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Formteile aus Polyurethan: Auf was Sie bei der Konstruktion achten müssen!

by Martin Hintsteiner

Starr oder flexibel, hart oder weich, säurebeständig und/oder flammhemmend?

Polyurethan bietet eine große Auswahl an unterschiedlichen Materialeigenschaften und ist  deswegen einer der vielseitigsten Werkstoffe! Es gibt extrem harte PU-Systeme aber auch anschmiegsam weiche Polyurethane. PU-Materialien können unter anderem auch mit einem Treibmittel versetzt werden, welches das Material aufschäumen lässt und dadurch die Dichte reduziert. Auch PU-Gummi, sogenannte Elastomere, mit unterschiedlichen Shore-Härten werden nach dem gleichen Prinzip verarbeitet.

Dieser Artikel liefert einen Leitfaden mit diversen Tipps, welche beim Konstruieren von Polyurethan-Komponenten beachtet werden sollten.


Scheuerleisten PUR-1

Inhaltsverzeichnis

  1. Vorteile
  2. Materialien
  3. Entformrichtung
  4. Formschräge
  5. Toleranzen
  6. Wandstärke
  7. Verbindungen
  8. Buchstaben / Logos
  9. Fazit

Vorteile

Formteile aus Polyurethan werden in Polymerbeton- oder Aluminium-Werkzeugen hergestellt und sind gerade bei Großbauteilen eine ideale Alternative zum Spritzguss. Bei Kleinserien bzw. bei geringen Stückzahlen ist der Werkstoff Polyurethan aus wirtschaftlicher Sicht optimal und die Eigenschaften sind nahezu ident mit denen von Spritzgussmaterialien.

Formteil

Abbildung 1: Entformung eines PU-Kunststoffteils

Auch das integrieren von Gewindebuchsen oder anderen Einlegeteilen ist im Gegensatz zu herkömmlichen Nischentechnologien, wie zum Beispiel dem Tiefziehen, möglich. Des Weiteren sind Polyurethan-Kunststoffteile frei von Weichmachern und somit beständig gegen eine Vielzahl von aggressiven Substanzen und Säuren. Von Stoßfängern, über Instrumententafeln und Verkleidungsteilen bis hin zu Gehäusen für die Medizintechnik: Überall dort wo hohe Anforderungen an das Material und auch an die Oberfläche vorausgesetzt werden und die Bedarfsmenge unter 5.000Stk/Jahr liegt, führt kein Weg an Polyurethan-Werkstoffen vorbei.

Materialien

Polyurethan ist ein Material mit ungeahnten Möglichkeiten und bewährt sich mittlerweile in  allen erdenklichen Anwendungsbereichen als technischer Werkstoff. Gerade diese enorme Vielseitigkeit des Materials spricht für dessen Einsatz. Folgend werden einige Anwendungsbeispiele aufgezählt:

  • Armlehnen, Bedienhebel, Kopfstützen, Sitze oder Joysticks werden in den meisten Fällen aus Integral Weichschaum-Systemen hergestellt.  Diese weisen eine geschlossene Oberfläche auf und bieten dennoch eine weiche & angenehme Haptik.
  • Stossfänger, I-Tafeln, Maschinenverkleidungen oder Teile für die Schienenindustrie werden gemäß spezifischer Anforderungen, wie in etwa Flammschutz oder Splitterbildung, aus steifen PU-Werkstoffen gefertigt.
  • Walzen, Rollen, Puffer oder Anschlagleisten werden aus gummiähnlichen Kunststoffen produziert.

Walzenbeschichtung-1

Abbildung 2: Aluminium-Grundkörper mit Elastomerbeschichtung - Shore A90

Entformrichtung

Mit einer durchdachten Artikelkonstruktion lassen sich Kosten für den Werkzeugbau erheblich senken. Ein wesentlicher zu beachtender Faktor ist die Entformrichtung des fertigen Bauteils aus der Werkzeugform. Der Werkzeugaufbau für Polyurethan-Formteile besteht in der Regel aus zwei Formhälften (Oberteil + Unterteil). Dadurch ergibt sich eine Hauptentformrichtung bzw. gegebenenfalls auch eine Nebenentformrichtung. Hinterschneidungen oder nicht durch das Öffnen des Oberteiles entformbare Konturen werden durch Losteile oder Schieber realisiert.

Formteil aus Polyurethan

Abbildung 3: Darstellung der Entformrichtung

Formschräge

Entformschrägen dienen zur leichteren Entformung des Bauteils und verhindern das Festsitzen in der Werkzeugkavität. Dabei haben die Geometrie und die Oberflächenbeschaffenheit den größten Einfluss auf den Entformwinkel. Prinzipiell gilt: Je höher das PU-Formteil ist, desto größer sollte der Winkel sein. Ist die Oberfläche mit einer Narbung oder Struktur versehen, muss dies bei der Entformung berücksichtigt werden. Demnach muss ein Entformwinkel mit einem Minimum von 1° vorgesehen werden. Müssen Teilbereiche oder das komplette Formteil ohne Schräge dargestellt werden, sind jene Bereiche mit Losteilen auszuführen.

RIM Entformschräge 

Abbildung 4: Darstellung des Entformwinkels

Toleranzen

Die Toleranzen bzw. der Schwund (Schrumpfung) bei Polyurethan-Formteilen können je nach verwendetem Material variieren. Somit macht es einen entsprechenden Unterschied aus, ob ein flammgeschütztes PU oder ein elastisches PU-Elastomer verwendet wird. Als Faustregel gilt +/- 0,02 mm pro Zentimeter, je nach Bauteilgeometrie. Unregelmäßige Wandstärken können die Schwindung beeinflussen.

Wandstärken

Als Wandstärke empfiehlt sich ein Minimum von 1mm. Für größere Flächen (z.B. Stossfänger) liegt die optimale Stärke zwischen 2–3mm. Bei massiven Gehäusen können Materialanhäufungen bis 20mm ausgeführt werden. Beim Polyurethan-Gießverfahren gibt es trotz starker Materialdicke kaum Einfallstellen an der Oberfläche. Je größer das Bauteil ist, desto mehr sollte man darauf achten, dass konische Versteifungsrippen eingebracht werden. Obwohl es der Gießprozess möglich macht die Wandstärken zu variieren, ist eine gleichmäßige Wanddicke von Vorteil. Eine solche minimiert das Risiko einer Verformung aufgrund von Schrumpf und Stress beim Aushärten.

Wandstärke Polyurethan

Abbildung 5: Eine konstante Wandstärke verhindert unvorhersehbare Materialschwindungen

Verbindungen

Die Verbindungen zwischen zwei oder mehreren PU-Teilen sollten einen Fugenabstand von mindestens 1mm aufweisen. Eine Nut-Feder-Verbindung ist möglich. Werden die PU-Formteile nachträglich durch Lackierung  oder Folierung veredelt, ist das zu berücksichtigen.
Im Folgenden finden Sie einige Richtwerte zur Auslegung der Nutbreite basierend auf der Größe des Bauteils (Umfang Bauteil).

Polyurethan Formteile-1

Abbildung 6: Optische Trennung durch eine Schattenfuge

PU Formteile-1

Abbildung 7: Richtwerte zur Auslegung der Fugenbreite basierend auf dem Umfang des Bauteils

Buchstaben / Logos

Beim Gießen von Polyurethanen können Gravuren, Logos oder Schriften erhaben, oder auch vertieft dargestellt werden. Die Höhe bzw. Tiefe sollte dabei so gering wie möglich ausgeführt werden. Zudem sollten die Kanten „gebrochen“ und auf keinen Fall scharf ausgeführt sein.

HINWEIS: Achten Sie beim Schriftzug darauf, dass zwischen jedem Buchstaben mindestens 1,5mm Abstand ist.

Formteile aus PU

Abbildung 8: Der Mindestabstand zwischen jedem Buschstaben sollte 1,5mm sein

FAZIT

Polyurethan ist der ideale Werkstoff um die Faktoren Ästhetik, Ergonomie und Funktion in einem optimalen und kostengünstigen Produkt zu vereinen. Zudem ist die Möglichkeit des Materials große Formteile in  geringen Abrufmengen zu produzieren absolut konkurrenzlos.

kunststofftechnik RIM

Martin Hintsteiner

Geschäftsführer HINTSTEINER GROUP Experte Carbontechnik & Kunststofftechnik

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