Warum bekommen manche Produkte unerwartet Risse oder verziehen sich? Es ist wichtig, die verborgenen Kräfte in den Materialien zu verstehen. In diesem Artikel wird untersucht, wie sich während des Abkühlungsprozesses spritzgegossener Produkte innere Spannungen bilden, wobei der Schwerpunkt auf den Auswirkungen von Temperaturgradienten und Gießdrücken liegt. Sie erfahren, wie sich diese Spannungen auf die Produktqualität auswirken, und entdecken Strategien, um sie zu minimieren und so festere und zuverlässigere Materialien zu gewährleisten. Tauchen Sie ein, um die Geheimnisse der inneren Spannungen zu lüften und Ihren Herstellungsprozess zu verbessern.
1. Die Erzeugung von Eigenspannung
Bei spritzgegossenen Produkten weist der Spannungszustand lokale Schwankungen auf, die die Verformungsmuster des Produkts erheblich beeinflussen. Diese Spannungen, die so genannten "Umformspannungen", entstehen in erster Linie durch Temperaturgradienten während des Abkühlungsprozesses.
Innere Spannungen in spritzgegossenen Produkten können in zwei Haupttypen unterteilt werden: Formteilspannungen und thermische Spannungen.
Wenn geschmolzenes Polymer in einen kühleren Formhohlraum eingespritzt wird, kommt es zu einer raschen Erstarrung an der Grenzfläche der Hohlraumwand. Diese plötzliche Abkühlung führt dazu, dass die Polymerketten in einem Nicht-Gleichgewichtszustand "einfrieren", was zu einer schlechten Wärmeleitfähigkeit und steilen Temperaturgradienten über die Produktdicke führt. Der Kern des Produkts verfestigt sich langsamer, was häufig dazu führt, dass der Anschnitt vor der vollständigen Verfestigung des Kerns erstarrt. Dieses Phänomen verhindert, dass die Spritzgießmaschine die kühlungsbedingte Schrumpfung kompensieren kann.
Infolgedessen entsteht im Inneren des Produkts eine komplexe Spannungsverteilung: Das Innere erfährt eine Zugspannung, während die Oberflächenschicht einer Druckspannung ausgesetzt ist. Durch diese Spannungsverteilung entsteht ein inneres Schrumpfungsmuster, das dem Verhalten der starren Außenschicht entgegengesetzt ist.
Während der Füllphase ist die Spannungserzeugung nicht nur auf volumetrische Schrumpfungseffekte zurückzuführen. Auch die Ausdehnung des Angusssystems und des Anschnittbereichs trägt wesentlich dazu bei. Die schrumpfungsbedingten Spannungen richten sich nach der Fließrichtung der Schmelze, während die expansionsbedingten Spannungen senkrecht zur Fließrichtung wirken und von der lokalen Expansion am Angussausgang herrühren.
Unter schnellen Abkühlungsbedingungen kann die Orientierung zur Bildung von inneren Spannungen im Polymermaterial führen. Die hohe Viskosität der Polymerschmelze führt dazu, dass sich die Eigenspannungen nicht schnell abbauen können, was sich auf die physikalischen Eigenschaften und die Maßhaltigkeit des Produkts auswirkt.
Auswirkungen der Parameter auf den Orientierungsstress:
Eine hohe Schmelzetemperatur führt zu einer niedrigen Viskosität und einer geringeren Scherspannung, was eine geringere Orientierung zur Folge hat. Die hohe Temperatur beschleunigt jedoch auch den Spannungsabbau und fördert die Freisetzung der Orientierung. Wird der Druck der Spritzgießmaschine nicht angepasst, erhöht sich der Werkzeuginnendruck, was zu einer stärkeren Scherwirkung und einer erhöhten Orientierungsspannung führt.
Die Verlängerung der Haltezeit vor dem Schließen der Düse erhöht die Orientierungsspannung.
Eine Erhöhung des Einspritz- oder Nachdruckes erhöht die Orientierungsspannung.
Eine hohe Formtemperatur sorgt dafür, dass das Produkt langsam abkühlt, was eine desorientierende Wirkung hat.
Eine Erhöhung der Produktdicke verringert die Orientierungsspannung, da dickwandige Produkte nur langsam abkühlen, was zu einem langsamen Anstieg der Viskosität und einem langen Spannungsrelaxationsprozess führt, was wiederum eine geringe Orientierungsspannung zur Folge hat.
Wie bereits erwähnt, führt der große Temperaturgradient zwischen der Schmelze und der Formwand während der Formfüllung zu Druckspannungen (Schrumpfspannungen) in der äußeren Schicht und zu Zugspannungen (Orientierungsspannungen) in der inneren Schicht.
Wenn die Form über einen längeren Zeitraum unter dem Einfluss des Nachdrucks gefüllt wird, wird die Polymerschmelze in die Kavität nachgefüllt, wodurch sich der Druck in der Kavität erhöht und die durch die ungleichmäßige Temperatur verursachten inneren Spannungen verändert werden. Ist die Nachdruckzeit jedoch kurz und der Werkzeuginnendruck niedrig, behält das Produkt beim Abkühlen seinen ursprünglichen Spannungszustand bei.
Ist der Werkzeuginnendruck in den frühen Phasen der Produktabkühlung unzureichend, bildet die äußere Schicht des Produkts aufgrund der Erstarrungsschrumpfung eine Vertiefung. Wenn der Werkzeuginnendruck in den späteren Stadien, wenn das Produkt eine kalte, harte Schicht gebildet hat, unzureichend ist, kann sich die innere Schicht des Produkts aufgrund von Schrumpfung ablösen oder einen Hohlraum bilden.
Die Aufrechterhaltung des Werkzeuginnendrucks vor dem Schließen des Anschnitts trägt dazu bei, die Dichte des Produkts zu erhöhen und die Belastung durch die Abkühlungstemperatur zu beseitigen, führt aber auch zu einer hohen Konzentration von Spannungen in der Nähe des Anschnitts.
Beim Formen thermoplastischer Polymere helfen daher ein höherer Druck in der Form und eine längere Haltezeit, die temperaturbedingte Schrumpfspannung zu verringern und die Druckspannung zu erhöhen.
Innere Spannungen in einem Produkt beeinflussen seine mechanischen Eigenschaften und seine Gesamtleistung erheblich. Eine ungleichmäßige Spannungsverteilung kann zur Rissbildung während der Produktnutzung führen und die strukturelle Integrität und Langlebigkeit beeinträchtigen.
Bei der Verwendung unterhalb der Glasübergangstemperatur können sich die Produkte unregelmäßig verformen oder verziehen. Außerdem kann es zu einer "Aufhellung" oder Trübung der Oberfläche kommen, was die optischen Eigenschaften und die Ästhetik beeinträchtigt. Diese Phänomene sind häufig Ausdruck von Restspannungen, die während der Verarbeitung im Material eingeschlossen werden.
Um eine ungleichmäßige Spannungsverteilung abzumildern und die Gleichmäßigkeit der mechanischen Eigenschaften zu verbessern, können verschiedene Strategien angewandt werden:
Sowohl kristalline als auch amorphe Polymere weisen eine anisotrope Zugfestigkeit auf, eine Eigenschaft, die eng mit der molekularen Orientierung während der Verarbeitung zusammenhängt. Die Beziehung zwischen Zugfestigkeit und Verarbeitungsparametern variiert je nach Polymertyp und Gate-Orientierung:
Für amorphe Polymere:
Dieses Verhalten wird auf das Zusammenspiel von Orientierungs- und Desorientierungseffekten zurückgeführt. Höhere Schmelzetemperaturen erhöhen die molekulare Mobilität, fördern die Desorientierung und verringern die durch die Orientierung bedingte Festigkeitssteigerung. Die Gate-Orientierung beeinflusst das Fließverhalten und damit die molekulare Ausrichtung.
Amorphe Polymere weisen in der Regel eine stärkere Anisotropie auf als kristalline Polymere, was zu einer höheren Zugfestigkeit senkrecht zur Fließrichtung führt. Der Grad der mechanischen Anisotropie ist temperaturabhängig:
Diese Temperaturempfindlichkeit unterstreicht die Bedeutung einer präzisen Prozesssteuerung für das Erreichen der gewünschten mechanischen Eigenschaften.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine Erhöhung der Schmelzetemperatur die Zugfestigkeit sowohl bei kristallinen als auch bei amorphen Polymeren generell verringert. Die zugrunde liegenden Mechanismen sind jedoch unterschiedlich:
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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