Wie erfolgt prinzipiell die Auswahl bzw. Zuordnung der
kühlzeitbestimmenden Formteilgeometrien?
Für Spritzgussteile ist eine große Spannweite geometrischer Gestaltungsvielfalt
und -komplexität charakteristisch. Zur Beschreibung der vielen Geometrieelemente
(Formteilpartien) eines Fomteils bietet das Programm eine reiche Auswahl. Für den
Anwender besteht daher die Aufgabe, sein konkretes Formteil in solche Teilpartien
mit hinreichender Genauigkeit aufzuteilen. Die Partie mit der längsten Kühlzeit
ist dann für den Zyklus maßgebend. Diese Vorgehensweise ist mit dem Programm auch
für Anwender mit geringerer Erfahrung schnell und sicher nachvollziehbar. Darüber
hinaus sollten bei erstmaliger Nutzung des Programms die programminternen Hilfen
genutzt werden.
Bei der grafischen Darstellung der Kühlzeit in Abhängigkeit
von der Massetemperatur wurde in Einzelfällen ein Minimum der Kühlzeit bei bestimmten
Massetemperaturen gefunden. Ist dieser Sachverhalt physikalisch korrekt?
Die abzuführende Körperwärme (Enthalpie) zuzüglich Schmelzwärme ist umso größer,
je höher die Massetemperatur ist. Es ist daher eine kontinuierliche Kühlzeitverlängerung
mit steigender Massetemperatur bei sonst gleichbleibenden Bedingungen zu erwarten.
Programmintern wird aber der kühlzeitverlängernde Scherwärmeanteil berücksichtigt.
Dieser Wärmeanteil entsteht hauptsächlich durch Scherströmung in den Formteilrandzonen
bei der volumetrischen Werkzeugfüllung und wird bei höherer Massetemperatur unter
ansonsten konstanten Bedingungen schneller abgeführt.
Diese gegensätzlichen Einflüsse können im Einzelfall zu einem meist sehr flachen
Kühlzeitminimum im praxisüblichen Massetemperaturbereich führen. Die Massetemperatur
des Kühlzeitminimums ist umso größer, je größer die Werkzeugkonturtemperatur, der
Einspritzdruck und das Oberflächen/Volumen-Verhältnis der kühlzeitbestimmenden Formteilkontur
sind.
Wie zuverlässig können die thermodynamischen Formmassedaten
bei beliebiger Kombination von Polymeren und Zusatzstoffen programmintern berechnet
werden?
Der Schmelzzustand wird als maßgebend für die Kühlzeitberechnung angesehen. Für
die Basisdaten spez. Volumen, spez. Wärmekapazität und Schmelzwärme existieren physikalisch
exakt definierte Additionsregeln. Zur Berechnung der Wärmeleitzahl werden in der
Fachliteratur viele Modelle unterschiedlicher Komplexität und Kompliziertheit angeboten.
Das programmintern ausgewählte Berechnungsmodell (nicht das Maxwellmodell) wurde
mit Messergebnissen erfolgreich korreliert. Eine merkliche Fehlermarige kann insbesondere
bei kristallinen Zusatzstoffen mit stark richtungsabhängigen Stoffeigenschaften
auftreten. Insgesamt werden bezogen auf den Kühlzeitrechenwert maximal Abweichungen
von ± 10 % erwartet.
Nach welchen Gesichtspunkten wird programmintern die
Entformungstemperatur festgelegt?
Die Entformungstemperatur gehört zu den Parametern mit großem Einfluss auf die Kühlzeit.
Je nach Erfordernis beschreibt sie ein mittleres Temperaturniveau des Spritzlings
oder seine Maximaltemperatur in Querschnittsmitte. Diese Erfordernisse sind für
Anguss und Formteil unterschiedlich geregelt. Die formmassespezifischen Bezugstemperaturen
(Glastemperatur, Schmelztemperatur, Fließtemperatur) werden in 3 unterschiedlichen
Formmassegruppen erfasst. Für das Formteil werden die Entformungstemperaturen in
5-facher Abstufung differenziert. Die Zuordnung erfolgt bei Berücksichtigung der
Temperierbedingungen (Zusatzkühlung), der geforderten Fertigungsgenauigkeit, der
Querschnittsdicke, der Formstoffsteifigkeit bzw. – härte, der Entformungsbedingungen
und des Auftretens von Einfallstellen. Für die Angusskühlung ist nur eine 3-stufige
Zuordnung nach den Entformungsbedigungen und für teilkristalline Polymere zusätzlich
nach der Querschnittsdicke vorgesehen. Aus den Erläuterungen ist erkennbar, dass
die Entformungstemperatur kein einfach angebbarer Kennwert ist. Mit der Abfrage
eines Festwertes wären viele Anwender überfordert.
Ist für die Einstufung der relativen Fließfähigkeit von
Thermoplastschmelzen eine polymertypunabhängige Quantifizierung möglich?
Thermoplastschmelzen sind strukturviskose und viskoelastische Medien, deren Viskosität
(oder Fluidität) neben der Temperatur von der Größe der mechanischen Beanspruchung
der Schmelze durch Scherung und Dehnung abhängt. Eine umfassende Beschreibung des
Fließverhaltens ist nur durch aufwendige Fließkurven bzw. Viskositätsfunktionen
möglich. Zur vereinfachten Charakterisierung des Fließverhaltens werden rheologische
Einpunktdaten der Schmelze erstellt, die derzeitig meist als Volumenfließrate (MVR)
oder Massefließrate (MFR) nach ISO 1133 gemessen werden. Für jeden Polymertyp sind
unterschiedliche Prüfbedingungen vorgeschrieben, so dass ein genereller Vergleich
zwischen unterschiedlichen Polymeren nicht möglich ist. Die Formmassehersteller
geben aber innerhalb des jeweiligen Typsortiments eine Bewertung des Fließverhaltens
an (z. B. leichtfließend, normalfließend, schwerfließend), so dass der Programmanwender
ausreichend informiert ist.
Gibt es zur Programmhilfe zusätzliche Hinweise für die
Einschätzung des Fließwiderstandes der Werkzeugkonturen?
Die Werkzeugkonturen werden von der Düse (Anguss) bzw. vom Anschnitt (Formteil)
durch eine laminare Quellströmung gefüllt, sofern die Schmelze nicht vor Beendigung
der Werkzeugfüllung erstarrt. Bei vorgegebener Fließfähigkeit (Viskosität) der Schmelze
wird durch Erhöhung der Massetemperatur und / oder des Spritzdruckes die effektivste
Fließwegverlängerung bzw. Verkürzung der Füllzeit erreicht. Schmelzeumlenkungen
beeinflussen nur unwesentlich den Fließwiderstand. Durch Erhöhung der Werkzeugkonturtemperatur
wird wegen der Wärmeisolierung der erstarrenden Randschichten der Fließwiderstand
nur unwesentlich reduziert, aber die Kühlzeit deutlich erhöht. Eine Vergrößerung
der Fließquerschnitte (z. B. durch Wanddickenerhöhung) verringert überproportional
den Fließwiderstand. Bezüglich des Wanddickeneinflusses auf den Fließwiderstand
flächiger Formkonturen soll folgende Wanddickenzuordnung als Orientierung dienen:
- unter 1 mm = sehr dünnwandig
- 1 bis 2 mm = dünnwandig
- über 2 bis 4 mm = normalwandig
- über 4 mm = dickwandig
Bei Wanddicken unter 0,5 mm ist selbst bei kleinen Fließweglängen eine zuverlässige
Werkzeugfüllung nicht immer garantiert.
Sind für die Auswahl von Masse- und Werkzeugkonturtemperatur
weitergehende Präzisierungen möglich?
- Die programminternen Orientierungsbereiche repräsentieren die meist üblichen Temperaturbereiche
der Praxis.
- Die Massetemperaturbereiche werden nach thermischer Stabilität der Schmelze und
fließtechnischen Gegebenheiten der Werkzeugfüllung sowie nach der davon abhängigen
Formteilqualität (Oberflächenglanz, Bindenahtqualität) bestimmt. Bei Festlegung
der Massetemperaturen innerhalb der vorgegebenen Bereiche wird die Kühlzeit relativ
wenig beeinflusst.
- Die Werkzeugkonturtemperatur beeinflusst hingegen entscheidend die Kühlzeit. Geringe
Kühlzeit (hohe Produktivität) erfordert niedrige Konturtemperaturen, besondere Formteilqualität
entsprechend hohe Temperaturen. Die Wahl der „richtigen“ Konturtemperatur ist immer
ein Kompromiss, der bezüglich der Formteilqualität u. U. erst durch Produktionsversuche
entschieden werden kann. Die praktische Erfahrung des Anwenders ist dabei sehr wichtig.
Anderenfalls müssen durch Eingabevariationen die möglichen Kühlzeitabweichungen
getestet werden, wobei der jeweilige Zweck der Zykluszeitberechnung (z. B. Kostenvorkalkulation,
Maschinenbelegung, Maschineneinstellung) entsprechende Schlussfolgerungen ermöglicht.
- Eine weitergehende Präzisierung der Temperaturen ist durch Kommunikation mit Erfahrungsträgern
(z. B. Formteilhersteller, Formmassehersteller) möglich.
- Befürworter der Impulskühlung geben u. a. häufig den Vorteil einer starken Kühlzeitreduzierung
an. Tatsächlich ist diese Behauptung weder theoretisch noch praktisch bewiesen,
sofern man nachprüfbare Untersuchungen auswertet.
Kann für die Glanzbewertung glatter Formteilsichtflächen
eine quantifizierbare Stufenskala angegeben werden?
Aus Design- und Funktionsforderungen an die Formteiloberflächenqualität (Glätte,
Glanz) sowie an deren Herstellbarkeit (Entformung, Nachbehandlung, Belagbildung)
lassen sich entsprechende Qualitäten der Werkzeugkonturflächen ableiten. Deren Abstufung
erfolgt nachstehend mit dem
arithmetischen Mittenrauwert Ra nach DIN EN ISO
4287:
- Technisch rauh (ohne Feinbearbeitung): Ra ≥ 3 µm
- Glatt (mit Feinbearbeitung. z. B. Schleifen): Ra = 0,8 bis 1,6 µm
- Glänzend (Grobpolitur): Ra = 0,2 bis 0,4 µm
- Hochglänzend (Feinpolitur ): Ra = 0,05 bis 0,10 µm
- Spiegelnd (optische Feinstpolitur): Ra = 0,012 bis 0,025 µm
Bei der Entscheidung zur Oberflächenqualität ist zu berücksichtigen, dass mit zunehmender
Poliergüte die Kosten für Fertigung und Wartung der Werkzeuge deutlich ansteigen,
während die Abbildungsgenauigkeit auf der Formteiloberfläche abnimmt. Kunststofftyp
und Verarbeitungsbedingungen können ebenfalls die Abbildungsreproduzierbarkeit erheblich
beeinflussen. Insbesondere die optische Sonderqualität (spiegelnde Oberfläche) sollte
daher nur für transparente Kunststoffe bei speziellen Anforderungen (z. B. Linsen,
Skalen, CD) vorgesehen werden.
Kann die Gefahr der Spannungsrissbildung bei thermoplastischen
Kunststoffen zwecks besserer Einschätzung näher charakterisiert werden?
Bei allen thermoplastischen Kunststoffen treten nach gleichzeitiger Einwirkung spezieller
Medien und entsprechend großer Zugspannungen bzw. Dehnungen Spannungsrisse (Mikro-
bis Makrorisse) auf. Dieser zeitabhängige physikalische Vorgang erfordert Medien
mit besonderer Wechselwirkung zum jeweiligen Kunststoff (Benetzbarkeit, Diffusion,
Löslichkeit) und einen kritischen Zugspannungs- bzw. Dehnungszustand.
Amorphe Thermoplaste größerer Steifigkeit bzw. Härte sind besonders gefährdet, da
deren kritische Rissbildungsdehnung je nach Medieneinfluss erheblich unter 1 % liegen
kann. Polystyrol ist hierfür ein Extrembeispiel, da bei Dehnungen unter 0,3 % bereits
bei Lufteinwirkung Mikrorissbildung („Silberschimmer“) möglich ist. Beim Spritzgießprozess
dieser Kunststoffe sind möglichst geringe Eigenspannungen (z. B. durch höhere Werkzeugkonturtemperaturen)
anzustreben, da bereits ohne zusätzliche Zugbeanspruchungen nach der Entformung
Rissbildung möglich ist.
Welche Medien besonders spannungsrissgefährlich für den jeweiligen Kunststoff sind,
muss von Erfahrungsträgern (Formmassehersteller, Formteilentwickler, Fachliteratur)
erkundet werden.
Welche Bedingungen sind beim Spritzgießen optisch aktiver
Formteile (z. B. Linsen) besonders zu beachten?
Formteile für optische Anwendungen erfordern sehr geringe Eigenspannungen (Dichtekonstanz)
und langzeitige Nachdruckwirkungen zur Vermeidung von Einfallstellen bei relativ
dickwandigen Teilen. Beide Bedingungen werden u. a. durch hohe Werkzeugkonturtemperaturen
erfüllt. Für diesen Zweck wird im Programm eine besondere Orientierung für
hohe Konturtemperaturen vorgegeben, die nur wenig unterhalb der Glastemperaturen
transparenter Thermoplaste liegt.
Als Geometrieelement für Linsen u. ä. ist die „Platte“ oder „Schale“ zu wählen,
wobei aus den Verläufen der Krümmungsradien mittlere Wanddicken (s) abzuschätzen
sind.