In der Produktentwicklung entscheidet sich der spätere Fertigungserfolg bereits in der Konstruktionsphase. Ein zu geringer Radius, eine unzureichende Entformschräge oder lokale Wandstärkenschwankungen können im weiteren Prozess erhebliche Auswirkungen haben. Dazu gehören Verzögerungen im Werkzeugbau, kostenintensive Nacharbeiten oder auch funktionale Einschränkungen des Bauteils.
Gerade bei Kunststoff-Tiefziehteilen wie Maschinenverkleidungen oder industriellen Trays ist die frühzeitige Berücksichtigung fertigungstechnischer Anforderungen (Design for Manufacturing) entscheidend. Hier setzen digitale Softwares zur Machbarkeitsbewertung an, die bereits im CAD-Modell für Klarheit sorgen.
Herausforderungen im Design for Manufacturing
Design for Manufacturing (DfM) verfolgt ein klares Ziel: Bauteile so zu gestalten, dass sie effizient, wirtschaftlich und reproduzierbar gefertigt werden können. Anstatt Probleme erst im Werkzeugbau oder in der Produktion zu erkennen, werden potenzielle Schwachstellen bereits im Design identifiziert und behoben. Was sich zunächst positiv anhört, bringt jedoch auch einige Herausforderungen mit sich, denn Konstrukteure stehen heute unter enormem Druck: Entwicklungszyklen werden kürzer, die Variantenvielfalt steigt, und gleichzeitig müssen Qualität und Kosten stimmen. Die klassische Vorgehensweise bringt dabei mehrere Herausforderungen mit sich:
- Zeitaufwändige Prüfprozesse: Manuelle Analysen von Wandstärken oder Entformschrägen kosten Zeit
- Subjektive Bewertungen: Einschätzungen variieren je nach Erfahrungsstand
- Kommunikationsaufwand: Rückfragen zwischen Konstruktion und Werkzeugbau verzögern Projekte
- Späte Fehlererkennung: Probleme werden oft erst erkannt, wenn Änderungen teuer sind
Die Konsequenz, die sich daraus zieht, sind langwierige Iterationen, steigende Kosten und verzögerte Markteinführungen.
Die fertigungsgerechte Auslegung von Kunststoff-Tiefziehteilen basiert auf einer Reihe grundlegender geometrischer und prozesstechnischer Zusammenhänge. Bereits kleine Abweichungen können die Bauteilqualität, Reproduzierbarkeit und Wirtschaftlichkeit erheblich beeinflussen.
Maßhaltige Seite und Formverfahren
Die Wahl des Formverfahrens bestimmt, welche Seite Ihres Tiefziehteils [A] maßhaltig gefertigt werden kann:
Negativformen [B]: Das Material wird gegen die werkzeugzugewandte Außenseite gepresst. Nur die Außenseite ist maßhaltig. Die Innenkontur hängt ebenfalls vom Materialfluss ab.
Positivformen [C]: Das Material liegt auf der werkzeugzugewandten Innenseite an. Nur die Innenseite kann genau bemaßt werden. Die Außenkontur ergibt sich durch das Streck- und Fließverhalten.
Umform- bzw. Ziehverhältnis
Das Ziehverhältnis beschreibt die Materialverstreckung während des Tiefziehens und ist entscheidend für die resultierende Wanddickenverteilung. Hohe Verstreckungen führen insbesondere beim Negativformen zu Ausdünnungen im Bodenbereich, während beim Positivformen tendenziell gleichmäßigere Wandstärken erzielt werden.
Entformschrägen
Ausreichende Wandschrägen sind essenziell für eine sichere Entformung. In der Praxis werden häufig Mindestwinkel von etwa 3° angesetzt, wobei die tatsächlichen Anforderungen stark von Material, Geometrie und Bauteildicke abhängen.
Radien und Übergangskonturen
Radien sind beim Tiefziehen konstruktiv vorgegeben und beeinflussen die Umformbarkeit. Großzügige Übergänge und gleichmäßige Radien reduzieren Spannungen im Material, verhindern Faltenbildung und minimieren das Risiko von Rissen.
Verstrebungen zur Bauteilstabilisierung
Bei dünnwandigen Bauteilen können Verstrebungen gezielt zur Erhöhung der Steifigkeit eingesetzt werden. Dabei ist jedoch auf ausreichende Abstände zu achten, da zu enge Rippenstrukturen das Materialverhalten negativ beeinflussen und die Tiefziehbarkeit verschlechtern können. Das sind nur einige, aber nicht alle Konstruktionskriterien beim Tiefziehen. Ob ein Tiefziehteil fertigungsgerecht ausgelegt ist, hängt auch vom komplexen Zusammenhang zwischen unterschiedlichen Geometrien, Materialien und Materialstärken, sowie dem Fertigungsprozess zusammen. Die Konstruktionsmöglichkeiten im Tiefziehverfahren sind vielfältig und erfordern tiefgreifendes Knowhow und Erfahrung.
Automatisierte DfM-Analyse
Die Vielzahl dieser Einflussgrößen zeigt, wie komplex die fertigungsgerechte Auslegung von Tiefziehteilen in der Praxis ist. Genau hier setzen automatisierte DfM-Analysen an: Sie übertragen diese Konstruktionsregeln in digitale Prüfmechanismen und machen sie bereits im CAD-Modell sichtbar und bewertbar. Ein Beispiel für diesen Ansatz ist der von Formary entwickelte Tiefzieh-Check, der speziell auf die Anforderungen von Kunststoff-Tiefziehteilen ausgelegt ist. Das Tool analysiert 3D-Daten (stl, .step, .stp, .obj, .gltf, .glb.) innerhalb weniger Sekunden und stellt fertigungskritische Aspekte visuell dar. Die Anwendung erfolgt browserbasiert, sodass keine Installation erforderlich ist und Analysen ohne zusätzlichen Integrationsaufwand durchgeführt werden können.
Was wird analysiert?
Die im Tiefzieh-Check integrierte DfM-Analyse umfasst unter anderem:
- Wandstärkenverteilung: Erkennung von zu dünnen oder zu dicken Bereichen mittels Farbcodierung
- Entformschrägen: Identifikation kritischer Geometrien, die eine Entnahme erschweren
- Radien: Prüfung auf tiefziehtaugliche Mindestgeometrien
- Verstreckungsverhältnis: Simulation der Materialverteilung während des Umformprozesses
- Kantenbewertung: Analyse von Stanz- und Fräskanten für die Nachbearbeitung
- Engstellen und Details: Sichtbarmachung nicht abbildbarer oder kritischer Strukturen
Das Ergebnis ist eine visuelle, objektive und sofort verfügbare Bewertung der Fertigbarkeit und das direkt im CAD.
Mehr als eine Analyse: Ein neues Verständnis von Entwicklung
Der eigentliche Mehrwert solcher Systeme, wie dem Tiefzieh-Check von Formary, liegt nicht nur in der Geschwindigkeit, sondern im Paradigmenwechsel: Die Fertigung wird nicht mehr nachgelagert betrachtet, sondern als integraler Bestandteil der Konstruktion.
Das hat konkrete Vorteile: Probleme werden erkannt, bevor sie im Werkzeugbau oder in der Serie Kosten verursachen, automatisierte Analysen reduzieren Rückfragen und Abstimmungsschleifen, farbcodierte Ergebnisse schaffen Transparenz und vermeiden Interpretationsspielräume, auch Konstrukteure ohne tiefgehende Fertigungserfahrung erhalten eine fundierte Entscheidungsunterstützung und insbesondere im Seriengeschäft zeigt sich der Effekt deutlich: Weniger Iterationen bedeuten kürzere Time-to-Market und stabilere Prozesse.
Digitale DfM-Analysen als Schlüssel zur wettbewerbsfähigen Fertigung
Die Anforderungen an die Produktentwicklung steigen kontinuierlich. Gleichzeitig werden die Zeitfenster immer enger. Unternehmen, die Fertigungsaspekte frühzeitig in den Entwicklungsprozess integrieren, verschaffen sich einen entscheidenden Vorteil. Automatisierte DfM-Analysen, wie sie beispielsweise im formary Tiefzieh-Check umgesetzt sind, ermöglichen genau das: Sie machen Fertigbarkeit messbar, sichtbar und unmittelbar bewertbar, und das bereits im CAD-Modell.
Autorin: Lisa-Marie Bittner, Co-Founderin bei Formary
