des Reibungskoeffizienten (µ)
10.2.4 Steifigkeits- und Festigkeitsdaten für Kunststoffe (EK, ?K, sFP, sHP)
10.3 Zahnradberechnung
10.3.1 Geometrie- und Betriebsdaten
10.3.2 Zahnradspannungen und -verformungen sowie thermische Funktionsparameter einschließlich Sicherheitsnachweise
10.4 Berechnungsbeispiele
11 Berechnung und Gestaltung von Schnappverbindungen
11.1 Verbindungsprinzip und Verbindungsarten
11.2 Konstruktionshinweise
11.3 Rastelemente und Werkstoffdaten
11.3.1 Geometrie und Reibkraftübersetzung von Rastelementen
11.3.2 Reibungskoeffizient, Deformationsmechanik, Festigkeitsnachweis
11.4 Funktionsnachweis für Torsionsschnappverbindungen
11.4.1 Berechnungskonzept
11.4.2 Torsionsfederquerschnittskennwerte
11.4.3 Geometrisches Modell und Belastungsschema
11.4.4 Festigkeitsnachweis und Betriebskraftberechnung
11.5 Funktionsnachweise für Biegeschnappverbindungen einschließlich segmentierter Zylinderschnappverbindungen
11.5.1 Berechnungskonzept
11.5.2 Flächenträgheitsmomente, Querschnittsflächen und Randfaserabstände typischer Biegefederquerschnitte
11.5.3 Funktionsnachweis für gerade Biegefedern (Kragträger)
11.5.4 Funktionsnachweis für gekrümmte Biegefedern (Bogenträger)
11.6 Funktionsnachweise für geschlitzte Zylinderschnappverbindungen
11.6.1 Berechnungskonzept
11.6.2 Geometrisches Modell und Belastungsschema
11.6.3 Festigkeitskontrolle am Innenrand (Einspannstelle in Abbildung: - - -)
11.6.4 Füge- und Lösekraft
11.7 Funktionsnachweise für geschlossene Zylinderschnappverbindungen
11.7.1 Berechnungskonzept
11.7.2 Geometrisches Modell und Belastungsschema
11.7.3 Deformationsmechanische Werkstoffkennwerte
11.7.4 Festigkeitsnachweise
11.7.5 Füge- und Lösekraftberechnung
11.7.6 Stabilitätsnachweis für den Fügevorgang geschlossener Zylinderschnappverbindungen
11.8 Funktionsnachweise für geschlossene Kugelschnappverbindungen
11.8.1 Berechnungskonzept
11.8.2 Geometrisches Modell und Belastungsschema
11.8.3 Festigkeitskontrolle für Einführungszone sowie Füge- und Lösekraftberechnung
11.9 Gestaltungsbeispiele
11.9.1 Entformung von funktionsbedingten Hinterschneidungen
11.9.2 Verringerung der Hakenbeanspruchung und vereinfachte Montagemöglichkeiten durch Mehrfachhaken
11.9.3 Schnapphakengestaltung zur Reduzierung von Füge- und Lösekräften und zur Vermeidung unzulässiger Scherdeformationen
11.9.4 Werkzeugtechnisch günstige Gestaltung von Schnappverbindungen
11.9.5 Clip-Variationen
11.9.6 Geschlossene Zylinderschnappverbindungen (Ringschnappverbindungen) für große Lösekräfte
11.9.7 Verformungsbegrenzung und Sicherung von Schnappverbindungen
11.9.8 Schnappverbindungen als Verschlusselemente
11.9.9 Gestaltung von Kugelschnappverbindungen
11.9.10 Funktionskombinationen für Schnappverbindungen
11.9.11 Bildquellen
11.10 Berechnungsbeispiele
12 Berechnung von biegebeanspruchten Platten und Plattenstreifen
12.1 Einführung
12.1.1 Aufgabenstellung
12.1.2 Werkstoffdaten
12.2 Membranplattenberechnung
12.2.1 Kreismembranplatten mit gleichverteilter Druckbeanspruchung
12.2.2 Rechteckmembranplatten mit gleichverteilter Druckbeanspruchung und gleicher Randeinspannung am Umfang
12.3 Gestaltung und Berechnung versteifter Plattenstreifen und gerader Träger
12.3.1 Rippengestaltung und Bemessungsrichtwerte für Formteile
12.3.2 Zielstellung und Anwendungsbereiche für Plattenstreifen
12.4 Berechnung von biegesteifen Verbundplattenstreifen
12.4.1 Einleitung und Voraussetzungen
12.4.2 Berechnungsgleichungen für biegebeanspruchte Verbundplattenstreifen
12.5 Berechnungsdaten für ausgewählte Biegelastfälle
12.5.1 Maximales Biegemoment (Mbmax) und maximale Querkraft (Qmax) sowie Konstanten g und z für ausgewählte Biegelastfälle gerader Träger und Plattenstreifen
12.5.2 Gleichförmig gekrümmter Haken mit Kreisquerschnitt unter Zugbelastung
12.6 Berechnungsbeispiele
13 Berechnung und Gestaltung zylindrischer Pressverbindungen
13.1 Einführung
13.1.1 Verbindungsprinzip und Fügebedingungen
13.1.2 Haftreibungskoeffizient und Werkstoffdaten
13.1.3 Toleranzdaten und Belastungsgrößen
13.2 Bestimmung von Fugenpressung und Übermaß
13.2.1 Passungssysteme nach DIN EN ISO 286 und Näherungswerte für Pressfugendurchmesser
13.2.2 Bestimmung der Fugenpressung
13.2.3 Anwendungsbedingte Maßverschiebungen und Maßstreuungen der Passteile
13.2.4 Bestimmung und Tolerierung der Fügedurchmesser durch Passungsberechnung nach DIN EN ISO 286 (2010)
13.3 Einpresskräfte und Stabilitätsnachweise
13.3.1 Einpresskräfte (FE)
13.3.2 Beulstabilitätsnachweise
13.4 Berechnungsbeispiel
Index

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