Toleranzmanagement in der Elastomerverarbeitung

Elastomere müssen sich verformen können und anschließend möglichst zuverlässig in ihre ursprüngliche Form zurückkehren. Genau diese Eigenschaft macht sie für Dichtungen, Dämpfungselemente, Membranen und zahlreiche technische Formteile interessant. Gleichzeitig erschwert sie die Einhaltung enger Maßtoleranzen.

Ein funktionierendes Toleranzmanagement berücksichtigt deshalb nicht nur das Sollmaß einer technischen Zeichnung. Werkstoff, Bauteilgeometrie, Werkzeug, Fertigungsverfahren, Vulkanisation, Lagerung und Messbedingungen müssen gemeinsam betrachtet werden.

Für Maßtoleranzen von Produkten aus Gummi beziehungsweise vulkanisierten Elastomeren ist insbesondere die DIN ISO 3302-1 relevant. Sie definiert unterschiedliche Toleranzklassen und schafft damit eine gemeinsame Grundlage für Konstruktion, Fertigung und Qualitätssicherung.

Warum sind Toleranzen bei Elastomeren besonders anspruchsvoll?

Elastomere reagieren wesentlich stärker auf mechanische und thermische Einflüsse als viele metallische oder thermoplastische Werkstoffe. Schon das Messen selbst kann das Ergebnis beeinflussen, wenn ein weiches Bauteil durch die Messkraft verformt wird.

Hinzu kommen mehrere fertigungs- und werkstoffbedingte Einflussgrößen:

• Schwindung während und nach der Vulkanisation
• Temperatur während der Verarbeitung
• Druck und Werkzeugfüllung
• Werkstoffrezeptur und Härte
• Bauteilgeometrie und Wandstärken
• Entformung des Bauteils
• Nachschrumpfung und Relaxation
• Lagerungs- und Prüfbedingungen

Toleranzen sollten deshalb bereits während der Konstruktion festgelegt werden. Werden unnötig enge Anforderungen erst nach Abschluss der Werkzeugkonstruktion definiert, können zusätzliche Werkzeugkosten, Nacharbeit oder unnötig hohe Ausschussquoten entstehen.

Weitere Grundlagen zum Einfluss von Temperatur, Feuchtigkeit und Werkstoffverhalten finden Sie im Beitrag zur dimensionalen Stabilität bei Kunststoffen.

DIN ISO 3302-1: Maßtoleranzen für Gummiformteile

Die DIN ISO 3302-1 legt Klassen für Maßtoleranzen von Formteilen sowie von extrudierten und kalandrierten Produkten aus massivem Gummi fest. Die Vorgaben sind in erster Linie für vulkanisierten Gummi vorgesehen, können aber auch für Produkte aus thermoplastischem Gummi geeignet sein.

Für Formteile werden vier Toleranzklassen unterschieden:

Toleranzklasse	Einordnung	Typische Bedeutung für die Fertigung
M1	sehr fein	besonders hohe Anforderungen an Werkzeug und Prozessbeherrschung
M2	fein	erhöhte Anforderungen an die Maßhaltigkeit
M3	mittel	praxisgerechte Toleranzklasse für viele technische Formteile
M4	grob	größere zulässige Maßabweichungen

Dabei gilt nicht automatisch: Je enger die Toleranz, desto besser das Bauteil. Eine unnötig enge Tolerierung kann Werkzeug- und Prüfaufwand erhöhen, ohne die spätere Funktion zu verbessern.

Für Konstrukteure ist deshalb die Frage wichtiger, welches Maß für die Funktion tatsächlich kritisch ist.

Formgebundene und formschlussgebundene Maße

Bei Elastomerformteilen spielt außerdem eine Rolle, wie ein Maß innerhalb des Werkzeugs entsteht.

Die DIN ISO 3302-1 unterscheidet zwischen formgebundenen Maßen (F) und formschlussgebundenen Maßen (C).

Formgebundene Maße (F) werden innerhalb desselben Werkzeugteils erzeugt. Sie lassen sich in der Regel genauer kontrollieren.

Formschlussgebundene Maße (C) werden durch das Zusammenwirken verschiedener Werkzeugteile beziehungsweise durch den Formschluss bestimmt. Zusätzliche Einflüsse aus Werkzeugbewegung und Werkzeugteilung können hier größere Abweichungen verursachen.

Bei der Zeichnungserstellung sollte deshalb nicht nur das Nennmaß betrachtet werden. Auch die Lage des Bauteils im Werkzeug kann Einfluss darauf haben, welche Toleranz wirtschaftlich reproduzierbar ist.

Maßtoleranzen und geometrische Toleranzen unterscheiden

Maßtoleranzen und geometrische Toleranzen sollten bei Elastomerbauteilen getrennt betrachtet werden.

Die DIN ISO 3302-1 behandelt Maßtoleranzen.

Für geometrische Anforderungen wie Ebenheit, Parallelität, Rechtwinkligkeit, Koaxialität oder Position ist ISO 3302-2 relevant.

Diese Unterscheidung ist besonders bei komplexeren Formteilen wichtig. Ein Außendurchmesser kann beispielsweise innerhalb seiner zulässigen Maßtoleranz liegen, während eine geometrische Abweichung trotzdem die Montage oder Funktion beeinträchtigt.

In technischen Zeichnungen sollten daher ausschließlich die funktionsrelevanten Maße und Geometrien mit entsprechend engen Anforderungen versehen werden.

Welche Faktoren beeinflussen die Maßhaltigkeit von Elastomeren?

Werkstoff und Rezeptur

Elastomere sind keine vollständig starren Werkstoffe. Kautschukbasis, Füllstoffe, Weichmacher, Vernetzungssystem und weitere Rezepturbestandteile beeinflussen unter anderem Härte, Elastizität, Schwindung und Rückstellverhalten.

Eine Änderung der Mischung kann deshalb auch Auswirkungen auf die Maßhaltigkeit haben. Bei der Materialauswahl sollten deshalb nicht nur mechanische Eigenschaften, sondern auch Temperaturverhalten, Medienbeständigkeit und langfristige Dimensionsstabilität berücksichtigt werden.

Einen Überblick über die verfügbaren technischen Materialien finden Sie im Bereich Werkstoffe. Wie sich aggressive Medien auf technische Kunststoffe und Bauteileigenschaften auswirken können, erläutern wir außerdem im Beitrag zur chemischen Beständigkeit von Kunststoffen.

Bauteilgeometrie

Unterschiedliche Wandstärken, massive Materialanhäufungen, filigrane Bereiche und lange Fließwege können zu unterschiedlichen Abkühl- und Schwindungsverhältnissen führen.

Eine toleranzgerechte Konstruktion beginnt daher bei einer möglichst fertigungsgerechten Geometrie. Auch bei der späteren Kunststoffbearbeitung beeinflussen Geometrie, Aufspannung und Bearbeitungsstrategie die erreichbare Maßhaltigkeit.

Werkzeugauslegung

Werkzeugteilung, Entlüftung, Kavitäten, Anspritzung und Entformung beeinflussen die Reproduzierbarkeit eines Formteils.

Besonders enge Toleranzen können deshalb eine präzisere Werkzeugauslegung und zusätzlichen Abstimmungsaufwand während der Bemusterung erforderlich machen.

Bei extrudierten Bauteilen kommen zusätzlich Prozessparameter wie Werkzeuggeometrie, Materialfluss und Abkühlung hinzu. Mehr zum grundsätzlichen Verfahren erfahren Sie unter Extrudieren.

Temperatur und Vulkanisation

Temperatur, Zeit und Druck beeinflussen die Vernetzung eines Elastomers. Schwankende Prozessbedingungen können dadurch auch Maßabweichungen verursachen.

Bei toleranzkritischen Bauteilen ist eine reproduzierbare Prozessführung deshalb genauso wichtig wie ein präzises Werkzeug.

Entformung und Nachschrumpfung

Nach dem Entformen befindet sich ein Elastomerbauteil nicht zwangsläufig sofort in seinem endgültigen Maßzustand.

Abkühlung, Relaxation und werkstoffabhängige Nachschrumpfung können die Abmessungen noch verändern. Deshalb müssen auch Zeitpunkt und Bedingungen der Messung definiert werden.

So lassen sich Toleranzen konstruktiv sinnvoll festlegen

Ein gutes Toleranzmanagement beginnt mit der Funktion des Bauteils.

Statt jedes Maß möglichst eng zu tolerieren, sollten Konstrukteure unterscheiden zwischen:

• funktionskritischen Maßen
• montagekritischen Maßen
• dichtungsrelevanten Flächen und Geometrien
• Referenzmaßen
• nicht funktionskritischen Abmessungen

Enge Toleranzen sollten dort eingesetzt werden, wo sie für Dichtwirkung, Montage, Führung, Kraftübertragung oder Lebensdauer benötigt werden.

Bei weniger kritischen Bereichen können größere Toleranzfelder wirtschaftlicher sein.

Auch das spätere Einsatzgebiet spielt dabei eine Rolle. Im Maschinen- und Anlagenbau können beispielsweise andere Anforderungen an Maßhaltigkeit und Belastbarkeit gelten als in der Medizintechnik oder in der Lebensmittelindustrie.

Messung und Qualitätssicherung bei Elastomerbauteilen

Auch ein korrekt gefertigtes Elastomerbauteil kann falsch bewertet werden, wenn ungeeignete Messmethoden eingesetzt werden.

Bei weichen Materialien können taktile Messgeräte das Bauteil bereits durch die aufgebrachte Messkraft verformen. Für bestimmte Geometrien bieten sich deshalb berührungslose optische Messverfahren an.

Je nach Bauteil und Anforderung kommen beispielsweise infrage:

• optische Messsysteme
• Profilprojektoren und Konturmessgeräte
• 3D-Messsysteme
• taktile Messverfahren mit kontrollierter Messkraft
• automatisierte Bildverarbeitung
• computertomografische Messverfahren für komplexe beziehungsweise innenliegende Geometrien

Wichtig sind reproduzierbare Prüfbedingungen. Temperatur, Lagerungsdauer, Positionierung und Messmethode sollten festgelegt werden, damit Ergebnisse zwischen Produktion, Qualitätssicherung, Lieferant und Kunde vergleichbar bleiben.

Neben den Abmessungen kann bei Elastomeren auch die Härte ein relevanter Qualitätsparameter sein. Weitere Informationen finden Sie in unserem Beitrag zu Härteprüfverfahren für Kunststoffe und Elastomere.

Normgerechte Prozesse und dokumentierte Qualität sind gerade bei toleranzkritischen Bauteilen wichtig. Einen Überblick über entsprechende Nachweise erhalten Sie unter Zertifikate und Qualität.

Toleranzmanagement von der Entwicklung bis zur Serie

In einer stabilen Serienfertigung sollte das Toleranzmanagement nicht erst bei der Endkontrolle beginnen.

Ein sinnvoller Ablauf ist:

1. Funktionsanforderungen definieren: Welche Maße und Geometrien beeinflussen die Funktion?
2. Werkstoff festlegen: Welche Schwindungs-, Härte- und Alterungseigenschaften sind zu erwarten?
3. Toleranzen festlegen: Welche Toleranzklasse ist technisch erforderlich und wirtschaftlich sinnvoll?
4. Werkzeug darauf abstimmen: Werkzeugteilung, Kavitäten und Schwindung berücksichtigen.
5. Bauteile bemustern: Reale Fertigungsergebnisse mit den Anforderungen vergleichen.
6. Messbedingungen definieren: Messverfahren und Prüfzeitpunkt festlegen.
7. Serienprozess überwachen: Prozessänderungen und Trends frühzeitig erkennen.

Bei höheren Stückzahlen können statistische Methoden genutzt werden, um die Prozessfähigkeit zu bewerten und Veränderungen im Fertigungsprozess frühzeitig zu erkennen.

Für Bauteile, die nach der Formgebung zusätzlich präzise bearbeitet werden müssen, können je nach Material und Geometrie Verfahren wie CNC-Fräsen oder CNC-Drehen relevant sein.

Typische Fehler bei der Tolerierung von Elastomerteilen

Toleranzen werden aus Metallbauteilen übernommen

Toleranzen eines Metallteils lassen sich nicht automatisch auf ein Elastomerbauteil übertragen. Materialverhalten und Fertigungsverfahren unterscheiden sich grundlegend.

Alle Maße werden besonders eng toleriert

Mehr Präzision bedeutet häufig mehr Werkzeug-, Fertigungs- und Prüfaufwand. Deshalb sollten vor allem die funktionalen Merkmale eng spezifiziert werden.

Messbedingungen fehlen

Bei elastischen Bauteilen können Messkraft, Temperatur und Prüfzeitpunkt einen deutlichen Einfluss auf das Ergebnis haben.

Werkzeug und Bauteilkonstruktion werden getrennt betrachtet

Die erreichbare Genauigkeit hängt wesentlich davon ab, wie ein Maß im Werkzeug erzeugt wird. Konstruktion und Werkzeugkonzept sollten deshalb früh aufeinander abgestimmt werden.

Materialeigenschaften werden nicht berücksichtigt

Härte, Rezeptur, Temperaturverhalten oder Medienkontakt können die Dimensionen und Eigenschaften eines Elastomerbauteils verändern. Zusätzlich können je nach Anwendung regulatorische und dokumentationsbezogene Anforderungen bestehen. Weitere Hintergründe finden Sie im Beitrag Materialkonformität und Produktzulassung.

Wirtschaftliche Vorteile eines systematischen Toleranzmanagements

Richtig festgelegte Toleranzen verbessern nicht nur die technische Qualität. Sie können auch die Wirtschaftlichkeit der Fertigung erhöhen.

Realistische Spezifikationen helfen dabei,

• unnötig aufwendige Werkzeuge zu vermeiden,
• Prüfaufwand zu reduzieren,
• Ausschuss und Nacharbeit zu senken,
• Produktionsprozesse stabiler auszulegen und
• Reklamationen aufgrund unterschiedlicher Mess- oder Toleranzinterpretationen zu vermeiden.

Gleichzeitig können stabile Prozesse Material- und Energieverluste reduzieren. Damit leistet ein systematisches Toleranzmanagement auch einen Beitrag zu einer ressourcenschonenden Produktion. Mehr dazu erfahren Sie im Bereich Nachhaltigkeit bei Martan Plastics sowie im Fachbeitrag Nachhaltigkeit bei Elastomeren.

Toleranzen frühzeitig mit Werkstoff und Fertigung abstimmen

Bei Elastomerbauteilen entsteht Präzision aus dem Zusammenspiel von Konstruktion, Werkstoff, Werkzeug, Fertigungsprozess und Qualitätssicherung.

Die DIN ISO 3302-1 bietet eine wichtige Grundlage für die Definition von Maßtoleranzen. Für geometrische Anforderungen ergänzt ISO 3302-2 die Betrachtung.

Für die Praxis gilt: Nicht die kleinstmögliche Toleranz ist automatisch die beste Lösung. Sinnvoll ist eine Spezifikation, die die Funktion des Bauteils zuverlässig absichert und gleichzeitig reproduzierbar sowie wirtschaftlich gefertigt werden kann.

Wenn Sie technische Bauteile für anspruchsvolle industrielle Anwendungen entwickeln, unterstützt Martan bei der Auswahl geeigneter Werkstoffe, Fertigungsverfahren und konstruktiver Lösungen. Einen Überblick über die verschiedenen Lösungen von Martan Plastics erhalten Sie auf der entsprechenden Übersichtsseite.

FAQ

Welche Toleranzen gelten für Elastomerteile?

Für Maßtoleranzen von Formteilen sowie extrudierten und kalandrierten Produkten aus massivem Gummi ist insbesondere DIN ISO 3302-1 relevant. Welche Toleranz angewendet werden sollte, hängt vom Fertigungsverfahren, Nennmaß und der benötigten Toleranzklasse ab.

Was bedeuten M1, M2, M3 und M4 bei Gummiformteilen?

M1 bis M4 sind Toleranzklassen für Formteile. M1 steht für besonders enge beziehungsweise sehr feine Anforderungen, während M4 größere Maßabweichungen zulässt. Welche Klasse sinnvoll ist, sollte anhand der Bauteilfunktion und des Fertigungsprozesses festgelegt werden.

Was ist der Unterschied zwischen F- und C-Maßen?

F bezeichnet formgebundene Maße, die durch denselben Werkzeugbereich bestimmt werden. C bezeichnet formschlussgebundene Maße, deren Entstehung vom Zusammenwirken unterschiedlicher Werkzeugbereiche abhängt. Dadurch können sich unterschiedliche erreichbare Toleranzen ergeben.

Welche Norm gilt für Form- und Lagetoleranzen bei Elastomeren?

Für geometrische Toleranzen wie Ebenheit, Parallelität, Rechtwinkligkeit, Koaxialität und Position ist ISO 3302-2 relevant. DIN ISO 3302-1 behandelt dagegen die Maßtoleranzen.

Warum sind enge Toleranzen bei Elastomeren aufwendiger?

Elastomere können sich während Herstellung, Entformung, Abkühlung, Lagerung und Messung verformen. Je enger die geforderte Toleranz ist, desto stärker müssen Werkstoff, Werkzeug, Prozessführung und Prüfbedingungen kontrolliert werden.

Wie lassen sich Maßabweichungen bei Elastomerteilen reduzieren?

Hilfreich sind eine fertigungsgerechte Bauteilgeometrie, ein geeignetes Werkzeugkonzept, stabile Vulkanisationsbedingungen, eine kontrollierte Materialqualität und eindeutig definierte Messbedingungen. Toleranzkritische Merkmale sollten bereits während der Entwicklung identifiziert werden.