Kurzschüsse beim Spritzgießen: Ursachenanalyse, Lösungen und Praxisbeispiele
Im Bereich der Kunststoffspritzgussproduktion zählen unvollständige Füllungen zu den häufigsten und gravierendsten Qualitätsfehlern. Eine unvollständige Füllung entsteht, wenn die Kunststoffschmelze den Formhohlraum während des Füllvorgangs nicht vollständig ausfüllt. Dies führt zu Problemen wie Materialmangel, unvollständigen Kanten und Fülllücken in dünnwandigen Bereichen des Formteils. Diese Mängel beeinträchtigen unmittelbar die strukturelle Integrität, die Montagegenauigkeit und die optische Qualität des Produkts.
Ein Fallbeispiel eines Herstellers von Elektrofahrzeugen zeigt, dass allein ein Problem mit zu kurzen Einspritzzeiten bei dünnwandigen Stoßfängern dazu führte, dass die Produktionslinie des Kunden für 8 Stunden stillstand, was zu direkten wirtschaftlichen Verlusten von über 500.000 Yuan führte (Anmerkung: Falls eine Umrechnung in eine Fremdwährung kontextuell angemessener ist, kann „über 70.000 US-Dollar“ verwendet werden, wobei der Umrechnungskurs auf dem durchschnittlichen Marktkurs um das Jahr 2024 basiert).
Ausgehend vom grundlegenden Mechanismus von Kurzschüssen werden in diesem Artikel systematisch die vier Hauptursachen aufgeschlüsselt, umfassende Lösungsansätze für Materialien, Formen, Prozesse und Ausrüstung vorgestellt und die Umsetzungswege anhand praktischer Beispiele veranschaulicht.
I. Das Wesen von Kurzschüssen: Dynamische Störung des Flussgleichgewichts
Die Bildung von unvollständigen Füllkörpern wird nicht durch einen einzigen Faktor verursacht; ihr Wesen liegt in der Störung des dynamischen Gleichgewichts zwischen der „Antriebsenergie“ und dem „Fließwiderstand“ des geschmolzenen Kunststoffs während des Füllvorgangs. Aus mikroskopischer Sicht muss die Schmelzfront drei zentrale Widerstandsarten überwinden, um den Hohlraum vollständig zu füllen:
1. Viskositätswiderstand der Schmelze selbst: Er entsteht durch die Materialviskosität und die Reibung im Verteilerkanal;
2. Druckabfall: Der Druckverlust der Schmelze vom Anguss bis zum Ende des Hohlraums nimmt exponentiell mit der Länge des Strömungswegs zu;
3. Temperaturgradient: Die Abkühlung der Schmelze führt zu einem starken Anstieg der Viskosität – für jeden Temperaturabfall um 10°C kann die Viskosität um das 2,3-fache ansteigen (gemäß der Arrhenius-Gleichung).
Wenn die Summe dieser Widerstände die vom Einspritzsystem bereitgestellte Vortriebskraft übersteigt, erstarrt die Schmelzfront, bevor der Hohlraum vollständig ausgefüllt ist, was zu dem Kurzschussdefekt führt.
Typische Erscheinungsformen von Kurzschüssen sind:
● Fortschreitender Materialmangel (allmähliche Materialverdünnung vom Anguss bis zum Ende des Bauteils);
● Zeitweise Unterbrechung des Durchflusses (Auftreten von „bambusartigen Fugenlinien“ an der Oberfläche);
● Insgesamt unzureichende Füllung (unzureichende Füllung des gesamten Hohlraums);
● Lokaler Materialmangel (unbesetzte komplexe Strukturen oder Netzbereiche).
Unterschiedliche Erscheinungsformen entsprechen unterschiedlichen Ursachenkombinationen.
II. Vier Hauptursachen: Lückenlose Rückverfolgbarkeit von Materialien bis zu Geräten
(1) Materialeigenschaften: Inhärente Beschränkungen der Durchflusskapazität
Bei Kurzschüssen sind die Materialien der entscheidende Faktor, wobei die Kernprobleme auf zwei Aspekte abzielen: Fließfähigkeit und Reinheit.
Hochviskose Werkstoffe (z. B. PC, PPO, PC + 20 % mineralischer Füllstoff) weisen einen hohen Schmelzflusswiderstand auf. Insbesondere bei dünnwandigen Produkten (≤ 2 mm) oder Produkten mit langem Fließweg (Fließverhältnis > 100:1) treten aufgrund unzureichenden Flusses häufig unvollständige Füllungen auf. Verunreinigungen, ungeschmolzene Partikel oder ein Überschuss an Schmierstoffen in den Rohstoffen verschärfen das Problem zusätzlich: Verunreinigungen können Angusskanäle verstopfen und „Fließhindernisse“ bilden, während ein Überschuss an Schmierstoffen zu Schmelzschlupf und damit zu einem geringeren effektiven Fülldruck führen kann.
Darüber hinaus erhöht die Neuausrichtung der Glasfasern bei glasfaserverstärkten Werkstoffen (z. B. PP + 30 % GF) den Fließwiderstand. Bereiche mit konzentrierten langen Fasern können sogar eine Netzwerkstruktur bilden, die den Schmelzvorschub behindert.
(2) Werkzeugkonstruktion: Strukturelle Defekte in den Strömungswegen
Die Rationalität der Werkzeugkonstruktion bestimmt unmittelbar die Gleichmäßigkeit des Schmelzeflusses. Häufige Konstruktionsprobleme sind:
● Unsachgemäße Auslegung von Ansaugkanälen und Schiebern (zu dünne Ansaugkanäle, versetzte Schieberpositionen oder zu kleine Schieber), was zu übermäßigen Druckverlusten führt;
● Mangelhafte Hohlraumentlüftung: Eingeschlossene Luft kann nicht entweichen, wodurch ein Gegendruck entsteht, der das Einfüllen der Schmelze behindert;
● Unangemessene Anordnung des Kühlsystems: Lokale Überkühlung führt zu vorzeitiger Erstarrung der Schmelze;
● Komplexe Produktgeometrie (z. B. dichte Maschen, schmale Rippen): Erhöht den Strömungswiderstand und führt leicht zur Bildung von Strömungsstagnationszonen.
Beispielsweise weist der Mesh-Bereich der Unterseite eines Notebooks eine große Kontaktfläche und eine schnelle Wärmeableitung auf – er ist nicht nur anfällig für Kurzschlüsse, sondern auch für Blitzfehler aufgrund des hohen Drucks, der zum Befüllen erforderlich ist.
(3) Prozessparameter: Ungleichmäßige Abstimmung der Formgebungsbedingungen
Prozessparameter sind die direkteste Ursache für Kurzschüsse, wobei der Kern in der Dreiecksanpassung von Temperatur, Druck und Geschwindigkeit liegt.
● Unzureichender Einspritzdruck oder eine unzureichende Einspritzgeschwindigkeit führen zu einer ungenügenden Schmelze-Vortriebskraft; umgekehrt kann eine zu hohe Geschwindigkeit Luft einschließen, während eine zu niedrige Geschwindigkeit dazu führt, dass die Schmelze vorzeitig erstarrt.
● Niedrige Schmelz- oder Formtemperaturen erhöhen die Schmelzviskosität deutlich. Beispielsweise ist die Fließfähigkeit von PP-Material bei 200 °C wesentlich geringer als im optimalen Temperaturbereich (220–240 °C).
● Ungeeignete Einstellungen des Haltedrucks (z. B. verzögerte Umschaltung, unzureichender Druck) können die Schmelzschrumpfung nicht ausgleichen, was zu Materialengpässen am Ende des Bauteils führt.
Die in traditionellen Verfahren angewandte „Einheitslösung“ der Konstantgeschwindigkeitseinspritzung kann nicht an das Druckabfallgesetz von Produkten mit langem Fließweg angepasst werden, was auch eine Hauptursache für fortschreitende Kurzdosen ist.
(4) Geräteleistung: Unzureichende Präzision bei der Energieübertragung
Die Leistung von Spritzgießmaschinen beeinflusst direkt die Stabilität der Energieversorgung, und das Auftreten von Fehlfüllungen variiert erheblich zwischen Maschinen verschiedener Marken. Bei elektrischen Spritzgießmaschinen zählen die Genauigkeit der Druckübertragung, die Stabilität des Materialflusses und die Gleichmäßigkeit des Temperaturfeldes zu den wichtigsten Einflussfaktoren.
● Fanuc-Maschinen haben eine hohe Durchflussabfallrate (bis zu 60%), was leicht zu einem fortschreitenden Materialmangel führt.
● Verzögerungen in der Reaktion des Haltedruck-Schaltventils von Sumitomo-Maschinen können zu zeitweiligen Durchflussunterbrechungen führen;
● Drehzahlschwankungen bei haitianischen Maschinen führen zu Druckinstabilität und damit zu einer insgesamt unzureichenden Befüllung.
Darüber hinaus können Gerätefehler wie leere Trichter, verstopfte Zuführungseinlässe und verschlissene Rückschlagventile zu einem Abfall des tatsächlichen Einspritzdrucks oder zu Druckverlusten führen und dadurch die Probleme mit unvollständigen Dosen weiter verschärfen.
III. Umfassende Lösungen: Eine systematische Strategie von der Prävention bis zur Ausrottung
(1) Materialoptimierung: Steigerung der Durchflusskapazität an der Quelle
Kern der Materialanpassung ist die Reduzierung des Strömungswiderstands, was durch drei Ansätze erreicht werden kann:
1. Durch Harzsorten mit besserer Fließfähigkeit ersetzen: Wählen Sie Materialien mit höherer Schmelzflussrate (MFR), um den für die Füllung erforderlichen Einspritzdruck zu reduzieren;
2. Modifizierung des Rohmaterials: Verbesserung der Schmelzfließfähigkeit durch Zugabe von Weichmachern, Reduzierung des Füllstoffanteils oder Optimierung der Längenverteilung der Glasfasern;
3. Rohstoffvorbehandlung: Strenge Kontrolle des Verunreinigungsgehalts und vollständige Trocknung hygroskopischer Materialien, um durch Feuchtigkeit verursachte Viskositätsschwankungen zu vermeiden.
Bei glasfaserverstärkten Werkstoffen wie PP + 30% GF können das Schneckenkompressionsverhältnis und die Länge des Mischabschnitts so angepasst werden, dass Glasfaserbrüche reduziert und der Fließwiderstand verringert werden.
(2) Formoptimierung: Aufbau eines Systems für einen reibungslosen Materialfluss
Die Verbesserung von Formen erfordert eine präzise Optimierung in Kombination mit einer CAE-Formfüllanalyse:
● Anguss- und Formgestaltung: Vergrößerung der Angusskanalgröße, Optimierung der Angussposition (z. B. Umstellung von seitlichem auf mittigen Anguss) und Ausgleich der Füllzeit jeder Kavität. Bei einem bestimmten Automobilbauteil konnte durch diese Methode eine Steigerung der Füllrate um 20 % erzielt werden;
● Belüftungssystem: Entlüftungsnuten (Tiefe ≤ 0,02 mm, Breite 5-10 mm) am Ende des Hohlraums und in Bereichen mit Luftansammlungen einbringen oder poröse Stahleinsätze verwenden, um den Gegendruck zu eliminieren;
● Kühlsystem: Lokale Überkühlung vermeiden; bei Produkten mit langem Fließweg können am Ende zusätzliche Heizstäbe installiert werden, um die Schmelztemperatur aufrechtzuerhalten;
● Produkte mit komplexer Struktur: Optimierung der Produktgeometrie mittels CAE-Simulation, z. B. durch Verdickung dünnwandiger Bereiche oder Vereinfachung der Strömungswege, um den Strömungswiderstand zu verringern.
(3) Prozessoptimierung: Erreichen einer präzisen Prozesssteuerung
Der Schlüssel zur Prozessanpassung besteht darin, ein dynamisches Abstimmungsverhältnis zwischen „Temperatur, Druck und Geschwindigkeit“ herzustellen:
● Temperaturkontrolle: Die Schmelztemperatur (z. B. durch Erhöhung der PP-Temperatur von 200 °C auf 220-240 °C) und die Formtemperatur entsprechend erhöhen, um die Viskosität der Schmelze zu verringern und gleichzeitig eine Materialzersetzung durch zu hohe Temperaturen zu vermeiden;
● Druck- und Geschwindigkeitsregelung: Es wird eine segmentierte Einspritzstrategie angewendet und die Parameter werden dynamisch an die Strömungsweglänge angepasst. Beispielsweise werden im Anfangsstadium hoher Druck und hohe Geschwindigkeit eingesetzt, um schnell einen Druckgradienten aufzubauen, der Druck wird im mittleren Stadium aufrechterhalten, um den Druckabfall auszugleichen, und die Geschwindigkeit wird im Endstadium reduziert, um ein Verdampfen zu vermeiden. Gleichzeitig wird ein allmählich abnehmender Haltedruck verwendet, um plötzliche Druckänderungen zu verhindern;
● Prinzip der Parameteranpassung: Befolgen Sie das Prinzip „klein und schrittweise“ – passen Sie den Einspritzdruck jedes Mal um 5-10 % an, um neue Defekte durch drastische Parameteränderungen zu vermeiden.
(4) Optimierung der Ausrüstung: Sicherstellung einer stabilen Energieübertragung
Die Optimierung auf Geräteebene umfasst:
● Regelmäßige Kalibrierung von Einspritzdruck und Durchflussgenauigkeit zur Sicherstellung der Genauigkeit der Druckübertragung;
● Verschleißteile der Rückschlagventile prüfen und gegebenenfalls ersetzen, um Druckverluste zu vermeiden;
Entwickeln Sie differenzierte Parameter basierend auf den Eigenschaften von Maschinen verschiedener Marken. Beispielsweise müssen Fanuc-Maschinen den Fokus auf den Ausgleich des Durchflussabfalls legen, Sumitomo-Maschinen erfordern die Optimierung des Schaltzeitpunkts des Haltedrucks und Haitian-Maschinen müssen Drehzahlschwankungen kontrollieren;
● Bei Produkten mit langem Fließweg und dünnen Wänden sollten Sie Geräte mit höherer Stabilität in Bezug auf Einspritzvolumen, Druck und Geschwindigkeit auswählen, um unvollständige Injektionen aufgrund unzureichender Gerätekapazität zu vermeiden.
IV. Praktische Anwendungsfälle: Der Weg von Massen-Kurzschüssen zu 95% Ausbeute
Fallbeispiel 1: Lösung für Kurzschlüsse in dünnwandigen Stoßfängern für Fahrzeuge mit alternativen Antrieben
Ein Automobilhersteller produzierte dünnwandige Stoßfänger aus PP + 30 % GF (Wandstärke: 1,8 mm, Fließverhältnis: 120:1). Alle drei elektrischen Spritzgießmaschinen wiesen massive Fehlmengen auf, mit einem Materialmangel von 2–5 mm am Ende der Teile. Die herkömmliche Methode der Erhöhung des Einspritzdrucks verbesserte das Problem lediglich um 15 % und führte zu starker Gratbildung.
Lösung: Es wurde eine gekoppelte Optimierungsstrategie aus „Anlageneigenschaften – Materialverhalten – Prozessparametern“ gewählt:
● Für Fanuc-Maschinen: Es wurde eine segmentierte Einspritzung implementiert (Anfangsstufe: 140 MPa/200 mm/s → mittlere Stufe: 120 MPa/150 mm/s → Endstufe: 100 MPa/100 mm/s). Zusätzliche Heizstäbe wurden am Ende der Angusskanäle installiert, um die Temperatur am Ende von 185 °C auf 220 °C zu erhöhen und die Viskosität um 48 % zu reduzieren;
● Für Sumitomo-Maschinen: Die Schaltzeit des Haltedrucks wurde optimiert, um die Reaktionsverzögerung auf 0,05 Sekunden zu verkürzen, und der R-Winkel an den Angussbiegungen wurde auf 1,5 mm erweitert;
● Bei haitianischen Maschinen: Die Länge des Schneckenmischabschnitts wurde angepasst, um die ungleichmäßige Verteilung der Glasfasern zu reduzieren, und die Drehzahlschwankung wurde innerhalb von ±1 U/min kontrolliert.
Letztendlich wurde der Kurzschussdefekt vollständig behoben, die Ausbeute von 70 % auf 95 % erhöht und das Blitzvolumen um 80 % reduziert.
Fallbeispiel 2: Gemeinsame Lösung für Kurzschlüsse und Blitze im Mesh-Bereich von NB-Bodenabdeckungen
Bei einem bestimmten Notebook-Bodendeckel (Wandstärke: 1,2 mm, PC + 20 % Mineralfüllstoff) traten aufgrund dichter Siebe gleichzeitig unvollständige Füllung und Gratbildung auf. Drei Anpassungen des Angusses brachten keine signifikante Verbesserung. Die CAE-Formfüllanalyse ergab, dass der Siebbereich einen hohen Fließwiderstand und konzentrierten Druck aufwies.
Lösung:
● Das Netz wurde mithilfe eines äquivalenten Wanddickenkorrekturmodells optimiert, wobei die Wanddicke des Netzbereichs auf 1,05 mm angepasst wurde;
● Das Anguss-System wurde neu gestaltet: Umstellung von Vierpunkt-Anguss auf symmetrischen Zweipunkt-Anguss und Vergrößerung des Durchmessers des Queranspritzkanals auf 8 mm;
● Im Bereich des dichten Maschengewebes wurden Mikro-Belüftungsrillen (Tiefe: 0,015 mm) hinzugefügt;
● Die Prozessparameter wurden angepasst: Erhöhung der Schmelztemperatur von 260°C auf 275°C und Anwendung der Strategie „Füllung mit niedriger Geschwindigkeit – Halten unter hohem Druck“.
Nach der Optimierung wurde der Kurzschussfehler beseitigt und die Blitzfehlerrate sank von 35 % auf 2 %.
V. Schlussfolgerung: Kernlogik der Vermeidung und Kontrolle von Kurzschüssen
Das Problem der unvollständigen Füllung beim Spritzgießen ist im Wesentlichen eine Diskrepanz zwischen Fließsystem, Energieübertragung und Materialeigenschaften. Die Vermeidung und Kontrolle unvollständiger Füllung erfordert die Einrichtung eines geschlossenen Regelkreises aus „Prävention – Diagnose – Optimierung“.
● Potenzielle Risiken werden durch CAE-Formfüllanalysen bereits in der Entwurfsphase vermieden;
● Die Ursachen werden anhand der Defektmanifestationen genau diagnostiziert;
● Eine radikale Lösung wird durch die gemeinsame Optimierung von Materialien, Formen, Prozessen und Ausrüstung erreicht.
Angesichts der zunehmenden Beliebtheit des Präzisionsspritzgießens hat sich die Vermeidung und Kontrolle von Fehlmengen von einer einfachen Parameteranpassung zu einem komplexen System entwickelt. Nur durch das Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen und die Kombination mit praktischer Erfahrung lassen sich die Produktausbeute effektiv steigern und die Produktionskosten senken.
