Heim / Nachricht / Branchennachrichten / Schrumpfung beim Spritzgießen: Berechnung, ABS/PP/Nylon-Raten und Leitfaden zum Formendesign
Die Schrumpfung beim Spritzgießen ist die einflussreichste Variable für die Erzielung von Maßhaltigkeit bei geformten Kunststoffteilen. Jedes thermoplastische Material schrumpft, wenn es bei Raumtemperatur vom geschmolzenen Zustand in der Kavität in ein festes Teil übergeht. Die Frage ist nicht, ob eine Schrumpfung auftritt, sondern um wie viel, in welche Richtung und wie vorhersehbar sie durch die Formkonstruktion ausgeglichen werden kann. Das Verstehen und Beherrschen der Schrumpfung ist von grundlegender Bedeutung für den Erfolg beim ersten Werkzeugeinsatz, die Produktion von Teilen mit engen Toleranzen und die Vermeidung kostspieliger Formkorrekturen nach dem Schneiden von Stahl.
Dieser Leitfaden behandelt die Physik der Schrumpfung, Berechnungsmethoden, materialspezifische Raten für gängige Harze, die entscheidende Unterscheidung zwischen linearer und volumetrischer Schrumpfung, die Rolle der Kühlung, Kompensationsstrategien für die Formkonstruktion und die nachgelagerten Auswirkungen auf die Maßgenauigkeit.
Schrumpfung beim Spritzgießen ist die Verringerung der Abmessungen, die ein geformtes Kunststoffteil zwischen dem Moment, in dem es die Form verlässt, und seinem endgültigen stabilen Zustand bei Raumtemperatur erfährt. Sie wird als Verhältnis – typischerweise in Millimeter pro Millimeter (mm/mm) oder äquivalent als Prozentsatz – der Differenz zwischen der Formhohlraumabmessung und der entsprechenden Teilabmessung geteilt durch die Formhohlraumabmessung ausgedrückt.
Schrumpfung arises from three overlapping physical mechanisms:
Der Unterschied zwischen Schimmelschrumpfung (im geschlossenen Werkzeug auftretend, vom Hohlraumdruck bis zum Auswerfen) und Schrumpfung nach dem Formen (die nach dem Auswerfen im Laufe der Zeit auftritt) ist praktisch wichtig: Die Schrumpfung nach dem Formen kann noch lange anhalten 24–96 Stunden nach dem Auswurf bei teilkristallinen Materialien und muss bei der Maßkontrolle und den Toleranzdefinitionen berücksichtigt werden.
Der Standard Schrumpfungsberechnung Die beim Formenbau verwendete Formel lautet:
S = (L Schimmel − L Teil ) / L Schimmel
Wo S ist der Schrumpfungsfaktor (ausgedrückt als mm/mm oder als Dezimalzahl), L Schimmel ist die Hohlraumdimension und L Teil ist die gemessene Teilabmessung unter Standardbedingungen (typischerweise 23 °C, 24 Stunden nach dem Auswerfen gemäß ISO 294-4).
So berechnen Sie die erforderliche Formhohlraumabmessung aus einer Zielteilabmessung:
L Schimmel = L Teil / (1 − S)
Ausgearbeitetes Beispiel: Ein PP-Teil benötigt eine Fertiglänge von 100,00 mm. Das Materialdatenblatt gibt eine Schrumpfungsrate von 1,5 % (S = 0,015) an. Die Hohlraumabmessungen sollten wie folgt zugeschnitten werden:
L Schimmel = 100,00 / (1 − 0,015) = 100,00 / 0,985 = 101,52 mm
In der Praxis ist die Schrumpfung anisotrop – sie unterscheidet sich in der Strömungsrichtung gegenüber dem Querrichtung , insbesondere bei glasfaserverstärkten Typn und in Teilen mit erheblichen Wandstärkenschwankungen. Bei einer strikten Formkonstruktion werden daher richtungsdifferenzierte Schrumpfungswerte verwendet, die typischerweise aus einer Formflusssimulationssoftware (Moldfließen, Moldex3D oder gleichwertig) abgeleitet werden, und nicht nur aus Datenblattdurchschnitten.
Zu den Schlüsselvariablen, die den effektiven Schrumpfwert vom nominalen Wert im Datenblatt verschieben, gehören:
Schrumpfung can be expressed in two fundamentally different ways, and the distinction matters for both measurement practice and mold compensation strategy.
Lineare Schrumpfung (nach ASTM D955 oder ISO 294-4 auch Formschrumpfung genannt) misst die Dimensionsänderung entlang einer einzelnen Achse – typischerweise der Fließrichtung oder Querrichtung eines standardisierten Teststabs. Dabei handelt es sich um den in Materialdatenblättern veröffentlichten Wert, der direkt bei der Berechnung der Hohlraumabmessungen verwendet wird. Die linearen Schrumpfungswerte für gängige Thermoplaste liegen zwischen 0,1 % (PMMA, PC) zu Ende 3,0 % (ungefülltes HDPE, POM) .
Volumenschrumpfung beschreibt die Gesamtvolumenverringerung des Teils vom geschmolzenen in den festen Zustand, wobei die Schrumpfung in allen drei Dimensionen gleichzeitig berücksichtigt wird. Es beträgt ungefähr – aber nicht genau – das Dreifache des linearen Schrumpfungswerts für isotrope Materialien. Bei anisotropen Materialien (glasgefüllte, orientierte oder stark angespritzte Teile) ist die Beziehung komplexer, da sich die Schrumpfung in Fließrichtung von der Querschrumpfung um den Faktor unterscheiden kann 2–4× .
Die volumetrische Schrumpfung ist die von der Spritzguss-Simulationssoftware vorhergesagte Größe und wird zur Bewertung des Risikos verwendet Einfallstellen und Hohlräume — beides tritt auf, wenn die Oberfläche erstarrt, bevor ausreichend Material in den Kern gepackt wurde, um die Volumenverringerung während des Abkühlens auszugleichen. Eine volumetrische Schrumpfungsdifferenz größer als 6–8 % zwischen der Oberflächenhaut und dem Kern in einem dicken Abschnitt ist ein zuverlässiger Indikator für sichtbare Einsenkungen oder innere Hohlräume.
ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) ist ein amorpher Thermoplast, was bedeutet, dass ihm der Kristallisationsmechanismus fehlt, der bei halbkristallinen Harzen zu einer hohen Schrumpfung führt. Die ABS-Schrumpfrate ist entsprechend niedrig und vorhersehbar, typischerweise im Bereich von 0,4–0,8 % (0,004–0,008 mm/mm) für ungefüllte Sorten.
Hauptmerkmale des ABS-Schrumpfverhaltens:
Die geringe, gleichmäßige Schrumpfung von ABS macht es zum bevorzugten Material für ästhetische Teile mit engen Toleranzen – Gehäuse für Unterhaltungselektronik, Innenverkleidungen für Kraftfahrzeuge und Gehäuse für medizinische Geräte –, bei denen die Wiederholbarkeit der Abmessungen bei der Massenproduktion von entscheidender Bedeutung ist.
Polypropylen (PP) ist ein teilkristallines Polymer und sein Schrumpfverhalten spiegelt den starken Einfluss der Kristallisation auf die Dimensionsänderung wider. Die PP-Schrumpfrate für ungefüllte Homopolymertypen reicht von 1,5–2,5 % – etwa drei- bis fünfmal höher als ABS – was es zu einem der am häufigsten verwendeten Standardharze mit der höchsten Schrumpfung macht.
Kritische Faktoren beim PP-Schrumpfungsmanagement:
Nylon (Polyamid) weist ein einzigartig komplexes Schrumpfprofil auf, da sein Dimensionsverhalten nicht nur durch die Kristallisation während des Formens, sondern auch durch beeinflusst wird Feuchtigkeitsaufnahme nach dem Auswurf – ein Phänomen, das die Schrumpfung teilweise ausgleicht und in den Toleranzspezifikationen für Nylonkomponenten berücksichtigt werden muss, die in feuchten oder eingetauchten Umgebungen betrieben werden.
The Nylon-Schrumpfrate Werte für die gängigsten Sorten sind:
Der Feuchtigkeitsabsorptionseffekt ist erheblich: PA6 im trockenen Zustand (DAM) absorbiert bis zu 2,5–3,5 Gew.-% Feuchtigkeit im Gleichgewicht unter feuchten Bedingungen, was zu einer Dimensionsausdehnung von führt 0,5–0,9 % Dadurch wird die Formschrumpfung teilweise wiederhergestellt. Ingenieure, die Nylonteile für eine präzise Passform entwerfen, müssen definieren, ob die Toleranz im DAM-Zustand, bei einem Gleichgewicht von 50 % relativer Luftfeuchtigkeit (ISO-Standardatmosphäre) oder bei voller Sättigung gilt – und müssen den Formstahl entsprechend zuschneiden.
Die Kühlung ist die Phase des Spritzgießzyklus mit dem größten Einfluss auf das Ausmaß und die Verteilung der Schrumpfung – und damit auf die Maßhaltigkeit und das Verzugsverhalten des fertigen Teils. Der Einfluss der Kühlung auf die Schrumpfung Es funktioniert über mehrere Mechanismen, die der Verfahrenstechniker gleichzeitig verwalten muss.
Bei teilkristallinen Polymeren steuert die Abkühlgeschwindigkeit direkt den erreichten Kristallinitätsgrad: langsamere Abkühlung → vollständigere Kristallisation → höhere Schrumpfung . Ein PP-Teil, das in einer auf 80 °C gehaltenen Form gekühlt wird, schrumpft bei sonst gleichen Bedingungen messbar stärker als das gleiche Teil, das auf 20 °C gekühlt wird. Dieser Zusammenhang wird bei der Gestaltung von Formkühlkreisläufen ausgenutzt – für Anwendungen, die eine minimale Schrumpfung erfordern, wird die Formtemperatur bewusst niedrig gehalten; Für Anwendungen, bei denen die Stabilität nach dem Formen und eine gleichmäßige Kristallinität über dicke Wände hinweg Priorität haben (z. B. Präzisionszahnräder), ist eine höhere, kontrollierte Formtemperatur vorzuziehen, selbst auf Kosten einer höheren Nennschrumpfung.
Es kommt zu einer ungleichmäßigen Kühlung des gesamten Teils – verursacht durch ungleichmäßige Kühlkreislaufanordnung, erhebliche Wandstärkenschwankungen oder asymmetrische Gussstahlmasse unterschiedliche Schrumpfung : Verschiedene Bereiche des Teils ziehen sich unterschiedlich stark zusammen und erzeugen innere Spannungen und Verzug, wenn das Teil eine Gleichgewichtsform anstrebt. Differenzielle Schrumpfung von nur ca 0,1–0,2 % Der Abstand zwischen den Kern- und Hohlraumseiten eines flachen Teils reicht aus, um eine sichtbare Krümmung in einer 200-mm-Platte zu erzeugen.
Konforme Kühlkanäle – hergestellt durch additiv gefertigte Formeinsätze, die der Teilekontur in gleichmäßigem Abstand folgen – sind die effektivste technische Lösung für eine gleichmäßige Kühlung und verkürzen die Zykluszeit 20–40 % und Verzug um vergleichbare Margen im Vergleich zu herkömmlichen gebohrten Kanälen.
Eine unzureichende Abkühlzeit – das Auswerfen des Teils, bevor die Kerntemperatur unter die Wärmeformbeständigkeit (HDT) des Materials gefallen ist – ermöglicht eine Verformung nach dem Auswerfen, da der noch weiche Kern weiter gegen eine bereits verfestigte Haut schrumpft. Das Ergebnis ist Verzug, Senkung oder beides. Als allgemeine Regel gilt, dass das Teil abgekühlt werden sollte, bis es fertig ist Der heißeste Punkt in der Wand hat mindestens 20 °C unter dem HDT erreicht bevor Auswurfkräfte angewendet werden.
Die Reduzierung der Schrumpfung – oder genauer gesagt die Reduzierung der Schrumpfungsvariabilität – erfordert einen koordinierten Ansatz bei der Materialauswahl, dem Formendesign und den Prozesseinstellungen. Die folgenden Strategien sind in der Reihenfolge ihrer Hebelwirkung aufgeführt:
Effektiv Schimmel design for shrinkage compensation beginnt mit der Erkenntnis, dass die Kavität im Vergleich zu den Abmessungen des Zielteils absichtlich um den erwarteten Schrumpfungsbetrag überdimensioniert werden muss – und dass diese Überdimensionierung richtungsgebunden und nicht gleichmäßig angewendet werden muss, um der Anisotropie Rechnung zu tragen.
Alle Hohlraumabmessungen in Fließrichtung, Querrichtung und Richtung durch die Dicke werden um den entsprechenden Richtungsschrumpfungsfaktor nach oben skaliert, bevor das Formdesign zur Bearbeitung freigegeben wird. Für ein Teil mit einem 50-mm-Feature in Fließrichtung von PP-Homopolymer (S flow = 2,0 %), das Hohlraummaß wird auf 50 / (1 − 0,020) = geschnitten 51,02 mm . Die Querabmessung für dasselbe Feature, wobei S quer = 1,5 %, wird auf 50 / (1 − 0,015) = gekürzt 50,76 mm .
Das Tordesign bestimmt direkt die Verpackungseffizienz und damit die Schrumpfung. Grundprinzipien:
Angesichts der Empfindlichkeit der effektiven Schrumpfung gegenüber Prozessbedingungen und der Unsicherheit bei der Vorhersage genauer Werte für eine bestimmte Geometrie wenden erfahrene Werkzeugbauer a an Stahlsichere Strategie : Hohlräume werden absichtlich am unteren Ende des erwarteten Schrumpfungsbereichs geschnitten (wodurch ein übergroßes Teil entsteht, das durch Entfernen von Stahl auf Toleranz gebracht werden muss – d. h. Öffnen des Hohlraums). Dies ist weitaus kostengünstiger als das umgekehrte Szenario, bei dem der Hohlraum zu groß ausgeschnitten wurde und Stahl durch Schweißen hinzugefügt werden muss.
Die Formflusssimulation spielt eine entscheidende Rolle bei der Schrumpfungsvorhersage vor dem Schneiden von Stahl. Moderne Simulationstools können die Schrumpfung im Inneren vorhersagen 0,1–0,2 % der tatsächlichen Werte für gut charakterisierte Materialien, wodurch die Abhängigkeit von konservativen stahlsicheren Toleranzen verringert und aggressivere Genauigkeitsziele für den ersten Schnitt ermöglicht werden.
Schrumpfung affects dimensional accuracy through three distinct failure modes, each requiring a different corrective approach:
Wenn die bei der Kavitätskonstruktion angewendete Schwindung von der tatsächlich in der Produktion erzielten Schwindung abweicht, werden alle Teileabmessungen systematisch in eine Richtung verschoben. Dies ist der einfachste Fehlermodus: Teile sind während des gesamten Produktionslaufs ständig über- oder unterdimensioniert. Sie wird durch Anpassung der Hohlraumabmessungen (Stahlentfernung oder -zugabe) korrigiert, nachdem Produktionsversuche die tatsächliche effektive Schrumpfung im validierten Prozessfenster ermittelt haben.
Unterschiedliche Schrumpfung – verursacht durch Wanddickenschwankungen, asymmetrische Abkühlung oder stark orientierte glasfaserverstärkte Materialien – führt zu Verzug: Das Teil verformt sich aus der Ebene, da sich verschiedene Bereiche unterschiedlich stark zusammenziehen. Verzug kann nicht durch Kavitätsskalierung korrigiert werden; Es erfordert eine Änderung des Kühlkreislaufdesigns, der Anschnittposition, der Teilegeometrie (Hinzufügen von Rippen, um Biegungen standzuhalten) oder der Materialauswahl. In schweren Fällen wird die Kavität absichtlich in die entgegengesetzte Richtung der erwarteten Verformung vorverformt – eine Technik, die manchmal als „ „Vorverformungskompensation“ – so dass der verzogene Teil in die flache Zielgeometrie zurückspringt.
Selbst bei einer korrekt kompensierten Kavität verringert die schrumpfungsbedingte Dimensionsvariabilität zwischen den Schüssen die Prozessfähigkeit (Cpk). Zu den Quellen der Variabilität von Schuss zu Schuss gehören Schwankungen des Haltedrucks, der Schmelzetemperatur, der Kühlwassertemperatur und des Gegendrucks. Eine hochpräzise Produktion – insbesondere für medizinische Geräte, optische Komponenten und mechanische Baugruppen mit engen Toleranzen – erfordert eine strenge Prozesskontrolle über alle diese Variablen hinweg mit einer Wiederholgenauigkeit des Haltedrucks von ±0,5 % oder besser gesagt, eine gängige Spezifikation für die Auswahl von Präzisionspressen.
| Material | Type | Schrumpfung Rate (unfilled) | Schrumpfung Rate (GF30) | Anisotropierisiko |
|---|---|---|---|---|
| ABS | Amorph | 0,4–0,8 % | 0,1–0,3 % | Niedrig |
| PC | Amorph | 0,5–0,7 % | 0,1–0,3 % | Niedrig |
| PP (Homopolymer) | Teilkristallin | 1,5–2,5 % | 0,4–0,8 % | Mäßig–Hoch |
| PA6 (Nylon 6) | Teilkristallin | 0,8–1,5 % | 0,3–0,5 % | Hoch (GF-Noten) |
| PA6.6 (Nylon 6.6) | Teilkristallin | 1,0–2,0 % | 0,3–0,6 % | Hoch (GF-Noten) |
| POM (Acetal) | Teilkristallin | 2,0–3,5 % | 0,5–1,0 % | Hoch (GF-Noten) |
| HDPE | Teilkristallin | 2,0–4,0 % | N/A (selten GF) | Mäßig |
Schrumpfung rates range from approximately 0.1% for rigid amorphous materials such as PMMA, up to 4.0% or more for unfilled semi-crystalline polymers such as HDPE and POM. Most common engineering resins fall in the range of 0.4–2.5%. Material datasheets always publish a nominal shrinkage range; the actual value achieved in production depends on wall thickness, mold temperature, holding pressure, and gate design.
Halbkristalline Polymere unterliegen während der Erstarrung einer zusätzlichen Volumenverringerung, wenn sich Molekülketten in geordneten kristallinen Bereichen organisieren – ein Phasenübergang, der eine erhebliche Dichtezunahme mit sich bringt. Amorphen Polymeren fehlt dieser Kristallisationsmechanismus und sie schrumpfen nur aufgrund der thermischen Kontraktion, wodurch wesentlich niedrigere und besser vorhersagbare Schrumpfwerte entstehen.
Während der Haltephase wird zusätzliche Schmelze unter Druck in die Kavität gedrückt, um die Volumenverringerung beim Erstarren des Teils auszugleichen. Durch einen höheren Haltedruck wird mehr Material in das gleiche Hohlraumvolumen gepackt, wodurch sich der Dimensionsunterschied zwischen der Hohlraumgröße und der endgültigen Teilegröße direkt verringert. Der Haltedruck ist der effektivste einzelne Prozessparameter zur Kontrolle des Schrumpfungsausmaßes.
Schrumpfung is the uniform reduction in size of a part as it cools. Warpage is distortion — out-of-plane bending or twisting — caused by differential shrinkage at different locations within the same part. Shrinkage is corrected by scaling the mold cavity; warpage requires changes to cooling circuit design, gate location, wall thickness uniformity, or material selection, and cannot be corrected by cavity scaling alone.
Industriestandard gemäß ISO 294-4 ist die Messung der Schrumpfung 16–24 Stunden nach dem Auswerfen bei 23 °C und 50 % relativer Luftfeuchtigkeit. Bei teilkristallinen Materialien mit erheblicher Kristallisation nach dem Formen (PP, PA, POM) sind 48–72 Stunden repräsentativer für die endgültige stabile Dimension. Nylonteile, die im Betrieb Feuchtigkeit absorbieren, sollten sowohl im Trockenzustand (DAM) als auch nach der Feuchtigkeitskonditionierung gemessen werden, um den gesamten Abmessungsbereich in der gesamten Einsatzumgebung zu verstehen.
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