Leitfaden zur Kunststoffschwindung: Schwindungsraten beim Spritzgießen nach Material
Schwindung von Kunststoffmaterial tritt auf, wenn sich ein Formteil nach dem Spritzgießen beim Abkühlen zusammenzieht. Jedes Material weist je nach Harzfamilie (amorphe vs. kristalline Materialien), Werkzeugkonstruktion und Verarbeitungsbedingungen unterschiedliche Schwindungsraten auf. Das Verständnis der Materialschwindung ist entscheidend, um Maßgenauigkeit zu erzielen, Verzug zu minimieren und ein Versagen von Formteilen bei spritzgegossenen Komponenten zu verhindern.
Dieser Leitfaden zur Schwindungsrate von Formwerkstoffen zeigt typische Werkzeugschwindungsraten sowie Empfehlungen zur Schließkraft und Entlüftungstiefen für einige gängige bis mittelmäßig genutzte Materialien und Hochtemperatur-Kunststoffe. Die vollständige Schwindungstabelle finden Sie unten, und Sie können den vollständigen PDF-Leitfaden zur schnellen Referenz über den obenstehenden Whitepaper-Button herunterladen.
Was ist Schwindung beim Spritzgießen?
Werkzeugschwindung beschreibt das Zusammenziehen eines Formteils beim Abkühlen vom Schmelzzustand auf Umgebungstemperatur. Die Schwindungsraten werden üblicherweise als in/in (bzw. mm/mm) angegeben und können auch in Prozent ausgedrückt werden. Zum Beispiel entspricht .004 – .008 in/in einer Schwindung von 0,4 – 0,8%.
Die nachfolgende Tabelle zeigt die Schwindungswerte in in/in (wie im herunterladbaren PDF verwendet). Entsprechende Prozentwerte werden ebenfalls im Leitfaden angegeben, um den Materialvergleich zu erleichtern, da viele Ingenieure und Konstrukteure nach Schwindungsdaten in Prozent suchen.
Warum schrumpfen Kunststoffe?
Die Schwindung von Kunststoffen beginnt auf molekularer Ebene, wenn das Polymer vom Schmelzzustand auf Raumtemperatur abkühlt. Mit dem Wärmeverlust rücken die Moleküle dichter zusammen und das Formteil zieht sich zusammen. Das Ausmaß der Kontraktion hängt stark von der molekularen Struktur des Polymers ab, weshalb die Materialwahl ein entscheidender Faktor für die Maßhaltigkeit ist.
Die größte Unterscheidung besteht zwischen amorphen und teilkristallinen Thermoplasten:
- Amorphe Materialien – wie ABS, Polycarbonat (PC), Polystyrol (PS) und Acrylglas (PMMA) besitzen ungeordnet angeordnete Molekülketten. Da sie während des Abkühlens keine kristallinen Bereiche ausbilden, zeigen sie typischerweise eine niedrigere und gleichmäßigere Schwindung, was sie für das Formen auf enge Maßtoleranzen besonders geeignet macht.
- Teilkristalline Materialien – dazu gehören HDPE, Polypropylen (PP), Acetal (POM) und Nylon (PA) – bilden beim Abkühlen geordnete Kristallstrukturen aus. Diese Kristallisation lagert die Polymerketten enger zusammen, was zu höheren Schwindungsraten und einer größeren Wahrscheinlichkeit für Differenzschwindung und Verzug führt, wenn das Werkzeug und der Prozess nicht sorgfältig gesteuert werden.
Die Schwindung ist zudem richtungsabhängig. Kunststoffe schrumpfen oft unterschiedlich in Fließrichtung als quer dazu – insbesondere bei teilkristallinen und faserverstärkten Materialien. Konstrukteure und Werkzeugmacher müssen sowohl Fließ- als auch Querfließschwindung berücksichtigen, wenn sie die Kavitätsdimensionen festlegen und die Verformung von Teilen vorhersagen.
Ein weiterer wichtiger Faktor ist der Einsatz von Füllstoffen und Faserverstärkung. Glasfasern und mineralische Füllstoffe verringern die Gesamtschwindung, indem sie die Bewegung der Polymerketten beim Abkühlen einschränken, und sorgen zugleich für eine gleichmäßigere Schwindung. Dieser Effekt zeigt sich in den Schwindungsdaten für Nylon im Leitfaden:
- Polyamid (Nylon), gefüllt – .005 -.010 in/in (0,5 – 1,0%)
- Polyamid (Nylon), ungefüllt – .007 -.025 in/in (0,7 – 2,5%)
Der deutlich geringere Schwindungsbereich von gefülltem Nylon zeigt, wie Verstärkungen die Maßhaltigkeit verbessern und das Risiko von Verzug senken können. Deshalb wird gefülltes Nylon häufig für Präzisionsanwendungen genutzt, bei denen enge Toleranzen gefordert sind.
Schwindungstabelle – Schwindungsraten nach Material
| Material | Recommended tonnage (per in²) | Shrink values (in/in) | Vent depth (in.) |
|---|---|---|---|
| Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) | 2.5 – 3.5 | .004 – .008 | .0010 – .0020 |
| ABS/Polycarbonate Blend (PC/ABS) | 3.0 – 4.0 | .004 – .007 | .0015 – .0030 |
| Acetal (POM) | 3.0 – 4.0 | .020 – .035 | .0005 – .0015 |
| Acrylic (PMMA) | 3.0 – 4.0 | .002 – .010 | .0015 – .0020 |
| Ethylene Vinyl Acetate (EVA) | 2.0 – 3.0 | .010 – .030 | .0005 – .0007 |
| Ionomer | 2.5 – 3.5 | .003 – .020 | .0005 – .0007 |
| High Density Polyethylene (HDPE) | 2.5 – 3.5 | .015 – .030 | .0008 – .0010 |
| Low Density Polyethylene (LDPE) | 2.0 – 3.0 | .015 – .035 | .0005 – .0007 |
| Polyamide – Nylon (PA), filled | 4.0 – 5.0 | .005 – .010 | .0003 – .0010 |
| Polyamide – Nylon (PA), unfilled | 3.0 – 4.0 | .007 – .025 | .0005 – .0020 |
| Polybutylene Terephthalate (PBT) | 3.0 – 4.0 | .008 – .010 | .0005 – .0015 |
| Polycarbonate (PC) | 4.0 – 5.0 | .005 – .007 | .0010 – .0030 |
| Polyester | 2.5 – 3.5 | .006 – .022 | .0005 – .0010 |
| Polyetheretherketone (PEEK) | 4.0 – 5.0 | .010 – .020 | .0005 – .0007 |
| Polyetherimide (PEI) | 3.0 – 4.0 | .005 – .007 | .0010 – .0015 |
| Polyethylene (PE) | 2.5 – 3.5 | .015 – .035 | .0005 – .0020 |
| Polyethersulfone (PES) | 3.0 – 4.0 | .002 – .007 | .0005 – .0007 |
| Polyphenylene Oxide (PPO) | 3.0 – 4.0 | .005 – .007 | .0010 – .0020 |
| Polyphenylene Sulfide (PPS) | 3.5 – 4.5 | .002 – .005 | .0005 – .0010 |
| Polyphthalamide (PPA) | 3.5 – 4.5 | .005 – .007 | .0005 – .0020 |
| Polypropylene (PP) | 2.5 – 3.5 | .010 – .030 | .0005 – .0020 |
| Polystyrene (PS) | 2.0 – 2.5 | .002 – .008 | .0015 – .0020 |
| Polysulphone (PSU) | 4.0 – 5.0 | .006 – .008 | .0010 – .0015 |
| Polyurethane (PUR) | 2.5 – 3.5 | .010 – .020 | .0004 – .0010 |
| Polyvinyl Chloride (PVC) | 2.5 – 3.5 | .002 – .030 | .0005 – .0020 |
| Thermoplastic Elastomer (TPE) | 2.5 – 3.5 | .005 – .020 | .0008 – .0010 |
Schwindungsraten gängiger Materialien
HDPE Schwindungsrate
HDPE Schwindungsrate – .015–.030 in/in (1,5 – 3,0%). High Density Polyethylen (HDPE) ist ein teilkristalliner Thermoplast und weist deshalb einen der höchsten Schwindungsbereiche auf, die beim Spritzgießen üblicherweise auftreten. Während des Abkühlens kristallisiert das Polymer aus, wodurch seine Molekülstruktur enger zusammengepackt wird – mit einer stärkeren Schrumpfung als bei amorphen Kunststoffen. Um Verzug zu minimieren und Maßhaltigkeit zu erreichen, sind bei HDPE vor allem eine korrekte Werkzeugdimensionierung, gleichmäßige Wandstärken, konstante Kühlung und ausreichende Entformungsschrägen entscheidend.
ABS Schwindungsrate
ABS Schwindungsrate – .004–.008 in/in (0,4 – 0,8%). Als amorpher Thermoplast zeichnet sich ABS durch eine relativ geringe und vorhersehbare Schwindung aus, da es während des Abkühlens keine Kristallisation durchläuft. Das macht es zur beliebten Wahl für Bauteile mit engen Toleranzen und guter Maßhaltigkeit. Zum Vergleich: PC/ABS-Blends besitzen eine etwas niedrigere Schwindung von .004 – .007 in/in (0,4 – 0,7 %) und bieten dabei noch höhere Maßkonstanz, kombiniert mit der Schlagzähigkeit von Polycarbonat und der guten Verarbeitbarkeit von ABS.
Polypropylen Schwindungsrate
Polypropylen (PP) Schwindungsrate – .010 – .030 in/in (1,0 – 3,0%). PP ist ein teilkristallines Polymer mit vergleichsweise hoher und variabler Schwindung aufgrund der Kristallisation beim Abkühlen. Die endgültige Schwindung kann stark variieren, abhängig von Geometrie, Wandstärke, Werkzeugtemperatur und Kühlbedingungen. Konstrukteure sollten diese Schwankungen bereits früh im Werkzeugdesign berücksichtigen und möglichst gleichmäßige Wandstärken und eine ausgewogene Kühlung wählen, um Differenzschwindung, Einfallstellen und Verzug zu reduzieren.
Nylon Schwindung
Nylon (Polyamid)-Schwindung variiert stark, je nachdem ob das Material verstärkt ist. Ungefülltes Nylon schwindet typischerweise .007 – .025 in/in (0,7 – 2,5%), während glasfaserverstärktes Nylon nur .005 – .010 in/in (0,5 – 1,0%) schrumpft. Glasfasern begrenzen die Polymerbewegung beim Abkühlen, wodurch die Gesamtschwindung reduziert und gleichmäßiger wird. Diese erhöhte Maßhaltigkeit ist einer der Hauptgründe, warum glasfaserverstärktes Nylon für Präzisionsbauteile mit engen Toleranzen und geringem Verzugsrisiko eingesetzt wird.
Wie wird die Schwindungsrate berechnet?
Die Schwindung von Kunststoffen wird typischerweise mit folgender Formel berechnet:
Schwindung (%) = (Kavitätsmaß − Fertigteildimension) ÷ Kavitätsmaß × 100
Beispielaufgabe
Wenn eine Formhohlraum 100,0 mm lang ist und das fertig geformte Teil 99,3 mm misst, beträgt die Schwindung:
Schwindung (%) = (100,0 − 99,3) ÷ 100,0 × 100 = 0,7%
Dies entspricht einer Schwindungsrate von 0,007 in/in (0,007 mm/mm).
Wie Werkzeugbauer den Schwindungsfaktor nutzen
Werkzeugbauer berücksichtigen die Materialschwindung, bevor die Form hergestellt wird, indem sie den Formhohlraum größer schneiden. Die Hohlraummaße werden um den erwarteten Schwindungsfaktor vergrößert, sodass nach dem Abkühlen und Zusammenziehen des geschmolzenen Kunststoffs das fertige Teil seine erforderlichen Maße erreicht.
Wenn zum Beispiel ein Bauteil nach dem Spritzgießen 100,0 mm messen muss und das ausgewählte Material eine Schwindung von 0,7% (0,007 in/in) aufweist, würde der Formhohlraum auf ca. 100,7 mm bearbeitet. Da das Teil beim Abkühlen um etwa 0,7 mm schrumpft, entsteht ein fertiger Bauteil nahe dem Zielmaß von 100,0 mm. Da die tatsächliche Schwindung auch von Geometrie, Wandstärke, Formdesign und Verarbeitungsbedingungen beeinflusst wird, passen Werkzeugbauer die Hohlraummaße während der Werkzeugversuche oft an, um die erforderlichen Toleranzen zu erreichen.
Schwindungsrechner für Formteile
Nutzen Sie den untenstehenden Rechner, um die Formhohlraum-Maße zu ermitteln, auf die Ihr Werkzeugbauer fertigen sollte. Geben Sie das gewünschte Endmaß Ihres Bauteils ein und wählen Sie ein Material, um die empfohlene Hohlraumgröße und den erwarteten Schwindungsbereich zu sehen.
Was beeinflusst die Schwindungsrate?
Obwohl jedes Material einen typischen Schwindungsbereich besitzt, hängt die tatsächliche Schwindung sowohl vom Kunststoff als auch vom Spritzgießprozess ab. Wichtige Einflussfaktoren sind:
- Formtemperatur – Die Formtemperatur hat einen großen Einfluss auf die Schwindung. Als grobe Faustregel kann eine Änderung der Formtemperatur um 10% zu einer Änderung der ursprünglichen Schwindungsrate um etwa 5% führen, insbesondere bei teilkristallinen Materialien.
- Einspritzdruck – Höherer Einspritzdruck presst mehr Material in den Hohlraum, erhöht die Dichte und reduziert in der Regel die Schwindung, während niedrigerer Nachdruck meistens zu einer größeren Schwindung führt.
- Kunststofffamilie und Füllstoffe – Amorphe Kunststoffe schrumpfen generell weniger als teilkristalline Kunststoffe, während glasfaser- und mineralgefüllte Sorten die Schwindung verringern und die Maßhaltigkeit gegenüber ungefüllten Werkstoffen verbessern.
- Fließrichtung – Die Schwindung unterscheidet sich oft längs zur Schmelzströmung von der quer dazu, besonders bei teilkristallinen und faserverstärkten Materialien und sollte beim Werkzeugdesign beachtet werden.
- Wandstärke – Dickere Bereiche kühlen langsamer aus und schrumpfen in der Regel stärker als dünne, gleichmäßige Wände, was das Risiko von Einfallstellen und Verzug erhöht.
- Kühlzeit – Gleichmäßige und ausreichende Kühlung sorgt für eine gleichmäßigere Schwindung, während ungleiche Kühlung zu Verzug und Maßabweichungen führen kann.
- Angussposition – Die Lage des Angusses beeinflusst Strömungsverhalten, Packdruck und Abkühlmuster, was sich wiederum auf die Schwindungsverteilung und die Verzugstendenz im fertigen Bauteil auswirkt.
Was ist ein akzeptabler Schwindungsprozentsatz?
Es gibt keinen universell „akzeptablen“ Kunststoffschwindungsprozentsatz. Was akzeptabel ist, hängt von der Maßtoleranz, der Funktion und den Leistungsanforderungen des fertigen Bauteils ab – nicht vom Schwindungswert selbst. Werkstoffe mit geringer Schwindung, wie amorphe Kunststoffe, werden oft für Präzisionsteile gewählt, weil sie sich leichter mit engen Toleranzen formen lassen. Typische Schwindungsbereiche liegen je nach Material zwischen 0,2 – 0,8%. Im Gegensatz dazu schrumpfen teilkristalline Kunststoffe häufig um 1,5 – 3,5%, aber diese höheren Werte sind vollkommen akzeptabel, wenn die Form mit entsprechendem Schwindungszuschlag konstruiert und der Prozess richtig gesteuert wird. Entscheidend ist nicht die niedrigstmögliche Schwindung, sondern die genaue Kompensation der zu erwartenden Materialschwindung im Werkzeugdesign, sodass Teile innerhalb der Spezifikation produziert werden.
Wie Rosti Schwindung im Werkzeugdesign ausgleicht
Bei Rosti wird die Kunststoffschwindung von Anfang an im Produktentwicklungsprozess berücksichtigt, um sicherzustellen, dass Komponenten ihre Maß- und Leistungsanforderungen erfüllen. Unsere Ingenieurteams berücksichtigen die Schwindung während der gesamten Entwicklung in drei wichtigen Schritten:
- Materialauswahl – Auswahl des geeignetsten Polymers basierend auf Schwindungsverhalten, mechanischer Leistung und Maßhaltigkeit.
- Formfüllsimulation (SolidWorks) – Verwendung von Formfüllanalysen, um Materialfluss, Packen, Abkühlung und erwartete Schwindung vorherzusagen, noch bevor das Werkzeug gefertigt wird. So werden Entwicklungsrisiken reduziert und die Bauteilqualität optimiert.
- Werkzeugkonstruktion und Validierung – Anwendung der richtigen Schwindungsfaktoren bei der Konstruktion und Fertigung des Formhohlraums sowie Validierung der Maße während Werkzeugversuchen, um die notwendigen Toleranzen zu erreichen.
Erfahren Sie mehr über unsere Kompetenzen zu Materialauswahl, Formfüllsimulation (SolidWorks) sowie Werkzeugkonstruktion & Validierung, um zu sehen, wie wir hochwertige Spritzgießkomponenten vom Konzept bis zur Produktion entwickeln.
Wenn Sie ein neues Spritzgießbauteil entwickeln oder das richtige Material für Ihre Anwendung auswählen möchten, wenden Sie sich an das Ingenieursteam von Rosti, um Ihre Anforderungen an Design, Werkzeugbau und Fertigung zu besprechen.
