Krimp bij spuitgieten: oorzaken, berekening en beheersmethoden

Wat is krimp bij spuitgieten?

Krimp bij spuitgieten is de volumevermindering die optreedt wanneer gesmolten polymeer in een matrijsholte afkoelt en stolt, doorgaans 0.1% tot 3.0% van de oorspronkelijke onderdeelmaten. Elk thermoplastisch materiaal krimpt bij de overgang van gesmolten toestand (150–400°C) naar kamertemperatuur (23°C); deze krimp moet in de maten van de matrijsholte worden gecompenseerd.

Het krimppercentage wordt berekend met een eenvoudige formule: krimp (%) = [(matrijsmaat − onderdeelmaat) / matrijsmaat] × 100. Een matrijsholte van 100.00 mm die bijvoorbeeld een onderdeel van 99.40 mm produceert, heeft een krimppercentage van 0.60%. Matrijsontwerpers vergroten de caviteitsmaten met de verwachte krimpfactor om de doelmaten van het onderdeel te bereiken.

Krimp is op zichzelf geen defect. Het is een inherente fysieke eigenschap van thermoplasten¹ tijdens de afkoelfase. Het probleem ontstaat wanneer de krimp in verschillende zones van een onderdeel niet uniform is, wat leidt tot kromtrekken, inval en maatfouten. Inzicht in en voorspelling van krimp vormen de basis voor de productie van maatvaste spuitgietonderdelen.

Tijdens de vormcyclus treden twee afzonderlijke krimpfasen op. Krimp in de matrijs gebeurt terwijl het onderdeel nog door de holtewanden wordt begrensd en vormt doorgaans 30–50% van de totale krimp. Krimp na het vormen gaat na het uitwerpen door terwijl het onderdeel in 24–48 uur thermisch evenwicht met de omgeving bereikt.

Met beide fasen moet rekening worden gehouden bij het matrijsontwerp en de timing van de kwaliteitsinspectie. Onderdelen die direct na het uitwerpen worden gemeten, hebben andere afmetingen dan onderdelen die 48 uur later worden gemeten. Voor precisietoepassingen schrijft ASTM D955 voor dat onderdelen vóór de definitieve maatmetingen minimaal 40 uur worden geconditioneerd bij 23°C en 50% relatieve luchtvochtigheid.

De omvang van krimp varieert ook per richting binnen hetzelfde onderdeel. Krimp in de stromingsrichting (evenwijdig aan het smeltstroompad) en krimp dwars op de stroming (loodrecht erop) verschillen zelfs bij ongevulde materialen vaak 10–30%. Dit richtingsgedrag wordt sterker bij vezelversterkte compounds, waarbij de krimp in de stromingsrichting een derde van de waarde dwars op de stroming kan bedragen.

Wat veroorzaakt krimp bij spuitgieten?

Krimp bij spuitgieten wordt bepaald door vier primaire factoren: materiaalkristalliniteit, procestemperatuur, nadruk en onderdeelgeometrie. Het materiaaltype alleen verklaart tot 70% van de totale krimpvariatie. Inzicht in de relatieve bijdrage van elke factor stelt engineers in staat gerichte aanpassingen te doen in plaats van procesinstellingen door proberen en missen te wijzigen.

Materiaalkristalliniteit en moleculaire structuur

Semikristallijne polymeren zoals PP, PE, nylon en POM vormen tijdens het koelen dicht opeengepakte kristallijne gebieden. Deze geordende moleculaire structuren nemen minder volume in dan de willekeurige rangschikking in de smelt en veroorzaken krimp van 1,0–3,0%. De kristallisatiegraad hangt af van de koelsnelheid. Langzame koeling maakt meer kristalvorming en hogere krimp mogelijk.

Amorfe polymeren zoals ABS, PC, PS en PMMA stollen met willekeurig georiënteerde molecuulketens. Zonder kristalvorming bestaat hun krimp hoofdzakelijk uit thermische contractie, met percentages van 0,3–0,8%. Glasvezelversterking vermindert de krimp van beide typen door de moleculaire beweging te beperken. Nylon met 30% glasvezel krimpt 0,3–0,5%, tegenover 1,2–1,8% voor ongevuld nylon.

Effecten van de verwerkingstemperatuur

Hogere smelttemperaturen vergroten het temperatuurverschil tussen injectie en stolling, wat tot meer thermische krimp leidt. Bij polypropyleen verhoogt een stijging van de smelttemperatuur van 200°C naar 260°C de krimp van 1.2% naar 1.8%. De matrijstemperatuur heeft de tegenovergestelde wisselwerking: hogere matrijstemperaturen vertragen de koeling, verhogen de kristalliniteit in semikristallijne materialen en veroorzaken een uniformere maar over het geheel iets grotere krimp.

De optimale balans voor de meeste semikristallijne onderdelen is een gematigde smelttemperatuur (midden in het aanbevolen bereik) in combinatie met een matrijstemperatuur die uniforme kristallisatie bevordert. Bij amorfe materialen beïnvloedt de matrijstemperatuur hoofdzakelijk de restspanning en oppervlaktekwaliteit, niet de totale krimpgrootte.

Nadruk en nadruktijd

Nadruk perst extra materiaal in de caviteit om volumetrische krimp tijdens het afkoelen te compenseren. Onvoldoende nadruk is de meest voorkomende procesgerelateerde oorzaak van overmatige krimp. Verhoging van de nadruk van 40 MPa naar 80 MPa vermindert de krimp bij semikristallijne materialen doorgaans met 0.2–0.5%. Overmatige nadruk veroorzaakt echter restspanning en kan vastkleven of uitwerpschade veroorzaken.

De nadruktijd moet lang genoeg zijn om de gate te laten stollen. Als de gate stolt voordat het binnenste van het onderdeel stolt, kan geen extra nadrukmateriaal de holte binnengaan en krimpt het kernmateriaal vrij. De stoltijd van de gate hangt af van de gatedikte, de thermische materiaaleigenschappen en de matrijstemperatuur. Typische nadruktijden variëren van 3 tot 15 seconden.

Krimppercentages per materiaalsoort

De materiaalkeuze bepaalt 60–70% van het verwachte krimpbereik en is daarmee de belangrijkste afzonderlijke factor bij maatplanning. Semikristallijne materialen vertonen consequent 2–5 keer meer krimp dan amorfe materialen door de volumevermindering tijdens kristalpakking. De volgende tabel geeft industriestandaard krimpbereiken op basis van ASTM D955-testmethoden.

Glasvezelversterking vermindert de krimp aanzienlijk doordat ze de mobiliteit van polymeerketens tijdens het afkoelen beperkt. Een compound met 30% glasvezel vermindert de krimp doorgaans met 50–70% ten opzichte van de ongevulde kwaliteit. Glasvezels veroorzaken echter anisotrope krimp: het onderdeel krimpt minder in de stromingsrichting (waarin de vezels zich uitlijnen) en meer dwars op de stroming. Dit richtingsverschil vereist bij het matrijsontwerp vaak afzonderlijke krimpfactoren voor elke as.

Vulstoffen zoals talk, calciumcarbonaat en minerale versterkingen verminderen eveneens de krimp, al zijn ze minder effectief dan glasvezels. PP met 20% talk krimpt ongeveer 0,8–1,2%, tegenover 1,5–2,5% voor ongevuld PP. De keuze tussen vulstoffen hangt af van de balans tussen krimpvermindering, mechanische eigenschappen en eisen aan de oppervlakteafwerking.

Krimp bij spuitgieten voorspellen

Moderne software voor matrijsvulkanalyse² voorspelt krimp met een nauwkeurigheid van ±0,05% wanneer deze met gemeten materiaalgegevens is gekalibreerd en onder gevalideerde procesomstandigheden wordt gebruikt. Simulatietools modelleren het volledige thermomechanische gedrag: vullen, nadrukken, koelen en de resulterende volumetrische krimp in elk element van de onderdeelgeometrie.

De simulatieworkflow begint met een 3D-mesh van het onderdeel en het lopersysteem, gevolgd door invoer van materiaaleigenschappen (PVT-gegevens, viscositeitscurven, warmtegeleiding), randvoorwaarden (smelttemperatuur, matrijstemperatuur, injectiesnelheidsprofiel) en nadrukparameters. De solver berekent de lokale krimp bij elk meshelement en produceert kleurgecodeerde resultaten die zones met hoge krimp identificeren voordat er staal wordt verspaand.

Simulatieresultaten laten matrijsontwerpers zien waar ze nadruk moeten toevoegen, aanspuitpunten moeten verplaatsen of de wanddikte moeten wijzigen. Als een simulatie bijvoorbeeld 2.1% krimp bij een dikke nok en 0.8% krimp bij het aanspuitpunt laat zien, kan de ontwerper de doorsnede van het aanspuitpunt vergroten, een tweede aanspuitpunt toevoegen of de wanddikte van de nok verkleinen om de krimp over het onderdeel gelijk te maken.

Zonder simulatie berust de voorspelling van krimp op waarden uit materiaaldatasheets en empirische vuistregels. Deze aanpak werkt voldoende voor eenvoudige geometrieën met een gelijkmatige wanddikte, maar faalt consequent bij complexe onderdelen met variërende wandsecties, ribben, bossen en meerdere aanspuitingen. De kosten van één matrijsiteratie ($5,000–$50,000) rechtvaardigen vrijwel altijd de investering in een voorafgaande simulatie ($500–$2,000 per analyse).

Ongelijkmatige krimp en veelvoorkomende defecten

Ongelijkmatige krimp is de hoofdoorzaak van 80% van de maatfouten in spuitgietonderdelen en veroorzaakt kromtrekken, inval, holtes en kenmerken buiten tolerantie. Wanneer verschillende zones van een onderdeel met verschillende snelheden krimpen, ontstaan interne spanningen die de eindgeometrie vervormen. Een vlak paneel met 0.3% differentiële krimp over de breedte buigt of verdraait zichtbaar.

Drie hoofdmechanismen veroorzaken ongelijkmatige krimp: variërende wanddikte binnen de onderdeelgeometrie, ongelijke afkoelsnelheden aan de kern- en vormholtezijde van de matrijs en drukgradiënten van de aanspuiting tot het einde van de vulling. Elk mechanisme veroorzaakt een herkenbaar defectpatroon. Variaties in wanddikte veroorzaken plaatselijke inval. Een verstoorde koelbalans veroorzaakt kromtrekken of verdraaien. Drukgradiënten veroorzaken onvoldoende nadruk aan het einde van de vulling en een aflopende maat van de aanspuiting naar het verste uiteinde.

Inzakkingen en inwendige holten

Inval verschijnt als oppervlaktedeuk boven dikke secties, ribben of nokken waar het kernmateriaal als laatste afkoelt en naar binnen krimpt. De standaardregel is dat de ribdikte niet meer dan 60% van de aangrenzende wanddikte mag bedragen om zichtbare inval te beperken. Wanneer de verhouding rib/wand boven 80% komt, wordt inval zelfs bij geoptimaliseerde nadruk zichtbaar.

Inwendige holtes ontstaan wanneer de buitenmantel eerst stolt en de gesmolten kern krimpt zonder materiaal dat de ruimte kan vullen. Holtes zijn vooral problematisch in constructieve onderdelen, waar ze de dragende doorsnede verkleinen. Het verhogen van de nadruk en nahoudtijd, verlagen van de smelttemperatuur en toepassen van gasinjectie- of schuiminjectietechnieken zijn gangbare oplossingen. Röntgen- of CT-scanning is vaak nodig om inwendige holtes te detecteren die vanaf het oppervlak onzichtbaar zijn.

Kromtrekken door differentiële krimp

Kromtrekken treedt op wanneer de kernzijde en holtezijde van een onderdeel met verschillende snelheden krimpen, doorgaans door ongelijke afkoelsnelheden. Als het holteoppervlak afkoelt tot 40°C terwijl het kernoppervlak 70°C blijft, krimpt de kernzijde na het uitwerpen sterker en trekt deze het onderdeel in een concave vorm naar de kern toe. Temperatuurverschillen van 10°C of meer tussen de matrijshelften veroorzaken bij de meeste dunwandige onderdelen meetbare vervorming.

Glasvezelgevulde materialen maken kromtrekken complexer door anisotrope krimp. Tijdens het vullen richten de vezels zich in de stromingsrichting, waardoor krimp langs het stroompad wordt beperkt, maar normale krimp loodrecht op de stroming mogelijk blijft. Een nylon met 30% glasvezel kan 0,3% in de stromingsrichting krimpen, maar 1,0% dwars op de stroming, wat voorspelbare maar moeilijk te compenseren vervorming veroorzaakt.

Strategieën voor matrijsontwerp om krimp te beheersen

Een goed ontwerp van de spuitgietmatrijs³ houdt al ruim vóór de eerste injectie rekening met krimp en gebruikt opgeschaalde matrijsholteafmetingen, strategische aanspuitposities en geoptimaliseerde koelkanalen om vanaf de eerste proefrun onderdelen binnen tolerantie te produceren. Tijdens de CAD-ontwerpfase past de matrijsontwerper materiaalspecifieke krimpfactoren toe op elke afmeting van de matrijsholte.

Schaling van holten en krimpfactoren

Matrijsholtes worden met het verwachte krimppercentage groter bewerkt dan de beoogde onderdeelmaten. Voor een onderdeel met 1.5% verwachte krimp vereist een doelmaat van 50.00 mm een caviteitsmaat van 50.75 mm. Complexe onderdelen kunnen voor verschillende assen verschillende krimpfactoren gebruiken. Bij glasvezelgevulde materialen worden caviteiten in de stromingsrichting met 0.3% opgeschaald en maten dwars op de stroming met 1.0%.

Voor kenmerken met kritieke toleranties (lagerboringen, afmetingen van klikverbindingen, afdichtingsvlakken) kan een ‘steel-safe’-ontwerpfilosofie worden toegepast. De eerste caviteit wordt voor het kenmerk iets te klein bewerkt, zodat materiaal kan worden verwijderd als de eerste proefspuitingen te krap uitvallen. Dit is veel goedkoper dan een te grote caviteit op te lassen en opnieuw te bewerken.

Positie van de aanspuiting en runnerontwerp

De locatie van het aanspuitpunt bepaalt rechtstreeks hoe de nadruk zich door het onderdeel voortplant. Gebieden ver van het aanspuitpunt krijgen minder nadruk en krimpen daarom meer. Door het aanspuitpunt bij dikke secties te plaatsen, compenseert de nadruk de zones met de meeste krimp. Voor grote of complexe onderdelen kunnen meerdere aanspuitpunten nodig zijn om overal een gelijkmatige nadruk te behouden.

De doorsnede van het runnersysteem moet groot genoeg zijn om gedurende de gehele nadrukfase voldoende druk bij de aanspuiting te behouden. Een te klein aanspuitkanaal stolt voortijdig, sluit de nadrukdruk af en laat het onderdeel vrij krimpen. Hotrunnersystemen houden de smelttemperatuur tot aan de aanspuiting constant en zorgen daardoor voor een consistentere nadruk en gelijkmatigere krimp dan koudrunnersystemen.

Optimalisatie van koelkanalen

Gelijkmatige koeling is de meest effectieve matrijsontwerpstrategie om variatie in krimp te beheersen. Koelkanalen moeten op gelijke afstand van alle holteoppervlakken blijven en voldoende warmte afvoeren om het onderdeel gelijkmatig te laten stollen. De standaardontwerpregel is om koelkanalen op 1.5–2.0 maal de kanaaldiameter van het holteoppervlak te plaatsen, met een hart-op-hartafstand van 3–5 maal de kanaaldiameter.

Conforme koelkanalen, vervaardigd via additive manufacturing, volgen de contouren van complexe caviteitsgeometrieën die conventionele recht geboorde kanalen niet kunnen bereiken. Vergeleken met conventionele koeling verkort conforme koeling de cyclustijd met 20–35% en de krimpvariatie met maximaal 40%, waardoor deze vooral waardevol is voor onderdelen met diepe kernen, dunne wanden of complexe gebogen oppervlakken.

Optimalisatie van procesparameters voor krimpbeheersing

Optimalisatie van procesparameters vermindert de krimpvariatie met 30–50% boven op wat alleen met matrijsontwerp wordt bereikt, waarbij nadrukdrukprofielen, smelttemperatuur, matrijstemperatuur en koeltijd de vier kritieke regelvariabelen zijn. Een systematische Design of Experiments (DOE)-aanpak vindt de optimale combinatie sneller dan telkens één variabele aanpassen.

De nadrukfase heeft procesmatig de grootste invloed op krimp. Een geprofileerde nadruk (hoge begindruk die afloopt naar een lagere houdruk) vult de caviteit beter dan constante druk. Gebruikelijke profielen starten op 80% van de injectiedruk en dalen tijdens de nadruktijd naar 40–60%. Het overgangspunt moet samenvallen met het stollen van het aanspuitpunt om energieverspilling daarna te voorkomen.

De koeltijd moet lang genoeg zijn om de volledige doorsnede van het onderdeel vóór het uitwerpen te laten stollen tot onder de warmtevervormingstemperatuur (HDT) van het materiaal. Voortijdig uitwerpen leidt tot krimp en kromtrekken na het spuitgieten, doordat de nog warme kern verder samentrekt. De minimale koeltijd is evenredig met het kwadraat van de wanddikte. Een verdubbeling van de wanddikte verviervoudigt de vereiste koeltijd.

Bij scientific molding worden druksensoren in de matrijsholte gebruikt om tijdens elke cyclus de werkelijke omstandigheden in de matrijs te bewaken. Door een constante maximale matrijsholtedruk (±2%) en druk bij poortafdichting te handhaven, daalt de krimpvariatie van cyclus tot cyclus tot onder 0,05%. Dit niveau van procesbeheersing is essentieel voor medische hulpmiddelen, veiligheidskritische auto-onderdelen en precisiesamenstellingen met nauwe DFM⁴-toleranties.

Over ZetarMold — uw fabrikant van spuitgietproducten

Zoekt u een betrouwbare fabrikant voor spuitgieten? ZetarMold levert maandelijks meer dan 100 precisiematrijzen en heeft ervaring met meer dan 400 materialen. Vraag een gratis offerte aan →

Veelgestelde vragen over krimp bij spuitgieten?

Wat is het aanvaardbare krimppercentage voor spuitgegoten onderdelen?

Aanvaardbare krimp hangt af van het materiaal en de tolerantie-eisen van de toepassing. Voor onderdelen voor algemeen gebruik is het aanvaardbaar om binnen het gepubliceerde krimpbereik van het materiaal te blijven, doorgaans ±0.2% van de nominale waarde. Voor precisieonderdelen met toleranties nauwer dan ±0.1 mm moet de krimp met matrijsstroomsimulatie binnen ±0.05% worden voorspeld en met metingen van het eerste product worden gevalideerd. Semikristallijne materialen zoals PP en Nylon hebben ruimere aanvaardbare bereiken (1.0–2.5%), terwijl amorfe materialen zoals ABS en PC op nauwere bereiken mikken (0.4–0.7%). De belangrijkste maatstaf is de consistentie tussen cycli, niet de absolute krimpwaarde.

Hoe beïnvloedt de wanddikte de krimp bij spuitgieten?

De wanddikte houdt rechtstreeks verband met de omvang en gelijkmatigheid van de krimp. Dikkere wanden koelen langzamer, waardoor halfkristallijne materialen sterker kristalliseren en lokaal meer krimpen. Een wanddeel van 4 mm krimpt in hetzelfde onderdeel doorgaans 15–25% meer dan een wanddeel van 2 mm. Een ongelijkmatige wanddikte is de belangrijkste oorzaak van krimpverschillen en kromtrekken. De algemene ontwerprichtlijn is om de variatie in wanddikte over het hele onderdeel binnen 25% te houden (bijvoorbeeld van 2.0 mm tot 2.5 mm), zodat krimpverschillen tot een minimum worden beperkt.

Kunt u de krimp bij spuitgieten tot nul terugbrengen?

Nee, krimp kan niet worden geëlimineerd, omdat dit een inherente fysische eigenschap van de afkoeling van polymeren is. Alle thermoplasten krimpen wanneer ze van smelttemperatuur naar kamertemperatuur gaan. Het doel is niet nul krimp, maar voorspelbare en gelijkmatige krimp die in het matrijsontwerp kan worden gecompenseerd. Amorfe materialen met lage krimppercentages (0.2–0.4%) benaderen minimale krimp het dichtst, maar ook voor deze materialen moeten de caviteiten worden opgeschaald. Glasvezelversterking verlaagt de krimp in sterk gevulde compounds tot 0.1–0.3%.

Wat is het verschil tussen isotrope en anisotrope krimp?

Isotrope krimp betekent dat het materiaal in alle richtingen evenveel samentrekt, wat kenmerkend is voor ongevulde amorfe polymeren zoals polycarbonaat en ABS. Anisotrope krimp betekent dat het materiaal in verschillende richtingen met verschillende snelheden krimpt; dit komt voor bij vezelversterkte materialen en semikristallijne polymeren met georiënteerde molecuulketens. Een nylon met 30% glasvezel kan 0,3% in de stromingsrichting krimpen, maar 1,0% loodrecht op de stroming. Bij anisotrope materialen moeten matrijsontwerpers afzonderlijke krimpfactoren voor elke as toepassen, waardoor het ontwerp aanzienlijk complexer wordt.

Hoe lang gaat krimp na het vormen door na het uitwerpen?

Krimp na het vormen treedt hoofdzakelijk op tijdens de eerste 24–48 uur na het uitwerpen, terwijl het onderdeel volledig thermisch en spanningsevenwicht met de omgeving bereikt. Meetbare maatveranderingen kunnen echter tot 7 dagen doorgaan in dikwandige semikristallijne onderdelen doordat secundaire kristallisatie voortschrijdt. Voor maatinspectie adviseert de industrie onderdelen vóór het meten minimaal 24 uur te conditioneren bij 23°C en 50% relatieve luchtvochtigheid. Kritieke metingen aan semikristallijne onderdelen moeten na 48 en 72 uur worden herhaald om de maatvastheid te bevestigen.

Hoe beïnvloedt nadruk de krimp bij spuitgieten?

Nadrukdruk is het effectiefste procesmiddel om krimp te verminderen. Tijdens de koelfase perst deze druk extra gesmolten materiaal in de matrijsholte om volumetrische krimp te compenseren. Een verhoging van de nadrukdruk van 40 naar 80 MPa vermindert de krimp bij semikristallijne materialen doorgaans met 0,2–0,5%. De nadrukfase moet doorgaan totdat de aanspuiting stolt, wat afhankelijk van de aanspuitgeometrie doorgaans 3–15 seconden duurt. Na het stollen van de aanspuiting kan ongeacht de toegepaste druk geen extra materiaal meer in de holte komen. Overmatige nadruk veroorzaakt restspanning, braamvorming en problemen bij het uitwerpen.

Ontvang concurrerende prijzen, DFM-feedback en een productieplanning van het engineeringteam van ZetarMold.

Vraag een gratis offerte aan → Bekijk onze Complete gids voor spuitgietmatrijzen voor een uitgebreid overzicht. Bekijk onze Complete gids voor spuitgietmatrijzen voor een uitgebreid overzicht.