Auswahl und Einstellung der Spritzgussverfahrensparameter - Temperatursteuerung
Im Spritzgussprozess müssen Temperaturen wie Zylindertemperatur, Düsentemperatur und Formtemperatur gesteuert werden. Die ersten beiden Temperaturen beeinflussen hauptsächlich die Plastifizierung und das Fließverhalten des Kunststoffs, während die letzte hauptsächlich das Fließen und Abkühlen des Kunststoffs beeinflusst. Vor Beginn des Spritzgussvorgangs muss sichergestellt werden, dass das Material, der Trocknungsbehälter, die Form und das Hydrauliköl eine geeignete Temperatur aufweisen.
Jeder Kunststoff hat eine andere Fließtemperatur. Auch bei demselben Kunststoff können sich die Fließtemperatur und Zersetzungstemperatur je nach Herkunft oder Typ unterscheiden, was auf unterschiedliche mittlere Molekulargewichte und Molekulargewichtsverteilungen zurückzuführen ist. Da der Plastifizierungsprozess von Kunststoffen in verschiedenen Arten von Spritzgussmaschinen unterschiedlich verläuft, variiert die Zylindertemperatur ebenfalls.
Die Temperatur des Kunststoffs wird durch den Zylinder gesteuert, daher hängt die Zylindertemperatur direkt von der Plastifizierungsqualität des Kunststoffs ab. Bei der Auswahl der Zylindertemperatur geht es hauptsächlich darum, sicherzustellen, dass der Kunststoff gut plastifiziert wird, um problemlos injiziert werden kann, ohne dass eine lokale Zersetzung des Kunststoffs auftritt. Zunächst hängt die Zylindertemperatur von den Eigenschaften des Kunststoffs ab: In der Regel muss der Kunststoff auf eine Temperatur oberhalb seiner Schmelztemperatur Tf (oder Schmelzpunkt Tm) erhitzt werden, um fließen und injiziert werden zu können. Daher sollte die höchste Temperatur am Ende des Zylinders höher als Tf oder Tm, aber niedriger als die Zersetzungstemperatur Td des Kunststoffs sein.
Für wärmeempfindliche Kunststoffe mit einem engen Temperaturbereich zwischen Tf und Td, sowie für Kunststoffe mit niedrigem Molekulargewicht und breiter Molekulargewichtsverteilung, sollte die Zylindertemperatur niedriger gewählt werden, und zwar etwas höher als Tf. Für Kunststoffe mit einem weiten Temperaturbereich zwischen Tf und Td sowie höherem Molekulargewicht kann die Temperatur dagegen höher eingestellt werden, um die Vorteile einer niedrigen Viskosität optimal zu nutzen. Bei der Festlegung der Zylindertemperatur muss auch die Verweildauer des Kunststoffs im Heizzylinder berücksichtigt werden – dies ist besonders wichtig für wärmeempfindliche Kunststoffe wie Polyoxymethylen (POM). Daher muss in der Produktion neben der strikten Kontrolle der höchsten Zylindertemperatur auch die Verweildauer des Kunststoffs im Zylinder (d. h. der Einfluss des Produktionszyklus auf die Materialtemperatur) gesteuert werden.
Bei der Bestimmung der Zylindertemperatur müssen auch die Struktureigenschaften des Produkts und der Form berücksichtigt werden. Bei der Herstellung von dünnwandigen Produkten ist der Strömungswiderstand des Kunststoffs groß, und er kühlt leicht ab, verliert so seine Fließfähigkeit – daher sollte eine höhere Zylindertemperatur gewählt werden. Bei dickwandigen Produkten hingegen ist der Strömungswiderstand gering; aufgrund der längeren Abkühlzeit der dickwandigen Produkte wird der Spritzgusszyklus verlängert, und der Kunststoff wird im Zylinder länger erhitzt – folglich sollte eine niedrigere Materialtemperatur gewählt werden. Für Produkte mit komplexer Form oder mit Einsätzen, bei denen der Schmelzflussweg lang und gewunden ist, sollte ebenfalls eine höhere Zylindertemperatur gewählt werden.
Die Temperatursteuerung unterscheidet sich auch bei Kunststoffen mit unterschiedlichen Eigenschaften. Bei ABS und PC, beispielsweise, wirkt sich die Temperatur nur wenig auf die Viskosität von ABS aus. Wenn ABS also seine Verformungs- und Fließtemperatur erreicht hat, bringt eine weitere Erhöhung der Zylindertemperatur keine Verbesserung bei der Formausfüllung durch Reduktion der Viskosität. Insbesondere bei der Herstellung von farbigen ABS-Produkten ist dies sogar schädlich: Farbpigmente sind meist organisch und instabil bei hohen Temperaturen, was zu Farbverblassung und ungleichmäßigen Farbflecken führt. Anders als bei ABS sinkt die Viskosität von PC bereits deutlich bei einer leichten Temperaturerhöhung. Laut Literatur kann der Spritzdruck um die Hälfte reduziert werden, wenn die Zylindertemperatur im Verarbeitungsbereich um 10~20°C erhöht wird. Umgekehrt verdoppelt sich der Spritzdruck, wenn die Temperatur 10~20°C unter der normalen Verarbeitungstemperatur liegt. Dieser Effekt ist besonders ausgeprägt, wenn die Düsen- und Formtemperaturen niedrig sind. Daher muss bei der Produktion von PC-Produkten sichergestellt werden, dass die Material- und Formtemperaturen ausreichend hoch sind.
Um festzustellen, ob die Materialtemperatur geeignet ist, kann ein Leer-Spritzversuch bei niedrigem Druck und niedriger Geschwindigkeit durchgeführt werden. Eine geeignete Materialtemperatur zeichnet sich dadurch aus, dass der gespritzte Kunststoff kräftig, blasenfrei, nicht gewellt, glatt und kontinuierlich austritt.
Wenn die Schmelze durch die Düse strömt, entsteht aufgrund der hohen Scherrate eine beträchtliche Temperaturerhöhung. Um ein Auslaufen der geschmolzenen Kunststoffmasse zu verhindern, sollte die Düsentemperatur in der Regel etwas niedriger als die höchste Zylindertemperatur eingestellt werden. Bei Verwendung einer verlängerten Spritzdüse sollten passende Heizringe eingesetzt oder die Temperatur höher eingestellt werden, um eine Verstopfung durch Kaltlumpen zu verhindern.
Die Düsentemperatur darf aber auch nicht zu niedrig sein – in der Regel reicht eine Temperatur, die 5~10°C niedriger als die höchste Zylindertemperatur ist. Andernfalls erhöht sich der Spritzdruck oder die Masse iziert zu früh, was die Produktqualität beeinträchtigt.
Die Schmelzetemperatur ist die Temperatur der aufgeschmolzenen Masse, wenn der Spritzvorgang nach Abschluss der Plastifizierung und entsprechend dem Produktionszyklus beginnt. Sie ist die tatsächliche Temperatur, die der Kunststoff während der Plastifizierung erreicht. Die Einstellung der Zylindertemperatur hängt von der Schmelzetemperatur, der Schneckendrehzahl, dem Rückdruck, dem Spritzvolumen und dem Spritzgusszyklus ab. Die Schmelzetemperatur kann an der Düse gemessen oder mithilfe des Luftspritzverfahrens bestimmt werden. Die Zylindertemperatur dient nur als Richtwert. Wenn keine Erfahrung mit der Verarbeitung eines bestimmten Kunststofftyps vorliegt, sollte die Zylindertemperatur von der niedrigsten Einstellung ausgehen.
Die Formtemperatur beeinflusst direkt die Formausfüllung der Schmelze und das Abkühlen des Produkts und ist einer der wichtigsten Faktoren, die den Formzyklus und die Produktqualität bestimmen. Die Auswahl der Formtemperatur hängt von den Materialeigenschaften, der Größe und Form des Produkts sowie der Formstruktur ab.
Bei amorphen Kunststoffen beeinflusst die Formtemperatur hauptsächlich die Schmelzeviskosität (Fließfähigkeit). Bei Kunststoffen mit niedriger Schmelzeviskosität (z. B. PS) kann eine niedrigere Formtemperatur gewählt werden, um die Produktionseffizienz zu steigern. Bei Kunststoffen mit hoher Schmelzeviskosität (z. B. PC) hingegen sollte eine höhere Formtemperatur eingesetzt werden, um die Formausfüllung zu gewährleisten.
Bei kristallinen Kunststoffen führt eine hohe Formtemperatur zu einer längeren Abkühlzeit, einer höheren Kristallinität, einer größeren Härte und Festigkeit des Produkts, aber auch zu einer höheren Schrumpfung. Bei niedriger Formtemperatur hingegen ist die Abkühlzeit kürzer, die Kristallinität niedriger, und das Produkt ist weicher mit besserer Biegsamkeit.
Für Produkte mit hohen Anforderungen an die Maßgenauigkeit sollte eine niedrigere Formtemperatur gewählt werden, um die Schrumpfung zu kontrollieren. Für Produkte mit hohen Anforderungen an den Oberflächenglanz oder für dünne, komplexe Produkte sollte eine höhere Formtemperatur eingesetzt werden, um eine gute Formausfüllung zu gewährleisten. Für dickwandige Produkte ist eine höhere Formtemperatur ratsam: Bei zu niedriger Formtemperatur besteht aufgrund der großen Temperaturdifferenz zwischen innerer und äußerer Schicht des Produkts das Risiko von Eindrücken, Hohlräumen und hohen inneren Spannungen.
Die Öltemperatur bezieht sich auf die Temperatur des Hydrauliköls im Hydrauliksystem der Spritzgussmaschine. Eigentlich handelt es sich hier um ein Problem des Hydrauliksystems der Maschine: Hohe Öltemperaturen beeinträchtigen die Viskosität des Öls, führen zur Bildung von Blasen im System, erhöhen die Leckage und verursachen Schwankungen von Druck und Durchfluss im System. Diese Schwankungen wirken sich auf den Spritzdruck und die Spritzgeschwindigkeit aus, führen zu Pulsationen im Spritzvorgang und destabilisieren ihn – letztendlich beeinträchtigen sie die Formqualität des Produkts. Daher sollte bei der Einstellung des Spritzverfahrens die Änderung der Öltemperatur beachtet werden. Durch Regulierung der Kühlwassermenge im Hydraulikölkühler kann die Öltemperatur gesteuert werden. Für Spritzgussmaschinen mit Volumenhydraulik sollte die Öltemperatur im Bereich von 5~55°C gehalten werden.
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