Rainer Dangel

Spritzgießwerkzeuge
für Einsteiger

2., aktualisierte Auflage

Zuerst möchte ich mich ganz herzlich bei meinen Lesern bedanken. Der große Erfolg zeigt, dass es richtig und wertvoll war dieses Werk zu erstellen. Auch das vielfältige Feedback war durchwegs positiv. Hierin liegt auch der Grund, dass die zweite Auflage jetzt in Farbe erschienen ist.

Natürlich wurde ich mehrfach gefragt, wie ein Werkzeugmacher auf die Idee kommen kann ein solches Buch zu schreiben. Woher nimmt er die Zeit und woher kommt das umfassende Wissen?

Die Motivation ein Buch zu schreiben kann vielfältig sein. Meine Motivation war es ein kleines Handbuch für den Vertrieb von Bearbeitungszentren für den Formenbau zu schreiben. Der Vertrieb sollte verstehen was der Formenbau ist, was er macht, welche Bauteile herzustellen sind und aus welchen Materialien die einzelnen Bauteile gefertigt werden. Dabei wollte ich zuerst auf bestehende Unterlagen und Publikationen zurückgreifen. Doch ich musste feststellen, dass es in diesem Niveau für Einsteiger oder Anfänger nichts Entsprechendes gab. Dann blieb nur übrig, etwas Eigenes zu erstellen.

Die Idee war das Buch für jeden verständlich zu machen. Dazu wurde immer dasselbe Kunststoffteil als Beispiel verwendet. Das Buch sollte so einfach wie möglich sein und sich auf das Wesentliche konzentrieren. Das beispielhaft verwendete Kunststoffteil konnte thematisch aufbauend verwendet werden, dadurch war der rote Faden durch das gesamte Buch gegeben. Nach der Veröffentlichung in der Firma für die Bearbeitungsmaschinen waren die Bücher nach wenigen Tagen vergriffen. Nicht nur der Vertrieb, sondern auch andere Interessenten versuchten eines zu ergattern.

Was lag dann näher, als aus diesem kleinen Buch ein großes Werk zu erstellen. Zumal es wie bereits erwähnt, nichts Vergleichbares auf dem Markt gab. Zuerst war es tatsächlich die Zeit, die das Projekt immer mehr in Verzug brachte. Eine lange schwere Krankheit brachte mir dann die Zeit und es war auch klar, dass ich diese Zeit nutzen musste. Über 2500 Stunden Arbeit und ca. 40 Konstruktionen, oder Erweiterungen von Konstruktionen, waren zu bewältigen. Inklusive der ganzen Korrekturen ersteckte sich dieses ganze Projekt über deutlich mehr als ein halbes Jahr. Entstanden ist dann das vorliegende Buch, das nach seinem erfolgreichen Verkauf jetzt in zweiter Auflage vorliegt.

40 Jahre im Formenbau, 23 Jahre davon als selbstständiger Unternehmer und jetzt als Berater bringen das nötige Wissen und die Erfahrung mit. Die Ausbildung an Maschinen mit Handrad, später Maschinen mit Digitalanzeige, dann NC-Technik und heute 5-Achs simultanes Programmieren und Fräsen. Bei der Konstruktion, der Weg vom Zeichnen am Reißbrett zum 3-D CAD. Der Wandel der Jahrzehnte war nicht nur in der Technologie der Herstellung der Spritzgießwerkzeuge vorhanden, sondern es musste auch der Wandel vom Handwerksbetrieb zum Industriebetrieb vollzogen werden. Die Kunden des Formenbauers sind heute fast ausschließlich Industriebetriebe. Zertifizierungen, Erstellen von Prozessen, Industrie 4.0 sind Schlagworte, die in den letzten Jahren den Formenbau beschäftigen.

Dies ist auch der Grund, warum das Kapitel der Prozesskette in diese zweite Auflage mit aufgenommen wurde. Es wurde zusätzlich noch technisch erweitert und leider haben sich in der ersten Version kleine Fehler eingeschlichen, die jetzt auch beseitigt sind.

Jetzt wünsche ich viel Spaß beim Lesen und freue mich auf Ihre Resonanz und das Feedback.

Rainer Dangel, März 2017

Vorwort zur 1. Auflage

Prof. Dr.-Ing. Thomas Seul Prorektor für Forschung und Transfer an der Fachhochschule Schmalkalden und Präsident des Verbandes für den Deutschen Werkzeug- und Formenbau (VDWF e. V.)

Der Werkzeug- und Formenbau in Deutschland ist eine Marke mit globalem Stellenwert. Die Gründe hierfür sind sicherlich vielfältig. Mit Sicherheit kann aber festgestellt werden, dass die Geheimnisse des Erfolgs für die Branche auf pfiffige Konstruktionen mit viel Know-how, fertigungstechnische Höchstleistungen und qualitätsrelevante Kriterien zurückzuführen sind. Damit Deutschland auch künftig ein weltweit wettbewerbsfähiger Produktionsstandort und ein Leitanbieter im Werkzeugbau sein kann, müssen in engem Austausch aller Beteiligten rasch Innovationsvorsprünge realisiert werden. So spielen Spritzgießwerkzeuge in der modernen Fertigungstechnik der produzierenden Industrie bereits heute eine Schlüsselrolle. Zukunftsvisionen wie Werkzeugbau 4.0 bietet nun die Chance, über eine intelligente Steuerung und Vernetzung die Flexibilität, die Energie- und die Ressourceneffizienz von Produktionsprozessen auf eine neue Stufe zu heben. Die Basis hierfür bildet aber eine solide Kenntnis über die Grundlagen von Konstruktion und Fertigungsverfahren im Werkzeugbau. Erst aufbauend auf diesem Wissen und Erfahrungsschatz können die oben genannten Themenfelder umgesetzt werden. Und genau hier setzt das Fachbuch von Herrn Dangel an. Was ist zu beachten, wenn ich ein Produkt in Form bringen möchte?

In dem hier vorliegenden Werk hat der Autor Rainer Dangel didaktisch als auch technisch einen neuen Weg im Bereich der Fachliteratur zum Werkzeugbau von Spritzgießwerkzeugen beschritten. Er vereinigt in sehr anschaulicher Weise die Theorie mit der Praxis, fragt immer nach den Inhalten: „Wofür ist das Produkt relevant?, Was muss technisch für welche Produktspezifikation gelöst werden?“ Sowie nach der Methodik in der fertigungstechnischen Umsetzung: „Wie und womit kann ich im Werkzeugbau im Rahmen der Konstruktion und auch bei den Fertigungsverfahren eine Produktanforderung erfüllen?“ Durch die fachliche Kompetenz, die sich Herr Dangel über viele Jahre aufgebaut und erarbeitet hat, wird sehr schnell beim Studieren des Buches deutlich, dass die praktische Umsetzung des Beschriebenen einen sehr hohen Stellenwert hat. Basiswissen und Lösungsansätze werden ganzheitlich betrachtet. Vor- und Nachteile werden dargestellt und diskutiert. Der Erfahrungsschatz von 35 Jahren, angefangen mit einer Ausbildung zum Werkzeugmacher, über den Meisterbrief bis hin zum eigenen Unternehmen, fließt in dieses Fachbuch ein.

„Spritzgießwerkzeuge für Einsteiger“ der Titel des vorliegenden Werkes trifft ins Schwarze, und alte Hasen, die meinen hier auf eine Unterforderung zu stoßen, werden eines besseren belehrt.

(Quelle: wortundform GmbH, München)

Mit der Ausbildung zum Werkzeugmacher von 1976 bis 1980 begann Rainer Dangel seine berufliche Laufbahn im Formenbau. Bereits als junger Facharbeiter erkannte er die Möglichkeiten, in diesem technisch aufstrebenden Beruf etwas bewegen zu können. Den Grundstein legte er als 23-Jähriger mit dem Meisterbrief im Mechaniker Handwerk.

Der Einstieg in die Selbstständigkeit folgte 1987. Die anfangs kleine CNC-Fräserei für Formenbauteile entwickelte sich im Laufe weniger Jahre zu einem modernen, technisch hochwertigen Fachbetrieb zur Herstellung von Spritzgießwerkzeugen unterschiedlichster Anforderungen. Bereits 1995 wurde das erste 3-D CAD-CAM-System eingeführt und mit Erfolg eingesetzt.

Alle Fertigungsmöglichkeiten eines modernen Formenbaus gehörten nun zum Angebot. Rainer Dangel hatte es sich zur Aufgabe gemacht, diese selbst aktiv auszuüben, stets weiterzuentwickeln und zu perfektionieren. Im Jahr 2006 gliederte man eine eigene Kunststoffspritzerei an, um die Prozesskette bis zum fertigen Kunststoffteil auszubauen. Durch die Zertifizierung nach DIN EN ISO 9001:2008 im Jahr 2008 war sein Unternehmen in der Lage, unterschiedlichste Branchen zu bedienen. Unter anderem konnten Kunststoffteile für die Automobilindustrie nach VDA geprüft und freigegeben werden.

Im allgemein wirtschaftlich schwierigen Jahr 2010 wurde der Formenbaubetrieb eingestellt. Danach war Rainer Dangel mehrere Jahre bei der Gebr. Heller Maschinenfabrik GmbH in Nürtingen Leiter des Technologie Centers und für die Betreuung der Kunden im Formenbau- und Werkzeugbau zuständig.

Heute ist Rainer Dangel wieder im Bereich Formenbau- und Werkzeugbau tätig, als Berater betreut er zwei Schwerpunkte. Das Projektmanagement von der Teileentwicklung über die Werkzeugkonstruktion, den Werkzeugbau bis hin zum Produktionsstart von Kunststoffteilen. Zweiter Schwerpunkt ist die Aus- und Weiterbildung, dabei geht es um den Formenbau und Werkzeugbau im Allgemeinen und um die Zerspanung, das Fräsen im Speziellen.

Das besondere Interesse des Autors ist das Fräsen, er beherrscht alle Bearbeitungsarten bis hin zum Programmieren und Fräsen von 5-Achs simultanen Bearbeitungen.

Für die Unterstützung bei der Ausarbeitung dieses Buches möchte ich mich ganz herzlich bei meinen Kollegen des VDWF bedanken. Besonderer Dank geht an Prof. Dr.-Ing. Thomas Seul, Präsident des VDWF, für das Vorwort zur 1. Auflage.

• Formenbau Schweiger GmbH & Co. KG, Uffing am Staffelsee, Anton Schweiger (Vizepräsident)

• Formenbau Rapp GmbH, Löchgau, Markus Bay (Vorstand Ausbildung)

• VDWF, Schwendi, Ralf Dürrwächter (Marketing)

• bkl-Lasertechnik, Rödental, Bernd Klötzer

• Cimatron GmbH, Ettlingen, Dirk Dombert

• exeron GmbH, Oberndorf, Udo Baur

• Gebr. Heller Maschinenfabrik GmbH, Nürtingen, Marcus Kurringer, Jörg Bauknecht

• GF Machining Solutions GmbH, Schorndorf, Gabriele Urhahn

• Hans Knecht GmbH, Reutlingen, Hans Knecht

• MAKINO Europe GmbH, Kirchheim-Teck, Andreas Walbert

• Meusburger Georg GmbH & Co KG, A-Wolfurt, Andreas Sutter

• PSG Plastic Service GmbH, Mannheim, Andreas Kißler

• Reichle GmbH, Gravier- und Laserschweißzentrum, Bissingen, Volker Reichle, Marco Reichle

• Werz Vakuum-Wärmebehandlung GmbH, Gammertingen-Harthausen, Henry Werz

• Wortundform GmbH, München, Fabian Diehr

Sie sind keine Verbandsmitglieder, standen mir aber auch hilfreich zur Seite. Dafür ebenfalls herzlichen Dank:

• Friedrich Heibel GmbH Formplast, Heuchlingen, Stefan Heibel

• Carl Hanser Verlag, München, Ulrike Wittmann, Jörg Strohbach

Jede neue Auflage lebt davon, dass Input von Lesern und Anwendern kommt. Deshalb herzlichen Dank auch an:

• Birgit Lins, Meusburger Georg GmbH & Co KG, A-Wolfurt

• Reinhard Weiß, Max-Eyth-Schule Kirchheim unter Teck

In diesem Buch wird das Planen, Konstruieren und Bauen von Spritzgießwerkzeugen erklärt und beschrieben. Es handelt sich dabei ausschließlich um Spritzgießwerkzeuge für die Thermoplastverarbeitung.

Der Begriff Spritzgießwerkzeug wird in diesem Buch der Einfachheit halber auch nur Werkzeug genannt, bedeutet aber dasselbe. Der Begriff Werkzeug hat sich in der Fachwelt etabliert und wird dort auch vorwiegend verwendet.

Alles wird realistisch und nachvollziehbar beschrieben und erklärt. Eine Kunststoffdose mit Deckel ist Grundlage für fast alle Erläuterungen. Die Zeichnungen und Konstruktionen in denen diese beiden Kunststoffteile enthalten sind, wurden extra für dieses Buch angefertigt. Die Dimensionen der konstruierten Werkzeuge und die technischen Details sind real, die Spritzgießwerkzeuge könnten so gebaut werden. Anhand dieser beiden, oder einem dieser Teile, wird so viel als möglich gezeigt und erklärt.

Es gibt Beispielberechnungen für die Planung und Auslegung von Spritzgießwerkzeugen. Unterschiedliche Funktionen und Elemente beim Konstruieren werden detailliert erklärt. Mit steigendem Anspruch an die Technik im Werkzeug wachsen die beiden Teile mit, somit gibt es immer einen Bezug zu den vorherigen Themen. Wächst das Teil und/oder das Werkzeug, ist der Grund klar erkennbar.

Bild 1 Dose mit Deckel

Bild 2 Dose

Bild 3 Deckel

Es gibt weiterführende Kapitel bei denen bestehende Konstruktionen von tatsächlich angefertigten Spritzgießwerkzeugen die Grundlage für die Erklärungen sind.

Ein weiterer Hinweis zur Darstellung der Bilder und Zeichnungen: Die meisten Bilder sind Auszüge aus dem 3-D Volumenmodel der CAD-Daten. Die darauf dargestellten Schnitte sind nicht nach DIN Norm. Man muss sich vorstellen, dass an der angegebenen Stelle das Model abgeschnitten wurde. Es ist nur das sichtbar, was direkt an der Schnittstelle zu sehen ist.

Die Ausfertigung von technischen 2-D Zeichnungen werden in der DIN ISO 5455 geregelt. Der deutlich sichtbare Unterschied ist, in einer 2-D Zeichnung werden Normteile, wie Schrauben, Bolzen, Stifte usw. nicht schraffiert dargestellt. Runde Bauteile haben eine Mittellinie und sichtbare Kanten werden mit einer stärkeren Strichstärke dargestellt. In der 2-D Zeichnung können auch unsichtbare Kanten von Bauteilen gezeigt werden, die nicht direkt im Schnitt zu sehen sind. Man stellt diese unsichtbaren Kanten mit gestrichelten, dünneren Linien dar.

In Bild 4 werden die beiden Varianten der Darstellung gezeigt. Links eine 2-D Zeichnung wie man sie aus der Werkstatt kennt und rechts der Schnitt durch das 3-D Volumenmodel.

Bild 4 Schnittansicht einer 2-D Zeichnung und Schnitt durch das 3-D Volumenmodel

„Wo kommen eigentlich diese ganzen Plastik- oder Kunststoffteile her? Wer macht die und wie werden diese Kunststoffteile überhaupt angefertigt?“ Fragen die sich wohl kaum jemand stellt. „Was sind das für kleine Kringel an oder in dem Kunststoffteil, wozu sind die? Dann ist da noch eine kleine Stelle, die aussieht als wäre etwas abgerissen oder abgeschnitten worden“. Das alles sind Merkmale die sich in der Fertigung der Kunststoffteile ergeben und an jedem Teil sichtbar sind. Für diese Fertigung wird außer einer Spritzgießmaschine und Kunststoffgranulat, eines gebraucht, ein Spritzgießwerkzeug.

Lässt man einmal einen Tag Revue passieren und denkt darüber nach wie viele Kunststoffteile man in der Hand gehalten hatte, dann kann man erahnen, dass es eine nicht zu beziffernde Anzahl von Spritzgießwerkzeugen gibt und welche Vielfalt es an Spritzgießwerkzeugen in den unterschiedlichsten Branchen, Anwendungen oder Lebenslagen geben muss.

Oder anders gesagt, man stellt sich gedanklich in die Küche, ins Bad, ins Büro oder setzt sich ins Auto. Jetzt denkt man sich alle Kunststoffteile mal weg. Was bleibt da noch übrig? Es bleibt nicht mehr viel übrig von allem, was man da sieht.

Mal konkret gesprochen: Beginnen wir am frühen Morgen. Bereits vor dem Aufstehen drückt man den Knopf auf dem Wecker. Schon hat man die erste Berührung mit einem Kunststoffteil. Weiter geht es mit dem Zähneputzen. Die Zahnbürsten von heute werden, obwohl so nicht erkennbar, mit sehr komplexen und komplizierten Spritzgießwerkzeugen hergestellt. Die herkömmlichen Zahnbürsten mit automatisch eingelegten Borsten sind da noch die einfachere Variante. Beim Herstellen der elektrischen Zahnbürste werden in einem sehr komplizierten Verfahren zwei unterschiedliche Kunststoffe nacheinander in ein Spritzgießwerkzeug gespritzt, um die rotierenden Bürsten in dem kleinen Bürstengehäuse, vorne zu fertigen.

Föhn, Kaffeemaschine, Wasserkocher, Kühlschrank, Herd, Backofen, um nur ein paar Gebrauchsartikel des täglichen Lebens aufzuzählen. Steigt man in das Auto ein, hat man beim Öffnen der Türe den nächsten Kontakt mit Kunststoffteilen. Das Innere des Wagens, ohne Spritzgießwerkzeuge nicht vorstellbar. Sitze, Lenkrad, Schalter, Knöpfe, Griffe, Hebel, Blenden, Armaturen, Abdeckungen, Ablagen usw. eine unzählige Anzahl von Spritzgießwerkzeugen werden für die Herstellung eines Fahrzeugs verwendet.

Im direkten Umfeld am Arbeitsplatz egal ob in der Werkstatt, im Büro oder in der Schule; auch hier Kunststoffteile ‒ egal was man in der Hand hält oder benutzt. Computer, Tastatur, ob an der Maschine oder auf dem Schreibtisch. Überall Dinge aus Kunststoff, in den unterschiedlichsten Farben, Konturen, Formen und auch Härtegraden. Vom harten und stabilen Gehäuse des Druckers bis zur weichen flexiblen Schutzhülle für das Handy.

Ganz abgesehen vom Kinderzimmer, nahezu alle Spielkisten der Kleinen sind voll mit Spielsachen aus Kunststoff: Bausteine, Spielfiguren, Rennbahn, Puppen, Spielekonsole usw. Kunststoffteile, egal was man tut oder wo man ist. Sie begleiten uns durch den ganzen Tag. Überall Kunststoffteile, ohne die das ganz normale Leben nicht mehr vorstellbar wäre.

Die Aufzählung ließe sich beliebig fortsetzen. Jeder kommt den ganzen Tag über bewusst oder unbewusst in Berührung mit Kunststoffteilen, aber keiner macht sich über deren Herkunft Gedanken. Und das obwohl ein riesiger weltweiter Industriezweig dahinter steht. Es sind nicht nur die Hersteller von Spritzgießwerkzeugen, die es auf der ganzen Welt gibt. Auch große Konzerne, die die Maschinen zum Fertigen der Kunststoffteile herstellen und sehr große Chemie-Konzerne entwickeln und fertigen immer neue Kunststoffe für die unterschiedlichsten Anwendungen. Millionen von Menschen sind in dieser so unscheinbaren Welt zuhause.

Durch die Entwicklung von immer besseren und technisch hochwertigeren Kunststoffen werden es immer mehr Anwendungsmöglichkeiten. Blechteile aus Stahl oder Aluminium werden zunehmend durch Teile aus Kunststoff ersetzt. Halterungen aus Metall, an denen im Motorraum eines Autos Kabel, Leitungen, Behälter oder ähnliches befestigt werden, ersetzt man heute durch hochfeste Kunststoffteile.

Ein weiterer Punkt, dass sich diese Entwicklung sicher noch lange fortsetzen wird, ist der Fortschritt in der Herstellung von Biokunststoffen. Vereinfacht gesagt, bei Biokunststoffen wird der Grundstoff Erdöl durch biologisch gewonnene Öle ersetzt. Diese Öle werden aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen und sind auch biologisch abbaubar. Bislang gibt es nur vereinzelte Anwendungen, die oftmals nur mit wissenschaftlichen Fakultäten erforscht werden. Das Ganze ist also noch im Stadium der Entwicklung. Allein schon aus der Rohstoffthematik heraus wird dem Biokunststoff eine große und wichtige Zukunft vorausgesagt.

Der meist entscheidende Vorteil eines Kunststoffteils liegt darin, dass nach der Fertigung bzw. dem Spritzprozess ein einbaufertiges Teil aus der Spritzgießmaschine kommt. Die Herstellzeit für so ein Teil beträgt meist nur wenige Sekunden. Dies schlägt sich dann auch auf den sehr viel günstigeren Preis pro Teil nieder. Aber ‒ und jetzt kommen wir wieder auf den Inhalt dieses Buches zurück ‒ der ganze Erfolg dieses Prozesses ist von einem qualitativ hochwertigen Spritzgießwerkzeug abhängig.