选材专栏 | 工程塑料选材之模具收缩率

什么是材料模具收缩率

材料模具收缩率，准确的叫成型收缩率，大体可以分为3种类型：

1. 注塑成形过程中，首先将熔融塑料注射入模具型腔内，充填结束后熔料冷却固化，从模具中取出塑件时即出现收缩，此收缩称为成形收缩；

2. 塑件从模具取出到稳定这一段时间内，尺寸仍会出现微小的变化，一种变化是继续收缩，此收缩称为后收缩；

3. 另一种变化是某些吸湿性塑料因吸湿而出现膨胀，如尼龙材料等。

其中起主要作用的是成形收缩。目前确定各种塑料收缩率的方法，一般都推荐德国国家标准中DIN16901的规定。即以23±23℃，相对湿度为50±5%条件下测量出的相应塑件尺寸之差算出。

收缩率S由下式表示：S={(D－M)/D}×100%(1)

其中：S-收缩率；D-模具尺寸；M-塑件尺寸。

影响材料模具收缩率的因数

01

材料规格

1. 原材料基材：工程塑料一般分为结晶塑料和无定形（非结晶）塑料两种。结晶塑料的模具收缩率一般比非结晶塑料的大，而且具有各向异性。

2. 材料的结晶：材料结晶度越高，收缩率越大，取向性也越高。

3. 材料的取向：结晶材料和玻纤/碳纤填充材料都会发生各向异性，流动方向的收缩率小，垂直于流动方向的收缩率大，通常结晶度越高，玻纤长度越长，取向越明显。

4. 填充：工程塑料添加无机填充材料后收缩率通常会减小，添加分量越多材料收缩率越小。

                       PC材料收缩率与玻纤含量关系 

02

塑件形状

1. 对于成形件壁厚来说，一般由于厚壁的冷却时间较长，因而收缩率也较大。对一般塑件来说，当熔料流动方向尺寸与垂直于熔料流方向尺寸的差异较大时，则收缩率差异也较大。

2. 从熔料流动距离来看，远离浇口部分的压力损失大，因而该处的收缩率也比靠近浇口部位大。

3. 因加强筋、孔、凸台和雕刻等形状具有收缩抗力，因而这些部位的收缩率较小。

 

03

模具设计

浇口形式对收缩率也有影响。用小浇口时，因保压结束之前浇口即固化而使塑件的收缩率增大。

注塑模中的冷却回路结构也是模具设计中的一个关键。冷却回路设计得不适当，则因塑件各处温度不均衡而产生收缩差，其结果是使塑件尺寸超差或变形。在薄壁部分，模具温度分布对收缩率的影响则更为明显。

模流分析软件能准确预测产品不同位置收缩导致的变形趋势

04

成形条件

塑料的收缩行为与温度、压力密切相关，在注塑成型过程中，聚合物材料被加热成熔融态，并在很高的压力下注射到模具型腔中，经历了从高温、高压到迅速冷却和压力下降的过程，之后由熔融态转变为固态，塑胶的体积V与温度T压力P的关系成为PVT曲线。

PP材料的PVT曲线

1. 料筒温度：料筒温度（塑料温度）较高时，压力传递较好而使收缩力减小。

2. 模内压力：模内压力是对收缩率影响较大的因素，特别是充填结束后的保压压力。在一般情况下，压力较大的时因材料的密度大，收缩率就较小。

3. 模具温度：通常模具温度较高时收缩率也较大。但对于薄壁塑件，模具温度高则熔料的流动阻抗小，而收缩率反而较小。

应用选材的策略

01

模具尺寸的确定

模具收缩率是产品模具设计的重要依据，但是模具设计参考材料物性表上的模具收缩率以外，还必须考虑到上面提到的其他因素，特别是PBT等收缩率变化比较大的材料。

1. 产品越厚，收缩率越大。

2. 产品有加强筋一次收缩相对另一侧要小，模具需要做反向补偿。 

02

尺寸精度公差

材料的模具收缩率除了会影响最终产品的尺寸，同时会影响产品的尺寸精度，收缩率越大的材料，收缩率的范围也越宽，其尺寸变化方差也越大。

下图为不同收缩率材料在同一模具上生产的部件测量的尺寸分布图。

可以看到，由于PC的收缩率比PC/PBT材料要小，生产的产品不仅尺寸要大，而且尺寸分布范围更窄，因此产品的尺寸精度也更高。

因此对于尺寸精度要求高的产品，收缩率小、非结晶、高填充的规格，填充材料以短玻纤混合矿粉等都是选项。

03

产品的变形度

产品变形是成型收缩不一致导致的，因此：

材料收缩小，变形的风险越小；

材料收缩不一致导致的变形，可以通过模具浇口位置大小设定，调节前后模温，可以改变两面的收缩大小。

 

结晶材料结晶度越小收缩和取向性越小，变形越小。降低结晶材料结晶度、材料改性（如PC/PBT 共混）、工艺上降低模温，均可以降低结晶度从而可以改善变形。

04

与金属模内注塑

由于金属的收缩小，因此产品带有金属镶件的应该选择小的模具收缩率或填充材料。以降低由于收缩不一致导致产品内应力大导致变形或开裂的风险。

 

05

脱模性

通常材料收缩率越小，脱模越困难，在有些深腔的不容易脱模的部件需要注意加大脱模斜度。

总之，选材时针对于模具收缩率应该注意：

1. 材料模具收缩率不仅要看材料种类、填充等，还需要按照产品的结构设计，不同的方向去确定初步的数据范围，可以参考以往的类似产品，或者借助于模流分析软件。通常还要预留模具加工余量后续根据试模结果做修模微调。

2. 对于产品尺寸精度要求比较高的材料，选择收缩率小的材料，收缩率大的结晶材料需要通过填充改性降低材料的收缩率，对于平面度等变形有要求的还需要降低材料的取向性。

3. 精密部件除了考虑收缩率大小，还需要考虑收缩率变动范围，通过CPK测试进一步验证生产可行性。

4. 产品验证后生产需要对关键工艺参数，如料温、模温、模内压力进行监控，以保证尺寸稳定性。