1. Was ist Insert Molding?
Ein Einsatz ist ein in Kunststoff eingebettetes Element, beispielsweise aus Metall, Glas, Holz, Fasern, Papier, Gummi oder einem vorgeformten Kunststoffbauteil. Metall ist das gebräuchlichste Material für Einsätze. Beim Einlegeverfahren wird der Einsatz zunächst in der entsprechenden Position in einer Spritzgussform fixiert. Anschließend wird Kunststoff in die Form eingespritzt. Nach dem Öffnen der Form umschließt der abgekühlte und erstarrte Kunststoff den Einsatz und erzeugt so ein Bauteil mit Merkmalen wie Gewinden oder Elektroden.
Beim Einlegeverfahren können die Einsätze auf zwei Arten in die Form eingesetzt werden:
1) Manuelle Platzierung
wodurch sich die Zykluszeit beim Spritzgießen deutlich verlängert und es sich für kleine Produktionsserien oder Produkte mit komplexen Strukturen eignet;
2) Automatisierte Platzierung
was für die Massenproduktion besser geeignet ist, da es dazu beiträgt, menschliche Fehler zu reduzieren, die Effizienz zu steigern, die Zykluszeit zu verkürzen und die Produktzuverlässigkeit zu erhöhen.
2. Vorteile und Nachteile des Umspritzens 2.1 Vorteile des Umspritzens
1) Durch die Kombination der Formbarkeit und Elastizität von Kunststoff mit der Steifigkeit, Festigkeit und Hitzebeständigkeit von Metall ist es möglich, robuste, komplexe, integrierte Metall-Kunststoff-Produkte herzustellen und gleichzeitig die Produktgröße und das Gewicht zu reduzieren.
2) Durch die Kombination der elektrischen Isolierung von Kunststoff mit der elektrischen Leitfähigkeit von Metall können Formteile die grundlegenden Funktionsanforderungen elektrischer Produkte erfüllen. Darüber hinaus können auch spezielle Anforderungen wie magnetische Leitfähigkeit, Verschleißfestigkeit und Befestigungsmöglichkeiten erfüllt werden.
3) Durch das Hinzufügen von Metalleinsätzen zu Kunststoffteilen kann die Festigkeit des Kunststoffteils erhöht werden.
4) Das Einlegeverfahren bietet eine größere Gestaltungsfreiheit und schafft neue Möglichkeiten zur Kombination von Kunststoff, Metall und anderen Komponenten.
5) Dadurch können sekundäre Prozesse wie Heißverstemmen, Schweißen und Nieten entfallen, was potenziell Montagezeit und -kosten reduziert.
6) Bei den Einsätzen darf es sich nicht nur um Metalle handeln; sie können auch Stoffe, Papier, Drähte, Kunststoffe, Glas, Holz, Spulen, elektrische Bauteile und geformte Kunststoffteile umfassen.
7) Bei starren Formteilen und flexiblen gebogenen Teilen auf Gummidichtungsplatten kann das Zusammenformen der Teile zu einem integrierten Produkt die komplizierte Aufgabe der Anordnung von Dichtungsringen eliminieren und die nachfolgende automatisierte Montage erleichtern.
8) Da geschmolzener Kunststoff sich mit Metalleinsätzen verbindet, kann der Spalt um die Metalleinsätze kleiner gestaltet werden als bei Presspassungsmethoden, was die Zuverlässigkeit des Produkts verbessert und die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass das Produkt Vibrationstests besteht.
9) Mit geeigneten Kunststoffmaterialien und Formgebungsbedingungen können auch Teile, die anfällig für Verformungen oder Beschädigungen sind, wie Glas, Spulen und elektrische Bauteile, in Kunststoff versiegelt und gesichert werden.
10) Bei geeigneter Formgestaltung kann ein Einsatz vollständig in Kunststoff eingeschlossen werden.
11) Durch die Kombination von vertikalen Spritzgießmaschinen mit Robotern und Vorrichtungen zur Anordnung der Einsätze können die meisten Einlegeteile-Verfahren automatisiert werden.
2.2 Nachteile des Einlegeverfahrens
1) Die Platzierung der Einsätze führt oft zu einer komplexeren Formstruktur, verlängert den Formzyklus, erhöht die Herstellungskosten und erschwert die Automatisierung.
2) Da sich die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Einsatzes und des Kunststoffs unterscheiden, können im fertigen Produkt Eigenspannungen entstehen, die zu Rissen führen. Dieses Problem tritt besonders häufig beim Spritzgießen von Muttereinsätzen auf.
3) Der Unterschied in der Wärmeausdehnung zwischen dem Einsatz und dem Kunststoff kann auch dazu führen, dass sich das Produkt verzieht oder verformt.
4) Einsätze, insbesondere Mutterneinsätze, müssen oft vorgewärmt oder getrocknet werden, um die Eigenspannungen zu reduzieren.
5) Die Einsätze müssen fest in der Form fixiert sein; andernfalls können sie sich durch den Aufprall des geschmolzenen Materials verschieben oder verformen.
6) Treten während des Einlegeverfahrens Fehler auf – beispielsweise unvollständiges Formen, fehlende Einsätze oder falsche Positionierung der Einsätze –, muss unter Umständen das gesamte Produkt verschrottet werden, was zu erheblichen Verlusten führt.
7) Das Einlegeverfahren erschwert das Recycling und die Entsorgung der Produkte.
3. Anwendungen des Einlegeverfahrens
Das Einlegeverfahren findet breite Anwendung in Branchen wie der Automobil-, Medizin-, Elektronik- und Steckverbinderindustrie.
4. Konstruktionsrichtlinien für das Einlegeverfahren
Bei der Konstruktion für das Einlegeverfahren müssen die Eigenschaften des Prozesses vollständig berücksichtigt werden, und die Konstruktion sollte den Prinzipien des fertigungsgerechten Designs (Design for Manufacturing, DFM) folgen.
Die Richtlinien umfassen:
1) Auswahl des Einsatzmaterials. Kupfer, Aluminium, Stahl, harte, unterschiedliche Kunststoffteile, Keramik, Glas und Kunststoffe eignen sich als Einsatzmaterialien. Messing wird häufig verwendet, da es korrosionsbeständig, leicht zu bearbeiten und preisgünstig ist.
2) Form einfügen. Verwenden Sie nach Möglichkeit kreisförmige oder rotationssymmetrische Formen. Vermeiden Sie scharfe Ecken und spitze Winkel, um eine gleichmäßige Schrumpfung zu fördern und lokale Spannungen oder Spannungskonzentrationen zu verhindern.
3) Wenden Sie die DFM-Prinzipien auf den Einsatz selbst an. Metalleinsätze werden durch Zerspanung oder Stanzen hergestellt, daher muss ihre Geometrie für den Fertigungsprozess geeignet sein.
▲ DFM-Design des Einsatzes selbst
4) Um das Einsetzen und Positionieren in der Form zu erleichtern, sollte der Teil des Einsatzes, der herausragt (das in der Form befindliche Teil), zylindrisch sein, da runde Löcher in der Form leichter zu bearbeiten sind.
▲ Gestaltung des vorstehenden Teils des Einsatzes
5) Die Einsätze sollten Dichtungsschultern oder ähnliche Merkmale aufweisen, um ein Gratbildung des Kunststoffs während des Spritzgießens zu verhindern.
▲ Gestaltung der Einsatzschulter
6) Um zu verhindern, dass das Plastik unterhalb des Einsatzes zu dünn wird und wellige Einfallstellen entstehen, die das Aussehen und die Festigkeit beeinträchtigen, sollte der Mindestabstand T von der Unterseite des Einsatzes zur Kunststoffwand T > D/6 betragen.
▲ Abstand zwischen dem Einsatz und der Unterseite
Ist der Abstand zu gering, kann die unten gezeigte Konstruktion verwendet werden.
▲ Beibehaltung einer gleichmäßigen Wandstärke
7) Der Abstand zwischen dem Einsatz und der Produktseitenwand darf nicht zu gering sein, damit die Form ausreichend Festigkeit behält.
▲ Abstand zwischen Einsatz und Seitenwand
8) Beim Einsetzen eines Einsatzes in eine Aussparung sollte dieser bis zum Boden der Aussparung reichen (unter Beibehaltung der Mindestbodenstärke), um eine sichere Verbindung und ausreichende Festigkeit des Kunststoffkörpers zu gewährleisten. Runden Sie den Kopf des Einsatzes ab.
▲ In einen Boss einfügen
9) Kleine zylindrische Einsätze können mithilfe einer zentralen Nut oder einer Diamanträndelung an der Oberfläche im Kunststoffkörper verankert werden. Die Rändelnuten sollten 1–2 mm tief sein.
▲ Befestigung kleiner zylindrischer Einsätze
10) Platten- oder blechförmige Einsätze können mittels Bohrungen oder Öffnungen befestigt werden. Für dünne Einsätze (weniger als 0.5 mm Dicke) werden Kerben oder Biegungen empfohlen.
▲ Befestigung von platten- oder blattförmigen Einsätzen
11) Stangenförmige Einsätze können durch Abflachen, Einkerben, Biegen oder Spalten des Endes oder durch Abflachen des mittleren Abschnitts einer Rundstange befestigt werden.
▲ Befestigung stabförmiger Einsätze (verformtes Ende)
▲ Befestigung der Rohreinsätze (verformter Mittelteil)
12) Bei gestanzten Rohreinsätzen kann während des Stanzvorgangs eine erhabene Ausbuchtung gebildet werden, um die Retention zu verbessern.
▲ Befestigung von gestanzten Rohreinsätzen (verformter Mittelteil)
13) Bei Steckverbindern ist die sichere Verankerung der Anschlussklemmen im Kunststoff ein entscheidender Aspekt für die Produktentwicklung. Gängige Methoden zur deutlichen Verbesserung des Klemmenhalts sind:
- Löcher in die im Kunststoff eingebettete Klemme stanzen
- Dem Terminal ein unregelmäßiges Profil verleihen
- Biegen des Anschlusses
- Durch Hinzufügen von Oberflächenrauheit oder erhabenen/vertieften Merkmalen zum Anschluss
- Erhöhung der Kunststoffwandstärke
▲ Klemmeinsätze mit Löchern, unregelmäßigen Profilen und Biegungen
5. Konstruktionsrichtlinien für Muttereinsätze
Einpressmuttern gehören zu den gebräuchlichsten Einsatzarten. Die Einpressmutter und der zugehörige Kunststoffansatz müssen korrekt konstruiert sein; andernfalls können Qualitätsprobleme wie unzureichende Auszugskraft oder Risse im Ansatz auftreten.
5.1 Drei Methoden zum Anbringen von Muttern
Es gibt drei Methoden zum Einbetten von Muttern in Kunststoffteile:
1) Hitzevernietete Muttern
Das Heißverstemmen ist die gebräuchlichste Installationsmethode und wird im Allgemeinen mit einer Heißverstemmmaschine oder einem manuell betriebenen Lötkolben durchgeführt.
2) Einspritzmuttern
Dieses Verfahren erfordert eine sehr genaue Kontrolle des Lochdurchmessers im Kunststoffansatz, typischerweise innerhalb von 0.05 mm. Die Mutter wird durch einen Formstift fixiert und in der Spritzgießform positioniert, daher muss der Lochdurchmesser entsprechend der Stiftgröße an der Spritzgießmaschine gesteuert werden.
3) Ultraschalleinführung
Durch Ultraschallvibrationen entsteht Reibung zwischen Mutter und Werkstück, wodurch sich die Temperatur an der Kontaktfläche erhöht. Sobald die Temperatur die Erweichungstemperatur des Werkstücks erreicht, wird die Mutter in das Kunststoffteil eingebettet. Nach dem Ende der Vibration kühlt das Werkstück ab und erstarrt unter Druck. Jedes Verfahren hat seine Vor- und Nachteile; dieser Artikel konzentriert sich auf umspritzte Muttern.
5.2 Äußere Geometrie der Einsatzmuttern
Die äußere Geometrie von Einpressmuttern ist speziell auf eine starke mechanische Verzahnung mit Kunststoffen ausgelegt. Zu den wichtigsten Merkmalen gehören typischerweise Diamant- oder gerade Rändelungen zur Maximierung der Drehmoment- und Auszugsfestigkeit. Längsnuten oder Hinterschnitte verhindern ein Verdrehen. Eine abgeschrägte Führung an der Unterseite ermöglicht ein einfaches und präzises Einsetzen in die Form oder vorgeformte Bohrung. Ein oberer Flansch oder Kragen begrenzt die Einpresstiefe und bietet axiale Unterstützung. Einige Ausführungen verfügen über einen Dichtring, der das Überlaufen von geschmolzenem Kunststoff in das Gewinde verhindert. Zusammen gewährleisten diese geometrischen Merkmale eine äußerst zuverlässige und dauerhafte Verbindung.
5.3 Beispiele für Spezifikationen von Einsteckmuttern
5.4 Kunststoff-Nabenkonstruktion und Mutternauswahl
1) Grundlegende Abmessungen der Mutter und des Kunststoffansatzes
- Das Maß d ist der Fuß der Mutter, auch Führungs-/Positionierabschnitt genannt. Vor dem Einsetzen passt es in Abschnitt C des Kunststoffansatzes. Daher sollte das Maß d am Mutterfuß kleiner sein als der Innendurchmesser C der Bohrung im Kunststoffansatz, um die Positionierung zu erleichtern.
- Das Maß D ist der Außendurchmesser der Mutter und entspricht dem Innendurchmesser C der Kunststoffbohrung. Bei Handymuttern ist der Durchmesser der Kunststoffbohrung im Allgemeinen etwa 0.25–0.3 mm kleiner als der Außendurchmesser der Mutter.
- Das Maß L ist die Länge der Mutter und entspricht der Lochtiefe Y im Kunststoffansatz. Das Kunststoffloch ist in der Regel 0.5–1.0 mm tiefer als die Mutterlänge, um Platz für überschüssiges Kunststoffmaterial zu schaffen.
- W ist die Wandstärke des Kunststoffteils um die Bohrung herum. Die Wandstärke eines Kunststoffansatzes beträgt im Allgemeinen mindestens 0.8–1.0 mm. Größere Muttern erfordern dickere Wände. Siehe die Parametertabelle unten.
| Thread | Außendurchmesser D | Länge L | Kunststoff-Spitzenloch | Kunststoffwandstärke W | |
| Durchmesser C | Tiefe Y | ||||
| M1.2 * 0.25 | 2.3 | 2.0 | 2.0 | 3.0 | 0.8 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| M1.2 * 0.25 | 2.5 | 2.0 | 2.2 | 3.0 | 0.8 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| M1.4 * 0.3 | 2.3 | 1.8 | 2.0 | 2.8 | 0.8 |
| 2.0 | 3.0 | ||||
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| M1.4 * 0.3 | 2.35 | 2.0 | 2.1 | 3.0 | 0.8 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 4.0 | 5.0 | ||||
| M1.4 * 0.3 | 2.5 | 2.0 | 2.2 | 3.0 | 0.8 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| M1.4 * 0.3 | 2.7 | 2.0 | 2.3 | 3.0 | 0.8 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| M1.6 * 0.35 | 2.5 | 1.8 | 2.2 | 2.8 | 1.0 |
| 2.0 | 3.0 | ||||
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| 4.0 | 5.0 | ||||
| M1.6 * 0.35 | 2.7 | 2.0 | 2.3 | 3.0 | 1.0 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| 4.0 | 5.0 | ||||
| M1.6 * 0.35 | 3.0 | 2.0 | 2.6 | 3.0 | 1.0 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| 4.0 | 5.0 | ||||
| M1.7 * 0.35 | 3.0 | 2.0 | 2.6 | 3.0 | 1.2 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| 4.0 | 5.0 | ||||
| M1.8 * 0.35 | 3.0 | 2.0 | 2.6 | 3.0 | 1.2 |
| 2.5 | 3.5 | ||||
| 3.0 | 4.0 | ||||
| 3.5 | 4.5 | ||||
| 4.0 | 5.0 | ||||
5.5 Häufige Probleme und Lösungen
1) Die korrekte Dimensionierung der Bohrung im Kunststoffansatz ist entscheidend. Ist die Bohrung zu groß, greift der Kunststoff nach dem Einpressen nicht ausreichend in die Mutter, was zu unzureichendem Drehmoment und geringer Auszugsfestigkeit führt. Ist die Bohrung zu klein, können Grate oder Risse entstehen.
2) Wenn die Abmessungen der Mutter und des Kunststoffs korrekt sind, die Probleme aber weiterhin bestehen, sollten Sie eine Verbesserung der Konstruktion in Betracht ziehen.
Da die Kunststoffaufnahme flach ist, kann die Verwendung einer Doppel-Schrägrundmutter nach der Dimensionierung der Mutter zu einem kurzen Rändelbereich führen. Im eingepassten Zustand greift zu wenig Kunststoff in die Rändelung ein, was zu unzureichendem Drehmoment und geringer Auszugsfestigkeit führt. Daher wird generell empfohlen, dass die Kunststoffaufnahme mindestens 2.5 mm tief und die Mutter mindestens 2.0 mm lang ist.
Verbesserungsvorschlag: Sollte eine Modifizierung der Form schwierig sein, empfiehlt sich die Änderung des Mutternrändelmusters auf ein einfach schräges BS1-Muster (siehe Abbildung rechts). Dadurch erhöht sich die Stufenhöhe der Rändelung und die Menge des mit der Rändelung in Eingriff stehenden Kunststoffs, was das Drehmoment und die Auszugsfestigkeit verbessert.
3) Grate oder Risse um das Loch im Kunststoffansatz herum.
Bei Verwendung der links abgebildeten Mutter dehnen sich die Bereiche A1 und A2 nach dem Einbetten der Mutter in den Kunststoff aus, während sich Bereich B stark zusammenzieht. Dadurch kann der Kunststoff nur schwer abfließen, und es kann sich an den oberen und unteren Enden der Mutter Grat bilden, was das Erscheinungsbild des Produkts erheblich beeinträchtigt.
Verbesserung: Abschnitt C dient als Führung und Positionierungselement, um die Mutter sicher im Kunststoffloch zu platzieren und so Effizienz und Ausbeute zu steigern. Der Führungsabschnitt bei C ermöglicht es, etwas Kunststoff aus Bereich A2 zu verdrängen, während für Bereich A1 ausreichend Kunststoff verbleibt. Zusätzlich weisen die Abschnitte A1 und A2 schräge Rändelungen mit einem Öffnungswinkel von 90° und einer Neigung von 45° auf. Deren Schnittpunkt bildet einen stabilen Knotenpunkt, der dem Umfangsdrehmoment widersteht und so die Drehmoment- und Auszugsfestigkeit deutlich erhöht.
