Die vorliegende Schrift basiert auf einen Skript zum Fach Technologie / Kunststoffverarbeitung, das an der Hochschule Lausitz für Studierenden des Maschinenbaus in der Vertiefungsrichtung Kunststofftechnik gelesen wird. Mit diesem Druck sollen Studentinnen und Studenten technischer Fachrichtungen speziell des Maschinenbaus, der Werkstofftechnik, der Mechatronik oder der Verfahrenstechnik einen Einstieg in das Verständnis der Spritzgusstechnik erhalten und berufstätigen Ingenieuren die Problematik dieses Teilgebiets der Kunststofftechnik besser verstehen.
Weil der Spritzgussprozess sehr komplex ist, wird hier eine Untergliederung in Teilprozesse vorgenommen.
Für die Definition von Teilprozessen werden produktnahe Informationen des Prozesses herangezogen. Als Prozessraum wird die Kavität betrachtet, also genau der Hohlraum, in dem die Abformung der Geometrie des Spritzgussteils erfolgt. Zur Beurteilung des Prozessverlaufs und bei der Festlegung der Prozessgrenzen erfolgt ein Bezug auf den Verlauf des Werkzeuginnendrucksignals.
So wird die Kausalkette zwischen Formteileigenschaften, äußerlich messbaren Prozessgrößen und im Polymerwerkstoff auftretenden materialspezifischen Zusammenhängen bei der Herstellung von Präzisionsteilen aufgezeigt. Im Mittelpunkt der Betrachtungen stehen die Ursachen und Auswirkungen der Schwindung von Polymeren während der Spritgussverarbeitung.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Der Spritzgussprozess als Gesamtverfahren
2.1 Prozessbeeinflussende Größen
2.2 Aufgliederung des Spritzgussverfahrens in Teilprozesse
2.3 Beeinflussung von Qualitätsmerkmalen durch bestimmte Teilprozesse
3 Die Einspritzphase
3.1 Eingangsgrößen der Einspritzphase
3.2 Bekannte Prozessparameter der Einspritzphase
3.3 Dehnströmungseffekte
3.4 Die Randschicht
3.5 Zusammensetzung der Kavität aus einzelnen Fließkanalabschnitten
3.6 Thermische Effekte bei der Schmelzeströmung
3.6.1 Strömung unter Abkühlung der Schmelze
3.6.2 Isotherme Strömung
3.6.3 Strömung mit Erwärmung
3.7 Der Dieseleffekt
4 Die Kompressionsphase
4.1 Thermodynamische Zusammenhänge während der Kompressionsphase
4.2 Gratbildung an Formteilen
4.3 Strömung des Polymers während der Kompressionsphase
5 Die Abkühlphase
5.1 Strömung während der Abkühlphase
5.2 Angußverschluss
5.2.1 Thermischer Angussverschluss
5.2.2 mechanischer Angußverschluss
5.3 Abkühlung von thermoplastischen Polymeren in einer Kavität
5.3.1 physikalische Zusammenhänge
5.3.2 Temperaturabhängigkeit der Stoffkonstanten bei thermoplastischen Materialien
5.3.3 Wärmeübergang zwischen Kunststoff und Stahl
5.4 Thermodynamische Zusammenhänge während der Abkühlphase
5.4.1 Druck-Volumen-Temperaturverhalten von Thermoplastischen Polymeren
5.4.2 Geometrische Schwindungsmodelle
5.4.3 Die Verarbeitungsschwindung von Formteilen
5.4.4 Entformungsverzug
5.4.5 Nachschwindungsprozesse
5.5 Zur Beeinflussung von realen pvT-Daten durch Verformungen des Spritzgusswerkzeugs
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, ein tieferes Verständnis des komplexen Spritzgussprozesses durch eine detaillierte Untergliederung in einzelne, produktnahe Teilprozesse zu vermitteln. Die zentrale Forschungsfrage fokussiert dabei auf die Kausalkette zwischen messbaren Prozessgrößen, material-spezifischen Zusammenhängen und den resultierenden Eigenschaften des Spritzgussteils, insbesondere im Hinblick auf die Schwindung während der Verarbeitung.
- Strukturierung des Spritzgussverfahrens in physikalisch definierte Teilprozesse (Einspritzen, Kompression, Abkühlung).
- Analyse der Einflussfaktoren auf die Formteilqualität und Eigenspannungen.
- Untersuchung von Strömungsphänomenen wie Dehnströmungen, Dieseleffekten und Freistrahlbildung.
- Charakterisierung des thermodynamischen Verhaltens von Polymeren mittels pvT-Daten und Schwindungsmodellen.
- Bewertung von werkzeugspezifischen Parametern zur Prozessüberwachung und Qualitätsoptimierung.
Auszug aus dem Buch
3.3 Dehnströmungseffekte
Wenn sich der Querschnitt aufeinanderfolgender Abschnitte des Fließkanals deutlich voneinander unterscheidet, kann man beim Übergang der Geometrien nicht mehr von einer reinen Scherströmung ausgehen. Der Effekt tritt besonders deutlich auf, wenn der Kunststoff die Anbindung des Formnestes passiert hat und in die Kavität einströmt.
Dann müssen neben der reinen Scherströmung auch Dehnströmungseffekte beachtet werden.
Rheologische Untersuchungen werden für uniaxiale Dehnungen vorgenommen. Das heißt die Einschnürung oder die Aufweitung des Materials erfolgt axialsymetrisch. Die Dehnviskosität ηE ist größer als die Viskosität bei Scherströmung η.
Für Newtonsche Medien gilt bei uniaxialer Dehnung:
ηE = 3η
(3.3)
Kunststoffe folgen in der Regel jedoch nicht dem Newtonschen Stoffgesetz.
Bei der Untersuchung einer Polymercharge stellt man fest, dass Gleichung (3.3) nur bei sehr geringen Dehngeschwindigkeiten gilt. Bei mittleren und hohen Deformationsgeschwindigkeiten ist die Dehnviskosität wesentlich größer als die dreifache Scherviskostität.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Die Arbeit führt in die Spritzgusstechnik ein und erläutert die Notwendigkeit einer Untergliederung des komplexen Gesamtprozesses in produktnahe Teilprozesse zur besseren Analyse.
2 Der Spritzgussprozess als Gesamtverfahren: Dieses Kapitel definiert die prozessbeeinflussenden Größen und erläutert die Systematik der Unterteilung des Spritzgießens in Teilsysteme.
3 Die Einspritzphase: Der Fokus liegt auf der Beschreibung der Formfüllung, der Bedeutung von Eingangsgrößen sowie der Analyse von Dehnströmungs- und thermischen Effekten.
4 Die Kompressionsphase: Hier werden die thermodynamischen Zusammenhänge bei der Verdichtung der Schmelze und die Mechanismen der Gratbildung detailliert untersucht.
5 Die Abkühlphase: Dieses Kapitel behandelt das Abkühlverhalten von Thermoplasten, Schwindungsprozesse, Angussverschlussmechanismen und den Einfluss der Werkzeugverformung.
Schlüsselwörter
Spritzgussprozess, Teilprozesse, Einspritzphase, Kompressionsphase, Abkühlphase, Schwindung, Viskosität, Polymer, Formteilqualität, Werkzeuginnendruck, pvT-Diagramm, Dehnströmung, Randschicht, Entformungsverzug, Nachschwindung
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der detaillierten wissenschaftlichen Analyse der einzelnen Teilprozesse des Spritzgießens, um ein tieferes Verständnis für die physikalischen Vorgänge im Inneren des Werkzeugs zu erlangen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind die Einspritz-, Kompressions- und Abkühlphase, die physikalischen Materialeigenschaften von Polymeren unter Druck und Temperatur sowie deren Einfluss auf die Produktqualität.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist es, die Kausalkette zwischen Prozessparametern, Materialverhalten und der Qualität von Spritzgussteilen (insbesondere Schwindung und Verzug) maschinenunabhängig zu beschreiben.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Der Autor verwendet eine modellbasierte Analyse, die den Spritzgussprozess in physikalisch abgegrenzte Teilprozesse unterteilt und diese durch thermodynamische sowie rheologische Kenngrößen quantifiziert.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die drei Hauptverfahrensschritte (Einspritzen, Komprimieren, Abkühlen), wobei jeweils die physikalischen Zustandsänderungen des Polymers sowie die Wechselwirkungen mit dem Werkzeug detailliert beleuchtet werden.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Spritzgussprozess, Schwindung, Kompressionsphase, Abkühlphase, Dehnströmung, Werkzeuginnendruck, Polymer, Viskosität und Entformungsverzug.
Was genau ist der "Dieseleffekt" und warum ist er kritisch?
Der Dieseleffekt beschreibt die adiabate Kompression von in der Form eingeschlossener Luft, was zu extremen Temperaturerhöhungen und Verbrennungen am Formteil führen kann.
Wie unterscheidet sich der thermische vom mechanischen Angussverschluss?
Der thermische Verschluss basiert auf der erstarrungsbedingten Pfropfenbildung durch Abkühlung an der Anbindung, während der mechanische Verschluss durch aktive, bewegliche Werkzeugkomponenten eingeleitet wird.
Warum ist das Verständnis der pvT-Daten so wichtig für die Schwindung?
pvT-Daten beschreiben das spezifische Volumen in Abhängigkeit von Druck und Temperatur; sie sind entscheidend, um das Schwindungsverhalten und die notwendige Materialverdichtung während des Prozesses vorherzusagen.
Was bewirkt eine "wärmeisolierende Zwischenschicht" an der Werkzeugwand?
Eine solche Schicht (z. B. durch Trennmittel oder Belag) verzögert die Wärmeabfuhr in das Werkzeug, was die Bildung der Randschicht verzögert, aber die mechanische Homogenität des Teils beeinflussen kann.
- Arbeit zitieren
- Torsten Kies (Autor:in), 2009, Die Spritzgusstechnologie und ihre Teilprozesse, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/272241
