Interne spanningen begrijpen: Oorzaken en preventiemethoden

1. Te opwekking van interne stress

Bij spuitgegoten producten varieert de spanningstoestand plaatselijk en hangt de mate van vervorming van het product af van de spanningsverdeling. Deze spanningen kunnen optreden wanneer het product tijdens het afkoelen een temperatuurgradiënt heeft en worden daarom "vervormingsspanning" genoemd.

Er zijn twee soorten interne spanning in spuitgegoten producten: vormspanning en temperatuurspanning.

Wanneer het gesmolten kunststofmateriaal in een matrijs met een lagere temperatuur wordt geïnjecteerd, stolt het kunststofmateriaal nabij de holtewand snel, waardoor de moleculaire ketens "bevriezen". Dit resulteert in een slechte warmtegeleiding en een grote temperatuurgradiënt in de dikte van het product. De kern van het product stolt langzamer, waardoor de poort gesloten wordt voordat de smelt in het midden van het product gestold is. Hierdoor kan de spuitgietmachine de koelkrimp niet aanvullen.

Hierdoor wordt de binnenkant van het product statisch uitgerekt, terwijl de oppervlaktelaag statisch wordt samengedrukt. De interne krimp van het product is tegengesteld aan die van de harde huidlaag.

Tijdens het vulproces wordt de spanning niet alleen veroorzaakt door het volumekrimpeffect, maar ook door het expansie-effect van de runner en de poortuitlaat. De spanning veroorzaakt door het volumekrimpeffect is gerelateerd aan de stroomrichting van de gesmolten kunststof, terwijl de spanning veroorzaakt door het expansie-effect loodrecht op de stroomrichting staat, als gevolg van de expansie bij de uitlaat.

2. Procesfactoren die stress beïnvloeden

(1) Effect van richtingsspanning

Bij snelle afkoeling kunnen door oriëntatie interne spanningen ontstaan in het polymeermateriaal. De hoge viscositeit van de polymeermelt betekent dat de interne spanning niet snel kan ontspannen, wat de fysische eigenschappen en de dimensionale stabiliteit van het product beïnvloedt.

Effecten van parameters op oriëntatiestress:

• Smelttemperatuur:

Een hoge smelttemperatuur leidt tot een lage viscositeit en verminderde schuifspanning, waardoor de oriëntatie afneemt. De hoge temperatuur versnelt echter ook de spanningsrelaxatie en versterkt het vrijkomen van de oriëntatie. Als de druk van de spuitgietmachine niet wordt aangepast, zal de holtedruk toenemen, wat leidt tot een sterker afschuifeffect en een verhoogde oriëntatiespanning.

• Wachttijd voor het sluiten van de verstuiver:

Als de wachttijd voordat de spuitmond wordt gesloten wordt verlengd, neemt de oriëntatiespanning toe.

• Injectie en houddruk:

Het verhogen van de injectie- of houddruk verhoogt de oriëntatiespanning.

• Schimmeltemperatuur:

Een hoge matrijstemperatuur zorgt ervoor dat het product langzaam afkoelt, wat een desoriënterende rol speelt.

• Dikte van het product:

Het product dikker maken vermindert de oriëntatiespanning omdat dikwandige producten langzaam afkoelen, wat leidt tot een langzame toename van de viscositeit en een lang spanningsrelaxatieproces, wat resulteert in een kleine oriëntatiespanning.

(2) Invloed op temperatuurstress

Zoals eerder vermeld resulteert de grote temperatuurgradiënt tussen de smelt en de matrijswand tijdens het vullen van de matrijs in drukspanning (krimpspanning) in de buitenste laag en trekspanning (oriëntatiespanning) in de binnenste laag.

Als de matrijs gedurende langere tijd wordt gevuld onder invloed van de houddruk, wordt de polymeermelt opnieuw in de holte gevuld, waardoor de holtedruk toeneemt en de interne spanning als gevolg van ongelijke temperatuur verandert. Als de wachttijd echter kort is en de holtedruk laag, behoudt het product zijn oorspronkelijke spanningstoestand tijdens het afkoelen.

Als de holtedruk in het beginstadium van het afkoelen van het product onvoldoende is, zal de buitenste laag van het product een holte vormen als gevolg van stollingskrimp. Als de holtedruk onvoldoende is in de latere stadia wanneer het product een koude harde laag heeft gevormd, kan de binnenste laag van het product zich scheiden door krimp of een holte vormen.

Het handhaven van de holtedruk voordat de gate gesloten wordt, helpt om de dichtheid van het product te verhogen en de spanning bij afkoeltemperatuur te elimineren, maar het veroorzaakt ook een hoge spanningsconcentratie in de buurt van de gate.

Daarom helpen bij het gieten van thermoplastische polymeren een hogere druk in de matrijs en een langere wachttijd de krimpspanning door temperatuur te verminderen en de drukspanning te verhogen.

3. Relatie tussen interne spanning en products kwaliteit

De aanwezigheid van interne spanning in een product kan de mechanische eigenschappen en bruikbaarheid ervan aanzienlijk beïnvloeden. De ongelijkmatige verdeling van inwendige spanning kan leiden tot scheuren in het product tijdens het gebruik.

Bij gebruik onder de glasovergangstemperatuur kan het product onregelmatig vervormen of kromtrekken en kan het oppervlak "witter" of troebel worden met verminderde optische eigenschappen.

Het verlagen van de temperatuur bij de gate en het verhogen van de langzame afkoeltijd kan helpen om de ongelijkmatige spanning in het product te verbeteren en de mechanische eigenschappen uniformer te maken.

Zowel kristallijne als amorfe polymeren vertonen een anisotrope treksterkte. De treksterkte van amorfe polymeren varieert afhankelijk van de plaats van de gate. Als de gate op één lijn ligt met de vulrichting, neemt de treksterkte af als de smelttemperatuur toeneemt. Als de gate loodrecht op de vulrichting staat, neemt de treksterkte toe bij toenemende smelttemperatuur.

Een verhoging van de smelttemperatuur versterkt het deoriëntatie-effect en vermindert het oriëntatie-effect, waardoor de treksterkte afneemt. De oriëntatie van de poort kan de oriëntatie beïnvloeden door de vloeirichting te beïnvloeden.

Amorfe polymeren hebben een hogere treksterkte in de richting loodrecht op de vloeirichting dan kristallijne polymeren, door hun sterkere anisotropie. Injectie bij lage temperatuur heeft een grotere mechanische anisotropie dan injectie bij hoge temperatuur, waarbij de intensiteitsverhouding van de verticale richting ten opzichte van de vloeirichting 2 is bij lage injectietemperatuur en 1,7 bij hoge injectietemperatuur.

Concluderend, het verhogen van de smelttemperatuur verlaagt de treksterkte voor zowel kristallijne als amorfe polymeren, maar het mechanisme verschilt, waarbij de laatste het gevolg is van een vermindering in oriëntatie.