Methoden zum Einbringen von Gewinden für den Kunststoff-Spritzguss

Manche Umspritzen von Spritzgussteilen erfordern, dass montierte Kunststoffteile auseinandergenommen und wieder zusammengebaut werden. In diesen Fällen ist ein Gewindeeinsatz aus Metall die beste Befestigungsmethode. Wie können diese Einsätze am besten in ein Teil eingebaut werden? Hersteller von Befestigungselementen und Branchenexperten geben Einblicke in Überlegungen und erläutern vier Einfügungsmethoden.
Die Grundlagen
Beachten Sie bei der Auswahl des besten Einsatztyps und Einfügeverfahrens für Ihre Anwendung die folgenden Überlegungen:

Festigkeitsanforderungen – Die wichtigsten Festigkeitsfaktoren sind der Widerstand des Einsatzes gegen Herausziehen aus dem Teil (Auszugskraft) und der Widerstand des Einsatzes gegen Verdrehen im Teil, wenn der Gegenverschluss verdreht wird (Ausdrehkraft). Je länger der Einsatz, desto größer der Auszugswiderstand; je größer der Durchmesser des Einsatzes, desto größer die Drehmomentkapazität. Das Rändelmuster ist ebenfalls entscheidend; mehr dazu weiter unten.
Materialien – Je nach Anwendung sind sowohl das Kunststoffmaterial als auch das Einsatzmaterial wichtig. Bei zwei Einsetzverfahren – Ultraschall und Heißnieten – wird zuvor geformter Kunststoff wieder aufgeschmolzen, sodass sie nur für Thermoplaste geeignet sind. Bei Duroplasten besteht die Möglichkeit, den Einsatz einzuformen oder den Einsatz später kalt zu pressen. Dabei wird die Elastizität des Harzmaterials entscheidend.

Das gängigste Material für den Gewindeeinsatz selbst ist Messing. Da jedoch die Anforderungen an die Nachhaltigkeit steigen, werden bleifreie Alternativen wie Edelstahl oder Aluminium immer beliebter. Werkzeuge aus Edelstahl
Kosten – Da Gewindeeinsätze von Anfang an in das Teil eingegossen oder später in das Teil eingepresst werden können, sollten Sie die Gesamtkosten des Vorgangs berücksichtigen. Dazu gehören Formzeit und -kosten, Komponentenhandhabung und Montage. Um die Kompromisse besser zu verstehen, hier ein kurzer Blick auf die vier wichtigsten Einfügungsprozesse:
1. Heißniet-Gewindeeinsätze
Ideal für:
Thermoplaste
Hohe Leistung kombiniert mit niedrigen Installationskosten
Beim Heißnieten und Ultraschalleinsetzen wird mit einem vorgeformten Loch (Größe vom Einsatzhersteller angegeben) begonnen, das etwas kleiner als der Außendurchmesser des Einsatzes ist und während des Formprozesses geformt oder nachträglich gebohrt werden kann. Die Außenwand des Einsatzes kann gerade oder konisch sein. Sowohl gerade als auch konische Einsätze lassen sich gut auf das Befestigungselement ausrichten (solange das Loch richtig geformt ist), wobei sich selbstausrichtende konische Einsätze leichter und schneller einpressen lassen.
Beim Heißnieten wird der Einsatz mithilfe einer Heißpresse so weit erhitzt, dass er beim Eindrücken in das Teil einen kleinen Teil des Lochumfangs schmilzt. Das erweichte Harz fließt in das Rändelmuster und härtet dann aus, um eine starke Verbindung mit dem Einsatz herzustellen. Heißnieten ist das gängigere Verfahren für Thermoplaste, da der Prozess leicht zu steuern, relativ kostengünstig und gut für die Automatisierung geeignet ist (mehrere Einsätze können gleichzeitig eingepresst werden).

2. Ultraschallunterstützte Gewindeeinsätze
Ideal für:
Thermoplaste
Hohe Gesamtleistung

Ebenso kann Ultraschall eingesetzt werden, um den Randbereich im Loch zu schmelzen. Anstatt Hitze anzuwenden, erzeugt der Ultraschallprozess eine Vibrationsfrequenz, um den Kunststoff zu schmelzen. Seine Geschwindigkeit ist mit dem Heißnieten vergleichbar, erfordert jedoch eine präzise Steuerung und kann eine größere Prozessaufprallzone erzeugen, was zu einer Materialfragmentierung führen kann. Der Ultraschallprozess kann auch laut und schwieriger zu automatisieren sein, weshalb er weniger wahrscheinlich verwendet wird, insbesondere von Werkstätten, die noch kein Ultraschallschweißen durchführen.

3. Geformte Gewindeeinsätze
Ideal für:
Duroplaste und Thermoplaste
Beste Auszugs- und Drehmomentleistung

Bei eingegossenen Einsätzen wird ein Stift in den Formkern eingearbeitet oder eingesetzt. Der Einsatz wird dann bei jedem Zyklus des Formprozesses über den Stift gelegt. Bei diesem Verfahren umhüllt das Harz den Einsatz vollständig, was im Allgemeinen die beste Gesamtverbindung ergibt und einen nachfolgenden Einsetzvorgang überflüssig macht. Dieses Verfahren erfordert jedoch einen komplexeren Kern mit engen Toleranzen zwischen dem Stift und dem Einsatz. Außerdem nimmt das Einlegen des Einsatzes zwischen jedem Zyklus der Spritzgussmaschine Zeit in Anspruch.
In-Mold-Einsätze können „durchgehende Gewinde“ haben, d. h. beide Enden des Einsatzes sind offen, sodass fester Kontakt mit den Kern- und Hohlraumoberflächen erforderlich ist, um zu verhindern, dass Harz in den Einsatz fließt. Oder sie können „blinde Gewinde“ haben, d. h. ein Ende des Einsatzes ist geschlossen, sodass kein Kontakt mit der Hohlraumoberfläche erforderlich ist – beispielsweise in Fällen mit dickeren Wänden oder wenn auf einer Seite des Hohlraums keine Befestigungselemente vorhanden sein sollten.
4. Kaltgepresste Gewindeeinsätze
Ideal für:
Duroplaste
Einfache Installation bei minimalen Kosten
Ein einfacher Druck genügt
Obwohl sie möglicherweise nicht so leistungsfähig sind wie die oben genannten Typen, sind kaltgepresste Einsätze eine sehr wirtschaftliche Alternative, da sie einfach zu installieren sind und im Allgemeinen keine spezielle Zusatzausrüstung erfordern.
Eine Art von Einpresseinsatz, manchmal auch „Expansionseinsätze“ genannt, hat Schlitze an den Seiten, die es ihnen ermöglichen, sich beim Einsetzen zu biegen und sich einfach mit Fingerdruck einpressen zu lassen. Beim Einbau einer passenden Schraube werden die Seiten dieser Einsätze nach außen gedrückt, um einen „beißenden“ Kontakt mit der Innenwand des Lochs herzustellen. Sie funktionieren im Wesentlichen wie ein ummantelter Zugbolzen, den Sie im Baumarkt finden.

Leistungsstärkere Einpresseinsätze haben feste Körper und erfordern zum Einsetzen eine Presse. Diese Einsätze erfüllen zwar nicht die Festigkeitsstandards von Verfahren, bei denen Kunststoff um den Einsatz herum geschmolzen wird, stellen aber dennoch eine robuste und sehr kostengünstige Alternative zum Einsetzverfahren dar.
Über Rändeln

Rändeltechnik ist ein Metallbearbeitungsverfahren, bei dem ein Muster auf die Außenseite des Werkstücks geschnitten oder gerollt wird. Bei Gewindeeinsätzen ist das Rändelmuster entscheidend und wirkt sich direkt auf den Auszugs- und Drehmomentwiderstand aus.
Gerade Rändelungen (parallel zur Länge des Einsatzes) bieten den größten Drehmomentwiderstand, aber einen geringeren Auszugswiderstand. Rillen zwischen den Rändelbändern erhöhen den Auszugswiderstand.
Diagonale oder spiralförmige Rändelungen gleichen den Widerstand gegen Kräfte in beide Richtungen aus. Sechseckige oder rautenförmige Rändelungen sind wahrscheinlich die gebräuchlichsten und bieten Widerstand in alle Richtungen.
Große Auswahl an Größen

Standard-Gewindeeinsätze für Kunststoffe haben Durchmesser von ca. 1/8″ – 9/16″ bis Längen von 1/8″ – 5/8″, mit Gewindegrößen von #0-80 bis 3/8-16 (M2 bis M10, je nach Typ). Dieser Größenbereich deckt ein breites Anwendungsspektrum in Branchen wie Elektronik, Automobil, Luft- und Raumfahrt, Verteidigung, Medizin, Industrie und Unterhaltungsgeräte ab.

Für physisch kleinere Anwendungen, wie z. B. Handgeräte, sind Mikro-PEM-Einsätze auch in Durchmessern von nur 1 mm (0,039 Zoll) und Längen von nur 1,75 mm (0,069 Zoll) erhältlich. Diese Mikroeinsätze können M1-Befestigungselemente aufnehmen, das kleinste ISO-spezifizierte M-Gewinde. Sie können entweder durch Heißnieten oder Ultraschallverfahren in gerade oder konische Löcher eingebaut werden.

Alle vier Arten von Einfügungsverfahren – Heißnieten, Ultraschall, Stauchen oder Kaltstauchen – bieten einzigartige Vorteile und Möglichkeiten, um Ihre Designanforderungen zu erfüllen. Um eine maximale Einsatzleistung zu erzielen, ist es wichtig, den Einsatztyp zusammen mit der Anwendung, den Kosten und anderen Komponenten zu berücksichtigen.