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Kunststoff-Spritzgießprozess
Erstellt 01.04
Spritzgießprozessablauf
Der Spritzgießprozess besteht hauptsächlich aus sechs Phasen: Formenschließen, Füllen, Nachdruck, Kühlen, Formöffnen und Entformen. Diese sechs Phasen bestimmen direkt die Formqualität des Produkts und bilden einen vollständigen, kontinuierlichen Prozess. Dieses Kapitel konzentriert sich auf die Phasen Füllen, Nachdruck, Kühlen und Entformen.
Füllphase
Das Füllen stellt die Anfangsphase des gesamten Spritzgießzyklus dar, beginnend ab dem Moment, in dem sich die Form schließt, und fortgesetzt bis die Formkavität zu etwa 95 % gefüllt ist. Theoretisch führt eine kürzere Füllzeit zu einer höheren Formteil-Effizienz; in der tatsächlichen Produktion unterliegt die Formteilzeit (oder Einspritzgeschwindigkeit) jedoch zahlreichen Einschränkungen.
Hochgeschwindigkeitsfüllung. Während der Hochgeschwindigkeitsfüllung ist die Schergeschwindigkeit erhöht, was dazu führt, dass der Kunststoff aufgrund von Scherverdünnung eine reduzierte Viskosität aufweist und dadurch den gesamten Strömungswiderstand senkt. Lokalisierte viskose Erwärmungseffekte tragen ebenfalls zu einer dünneren Erstarrungsschicht bei. Folglich wird während der Flusskontrollphase das Füllverhalten oft durch das zu füllende Volumen bestimmt. Das heißt, in dieser Phase überwiegt der signifikante Scherverdünnungseffekt der Schmelze während der Hochgeschwindigkeitsfüllung typischerweise den Kühleinfluss auf dünnwandige Abschnitte, sodass der Rateffekt vorherrscht.
Füllen bei niedriger Geschwindigkeit. Beim Füllen bei niedriger Geschwindigkeit mit Wärmeleitungssteuerung sind die Schergeschwindigkeiten niedrig, die lokale Viskosität hoch und der Strömungswiderstand erheblich. Da die Nachfüllrate des geschmolzenen Kunststoffs langsam ist, schreitet der Fluss allmählich voran, wodurch die Wärmeleitungseffekte ausgeprägt werden. Wärme wird schnell von den kalten Formwänden abgeleitet. In Kombination mit minimaler viskoser Erwärmung erhöht die dickere erstarrte Schicht den Strömungswiderstand in dünnwandigen Abschnitten weiter.
Aufgrund der Strömungsdynamik des Brunnens richten sich die Polymerketten in der Kunststoffschmelze nahezu parallel zur Strömungsfront aus. Wenn zwei Schmelzströme aufeinandertreffen, werden die Polymerketten an ihrer Grenzfläche gegenseitig parallel. Hinzu kommen die unterschiedlichen Eigenschaften der beiden Schmelzen (unterschiedliche Verweilzeit im Formhohlraum, Temperatur und Druck), was zu einer mikrostrukturellen Schwäche in der Konvergenzzone führt. Wenn das Teil im richtigen Winkel unter Licht positioniert und mit bloßem Auge betrachtet wird, wird eine deutliche Schweißnaht sichtbar. Dies stellt den Entstehungsmechanismus von Schweißnähten dar. Schweißnähte beeinträchtigen nicht nur das Aussehen von Kunststoffteilen, sondern weisen auch eine lockere Mikrostruktur auf, die anfällig für Spannungskonzentrationen ist. Folglich wird die Festigkeit dieses Bereichs reduziert, was zu möglichen Brüchen führen kann.
Im Allgemeinen weisen Schweißnähte, die sich in Hochtemperaturzonen bilden, eine überlegene Festigkeit auf. Dies liegt daran, dass Polymerketten bei erhöhten Temperaturen eine größere Mobilität aufweisen, was ihnen ermöglicht, sich zu durchdringen und zu verflechten. Darüber hinaus sind in Hochtemperaturregionen die Temperaturen der beiden Schmelzströme näher beieinander, was zu nahezu identischen thermischen Eigenschaften der Schmelzen führt und somit die Festigkeit des Schweißbereichs erhöht. Umgekehrt ist die Schweißfestigkeit in Tieftemperaturzonen geringer.
Druckhaltephase
Der Zweck der Nachdruckphase ist die kontinuierliche Druckanwendung, um die Schmelze zu verdichten und die Plastikdichte zu erhöhen (Verdichtung), um das Schwindungsverhalten des Materials auszugleichen. Während des Nachdrucks, da der Formhohlraum bereits mit Kunststoff gefüllt ist, ist der Gegendruck relativ hoch. Während des gesamten Nachdruckverdichtungsprozesses kann sich die Spritzgießmaschine Schnecke nur langsam in winzigen Schritten vorwärts bewegen, und die Kunststoffflussrate ist ebenfalls relativ träge; dieser Fluss wird als Nachdruckfluss bezeichnet. Während der Nachdruckphase kühlt und erstarrt der Kunststoff schnell an den Formwänden, was zu einem starken Anstieg der Schmelzviskosität führt. Infolgedessen baut sich im Formhohlraum ein erheblicher Widerstand auf. Gegen Ende des Nachdrucks nimmt die Materialdichte weiter zu und das Teil nimmt allmählich Gestalt an. Die Nachdruckphase muss so lange andauern, bis das Angussloch erstarrt und versiegelt ist. An diesem Punkt erreicht der Hohlraumdruck während der Nachdruckphase seinen Maximalwert.
Während der Nachdruckphase weist der Kunststoff aufgrund des relativ hohen Drucks eine partielle Kompressibilität auf. In Bereichen mit höherem Druck wird der Kunststoff dichter mit erhöhter Dichte; umgekehrt wird der Kunststoff in Regionen mit niedrigerem Druck poröser mit reduzierter Dichte. Folglich variiert die Dichteverteilung sowohl mit der Position als auch mit der Zeit. Während dieser Phase ist die Kunststofffließgeschwindigkeit extrem niedrig, wodurch die Strömungsdynamik nicht mehr der dominante Faktor ist; der Druck wird zum primären Bestimmungsfaktor, der den Nachdruck beeinflusst. Zu diesem Zeitpunkt hat der Kunststoff den Formhohlraum gefüllt. Die allmählich erstarrte Schmelze wirkt nun als Medium für die Druckübertragung. Der Druck im Hohlraum wird durch den Kunststoff auf die Formwandflächen übertragen, was zu einer Tendenz zur Aufweitung der Form führt. Folglich ist eine ausreichende Schließkraft erforderlich, um die Form zu sichern. Unter normalen Bedingungen erweitert die Formaufweitkraft die Form leicht und unterstützt die Entlüftung. Eine übermäßige Aufweitkraft kann jedoch zu Gratbildung, Materialaustritt oder sogar zum Auseinanderdriften der Form führen. Daher sollte bei der Auswahl einer Spritzgießmaschine eine Maschine mit ausreichender Schließkraft gewählt werden, um die Formaufweitung zu verhindern und einen effektiven Nachdruck zu gewährleisten.
Unter den neuen Spritzguss-Umgebungsbedingungen müssen wir neuartige Spritzgussverfahren wie gasunterstützten Spritzguss, wasserunterstützten Spritzguss und Schaumspritzguss berücksichtigen.
Kühlphase
Bei der Spritzgießverarbeitung ist die Auslegung des Kühlsystems von größter Bedeutung. Dies liegt daran, dass das gespritzte Kunststoffteil vor dem Auswerfen auf eine bestimmte Steifigkeit gekühlt und verfestigt werden muss, um Verformungen unter äußeren Kräften zu verhindern. Da die Kühlzeit etwa 70 % bis 80 % des gesamten Spritzgießzyklus ausmacht, kann ein gut ausgelegtes Kühlsystem die Zykluszeit erheblich verkürzen, die Produktivität des Spritzgießens steigern und die Kosten senken. Ein unzureichend ausgelegtes Kühlsystem verlängert die Zykluszeit und erhöht die Kosten; eine ungleichmäßige Kühlung verschlimmert zusätzlich Verzug und Verformung des Kunststoffprodukts.
Experimente deuten darauf hin, dass die Wärme, die vom Schmelzgut in die Form gelangt, auf zwei Hauptarten abgeführt wird: etwa 5 % werden durch Strahlung und Konvektion an die Atmosphäre abgegeben, während die restlichen 95 % vom Schmelzgut in die Form geleitet werden. Innerhalb der Form wird die Wärme des Kunststoffprodukts durch Wärmeleitung vom Kunststoff im Formnest durch den Formgrund zu den Kühlwasserleitungen übertragen, wo sie dann durch Konvektion vom Kühlfluid abtransportiert wird. Ein kleiner Teil der nicht vom Kühlwasser abtransportierten Wärme leitet sich weiterhin innerhalb der Form fort und wird schließlich bei Kontakt mit der Außenumgebung an die Umgebungsluft abgegeben.
Der Spritzgießzyklus umfasst die Schließzeit, die Füllzeit, die Nachdruckzeit, die Kühlzeit und die Auswerferzeit. Davon entfällt die Kühlzeit mit etwa 70 % bis 80 % auf den größten Anteil. Folglich beeinflusst die Kühlzeit direkt sowohl die Dauer des Formgebungszyklus des Kunststoffprodukts als auch die Produktionsleistung. Während der Entformungsphase muss die Temperatur des Kunststoffprodukts unter seine Wärmeformbeständigkeitstemperatur abgekühlt werden, um eine Relaxation aufgrund von Eigenspannungen oder Verzug und Verformung durch äußere Entformungskräfte zu verhindern.
Faktoren, die die Kühlrate des Produkts beeinflussen, sind:
Bei der Konstruktion von Kunststoffprodukten ist die Wandstärke ein primärer Gesichtspunkt. Größere Produktdicken erfordern längere Kühlzeiten. Im Allgemeinen ist die Kühlzeit proportional zum Quadrat der Produktdicke oder zur 1,6. Potenz des maximalen Angussdurchmessers. Das heißt, eine Verdoppelung der Produktdicke vervierfacht die Kühlzeit.
Formmaterialien und Kühlmethoden. Die für Kern, Kavität und Formgrundkörper verwendeten Materialien beeinflussen die Kühlraten erheblich. Höhere Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten in Formmaterialien verbessern die Wärmeabfuhr vom Kunststoff pro Zeiteinheit und verkürzen dadurch die Kühlzeit.
Konfiguration der Kühlwasserleitungen. Je näher die Kühlwasserleitungen an der Formkavität liegen, je größer ihr Durchmesser und je höher ihre Anzahl ist, desto effektiver ist die Kühlung und desto kürzer ist die Kühlzeit.
Kühlmitteldurchflussrate. Je höher die Kühlwasserdurchflussrate (im Allgemeinen ist turbulente Strömung optimal), desto effektiver entfernt das Kühlwasser Wärme durch thermische Konvektion.
Kühlanlageneigenschaften. Die Viskosität und der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient des Kühlmittels beeinflussen ebenfalls die Wärmeübertragungseffizienz der Form. Eine niedrigere Kühlmittelviskosität korreliert mit höherer Wärmeleitfähigkeit, niedrigeren Temperaturen und überlegener Kühlleistung.
Kunststoffauswahl. Dies bezieht sich auf die Fähigkeit des Kunststoffs, Wärme von heißen zu kalten Bereichen zu leiten. Ein höherer WärmeLeitfähigkeitskoeffizient zeigt eine bessere Wärmeübertragungseffizienz an. Alternativ bedeutet eine geringere spezifische Wärmekapazität, dass die Temperatur des Kunststoffs leichter schwankt, was die Wärmeableitung erleichtert und somit eine bessere thermische Leistung bei verkürzter Kühlzeit erzielt.
Prozessparameter-Einstellungen. Höhere Materialtemperaturen, höhere Werkzeugtemperaturen und niedrigere Auswurftemperaturen erfordern alle längere Kühlzeiten.
Konstruktionsprinzipien für Kühlsysteme:
Die Kühlkanäle müssen so konstruiert sein, dass eine gleichmäßige und schnelle Kühlung gewährleistet ist.
Der Zweck der Auslegung eines Kühlsystems besteht darin, eine angemessene und effiziente Kühlung der Form aufrechtzuerhalten. Kühlbohrungen sollten Standardabmessungen aufweisen, um Bearbeitung und Montage zu erleichtern.
Bei der Auslegung eines Kühlsystems muss der Formkonstrukteur die folgenden Konstruktionsparameter basierend auf der Wandstärke und dem Volumen des Kunststoffteils bestimmen: die Position und Abmessungen der Kühlbohrungen, die Länge der Bohrungen, die Art der Bohrungen, die Anordnung und Verbindung der Bohrungen sowie die Durchflussrate und die Wärmeübertragungseigenschaften des Kühlmittels.
Entformungsphase
Das Entformen stellt die letzte Phase eines Spritzgießzyklus dar. Obwohl das Produkt bereits abgekühlt und erstarrt ist, hat der Entformungsprozess erheblichen Einfluss auf seine Qualität. Unsachgemäße Entformungsmethoden können zu einer ungleichmäßigen Kraftverteilung während des Entfernens führen und möglicherweise Verformungen oder andere Defekte verursachen. Es gibt zwei Hauptentformungsansätze: Auswerferstiftentformung und Auswerferplattentformung. Bei der Konstruktion von Werkzeugen muss die geeignete Entformungsmethode basierend auf den strukturellen Merkmalen des Produkts ausgewählt werden, um die Qualität zu gewährleisten.
Bei Spritzgießformen, die Auswerferstifte verwenden, sollten diese so gleichmäßig wie möglich positioniert werden, dort platziert, wo der Ausstoßwiderstand am größten ist und wo das Teil maximale Festigkeit und Steifigkeit aufweist. Dies verhindert Verformungen oder Beschädigungen des Kunststoffteils.
Auswerferplatten werden typischerweise für tiefen Hohlräume, dünnwandige Behälter und transparente Produkte verwendet, bei denen Auswerferstiftmarkierungen nicht akzeptabel sind. Dieser Mechanismus liefert eine erhebliche, aber gleichmäßige Auswerferkraft, arbeitet reibungslos und hinterlässt keine erkennbaren Spuren.
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