Interne spanningen begrijpen: Oorzaken en preventiemethoden

1. Het opwekken van interne spanning

1. Het opwekken van interne spanning

In spuitgegoten producten vertoont de spanningstoestand lokale variaties die de vervormingspatronen van het product aanzienlijk beïnvloeden. Deze spanningen, bekend als "vormspanningen", ontstaan voornamelijk door temperatuurgradiënten tijdens het afkoelproces.

Interne spanningen in spuitgegoten producten kunnen worden ingedeeld in twee hoofdtypen: vormspanning en thermische spanning.

Wanneer gesmolten polymeer in een koelere matrijsholte wordt geïnjecteerd, vindt er een snelle stolling plaats op het grensvlak van de matrijsholtewand. Deze plotselinge afkoeling zorgt ervoor dat polymeerketens "bevriezen" in een niet-evenwichtstoestand, wat resulteert in een slechte thermische geleiding en steile temperatuurgradiënten over de dikte van het product. De kern van het product stolt langzamer, wat vaak leidt tot scenario's waarbij de gate stolt voordat de kern volledig gestold is. Door dit fenomeen kan de spuitgietmachine de door afkoeling veroorzaakte krimp niet compenseren.

Bijgevolg ontwikkelt zich een complexe spanningsverdeling binnenin het product: het inwendige ondergaat trekspanning, terwijl de oppervlaktelaag drukspanning ondergaat. Deze spanningsverdeling creëert een intern krimppatroon dat ingaat tegen het gedrag van de stijve huidlaag.

Tijdens de vulfase wordt het ontstaan van spanning niet alleen toegeschreven aan volumetrische krimpeffecten. De expansie van het runnersysteem en het poortgebied draagt ook aanzienlijk bij. Door krimp veroorzaakte spanningen richten zich naar de stroomrichting van de smelt, terwijl door expansie veroorzaakte spanningen loodrecht op de stroom staan en afkomstig zijn van de plaatselijke expansie bij de uitgang van de poort.

2. Procesfactoren die stress beïnvloeden

(1) Effect van richtingsspanning

Bij snelle afkoeling kunnen door oriëntatie interne spanningen ontstaan in het polymeermateriaal. De hoge viscositeit van de polymeermelt betekent dat de interne spanning niet snel kan ontspannen, wat de fysische eigenschappen en de dimensionale stabiliteit van het product beïnvloedt.

Effecten van parameters op oriëntatiestress:

• Smelttemperatuur:

Een hoge smelttemperatuur leidt tot een lage viscositeit en verminderde schuifspanning, waardoor de oriëntatie afneemt. De hoge temperatuur versnelt echter ook de spanningsrelaxatie en versterkt het vrijkomen van de oriëntatie. Als de druk van de spuitgietmachine niet wordt aangepast, zal de holtedruk toenemen, wat leidt tot een sterker afschuifeffect en een verhoogde oriëntatiespanning.

• Wachttijd voor het sluiten van de verstuiver:

Als de wachttijd voordat de spuitmond wordt gesloten wordt verlengd, neemt de oriëntatiespanning toe.

• Injectie en houddruk:

Het verhogen van de injectie- of houddruk verhoogt de oriëntatiespanning.

• Schimmeltemperatuur:

Een hoge matrijstemperatuur zorgt ervoor dat het product langzaam afkoelt, wat een desoriënterende rol speelt.

• Dikte van het product:

Het product dikker maken vermindert de oriëntatiespanning omdat dikwandige producten langzaam afkoelen, wat leidt tot een langzame toename van de viscositeit en een lang spanningsrelaxatieproces, wat resulteert in een kleine oriëntatiespanning.

(2) Invloed op temperatuurstress

Zoals eerder vermeld resulteert de grote temperatuurgradiënt tussen de smelt en de matrijswand tijdens het vullen van de matrijs in drukspanning (krimpspanning) in de buitenste laag en trekspanning (oriëntatiespanning) in de binnenste laag.

Als de matrijs gedurende langere tijd wordt gevuld onder invloed van de houddruk, wordt de polymeermelt opnieuw in de holte gevuld, waardoor de holtedruk toeneemt en de interne spanning als gevolg van ongelijke temperatuur verandert. Als de wachttijd echter kort is en de holtedruk laag, behoudt het product zijn oorspronkelijke spanningstoestand tijdens het afkoelen.

Als de holtedruk in het beginstadium van het afkoelen van het product onvoldoende is, zal de buitenste laag van het product een holte vormen als gevolg van stollingskrimp. Als de holtedruk onvoldoende is in de latere stadia wanneer het product een koude harde laag heeft gevormd, kan de binnenste laag van het product zich scheiden door krimp of een holte vormen.

Het handhaven van de holtedruk voordat de gate gesloten wordt, helpt om de dichtheid van het product te verhogen en de spanning bij afkoeltemperatuur te elimineren, maar het veroorzaakt ook een hoge spanningsconcentratie in de buurt van de gate.

Daarom helpen bij het gieten van thermoplastische polymeren een hogere druk in de matrijs en een langere wachttijd de krimpspanning door temperatuur te verminderen en de drukspanning te verhogen.

3. Relatie tussen interne stress en productkwaliteit

Interne spanning in een product beïnvloedt de mechanische eigenschappen en algemene prestaties aanzienlijk. Een niet-uniforme spanningsverdeling kan leiden tot scheurvorming tijdens het gebruik van het product, waardoor de structurele integriteit en de levensduur in gevaar komen.

Bij gebruik onder de glasovergangstemperatuur kunnen producten onregelmatig vervormen of kromtrekken. Bovendien kan het oppervlak "witter" of troebel worden, waardoor de optische eigenschappen en esthetische aantrekkingskracht afnemen. Deze verschijnselen zijn vaak het gevolg van restspanningen die tijdens de verwerking in het materiaal zijn opgesloten.

Om ongelijkmatige spanningsverdeling te verminderen en de uniformiteit van mechanische eigenschappen te verbeteren, kunnen verschillende strategieën worden toegepast:

1. De poorttemperatuur verlagen: Dit vertraagt de initiële afkoelsnelheid, waardoor een gelijkmatigere spanningsrelaxatie mogelijk is.
2. Langzame koeltijd verhogen: Langere gecontroleerde koeling bevordert spanningsnivellering in het hele onderdeel.
3. Vormontwerp optimaliseren: De juiste plaatsing van poorten en de lay-out van koelkanalen kan spanningsconcentraties minimaliseren.

Zowel kristallijne als amorfe polymeren vertonen een anisotrope treksterkte, een eigenschap die nauw samenhangt met de moleculaire oriëntatie tijdens de verwerking. De relatie tussen treksterkte en verwerkingsparameters varieert per polymeertype en poortoriëntatie:

Voor amorfe polymeren:

• Poort uitgelijnd met vulrichting: De treksterkte neemt af als de smelttemperatuur toeneemt.
• Poort loodrecht op vulrichting: De treksterkte neemt toe met stijgende smelttemperatuur.

Dit gedrag wordt toegeschreven aan de wisselwerking tussen oriëntatie- en deoriëntatie-effecten. Hogere smelttemperaturen verhogen de moleculaire mobiliteit, bevorderen de deoriëntatie en verminderen de sterkteverbetering door oriëntatie. Poortoriëntatie beïnvloedt vloeipatronen, waardoor de moleculaire uitlijning wordt beïnvloed.

Amorfe polymeren vertonen meestal een sterkere anisotropie in vergelijking met kristallijne polymeren, wat resulteert in een hogere treksterkte loodrecht op de vloeirichting. De mate van mechanische anisotropie is temperatuurafhankelijk:

• Injectie bij lage temperatuur: Intensiteitsverhouding (loodrecht op stroom / parallel aan stroom) ≈ 2
• Injectie bij hoge temperatuur: Intensiteitsverhouding ≈ 1,7

Deze temperatuurgevoeligheid onderstreept het belang van nauwkeurige procesbeheersing om de gewenste mechanische eigenschappen te bereiken.

Samengevat, het verhogen van de smelttemperatuur verlaagt over het algemeen de treksterkte voor zowel kristallijne als amorfe polymeren. De onderliggende mechanismen verschillen echter:

• Kristallijne polymeren: Verminderde kristalliniteit en oriëntatie
• Amorfe polymeren: Verminderde moleculaire oriëntatie