Was ist Schrumpfung beim Spritzgießen? Der vollständige Leitfaden [2024]

Das Spritzgießen ist eines der beliebtesten Herstellungsverfahren für Kunststoffteile, von winzigen Legosteinen bis hin zu Stoßstangen und Armaturenbrettkomponenten. Doch obwohl diese Technologie alltäglich ist, wissen viele Menschen nicht, was passiert, nachdem geschmolzener Kunststoff in eine Form gespritzt wurde.

Eine der inhärenten Eigenschaften von Kunststoff ist, dass er beim Abkühlen erheblich schrumpft. Diese Schrumpfung ist nicht nur eine Veränderung der Abmessungen, sondern kann auch innere Spannungen verursachen, die zu Verzugeine Verzerrung der Geometrie oder der Abmessungen eines Teils.

Die Beherrschung und Verringerung der Schrumpfung ist ein wesentlicher Aspekt bei der Entwicklung und Herstellung komplizierter Kunststoffteile, die über die gesamte Lebensdauer eines Produkts enge Toleranzen einhalten müssen. In diesem Leitfaden werden Sie als Fachmann Hersteller von Kunststoff-SpritzgussteilenIn meinem Vortrag werde ich erläutern, was die Ursachen für die Schwindung beim Spritzgießen sind, wie sie vorhergesagt und kontrolliert werden kann und welche Strategien zur Verringerung von Fehlern in Ihren Teilen geeignet sind.

Was ist Schrumpfung beim Spritzgießen?

Unter Schrumpfung versteht man die Kontraktion eines Kunststoffformteils beim Abkühlen nach dem Einspritzen in einer Spritzgießmaschine. Im Allgemeinen schrumpfen Kunststoffpolymere zwischen 2-4%, obwohl dies von 0,5% bis zu 10% reichen kann, je nach Kunststoff, Verstärkungsadditiven wie Glasfasern und Details wie Wandstärke. Es ist unmöglich, die Schrumpfung vollständig zu eliminieren, daher muss sie bei der Konstruktion von Kunststoffteilen berücksichtigt werden.

In den extremsten Fällen ist die ungleichmäßige Schrumpfung, die Verzug können Teile so stark verformen, dass sie nicht mehr in die vorgegebenen Toleranzen passen. Verzug kann aber auch auf sehr subtile Weise als leichte Biegungen oder Verdrehungen auftreten, die für das menschliche Auge unsichtbar sind - daher ist die Steuerung der Schrumpfung durch Design- und Verarbeitungsentscheidungen von grundlegender Bedeutung.

Die Dynamik der Schrumpfung und ihre Auswirkungen hängen von einer Kombination verschiedener Faktoren ab:

• Zusammensetzung des Polymers: Wie die Moleküle auf Temperatur- und Druckänderungen reagieren, was sich auf die Schrumpfungstendenz auswirkt. Amorphe Polymere wie ABS weisen ein gleichmäßigeres Verhalten auf, während sich teilkristalline Kunststoffe wie PE und PP anisotrop verhalten.
• Schmelztemperaturen: Höhere Schmelztemperaturen erhöhen im Allgemeinen die Schrumpfung aufgrund der Ausdehnung der Polymerketten.
• Schimmelpilztemperaturen: Eine schnellere Abkühlung erhöht die inneren Spannungen. Heißere Formen erlauben mehr Entspannung der Moleküle vor dem Einfrieren.
• Molekulargewichtsverteilung: Polymere mit höherem Gewicht neigen dazu, stärker zu schrumpfen.
• Vorhandensein von Füllstoffen/Verstärkung: Fasern begrenzen die Schrumpfung entlang ihrer Ausrichtung. Mineralische Füllstoffe verringern die Schrumpfung insgesamt.
• Geometrische Faktoren: Wie Wandstärke, Rippen usw. Dickere Bereiche schrumpfen stärker als dünnere Bereiche, was zu Verformungen führen kann.

Warum schrumpft Kunststoff?

Um zu verstehen, was zur Schrumpfung führt, muss man sich zunächst ansehen, was mit den Polymeren auf molekularer Ebene passiert, wenn sie den Spritzgießprozess durchlaufen.

Molekulares Verhalten in Kunststoffen

Kunststoffe enthalten lange Molekülketten aus sich wiederholenden Einheiten, die miteinander verbunden sind und als Polymere bezeichnet werden. Das Verhalten dieser Ketten - wie geordnet sie sich zusammenfügen - bestimmt, ob ein Material amorph oder teilkristallin ist.

Amorphe Polymere haben eine zufällig gewundene Struktur ohne sich wiederholende Organisation zwischen den Ketten. Beim Erhitzen bilden amorphe Polymere eine frei fließende Flüssigkeit, da sich die Moleküle auseinander bewegen. Beim Abkühlen rücken die verworrenen Ketten näher zusammen, schrumpfen und verfestigen sich an Ort und Stelle, ordnen sich aber nie zu geordneten Strukturen.

Gängige amorphe Kunststoffe:

• Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)
• Polycarbonat (PC)
• Polystyrol (PS)

Teilkristalline Kunststoffe enthalten Bereiche, in denen sich Molekülketten zusammenlagern und geordnete kristalline Bereiche bilden, während andere Bereiche amorph bleiben.

Beim Erhitzen verschmelzen die kristallinen Bereiche mit den amorphen Regionen, aber die Moleküle zeigen immer noch größtenteils in dieselbe Richtung. Beim Abkühlen bilden sich geordnete kristalline Strukturen, die die Moleküle in ein kleineres Volumen ziehen - daher die Schrumpfung.

Gängige teilkristalline Kunststoffe:

• Polyethylen (PE)
• Polypropylen (PP)
• Nylon (PA)

Die hochgradige molekulare Ausrichtung von teilkristallinen Materialien führt zu einer Schrumpfung senkrecht zur Fließrichtung, während amorphe Polymere entlang der Fließrichtung schrumpfen.

Wie der Formprozess Schrumpfung verursacht

Nun zurück zum Spritzgießen: Wie führen die Maschinen- und Werkzeugbedingungen zu Schwund?

Wenn der Kunststoff in einen erhitzten Zylinder eintritt, brechen die Scherkräfte die kristallinen Bereiche auf, während die Erhitzung die Ausbreitung der Molekülketten ermöglicht und das freie Volumen vergrößert.

Anschließend wird das geschmolzene Polymer mit hohem Druck und hoher Geschwindigkeit in einen relativ kühlen Formhohlraum gepresst, der die Bewegung senkrecht zur Fließrichtung einschränkt. Die Moleküle ordnen sich entlang der Fließrichtung an wie Spaghetti in einer Düse.

Bei teilkristallinen Kunststoffen beginnen sich bei sinkender Temperatur wieder geordnete Strukturen zu bilden. Die sich neu ausrichtenden Moleküle haben weniger freies Volumen, was dazu führt, dass sie sich fester zusammenziehen - der Kunststoff schrumpft.

Außerdem entstehen Eigenspannungen zwischen dem heißeren Kern und den kühleren Oberflächenbereichen, die durch die starren Formwände zurückgehalten werden. Die Teile werden versuchen, diese Spannungen abzubauen, wenn sie nach dem Auswerfen aus der Form weiter abkühlen, was zu Verzug führen kann.

Wo tritt die Schrumpfung auf?

Der größte Teil der Schrumpfung findet während des Abkühlens in der Form statt, ein kleinerer Teil kann jedoch nach dem Auswerfen auftreten, wenn sich die Temperatur vollständig stabilisiert.

Die Schrumpfung nach der Formgebung hängt von einigen Faktoren ab:

• Verarbeitungsbedingungen wie Einspritzgeschwindigkeit, Druck und Temperatur
• Wie schnell sich Oberflächenschichten verfestigen und die Molekularbewegung einschränken
• Höhe der Eigenspannungen

Bei amorphen Kunststoffen wie PC und ABS findet beispielsweise mehr Schrumpfung außerhalb der Form statt, da die inneren Bereiche länger geschmolzen bleiben und sich die Polymerketten entspannen können. Oder sehr dünne Teile erstarren schneller und bauen weniger innere Spannungen auf.

Vorhersage und Messung von Schwindungsraten

Jedes Kunststoffmaterial schrumpft unter verschiedenen Bedingungen unterschiedlich. Der erste Schritt, um zu verstehen, wie sich ein Teil verformen kann, ist also die genaue Bestimmung der Schrumpfungsraten.

Die Schwindung wird als prozentuale Änderung der Abmessungen des Spritzgussteils im Vergleich zur Werkzeugstahlform gemessen: Schrumpfung (%) = (Formabmessung - Teileabmessung) / Formabmessung x 100

Die meisten Hersteller von Kunstharzen geben in ihren Materialdatenblättern Angaben zur Schrumpfung an. Ideal ist es jedoch, wenn Sie unter Ihren genauen Produktionsparametern testen. Typische Schrumpfungswerte liegen zwischen:

• Amorphe Polymere: 0.3-0.7%
• Teilkristalline Kunststoffe: Um 2%

Denken Sie daran, dass die Verarbeitungsdetails die Schrumpfung für einen bestimmten Kunststoff beeinflussen. Änderungen der Einspritzgeschwindigkeit, der Temperatur, des Drucks usw. können sich alle auf die Schrumpfungsrate auswirken.

Wie Simulationssoftware Schwindungsraten vorhersagt

Spezialisierte Simulationssoftware kann den Spritzgießprozess für ein bestimmtes Kunststoffteil modellieren, um Verhaltensweisen wie die Schrumpfung vorherzusagen. Sie funktionieren durch digitale Nachahmung von Faktoren wie:

• Rheologische Eigenschaften des Kunststoffs
• Leistung der Formmaschine
• Temperaturen, Geschwindigkeiten, Drücke
• Geometrie des Teils

Dadurch können Ingenieure die Schwindungsneigung und das Verzugsrisiko ihrer Konstruktion visualisieren. Dies ermöglicht es, Optimierungen vorzunehmen, bevor teure Formwerkzeuge angeschafft werden.

Die Simulation hilft auch dabei, den besten Kompromiss zwischen den für die Funktionalität erforderlichen Eigenschaften und den durch Schrumpfung verursachten Verformungsdefekten zu finden. Änderungen können eine Modifizierung der Geometrie, der Anschnittstellen oder sogar sekundäre Operationen beinhalten.

Kontrolle der Schrumpfung beim Spritzgießen

Bei Kunststoffen ist es nahezu unmöglich, die Schrumpfung vollständig zu eliminieren. Durch gezielte Konstruktions- und Prozessentscheidungen kann sie jedoch so weit minimiert werden, dass maßhaltige, funktionale Teile hergestellt werden können.

Strategien zur Verringerung der Kunststoffschrumpfung

Im Folgenden werden einige bewährte Strategien zur Verringerung von Schrumpfungsfehlern vorgestellt:

1. Die richtige Balance zwischen Befüllung, Verpackung und Kühlung

Zu schnelles Füllen - fördert die Ausrichtung der Moleküle und riskiert anisotrope Schrumpfung.

Unzureichend verpackt - führt dazu, dass die inneren Abschnitte des Teils nach dem Auswerfen unvorhersehbar zusammenfallen.

Zu schnelles Abkühlen - führt zu unterschiedlicher Schrumpfung in dicken und dünnen Bereichen und damit zu Verzug.

2. Erhöhung der Werkzeugtemperatur

Ermöglicht die Entspannung der Polymerketten vor der vollständigen Erstarrung und reduziert die inneren Spannungen. Oft sind 30-50°C unter der Schmelztemperatur ideal.

3. Verwendung von Heißkanalsystemen

Die Heißkanäle halten die Angüsse und Kanäle in der Schmelze und eliminieren kalte Butzen, was die erforderliche Fließlänge reduziert und eine Optimierung der Teileabschnitte ermöglicht.

4. Hinzufügen von Glasfasern

Bei etwa 30% verhindern die Fasern die Schrumpfung und verstärken das Material. Reduziert jedoch die Schlagzähigkeit.

5. Ordnungsgemäße Entlüftung von Schimmelpilzen vorsehen

Die Entlüftung verhindert, dass während der Befüllung Luft im Hohlraum eingeschlossen wird und fördert eine vollständige Packung für eine gleichmäßige Schrumpfung.

6. Einsatz des gasunterstützten Spritzgießens

Druckgas wird in den Hohlraum eingeleitet und drückt das Material gegen die Wände, was die Reproduzierbarkeit und Maßgenauigkeit verbessert. Der Druck treibt die Schrumpfung in kleine vorgesehene Hohlkanäle.

7. Überpacken hoher Schrumpfzonen

In der Regel schrumpfen Bereiche entgegen der Fließrichtung stärker, da sich die Moleküle entspannen. Dies kann durch eine bewusst höhere Packungsdichte kompensiert werden.

Konstruktionsregeln zur Minimierung ungleichmäßiger Schrumpfung

Die Konstruktion geeigneter Teilegeometrien trägt enorm zur Stabilität bei, da sich der Kunststoff beim Abkühlen zusammenzieht. Einige Konstruktionsrichtlinien zur Verringerung ungleichmäßiger Schrumpfung sind:

• Einstellung einer möglichst dünnen Gesamtwandstärke für ausreichende Festigkeit. In dicken Zonen ist die Schrumpfung größer als in dünnen Bereichen.
• Begrenzung der Abweichung der Wanddicke zwischen einzelnen Teilen, so dass die Abschnitte einheitlich bleiben. Plötzliche Änderungen führen zu einer bevorzugten Schrumpfung, die dünnere Bereiche verzerrt.
• Einschließlich geeigneter Entformungswinkel an vertikalen Wänden, die ein gleichmäßiges Zusammenziehen beim Ausstoßen ermöglichen und ein Festkleben verhindern.
• Positionierung von Schweiß- und Schweißnahtlinien außerhalb von Bereichen mit hohem Erscheinungsbild oder Toleranz. Diese Bereiche sind von Natur aus anfällig für ungleichmäßige Schrumpfung.
• Die Verwendung von Rippen oder Stützkonstruktionen mit dünnen Profildetails nur dort, wo sie benötigt werden, hilft bei der Bewältigung der Masse. Rippen helfen, unterschiedliche Kontraktionen bei größeren Wänden zu begrenzen, fügen aber zusätzliche Masse hinzu, wenn sie nicht benötigt werden.