Es gibt Hunderte von Variablen, mit denen man bei der Entwicklung eines 24/7-Spritzgießprozesses rechnen muss, und es kann schwierig sein, zu entscheiden, auf welche man sich konzentrieren soll. Einige sind wichtiger als andere, aber egal, wo man eine bestimmte Variable ansiedelt, Tatsache ist, dass der Prozess nur dann läuft, wenn alle Variablen so gesteuert werden, dass sie den Anforderungen des Kunststoffs und des Teils entsprechen.

Mein Favorit in diesem Monat ist die Gleichmäßigkeit der Schmelze, und sie sollte in Ihrer Top-10-Liste der Variablen enthalten sein. Mit Gleichmäßigkeit meine ich nicht nur die Schmelzetemperatur, sondern auch die Konsistenz der Schmelze, d. h. keine Wirbel, Schlieren oder teilweise ungeschmolzenen Pellets. Wenn Sie gleichbleibende Abmessungen und Leistungen rund um die Uhr wünschen, müssen Sie eine gleichmäßige Schmelze haben.

Unser Schwerpunkt liegt hier auf der Schwierigkeit, eine gleichmäßige Schmelze zwischen amorphen und teilkristallinen Harzen zu erreichen. Diese Harze schmelzen unterschiedlich, und ein Verarbeiter muss verstehen, wie jedes dieser Polymere schmilzt, um eine gleichmäßige Schmelze zu erreichen.

Normalerweise beziehen sich die Unterschiede auf die unterschiedliche Anordnung der Polymerketten in einem Teil. Bei amorphen Polymeren sind die Ketten willkürlich, d. h. sie haben keine bestimmte Ordnung oder Ausrichtung, ähnlich wie verhedderte Schnüre. Teilkristalline Polymere haben eine Struktur oder ein geordnetes Muster der Kettenausrichtung.

Wenn Sie gleichbleibende Abmessungen und eine gleichbleibende Leistung rund um die Uhr wünschen, müssen Sie eine gleichmäßige Schmelze haben.

Die Vorsilbe „semi“ wird verwendet, um darauf hinzuweisen, dass nicht alle Polymerketten in einem teilkristallinen Teil kristallisiert sind. Es gibt Bereiche mit kristalliner und Bereiche mit zufälliger (amorpher) Kettenausrichtung innerhalb eines bestimmten Teils. Farben, Zusatzstoffe und Abkühlgeschwindigkeit beeinflussen den Grad der Kristallinität, wodurch sich die Größe und die Eigenschaften der Teile verändern.

Unabhängig davon, ob das zu verarbeitende Polymer teilkristallin oder amorph ist, ist eine gleichmäßige Schmelze erforderlich, um gleichbleibende Abmessungen und Leistungen der Teile zu erzielen. Wenn der Verarbeiter versteht, wie beide Schmelzen ablaufen, kann er die Verarbeitung besser steuern.

Ob teilkristallin oder amorph, beide sind auf dieselben Energiequellen für das Schmelzen angewiesen: Zylinder, Schnecke und Heizbänder. Der größte Teil der Energie, etwa 80 %, stammt aus der Reibung der Pellets an der Zylinderwand und der Kompression in der Übergangszone der Schnecke. Der Rest stammt von den Heizbändern rund um den Zylinder. Der Mechanismus der Energieübertragung ist bei amorphen und teilkristallinen Harzen derselbe. Hier endet jedoch die Ähnlichkeit beim Schmelzen dieser Kunststoffe.

Wie Eis werden auch teilkristalline Harze erst dann weich, wenn sie ihre Schmelztemperatur erreichen.

Ein wichtiger Faktor, der sie voneinander unterscheidet, ist die Energiemenge, die zum Schmelzen benötigt wird. Ein Kilogramm eines teilkristallinen Harzes, wie Nylon 6, erfordert wesentlich mehr Energie als 1 kg eines amorphen Harzes wie ABS. Tatsächlich benötigt Nylon etwa doppelt so viel Energie zum Schmelzen wie ABS (etwa 716 BTU/kg gegenüber 342), obwohl die Verarbeitungstemperaturen ähnlich sind. Der doppelte Energiebedarf für Nylon bedeutet, dass Sie bei der Verarbeitung besser auf der Hut sein sollten.

So, jetzt wissen wir, was wir tun müssen, um Nylon im Vergleich zu ABS vom energetischen Standpunkt aus zu schmelzen. Aber es gibt noch einen weiteren Punkt, der Ihnen die Verarbeitung erschwert. Teilkristalline Harze bleiben hart, bis sie ihre Schmelztemperatur erreichen. Das ist wie beim Schmelzen von Eis. Eis ändert seine Härte nicht wesentlich, wenn es sich von -10 C (14 F) auf -0,5 C (31 F) erwärmt. Wenn Sie bei einer der beiden Temperaturen auf Eis fallen, werden Sie kaum einen Unterschied in der Härte spüren. Wie Eis werden auch teilkristalline Harze nicht weicher, bis sie ihre Schmelztemperatur erreichen. Sie bleiben so lange hart, bis sie zwei Kriterien erfüllen:

Erstens muss man ihnen genug Energie zuführen, um sie auf ihren Schmelzpunkt zu bringen, und zweitens muss man eine weitere Dosis Energie zuführen, um die Schmelzwärme zu überwinden (Schmelzen), d. h. ihr geordnetes Kettenmuster aufzubrechen. Dies ist wie eine Energiebarriere für das Schmelzen. Wie bewältigt die Schnecke und der Zylinder diese schwierige Situation? Die teilkristallinen Pellets fließen aus dem Trichter in den Einzugskanal und fallen zwischen die tiefen Gänge des Einzugsbereichs der Schnecke. Der Einzugsbereich fördert die Pellets vorwärts und verdichtet sie, wobei Luft und einige flüchtige Stoffe aus dem Trichter gedrückt werden (es handelt sich um eine Entlüftung). Der Einzugsbereich kann die Pellets erwärmen, aber er schmelzt nicht und sollte es auch nicht tun.

Das Material erreicht dann den Übergangs- oder Schmelzbereich, wo sich der Fußdurchmesser der Schnecke verjüngt, um die Pellets gegen die Zylinderwand zu pressen. Durch diese Kompression und die Reibung des Granulats an der Zylinderwand wird Energie in das Granulat eingebracht, um seine Temperatur zu erhöhen. Das Problem besteht darin, dass nicht alle Granulate die Schnittstelle Fasswand/Flugzeug erreichen – einige erhalten die zum Schmelzen erforderliche Energie, andere nicht. Es kommt zu einem Aufbrechen des Festbetts, was dazu führt, dass einige teilweise ungeschmolzene Pellets durch die Übergangs- und Dosierzone gelangen. Diese teilweise ungeschmolzenen Granulate können in das Teil gelangen und die Schnecke verschleißen.

Amorphe Harze schmelzen wie gefrorene Butter.

Angenommen, Sie verwenden auch Flüssigfarbe und eine Allzweckschnecke. Bei Flüssigfarbe wird oft ein Ölträger verwendet, der die Reibung des Granulats am Zylinder verringert, was wiederum die Energieübertragung zum Schmelzen reduziert. Ist das wirklich etwas, was Sie wollen? Schalten Sie die Flüssigfarbe ab; verringert sich die Schneckendrehzeit? Eine Universalschnecke mit einem L/D-Verhältnis von 20:1 hat nur fünf Gänge in der Übergangszone. Dies ist ein großes Problem, wenn die Schussgröße mehr als 40 % der Schusskapazität beträgt. Es wird oft empfohlen, stattdessen Barriereschnecken zu verwenden, aber diese führen oft zu einer Verschlechterung und erzeugen übermäßige schwarze Flecken. Besser ist es, eine Schnecke zu verwenden, die für eine gleichmäßige Schmelze sorgt.

Amorphe Harze schmelzen anders. Sie benötigen wesentlich weniger Energie und sind leichter zu schmelzen. Sie schmelzen wie gefrorene Butter. Ein amorphes Granulat ist bei Raumtemperatur hart, aber wenn es sich erwärmt, wird es weicher. Mit mehr Energie werden amorphe Materialien immer weicher, bis sie sich für die Formgebung eignen. Sie bleiben nicht hart, bis sie den Schmelzpunkt erreichen, und müssen die Schmelzwärme nicht überwinden. Ein teilweise ungeschmolzenes Pellet kann wie Toffee oder ein Marshmallow aussehen. Wenn es zwischen Schneckengang und Zylinderwand eingeklemmt wird, zerquetscht es, ohne die Schnecke oder den Zylinder zu beschädigen oder zu verschleißen. Amorphe Harze sind daher während des Schmelzvorgangs nachsichtiger. Eine Allzweckschnecke kann eine akzeptable Verarbeitung ermöglichen, aber auch das ist nicht meine Empfehlung.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass teilkristalline Granulate schwieriger gleichmäßig zu schmelzen sind als amorphe Granulate. Eine Universalschnecke kann zwar amorphes Granulat verarbeiten, aber bei Schussgrößen am kleinen Ende (unter 20 % des Fassungsvermögens) und am großen Ende (über 40 %) werden die meisten Gießer Probleme mit teilkristallinem Granulat haben. Ich empfehle keine Barrieredesigns. Spezifizieren Sie stattdessen ein Schneckendesign, das eine gleichmäßige Schmelze mit einem L/D-Verhältnis von mindestens 20:1 bietet, wobei 24:1 vorzuziehen ist.

ÜBER DEN AUTOR: John Bozzelli ist der Gründer von Injection Molding Solutions (Scientific Molding) in Midland, Michigan, einem Anbieter von Schulungs- und Beratungsdiensten für Spritzgießer, einschließlich LIMS, und anderen Spezialgebieten. Kontakt [email protected]; scientificmolding.com.

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