Schnappverbindungen für Kunststoffe: Arten, Design, Auswahl

Schnappverbindungen sind dabei unerlässlich im modernen Produktdesign, insbesondere, wenn es um Kunststoffbaugruppen aus dem Spritzguss oder dem 3D-Druck geht. Diese Art von Verbindungselementen bietet eine kosteneffektive Lösung für den schnellen und einfachen Zusammenbau und die Zerlegung, ohne dass dafür Schrauben, Klebstoffe oder andere Hardware erforderlich wäre.

Schnappverbindungen bieten zudem noch weitere Vorteile gegenüber anderen Befestigungsmethoden. Ihre Kosteneffizienz, basierend auf dem Verzicht auf Schrauben oder Klebstoffen, reduziert sowohl Material- als auch Arbeitskosten. Die Verbindungen sind schneller zu montieren, erlauben eine automatisierte Produktion und eine reduzierte Zykluszeit. Darüber hinaus tragen Schnappverbindungen zu leichtgewichtigen Designs bei, indem sie die zusätzliche Hardware reduzieren und dementsprechend das Gesamtgewicht des Produktsverringern. Viele Designs sind dabei wiederverwendbar und können sowohl relativ einfach montiert als auch demontiert werden, was ideal für Produkte ist, die häufiger gewartet oder aufgerüstet werden sollen oder können.

Es ist darüber hinaus wichtig die geltenden Industrienormen einzuhalten, um sowohl Sicherheit als auch Leistung der Schnappverbindungen zu gewährleisten. Besonders in Branchen wie dem Automobilbau oder dem Gesundheitssektor. Normen wie ISO 11469 stellen zum Beispiel sicher, dass Kunststoffteile, inklusive der Schnappverbindungen, für das Recycling identifizierbar sind und somit zur Nachhaltigkeit beitragen. Währenddessen leiten Normen wie ASTM D638 oder ISO 527 die Bestimmung der Eigenschaften wie der Zugfestigkeit an, und erlauben damit Ingenieuren im Rahmen der Materialauswahl jene Materialien zu wählen, die den realen Beanspruchungs- und Belastungsbedingungen standhalten können und somit robuste und zuverlässige Konstruktionen gewährleisten.

Der Kleine Hosentaschenratgeber für Schnappverbindungen

Die folgende Tabelle hebt die Schlüsselaspekte hervor, die Ihnen (sowohl im 3D-Druck als auch im Spritzguss) als einfache Referenz dienen können:

Spritzguss vs. 3D-Druck für Schnappverbindungen

Die Entscheidung für Spritzguss oder 3D-Druck als Schnappverbindungen hängt von Faktoren wie dem Produktionsvolumen, der erforderlichen und möglichen Präzision sowie den Leistungseigenschaften des Materials ab. Die folgende Tabelle vergleicht die beiden Fertigungsmethoden.

Neben dem eingesetzten Verfahren spielt im 3D-Druck auch das ausgewählte Material eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Gesamtleistung und Haltbarkeit des Entprodukts. Im 3D-Druck hat jedes Verfahren einen ganz eigenen Satz aus Vor- und Nachteilen.

• Fused Deposition Modeling (FDM) ist eines der kosteneffektivsten Verfahren für die Herstellung von Schnappverbindungen, wobei es jedoch im Vergleich zu anderen 3D-Druckverfahren die geringste Genauigkeit aufweist. Für optimale Ergebnisse beim Einsatz von FDM ist es ratsam ein belastbares Material wie ABS, Nylon oder TPU zu verwenden, da diese die erforderliche Flexibilität und Festigkeit bieten, die für eine zuverlässige Schnappverbindung notwendig ist.
• Selektives Lasersintern (SLS) eignet sich besser für funktionale Prototypen und häufig verwendete Endprodukte, da es gegenüber FDM und SLA bessere Materialeigenschaften bietet. Insbesondere SLS-Nylon ist für seine hohe Reißfestigkeit und Langlebigkeit bekannt.
• Die Multi-Jet-Fusion von HP (MJF) ist eine weitere Option für die Erzeugung robuster Schnappverbinder, wie zum Beispiel aus Nylon PA 12 und Polypropylen, die beide sowohl Haltbarkeit als auch Präzision bieten. Für die bestmöglichen Ergebnisse mit MJF ist es jedoch erforderlich einige spezifische Designvorgaben einzuhalten, wie zum Beispiel einer Mindestbasisdicke von 1 mm bei Freiträgern und Sicherstellung der richtigen Überhangtiefen. Diese Überlegungen tragen alle dazu bei, die Zuverlässigkeit und Leistung der gedruckten Schnappverbindungen zu verbessern.
• Stereolithographie (SLA) während dieses Verfahren detaillierte Teile erzeugen kann, sind diese jedoch oft als Schnappverbindungen eher spröde, was sich aus den verwendeten Harzen ergibt. Für Anwendungen, die mehrfach einzusetzenden Schnappverbindungen vorsehen, sollten unbedingt sehr haltbare SLA – Harze priorisiert werden, um das Risiko eines Versagen der Teile im Laufe der Zeit abzumildern.

Freitäger/Kragarm – Schnappverbindungen

Die freitragende Schappverbindung ist die am häufigsten eingesetzte Schnappverbindung. Sie besteht aus einem hervorstehenden Balken (dem Ausleger), der sich während der Montage zur Seite biegt, damit der hervorstehende Kopf des Balkens in einen Schlitz oder eine Hinterschneidung am anderen Teil eingreifen kann.  Sobald die Verbindung erfolgt, kehrt der Ausleger in seinen Ausgangszustand zurück und die Teile werden miteinander verriegelt.

• Anwendungsgebiete: Häufiger Einsatz in der Unterhaltungselektronik, bei Spielzeugen und kleineren Gehäusen. Seine Einfachheit macht den Freiträger sehr kosteneffizient und leicht herzustellen, insbesondere im Spritzguss.
• Vorteile: Freitragende Schnappverbindungen erlauben eine einfache Montage und Demontage ohne zusätzliche Werkzeuge. Sie sind höchst vielseitig und können an verschiedene Materialien angepasst werden, zu denen ABS, Polypropylen und Polycarbonat gehören.
• Herausforderungen: Freitragende Schnappverbindungen leiden oft unter Spannungskonzentrationen an der Basis des Trägers, was zu Materialermüdung und damit zum Materialversagen führen kann, insbesondere bei hoher Beanspruchung. Um diese Spannungskonzentrationen zu verringern, können Produktentwickler Kehlen oder abgerundete Übergänge an der Basis einsetzen, damit sich die Last gleichmäßiger verteilen kann. Die Wahl flexiblerer Materialien wie Polypropylen oder Nylon können dabei zusätzlich die Ermüdungsbeständigkeit verbessern.
• Lastkapazität: Gering bis Mittel
• Wiederverwendbarkeit :Hoch
• Geeignete Fertigungsverfahren: Spritzguss, 3D-Druck

Für die Berechnung einer freitragenden Schnappverbindung können sie einen Rechner für Schnappverbindungen verwenden.

Torsions – Schnappverbindung

Eine Torsions-Schnappverbindung basiert darauf, dass sich eine Stange eher dreht als biegt. Die Stange dient dabei als Torsionsfeder, die es dem Haken am Ende ermöglicht, ein- aber auch auszurasten. Diese Art der Schnappverbindung ist ideal dafür geeignet, wenn eine möglichst einfache Trennung der Teile erforderlich ist.

• Anwendugnsgebiete: Torsions-Schnappverbindungen funktionieren sehr gut in Gehäusen, ausbaubaren Paneelen und den Gehäusen von Produkten, die schnell montiert und demontiert werden müssen.
• Vorteile: Das kontrollierte Lösen der Verbindung erlaubt eine einfache Demontage ohne die Teile zu beschädigen. 
• Herausforderungen: Torsions-Schnappverbindungen sind aufgrund der Drehbewegung, die für das Ein- und Ausrasten erforderlich ist, anfälliger für Materialermüdung. Dies führt mit der Zeit zu Verschleiß. Ein Ansatz in dieser Hinsicht ist die Verwendung von Materialien mit hoher Torsionsfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit, wie Nylon oder Polycarbonat, die die Lebensdauer der Verbindung effektiv verlängern können. Darüber hinaus trägt die Gewährleistung angemessener Abstände dazu bei, dass die übermäßigen Lasten während des Betriebs des Verbinders reduziert werden, was effektiv den Verschleiß vermindert.
• Lastkapazität: Gering bis Mittel
• Wiederverwendbarkeit: Gering
• Geeignete Fertigungsverfahren: Spritzguss, 3D-Druck

U-förmige Schnappverbindung

Eine U-förmige Schnappverbindung ist so gesehen ein doppelseitiger Ausleger, der Flexibilität an beiden Gelenkenden bieten kann. Im Vergleich zu einem einzelnen freitragenden Ausleger bietet diese Verbindung eine bessere Ausrichtung und erhöhte Flexibilität.

• Anwendungsgebiete: Insbesondere sehr nützlich für Verpackungen und bei Gehäusen für Produkte, die Flexibilität und Fehlausrichtungstoleranzen bei der Montage erfordern. Diese Verbindung wird zudem häufig in Verbindung mit klammerartigen Mechanismen in gemeinsamen Baugruppen verwendet, bei denen die Teile unter wenig optimalen Ausrichtungsbedingungen zusammengeschnappt werden müssen.
• Vorteile: Die verbesserte Flexibilität reduziert den Bedarf für Präzision während der Montage, wodurch diese deutlich schneller und innerhalb deutlich weiterer Toleranzen erfolgen kann.
• Herausforderungen: U-förmige Schnappverbindungen verlieren im Laufe der Zeit an Flexibilität, insbesondere bei Anwendungen bei denen die Verbindung häufig geöffnet und geschlossen wird. Dies kann dementsprechend dazu führen, dass die Verbindung lockerer wird und nicht mehr so effektiv ist. Die Auswahl hochflexibler Materialien wie thermoplastischer Elastomere (TPEs) oder Polypropylen können dabei helfen die Flexibilität länger aufrecht zu erhalten. Der Entwurf einer Verbindung mit einer leichten Vorlast (indem die Teile im Zusammenbau leicht zusammengepresst werden müssen) kann ebenso sicherstellen, dass die Verbindung im Laufe der Zeit verlässlicher bleibt.
• Lastkapazität: Gering bis Mittel
• Wiederverwendbarkeit :Hoch
• Geeignete Fertigungsverfahren: Spritzguss, 3D-Druck

L-förmige Schnappverbindung

Eine L-förmige Schnappverbindung bietet einen seitlichen Halt und verriegelt Teile miteinander über einen seitlich liegenden Verriegelungsmechanismus. Im Gegensatz zu einem freitragenden Schnappverbinder, der entlang einer vertikalen Achse eine Verbindung herstellt, sichern die L-förmigen Verbinder die Teile gegeneinander mit Krafteinwirkung entlang einer horizontalen Achse, wodurch sie ideal für Verriegelungsmechanismen an der Seite sind.

• Anwendungsgebiete: In der Regel in der Verpackung oder als Gehäusedeckel bei denen Seitenkräfte eingedämmt werden müssen. Sie sind ideal für Schnappdeckel oder Gehäuse, die eine sichere Verriegelung erfordern. 
• Vorteile: Bietet exzellente seitliche Haltekräfte, die ein unbeabsichtigtes Lösen aufgrund von seitlichem Aufprall oder Vibrationen verhindern. 
• Challenges: L-förmige Schnappverbindungen sind empfindlich gegenüber seitlichem Druck, der zu einer Verformung oder einem Versagen führen kann, falls die Verbindung nicht ausreichend gestützt ist, und dies zudem bei Anwendungen passiert, bei denen die seitlichen Lasten sehr hoch sind. Die Verstärkung der seitlichen Stützen mit dickeren Wandabschnitten und die Verwendung von Materialien mit hoher Schlagfestigkeit wie ABS oder Polycarbonat können die Handhabung von seitlichen Kräften durch die Verbindung verbessern. Die Einbeziehung von gerippten Verstärkungen an der Schnittstelle der Verriegelungen kann ebenfalls die Haltbarkeit verbessern.
• Lastkapazität:Mittel 
• Wiederverwendbarkeit:Mittel
• Geeignete Fertigungsverfahren: Spritzguss, 3D-Druck

Ringförmige Schnappverbindung

Eine ringförmige Schnappverbindung bildet einen kreis- oder ringförmigen Verbinder, der einrastet, und eine 360° – Verbindung rund um das Gegenstück der Verbindung eingeht. Dieses Gegenstück ist dabei in der Regel ebenfalls zylindrisch aufgebaut.

• Anwendungsgebiete: Rinförmige Schnappverbindungen sind ideal für versiegelnde Verbindungen geeignet, wie sie zum Bespiel bei Kosmetikbehältern, Gläsern, Flaschendeckeln oder auch Kugelgelenkverbindungen in der Automobilindustrie zu finden sind.  Die dauerhafte Verbindung stellt eine dichte Versiegelung sicher und führt zu hoher Effizienz in Einsatzgebieten mit flüssigkeits- oder luftdichten Baugruppen.
• Vorteile: Die gleichförmige Verbindung verteilt die Lasten sehr gleichmäßig entlang des Umfangs des Gegenstücks, wodurch das Risiko eines lokalen Spannungsversagens durch die verschließende Kraft deutlich verringert wird. Somit eignet es sich ideal für Anwendungen, in denen sichere und gleichzeitig langfristig wirksame Verbindung entscheidend sind. 
• Herausforderungen: Ringförmige Schnappverbindungen haben eine Schwäche bei Toleranzproblemen in der Herstellung. Insbesondere bei Schrumpfungen im Spritzguss kann schnell die Dichtheit der Verbindung kompromittiert werden. Das führt dann entweder zu einer lockeren Verbindung oder zu einem übermäßigen erforderlichen Kraftaufwand bei der Montage. Eine sorgfältige Qualitätskontrolle der Toleranzen, sowie die Anpassung des Entwurfs an die zu erwartende Materialschrumpfung können dazu beitragen, dass die richtige Passform sichergestellt wird. Materialien wie Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP), die über eine konsistente Schrumpfungsrate verfügen werden am häufigsten für diese Art von Verbindung eingesetzt um die Passgenauigkeit zu gewährleisten.
• Lastkapazität: Hoch (360°)
• Wiederverwendbarkeit:Mittel
• Geeignete Fertigungsverfahren: Spritzguss, 3D-Druck

Toleranzen bei Schnappverbindungen

Die korrekten Toleranzen sind entscheidend für die Funktion der Schnappverbindungen, insbesondere im Spritzguss und im 3D-Druck.  Nachfolgend finden Sie allgemeine Richtlinien zu den Toleranzen:

Wie wählen Sie die richtige Schnappverbindung aus?

Die Auswahl der richtigen Schnappverbindung erfordert ein umfassendes Verständnis der Anwendungsumgebung, der Anforderungen an die Tragfähigkeiten und die geeigneten Materialien. Hier eine Kurzfassung:

• Anwendungsumbegung
  • High-load environments: Use annular snap-fits for cylindrical components like bottle caps or seals where 360° engagement is needed.
  • Low-load environments: For lower-stress applications like electronic housings, cantilever snap-fits are practical and easy to assemble.
• Anforderungen an die Lastkapazität
  • Freitragende Schnappverbindungen eignen sich am besten für geringe bis mittlere Lasten.
  • Ringförmige Schnappverbindungen bieten eine überragende Lastenverteilung für Anwendungen mit hohen Lasten.
• Materialauswahl: Die Auswahl des geeignetsten und passendsten Materials ist entscheidend für die Leistung der Verbindung. Hier eine kurze Anleitung:

Alternative Befestigungsmethoden

Ist eine robustere und haltbarere oder präzisere Verbindung vonnöten, als sie von einer Schnappverbindung gewährleistet werden kann, können noch andere Verbindungsmethoden eingesetzt werden. Das Verständnis der Grenzen  der Schnappverbindungen und der spezifischen Designanforderungen gibt Ihnen die Möglichkeit die passendste alternative Befestigungsmethode für Ihr Projekt zu wählen. 

Es ist zudem wichtig zu bedenken, dass in einer Vielzahl von Geräten, Bauteilen und Entwürfen eine Kombination aus Schnappverbindungen und alternativen Verbindungen verwendet wird, um das Design im Hinblick auf die Vorteile der verschiedenen Befestigungsmethoden hin zu optimieren. Die folgende Tabelle umreißt dabei Szenarien, in denen Schnappverbindungen versagen können, und schläft dabei gleich geeignete alternative Befestigungsmethoden vor.

Der Weg zu Nachhaltigen und Effizienten Verbindungslösungen

Schnappverbindungen sind eine vielseitige, kosteneffiziente Lösung für Kunststoffteile aus dem Spritzguss oder 3D-Druck. Durch die Auswahl der passenden Art von Schnappverbindung, des richtigen Materials und unter Beachtung der Herausforderungen im Design, können Ingenieure langlebige Baugruppen erstellen, die passende auf Ihre Anwendung zugeschnitten sind. Das Verständnis der unterschiedlichen Verbindungsmethoden und die Bewältigung der Herausforderungen des Designs, wie zum Beispiel der Umgang mit Spannungskonzentrationen und Materialermüdung, stellt sicher, dass eine Verbindung sowohl langlebig als auch leistungfähig ist.

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