Leitfaden zur Materialauswahl für Spritzgussverfahren: 7 Schlüsselfaktoren

Das richtige Spritzgussmaterial beeinflusst maßgeblich die Qualität, die Produktionskosten und die Langlebigkeit des Endprodukts. Die Wahl des idealen Materials erfordert eine sorgfältige Analyse zahlreicher kritischer Einflussfaktoren, um Leistungsmängel oder unnötige Ressourcenverschwendung zu vermeiden.

Um Materialinkompatibilitäten zu vermeiden, unser Leitfaden zur Materialauswahl für Spritzgusssortiert 7 Arten von Kernüberlegungen und hilft Ihnen so, effiziente und verlässliche Entscheidungen zu treffen.

Schrumpfungsrate

Folgende Faktoren beeinflussen die Formschrumpfung von Thermoplasten:

Kunststoffart

Beim Formgebungsprozess erfahren Thermoplaste aufgrund der Kristallisation Volumenänderungen, begleitet von hohen inneren Spannungen, großen, in den Formteilen eingefrorenen Restspannungen und einer starken Molekülorientierung. Im Vergleich zuSpritzguss-DuroplasteThermoplaste weisen höhere Schrumpfungsraten, größere Schrumpfungsbereiche und eine deutliche Schrumpfungsrichtung auf. Darüber hinaus ist die Schrumpfung nach dem Formen, Tempern oder der Feuchtigkeitskonditionierung im Allgemeinen höher als die von DuroplasteMaterialienDie

Eigenschaften des Formteils

Beim Kontakt von geschmolzenem Kunststoff mit der Formhohlraumwand kühlt die äußere Schicht rasch ab und bildet eine feste Hülle mit geringer Dichte. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen kühlt die innere Schicht langsam ab und bildet eine feste Schicht mit hoher Dichte und starker Schrumpfung.

Daher weisen dickwandige Bauteile mit langsamer Abkühlung und dicken, hochdichten Schichten eine stärkere Schwindung auf. Darüber hinaus beeinflussen Vorhandensein, Anordnung und Anzahl der Einsätze direkt die Schmelzflussrichtung, die Dichteverteilung und den Schwindungswiderstand, wodurch die Bauteileigenschaften maßgeblich für das Ausmaß und die Richtung der Schwindung sind.

Torart, Größe und Verteilung

Diese Faktoren beeinflussen direkt die Schmelzeflussrichtung, die Dichteverteilung, den Nachdruckausgleich und die Formzykluszeit. Direkte Angüsse mit großem Querschnitt (insbesondere dicke) reduzieren die Schwindung, erhöhen aber die Richtungsabhängigkeit; breite, kurze Angüsse minimieren sie.

Bereiche in der Nähe des Gießkanals oder parallel zur Schmelzflussrichtung weisen eine höhere Schrumpfung auf.

Formgebungsbedingungen

Höhere Formtemperaturen verlangsamen die Schmelzeabkühlung, erhöhen die Dichte und verstärken die Schwindung – insbesondere bei kristallinen Kunststoffen, wo ein hoher Kristallinitätsgrad erhebliche Volumenänderungen und eine stärkere Schwindung verursacht. Die Temperaturverteilung in der Form beeinflusst die interne und externe Kühlung der Bauteile sowie die Dichtehomogenität und wirkt sich somit direkt auf das Ausmaß und die Richtung der Schwindung in verschiedenen Bauteilbereichen aus.

Darüber hinaus haben Nachdruck und Nachdruckzeit einen erheblichen Einfluss: Höherer Druck und längere Nachdruckzeiten reduzieren die Schwindung, erhöhen aber die Richtungsabhängigkeit. Höherer Einspritzdruck senkt die Schmelzviskosität, verringert die Scherspannung zwischen den Schichten und erhöht die elastische Rückstellung nach dem Entformen, wodurch die Schwindung moderat reduziert wird. Höhere Schmelztemperaturen erhöhen die Schwindung, verringern aber die Richtungsabhängigkeit. Daher lässt sich die Bauteilschwindung durch die Anpassung von Werkzeugtemperatur, Druck, Einspritzgeschwindigkeit und Abkühlzeit während des Spritzgießens gezielt steuern.

Bei der Werkzeugkonstruktion ist die Schwindungsrate für jeden Bauteilabschnitt anhand des Schwindungsbereichs des gewählten Kunststoffs, der Wandstärke, der Form, des Angusstyps, der Größe und der Verteilung zu bestimmen. Anschließend sind die Abmessungen des Werkzeughohlraums zu berechnen. Bei hochpräzisen Bauteilen oder wenn die Schwindungsraten schwer vorherzusagen sind, sollte die Werkzeugkonstruktion folgende Schritte umfassen:

1. Um nachträgliche Formanpassungen zu ermöglichen, sollte für den Außendurchmesser der Teile eine geringere Schrumpfungsrate und für den Innendurchmesser eine größere Schrumpfungsrate gewählt werden.
2. Ermitteln Sie den Angussartentyp, die Größe und die Formgebungsbedingungen durch Formversuche.
3. Maßänderungen an Teilen, die einer Nachbehandlung bedürfen, messen (die Messungen müssen 24 Stunden nach dem Entformen erfolgen).
4. Die Form muss entsprechend den tatsächlichen Schrumpfungsdaten angepasst werden.
5. Führen Sie einen zweiten Formversuch durch und passen Sie die Prozessbedingungen leicht an, um die Schrumpfung feinabzustimmen und die Teileanforderungen zu erfüllen.

Flüssigkeit

Die Fluidität ist ein wichtiger Faktor bei Die Auswahl von SpritzgussmaterialienDie Fließfähigkeit von Thermoplasten kann anhand einer Reihe von Indizes bewertet werden, darunter Molekulargewicht, Schmelzflussindex (MFI), archimedische Spiralfließlänge, scheinbare Viskosität und Fließverhältnis (Fließlänge/Teilwandstärke).

Eine bessere Fließfähigkeit zeigt sich durch ein niedrigeres Molekulargewicht, eine breitere Molekulargewichtsverteilung, eine geringere Regelmäßigkeit der Molekularstruktur, einen höheren Schmelzindex (MFI), eine größere Spiralfließlänge, eine niedrigere scheinbare Viskosität und ein höheres Fließverhältnis. Bei Kunststoffen gleicher Güteklasse sollte stets im Produktdatenblatt geprüft werden, ob die Fließfähigkeit für das Spritzgießen geeignet ist. Die Entscheidung hängt von den Anforderungen an die Werkzeugkonstruktion ab. gemeinsam Spritzgusskunststofflässt sich grob in drei Fluiditätskategorien einteilen:

• Gute FließfähigkeitPA, PE, PS, PP, CA, Polymethylpenten
• Mittlere FluiditätPolystyrolharze (z. B. ABS, AS), PMMA, POM, Polyphenylenoxid
• Schlechte FließfähigkeitPC, Hart-PVC, Polyphenylenoxid, Polysulfon, Polyarylsulfon, Fluorkunststoffe

 

Die Fließfähigkeit aller Kunststoffe variiert in Abhängigkeit von den Formgebungsfaktoren, wobei die wichtigsten Einflussfaktoren folgende sind:

• TemperaturHöhere Schmelztemperaturen erhöhen die Fließfähigkeit, wobei das Ausmaß der Veränderung je nach Kunststoffart variiert. Die Fließfähigkeit von Polystyrol (insbesondere schlagfeste Sorten und solche mit hohem Schmelzindex), Polypropylen (PP), Polyamid (PA), Polymethylmethacrylat (PMMA), modifiziertem Polystyrol (z. B. ABS, AS), Polycarbonat (PC) und Acrylat (CA) reagiert sehr empfindlich auf Temperaturänderungen. Daher ist die Temperaturregelung die bevorzugte Methode, um ihre Fließfähigkeit beim Spritzgießen zu steuern. Im Gegensatz dazu hat die Temperatur nur einen minimalen Einfluss auf die Fließfähigkeit von Polyethylen (PE) und Polyoxymethylcellulose (POM).
• DruckHöherer Einspritzdruck verstärkt die Scherkräfte auf die Schmelze und erhöht dadurch deren Fließfähigkeit. Dieser Effekt ist bei PE und POM besonders ausgeprägt, weshalb die Druckanpassung die optimale Methode zur Steuerung ihrer Fließfähigkeit beim Spritzgießen darstellt.
• FormstrukturDie Gestaltung des Angusssystems (Art, Größe, Anordnung), die Gestaltung des Kühlsystems und der Schmelzeflusswiderstand (z. B. Oberflächenbeschaffenheit der Form, Querschnittsdicke des Angusskanals, Form des Formhohlraums und Entlüftungssystem) beeinflussen direkt die tatsächliche Fließfähigkeit der Schmelze im Formhohlraum.

Jeder Faktor, der die Schmelztemperatur senkt oder den Fließwiderstand erhöht, verringert die Fließfähigkeit. Die Werkzeugkonstruktion sollte daher auf die Fließfähigkeit des gewählten Kunststoffs abgestimmt sein. Durch die Kontrolle von Schmelztemperatur, Werkzeugtemperatur, Einspritzdruck und Einspritzgeschwindigkeit lässt sich die Schmelzefüllung während des Spritzgießens optimal steuern und die Formgebungsanforderungen erfüllen.

Kristallinität

Thermoplaste werden anhand der Kristallisation während der Erstarrung in zwei Kategorien unterteilt: kristalline und amorphe Kunststoffe. Kristallisation bezeichnet den Prozess, bei dem Moleküle aus einem frei beweglichen, ungeordneten Zustand in der Schmelze in einen Zustand übergehen, in dem die Molekularbewegung zum Erliegen kommt, die Moleküle relativ feste Positionen einnehmen und sich beim Abkühlen regelmäßig anordnen.

Ein visuelles Kriterium zur Unterscheidung der beiden Kunststoffarten ist die Transparenz dickwandiger Teile: Kristalline Kunststoffe sind im Allgemeinen opak oder transluzent (z. B. POM), während amorphe Kunststoffe transparent sind (z. B. PMMA). Es gibt jedoch Ausnahmen: Polymethylpenten ist ein kristalliner Kunststoff mit hoher Transparenz, und ABS ist ein amorpher Kunststoff, der opak ist. Bei der Konstruktion von Formen und der Auswahl von Spritzgießmaschinen gelten für kristalline Kunststoffe folgende Anforderungen und Überlegungen:

• Um die Schmelze auf die Formtemperatur zu bringen, ist mehr Wärme erforderlich, daher wird eine Anlage mit hoher Plastifizierungsleistung benötigt.
• Beim Abkühlen und der Kristallisation wird erhebliche Wärme freigesetzt, weshalb eine ausreichende Kühlung erforderlich ist.
• Der große Dichteunterschied zwischen dem geschmolzenen und dem festen Zustand führt zu einer hohen Formschrumpfung, wodurch leicht Schrumpfungshohlräume und Luftblasen entstehen.
• Schnelle Abkühlung führt zu geringer Kristallinität, geringer Schrumpfung und hoher Transparenz. Die Kristallinität hängt von der Wandstärke des Bauteils ab: Dickere Wände kühlen langsamer ab, was zu höherer Kristallinität, größerer Schrumpfung und besseren mechanischen Eigenschaften führt. Daher muss die Werkzeugtemperatur für kristalline Kunststoffe je nach Bedarf genau kontrolliert werden.
• Deutliche Anisotropie und hohe innere Spannungen sind häufig. Nach dem Entformen kristallisieren unkristallisierte Moleküle weiter aus, wodurch das Bauteil in einen energetisch unausgeglichenen Zustand gerät, der leicht zu Verformungen und Verzug führt.
• Der enge Kristallisationstemperaturbereich kann zu unvollständigem Schmelzen des Kunststoffs oder zu Verstopfungen des Angusskanals führen.

Hitzeempfindlichkeit und Hydrolyse

Hitzeempfindlichkeit

Hitzeempfindlichkeit bezeichnet die Neigung bestimmter Kunststoffe, sich bei längerer Einwirkung hoher Temperaturen oder beim Durchtritt durch enge Querschnitte, die hohe Scherspannungen und damit eine Erhöhung der Schmelztemperatur erzeugen, zu verfärben, abzubauen oder zu zersetzen. Kunststoffe mit dieser Eigenschaft werden als hitzeempfindliche Kunststoffe bezeichnet, beispielsweise Hart-PVC, Polyvinylidenchlorid, Vinylacetat-Copolymere, POM und Polychlortrifluorethylen.

Die Zersetzung wärmeempfindlicher Kunststoffe erzeugt Nebenprodukte wie Monomere, Gase und Feststoffe; einige dieser Zersetzungsgase sind reizend, korrosiv oder giftig für Mensch, Anlagen und Formen. Daher sollten bei der Formenkonstruktion und der Auswahl der Spritzgießmaschine folgende Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden: Auswahl des Spritzgussmaterialsund Formgebung:

• Verwenden Sie Schnecken-Spritzgießmaschinen.
• Verwenden Sie Torsysteme mit großen Querschnitten.
• Um tote Stellen zu vermeiden, an denen sich Material ansammeln kann, verwenden Sie verchromte Formen und Fässer.
• Die Formgebungstemperaturen müssen strikt kontrolliert werden.
• Um die Hitzeempfindlichkeit zu verringern, werden dem Kunststoff Stabilisatoren beigemischt.

Hydrolyseempfindlichkeit

Manche Kunststoffe (z. B. Polycarbonat) zersetzen sich unter hohen Temperaturen und Drücken, selbst wenn sie nur Spuren von Feuchtigkeit enthalten – eine Eigenschaft, die als Hydrolyseempfindlichkeit bekannt ist.

Diese Kunststoffe müssen vor der Weiterverarbeitung mit geeigneten Methoden und Spezifikationen vorgewärmt und getrocknet werden; eine erneute Feuchtigkeitsaufnahme während des Gebrauchs sollte verhindert werden.

Spannungsrisskorrosion und Schmelzbruch

Spannungsrisse

Bestimmte Kunststoffe reagieren empfindlich auf Spannungen und entwickeln beim Formgebungsprozess leicht innere Spannungen, wodurch sie spröde werden und zu Rissen neigen. Risse können auftreten, wenn das Bauteil äußeren Kräften ausgesetzt oder mit Lösungsmitteln in Kontakt kommt. Um diesem Problem zu begegnen:

• Um die Rissbeständigkeit zu verbessern, sollten dem Rohmaterial Antiriss-Zusätze beigemischt werden.
• Sorgen Sie für eine ordnungsgemäße Trocknung des Rohmaterials.
• Wählen Sie optimale Formgebungsbedingungen, um innere Spannungen zu reduzieren und die Rissbeständigkeit zu verbessern.
• Bauteile mit sinnvollen Formen entwerfen und unnötige Einsätze vermeiden, um Spannungsspitzen zu minimieren.
• Beim Werkzeugdesign sollten die Formschrägen erhöht und geeignete Anguss- und Auswerfersysteme ausgewählt werden. Während des Spritzgießens müssen Schmelzetemperatur, Werkzeugtemperatur, Einspritzdruck und Abkühlzeit präzise eingestellt werden, um ein Entformen der Teile im zu kalten und spröden Zustand zu vermeiden. Eine Nachbehandlung verbessert die Rissbeständigkeit, beseitigt innere Spannungen und verhindert den Kontakt mit Lösungsmitteln.

Schmelzbruch

Schmelzbruch tritt auf, wenn eine Polymerschmelze mit einer bestimmten Schmelzflussrate bei konstanter Temperatur durch eine Düsenöffnung strömt und die Flussrate einen kritischen Wert überschreitet. Dies führt zu deutlich sichtbaren Querrissen an der Schmelzoberfläche. Dieser Defekt beeinträchtigt das Aussehen und die mechanischen Eigenschaften der Formteile. Um Schmelzbruch zu vermeiden:

• Bei Polymeren mit hohen Schmelzflussraten sollte der Querschnitt von Düsen, Angusskanälen und Angüssen vergrößert werden.
• Verringern Sie die Einspritzgeschwindigkeit.
• Schmelztemperatur erhöhen.

Thermische Eigenschaften und Abkühlgeschwindigkeit

Thermische Eigenschaften

Unterschiedliche Kunststoffe weisen unterschiedliche thermische Eigenschaften auf, wie z. B. spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit und Wärmeformbeständigkeitstemperatur:

• Kunststoffe mit hoher spezifischer Wärmekapazität benötigen mehr Wärme zur Plastifizierung, daher sollten Spritzgießmaschinen mit hoher Plastifizierungskapazität ausgewählt werden.
• Kunststoffe mit hoher Wärmeformbeständigkeitstemperatur können mit kürzeren Abkühlzeiten früher entformt werden, die Abkühlung nach dem Entformen sollte jedoch kontrolliert werden, um Verformungen zu vermeiden.
• Kunststoffe mit geringer Wärmeleitfähigkeit kühlen langsam ab (z. B. Ionomere haben extrem langsame Abkühlraten), was eine verbesserte Kühlleistung der Form erforderlich macht.
• Heißkanalwerkzeuge eignen sich für Kunststoffe mit niedriger spezifischer Wärmekapazität und hoher Wärmeleitfähigkeit. Kunststoffe mit hoher spezifischer Wärmekapazität, niedriger Wärmeleitfähigkeit, niedriger Wärmeformbeständigkeit und langsamer Abkühlgeschwindigkeit sind für das Hochgeschwindigkeitsspritzgießen ungeeignet. Für diese Materialien müssen geeignete Spritzgießmaschinen ausgewählt und die Werkzeugkühlung optimiert werden.

Kühlratenregelung

Bei allen Kunststoffen muss die Abkühlgeschwindigkeit entsprechend den Materialeigenschaften und der Form des Bauteils präzise gesteuert werden. Die Formen müssen mit Heiz- und Kühlsystemen ausgestattet sein, um die erforderliche stabile Formtemperatur aufrechtzuerhalten.

• Wenn die Schmelztemperatur die Formtemperatur erhöht, ist eine Kühlung erforderlich, um Verformungen des Teils nach dem Entformen zu verhindern, die Formzyklen zu verkürzen und die Kristallinität zu reduzieren.
• Reicht die Restwärme der Schmelze nicht aus, um die erforderliche Formtemperatur aufrechtzuerhalten, sollten Formheizsysteme eingesetzt werden. Diese dienen der Steuerung der Abkühlgeschwindigkeit, der Sicherstellung der Schmelzefließfähigkeit, der Verbesserung der Füllbedingungen oder der langsamen Abkühlung der Teile. Dadurch wird eine ungleichmäßige Abkühlung dickwandiger Bereiche verhindert und die Kristallinität erhöht. Bei Kunststoffen mit guter Fließfähigkeit, großen Formbereichen oder ungleichmäßiger Schmelztemperaturverteilung kann je nach Formgebungsbedingungen ein abwechselndes Heizen und Kühlen oder ein lokales Heizen/Kühlen erforderlich sein. Die Formen sollten mit entsprechenden Kühl- oder Heizsystemen ausgestattet sein, um diesen Anforderungen gerecht zu werden.

 

Hygroskopizität

Aufgrund des Vorhandenseins verschiedener Zusatzstoffe weisen Kunststoffe unterschiedliche Feuchtigkeitsaffinitäten auf und können grob in zwei Typen eingeteilt werden: hygroskopische Kunststoffe (die Feuchtigkeit aufnehmen und speichern) und nicht-hygroskopische Kunststoffe (die keine Feuchtigkeit aufnehmen und nicht zur Feuchtigkeitsanhaftung neigen).

Der Feuchtigkeitsgehalt von Kunststoffrohstoffen muss innerhalb zulässiger Grenzen gehalten werden. Überschüssige Feuchtigkeit verdampft oder führt unter den hohen Temperaturen und Drücken beim Formgebungsprozess zu Hydrolyse, was Defekte wie Blasenbildung, verminderte Fließfähigkeit, mangelhafte Oberflächenbeschaffenheit und verschlechterte mechanische Eigenschaften zur Folge hat. Daher müssen hygroskopische Kunststoffe vor der Weiterverarbeitung gemäß geeigneter Verfahren und Spezifikationen vorgewärmt und getrocknet werden. Eine erneute Feuchtigkeitsaufnahme während Lagerung und Verwendung ist zu vermeiden.

Abschluss

TEr geeignet Auswahl des Spritzgussmaterialsist ein entscheidender Schritt für eine gleichbleibende Teilequalität, eine konsistente Produktion und Kosteneffizienz. Das Verständnis von Schlüsselfaktoren wie Schwindung, Fließfähigkeit, Kristallinität, Wärmeempfindlichkeit, Spannungsverhalten, thermischen Eigenschaften, Abkühlgeschwindigkeit und Hygroskopizität hilft Ihnen, die Übereinstimmung zwischen Konstruktionsanforderungen und Werkstoffen besser zu verstehen.

LVMA ist spezialisiert auf die Herstellung von komplexe Spritzgussteile und aktualisiert regelmäßig ihr Wissen über Spritzguss. Für weitere Informationen: Bitte kontaktieren Sie uns.Die