Innere Spannungen verstehen: Ursachen und Präventionsmethoden

Wie werden innere Spannungen gebildet?

1. Tdie Erzeugung von innerem Stress

Bei spritzgegossenen Produkten variiert der Spannungszustand lokal, und der Grad der Verformung des Produkts hängt von der Spannungsverteilung ab. Diese Spannungen können auftreten, wenn das Produkt während der Abkühlung einen Temperaturgradienten aufweist, und werden daher als "Umformspannung" bezeichnet.

Erzeugung von Eigenspannung

Es gibt zwei Arten von Eigenspannungen in spritzgegossenen Produkten: Formspannungen und Temperaturspannungen.

Wenn das geschmolzene Kunststoffmaterial in eine Form mit niedrigerer Temperatur eingespritzt wird, verfestigt sich das Kunststoffmaterial in der Nähe der Hohlraumwand schnell, wodurch die Molekülketten "einfrieren". Dies führt zu einer schlechten Wärmeleitfähigkeit und einem großen Temperaturgefälle in der Dicke des Produkts. Der Kern des Produkts erstarrt langsamer, was dazu führt, dass der Anschnitt geschlossen wird, bevor die Schmelze in der Mitte des Produkts erstarrt ist. Dies verhindert, dass die Spritzgießmaschine die Kühlschwindung wieder auffüllen kann.

Dies hat zur Folge, dass das Innere des Produkts statisch gedehnt wird, während die Oberflächenschicht statisch komprimiert wird. Die innere Schrumpfung des Erzeugnisses ist derjenigen der harten Hautschicht entgegengesetzt.

Während des Füllvorgangs wird die Spannung nicht nur durch den Volumenschrumpfungseffekt, sondern auch durch den Ausdehnungseffekt des Angusses und des Angussauslasses verursacht. Die durch den Volumenschrumpfungseffekt verursachte Spannung hängt mit der Fließrichtung des geschmolzenen Kunststoffs zusammen, während die durch den Expansionseffekt verursachte Spannung aufgrund der Ausdehnung am Auslass senkrecht zur Fließrichtung verläuft.

2. Prozessfaktoren, die den Stress beeinflussen

(1) Auswirkung von gerichteter Spannung

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:

  • Schmelztemperatur:

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.

  • Haltezeit vor dem Schließen der Düse:

Die Verlängerung der Haltezeit vor dem Schließen der Düse erhöht die Orientierungsspannung.

  • Einspritzung und Nachdruck:

Eine Erhöhung des Einspritz- oder Nachdruckes erhöht die Orientierungsspannung.

  • Temperatur der Form:

Eine hohe Formtemperatur sorgt dafür, dass das Produkt langsam abkühlt, was eine desorientierende Wirkung hat.

  • Produktdicke:

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.

(2) Einfluss auf die Temperaturbelastung

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.

3. Zusammenhang zwischen Eigenspannung und Produkts Qualität

Das Vorhandensein von inneren Spannungen in einem Produkt kann seine mechanischen Eigenschaften und seine Verwendbarkeit erheblich beeinträchtigen. Die ungleichmäßige Verteilung von Eigenspannungen kann dazu führen, dass während des Gebrauchs Risse im Produkt entstehen.

Bei der Verwendung unterhalb der Glasübergangstemperatur kann sich das Produkt unregelmäßig verformen oder verziehen, und seine Oberfläche kann "weiß" und trüb werden, was die optischen Eigenschaften beeinträchtigt.

Eine Senkung der Temperatur am Anschnitt und eine Verlängerung der langsamen Abkühlzeit können dazu beitragen, die ungleichmäßige Spannung im Produkt zu verbessern und seine mechanischen Eigenschaften gleichmäßiger zu machen.

Sowohl kristalline als auch amorphe Polymere weisen eine anisotrope Zugfestigkeit auf. Die Zugfestigkeit amorpher Polymere hängt von der Lage des Anschnitts ab. Wenn der Anschnitt mit der Füllrichtung ausgerichtet ist, nimmt die Zugfestigkeit mit steigender Schmelzetemperatur ab. Steht der Anschnitt senkrecht zur Füllrichtung, steigt die Zugfestigkeit mit zunehmender Schmelzetemperatur.

Eine Erhöhung der Schmelzetemperatur verstärkt den Desorientierungseffekt und verringert den Orientierungseffekt, wodurch die Zugfestigkeit verringert wird. Die Ausrichtung des Anschnitts kann die Orientierung durch Beeinflussung der Fließrichtung beeinflussen.

Amorphe Polymere haben aufgrund ihrer stärkeren Anisotropie eine höhere Zugfestigkeit in der Richtung senkrecht zur Fließrichtung als kristalline Polymere. Das Einspritzen bei niedriger Temperatur hat eine größere mechanische Anisotropie zur Folge als das Einspritzen bei hoher Temperatur, wobei das Intensitätsverhältnis der vertikalen Richtung zur Fließrichtung bei niedriger Einspritztemperatur 2 und bei hoher Temperatur 1,7 beträgt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine Erhöhung der Schmelzetemperatur die Zugfestigkeit sowohl für kristalline als auch für amorphe Polymere verringert, wobei der Mechanismus unterschiedlich ist und letzterer auf eine Verringerung der Orientierung zurückzuführen ist.

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Shane
Autor

Shane

Gründerin von MachineMFG

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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