★Implementierung eines mehrstufigen Spritzgussverfahrens
Die Theorie des mehrstufigen Spritzgießens
Während der InjektionBeim Einfüllen von geschmolzenem Kunststoff in den Formhohlraum wird die Schmelze komplexen thermodynamischen und strömungsdynamischen Kräften ausgesetzt. Wie in der Abbildung dargestellt, werden die Schmelzflusseigenschaften bei vier verschiedenen Einspritzgeschwindigkeiten beschrieben. Abbildung (a) zeigt die serpentinenförmigen Strömungsmuster oder das „Jetting“-Phänomen, das beim Spritzgießen mit hoher Geschwindigkeit auftritt; Abbildung (b) zeigt den Strömungszustand bei einer mittelhohen Einspritzgeschwindigkeit, bei der das „Jetting“-Phänomen am Anschnitt reduziert ist und sich im Wesentlichen einem Zustand der „sich ausbreitenden Strömung“ annähert; Abbildung (c) zeigt den Fließzustand bei einer mittleren-niedrigen Einspritzgeschwindigkeit, wobei die Schmelze im Allgemeinen kein „Strahl“-Phänomen erzeugt und die Schmelze die Form mit einer niedrigen-Geschwindigkeit und einem stabilen „Ausbreitungsfluss“ füllen kann; Abbildung (d) zeigt das Spritzgießen mit niedriger -Geschwindigkeit, was aufgrund der zu langsamen Füllgeschwindigkeit zu Schwierigkeiten oder sogar zum Versagen beim Füllen der Form führen kann.
Typischerweise verläuft der Dehnungsfluss von Polymerschmelzen im Rahmen des Dehnungsströmungsmodells ebenfalls in drei Stufen: dem Anfangsstadium, in dem die Schmelzfront beim Durchgang durch den Anschnitt einen radialen Fluss zeigt; das Zwischenstadium, in dem die Schmelzfront unter der Wirkung des Einspritzdrucks bogenförmig wird; und die letzte Stufe der gleichmäßigen Strömung, wobei die viskoelastische Schmelze als Vorderkante fungiert.
Die Fließeigenschaften der Schmelze im Anfangsstadium bestehen darin, dass die aus dem Anguss ausströmende Schmelze unter Einwirkung von Einspritzdruck und Einspritzgeschwindigkeit eine bestimmte kinetische Energie besitzt. Die Größe dieser kinetischen Energie (zu diesem Zeitpunkt ist sie gerade in den Formhohlraum eingedrungen und wird durch keinen Strömungswiderstand beeinflusst) beeinflusst die radialen Strömungseigenschaften und das Diffusionsvolumen der Schmelzfront. Wenn diese Kraft besonders stark ist, kann es zu einem „Jetting“-Phänomen kommen; Wenn die kinetische Energie dieser Kraft angemessen ist, fließt die Schmelze gleichmäßig von der Quelle in alle Richtungen, was zu einem besseren Diffusionszustand führt.
Mit fortschreitender Anfangsphase breitet sich die Schmelze schnell aus und es treten zwei Phänomene auf, wenn sie mit der Wand des Formhohlraums in Kontakt kommt: a) Die Fließrichtung ändert sich aufgrund der von der Wand des Formhohlraums ausgeübten Kräfte. b) Durch die Kühl- und Reibungseffekte der Formhohlraumwand wird ein Strömungswiderstand erzeugt, der an verschiedenen Stellen zu Geschwindigkeitsunterschieden im Schmelzefluss führt. Diese Strömungseigenschaft äußert sich in ungleichen Strömungsgeschwindigkeiten an verschiedenen Stellen der Schmelze, wobei die höchste Strömungsgeschwindigkeit im Kern der Schmelze liegt und der Fluss des Vorderkantenmaterials eine Bogenform aufweist; Gleichzeitig erzeugt die Strömung an jedem Punkt einen ungleichen Widerstand und eine ungleiche Beschränkung, und der Strömungswiderstand nimmt mit zunehmender Strömungsentfernung tendenziell zu.
In der dritten Stufe fließt das geschmolzene Material schnell in den Formhohlraum, wobei die viskoelastische Schmelze als Fließfront fungiert. In der zweiten und dritten Stufe des Spritzgießens ist die durch den Einspritzdruck und die Einspritzgeschwindigkeit erzeugte kinetische Energie der Hauptfaktor, der das Füllverhalten der Form beeinflusst. Die Abbildung zeigt den Expansionsströmungsprozess und die Geschwindigkeitsverteilung. Spritzgussteile gibt es in verschiedenen Formen, in der Abbildung ist nur ein Modell dargestellt. Fließeigenschaften, Energieverlust während des Formfüllprozesses und die Form des Produkts hängen eng zusammen, und verschiedene Kunststoffe weisen unterschiedliche Fließeigenschaften auf.
1. Form bei niedriger-Temperatur; 2. Kalt-verfestigte Kunststoffschicht; 3. Fließrichtung der Schmelze; 4. Geschwindigkeitsverteilung an der Niedrigtemperaturform.
Der ideale Fließzustand des geschmolzenen Materials im Formhohlraum
Wie oben erwähnt, sollten die Eigenschaften eines gleichmäßig expandierenden Flusses und die Anfangsstadien des Kunststoffschmelzeflusses aus dem Anguss keine Phänomene aufweisen, die dem „Ausstoßen“ oder den Ausstoßeigenschaften ähneln. Dies erfordert, dass die Schmelze in den Anfangsstadien des Fließens zum Anschnitt keine übermäßig hohe kinetische Energie besitzt (übermäßige kinetische Energie kann zu Strahlbildung und Schlangenmustern führen); in der mittleren -Phase der Formfüllung sollte die expandierende Strömung über ausreichend kinetische Energie verfügen, um den Strömungswiderstand zu überwinden und einen gleichmäßigen Expansionszustand zu erreichen; In der Endphase der Formfüllung muss die viskoelastische Schmelze die Form schnell füllen, den mit zunehmender Fließstrecke zunehmenden Strömungswiderstand überwinden und eine vorgegebene gleichmäßige und konstante Fließgeschwindigkeit erreichen. Basierend auf rheologischen Prinzipien kann dieser ideale Fließzustand zu spritzgegossenen Produkten mit überlegenen physikalischen und mechanischen Eigenschaften führen, innere Spannungen und Orientierung im Produkt beseitigen, Einfallstellen und Oberflächenfließlinien beseitigen und die Gleichmäßigkeit des Oberflächenglanzes des Produkts erhöhen.
Implementierung eines mehrstufigen Injektionsprozesses
Beim mehrstufigen Spritzgießen geht es im Wesentlichen darum, unterschiedliche Einspritzgeschwindigkeiten in dem Moment zu steuern, in dem die Kunststoffschmelze den Formhohlraum füllt, sodass die Kunststoffschmelze während des Füllvorgangs einen nahezu idealen Zustand erreichen kann. Durch diesen idealen Abfüllprozess entstehen keine Qualitätsmängel am Kunststoffprodukt, noch entstehen Spannungen oder Orientierungskräfte. Im Allgemeinen ist der Spritzgussprozess innerhalb weniger Sekunden bis zu mehreren zehn Sekunden abgeschlossen, und der mehrstufige Spritzgussprozess erfordert die Umwandlung des Füllprozesses in eine kontinuierliche Abfolge unterschiedlicher Füllzustände, die durch unterschiedliche Einspritzgeschwindigkeiten innerhalb dieses kurzen Zeitrahmens gesteuert werden.
Entsprechend den fünf{0}stufigen Anforderungen des eigentlichen mehrstufigen Einspritzprozesses werden unterschiedliche Einspritzvolumina umgesetzt und die kinetische Energie der Schmelze muss von der Spritzgießmaschine bereitgestellt werden. Aktuelle Spritzgießmaschinen können bereits eine segmentierte oder sogar mehrsegmentige Einspritzsteuerung erreichen, wie in der Abbildung dargestellt.
Wie in der Abbildung oben gezeigt, kann eine Injektionssteuerung mit fünf -Segmenten erreicht werden, wobei jedes Segment ein anderes Injektionsvolumen hat. Das durch den Hub gesteuerte Injektionsvolumen beträgt:
- Wo ΩLnist das Injektionsvolumen;
- Lnist der Einspritzhub;
- D ist der Durchmesser der Spritzgießmaschinenschnecke;
- p ist die Dichte des Kunststoffs.
Daher können in jedem Segment unterschiedliche Einspritzgeschwindigkeiten und -drücke verwendet werden, um in dieser Phase die gewünschte kinetische Energie des geschmolzenen Materials zu erreichen. Jedes Segment entspricht einer bestimmten Zone (n-Zone) im Formhohlraum. Obwohl sich die kinetische Energie der Strömung aufgrund des Einflusses des Angusssystems ändert, sollte die Schwankung des Volumenstroms minimal sein.
In der tatsächlichen Produktion wird die Einspritzgeschwindigkeit von Spritzgussmaschinen, die eine mehrstufige Einspritzung ermöglichen, in mehreren Stufen gesteuert. Typischerweise kann der Einspritzvorgang in drei oder vier Zonen unterteilt werden, wie im Diagramm dargestellt, und jede Zone kann auf ihre eigene geeignete Einspritzgeschwindigkeit eingestellt werden, um ein mehrstufiges Spritzgießen zu erreichen. Derzeit verfügen einige Spritzgießmaschinen auch über eine mehrstufige Vor--Plastifizierung und eine mehrstufige Nachdruckfunktion.
Mehrstufige Spritzgussprozesskurve
Obwohl das mehrstufige Spritzgießen den Zustand des geschmolzenen Materials während der Formfüllung beschreibt, wird seine Steuerung durch die Spritzgießmaschine implementiert. Aus Sicht des Steuerungsprinzips der Spritzgießmaschine kann der Zusammenhang zwischen Einspritzgeschwindigkeit (Einspritzdruck) und Schneckenförderhub ausgenutzt werden. Die Abbildung zeigt eine typische Kurve für einen mehrstufigen Spritzgussprozess, bei dem während des Spritzvorgangs unterschiedliche Einspritzdrücke und -geschwindigkeiten auf unterschiedliche Materialmengen angewendet werden.
1–5 - 5 verschiedene Einspritzgeschwindigkeiten
Vorteile des mehrstufigen Spritzgießens
Beim Spritzgießen haben Hochgeschwindigkeits- und Niedriggeschwindigkeits-Spritzguss jeweils ihre Vor- und Nachteile. Die Erfahrung zeigt, dass eine Hochgeschwindigkeitseinspritzung im Allgemeinen folgende Vorteile bietet: kürzere Einspritzzeit; vergrößerte Fließstrecke; verbesserte Oberflächenbeschaffenheit des Produkts; erhöhte Festigkeit der Bindenähte; und Verhinderung einer Kühlverformung. Die Einspritzung mit niedriger-Geschwindigkeit hat dagegen im Allgemeinen die folgenden Vorteile: wirksame Verhinderung von Graten; Verhinderung von Fließspuren; Vermeidung von Problemen mit der Schimmelbelüftung; Verhinderung von Lufteinschlüssen; und Verhinderung einer Verformung der molekularen Orientierung.
Das mehrstufige Spritzgießen kombiniert die Vorteile des Spritzgießens mit hoher - und niedriger{2}}Geschwindigkeit, um den Anforderungen zunehmend komplexerer Geometrien von Kunststoffprodukten und drastischen Änderungen der Querschnitte von Gusskanälen und Hohlräumen gerecht zu werden. Außerdem können Fehler wie Einspritzspuren, Schrumpfung, Blasen, Bindenähte und Brandflecken während des Formprozesses effektiv beseitigt werden.
Der mehrstufige Spritzgussprozess durchbricht die traditionelle Einspritz- und Nachdruckmethode und kombiniert auf organische Weise die Vorteile der Hochgeschwindigkeits- und der Niedriggeschwindigkeits-Spritzgussverarbeitung. Durch die Implementierung einer mehrstufigen Steuerung während des Einspritzvorgangs können viele Fehler in Spritzgussteilen behoben werden. Die Abbildung zeigt beispielsweise eine Methode, die eine Einspritzung mit niedriger -Geschwindigkeit zu Beginn des Einspritzvorgangs, eine Einspritzung mit hoher -Geschwindigkeit während des Befüllens des Formhohlraums und dann erneut eine Einspritzung mit niedriger -Geschwindigkeit gegen Ende des Füllvorgangs verwendet. Durch die Steuerung und Anpassung der Einspritzgeschwindigkeit können verschiedene unerwünschte Phänomene wie Grate, Spritzflecken, Silberstreifen oder Brandflecken verhindert und verbessert werden.
a-d: vier verschiedene Injektionsgeschwindigkeiten
Die praktische Erfahrung zeigt, dass die Steuerung des Öldrucks, der Einspritzgeschwindigkeit, der Schneckenposition und der Schneckengeschwindigkeit der Spritzgießmaschine durch eine mehrstufige Programmsteuerung Mängel im Erscheinungsbild spritzgegossener Produkte wie Schrumpfung, Verzug und Gratbildung weitgehend verbessern kann.