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Ursachen für den Verzug von Spritzgussteilen

Autodesk

Formteilqualität

Das Erkennen von Verzug ist einer der einfacheren Aspekte beim Spritzgießen. Wenn sich ein Bauteil verzieht und nicht mehr die korrekte Form besitzt, ist das leicht zu erkennen – auch für den Laien. (Das können alle Eltern bestätigen, die schon einmal ein Spielzeug aus Kunststoffteilen zusammenbauen mussten.)

Es ist jedoch nicht so einfach, die Ursachen für den Verzug eines Bauteils zu verstehen. Die Kenntnis dieser Ursachen ist jedoch unverzichtbar, wenn man Verzug vermeiden will, bevor eine Spritzgussform gebaut ist und Kunststoffteile gefertigt werden.

Gründe für das Schwinden von Kunststoffteilen

Bevor wir uns mit den Ursachen für den Verzug von Bauteilen befassen, müssen wir verstehen, wie und warum Kunststoffteile schwinden. Dafür müssen wir auf molekularer Ebene ansetzen und die Vorgänge beim Schmelzen und Abkühlen von Kunststoffen genauer betrachten. In den meisten Fällen hängen diese Vorgänge von der Art des Materials und von der Verwendung von Füllstoffen oder Faserverstärkungen ab.

1. Amorphe Materialien

Im Zustand des Gleichgewichts besitzen ABS, Polystyrol, Polycarbonat und andere amorphe Polymere eine zufällige, ineinander verwobene molekulare Ausrichtung, ähnlich wie ein Teller Spaghetti. Wenn diese Materialien erhitzt werden, werden die Kräfte zwischen den Molekülen schwächer, und die Moleküle bewegen sich voneinander fort. Zudem führt die Scherung während der Einspritzphase dazu, dass sich einzelne Moleküle abwickeln und der Flussrichtung anpassen. Wenn der Fluss abbricht, entspannen sich die Moleküle und kehren in den Zustand der zufälligen Ausrichtung zurück. Die zwischenmolekularen Kräfte ziehen sie wieder enger zusammen, bis die Temperatur weit genug fällt, damit sie in diesem Zustand erstarren. Diese Kräfte führen zu einer gleichmäßigen Schwindung, doch der Entspannungseffekt sorgt für eine zusätzliche Kontraktion in Flussrichtung.

Amorphous polymer warpage

 

2. Teilkristalline Materialien

Im Gegensatz zu amorphen Materialien weisen teilkristalline Materialien Bereiche mit geordneten, eng gebündelten Molekularstrukturen auf. Wenn sie schmelzen, lösen sich die kristallinen Strukturen. Beim Einspritzvorgang passen sich die Moleküle ähnlich wie die amorphen Polymere der Flussrichtung an. Doch wenn das Material abkühlt, entspannen sich die Moleküle nicht; stattdessen behalten sie ihre Ausrichtung in Flussrichtung bei und beginnen zu rekristallisieren. Dies führt zu einer höheren Schwindung, jedoch ist in diesem Fall der Effekt senkrecht zur Flussrichtung viel stärker.

Crystalline polymer warpage

 

3. Faserverstärktes Material

Wenn der Kunststoff mit Fasern versehen wird, können diese dem Schwindungseffekt aufgrund ihrer Ausrichtung entgegenwirken. Bei Temperaturänderungen dehnen sich die Fasern nicht aus oder ziehen sich zusammen. Sie reduzieren daher die Schwindung in Richtung ihrer Orientierung.

Unterschiede bei der Schwindung

Die Ursache von Verzug ist scheinbar einfach: Unterschiede bei der Schwindung. Einfach ausgedrückt: Wenn ein Bauteil in allen Richtungen gleichmäßig schwindet, wird es zwar kleiner, behält dabei jedoch seine ursprüngliche Form. Wenn jedoch ein Bereich des Bauteils mehr schwindet als die anderen, führen diese Unterschiede zu internen Spannungen. Wenn diese Spannungen die strukturelle Festigkeit des Bauteils überschreiten, verformt sich das Bauteil beim Auswerfen aus der Spritzgussform.

Im Allgemeinen gibt es vier Arten von unterschiedlicher Schwindung.

1. Bereiche mit unterschiedlicher Schwindung.

Dies tritt auf, wenn die Schwindung zwischen Bauteilbereichen in der Nähe des Anschnitts und am Ende der Füllung variiert, oder wenn die Schwindung zwischen dickeren und dünneren Bauteilbereichen differiert. Im Grunde schwindet ein Bereich stärker als ein anderer.

2. Unterschiedliche Schwindung über die Wandstärke.

Dies tritt auf, wenn die Schwindung auf einer Seite des Querschnitts deutlich von der Schwindung auf der anderen Seite abweicht. Dieser Unterschied der Schwindung kann dazu führen, dass sich das Bauteil biegt, da eine Seite stärker schwindet und somit kleiner wird als die andere.

3. Richtungsabhängige Schwindung.

Aufgrund der molekularen Ausrichtung des Kunststoffs oder der Orientierung von Fasern können sowohl parallel als auch senkrecht zur Materialausrichtung oder Flussrichtung Unterschiede bei der Schwindung auftreten. Wie bereits erwähnt wurde, schwinden amorphe Materialien eher parallel zur Flussrichtung, während bei kristallisierenden Materialien die Schwindung in der Regel eher senkrecht zur Flussrichtung erfolgt.

4. Schwindung parallel zur Bauteiloberfläche oder senkrecht dazu:

Kunststoffe neigen dazu, stärker in die Richtung der Wandstärke zu schwinden als parallel zur Bauteiloberfläche. Dieser Effekt wird durch den hemmenden Effekt der Werkzeugoberfläche verursacht (der ja in Richtung der Wandstärke des Bauteils fehlt). Die unterschiedliche Schwindung in Richtung der Bauteiloberfläche und in Richtung der Wandstärke kann insbesondere in den Bauteilecken zu Verzug führen.

Die Gründe für unterschiedliche Schwindung

Dass Verzug durch unterschiedliche Schwindungen hervorgerufen wird, ist klar. Daher ist es wichtig, zu verstehen, warum unterschiedliche Schwindungen überhaupt auftreten. Die folgenden fünf Gründe sind die häufigsten Ursachen:

1. Abkühlgeschwindigkeit

Bei allen teilkristallinen Materialien führt eine hohe Abkühlgeschwindigkeit dazu, dass sich die kristallinen Strukturen schneller bilden. Dieser Effekt reduziert die gesamte Schwindung, kann sich aber auch negativ auf Bauteileigenschaften wie Festigkeit auswirken, die von den kristallinen Strukturen abhängen. Auch amorphe Materialien schwinden weniger, wenn sie rasch abgekühlt werden. Da sie jedoch insgesamt weniger schwinden, wirkt sich eine hohe Abkühlgeschwindigkeit weniger auf die Schwindung aus.

2. Schwindung und Füllrichtung

Lange Polymermoleküle orientieren sich während des Füllvorgangs aufgrund von Scherspannungen in Flussrichtung. Wenn die Form gefüllt ist, keine Scherspannung mehr vorliegt und das Polymer noch eine hohe Temperatur besitzt, entspannt sich die einheitliche Orientierung. (Die Ausrichtung parallel zur Füllrichtung bleibt nur dann erhalten, wenn die Erstarrung eintritt, während noch Scherspannungen vorhanden sind.) Wenn es zu dieser Entspannung kommt, tritt bei amorphen Materialien generell eine höhere Schwindung parallel zur Flussrichtung auf. Bei kristallinen Materialien sind die Moleküle ebenfalls in Flussrichtung ausgerichtet, jedoch tritt hier die meiste Kristallisierung senkrecht zur Flussrichtung auf und verursacht somit in dieser Richtung eine höhere Schwindung.

Orientation during warpage

 

3. Schwindungshemmung durch das Werkzeug

Während sich das Bauteil in der Form befindet, kann es zwar nicht parallel zur Bauteiloberfläche schwinden, aber in Richtung der Wandstärke. Dies hat zwei Auswirkungen. Zum einen führt es zu einer höheren Schwindung in Richtung der Wandstärke. Zum anderen sammeln sich Spannungen in der Oberfläche des Kunststoffbauteils. Nach dem Auswurf des Bauteils können diese Spannungen beim Abkühlen abgebaut werden, wodurch Verzug entstehen kann. Je höher die Formtemperatur ist, desto geringer ist die Abkühlgeschwindigkeit und desto mehr Spannungen werden abgebaut. Die Schwindungshemmung durch das Werkzeug ist zudem materialabhängig. Kriechbeständige (und langsam entspannende) Materialien weisen eine höhere lineare Schwindung auf. Im Gegensatz dazu besitzen schnell entspannende Materialien eine geringere lineare Schwindung.

4. Temperaturunterschiede über die Wandstärke

Wenn sich die Formtemperatur auf einer Seite des Bauteils von der anderen Seite unterscheidet, ist auch die Schwindung auf beiden Seiten unterschiedlich. Auf der einen Seite des Bauteils schwindet die Oberfläche stärker und macht das Bauteil somit kleiner als auf der anderen Seite. Dadurch entsteht ein Biegemoment, das zu Verzug führen kann.

Differential cooling warpage

 

5. Unterschiede in der Wandstärke und ungleichmäßiger Nachdruck

Wenn ein Bauteil verschiedene Wandstärken aufweist, benötigen dicke Bereiche länger zum Abkühlen und neigen stärker zu Schwindungen. Ein ähnlicher Effekt tritt in Bereichen auf, die weit vom Anschnitt entfernt liegen. Wenn ein gleichmäßiges Nachdruckprofil verwendet wird, sind Bereiche, die in der Nähe des Anschnitts liegen, dichter und kühlen schneller ab als vom Anschnitt weiter entfernte Bereiche. Somit kommt es zu Unterschieden bei der Schwindung.

Differential shrinkage warpage

 

Abschließende Überlegungen

Verzug ist schwierig vorherzusagen, da er viele unterschiedliche Ursachen haben kann. Manchmal heben sich mehrere Effekte entweder gegenseitig auf oder aber sie verstärken sich, sodass es schwierig ist, die Auswirkungen eines einzelnen Effekts zu bestimmen. Nur mit einem umfassenden Verständnis der Gründe für den Verzug bei Spritzgussteilen sind Berechnungsingenieure gut für eine Verzugsanalyse gerüstet und können die richtige Lösung finden, um Verzug zu minimieren oder zu vermeiden.

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