Kunststoff-Spritzguss

Was passiert

Eine Spritzgießmaschine mit vertikaler Schließeinheit spritzt ABS in das Spritzgießwerkzeug eines Lineals von 300 mm Länge, 30 mm Breite und 2 mm Dicke – durch einen konischen Stangenanguss, einen Verteilerkanal und einen seitlichen Anschnitt von 1,2 mm Dicke, der an der Längskante des Lineals sitzt: in ihrer Mitte, bei einem Drittel ihrer Länge oder an ihrem Ende. Die Kanäle sind als Netz von Zellen abgebildet: Jede lässt eine schleichende Strömung entsprechend ihrem hydraulischen Leitwert durch – in den flachen Zellen als Hele-Shaw-Strömung, in den runden Kanälen als Poiseuille-Strömung –, mit der Viskosität des heißen Kerns, 180 Pa·s bei 240 °C. Sobald die Schmelze den Stahl berührt, kühlt jede Zelle durch Wärmeleitung quer zu ihrer Dicke ab, und was unter die Einfriertemperatur von 120 °C abkühlt, bildet eine eingefrorene Randschicht, die den Kanal verengt. Die Schnecke fährt mit der eingestellten Geschwindigkeit vor, soweit es ihre Druckgrenze zulässt; ist die Kavität gefüllt, hält die Maschine 4 s lang den Nachdruck, dann kühlt das Formteil ab und wird ausgeworfen.

Bei einer Einspritzgeschwindigkeit von 30 mm/s und dem Anschnitt bei einem Drittel rücken beide Fließfronten gemeinsam vor, bis der 100 mm lange Zweig nach 1,22 s gefüllt ist; danach nimmt der 200 mm lange Zweig den gesamten Strom auf, und der Druck am Ende der Füllung beträgt 79,7 MPa, gegenüber 39,0 MPa ohne Randschicht. Mit dem Anschnitt in der Mitte füllen sich beide Hälften gleichzeitig, und der Druck erreicht 53,7 MPa. Über der Einspritzgeschwindigkeit aufgetragen, verläuft der Druck U-förmig: 67,5 MPa bei 25 mm/s, 53,4 MPa bei 35 mm/s, 87,8 MPa bei 80 mm/s. Der Anschnitt friert 1,81 s nach dem Durchtritt der Schmelze zu, daher lässt sich das Lineal unter 20,3 mm/s nicht füllen: Bei 20 mm/s bleibt die Füllung bei 95,3 % stehen. Mit dem Anschnitt am Ende und 40 MPa Druckgrenze friert der Anschnitt zu, wenn das Lineal erst zu 90,6 % gefüllt ist; mit dem Anschnitt bei einem Drittel und 30 MPa bleiben 4,7 % ungefüllt. Ein 20 °C kaltes Werkzeug lässt den Anschnitt schon nach 1,50 s zufrieren, und mit dem Anschnitt am Ende und 80 MPa endet die Füllung bei 98,2 %. Mit 60 MPa Nachdruck bis zum Zufrieren des Anschnitts wiegt das in der Mitte angespritzte Lineal 18,48 g und der ganze Schuss 24,48 g; nach 5 s Kühlzeit hat sein heißester Kern 76 °C, nach 2 s noch 105 °C – zu weich zum Auswerfen –, und erkaltet misst es 297,78 mm.

Modell: eine newtonsche Schmelze, deren Kern die Schmelzetemperatur behält; die Randschicht wächst wie in ruhender Schmelze (exakte Wärmeleitung in einer Platte, die runden Kanäle als Platten von der Dicke ihres Durchmessers gerechnet), daher neigt das Modell zu verfrühtem Einfrieren, und eine Füllung bleibt erst stehen, wenn sich hinter ihrer Fließfront ein Kanal schließt. Solange die Schmelze fließt, ist sie inkompressibel; der Nachdruck füllt jede offene Zelle bis zur Dichte ρ(T)·(1 + p/K) auf, K = 1,7 GPa, und die Schwindung nach dem Zufrieren des Anschnitts wird als isotrop angegeben. RK4 mit Schritten von 1 ms; die Arbeit der Schnecke ist gleich der viskosen Dissipation plus der Nachdruckarbeit, und die Zellen enthalten genau die Masse, die die Schnecke eingespritzt hat.

Zum Ausprobieren

Beobachten Sie, wie die beiden Fließfronten vom Anschnitt aus vorrücken und der Druck steigt, während die Randschicht wächst; verlegen Sie dann den Anschnitt ans Ende, senken Sie die Druckgrenze oder verlangsamen Sie die Schnecke, bis der Anschnitt zufriert, bevor das Lineal gefüllt ist.