Een boosdoener bij krimp- en vervormingsproblemen

Restspanning is procesgeïnduceerde stress, bevroren in gegoten plastic onderdelen. Het kan zowel stromingsgeïnduceerd als thermisch geïnduceerd zijn. Residuele spanningen beïnvloeden een onderdeel op dezelfde manier als extern toegepaste spanningen. Als ze sterk genoeg zijn om de structurele integriteit van het onderdeel te overwinnen, zal het onderdeel kromtrekken bij het uitwerpen of later barsten wanneer er een externe bedrijfsbelasting wordt toegepast. Restspanningen zijn de belangrijkste oorzaak van krimp en vervorming. De procesomstandigheden en ontwerpelementen die de schuifspanning tijdens het vullen van de holte verminderen, helpen de door de stroming veroorzaakte restspanning te verminderen. Evenzo zullen procescondities en ontwerpelementen die voldoende pakking en uniforme schimmel koeling zal de thermisch geïnduceerde restspanning verminderen. Voor vezelgevulde materialen zullen procescondities die uniforme mechanische eigenschappen bevorderen, de thermisch geïnduceerde restspanning verminderen. restspanning.

Door stroming veroorzaakte restspanning

Ongespannen polymeermoleculen met lange ketens hebben de neiging zich te conformeren aan een evenwichtstoestand met willekeurige rollen bij temperaturen hoger dan de smelttemperatuur (d.w.z. in gesmolten toestand). Tijdens de verwerking oriënteren de moleculen zich in de vloeirichting als het polymeer wordt afgeschoven en uitgerekt. Als stolling optreedt voordat de polymeermoleculen volledig ontspannen zijn tot hun evenwichtstoestand, zit de moleculaire oriëntatie vast binnen de voorgevormd plastic onderdeel. Dit type bevroren gespannen toestand wordt vaak vloei-geïnduceerde restspanning genoemd. Vanwege de uitgerekte moleculaire oriëntatie in de vloeirichting introduceert dit anisotrope, niet-uniforme krimp en mechanische eigenschappen in de richtingen parallel en loodrecht op de vloeirichting.

Probleem met vervorming

Bevroren moleculaire oriëntatie

Door een combinatie van hoge schuifspanning en een hoge koelsnelheid naast de matrijswand, is er een sterk georiënteerde laag bevroren direct onder het oppervlak van het onderdeel. Dit wordt geïllustreerd in figuur 1. Wanneer een onderdeel met hoge reststromingsspanningen (of ingevroren oriëntatie) aan een hoge temperatuur wordt blootgesteld, kunnen sommige spanningen afnemen. Dit resulteert meestal in krimp en vervorming van het onderdeel. Door het warmte-isolerende effect van de bevroren lagen kan de polymeermelt in de hete kern in hogere mate ontspannen, wat leidt tot een zone met een lage moleculaire oriëntatie. Leverancier van matrijzen in China

FIGUUR 1. De ontwikkeling van residuele vloeispanningen als gevolg van ingevroren moleculaire oriëntatie tijdens het vullen en verpakken.
(1) Hoge koel-, schuif- en oriëntatiezone

(2) Zone met lage koeling, afschuiving en oriëntatie

Vermindering van door stroming veroorzaakte restspanning

Procesomstandigheden die de schuifspanning in de smelt verminderen, zullen het niveau van de door stroming veroorzaakte restspanningen verlagen. Over het algemeen is de door stroming veroorzaakte restspanning een orde van grootte kleiner dan de thermisch veroorzaakte restspanning.

• hogere smelttemperatuur
• hogere mold-wall temperatuur
• langere vultijd (lagere smeltsnelheid)
• verminderde verpakkingsdruk
• korter stromingstraject.

 Thermisch geïnduceerde restspanning

Thermisch geïnduceerde restspanning treedt op om de volgende redenen:

• Het materiaal krimpt als de temperatuur daalt van de procesinstellingen naar de omgevingscondities die bereikt worden wanneer het proces voltooid is.
• De materiële elementen ondergaan verschillende thermisch-mechanische geschiedenissen (bv. verschillende koelsnelheden en verpakkingsdrukken) wanneer het materiaal van de matrijswand naar het centrum stolt.
• Veranderende druk, temperatuur en moleculaire en vezeloriëntatie resulteren in variabele dichtheid en mechanische eigenschappen.
• Bepaalde beperkingen van de schimmel verhinderen de gegoten onderdeel van krimpen in de vlakke richtingen.

Voorbeeld van vrije afschrikken

Materiaalkrimp tijdens spuitgieten kan handig worden gedemonstreerd met een voorbeeld van vrije afschakeling, waarbij een deel van de uniforme temperatuur plotseling wordt ingeklemd door koudloper mal wanden. Tijdens de eerste afkoelingsfasen, wanneer de externe oppervlaktelagen afkoelen en beginnen te krimpen, is het grootste deel van het polymeer in de hete kern nog gesmolten en vrij om samen te trekken. Als de binnenkern echter afkoelt, wordt de lokale thermische krimp beperkt door de al stijve buitenlagen. Dit resulteert in een typische spanningsverdeling met spanning in de kern in evenwicht met compressie in de buitenlagen, zoals geïllustreerd in Figuur 2 hieronder.

Er ontstaan variabele restspanningen en het onderdeel vervormt als lagen van verschillend bevroren specifiek volume op elkaar inwerken

Procesgeïnduceerde vs. in-cavity restspanning

Procesgeïnduceerde restspanningsgegevens zijn veel bruikbaarder dan in-cavity restspanning gegevens voor gieten simulatie. Hieronder volgen definities van de twee termen, samen met een voorbeeld dat het verschil tussen beide illustreert.

Procesgeïnduceerde restspanning

Na het uitwerpen van het onderdeel worden de beperkingen van de malholte worden losgelaten en het onderdeel is vrij om te krimpen en te vervormen. Nadat er een evenwichtstoestand is bereikt, wordt de overblijvende spanning in het onderdeel procesgeïnduceerde restspanning genoemd, of gewoon restspanning. Procesgeïnduceerde restspanning kan stromingsgeïnduceerd of thermisch geïnduceerd zijn, waarbij de laatste de dominante component is.

Restspanning in de holte

Terwijl het onderdeel nog in de matrijsholte zit, wordt de interne spanning die tijdens het stollen ontstaat, restspanning in de matrijs genoemd. Deze restspanning in de matrijs is de kracht die de krimp en vervorming van het werkstuk na de uitwerping veroorzaakt.

Voorbeeld

De krimp verdeling beschreven in Vervorming als gevolg van differentiële krimp leidt tot een thermisch geïnduceerd restspanningsprofiel voor een uitgeworpen onderdeel, zoals weergegeven in de figuur linksonder. Het spanningsprofiel in de figuur linksboven is de in-cavity restspanning, waarbij de gegoten onderdeel blijft vóór het uitwerpen beperkt in de matrijs. Zodra het onderdeel wordt uitgeworpen en de beperkte kracht van de mal wordt losgelaten, zal het onderdeel krimpen en vervormen om de ingebouwde restspanning (meestal trekspanning, zoals afgebeeld) los te laten en een evenwichtstoestand te bereiken. De evenwichtstoestand betekent dat er geen externe kracht op het onderdeel wordt uitgeoefend en dat de trek- en drukspanningen over de doorsnede van het onderdeel met elkaar in evenwicht zijn. De figuren aan de rechterkant komen overeen met het geval met een niet-uniforme afkoeling over de dikte van het onderdeel, waardoor een asymmetrische verdeling van de restspanning ontstaat.

In-cavity restspanningsprofiel (boven) vs. procesgeïnduceerd restspanningsprofiel en deelvorm na uitwerpen (onder).

Thermisch geïnduceerde restspanning verminderen

Omstandigheden die leiden tot voldoende pakking en meer uniforme matrijswandtemperaturen zullen de thermisch geïnduceerde restspanningen verminderen. Deze omvatten:
- Juiste verpakkingsdruk en -duur
- Gelijkmatige koeling van alle oppervlakken van het onderdeel
- Uniforme wanddikte