Grundlagen des Spritzgussdesigns: Snap

Michael Paloian | 15. November 2019

Einer der größten Nachteile von Kunststoffmaterialien ist ihre Flexibilität und relativ geringe Steifigkeit. Einer der größten Vorteile von Kunststoffmaterialien ist ihre Flexibilität und geringe Steifigkeit. Welche dieser Aussagen wahr ist, hängt davon ab, wie Sie als Designer die inhärenten Eigenschaften von Kunststoffmaterialien optimieren. Ich persönlich bevorzuge die letztere Aussage, insbesondere wenn ich Produkte entwerfe, die ästhetisch ansprechend sind und sich mit minimalem Hardwareaufwand leicht zusammenbauen lassen.

Früher mussten für alle Produkte Hunderte von Schrauben montiert werden, was einen hohen Arbeits- und Teileaufwand erforderte. Die Ästhetik des endgültigen Entwurfs wurde oft durch zahlreiche freiliegende Schrauben und Befestigungselemente beeinträchtigt. Heutige Industriedesigner möchten nicht, dass freiliegende Verbindungselemente die Ästhetik ihrer Produktdesigns beeinträchtigen, und Fertigungsingenieure stehen unter dem Druck, qualitativ hochwertige Produkte effizienter herzustellen. Die Lösung für dieses scheinbare Paradoxon ist die Verwendung von Schnappverbindungen als Mittel zur Montage von Teilen, das sich ideal für Kunststoffmaterialien eignet. Der Rest dieses Artikels ist der Erörterung aller Überlegungen gewidmet, die mit der richtigen Gestaltung von Schnappverbindungen verbunden sind.

Bevor ich die Arten von Schnappverschlüssen und die damit verbundenen Designparameter bespreche, möchte ich mich auf einige grundlegende Funktionsanforderungen für Schnappverschlüsse konzentrieren, die unten aufgeführt sind.

Obwohl es drei grundlegende Arten von Schnappverschlüssen gibt – Ring-, Ausleger- und Torsionsverschlüsse –, gelten für alle die oben aufgeführten Designaspekte.

Ringförmiger Schnappverschluss

Das charakteristische Merkmal eines ringförmigen Schnappverschlusses ist die Befestigung des hervorstehenden Verriegelungselements an einer angrenzenden Wand oder Kante, die sich verformen muss, damit der Verriegelungsvorsprung über das passende Verriegelungselement einschnappen kann. Meiner Meinung nach sind diese Schnappverschlüsse am schwierigsten zu entwerfen, zu prototypisieren und zu optimieren, da die Kräfte, die zum Verformen und Zusammenschnappen zweier Teile wirken, sehr schwer zu berechnen oder vorherzusagen sind. Ringförmige Schnappverschlüsse sind häufig in aufsteckbaren Flaschenverschlüssen, Stiftkappen, Kunststoffbehältern und Gehäusen für preisgünstige Unterhaltungselektronik zu finden. Die Leistung eines ringförmigen Schnappverschlusses hängt stark von den Materialien beider zusammenpassender Teile, den Wandstärken und dem Ausmaß des Übermaßes ab. Weitere wichtige Aspekte sind Teilegröße und -geometrie, Formtoleranzen, Ebenheit und Position auf einer Oberfläche.

Drehschnappverschluss

Torsionsschnappverschlüsse eignen sich ideal für alle Anwendungen, die eine radiale Verriegelung erfordern, wie z. B. ein Ratschenverschluss, ein Flaschenverschluss-Sicherheitsverschluss mit Gewinde oder ein Push-Release-Verschluss. Die Konstruktion eines Torsions-Schnappverschlusses ist viel weniger kompliziert vorherzusagen als der eines Ringverschlusses, aber schwieriger als ein einfacher Cantilever-Schnappverschluss. Der beanspruchte Torsionsteil des Schlosses muss so ausgelegt sein, dass er sich innerhalb der elastischen Arbeitsspannung des Materials biegt und gleichzeitig genügend Kräfte induziert, um die gewünschte Funktion zu erfüllen. Der Fingerdruck zum Ein- und Ausrasten des Schnappverschlusses sollte für den Durchschnittsmenschen ebenfalls angenehm sein. Diese Drücke sind eine Funktion der Oberfläche des Entriegelungsknopfes und der Kraft, die zum Auslenken des Schnappverschlusses erforderlich ist. Darüber hinaus muss der Druckknopf auf einfache Formbarkeit, Toleranzen, Materialeigenschaften und Produktlebensdauer ausgelegt sein.

Freitragender Schnappverschluss

Cantilever-Schnappschlösser sind die am häufigsten spezifizierten Schnappschlösser und am einfachsten zu konstruieren. Sie basieren auf einem einfachen Balken, der abhängig von der Höhe des Karabinerhakens um einen bestimmten Betrag ausgelenkt werden soll. Das Karabinerhakenprofil ist typischerweise als Profil eines rechtwinkligen Dreiecks mit einer sich verjüngenden Vorderkante, eines gleichseitigen Dreiecks oder einer halbrunden Konfiguration gestaltet. Ein rechtwinkliges Profil bietet eine sehr sichere Verriegelung, die unter normalen Bedingungen nur durch manuelles Lösen des Schnappverschlusses demontiert werden kann. Die gleichseitigen und halbrunden Profile ermöglichen das Auf- und Abklipsen zweier Teile durch einfaches Zusammendrücken oder Auseinanderziehen. Wir werden die Designüberlegungen im Zusammenhang mit jeder dieser Snap-Optionen anhand der vorherigen Parameterliste untersuchen.

Biegen Sie innerhalb der Festigkeitsgrenzen des Kunststoffs

Alle Schnappverschlüsse basieren auf den gleichen Prinzipien der zeitlichen Verformung von Materialien mit ineinandergreifenden Merkmalen wie Haken und passenden Arretierungen, die ineinandergreifen können, indem sie in ihren ursprünglichen, unbelasteten Zustand zurückkehren. Alle Schnappverschlüsse müssen so konstruiert sein, dass Materialdurchbiegungen innerhalb der Festigkeitsgrenzen der Zugfestigkeit eines Materials begrenzt werden, um dauerhafte Verformungen zu vermeiden. Schnappverschlüsse, die für den einmaligen Gebrauch oder weniger als fünf wiederholte Biegungen ausgelegt sind, können mit Belastungen bis zur Elastizitätsgrenze des Materials konstruiert werden. Die induzierten Spannungen in Schnappverschlüssen, die für den wiederholten Gebrauch vorgesehen sind, sollten jedoch die maximale Arbeitsspannung des Materials nicht überschreiten, die typischerweise etwa 50 % seiner Elastizitätsgrenze beträgt. Außerdem ist zu beachten, dass die mechanischen Eigenschaften von Kunststoffen stark mit der Temperatur variieren. Daher sollten die Elastizitätsgrenze und die maximal zulässige konstante Arbeitsspannung auf den thermischen Bedingungen basieren.

Berechnungen zur Bestimmung der Kraft, die zum Biegen eines Schnappelements erforderlich ist, basieren auf den folgenden Parametern:

Die Kräfte, Spannungen und maximal zulässigen Durchbiegungen für die drei Arten von Schnappschüssen können auf der Grundlage von Gleichungen geschätzt oder mithilfe der Finite-Elemente-Analyse (FEA) genauer bestimmt werden. Die Komplexität der Berechnungen hängt von der Teilegeometrie, den Annahmen, den Materialien und der Art des Schnappverschlusses ab.

Ringförmiger Schnappverschluss

Ringschnappberechnungen basieren häufig auf der Annahme, dass sich nur ein Material biegt, während das andere fixiert ist. Wenn angenommen wird, dass sich beide Teile biegen, reduzieren sich die Durchbiegungen um 50 %, was davon ausgeht, dass beide Materialien identisch sind und die gleiche Wandstärke haben. Auch Reibung wird ignoriert. Die gebräuchlichste Formel für einen ringförmigen Schnappverschluss ist auf zylindrische Formen beschränkt, wobei ein Element als fester Teil dargestellt wird, der in einen anderen flexiblen Teil gedrückt wird. Die Berechnung der Dehnung ist relativ einfach, wie unten gezeigt:

Die Dehnung muss unter dem maximal zulässigen Wert innerhalb der linearen Spannungs-Dehnungs-Kurve des Materials bei einer bestimmten Arbeitstemperatur bleiben. Allerdings sind die Berechnungen der Steckkraft etwas komplizierter, da sie einen geometrischen Faktor X erfordern, der die geometrische Steifigkeit der beiden zusammenpassenden Teile darstellt. Die grundlegende Einsteckkraft wird anhand der folgenden Gleichung berechnet:

F=y•d•ES•X

Alle oben genannten Variablen sind einfach zu definieren, mit Ausnahme von X, dem geometrischen Faktor, der geometriespezifisch ist. Die folgende Formel wird verwendet, um X für die Ringgeometrie einer starren Welle und eines flexiblen Außenrings zu berechnen. Es wurde als Referenz bereitgestellt.

Wenn das Außenrohr starr und der Innenschaft elastisch ist, ist die Formel mit der oben genannten identisch, mit der Ausnahme, dass v, die Poissonzahl, einen negativen Wert gegenüber einem Plus hat, wie oben gezeigt.

Diese Berechnungen reichen für einfache zylindrische Formen aus, sind jedoch nicht auf komplexere Formen wie Elektronikgehäuse, Lebensmittelbehälter, Spielzeug und Hunderte mehr anwendbar. In diesen Fällen muss die FEA verwendet werden, um die Einsteckkräfte, zulässigen Durchbiegungen und die maximale Haltekraft genau vorherzusagen.

Nachfolgend ist ein FEA-Beispiel für einen ringförmigen Schnappverschluss dargestellt, der auf einen kleinen Spritzgusskasten angewendet wird:

Das Detail des 0,03-Zoll. Die Schnappfunktion ist in den FEA-Bildern oben dargestellt. Die Box links besteht aus Polycarbonat, die rechte aus Polyethylen. Die Verzerrung in diesen Bildern wurde stark übertrieben, um die Art der Verformung zu veranschaulichen, die beim Biegen des Schnappverschlusses auftritt. Die maximalen Spannungen in jeder Analyse unterscheiden sich aufgrund des viel höheren Moduls von Polycarbonat um 100 %. In beiden Fällen ist der 0,03-Zoll. Der Hinterschnitt erweist sich als zu groß und führt zu Spannungen, die weit über die Elastizitätsgrenzen beider Materialien hinausgehen. Solche Berechnungen wären ohne die Hilfe der FEA viel zu zeitaufwändig und kompliziert.

Torsionsschnapp

Torsionsschnappfunktionen eignen sich ideal für Anwendungen, die eine wiederholte Montage und Demontage erfordern, wie z. B. ein Druckknopf-Schnellverschluss, der zwei Abdeckungen oder Teile miteinander verbindet. Es basiert auf dem einfachen Prinzip eines verdrehten Balkens, wie in der Abbildung unten dargestellt. Der Verdrehungswinkel, die Länge des Balkens und der Modul des Materials wirken sich auf die Torsion des Schnappverschlusses aus. Für den Torsionsschnappverschluss gelten die gleichen Parameter wie für Schnappverschlüsse. Die maximale Verdrehung wird durch die maximal zulässige Scherspannung innerhalb der Elastizitätsgrenze des Materials begrenzt, wie unten gezeigt:

Der Verdrehwinkel für die Torsionsverriegelung basierend auf der aufgebrachten Kraft (F) ist unten dargestellt:

Diese Gleichungen sind in Roarks Formeln für Spannung und Dehnung enthalten, die normalerweise in den meisten Bibliotheken von Maschinenbauingenieuren zu finden sind. Es ist zu beachten, dass diese Berechnungen auf Materialien mit einer linearen Spannungs-Dehnungs-Kurve basieren, die in den Elastizitätsgrenzen technischer Materialien liegt. Die meisten Standardkunststoffe wie Polypropylen, Polyethylen oder hochelastische Materialien weisen in ihren Spannungs-Dehnungs-Kurven keinen linearen Bereich auf, in dem diese Gleichungen ihr Verhalten nicht genau vorhersagen können. In solchen Fällen muss eine nichtlineare FEA-Analyse verwendet werden.

Cantilever-Druckknöpfe

Cantilever-Schnappverschlüsse sind bei weitem die am häufigsten verwendeten Schnappverschlüsse, da sie für die meisten Anwendungen am besten geeignet sind. Sie sind außerdem am einfachsten zu entwerfen, zu formen und vorherzusagen. Es gibt verschiedene freitragende Schnappkonstruktionen, die alle auf dem gleichen Prinzip eines einfachen Balkens basieren. Die zuvor für die anderen Schnappverbindungen genannten Parameter gelten auch für freitragende Balken-Schnellverbindungen. Die Grundformel für einen einfachen Ablenkbalken, die in Roarks Buch bereitgestellt wird, ist unten dargestellt:

Da sich die Auslenkungen von Cantilever-Schnappschüssen auch auf eine Biegung innerhalb der Elastizitätsgrenze eines Materials beschränken sollten, sollten die induzierten Spannungen bei einmaliger Verwendung auf die maximale Elastizitätsgrenze des Materials eingestellt oder bei wiederholter Verwendung, bei der es zu Ermüdungserscheinungen kommen könnte, auf 50 % dieses Wertes begrenzt werden Vorzeitiges Versagen. Die Bestimmung der induzierten Spannung an der Basis des Schnappers kann wie folgt berechnet werden:

Oder die maximal zulässige Durchbiegung innerhalb der Elastizitätsgrenze des Materials kann wie folgt berechnet werden, indem die Kraft F durch die äquivalente maximale Spannung ersetzt wird:

Beispiele für I (Flächenträgheitsmoment) sind unten aufgeführt:

Es ist zu beachten, dass die neutrale Achse c nur dann der Hälfte der Wandstärke des Schnappbalkens entspricht, wenn die Querschnittsgeometrie des Balkens dazu symmetrisch ist. Da die Schnappträger zur Erhöhung der Steifigkeit einen T- oder U-Trägerquerschnitt haben können, muss die neutrale Achse anhand der unten angegebenen Formeln für den jeweiligen Querschnitt berechnet werden.

Beispiele für Schnappkonstruktionen mit diesen verschiedenen Querschnitten sind unten aufgeführt.

Es ist zu beachten, dass diese Berechnungen auf folgenden Annahmen basieren:

Diese Berechnungen sollten daher als geschätzte Werte betrachtet werden. Genauere Vorhersagen können mit FEA-Programmen berechnet werden, die in viele CAD-Programme integriert sind. Obwohl die Berechnung des Flächenträgheitsmoments für einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt einfach ist, kann sie für andere Querschnitte recht zeitaufwändig sein, wie aus den komplexeren Gleichungen hervorgeht. Sie können das Flächenträgheitsmoment für jeden Querschnitt bestimmen, indem Sie einfach die Flächeneigenschaften in Ihrem 3D-CAD-Programm messen. Ich glaube, dass alle 3D-CAD-Programme diese Funktion bieten, mit der das Flächenträgheitsmoment für andere als die in diesem Artikel behandelten Formen genau berechnet werden kann.

Ein Beispiel einer FEA-Analyse eines einfachen freitragenden Schnappverschlusses ist unten dargestellt. Die Analyse basierte auf folgenden Werten:

Die maximale Von-Mises-Spannung beträgt 2423 psi an der Basis. Mit dieser Gleichung

Wir können auch die Spannungen berechnen und die Ergebnisse mit der FEA-Studie vergleichen.

Wie bereits erwähnt, sollten Kunststoff-Schnappschlösser so konstruiert sein, dass sie mehreren zu Beginn dieses Artikels aufgeführten Überlegungen entsprechen. Wir haben die strukturellen Überlegungen behandelt; Jetzt werden wir einige andere Anforderungen überprüfen.

Da alle Schnappverbindungen auf der Durchbiegung und dem Ineinandergreifen zweier Teile basieren, ist es wichtig zu bedenken, dass die beim Zusammenbau angewendeten Kraftvektoren auch für die Demontage verantwortlich sind. Wenn ein Schnappverschluss erforderlich ist, um zwei Teile sicher miteinander zu verbinden, sollten Sie die sechs Freiheitsgrade zwischen den beiden Teilen auf nur einen beschränken, der zum Lösen des Schnappverschlusses erforderlich ist. Diese einfache, aber oft übersehene Überlegung verhindert, dass zwei Teile bei einem Falltest oder anderen Stressbedingungen auseinanderspringen. Die folgende Abbildung verdeutlicht diesen Punkt noch deutlicher.

Das Design in Abbildung 6 zeigt ein Beispiel einer Schnappbaugruppe, die leicht auseinanderspringen kann, da die blaue Abdeckung nur in der +/- Z-Achse durch den Schnappverschluss und den Boden des Gegenstücks gehalten wird. Obwohl die beiden Teile miteinander verbunden sind, kann der blaue Teil sowohl in der X- als auch in der Y-Achse verschoben werden, was zu einer Belastung des Schnappverschlusses führt, die so weit ausgelenkt werden kann, dass sich die untere Abdeckung löst. Umgekehrt umfasst die Baugruppe in Abbildung 7 eine innere Lippe, die ein Verrutschen der blauen Abdeckung in X- oder Y-Richtung verhindert. Die einzigen Belastungen, die auf die Druckknöpfe übertragen werden können, beschränken sich jetzt auf Zug- und Torsionsbelastungen, wodurch eine deutlich sicherere Verriegelung gewährleistet wird.

Schnappverschlüsse werden häufig zum Zusammenbauen von Teilen für die wiederholte Montage und Demontage verwendet. Es ist eine gute Konstruktionspraxis, die Durchbiegung des Schnappverschlusses zu begrenzen und so zu verhindern, dass er überbeansprucht und dauerhaft verformt wird. Dies kann durch einfaches Anbringen einer Rippe oder Barriere hinter dem Druckknopf erreicht werden, wodurch dessen Durchbiegung innerhalb seiner Elastizitätsgrenze begrenzt wird.

Im Idealfall sollten Druckknöpfe so konstruiert sein, dass sie nach dem Einrasten in das Gegenstück in eine entspannte Position zurückkehren. Allerdings können Schnappverschlüsse in der eingerasteten Position unter konstanter Belastung bleiben, sofern die Belastung deutlich unter der maximalen Langzeitarbeitsgrenze des Materials liegt, die typischerweise 50 % der Elastizitätsgrenze beträgt. Wenn zwei Teile mit einem einfachen Push-Pull-Vorgang zusammengeschnappt und auseinandergezogen werden sollen, sollte das Hakenprofil als gleichschenkliges Dreiecksprofil und nicht als rechtwinkliges Profil ausgeführt sein. Das gleichschenklige Profil ermöglicht es dem Kraftvektor, den Schnappschuss gleichmäßig in beide Richtungen abzulenken. Wenn die Winkel auf beiden Seiten des Hakens nicht gleich sind, unterscheiden sich die Kräfte entsprechend.

Zwei der Herausforderungen beim Produktionsdesign, die bei der Konstruktion eines Schnappverschlusses berücksichtigt werden müssen, sind Toleranzen und Werkzeugdesign. Sichere Schnappverbindungen erfordern enge Passungen und eine konsistente Einhaltung der Toleranzen während der Produktion. Die Toleranzkontrolle ist abhängig von der Werkzeugqualität, der Produktionskontrolle und dem Material. Materialschrumpfungsraten wirken sich erheblich auf die Toleranzen aus. Typischerweise neigen ungefüllte amorphe Polymere dazu, isotrop zu schrumpfen und bessere Toleranzen aufrechtzuerhalten als teilkristalline Kunststoffe, die anisotrop schrumpfen. Die Glasfaserverstärkung beeinflusst auch die Schrumpfeigenschaften und die Toleranzkontrolle. Es empfiehlt sich, die Toleranzanforderungen mit Ihrem Form- und Werkzeugbauer zu besprechen, bevor Sie Dateien für den Werkzeugbau freigeben. Einige Spritzgießer verlangen, dass die CAD-Dateien angepasst werden, indem ein paar Tausendstel mehr Spiel hinzugefügt werden, das nach der Auswertung der ersten Muster leicht verkleinert werden kann. Diese Vorsichtsmaßnahme wird als „stahlsicher“ bezeichnet, was bedeutet, dass der überschüssige Stahl in der Form leicht entfernt werden kann und kein kostspieliger und zeitaufwändiger Schweiß- und Bearbeitungsprozess erforderlich ist.

Ebenso wichtig ist die zweite Produktionsüberlegung im Zusammenhang mit der Werkzeugkonstruktion. Schnappfunktionen können einem Teil so hinzugefügt werden, dass die Hakenfunktionen auf einer Zuglinie liegen oder eine Gleitbewegung in der Form erfordern. Im Idealfall sollten Druckknöpfe so gestaltet sein, dass die Hakenmerkmale in der Zuglinie bleiben und die Form einfach und zuverlässig bleibt. Wenn dies jedoch nicht möglich ist, müssen Sie überlegen, wie der Schieber betätigt wird, und sicherstellen, dass Ihr Design keine Merkmale aufweist, die die Bewegung des Schiebers verhindern würden. Die Druckknöpfe in der Ziehlinie müssen richtig geformt sein, damit sich der Kern und die Kavität richtig abgrenzen können, ohne dass die Formoberfläche beschädigt wird.

Ich hoffe, dass diese kurze Einführung in das Snap-Fit-Design für Spritzgussteile informativ und hilfreich für Sie war. Spritzguss bietet Designern unzählige Vorteile bei der Herstellung komplexer, hochfunktionaler Teile, die äußerst attraktiv, kostengünstig und zuverlässig sein können. Wenn Sie die Materialeigenschaften verstehen und die in diesem Artikel bereitgestellten Grundformeln auf Ihre fantasievollen Konzepte anwenden, können Sie Ihre Designs optimieren. Wenn Sie Fragen oder Kommentare haben oder mit mir Kontakt aufnehmen möchten, senden Sie mir bitte eine E-Mail an [email protected].

Über den Autor

Michael Paloian ist Präsident von Integrated Design Systems Inc. (IDS) mit Sitz in Oyster Bay, New York. Er hat einen Bachelor-Abschluss in Kunststofftechnik von der UMass Lowell und einen Master-Abschluss in Industriedesign von der Rhode Island School of Design. Paloian verfügt über umfassende Kenntnisse in der Konstruktion von Teilen in zahlreichen Prozessen und Materialien, darunter Kunststoffe, Metalle und Verbundwerkstoffe. Paloian hält mehr als 40 Patente und war ehemaliger Vorsitzender von SPE RMD und PD3. Er spricht häufig auf SPE-, SPI-, ARM-, MD&M- und IDSA-Konferenzen. Er hat außerdem Hunderte designbezogene Artikel für zahlreiche Publikationen geschrieben.

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