Wie man Sinkmarken in spritzgegossenen Kunststoffteilen vermeidet

Einführung

Sinkmarken gehören zu den häufigsten Defekten bei spritzgegossenen Kunststoffteilen. Sie zeigen sich als kleine Oberflächeneinbuchtungen, meist gegenüber dicken Verstärkungsrippen, Noppen, Schraubpfosten, Montageplatten oder anderen Bereichen mit lokaler Materialansammlung.

Die Hauptursache ist eine ungleichmäßige volumetrische Schrumpfung. Wenn ein dicker Abschnitt abkühlt und sich zusammenzieht, nachdem die äußere Oberfläche bereits erstarrt ist, erhält das innere Material möglicherweise nicht ausreichend Nachfüllung. Dadurch wird die Oberfläche nach innen gezogen und es entsteht eine sichtbare Sinkmarke.

Für internationale Käufer und Ingenieure sind Sinkmarken nicht nur ein ästhetisches Problem. Sie können auf Risiken in der Wanddickenkonstruktion, der Rippen- und Noppenstruktur, der Angussposition, dem Nachdruck, dem Kühlkonzept oder der Materialauswahl hinweisen. Werden diese Risiken vor der Werkzeugherstellung nicht geprüft, kann das Werkzeug wiederholt getestet, umkonstruiert oder modifiziert werden müssen.

Bei Xu Feng prüfen wir vor der Werkzeugherstellung Zeichnungen und 3D-Modelle von Kunststoffteilen auf Wanddicken, Rippenkonstruktion, Noppenstruktur, Materialschrumpfung, Angussposition, Kühlungsrisiken sowie kosmetische Oberflächenanforderungen. Ziel ist es, Risiken bezüglich Sinkmarken bereits vor Beginn der Formenfertigung zu erkennen.

Problem

Sinkmarken treten in der Regel auf, wenn ein Bereich des Kunststoffteils deutlich dicker ist als die umliegende Wand. Der dickere Bereich kühlt länger ab und zieht sich daher weiter zusammen, nachdem die Oberflächenschicht bereits gebildet wurde. Kann der Nachdruck nicht effektiv zusätzliches Material in diesen Bereich nachführen, kann sich auf der gegenüberliegenden Seite eine Vertiefung bilden.

Zu den häufigen Konstruktionsmerkmalen, die Sinkmarken verursachen können, gehören:

Dicke Rippen, die mit sichtbaren Außenwänden verbunden sind
Massive Noppen, Schraubpfosten oder Montagesäulen
Dicke Montageplatten oder Verstärkungsblöcke
Abrupte Übergänge von dünnen Wänden zu dicken Abschnitten
Lokale Materialansammlungen in der Nähe von Ecken, Kreuzungen oder Rippen
Interne Strukturen, die hinter kosmetischen Oberflächen angeordnet sind
Ungleichmäßige Wandstärke um Funktions- oder Montagebereiche

In vielen Projekten mag die Außenseite des Bauteils einfach aussehen, doch die innere Struktur kann lokale dicke Bereiche erzeugen. Diese Stellen sind häufig die eigentliche Ursache für Sinkmarken.

Fertigungsrisiko

Werden Risiken von Sinkmarken vor der Werkzeugkonstruktion nicht geprüft, kann das Projekt mit mehreren Produktionsproblemen konfrontiert sein.

Sichtbare Oberflächen können die kosmetischen Anforderungen nicht erfüllen, insbesondere bei Gehäusen, Abdeckungen, Paneelen und kunststoffbasierten Teilen, die vom Endverbraucher wahrgenommen werden.
Sinkmarken in der Nähe von Schraubpfosten, Klammern, Rippen oder Montageflächen können die Kundenzufriedenheit beeinträchtigen oder die lokale Festigkeit des Teils verringern.
Dicke Bereiche benötigen möglicherweise längere Kühlzeiten, was die Zykluszeit und die Teilkosten erhöht.
Wiederholte Formversuche können erforderlich sein, um Packdruck, Haltezeit, Schmelztemperatur, Formtemperatur, Angussgröße oder Kühlbedingungen anzupassen.
Stammt die Ursache aus der Bauteilgeometrie, lässt sich der Defekt allein durch Prozessanpassungen oft nicht beheben; in diesem Fall sind Änderungen im Design oder an der Werkzeugkonstruktion notwendig.

DFM-Prüfpunkte

1. Gleichmäßige Wandstärke

Eine gleichmäßige Wandstärke ist die erste Konstruktionsregel zur Reduzierung von Sinkmarken. Große Dickenunterschiede führen zu ungleichmäßiger Abkühlung und ungleichmäßiger Schrumpfung. Bei der DFM-Prüfung sollten dichte lokale Bereiche, plötzliche Dickenübergänge sowie unnötige Materialansammlungen frühzeitig identifiziert werden.

Ist eine dicke Stelle aus funktionalen Gründen erforderlich, kann ein Kernloch eingesetzt werden, um überschüssiges Material zu entfernen und die Wandstärke gleichmäßiger zu halten. Protolabs empfiehlt zudem, Schwankungen der Wandstärke zu vermeiden und dickere Bereiche zu entkernen, um das Sinkmarkenrisiko zu senken.^[1]

2. Rippenstärke

Rippen erhöhen die Steifigkeit, ohne die Gesamtwandstärke zu vergrößern; jedoch können zu dicke Rippen auf der gegenüberliegenden Oberfläche Sinkmarken verursachen.

Eine gängige DFM-Richtlinie besagt, dass die Rippenstärke etwa 40–60 % der benachbarten Wandstärke betragen sollte – je nach Material, kosmetischen Anforderungen und Bauteilstruktur. Für hochglänzende oder stark sichtbare Oberflächen ist ein niedrigerer Wert in der Regel sicherer. Protolabs weist darauf hin, dass Nocken gemäß einer Richtlinie von 40–60 % der Umgebungswandstärke ausgeführt werden sollten, um Sinkmarken zu vermeiden, während Xometry angibt, dass die Rippenstärke im Allgemeinen nicht mehr als 60 % der nominalen Wandstärke betragen sollte. ^[2][3]

3. Ausführung von Stufen und Schraubenpfosten

Bosses und Schraubbolzen sind häufige Ursachen für Sinkmarken, da sie an der Basis oft dicke kreisförmige Querschnitte erzeugen. Bei der DFM-Prüfung sollten Bosses auf übermäßige Wandstärke, Lage hinter kosmetischen Oberflächen, zu geringe Entformungsneigung, mangelhafte Auskernung oder zu viel Material am Ansatz hinüberprüft werden.

Eine bessere Konstruktion ist in der Regel ein auskernter Boss, der durch dünnere Rippen oder Stege gestützt wird, statt ein massiver Block zu sein. Hubs empfiehlt außerdem, dicke Bereiche auszuhöhlen und Stützrippen einzusetzen, um die Steifigkeit zu erhöhen, warnt jedoch davor, dass eine zu starke Rippenwandstärke zu Sinkmarken führen kann. ^[4]

4. Sanfte Übergänge der Wandstärke

Abrupte Übergänge von dünnen zu dicken Querschnitten erhöhen den Schrumpfunterschied und die Spannungskonzentration. Sanfte Übergänge, Radien und Rundungen fördern einen gleichmäßigeren Materialfluss und verringern lokale Kühlunterschiede.

Für eine praxisnahe DFM sollten Übergänge von dick zu dünn schrittweise erfolgen. Der genaue Übergangswinkel hängt von der Bauteilfunktion, dem Werkstoff, der Formkonstruktion sowie den optischen Anforderungen ab; das entscheidende Prinzip besteht jedoch darin, plötzliche Materialansammlungen zu vermeiden.

5. Positionierung der Oberflächengestaltung

Befinden sich Rippen, Bosses oder Montageplatten direkt hinter einer sichtbaren Oberfläche, steigt das Risiko sichtbarer Sinkmarken erheblich. Kosmetische Oberflächen sollten bereits vor der Formkonstruktion klar in der 2D-Zeichnung gekennzeichnet werden.

Dies hilft dem Lieferanten zu entscheiden, ob Rippenstärke, Bossposition, Angussplatzierung, Oberflächenstruktur, Kühlung oder Prozesssteuerung besondere Aufmerksamkeit benötigen.

6. Positionierung des Angusses und des Packungswegs

Die Angussposition beeinflusst, wie die Schmelze die Kavität füllt und wie der Packdruck in dicke Bereiche gelangt. Liegt der Anguss zu weit entfernt von einem dicken Bereich oder erstarrt er zu früh, kann der Packdruck die Schrumpfung möglicherweise nicht wirksam ausgleichen.

Während der DFM- und Formkonstruktion sollten dicke Bereiche gemeinsam mit Angussposition, Angussgröße, Fließlänge, Druckverlust und der erwarteten Erstarrungszeit des Angusses geprüft werden.

7. Kühlkonstruktion

Ungleichmäßige Kühlung kann die Kontrolle von Sinkmarken erschweren. Dicke Bereiche benötigen unter Umständen eine verbesserte Kühlung, etwa durch optimierte Kühlkanäle, lokale Einsätze mit höherer Wärmeleitfähigkeit oder eine bessere Temperaturausbalancierung der Form.

Autodesk weist darauf hin, dass die Ergebnisse von Moldflow bezüglich Sinkmarken helfen können, potenzielle konstruktions- oder verarbeitungsbedingte Probleme bei gegenüberliegenden Merkmalen wie Rippen zu identifizieren und die Wahrscheinlichkeit sowie Tiefe von Sinkmarken abzuschätzen. ^[5]

8. Verhalten der Materialschwindung

Verschiedene Kunststoffe schrumpfen unterschiedlich. PP, PE, PA, POM, ABS, PC, PMMA sowie glasfaserverstärkte Varianten können sich beim Spritzgießen sehr unterschiedlich verhalten. Faserverstärkte Materialien reduzieren zwar den Gesamtschrumpf, können jedoch je nach Faserorientierung auch eine richtungsabhängige Schrumpfung verursachen.

Die Materialwahl sollte zusammen mit Wandstärke, Bauteilgröße, Rippenkonstruktion, Angussposition und kosmetischen Anforderungen überprüft werden.

Praktische Empfehlungen

Bei realen Projekten sollte die Fehlersuche bei Sinkmarken einer praktischen Reihenfolge folgen: Zunächst die Prozessanpassung, danach die Werkzeugoptimierung und schließlich, falls erforderlich, Änderungen des Materials oder der Konstruktion. Diese Reihenfolge hilft, unnötige Modifikationen am Spritzgusswerkzeug zu reduzieren und gleichzeitig die Ursache effektiv zu beheben.

Fehlerbehebungsstufe	Typische Maßnahmen	Wann anzuwenden	Anmerkungen
1. Prozessanpassung	Erhöhen Sie den Packdruck bzw. die Packzeit, passen Sie die Schmelze- und Werkzeugtemperatur an, optimieren Sie die Einspritzgeschwindigkeit und verlängern Sie die Kühlzeit.	Die schnellste Testmethode, wenn Sinkmarken leicht ausgeprägt oder prozessbedingt sind.	Validierung durch Teilegewicht, Oberflächenqualität und Dimensionsstabilität.
2. Werkzeugoptimierung	Passen Sie die Angussgröße/-position an, verbessern Sie die lokale Kühlung, modifizieren Sie dickwandige Bereiche, fügen Sie Kernen hinzu oder optimieren Sie Einlagen.	Wenn eine Anpassung des Prozesses Sinkmarken nicht beseitigen kann.	Effektiver bei Ursachenproblemen, erfordert jedoch Arbeiten am Werkzeug.
3. Änderung des Materials oder Designs	Verwenden Sie ein harz mit geringerer Schrumpfung, ein glasfaserverstärktes Material, optimieren Sie die Wanddicke oder überarbeiten Sie die Konstruktion.	Wenn das Schrumpfungsrisiko mit dem Material oder der Produktgeometrie zusammenhängt.	Sollte nach Möglichkeit vor der Herstellung des Werkzeugs bewertet werden.

1. Optimierung von Packdruck und Haltezeit

Da sich Sinkmarken häufig während der Pack- und Kühlphase bilden, sind Packdruck und Haltezeit in der Regel die ersten Prozessparameter, die überprüft werden sollten. Laut Autodesk Moldflow ist der effektivste Weg, Sinkmarken zu reduzieren oder ganz zu beseitigen, den Packdruck korrekt zu steuern.^[6]

Bei Formversuchen kann der Nachdruck innerhalb eines sicheren Verarbeitungsbereichs schrittweise erhöht werden. Die Haltezeit sollte ausreichend lang sein, damit das Angussloch erstarrt und das Teilstückgewicht sich stabilisiert. Eine praktische Methode zur Bestimmung der Haltezeit ist die Teilstückgewichtsmethode: Erhöhen Sie die Haltezeit schrittweise, bis das Gewicht des Spritzgussteils nicht mehr signifikant zunimmt.

Einige Fabriken beginnen Versuche möglicherweise mit einem Nachdruck von etwa 80–90 % des Fülldrucks, doch dies sollte nicht als allgemeingültige Regel angesehen werden. Die endgültige Einstellung hängt vom Harztyp, der Wandstärke des Teils, dem Angussdesign, der Maschinenleistung, der Werkzeugkonstruktion sowie dem Risiko von Flash ab.

2. Schmelztemperatur und Werkzeugtemperatur sorgfältig einstellen

Eine höhere Schmelztemperatur kann die Viskosität senken und den Materialfluss in dicke Bereiche verbessern, was bei der Nachdruckkompensation hilfreich sein kann. Allerdings kann eine zu hohe Schmelztemperatur die Zykluszeit verlängern, das Degradationsrisiko erhöhen oder Schrumpfprobleme verursachen.

Die Werkzeugtemperatur beeinflusst zudem die Oberflächenverfestigung und das Nachdruckfenster. Bei bestimmten dickwandigen Bereichen kann eine leicht höhere lokale Werkzeugtemperatur das Aushärten der Oberfläche verzögern und eine bessere Nachdruckkompensation ermöglichen. Dies muss jedoch mit der Kühlzeit, der Zykluszeit und der Maßhaltigkeit abgewogen werden.

3. Optimierung der Einspritzgeschwindigkeit

Die Einspritzgeschwindigkeit beeinflusst das Füllgleichgewicht, die molekulare Orientierung, die lokale Dichte sowie die Druckübertragung. Für dicke Abschnitte kann eine sanftere Füllstrategie die Dichteschwankungen verringern und die spätere Übertragung des Nachdrucks erleichtern. Gleichzeitig darf die Einspritzgeschwindigkeit jedoch keine Kurzschießprobleme, Fließlinien, Jetting-Effekte oder übermäßige Scherkräfte verursachen.

4. Bei Bedarf die Kühlzeit verlängern

Wird das Teil ausgestoßen, bevor die dicken Abschnitte ausreichend verfestigt sind, kann die Nachschwindung weitergehen und Sinkmarken deutlicher sichtbar werden. Eine Verlängerung der Kühlzeit kann die Maßhaltigkeit verbessern, insbesondere bei Teilen mit dicken Noppen, Rippen oder Montageflächen. Der Nachteil besteht in einer längeren Zykluszeit; daher sollten Änderungen der Kühlung unter Berücksichtigung der Kostenwirkung bewertet werden.

5. Verbesserung der Angussposition und -größe

Kann ein dicker Abschnitt nicht genügend Nachdruck erhalten, sollten Standort oder Größe des Angusses überprüft werden. Generell sollten dicke Bereiche möglichst nahe an effektiven Nachdruckpfaden platziert werden. Größere oder besser positionierte Angüsse können Druckverluste reduzieren und das Erstarren des Angusses verzögern, wodurch mehr Kompensation für das volumetrische Schrumpfen ermöglicht wird.

Bei neuen Formen sollte die Angussstrategie vor der Fertigung überprüft werden. Bei bestehenden Formen kann eine Anpassung des Angusses hilfreich sein, birgt jedoch Auswirkungen auf das Erscheinungsbild, die Schweißlinien, das Fließgleichgewicht sowie die Nachbearbeitungsanforderungen.

6. Lokale Kühlung verstärken

Bei starken Sinkmarken, die durch lokale Wärmekonzentration entstehen, ist oft ein optimiertes Kühlkonzept wichtiger als bloße Parameteranpassungen. Mögliche Werkzeugverbesserungen umfassen zusätzliche Kühlung in der Nähe dicker Abschnitte, den Einsatz hochleitfähiger Einsätze wie Berylliumkupfer dort, wo es sinnvoll ist, oder eine verbesserte Anordnung der Kühlkanäle.

Für komplexe Teile können konforme Kühlung oder optimierte Kühlkreisläufe helfen, Hotspots zu reduzieren und die Schrumpfung gleichmäßiger zu gestalten. Der genaue Kühlabstand und die Kanalgestaltung müssen entsprechend der Werkzeugkonstruktion, des Materials, des Werkzeugstahls, der Festigkeit der Einsätze sowie der Wartungsanforderungen abgestimmt werden.

7. Lokale Materialansammlungen im Werkzeug oder in der Teilkonstruktion reduzieren

Wenn der dicke Kunststoffbereich die Ursache ist, besteht die effektivste Lösung darin, den Materialaufbau zu reduzieren. Dies kann das Ausbohren dicker Bereiche, die Verringerung der Rippenstärke, das Dünnen der Ansatzwurzeln, das Hinzufügen hohler Strukturen oder die Änderung der Verstärkungsanordnung umfassen.

Für Rippen wird häufig eine Wanddickenrichtlinie von 40–60% verwendet, doch bei hochglänzenden Oberflächen können dünnere Rippen erforderlich sein. Bei Ansätzen ist ein hohler Ansatz, gestützt durch dünne Rippen, in der Regel sicherer als ein massiver zylindrischer Pfosten.

8. Berücksichtigen Sie niedrig schrumpfende oder gefüllte Materialien

Weist das ausgewählte Kunststoffmaterial eine hohe Schrumpfung auf, kann ein Materialwechsel in Betracht gezogen werden. Glasfaserverstärkte Werkstoffe schrumpfen insgesamt oft weniger als ungefülltes Harz, können jedoch anisotrope Schrumpfung verursachen und sich auf Festigkeit, Optik, Schweißlinien, Werkzeugverschleiß sowie Oberflächengüte auswirken.

Der Materialwechsel sollte gemeinsam mit den Anforderungen an die Produktleistung, Maßtoleranzen, optische Eigenschaften, Zertifizierungsanforderungen und Kosten geprüft werden.

9. Nutzen Sie die Formflussanalyse für risikoreiche Teile

Bei Teilen mit dicken Abschnitten, hohen kosmetischen Anforderungen, komplexen Rippen oder teuren Werkzeugen kann die Formflussanalyse helfen, vor der Werkzeugherstellung Bereiche mit hohem Schrumpfungsrisiko zu identifizieren. Autodesk erklärt, dass Sinkmarkenergebnisse das mögliche Sinkverhalten gegenüber konträren Merkmalen wie Rippen vorhersagen können. ^[5]

Die Formflussanalyse ersetzt nicht das ingenieurtechnische Urteil, ist jedoch nützlich, um vor dem Stahlbearbeitungsprozess die Angussposition, den Fließgleichgewichtszustand, den Packdruck, die Kühlungsanordnung, die volumetrische Schrumpfung sowie mögliche Hotspots zu überprüfen.

Wann der Lieferant zur Überprüfung hinzugezogen werden sollte

Sie sollten Ihren Lieferanten um eine DFM-Prüfung bitten, bevor Sie mit der Werkzeugherstellung beginnen, wenn Ihr Kunststoffteil Folgendes aufweist:

Sichtbare kosmetische Oberflächen
Rippen hinter Außenwänden
Stufen, Schraubenpfosten oder Einlegeelemente
Ungleichmäßige Wanddicke oder lokale dicke Abschnitte
Dicke Montageplatten oder Verstärkungsblöcke
Große ebene Flächen
Engere Montageanforderungen
Anforderungen an eine hochglänzende oder strukturierte Oberfläche
Planung eines Prototyp-Werkzeugs oder eines Serienwerkzeugs

Eine frühzeitige DFM-Prüfung hilft festzustellen, ob das Risiko von Sinkmarken hauptsächlich durch die Teildimensionierung, die Formparameter, die Werkzeugkonstruktion, das Kühlkonzept oder die Materialauswahl verursacht wird. Es ist in der Regel einfacher und kostengünstiger, Sinkmarken bereits vor der Werkzeugherstellung zu vermeiden, als sie nach der Werkzeugprobe zu beheben.

Schlussfolgerung

Sinkmarken in spritzgegossenen Kunststoffteilen entstehen hauptsächlich durch ungleichmäßige volumetrische Schrumpfung und unzureichende Nachdruckkompensation in dicken Bereichen. Das Risiko steigt, wenn ein Bauteil eine ungleichmäßige Wandstärke, dicke Verstärkungsrippen, massive Ansätze, lokale Materialanhäufungen, eine ungünstige Angussposition, unzureichenden Nachdruck oder eine ungleichmäßige Kühlung aufweist.

Die beste Präventionsmethode besteht darin, das Design vor der Werkzeugkonstruktion zu überprüfen: Die Wandstärke möglichst gleichmäßig halten, dicke Bereiche auskernen, Rippen und Ansätze sorgfältig konstruieren, sanfte Übergänge verwenden, kosmetische Oberflächen deutlich kennzeichnen und das Schrumpfverhalten des Materials analysieren.

Während der Werkzeugprobe sollten zunächst die Prozessparameter angepasst werden, insbesondere Nachdruck, Haltezeit, Schmelzetemperatur, Werkzeugtemperatur, Einspritzgeschwindigkeit und Kühlzeit. Lässt sich das Problem durch eine Optimierung der Prozessparameter nicht lösen, können weitere Maßnahmen wie eine Werkzeugoptimierung, Verbesserung der Kühlung, Anpassung des Angusses, Materialwechsel oder eine Neukonstruktion des Teils erforderlich sein.

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