Усадка — фундаментальное свойство полимеров, которое нельзя устранить, но можно точно рассчитать и компенсировать. Каждый пластиковый конструктор знает: размер детали, выходящей из формы, всегда меньше размера полости формы. Насколько меньше — зависит от материала, конструкции детали и параметров литья. Ошибка в расчёте усадки при проектировании формы означает брак всей партии и переделку оснастки. Разберём тему с цифрами и практическими примерами.
0,4–2,5%
диапазон усадки основных полимеров
PP
наибольшая усадка среди массовых пластиков
POM/PA
анизотропная усадка у кристаллических полимеров
Что такое усадка при литье пластмасс
Усадка при литье под давлением — уменьшение линейных размеров изделия по сравнению с размерами формообразующей полости пресс-формы при охлаждении от температуры расплава до комнатной температуры. Выражается в процентах от номинального размера.
Формула расчёта усадки:
S = (Lф − Lд) / Lф × 100%
где S — усадка (%), Lф — размер полости формы (мм), Lд — размер готового изделия (мм).
Обратная формула — как рассчитать размер полости формы при известном размере детали:
Lф = Lд / (1 − S/100)
Пример: деталь из PP 100,0 мм, усадка PP 1,5%. Размер полости: 100,0 / (1 − 0,015) = 101,52 мм.
Почему возникает усадка
Усадка полимеров обусловлена двумя физическими процессами, происходящими при охлаждении расплава:
Термическая усадка — расплав при температуре 200–280°C занимает больший объём, чем твёрдый полимер при +23°C. При охлаждении молекулы полимера сближаются, объём уменьшается. Этот процесс происходит у всех полимеров.
Кристаллизационная усадка — дополнительная усадка кристаллизующихся полимеров (PP, HDPE, PA, POM). При кристаллизации молекулярные цепи упорядочиваются в кристаллические структуры с более плотной упаковкой — это добавляет к усадке ещё 0,5–1,5%. Именно поэтому кристаллические полимеры (PP, HDPE) имеют большую усадку, чем аморфные (ABS, PC, PMMA).
Кристаллические vs аморфные полимеры: разница в усадке
Аморфные полимеры (ABS, PC, PS, PMMA) при охлаждении не кристаллизуются — молекулярные цепи остаются неупорядоченными. Усадка 0,4–0,8% — небольшая и предсказуемая. Кристаллические полимеры (PP, HDPE, PA, POM, PBT) при охлаждении частично кристаллизуются. Усадка 1,0–2,5% — в 2–3 раза выше. Именно поэтому PP требует большего «припуска» формы, чем ABS при тех же размерах детали.
Усадка разных полимеров: справочные значения
| Материал | Усадка, % | Тип | Анизотропия | Примечание |
|---|
| ABS | 0,4–0,7 | Аморфный | Низкая | Наиболее предсказуемый |
| PC | 0,5–0,7 | Аморфный | Низкая | Стабильная геометрия |
| PP гомополимер | 1,5–2,0 | Кристаллический | Средняя | Высокая усадка |
| PP блок-сополимер | 1,3–1,8 | Кристаллический | Средняя | Чуть ниже, чем гомо |
| PP-T (с тальком) | 0,8–1,2 | Кристаллический | Снижена наполнителем | Бамперы, панели |
| HDPE | 1,5–3,0 | Кристаллический | Высокая | Наибольшая усадка |
| PA-6 | 0,8–1,5 | Кристаллический | Средняя | Зависит от влажности |
| POM | 1,8–2,5 | Кристаллический | Высокая | Прецизионные детали — сложно |
| PP-GF30 | 0,3–0,6 | Кристаллический | Анизотропная | Стекловолокно снижает усадку |
Что такое коробление и чем оно отличается от усадки
Усадка и коробление — разные явления, хотя связаны. Усадка — равномерное уменьшение размеров. Коробление (warpage) — неравномерная усадка, которая приводит к деформации изделия: деталь «ведёт», она изгибается или скручивается.
Причины коробления:
- Неравномерная толщина стенки — толстые зоны охлаждаются медленнее и дают большую усадку, чем тонкие
- Неравномерное охлаждение формы — одна сторона формы холоднее другой
- Асимметричная конструкция — рёбра и бобышки на одной стороне создают локальную усадку
- Ориентация молекул — вдоль направления течения усадка меньше, поперёк — больше (анизотропия)
Коробление — критичная проблема для плоских и длинных деталей. Бампер длиной 1600 мм при короблении 2 мм на метр даёт общий прогиб 3,2 мм — деталь не встаёт на кузов. Именно для борьбы с коробление применяют PP-T вместо чистого PP и используют каскадное литьё.
Как компенсировать усадку в пресс-форме
Основной метод компенсации усадки — проектирование формы с увеличенными размерами. Если деталь должна иметь размер 100 мм из PP (усадка 1,5%), формообразующая полость проектируется размером 101,52 мм. При усадке деталь «садится» до нужных 100 мм.
Дополнительные методы управления усадкой:
- Давление выдержки — повышение давления в фазе выдержки компенсирует объёмную усадку, «подпитывая» форму дополнительным расплавом. Ключевой параметр для снижения утяжин.
- Температура формы — более холодная форма даёт меньшую кристаллизацию и меньшую усадку, но ухудшает качество поверхности.
- Равномерная толщина стенки — правило проектирования: разброс толщины стенки не более 25% от номинала снижает риск коробления.
- Рёбра жёсткости — предотвращают коробление плоских деталей при неравномерной усадке.
- Наполнители — тальк (PP-T) и стекловолокно (PP-GF) снижают усадку и её анизотропию.
⚠ Почему нельзя просто взять «среднюю» усадку из таблицы
Справочные значения усадки — диапазоны, а не точные числа. Реальная усадка PP может быть 1,3% или 1,8% в зависимости от конкретной марки, температуры расплава, давления выдержки, температуры формы и геометрии детали. Для прецизионных изделий с допусками ±0,1 мм (шестерни из POM, корпуса приборов из ABS) — усадку определяют экспериментально на пробных образцах из конкретного сырья на конкретном оборудовании.
Как температура и давление влияют на усадку
Усадка зависит от нескольких технологических параметров, которые регулируются при наладке литья:
Температура расплава: более высокая температура → больший объём расплава → при охлаждении большая усадка. Практически разница составляет 0,1–0,3% при изменении температуры на 20°C. Для большинства изделий это некритично, но для прецизионных — учитывается.
Давление выдержки: главный регулируемый параметр для управления усадкой. Высокое давление выдержки → больше расплава «запрессовано» в форму → компенсация объёмной усадки → меньшая линейная усадка и меньше утяжин. При недостаточном давлении выдержки — утяжины на толстых зонах.
Температура формы: холодная форма → быстрая кристаллизация у стенки → меньшая степень кристаллизации → меньшая усадка. Тёплая форма → медленная кристаллизация → полная кристаллизация → большая усадка, но лучшее качество поверхности.
Время выдержки: слишком короткое время выдержки → литник застывает раньше, чем прекращается усадка → деталь «недополучает» расплав → утяжины и внутренние раковины.
Проконсультироваться по усадке и геометрии изделия
Перед запуском пресс-формы проводим DFM-анализ: оцениваем конструкцию на риски усадки и коробления. Это экономит время и деньги при изготовлении оснастки.
Часто задаваемые вопросы об усадке при литье пластмасс
Что такое усадка при литье пластмасс?
+
Усадка — уменьшение линейных размеров изделия при охлаждении от температуры расплава до комнатной температуры. Выражается в процентах: PP усаживается на 1,5–2,0%, ABS на 0,4–0,7%. Формула: S = (размер формы − размер детали) / размер формы × 100%. При проектировании пресс-формы размеры полости увеличивают на величину усадки, чтобы после охлаждения деталь имела нужные размеры.
Почему возникает усадка пластмасс при литье?
+
Две причины. Термическая усадка: при охлаждении от 200–280°C до +23°C объём полимера уменьшается — молекулы сближаются. Кристаллизационная усадка (у PP, HDPE, PA, POM): при охлаждении молекулярные цепи упорядочиваются в кристаллы с более плотной упаковкой — это добавляет 0,5–1,5% к усадке. Именно поэтому кристаллические полимеры (PP, HDPE) имеют большую усадку, чем аморфные (ABS, PC).
У каких пластиков усадка больше?
+
Наибольшая усадка у кристаллических полимеров: HDPE 1,5–3,0%, POM 1,8–2,5%, PP гомополимер 1,5–2,0%. Наименьшая у аморфных: ABS 0,4–0,7%, PC 0,5–0,7%. Наполнители снижают усадку: PP-T (с тальком) — 0,8–1,2%, PP-GF30 (со стекловолокном) — 0,3–0,6%. Именно поэтому бамперы производят из PP-T, а не чистого PP — меньше и предсказуемее усадка при больших габаритах детали.
Как рассчитать усадку при проектировании пресс-формы?
+
Формула размера полости формы: Lф = Lд / (1 − S/100), где Lд — нужный размер детали, S — усадка материала в %. Пример: деталь из PP 100 мм, усадка 1,5%. Размер полости: 100 / (1 − 0,015) = 101,52 мм. Для прецизионных изделий (допуски ±0,1 мм) усадку определяют экспериментально на пробных отливках из конкретного сырья.
Что такое коробление и чем оно отличается от усадки?
+
Усадка — равномерное уменьшение размеров. Коробление — неравномерная усадка, при которой деталь деформируется: изгибается или скручивается. Причины коробления: неравномерная толщина стенки, асимметричная конструкция, неравномерное охлаждение формы, анизотропия усадки кристаллических полимеров. Для длинных и плоских деталей коробление — главная проблема геометрии.
Как компенсировать усадку в пресс-форме?
+
Основной метод: проектировать полость формы с увеличенными размерами на величину ожидаемой усадки. Дополнительно: повышать давление выдержки для «подпитки» формы расплавом (снижает утяжины); проектировать равномерную толщину стенки (разброс не более 25%); добавлять рёбра жёсткости против коробления; выбирать материал с меньшей усадкой (PP-T вместо PP для крупных деталей).
Влияет ли температура формы на усадку?
+
Да. Холодная форма → быстрое охлаждение → меньше кристаллизации → меньшая усадка, но хуже качество поверхности. Тёплая форма → медленное охлаждение → более полная кристаллизация → большая усадка, но лучше поверхность. Для кристаллических полимеров (PP, PA) разброс усадки при изменении температуры формы на 20°C составляет 0,1–0,3%.
Влияет ли давление впрыска на усадку?
+
Давление выдержки (не впрыска) — ключевой параметр управления усадкой. Высокое давление выдержки «подпитывает» форму расплавом, компенсируя объёмную усадку → меньше утяжин и линейная усадка ниже на 0,1–0,3%. Давление впрыска определяет скорость заполнения, а не усадку. Недостаточное время выдержки — основная причина утяжин и раковин в толстостенных изделиях.
Что делать при неравномерной усадке и короблении?
+
Последовательность действий: сначала проверить равномерность охлаждения формы (термографией); затем проверить равномерность толщины стенки изделия; скорректировать давление и время выдержки; изменить температуру формы. Если коробление конструктивное (асимметричная деталь) — добавить рёбра жёсткости или изменить расположение литника. В крайнем случае — корректировать форму «в обратную сторону» (компенсационная доработка).
Как проверить размеры изделия после литья?
+
Стандартный контроль: штангенциркуль и микрометр для линейных размеров, калибры для отверстий и посадочных мест. Для сложных деталей — координатно-измерительная машина (КИМ): 3D-сканирование и сравнение с CAD-моделью. Важно: измерения проводят через 24 часа после литья — часть усадки продолжается в первые часы после извлечения из формы («послеусадка»). Особенно критично для PA и POM.
Читайте также в блоге и на сайте
