Deformationsverhalten in Abhäbngigkeit von Nadelverschlussdüsen

    Diese Seite verwendet Cookies. Durch die Nutzung unserer Seite erklären Sie sich damit einverstanden, dass wir Cookies setzen. Weitere Informationen

    • Deformationsverhalten in Abhäbngigkeit von Nadelverschlussdüsen

      Hallo Ihr Lieben,

      Ich mache gerade meine Ausbildung als Technische Redakteurin mit einem Abschluss in Maschinenbau. Zwar habe ich Kunststoffspritzgussteile bereits konstruiert, mich aber noch nie mit dem Spritzgusssystem auseinandergesetzt.

      Ich sitze gerade an meiner Abschlussarbeit: Hier schreibe ich eine Art Artikel zu der Thematik, dass durch die Verwendung von Nadelverschlussdüsen das Deformationsverhalten des Werkstückes beeinflusst werden kann.
      Ist die Nadelverschlussdüse geschlossen, bleibt der Kavitätsdruck konstant. Insbesondere bei hohem Nachdruck soll das Einfluss auf die Deformation in dieser Phase haben.
      Möglicherweise steh ich gerade auf dem Schlauch. Aber ich versteh einfach den Zusammenhang nicht.

      Löst der in der Kavität aufgebaute Druck Spannungen aus, die dann nach dem Erstarren und Lösen aus dem Werkzeug Verformungen am Bauteil auslösen? Und wieso soll das Vorteilhaft sein?

      Ich freu mich auf euer Expertenwissen :) :P :thumbsup:
    • Du stehst eindeutig auf dem Schlauch. Konstante Drücke gibt es im beim Spritzguss nicht. Den Gedanken bitte streichen und schon lösen sich viele Missverständnisse in Luft auf.

      Während des Füllvorgangs(Nadel offen) steigt der Druck in der Kavität in Abhängig vom Ort an. Ist die Kavität zu 100% gefüllt, steigt der Druck unabhängig vom Ort an.
      Zur Verdeutlichung nehmen wir einfach eine einfache Platte, die an einem Ende angespritzt wird und am Fließweganfang und -ende jeweils einen Drucksensor hat. Bei Beginn der Füllphase liegt am Fließweganfang ein Druck an, weil der Kunststoff in die Kavität strömt und diese füllt. Am Fließwegende kommt noch kein Signal an, da die Kavität in dem Bereich noch mit Luft gefüllt ist. Sobald die Kunststoffschmelze am Fließwegende ankommt und die Luft verdrängt wird, steigt der Druck an. Vorteil an der einfachen Plattengeometrie ist, dass der Druck während der Füllzeit linear über den Fließweg steigt. Aus den Informationen beider Sensoren kann man das Druckgefälle einfach errechnen. Das bezeichne ich als Druck über den Ort.
      Jetzt ist die Kavität zu 100% gefüllt, überall herrscht im Idealfall der gleiche Druck und die Nachdruckphase beginnt. Ziel der Nachdruckphase ist es die Schwindung des Kunststoffs soweit zu kompensieren, wie es nur geht. Diese Phase wird durch die Artikelgeometrie, die Temperierung und den Anspritzpunkt definiert. Ich kann nur solange Material nachdrücken, wie es die plastische Seele zulässt. Erstarrt diese soweit, dass am Anspritzpunkt kein Material mehr nachfließen kann, ist die Siegelzeit erreicht. Ab Beginn der Nachdruckphase sollte der Druck nicht mehr steigen und der Druck am Ende der Phase ist nicht Null. Die Randschicht erstarrt recht schnell und lässt sich nicht mehr ändern. Während des Erstarrens kommt die Schwindung zum tragen. Bei amorphen Materialien geht es halbwegs linear von statten. Bei teilkristallinen Kunststoffen ist die Volumenänderung deutlich größer, weil sich die ungeordneten Molekülketten anfangen zu orientieren und dabei weniger Platz brauchen.

      Jetzt kommen wir zu den Heißkanalsystem mit und ohne Nadel.
      Bei einem Heißkanalsystem ohne Nadel, muss ich noch die Kunststoffmasse vom Anspritzpunkt bis zur Rückstromsperre betrachten. Auf die wirkt immer noch Druck und komprimiert den flüssigen Kunststoff. Nehme ich den Nachdruck an der Spritzeinheit nicht schnell genug zurück, fange ich an die Kavität zu überladen. Ich versuche mit Gewalt noch Material in die Kavität zu quetschen. Dabei wird das Kunststoffteil unnötig mit Druck beaufschlagt und ein bisschen aufgeblasen. Damit belaste ich das Werkzeug unnötigerweise und erhöhe die Wahrscheinlichkeit für Kernbruch und setze die Entlüftung sehr viel schneller zu, da sich feiner und spröder Grat bildet, der sich in der Trennebene sammelt. Ebenso wird die Artikelgeometrie dadurch negativ beeinflusst und kann sich in der Kavität "verkanten".
      Bei einem Heißkanalsystem mit Nadel kann ich die Kavität direkt nach Erreichen des Siegelpunktes hydraulisch vom Heißkanal trennen und vermeide so die Überladung nach Erreichen der Siegelzeit. Ich schone das Werkzeug damit und die Teilequalität ist besser wiederholbar. Den richtigen Punkt kann man hier über Innendrucksensoren wunderbar treffen und muss nicht ewig rumprobieren und mit jeder neuen Materialcharge neu einstellen. Der Druckabfall in der Kavität ist somit abgekoppelt und gleichmäßig. Das hilft z.B. dabei, dass man Formschrägen geschickt nutzen kann, damit sich der Artikel beim Öffnen des Werkzeugs von der Kavität löst und die Auswerfer deutlich weniger Arbeit haben. Die Abdrücke am Kunststoffteil werden so reduziert. Den Effekt kann ich z.B. bei amorphen Kunststoffen einfach nutzen, in dem ich den Artikel anhand von Simulationsergebnisse so zurückrechne, dass die Geometrie im Werkzeug nicht der ursprünglichen Artikelgeometrie entspricht, sich aber durch die Schwindung in die Zielgeometrie formt. Hierbei ist ein Nadelverschlusssystem notwendig, damit es kein Glücksspiel wird. Bei teilkristallinen Kunststoffen ist es sehr viel aufwendiger und nur dann zu empfehlen, wenn entstehende Vakuolen nicht die mechanische Stabilität beeinträchtigen.

      Ich hoffe, dass ich dir helfen konnte.
    • TR1802Sim schrieb:

      Ist die Nadelverschlussdüse geschlossen, bleibt der Kavitätsdruck konstant. Insbesondere bei hohem Nachdruck soll das Einfluss auf die Deformation in dieser Phase haben.
      Möglicherweise steh ich gerade auf dem Schlauch. Aber ich versteh einfach den Zusammenhang nicht.
      Diese Aussage mit dem *Kavitätsdruck* halten, und das möglichst auf hohem Level, ist eine Denkweise aus der *Steinzeit des Spritzgusses*! Daraus resultiert immer noch die Philosophie, den Nachdruck, in der Schwindungsphase (der die Volumenkontraktion/-verlust in der Kavität ausgleichen soll) solange (NachdruckZeit) wirken zu lassen, bis die Anspritzung *versiegelt* ist. Dieses müssen die Spritzgießer immer noch bei ihrer Prüfung mit Hilfe der Teilegewichtsveränderung ermitteln: Verändert sich das Gewicht nicht mehr = gut. Diese Philosophie führt dazu, dass es nicht möglich ist, für das Formteileil den optimalen volumetrischen Schwindungsausgleich zu erreichen, da
      a) die *Plastische Seele* während der Versiegelung zu hoch mit Druckenergie aufgeladen wird und
      b) das Druckgefälle (Anspritzung --> Fließwegende)
      im Formteil "eingesiegelt" werden. Ergebnis: Unterschiedliche Druckspannungen. Diese (noch heutige) Ausbildung, somit auch Arbeitsweise, stammt aus einer Zeit, wo nur *Kaltkanal-Anspritzung* und Maschinen zur Verfügung standen, die ein Hydraulikaggregat, Nockkenschalter (für Wegbstimmung) und Zeit-Relais für Prozessschritte (Nachdruckzeit und Kühlzeit) hatten.
      Inzwischen sind 60 Jahre vergangen, und aus den damaligen Maschinen sind inzwischen hochpräzise "Prozessgestaltungs- und ProzessmessMaschinen" und optimale Heisskanal-Nadelverschluss-Anspritzsysteme entstanden. Diese Technik macht es möglich, den Kunststoff DRUCKSPANNUNGSARM in Form zu bringen (so man es versteht u. beherrscht). Die Nadelverschlussanspritzung ermöglicht, dem Formteil in der Schwindungsphase nur mit so viel Nachdruck zu versorgen, wie für den Volumenausgleich notwendig ist und dass mit "fallendem Nachdruck", wodurch das Druckgefälle von Fließwegende in Richtung Anspritzung abschwächt. Damit können innerhalb des Teiles die (unvermeidbaren) Spannungsdifferenzen, die den Verzug beeinflussen, minimiert werden. Wie @1u21 schon erwähnte, sollte dieses mit Innendruck-Regelung/-messung aus der Kavität geschehen.

      Merke: Der Kaltkanal sperrt Druck in der Kavität ein = schlecht, da ohne Überladung nicht gefertigt werden kann und der Heisskanal (verlängert die Warmzone des Spritzzylinders bis ans Teil) MIT NADELVERSCHLUSS(!!) macht es möglich, über den Nachdruckprozess der Maschine während der Schwindung den Verdichtungs-Druck in der plastischen Seele abzubauen. Ziel sollte immer sein: *Nachdruckenergie (Druck/Zeit) nur so wenig wie möglich, aber so viel wie nötig!* Dann geht es dem Formteil gut ;)
    • Hab versucht mich da soweit kurz zu halten und nicht zu tief in das Thema Nachdruck einzusteigen. Da läuft in vielen Betrieben sehr viel falsch und es wird unnötig Geld aus dem Fenster geworfen. Den idealen Nachdruck kann ich erst dann einstellen, wenn ich weiß welchen Fülldruck ich für die Kavität brauche. Dabei verwechseln viele den Fülldruck Kavität mit Fülldruck Gesamtsystem(Anguss+Kavität), weil sich viele mit dem Thema nicht beschäftigen können oder wollen.
    • Und da kommt dann auch dazu, abzuschätzen, welche Druckverluste entstehen.
      Generell kann man amorphe KS ja ewig "Nachdrücken", was dann bei vielen Teilen zu hohen
      Spannungen führt.
      Bei teilkristallinen KS ist ja eh schnell Schluss mit der Nachdruckzeit.

      Ich mache auch eine klassische Siegelpunktermittlung, jedoch nur "begrenzt"
    • 1u21 schrieb:

      Hab versucht mich da soweit kurz zu halten und nicht zu tief in das Thema Nachdruck einzusteigen. Da läuft in vielen Betrieben sehr viel falsch und es wird unnötig Geld aus dem Fenster geworfen. Den idealen Nachdruck kann ich erst dann einstellen, wenn ich weiß welchen Fülldruck ich für die Kavität brauche. Dabei verwechseln viele den Fülldruck Kavität mit Fülldruck Gesamtsystem(Anguss+Kavität), weil sich viele mit dem Thema nicht beschäftigen können oder wollen.
      Guten Morgen,

      wäre Interessant wenn du das mit dem idealen Nachdruck mal genauer erläutern würdest :)

      LG
    • Noch ergänzend:

      Ich hatte auch schon Teile, bei denen der Nachdruck bei 2200 bar eingestellt, wobei nur 600 bar Einspritzdruck benötigt wurden.
      Naja...bei Einfallstellen und kleinen Anschnittquerschnitten konnten wir so gut Teile herstellen, ohne dass das WZ aufgedrückt wurde....
      eben auf Grund des hohen Druckverlustes.
      Über eine Magnetmessuhr konnte ich den Innendruck über Rückberechnung auf ca. 800 bar ermitteln. (2200 bar waren eingestellt... :) )
      Es gibt somit manchmal Abmusterung vorbei an allen "Standardprozessen".

      Grüße
    • Luemmel schrieb:

      Naja...bei Einfallstellen und kleinen Anschnittquerschnitten konnten wir so gut Teile herstellen, ohne dass das WZ aufgedrückt wurde....
      eben auf Grund des hohen Druckverlustes.
      Hat nur den Nachteil, dass der hohe *Druckverlustfaktor* (zwischen Schneckenvorraum und Kavität) sich bei Viskositätsschwankungen in der Kavität als starke *Volumenschwankungen* beim Füllen der Kavität auswirken, und dieses wird in der Regel in der Serien-Produktion über zu hohen Nachdruck kompensiert. Wenn sich die Viskosität dann wieder in Richtung *weniger Fließwiderstand* (leicht fließender) verändert, kippt das Ganze um mit dem Ergebnis *hohe Überladung*. Und seien wir ehrlich: dieses wird erst bemerkt, wenn die Teile Grat haben = Werkzeugtuschierung zerstört :thumbdown:
      Serienfähigkeit des Werkzeugs somit nicht vorhanden. Wichtig, dass die Musterer dabei professionell arbeiten und keine faulen Kompromisse eingehen, die die Serie "ausbaden" muss ...

      Luemmel schrieb:

      Es gibt somit manchmal Abmusterung vorbei an allen "Standardprozessen".
      Sollte verhindert werden, da sonst die Serienproduktion von vornherein im Modus "problematisch" laufen wird!

      Luemmel schrieb:

      Ich hatte auch schon Teile, bei denen der Nachdruck bei 2200 bar eingestellt, wobei nur 600 bar Einspritzdruck benötigt wurden.
      Mehr Energievergeudung geht nicht ;)
    • Fangen wir dann mal an.



      Während des Füllvorgangs liegt ein Druckgefälle vor. Das heißt, dass der Druck von Schneckenspitze in Richtung Fließfront kontinuierlich abnimmt. An der Fließfront liegt ein Druck 1bar vor, wie es auch der Umgebungsdruck ist. Spritze ich mit einem Druck von 1.400bar an der Schneckenspitze an, "verbraucht" das Angusssystem(Kaltkanal, HK mit Unterverteiler, HK) einen Teil diesen Druckes. Der Druck ist in dem Fall nicht wirklich verbraucht, sondern wird durch die innere Reibung der Molekülketten in Wärme umgesetzt beim Fließvorgang. Besonderheit bei den Kunststoffen ist, dass dies nicht linear passiert. Drücke ich doppelt so schnell, geht auch nicht die doppelte Energie in Wärme über, sondern weniger als das Doppelte. Das sollte man nicht übertreiben, da sonst der Kunststoff schon während der Füllphase geschädigt wird oder ein Freistrahl erzeugt wird. Ebenso bringe ich unnötig Kompression in den Kunststoff ein, der nichts bringt außer Energievernichtung.



      Ist die Kavität nun volumetrisch gefüllt, fließt nichts mehr so wirklich. Der Druckbedarf zum Füllen der Entlüftung ist extrem hoch und somit scheinbar dicht. Liegt nun ein Druck von 1.400bar an der Schneckenspitze an, liegt auch ein Druck von 1.400bar am Fließwegende an. Wird für die Kavität nur ein Fülldruck von 700bar benötigt, so wird nun die Belastung für den Kunststoff und das Werkzeug mehr als verdoppelt. Der Druck kann sich nicht direkt entladen und somit bleibt nur die Speicherung in Form der Komprimierung des Kunststoffs über. Ist der Kunststoff flüssig, lässt er sich sehr gut komprimieren. Je kälter er wird, umso mehr Druck wird benötigt.



      Jetzt kommen wir zu den Belastungen und den Folgen für die Artikelqualität. Übe ich einen Nachdruck von 1.400bar aus, belaste ich alle Teile im Werkzeug auch mit diesem Druck. Dabei werden z.B. Auswerfer gestaucht und @Schmidt-WFT hat dies in einem anderen Beitrag sehr gut erläutert. Habe ich dann z.B. noch nichtsymmetrische Einsätze, die von fast allen Seiten mit Kunststoff umgeben sind, kann ein Moment auf diesen Einsatz wirken und schädigen. Kernbruch ist da vorprogrammiert, wenn die auftretenden Spannungen die zulässigen Spannungen überschreiten.



      Verforme ich die Einsätze, spiegelt sich dies auch in der Artikelgeometrie wieder. Richtig hässlich wird es bei PE und PP, die noch nachschwinden. Da wirkt sich eine Überladung noch stärker aus als bei anderen teilkristallinen Kunststoffen, da diese erst dann aufhören, wenn es keine Triebkraft für den Kristallisationsprozess mehr gibt. Je stärker das Material komprimiert wurde, umso höher ist die Triebkraft. Somit bringt es absolut nichts einen hohen Nachdruck bei PE und PP aufzuwenden, da diesen beiden Kunststoffen kein Energieniveau aufgezwungen werden kann. Alle eingefrorenen Spannungen werden über die Zeit abgebaut.



      Wie schon weiter oben erwähnt, sorgt der zu hohe Nachdruck dafür, dass mehr Material in die Kavität strömt. Heißt zum anderen, dass die Teile zu schwer werden. Durch die zusätzliche Masse erhöht sich auch die Zykluszeit unnötigerweise. Ebenso werden Eigenspannungen eingebracht, die z.B. bei PA6 oder PA66 kritisch werden können, wenn diese zyklisch belastet werden. Da sinkt die Lebensdauer dieser Teile unnötig, wenn die mechanische Belastung im Einsatz die vorhandene Spannung erhöht.



      Wie ermittele ich nun den optimalen Nachdruck?



      Im Idealfall gibt es Drucksensoren, die den Druck aufzeichnen. Sitzt er angussnah, ist ein Wert von 80% ein guter Start. Was kann man aber machen, wenn kein Drucksensor vorhanden ist? Dann gibt es die Option das gesamte System in einer Simulation abzubilden mit den Einstellparametern. Aus den Ergebnissen und dem Dreisatz kann man recht genau den notwendigen Fülldruck für die Kavität ermitteln. Mit qualitativ ausreichend modellierten Materialien, gibt es eine Toleranz von ca. 5%, was für den Start ausreicht. Steht einem nicht die Möglichkeit mit einer Simulation zur Verfügung, kann man den Fülldruck auch umgekehrt ermitteln. Das Werkzeug wird aufgefahren und die Kavität wird offen "gefüllt". Dabei spritzt die Maschine mit dem gleichen Füllprofil das Material durch das Angusssystem ins Freie und der Druck wird aufgezeichnet. Vom Gesamtdruck des Füllvorgangs in einem geschlossenen Werkzeug wird nun dieser Druck abgezogen und man hat den Fülldruck für die Kavität. Kann man gut machen, wenn das Werkzeug durch eine Störung stand und das thermisch geschädigte Material aus der Schnecke und dem Angusssystem geholt werden muss.



      Jetzt haben wir einen ersten Ausganspunkt mit dem arbeiten kann. Ziel des Nachdrucks ist es die Schwindung durch die thermische Kontraktion und die Kristallisation soweit auszugleichen, wie es möglich ist. Im Idealfall wird die Kristallisation vollständig ausgeglichen. Nur gegen die thermische Kontraktion kommt man nicht an.



      Im Eingang habe ich erwähnt, dass bei der volumetrisch gefüllt keine Strömung mehr vorhanden ist. Sobald die Kristallisation eintritt, wird in der Kavität wieder Platz geschaffen. Jetzt kann wieder etwas fließen unter der Voraussetzung, dass der Siegelpunkt noch nicht erreicht ist. Bedingt durch die Wärmeleitung bleibt der Kern immer länger flüssig und kann so das Material transportieren. Aus dem Grund sollte die Regeln "Von Dick nach Dünn" eingehalten werden. Ansonsten erhalte ich Vakuolen, die ich nur mit mehr Nachdruck wieder kleiner machen kann, mir aber obige Probleme reinhole.



      Wie wird nun der ideale Nachdruck ermittelt?



      Nehmen wir zum Start ein amorphes Material. Hierbei brauche ich nur die thermische Kontaktion soweit auszugleichen, wie es möglich ist. Ich nehme hier einfach ein PMMA bei dem ein pvT-Diagramm vorhanden ist. Was sagt mir dieses Diagramm aus? Einfach gesagt, sind hier die spezifischen Volumina über die Temperatur und den Druck aufgezeichnet. Je höher der Druck, umso geringer das spezifische Volumen. Der Kehrwert des spezifischen Volumens ist die Dichte.



      Ich drücke mit konstant400bar(40MPa) bei 200°C(nur als einfaches Rechenbeispiel)während der Nachdruckphase. Somit erreicht ich ein spezifisches Volumen von 0,875 m³/kg. Den Druck halte ich bis die Masse eine Temperatur von 100°C erreicht hat und öffne das Werkzeug. Was passiert? Bei 100°C und 400bar, hab ich ein spez. Volumen von 0,838m³/kg. Beim Öffnen des Werkzeugs sinkt der Druck schlagartig auf 1bar ab und dort liegt ein spez. Volumen von 0,851m³/kg vor. Der eingeschlossene Druck kann sich entfalten und bläst das Teil auf. Läuft es schlecht, bin ich außerhalb der Toleranz und darf planlos am Prozess fummeln.



      Fangen wir mal mit konkreten Zahlen an. Dieses Material hat eine Glasübergangstemperatur von 117°C. Oberhalb dieser Temperatur habe ich eine plastische Seele und der Nachdruck kann wirken. Wir brauchen zum Füllen der Kavität einen Druck von 600bar. Bei volumetrisch voll starten wir einen Nachdruck mit 600bar und halten diesen. Das Material kühlt langsam ab, die Randschichten bilden sich und die plastische Seele nimmt ab. Unterhalb von 117°C ist die plastische Seele nicht mehr vorhanden und weiterer Nachdruck bringt nichts mehr. Wie oben beschrieben, wird das Teil bei diesem konstanten Nachdruck aufgeblasen. Wir schauen uns mal an, welches spez. Volumen das Material bei Raumtemperatur und 1bar hat. Der Wert liegt bei 0,8419m³/kg. Jetzt wissen wir, dass wir nicht unter diesen Wert kommen sollten und ziehen eine horizontale Linie durch das Diagramm. Bei ca. 140°C kreuzen wir die Kurve für die 600bar(hab mir die Daten in Excel übertragen und die Kurve für 600bar interpoliert. Damit lässt es sich besser rechnen). Wir wissen nun, dass bei einer Temperatur von 140°C in der plastischen Seele der Nachdruck linear mit der Abkühlgeschwindigkeit fallen muss. Haben wir einen Drucksensor, zeichnet er diesen Kurvenverlauf auf. Sobald die Kurve aus dem linearen Abfall in den nichtlinearen Abfall(kann auch nur ein kurzes Stück sein) übergeht, ist dieser Punkt erreicht. Für die Druckabfallrate muss die Kühlzeit bekannt sein. Den Nachdruck teilt man durch die verbleibende Kühlzeit und weiß, um wie viel bar/s dieser fallen muss.



      Geklärt ist aber immer noch nicht, was der ideale Startpunkt für den Nachdruck ist. Also wieder zurück zum pvT-Diagramm. Wir füllen bei unserem Beispiel mit 600bar und 200°C. Es liegt eine konturnahe Temperierung(damit lässt sich einfacher rechnen) mit einer Temperatur von 70°C vor. Die Kavität braucht 2 Sekunden zum füllen. In diesen 2 Sekunden bildet sich eine ungleichmäßige Randschicht aus. Angussnah ist diese dicker als angussfern. Relevant für den Nachdruck ist die angussnahe Randschicht. Es gibt Gleichungen, mit denen man das Wachstum der Randschicht über die Zeit bestimmen kann, aber wir nehmen hier an, dass die Randschicht mit 0,1mm/s wächst und das Bauteil angussnah eine Wandstärke von 2mm hat. Bis zum Abschluss der Füllphase bildet sich somit eine Randschicht von 0,2mm aus und schrumpft die plastische Seele auf 1,6mm(0,2mm von jeder Seite). Wir haben somit in der Randschicht ein spez. Volumen von näherungsweise 0,835m³/kg, weil hier grade am Füllende sind, unterhalb Glasübergangstemperatur sind und 600bar vorliegen. Dieser Wert liegt aber unterhalb des spez. Volumens für Umgebungsdruck und Raumtemperatur. Somit wird sich diese Randschicht ändern, sobald das Werkzeug geöffnet wird. Wie schon weiter oben erklärt, darf ein spez. Volumen von 0,8419m³/kg nicht unterschritten werden. Deswegen zeichnen wir nun eine senkrechte Linie bei 117°C ein. Diese trifft auf unsere horizontale Linie, die wir vorhin mit Idealwert für das spez. Volumen definiert haben. Als Schnittpunkt ergibt sich hierbei der Punkt, der fast bei 400bar liegt.
    • Somit haben wir den idealen Nachdruck für dieses Material bei den angenommenen Randbedingungen. Der liegt nicht bei ca. 80%, sondern 67%. Dieser Unterschied kommt aus der genutzten konturnahen Temperierung. Die Formeln für die Berechnung der Abkühlung somit Bildung der Randschicht, gehen von einer idealen Werkzeugwandtemperatur aus. Bei einer konturnahen Temperierung liegt diese auch sehr gut angenähert vor, während die konventionelle Temperierung häufig weit weg liegt und es keine nennenswerte dicke Randschicht gibt. Der Stahl wird zügig aufgeheizt und speichert die Wärme für kurze Zeit. Hierfür muss die gespeicherte Energie verglichen werden. Stahl hat eine Dichte von 7.800kg/m³ und PMMA in diesem Fall von 1.120kg/m³. Die Wärmekapazität von Stahl liebt bei 460J/kgK und bei PMMA 2.440J/kgK. Anschaulich wählen wir hierfür eine Plattengeometrie und setzen die Speicherfähigkeit beider Materialien in Relation. Wir multiplizieren somit die Dichte und Wärmekapazität des Stahls und teilen diese durch die Dichte und Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffs. Daraus folgt, dass der Stahl ca. 31% mehr Wärme speichern kann als der Kunststoff, wenn wir hier von der Platte ausgehen und die Länge und Breite sich somit kürzen. Als einfache Annahme kann man hier die Regel wählen, dass die Randschicht nur mit 0,05mm/s wächst während der Füllphase. Somit liegt nach einer Zeit von 2 Sekunden eine Randschicht von 0,1mm vor, die jedoch überhalb der Glasübergangstemperatur liegt. Wir nehmen an, dass sich aus den 70°C des Stahls und den 200°C der Kunststoffs eine Temperatur von 125°C einstellt(hier hilft eine vernünftige Simulation ungemein und dieser Wert ist von mir nur geschätzt!). Somit ergibt sich hier ein neuer Schnittpunkt zwischen der senkrechten und waagerechten Linie von ca. 480bar. Dies macht den Anteil von 80% vom Fülldruck aus.



      Dieser Wert ist stark davon abhängig, welche Werkzeugwandtemperatur vorliegt und somit hat die Temperierung auch einen starken Einfluss auf die Höhe des Nachdrucks.



      Jetzt das gleiche Spiel für teilkristalline Kunststoffe. Ich nehme hier ein PA6, was ebenfalls gut beschrieben ist. Hierbei kürzen wir aber etwas ab, da die Wege die gleichen sind, wie oben.



      Bei Umgebungsdruck und Raumtemperatur liegt ein spez. Volumen von 0,879m³/kg vor. Diesen Wert dürfen wir erneut nicht unterschreiten. Somit ziehen wir hier eine horizontale Linie. Bei einem Fülldruck von 600bar bei 250°C(hier müssen wir über die Schmelztemperatur der Kristalle kommen), ergibt sich ein spez. Volumen von 1,015m³/kg. Da bei teilkristallinen Kunststoffen im Verarbeitungsfenster keine Glasübergangstemperatur vorhanden ist, nehmen wir den Schnittpunkt zwischen der horizontalen Linie und des Drucks bei 600bar als Minimalpunkt(ca. 120°C) an. In machen Simulationsprogrammen wird auch eine Fließgrenztemperatur angenommen und mit diesem Wert kann man auch arbeiten.



      Von da aus wird eine senkrechte Linie bis zum spez. Volumen bei Umgebungsdruck gezeichnet. Bei der Verarbeitungstemperatur wird die gleiche Linie gezeichnet. Da bei teilkristallinen Kunststoffen ein Sprung in der Dichte vorhanden ist, sobald die Kristalle anfangen zu schmelzen, müssen wir nun die lineare Steigung für einen Druck von 1bar ausrechnen bis zum Start des Aufschmelzen der Kristalle. Als Ergebnis folgt für diesen Kunststoff y=0,00654*x+0,84322. Mit dem Lineal kann man auch die lineare Ausdehnung bei 1bar weiterzeichnen bis man bei der senkrechten Linie bei 250°C angekommen ist. Dort ergibt sich ein Druck von ca. 520bar. Das entspricht ca. 86% vom Fülldruck.



      Die lineare Approximation ist zulässig, da man die Schwindung durch den teilkristallinen Prozess überwinden muss. Am Ende wird man immer bei Umgebungsdruck herauskommen und das Bauteil auch hier bei übermäßigem Nachdruck aufblasen.



      Mir ist bewusst, dass das gewählte PA6 ein Material für die Extrusion ist und sich nicht für den Spritzguss eignet. Ich wollte nur aufzeigen, dass das Verfahren allgemein möglich ist und als Grundlage ein pvT-Diagramm benötigt.



      Die Temperierung hat bei teilkristallinen Kunststoffen keinen großen Einfluss auf den Nachdruck.



      Wichtig bei der Einstellung des Nachdrucks, sind die sanften Übergänge zwischen den verschiedenen Höhen und Geschwindigkeiten. Harte Übergänge, wie sie bei vollelektrischen Maschinen möglich sind, sind nicht zielführend. Man bringt eine stoßartige Druckbelastung ein, die sich wie Schallwellen im Bauteil ausbreitet und z.B. zu Grat führen kann. Ein sanfter Übergang begünstigt das kontrollierte Einfrieden und verhindert Qualitätsmängel.



      @Luemmel: Wie @Behrens es schon richtig geschrieben hat, wird eine Schwankung in der Viskosität euren Prozess wieder durcheinanderbringen. Die Viskosität geht dabei Hand in Hand mit der Dichte und Wärmekapazität.

      Ich bin offen für Kritik und Fragen. Dabei können wir alle nur lernen :)
    • Gerne.
      Das Thema beschäftigt mich schon sehr lange und ich habe mir viele Gedanken gemacht, was man aus dem Nachdruck alles lesen kann, wenn er richtig eingestellt wird. Da geht noch viel mehr und mit der richtigen Sensorik im Werkzeug und richtiger automatisierter Datenverarbeitung, ist es möglich viele Dinge auszulesen. Das geht los mit:

      Wie ändert sich die Viskosität? Altes Thema und unter den Anwender der Drucksensor bekannt.
      Hat sich der Durchfluss der Temperierung geändert?
      Setzt sich die Temperierung zu?
      Wie ist der Zustand des Werkzeug? Trennebenen, Brenner, Leckagen im Heißkanal, Planparallelität der Hälften, allgemeiner Verschleiß.
      Wie ist der Zustand der Maschine und der Spritzeinheit?

      Das alles zu erklären, werde ich kurzfristig nicht schaffen und es wird eine Menge Lesestoff. Dafür muss ich auch sehr viele Formeln nutzen, die nur noch den Allerwenigsten verständlich sind. Selbst viele Kunststoffingenieure werden diese nicht verstehen, da ich den Spritzgussprozess mit komplett anderen Augen sehe und diese Sichtweise erst adaptiert werden muss.
      Wenn man es aber geschafft hat, findet man sehr viele neue Lösungen für alte und neue Probleme.