Schwindung

Schwindungsrisse in Holz

Schwindung ist die Volumenverringerung eines Materials oder Werkstückes, ohne dass Material entfernt oder Druck ausgeübt wird. In manchen Zusammenhängen spricht man auch von Kontraktion. Schwindung erfolgt durch Trocknung, Abkühlung oder chemische bzw. physikalische Umbauprozesse im Material. Schwindung durch Trocknung ist oft reversibel (umkehrbar), das Material kann also auch quellen.

Sofern sich ein dreidimensionaler Hohlkörper verkleinert, ohne dass sich dabei das Volumen des Rohmaterials verringert, wird dies als Schrumpfung bezeichnet. Beide Vorgänge führen zum mechanischen Verzug eines Werkstücks.

Je nach Materialstruktur kann Schwindung auch anisotrop, also in verschiedenen Richtungen unterschiedlich groß sein (z. B. Holz während der Trocknung). Ist Schwindung inhomogen, also ungleichmäßig an verschiedenen Stellen (z. B. bei Kühlung oder Trocknung von außen nach innen), können Schwindungsrisse entstehen, wenn die dadurch im Material entstehenden Zugspannungen dessen Zugfestigkeit übersteigen. Andernfalls können temporäre oder bei Duktilität latente Spannungen im Material entstehen (Eigenspannung).

Eine Kenngröße für die Schwindung ist das Schwindmaß bei Holz sowie beim Metallguss.

Schwindung beim Gießen

Nach dem Gießen verkleinern sich Werkstücke beim Abkühlen aufgrund der Volumenänderung bei der Kristallisation und der Wärmeschrumpfung um einen bestimmten Prozentsatz ihres Volumens, eine Schwindung findet statt. Dieser Wert ist je nach Material verschieden und wird bei der Urformwerkzeugherstellung (Modellbau) bereits mit berücksichtigt (siehe Werte der folgenden Tabelle).

Die Schwindung erfolgt nach Erreichen der Solidustemperatur von Metalllegierungen bis Raumtemperatur. Dabei bestimmt in der Praxis nicht nur das Material, sondern auch dessen Geometrie den exakten Wert der Schwindung (Schwindungsbehinderung). So schwinden z. B. Stahlgussstücke unter praktischen Gießbedingungen in einem Bereich von 1 bis 3 %.

Die Längsschwindung beträgt bei:

Gusswerkstoff	Schwindmaß in %
Gusseisen mit Lamellengraphit	1 %
Gusseisen mit Kugelgraphit	0,5 % – 1,2 %
Weißer Temperguss	1,6 %
Schwarzer Temperguss	0,5 %
Aluminium	1,25 %
Kupfer	1,9 %
Messing, Bronze	1,5 %
Stahlguss	2 %
Kunststoff	stark abhängig von Kunststofftyp und Verarbeitungsbedingungen – daher können keine absoluten Werte angegeben werden. Die Schwindung von Kunststoffen ist jedoch meist wesentlich höher als die von Metallen. Zumindest bei teilkristallinen Kunststoffen (PP, PE,..) entsteht die Schwindung durch eine zunehmende Kristallisation, die lokal die Dichte erhöht; das Fehlen des Volumens bei gleicher Gestalt wird dann als Schwindung bezeichnet. Amorphe Kunststoffe wie z. B. Polycarbonat haben eine niedrigere Schwindung von 0,6–0,8 %.
Keramik	Auch in der Keramik bezeichnet man die Schrumpfung eines Werkstücks als Schwindung. Hierbei unterscheidet man zwischen der Schwindung bei der Trocknung, die durch die Verdunstung von Wasser entsteht, und der Schwindung beim Brand. Die Schwindung kann Werte von über 10 % erreichen.

Die Gussformen für die Werkstücke müssen je nach vergossenem Material um den Schwindungswert größer gebaut werden, um man am Ende ein passgenaues Werkstück zu erhalten. Im Formenbau werden dafür Messwerkzeuge verwendet, die den Schwundfaktor bereits berücksichtigen. So ist beispielsweise ein Metermaß im Formenbau einer Stahlgießerei 102 cm lang und in 100 Teilstriche à nominell 1 cm (real 1,02 cm) bzw. in 1000 Teilstriche à nominell 1 mm (real 1,02 mm) aufgeteilt.

Definition:

${\begin{aligned}Schwindung\;bzw.\;Schwindmass&={\frac {L_{F}-L_{Wk}}{L_{F}}}\cdot 100\%\\&=\left(1-{\frac {L_{Wk}}{L_{F}}}\right)\cdot 100\%\end{aligned}}$

mit

• Maß $L_{F}$ an der Form
• Maß $L_{Wk}$ am kalten Werkstück.

Schwindung bei Gießharzen

Geringe Schwindung bei Gießharzen ist ein Qualitätskriterium, da ansonsten Einbauten unter Druckspannung geraten können und zu anderen zu benetzenden Teilen Spalte entstehen können, wenn die Haftung nicht ausreicht. Bei Gießlingen der Elektrotechnik/Elektronik kann das zum Eindringen von Feuchtigkeit und zu verringerter Spannungsfestigkeit führen. Geraten Magnetkerne unter Druckspannung, so können sich ihre magnetischen Eigenschaften ändern; sie werden daher teilweise gepolstert, d. h. vor dem Verguss mit einer elastischen Zwischenschicht versehen.

Geringe Schwindung kann auch durch Füllstoffe erreicht werden.

Sonstiges

Urformen ohne Schwindung ist beispielsweise mit Amalgam möglich, was eine der Ursachen der im Vergleich zu Kunststoff guten Haltbarkeit damit hergestellter Zahnfüllungen ist.

Nur wenige Werkstoffe zeigen bei Erstarrung keine Schwindung, sondern gar eine Volumenzunahme. Dazu gehört neben Wasser beispielsweise Quellzement: Beton schwindet normalerweise, kann jedoch durch quellende Zusätze schwindungsfrei oder quellend eingestellt werden.