Ein Verursacher von Problemen mit Schrumpfung und Verzug

Eigenspannung ist eine prozessbedingte Spannung, die in einem Formteil eingefroren ist. Sie kann entweder fließbedingt oder thermisch induziert sein. Eigenspannungen wirken sich auf ein Teil in ähnlicher Weise aus wie von außen angelegte Spannungen. Wenn sie stark genug sind, um die strukturelle Integrität des Teils zu überwinden, verformt sich das Teil beim Auswerfen oder reißt später, wenn eine äußere Betriebslast aufgebracht wird. Eigenspannungen sind die Hauptursache für die Schrumpfung und den Verzug eines Teils. Die Prozessbedingungen und Konstruktionselemente, die die Scherspannung während der Hohlraumfüllung verringern, tragen dazu bei, fließbedingte Eigenspannungen zu reduzieren. Ebenso werden thermisch induzierte Eigenspannungen durch eine ausreichende Packung und gleichmäßige Kühlung des Werkzeugs verringert. Bei fasergefüllten Materialien werden die Prozessbedingungen, die gleichmäßige mechanische Eigenschaften fördern, die thermisch induzierten Eigenspannungen reduzieren. China Formenlieferant

Strömungsinduzierte Eigenspannung

Ungespannte, langkettige Polymermoleküle neigen dazu, bei Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur (d. h. im geschmolzenen Zustand) einen Gleichgewichtszustand mit zufälligen Windungen einzunehmen. Während der Verarbeitung orientieren sich die Moleküle in Fließrichtung, da das Polymer geschert und gedehnt wird. Wenn die Erstarrung eintritt, bevor die Polymermoleküle vollständig in ihren Gleichgewichtszustand entspannt sind, wird die Molekülorientierung innerhalb der
Formteil. Diese Art des eingefrorenen Spannungszustands wird häufig als fließinduzierte Eigenspannung bezeichnet. Aufgrund der gestreckten molekularen Orientierung in Fließrichtung führt dies zu anisotropen, ungleichmäßigen Schwindungs- und mechanischen Eigenschaften in den Richtungen parallel und senkrecht zur Fließrichtung.

Eingefrorene molekulare Orientierung

Aufgrund einer Kombination aus hoher Scherbeanspruchung und hoher Abkühlungsgeschwindigkeit in der Nähe der Formwand entsteht unmittelbar unter der Oberfläche des Teils eine hochorientierte Schicht, die gefroren ist. Dies ist in Abbildung 1 dargestellt. Wenn ein Teil mit hohen Fließeigenspannungen (oder eingefrorener Orientierung) anschließend einer hohen Temperatur ausgesetzt wird, können sich einige der Spannungen abbauen. Dies führt in der Regel zu einer Schrumpfung und einem Verzug des Teils. Aufgrund der wärmeisolierenden Wirkung der eingefrorenen Schichten kann sich die Polymerschmelze im heißen Kern stärker entspannen, was zu einer Zone mit niedriger molekularer Orientierung führt. China Formenlieferant

ABBILDUNG 1. Die Entwicklung von Fließeigenspannungen aufgrund der eingefrorenen molekularen Orientierung während der Füll- und Packphasen.
(1) Zone mit hoher Kühlung, Scherung und Orientierung (2) Zone mit niedriger Kühlung, Scherung und Orientierung

Verringerung der fließbedingten Eigenspannung

Prozessbedingungen, die die Scherspannung in der Schmelze reduzieren, verringern die Höhe der fließinduzierten Eigenspannungen. Im Allgemeinen ist die fließinduzierte Eigenspannung um eine Größenordnung geringer als die thermisch induzierte Eigenspannung. China Formenlieferant

• höhere Schmelztemperatur
• höhere Werkzeugwandtemperatur
• längere Füllzeit (geringere Schmelzgeschwindigkeit)
• verminderter Packungsdruck
• kürzerer Fließweg.

 Thermisch induzierte Eigenspannung

Thermisch induzierte Eigenspannungen treten aus folgenden Gründen auf:

• Das Material schrumpft, wenn die Temperatur von den Prozesseinstellungen auf die nach Abschluss des Prozesses erreichten Umgebungsbedingungen sinkt.
• Die Materialelemente erfahren unterschiedliche thermisch-mechanische Verläufe (z. B. unterschiedliche Abkühlungsraten und Packungsdrücke), wenn das Material von der Formwand zum Zentrum hin erstarrt.
• Wechselnder Druck, Temperatur sowie Molekül- und Faserorientierung führen zu unterschiedlichen Dichten und mechanischen Eigenschaften.
• Bestimmte Formzwänge verhindern, dass das Formteil in den ebenen Richtungen schrumpft.

Beispiel für freies Abschrecken

Die Materialschrumpfung beim Spritzgießen lässt sich gut anhand eines Beispiels für freies Abschrecken veranschaulichen, bei dem ein Teil mit gleichmäßiger Temperatur plötzlich von kalten Werkzeugwänden eingeschlossen wird. Während der ersten Abkühlungsphasen, wenn die äußeren Oberflächenschichten abkühlen und zu schrumpfen beginnen, ist der Großteil des Polymers im heißen Kern noch geschmolzen und kann sich frei zusammenziehen. Wenn jedoch der innere Kern abkühlt, wird die lokale thermische Kontraktion durch die bereits starren äußeren Schichten eingeschränkt. Dies führt zu einer typischen Spannungsverteilung, bei der die Spannung im Kern durch die Kompression in den äußeren Schichten ausgeglichen wird, wie in Abbildung 2 unten dargestellt.

ABBILDUNG 2. Die Entwicklung von thermischen Eigenspannungen in einem "frei abschreckenden" Teil aufgrund von Schwankungen in der Abkühlung des Formteils und der Reaktion des Materials auf den Temperaturverlauf.