Die Grundausstattung fürSpritzgussist eine Spritzgießmaschine und eine Spritzgussform. Abbildung 1-2 zeigt den Spritzgießprozess einer Schneckenspritzgießmaschine.
Spritzgussprinzip
△Ablauf des Spritzgussprozesses
Das Prinzip besteht darin, dass körniger oder pulverförmiger Kunststoff in den Zylinder der Spritzgießmaschine gegeben, erhitzt und geschmolzen wird und dann der hohe Druck und die hohe Geschwindigkeit der Schnecke der Spritzgießmaschine den geschmolzenen Kunststoff durch die Düse am vorderen Ende des Zylinders drückt und ihn schnell in den geschlossenen Formhohlraum einspritzt [Abb. 1-2(a)]. Die den Hohlraum füllende Schmelze wird unter Druck abgekühlt und erstarrt, um die durch den Hohlraum vorgegebene Form beizubehalten [Abb. 1-2(b)]. Dann wird die Form geöffnet und das Produkt entnommen [Abb. 1-2(c)].Während des Spritzgussprozesses durchläuft der Kunststoff eine Reihe von Veränderungen, darunter Erweichen, Schmelzen, Fließen, Formen und Erstarren.
(Abbildung 1-2 Spritzgussprinzip einer Schneckenspritzmaschine)
Erweichen und Schmelzen:
Abbildung 1-4 zeigt die Zylinder- und Schneckenstruktur einer Spritzgießmaschine. Da an der Außenseite des Zylinders eine kreisförmige Heizung installiert ist, schmilzt der Kunststoff, während er sich unter der Drehung der Schnecke vorwärts bewegt, und wird schließlich durch die Düse in die Form eingespritzt.
(L1-Fütterungsbereich; L2-Komprimierungsabschnitt; L3-Messabschnitt; H1/h2-Komprimierungsverhältnis; D-Schraubendurchmesser)
Kunststoff erfährt während des Formfüllprozesses folgende Veränderungen:
Bevor sich die Schraube dreht (L2), sind Temperatur und Druck der Schneckenstange aufgrund der Verringerung des Schmelzvolumens, die durch das in den Formhohlraum eindringende Material verursacht wird, relativ niedrig (L1). Nachdem sich die Schraube gedreht hat (L3), hat der Kunststoff die Schmelztemperatur erreicht und ist geschmolzen. Um die Produktqualität sicherzustellen, muss der Kunststoff vor dem erneuten Schmelzen vollständig geschmolzen sein. Wenn der Kunststoff zu diesem Zeitpunkt bereits bei einem bestimmten Schmelzgrad in die Kompressionsstufe eingetreten ist, wird seine Entgasungswirkung stark beeinträchtigt.
Auch wenn die Menge (L3) bleibt gleich, aufgrund unterschiedlicher Schneckennuttiefen h₀ erfährt der Kunststoff während des Schneckenrotationsvorgangs eine unterschiedlich starke Scherwirkung und somit variiert der Grad der Plastifizierung.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Grad und die Qualität des Kunststoffschmelzens im selben Formzyklus durch den Gasgehalt und die Schmelzqualität der Schnecke beeinflusst werden:
① Die effektive Länge der Schraube ist direkt proportional (steigt): L/D=22-25.
② Das Kompressionsverhältnis der Schraube: h₁/h₂=2.0-3.0 (im Allgemeinen 2,5).
③ Der Kompressionsanteil der Schraube ist relativ proportional: L₁/L₂=40%-60%.
Da der Wert zu groß ist, erhöht sich auch die Verweilzeit des Materials und die Schneckenrotation befördert den geschmolzenen Kunststoff kontinuierlich weiter. Zu diesem Zeitpunkt fließt der Kunststoff unter Druck weiter in den Formhohlraum und dann in einem Formzyklus (ohne äußeres Eingreifen, bevor sich die Schnecke vorwärts bewegt). Nachdem sich die Schnecke gedreht hat, bewegt sie sich unter Einwirkung mechanischer Kraft vorwärts, verdichtet den Kunststoff allmählich und spritzt ihn in den Formhohlraum ein. Im unmittelbaren Vorfeld erfährt die Schmelze eine schnelle Kompression (sogenannte Sofortkompression), die leicht zur Kristallisation und damit zu Defekten führen kann. Durch eine langsame Injektion kann eine Kristallisation vermieden werden (vollständige Kristallisation, die durch schnelles Abkühlen vollständig amorph wird).
Fließen:
Wenn die Schmelze unter hohem Druck und hoher Geschwindigkeit in den Formhohlraum eingespritzt wird, treten während des Einspritzvorgangs zwei Phänomene auf. Zum einen verfestigt sich der Kunststoff, der im geschmolzenen Zustand mit der Formwand in Kontakt kommt, und bildet aufgrund der schnellen Abkühlung, die durch den Kontakt mit der Oberfläche des Formhohlraums verursacht wird, eine dünne Schicht. Diese dünne Schicht wird als gefrorene Schicht (oder als sofort gefrorene Schicht) bezeichnet, die dazu führt, dass die Temperatur des geschmolzenen Kunststoffs selbst sinkt (hauptsächlich aufgrund des Einflusses des Verlusts der latenten Kristallisationswärme). Beispielsweise kann bei Polyethylen die latente Kristallisationswärme, die beim Abkühlvorgang der Schmelze durch die Formwand freigesetzt wird, 50 Grad oder mehr erreichen. Daher sinkt die Temperatur, nachdem die Schmelze den gesamten Formhohlraum gefüllt hat und in einen dringenden Zustand zurückgekehrt ist. Zweitens behält ein größerer Teil des geschmolzenen Kunststoffs weiterhin seine Fließrichtung bei und fließt in die entgegengesetzte Richtung.
Wie aus Abbildung 1-5 ersichtlich ist, bildet sich bei Kontakt der Schmelze mit der Wand des Formhohlraums eine gefrorene Schicht, und im zentralen Teil außerhalb des Hohlraums wird eine schnellere Fließgeschwindigkeit erzeugt. Der Kunststoff fließt schichtweise im Bereich zwischen der gefrorenen Schicht und der Hohlraumwand. Nachdem der Kunststoff in einem solchen Zustand durchlaufen und abgekühlt und zu einem Produkt geformt wurde, ist die Schichtung im geformten Produkt immer noch in einer parallelen Richtung und einer vertikalen Richtung vorhanden, was zu Unterschieden in der Festigkeit und Zähigkeit des Produkts führt, die während der Freisetzungs- und Formungsphase des geformten Produkts bestehen.
1 - Spritzgießmaschine; 2 - Harzspritzgussform (eigentlich bestehend aus Hauptkanal und Anguss);
3 - Schimmel (im Hohlraum); 4 - Der Teil mit einer schnelleren Fließgeschwindigkeit in der Mitte;
5 - Der Teil mit einer sehr langsamen Fließgeschwindigkeit entlang der Hohlraumwand; 6 - Harzmoleküle, die ausgerichtet und gestreckt sind;
7 - Harzmoleküle, die miteinander verflochten sind.
Formen und Aushärten:
Wenn geschmolzener Kunststoff eingespritzt wird, gelangt er durch eine Düse in die Form, nimmt Gestalt an und kühlt dann ab und verfestigt sich zum fertigen Produkt. Allerdings beträgt die tatsächliche Zeit, die der geschmolzene Kunststoff benötigt, um die Form zu füllen, mehrere Sekunden, was es sehr schwierig macht, den Füllvorgang zu beobachten.
Der amerikanische Ingenieur Stevenson nutzte eine Computersimulation, um den Füllprozess einer Polypropylen-Autotür darzustellen, die mit einer Heißkanalform mit zwei Anschnitten geformt wird, und berechnete die Einspritzzeit (dh die Füllzeit), die Bindenaht und die erforderliche Schließkraft. Abbildung 1-6 zeigt das aus seiner Simulation erhaltene Modell. Der Fließ- und Füllzustand der Schmelze in Abbildung 1-6 unterscheidet sich nicht wesentlich von dem, was man sich vorgestellt hat, und spiegelt möglicherweise genau den tatsächlichen Füllvorgang einer Autotür wider.
Es gibt viele Methoden zur Simulation des Ablaufs von Spritzgussprozessen (z. B. die FAN-Methode, das CAIM-Simulationssystem und das Moldflow-Simulationssystem). Diese Simulationsmethoden werden derzeit verwendet, um den Füllprozess von geschmolzenem Kunststoff in einer Form vorherzusagen, mit dem Ziel einer rationelleren Formkonstruktion und Auswahl der Angussposition oder -art.
Nachdem der geschmolzene Kunststoff geformt wurde, tritt er in den Erstarrungsprozess ein. Das Hauptphänomen bei der Erstarrung ist die Schrumpfung, die gleichzeitig durch Abkühlung und Kristallisation auftritt. Abbildung 1-7 zeigt die Schrumpfung von drei Polyethylentypen mit unterschiedlicher Kristallinität bei sinkender Temperatur.
(a-PE mit einer relativen Dichte von 0,9645; b-PE mit einer relativen Dichte von 0,95; c-PE mit einer relativen Dichte von 0,918; d-Abkühlgeschwindigkeitskurven: C1, C2, C3-alle drei haben die gleiche Abkühlrate.)