Syyllinen kutistumis- ja vääntymisongelmiin.

Jäännösjännitys on prosessin aiheuttama jännitys, joka on jähmettynyt valettuun kappaleeseen. Se voi olla joko virtauksen tai lämmön aiheuttama. Jäännösjännitykset vaikuttavat kappaleeseen samalla tavalla kuin ulkoisesti kohdistuvat jännitykset. Jos ne ovat tarpeeksi voimakkaita voittaakseen osan rakenteellisen eheyden, osa vääntyy ulosheittämisen yhteydessä tai myöhemmin murtuu, kun ulkoinen käyttökuorma kohdistuu. Jäännösjännitykset ovat tärkein syy osan kutistumiseen ja vääntymiseen. Prosessiolosuhteet ja suunnitteluelementit, jotka vähentävät leikkausjännitystä ontelon täytön aikana, auttavat vähentämään virtauksen aiheuttamia jäännösjännityksiä. Samoin ne, jotka edistävät riittävää pakkautumista ja muotin tasaista jäähdytystä, vähentävät lämpöperäistä jäännösjännitystä. Kuitutäytteisten materiaalien osalta tasaisia mekaanisia ominaisuuksia edistävät prosessiolosuhteet vähentävät lämpöjäännösjännitystä. Kiina muotti toimittaja

Virtauksen aiheuttama jäännösjännitys

Jännittämättömät, pitkäketjuiset polymeerimolekyylit pyrkivät sulan lämpötilaa korkeammissa lämpötiloissa (eli sulassa tilassa) mukautumaan satunnaiskierteiseen tasapainotilaan. Käsittelyn aikana molekyylit suuntautuvat virtaussuuntaan, kun polymeeri leikkautuu ja venyy. Jos jähmettyminen tapahtuu ennen kuin polymeerimolekyylit ovat täysin relaksoituneet tasapainotilaansa, molekyylien suuntautuminen lukittuu
valettu osa. Tällaista jäätynyttä jännitystilaa kutsutaan usein virtauksen aiheuttamaksi jäännösjännitykseksi. Koska molekyylien suunta on venytetty virtaussuunnassa, se aiheuttaa anisotrooppista, epäyhtenäistä kutistumaa ja mekaanisia ominaisuuksia virtaussuunnan suuntaisesti ja kohtisuoraan virtaussuuntaan nähden.

Molekyylien orientaatio jäädytettynä

Suuren leikkausjännityksen ja suuren jäähdytysnopeuden yhdistelmän vuoksi muotin seinämän vieressä on erittäin suuntautunut kerros, joka jäätyy välittömästi kappaleen pinnan alle. Tämä on esitetty kuvassa 1. Jos korkeat jäännösvirtausjännitykset (tai jäätynyt orientaatio) omaava kappale altistetaan myöhemmin korkealle lämpötilalle, osa jännityksistä voi purkautua. Tämä johtaa tyypillisesti osan kutistumiseen ja vääntymiseen. Jäätyneiden kerrosten lämpöeristävän vaikutuksen vuoksi kuumassa ytimessä oleva polymeerisula voi rentoutua enemmän, mikä johtaa matalan molekyyliorientaation vyöhykkeeseen. Kiina muotti toimittaja

KUVA 1. Jäännösvirtausjännitysten kehittyminen, joka johtuu jäätyneestä molekyylien suuntautumisesta täyttö- ja pakkausvaiheessa.
(1) Korkean jäähdytyksen, leikkauksen ja suuntautumisen vyöhyke (2) Matalan jäähdytyksen, leikkauksen ja suuntautumisen vyöhyke

Virtauksen aiheuttaman jäännösjännityksen vähentäminen

Prosessiolosuhteet, jotka vähentävät sulan leikkausjännitystä, vähentävät virtauksen aiheuttamia jäännösjännityksiä. Yleensä virtauksen aiheuttama jäännösjännitys on kertaluokkaa pienempi kuin lämpöjännitys. Kiina muotti toimittaja

• korkeampi sulamislämpötila
• korkeampi muottiseinän lämpötila
• pidempi täyttöaika (alhaisempi sulamisnopeus)
• vähentynyt pakkauksen paine
• lyhyempi virtausreitti.

 Lämpötilan aiheuttama jäännösjännitys

Lämpötilan aiheuttama jäännösjännitys johtuu seuraavista syistä:

• Materiaali kutistuu, kun lämpötila laskee prosessiasetuksista ympäristön olosuhteisiin, jotka saavutetaan prosessin päätyttyä.
• Materiaalielementit kokevat erilaisen lämpömekaanisen historian (esim. erilaiset jäähdytysnopeudet ja pakkauspaineet), kun materiaali jähmettyy muotin seinämästä keskelle.
• Paineen, lämpötilan sekä molekyylien ja kuitujen suuntautumisen muuttuminen johtaa vaihtelevaan tiheyteen ja mekaanisiin ominaisuuksiin.
• Tietyt muotin rajoitukset estävät muottiin valetun kappaleen kutistumisen tasosuunnissa.

Esimerkki vapaasta sammutuksesta

Materiaalin kutistuminen ruiskuvalun aikana voidaan havainnollistaa kätevästi esimerkillä vapaasta sammutuksesta, jossa tasalämpöinen kappale on yhtäkkiä kylmien muotin seinämien välissä. Jäähdytyksen alkuvaiheessa, kun ulkoiset pintakerrokset jäähtyvät ja alkavat kutistua, suurin osa polymeeristä kuumassa ytimessä on edelleen sulaa ja voi vapaasti supistua. Sisäisen ytimen jäähtyessä paikallista lämpösupistumista rajoittavat kuitenkin jo valmiiksi jäykät ulkoiset kerrokset. Tämä johtaa tyypilliseen jännitysjakauman tilaan, jossa jännitys ytimessä on tasapainossa ulkokerrosten puristumisen kanssa, kuten alla olevassa kuvassa 2 on esitetty.

KUVIO 2. Jäännöslämpöjännityksen kehittyminen vapaasti sammuvassa kappaleessa, joka johtuu jäähdytyksen vaihteluista koko muottiin valetussa kappaleessa ja materiaalin reaktiosta lämpötilahistoriaan.