[ 8.Mrz 2010 | |2 Comments ]
Spritzparameter

Molekül-Orientierung beim Einspritzen und Abkühlen

Die regellose und verknäulte Lage der Makromoleküle bei Raumtemperatur bei den gängigen Kunststoffarten, ist den meisten Kunststofffachkräften bekannt. Allerdings  ist bei vielen unklar, wie sich die Lage ändert beim Einspritzen von Kunststoffschmelze  in ein Spritzgusswerkzeug und die Folgen für das Entformungs-, Deformations- und Bruchverhalten.

Beim Füllen des Werkzeuges findet meist eine Molekül-Orientierung statt insbesondere durch Reibungseinflüsse.

Die ungeordnet liegende Moleküle strecken sich und orientieren sich in Fließrichtung aus beim Einspritzvorgang.

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Insbesondere kommt es an der Formwand zu sehr starken Ausrichtungen  der Polymerschmelze. Durch das Erstarren der Schmelze in der Randschicht werden Orientierungen eingefroren beim schnellem Abkühlen, derartige Orientierungen führen zu ungleichmäßigen Schwindungen und ungleichmäßigen Eigenschaften des Formteils.

Die größten Desorientierungen lässt sich beim Spritzen in kalten Werkzeugen feststellen.  Stellen wir uns ein Spritzgussstab vor! In der Randschicht Rand werden die größten Orientierungen in Fließrichtung sein, die jedoch zur Stabmitte hin rasch abnimmt und mittig die normale regellose und verknäulte Lage wieder angenommen hat.

Materialabhängige Orientierung

Orientierungen bilden sich in der Schmelze selber sehr schnell zurück, diesen Vorgang wird  relaxieren genannt und benötigt beim Spritzgießen wenige Sekunden.  Jedoch findet das Abkühlen im Werkzeug sehr schnell statt, dass einige Abschnitte der Orientierung einfrieren. Einfluss auf die Menge der Orientierungen, haben Material, Massetemperatur, Dehn- und Scherströmung, Werkzeugtemperatur, Wanddicke der Spritzlinge und die Einspritzgeschwindigkeit.

Besondere bei Verwendung von teilkristalliner Thermoplaste wird es im Inneres des Formteilquerschnitts  zu einem weiteren Orientierungsmaximum kommen. Der Grund liegt darin, dass teilkristalline Thermoplaste eine sehr starke Volumenkontraktion beim Erstarren/Kristallisationsphase haben, worauf auch der hohen und lange Nachdruckbedarf benötigt wird um hier gegen Halten zu können.

Eine wesentliche geringe Volumenkontraktion haben Amorphe Kunststoffe und benötigen daher normalerweise einen niedrigeren sowie kürzeren Nachdruck. Bei zu langem Nachdruck ist es hier möglich, “unterkühlte” Schmelze durch die Anbindung zu pressen, was zu hohen inneren Spannungen in diesem Bereich führen kann. Ein Nachdrücken bis zum Erreichen des Siegelpunktes kann bei amorphen Kunststoffen erhöhte innere Spannungen und somit Spannungsrissgefahr bedeuten.

Spritzgeschwindigkeits- und Werkzeugtemperaturabhängige Orientierung

Hohe Einspritzgeschwindigkeit bedeutet hohe Zähigkeit und hohe Scherung der Formmasse. Je höher die Scherung bzw. die Füllgeschwindigkeit  ist um so größer ist Orientierung der Fadenmoleküle.

Hohe  Massetemperaturen wirken sich positiv auf das Füllverhalten aus, zum einen verringert sich die Zähigkeit, geringe Zähigkeiten ermöglicht hohe Füllgeschwindigkeit mit geringeren Formteilfehler.

Hohe Massetemperatur in Verbindung mit hoher Werkzeugwandtemperatur kann nach Abschluss des Füllvorganges wieder Rückbildung der Molekülorientierungen bewirken (Relaxation), und damit die negativen Auswirkungen der Orientierungen mindern.

Orientierungen können auch durch langsames Einspritzen verringert werden.

Allerdings ist die bessere Empfehlung laut Spritzguss-Experten, erst die Massetemperatur und Werkzeugwandtemperatur zu erhöhen um hohe Orientierungen zu verringern.

Nachweis von Orientierungen

Orientierung bedeutet Anisotropie der Eigenschaften. In Orientierungsrichtung liegt eine höhere Steifigkeit und Festigkeit, Wärmedehnung und Verarbeitungsschwindung vor.

polarisationsoptikQuelle: skz.de

Mit Hilfe der Polarisationsoptik kann man bei transparenten Werkstoffen die Orientierungen nachweisen, da orientierte Bereiche doppelbrechend sind.  Eine weitere Möglichkeit ist die Messung der Schrumpfung. Hierbei werden die Formteile bei erhöhter Temperatur gelagert, so dass die Orientierungen relaxieren und zu Deforamtionen führen. Deren Größe ist ein Maß für die eingefrorene Orientierungen.



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Der Autor


Herausgeber von Kunststoffreport.de Gelernter Verfahrensmechaniker für Kunststoff- & Kautschuktechnik. Nach seiner Lehre als Verfahrensmechaniker für Kunststoff und Kautschuktechnik startete er neben seiner Arbeit an der Abendschule sein Technisches Abitur, dass er im Februar 2010 erfolgreich beendete. Seit Sommer 2010 studiert er Kunststofftechnik.

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Leserkommentare: 2 Kommentare

  1. Martin sagt:

    Toller Artikel!
    Da ich gerade Kunststofftechnik studiere, bin ich schon lange auf der Suche nach einer vernünftigen Website, die wenn man gerade kein Buch zur Hand hat, mit kompetentes Fachwissen, das dies kurz und sehr verständlich beschreibt.
    Natürlich ersetzt es nicht die Literatur ;) aber dennoch eine gute Adresse wenn man mal kurz das Wissen auffrischen will.
    Großes Lob aus Österreich

  2. Ben sagt:

    Hallo Martin,

    vielen Dank für dein Feedback. Ein gutes Buch kann wirklich keine Webseite, besonders im Studium, ersetzten. Die ganzen Notzien und Markierungen sind viel einfacher gemacht. Ablenken tut es insbesondere in der “heißen” Lernphase so gut wie nicht ;-) .
    Wir wünschen dir noch viel Erfolg im Studium.

    Viele Grüße,
    Ben

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