Der Spritzgussprozess bezieht sich auf die Methode zur Herstellung von Halbzeugen mit bestimmten Formen durch Vorgänge wie Druckbeaufschlagung, Einspritzung, Abkühlung und Ausstoß geschmolzener Rohstoffe. Dieser Prozess ist die Produktionsquelle für Produkte von Kosmetikverpackungsunternehmen. Die Qualität dieser Halbzeuge bestimmt die Stabilität nachfolgender Prozesse und die Qualität des Endprodukts und ist damit ein entscheidendes Verfahren zur Maximierung des Unternehmensgewinns.
Im Laufe der Jahre haben Spritzgussprofis zahlreiche Herausforderungen gemeistert, insbesondere bei der Behebung häufiger Fehler bei Produkten mit dünnen oder dicken Wänden-wie Schrumpfung, Bindenähte, Fließspuren, Luftblasen, glänzende Stellen und Verzug. Zusammenfassend konzentriert sich der Spritzgussprozess vor allem auf die Lösung der folgenden zwei Aspekte:
I. Prozessablauf
Der Prozessablauf umfasst vier Stufen: Befüllen, Verpacken, Kühlen (Plastifizieren) und Auswerfen. Diese Schritte bestimmen direkt die Formqualität des Produkts und bilden einen vollständigen, kontinuierlichen Prozess.
(1) Füllphase
Das Füllen ist der erste Schritt im gesamten Spritzgießzyklus. Sie beginnt mit dem Schließen der Form und dem Einspritzen und endet, wenn etwa 95 % des Formhohlraums gefüllt sind. Theoretisch führt eine kürzere Füllzeit zu einer höheren Formeffizienz. In der Praxis wird die Formzeit oder Einspritzgeschwindigkeit jedoch durch viele Bedingungen eingeschränkt, was besonders bei dickwandigen Produkten deutlich wird.
Hochgeschwindigkeitsbefüllung:Beim Hochgeschwindigkeitsfüllen ist die Scherrate hoch. Aufgrund von Scherverdünnungseffekten nimmt die Viskosität des Kunststoffs ab, wodurch sich der Gesamtströmungswiderstand verringert. Durch lokales viskoses Erhitzen wird auch die erstarrte Schicht verdünnt. Daher hängt die Füllmethode während der Durchflusskontrollphase häufig vom abzufüllenden Volumen ab. In diesem Stadium ist der Scherverdünnungseffekt der Schmelze normalerweise erheblich, während der Kühleffekt dünner Wände weniger spürbar ist. Somit dominiert der Geschwindigkeitseffekt, wodurch sich diese Methode für dünnwandige Produkte eignet.
Befüllen mit niedriger-Geschwindigkeit:Bei der Wärmeleitungs-gesteuerten Befüllung mit niedriger-Geschwindigkeit ist die Schergeschwindigkeit geringer, die lokale Viskosität höher und der Strömungswiderstand größer. Da die Nachschubgeschwindigkeit des heißen Kunststoffs langsamer ist, erfolgt der Fluss langsamer, wodurch der Wärmeleitungseffekt stärker ausgeprägt ist. Durch die kalten Formwände wird die Wärme schnell abtransportiert. In Verbindung mit einer minimalen viskosen Erwärmung wird die erstarrte Schicht dicker, was den Strömungswiderstand in dünneren Wandbereichen weiter erhöht. Daher eignet sich diese Füllmethode für dickwandige Produkte und kann auch bei relativ hohen Formtemperaturen eingesetzt werden.
(2) Verpackungsphase
Die Aufgabe der Packstufe besteht darin, kontinuierlich Druck auszuüben, um die Schmelze zu verdichten und die plastische Dichte zu erhöhen, wodurch das plastische Schrumpfverhalten ausgeglichen wird.
Da der Formhohlraum beim Verpacken bereits mit Kunststoff gefüllt ist, ist der Gegendruck der Schmelze hoch. Während der Packungsverdichtung kann sich die Schnecke der Einspritzmaschine nur in winzigen Schritten langsam vorwärts bewegen, und auch die Fließgeschwindigkeit des Kunststoffs ist relativ langsam. Dieser Fluss wird als Packfluss bezeichnet. Während der Packphase, wenn der Kunststoff an den Formwänden schneller abkühlt und erstarrt, steigt die Schmelzviskosität schnell an, was zu einem erheblichen Widerstand im Formhohlraum führt. Im späteren Verpackungsstadium nimmt die Materialdichte immer weiter zu und das Kunststoffteil nimmt nach und nach Gestalt an. Der Packungszustand muss beibehalten werden, bis sich der Anschnitt verfestigt und abdichtet. Zu diesem Zeitpunkt erreicht der Hohlraumdruck während der Packphase seinen höchsten Wert.
Beim Verpacken weist der Kunststoff aufgrund des relativ hohen Drucks komprimierbare Eigenschaften auf. In Bereichen mit höherem Druck ist der Kunststoff kompakter und dichter; In Gebieten mit niedrigerem Druck ist der Kunststoff lockerer und weniger dicht. Daher variiert die Dichteverteilung je nach Ort und Zeit. Beim Packen ist die plastische Fließgeschwindigkeit extrem gering und die Strömung spielt keine dominierende Rolle mehr; Der Druck ist der Hauptfaktor, der den Verpackungsprozess beeinflusst. Da der Formhohlraum beim Verpacken bereits mit Kunststoff gefüllt ist, fungiert die allmählich erstarrende Schmelze als Medium zur Druckübertragung. Der Druck im Formhohlraum wird durch den Kunststoff auf die Formwandoberfläche übertragen, was zur Verbesserung des Oberflächenglanzes des Produkts beitragen kann.
(3) Abkühlphase (Plastifizierung)
Bei Spritzgussformen ist die Auslegung des Kühlsystems entscheidend. Dies liegt daran, dass die Kunststoffmoleküle des geformten Kunststoffprodukts kristallisiert und bis zu einer bestimmten Steifigkeit verfestigt werden müssen, um Verformungen durch äußere Kräfte beim Auswerfen zu vermeiden. Da die Kühlzeit 70 % bis 80 % des gesamten Spritzgießzyklus ausmacht, kann ein gut konzipiertes Kühlsystem die Spritzgießzeit erheblich verkürzen und die Spritzgießproduktivität verbessern.
In der Form wird die Wärme des Kunststoffs in der Kavität durch Wärmeleitung durch den Formrahmen auf die Kühlwasserkanäle übertragen und dann durch Wärmekonvektion durch die Kühlflüssigkeit abgeführt. Eine kleine Menge Wärme, die nicht vom Kühlwasser abgeführt wird, wird innerhalb der Form weitergeleitet und verflüchtigt sich schließlich bei Kontakt mit der Außenumgebung an die Luft.
Der Spritzgießzyklus umfasst Formschließzeit, Füllzeit, Packzeit, Abkühlzeit (Zeit unterhalb der Schmelzetemperatur) und Auswurfzeit. Dabei nimmt die Abkühlzeit mit 70 bis 80 % den größten Anteil ein. Daher wirkt sich die Abkühlzeit direkt auf die Länge des Formzyklus des Kunststoffprodukts und die Produktionsleistung aus.
Zu den Faktoren, die die Abkühlgeschwindigkeit des Produkts beeinflussen, gehören:
Das Design des Kunststoffprodukts.
Die Wandstärke des Kunststoffprodukts; Dickere Wände führen zu längeren Abkühlzeiten.
Faktoren, die die Formkühlung beeinflussen:
Formmaterial:Einschließlich des Materials des Formkerns, der Kavität und der Formbasis, das die Abkühlgeschwindigkeit stark beeinflusst. Je höher die Wärmeleitfähigkeit des Formmaterials ist, desto effektiver leitet es die Wärme pro Zeiteinheit vom Kunststoff ab, was zu kürzeren Abkühlzeiten führt.
Konfiguration des Kühlwasserkanals:Je näher die Kühlkanäle an der Kavität liegen, desto größer ist ihr Durchmesser und je größer ihre Anzahl, desto besser ist die Kühlwirkung und desto kürzer ist die Kühlzeit.
Kühlmitteldurchfluss:Eine höhere Kühlmitteldurchflussrate (im Allgemeinen ist die Erzielung einer turbulenten Strömung ideal) verbessert die Wärmeabfuhr durch Wärmekonvektion.
Kühlmitteleigenschaften:Die Viskosität und Wärmeleitfähigkeit des Kühlmittels beeinflussen auch die Wärmeübertragungseffizienz der Form. Eine niedrigere Kühlmittelviskosität, eine höhere Wärmeleitfähigkeit und eine niedrigere Temperatur führen zu einer besseren Kühlleistung.
Bei der Formenkühlung können drei{0}}dimensionale Metall-gedruckte Komponenten genutzt werden, um komplexe dreidimensionale Kühlkanalstrukturen zu erzeugen und so bessere Kühleffekte zu erzielen.
(4) Auswurfphase
Das Auswerfen ist der letzte Schritt in einem Spritzgießzyklus. Obwohl sich das Produkt verfestigt und geformt hat, beeinträchtigt der Auswurf die Produktqualität immer noch erheblich. Unsachgemäße Auswurfmethoden können zu Defekten wie Produktverformungen aufgrund ungleichmäßiger Kraft beim Auswerfen führen.
Es gibt zwei Hauptauswurfmethoden: den Auswurf des Auswerferstifts und den Auswurf der Abstreifplatte. Bei der Gestaltung der Form muss die geeignete Auswurfmethode basierend auf den strukturellen Eigenschaften des Produkts ausgewählt werden, um die Produktqualität sicherzustellen.
Bei Formen mit Auswerferstiftauswurf sollten die Stifte möglichst gleichmäßig angeordnet und dort positioniert werden, wo der Auswurfwiderstand am größten ist und das Kunststoffteil maximale Festigkeit und Steifigkeit aufweist, um Verformungen oder Beschädigungen zu vermeiden.
Abstreifplatten werden im Allgemeinen für Behälter mit tiefem {0}Hohlraum, dünnen-Wandwänden und transparenten Produkten verwendet, bei denen Markierungen durch Auswerferstifte nicht zulässig sind. Diese Methode zeichnet sich durch eine große, gleichmäßige Auswurfkraft, eine reibungslose Bewegung und keine nennenswerten sichtbaren Spuren aus.
II. Prozessparameter
Die fünf Schlüsselelemente des Spritzgießens sind: Druck, Zeit, Geschwindigkeit, Temperatur und Schussgröße.
(1) Einspritzdruck
Der Einspritzdruck ist der Hydraulikzylinderdruck, der über die Schnecke der Einspritzmaschine auf die Kunststoffschmelze übertragen wird. Angetrieben durch diesen Druck gelangt die Kunststoffschmelze durch die Düse der Einspritzmaschine in die Form, durchläuft den Anguss und die Angusskanäle und gelangt in den Formhohlraum. Dieser Vorgang ist die Injektionsfüllphase. Es besteht Druck, um den Widerstand während des Schmelzflusses zu überwinden und so sicherzustellen, dass der Füllvorgang reibungslos verläuft.
Beim Einspritzen ist der Druck an der Düse der Einspritzmaschine am höchsten und an der Schmelzefront am niedrigsten. Auf dem Weg von der Schmelzefront zurück zur Düse nimmt der Druck allmählich ab.
Viele Faktoren beeinflussen den Schmelzfülldruck:
A. Materialfaktoren wie Art und Viskosität des Kunststoffs.
B. Strukturelle Faktoren wie Kalt-/Heißkanalsysteme, deren Anzahl und Lage, die Form des Formhohlraums und die Wandstärke des Produkts.
C. Prozessparameterelemente.
Dies spiegelt wider, dass der Einspritzdruck beim Spritzgießen dünnwandiger Produkte keine dominierende Rolle spielen sollte, beim Spritzgießen dickwandiger Produkte jedoch von entscheidender Bedeutung ist. Es kann auch eine entscheidende Rolle bei der Behebung von Produktfehlern wie Schrumpfung, Bindenähten und Luftblasen spielen. Die sinnvolle Druckeinstellung hängt von der Abstimmung von Füllgeschwindigkeit und -zeit ab. Beim Einspritzen ist auch die Einstellung des Packungsdrucks sehr kritisch. Gegen Ende der Einspritzung fördert die Maschinendüse weiterhin Material in die Kavität, um das durch die Produktschrumpfung verbleibende Volumen aufzufüllen. Wenn nach dem Füllen des Hohlraums kein Packdruck ausgeübt wird, schrumpft das Produkt um ca. 25 %, insbesondere in dickwandigen Bereichen, wo durch übermäßiges Schrumpfen Einfallstellen entstehen können. Der Packungsdruck beträgt im Allgemeinen etwa 85 % des maximalen Fülldrucks, dieser sollte jedoch anhand der tatsächlichen Bedingungen ermittelt werden.
(2) Einspritzzeit
Unter der Einspritzzeit versteht man die Zeit, die die Kunststoffschmelze zum Füllen der Kavität, zum Plastifizieren der Schmelze und zum Abkühlen benötigt. Nebenzeiten wie das Öffnen und Schließen der Form sind darin nicht enthalten. Ob diese Zeit angemessen eingestellt ist, hat großen Einfluss auf die Produktqualität. Obwohl die Einspritzzeit nicht den größten Anteil des Formzyklus ausmacht, spielt die Anpassung der Einspritzzeit eine wichtige Rolle bei der Steuerung des Drucks an Anguss, Angusskanal und Kavität. Eine angemessene Einspritzzeit ermöglicht eine ideale Schmelzefüllung und ist entscheidend für die Verbesserung der Produktoberflächenqualität und die Reduzierung von Maßtoleranzen. Die Einspritzzeit ist viel kürzer als die Abkühlzeit, etwa 1/10 der Abkühlzeit. Das Verhältnis steigt mit dickeren Produktwänden. Dieses Muster kann als Grundlage für die Schätzung der Gesamtformzeit eines Kunststoffteils dienen.
(3) Einspritzgeschwindigkeit
Der enge Zusammenhang zwischen Einspritzgeschwindigkeit und Produktqualität macht sie zu einem Schlüsselparameter beim Spritzgießen. Durch die Bestimmung der Start-, Mittel- und Endpunkte der Füllgeschwindigkeitssegmente und die Erzielung sanfter Übergänge zwischen den Sollwerten kann eine stabile Schmelzoberflächengeschwindigkeit sichergestellt werden. Dies erzeugt die gewünschte molekulare Orientierung und minimiert innere Spannungen. Daher wird beim Festlegen von Geschwindigkeitsparametern während des Debuggens von Produktprozessen der folgende Ansatz empfohlen:
Die Oberflächengeschwindigkeit der Flüssigkeit sollte konstant sein.
Um eine Kristallisation der Schmelze zu verhindern, sollte eine schnelle Injektion erfolgen.
Bei den Einstellungen der Einspritzgeschwindigkeit sollten kritische Bereiche (z. B. Angusskanäle) berücksichtigt werden, wobei am Anschnitt die Geschwindigkeit langsamer wird, während an anderen Stellen eine schnelle Füllung erfolgt.
Die Einspritzgeschwindigkeit sollte unmittelbar nach dem Füllen der Kavität stoppen, um Überfüllung, Gratbildung und Restspannung zu vermeiden.
Passen Sie basierend auf der Produktstruktur in Kombination mit dem tatsächlichen Kristallisationsgrad die Parameter für die hohe und niedrige Einspritzgeschwindigkeit für Bereiche mit dünnen/dicken Wänden und für Bereiche an, in denen sich die Fließrichtung der Schmelze ändert.
Eine enge Abstimmung mit anderen Elementen der Formbedingungen ist sehr wichtig.
(4) Einspritztemperatur
Die Einspritztemperatur ist ein wichtiger Faktor, der den Einspritzdruck und die Einspritzgeschwindigkeit beeinflusst. Spritzgießmaschinenzylinder verfügen im Allgemeinen über 5–6 Heizzonen. Jeder Rohstoff hat seine passende Verarbeitungstemperatur. Zusätzlich zu den durch praktische Erfahrung erlernten Temperaturparametern können die Einstellungen auch auf Daten der Rohstofflieferanten in Kombination mit den tatsächlichen Maschinenbedingungen basieren.
Die Einspritztemperatur muss innerhalb eines bestimmten Bereichs kontrolliert werden. Ist die Temperatur zu niedrig, plastifiziert die Schmelze schlecht, was die Qualität des Formteils beeinträchtigt und den Prozess erschwert. Wenn die Temperatur zu hoch ist, neigt das Rohmaterial zur Zersetzung. Beim tatsächlichen Spritzgießen ist die Schmelzetemperatur häufig höher als die Zylindertemperatur. Der Unterschied hängt von der Injektionsrate und den Materialeigenschaften ab. Dies wird durch die hohe Hitze verursacht, die durch Scherung entsteht, wenn die Schmelze durch die Einspritzdüse strömt.
(5) Schussgröße
Beim Spritzgießen bestimmt eine angemessene Schussgröße die Einstellung anderer Prozessparameterelemente. Beim Debuggen des Produktprozesses sollte das Schmelzpolster (verbleibende Schussgröße) so eingestellt werden, dass nach Abschluss der Produktbefüllung die Schneckenposition ein Polster von etwa 15–20 mm hinterlässt. Liegt er zu nahe bei Null, verschleißt die Spitze des Schraubensicherungsrings zu schnell und die Dimensionsstabilität des Produkts kann nicht gewährleistet werden. Wenn das Kissen zu groß ist, kann überschüssige Restschmelze, die zu lange im Zylinder verbleibt, beim nächsten Schuss zu Farbveränderungen führen und die Wahrscheinlichkeit einer Gasbildung aufgrund der Zersetzung der Schmelze bei längerer Verweilzeit erhöhen.
Beim Plastifizieren wirkt sich der Gegendruck direkt auf die Schussgröße aus. Unter Gegendruck versteht man den Druck, der beim Zurückziehen der Schnecke bei der Schmelzevorbereitung überwunden werden muss. Die Verwendung eines hohen Gegendrucks wirkt sich positiv auf die Farbverteilung und das Schmelzen des Kunststoffs aus und erhöht die Dichte der Schmelze im Zylinder. Es verlängert jedoch auch die Schneckenrückzugszeit (wenn die Abkühlzeit überschritten wird, erhöht sich der Produkteinspritzzyklus). Wenn die Drehzahl der Schnecke erhöht wird, kann die Schnecke Luft aus den Lücken zwischen den Kunststoffpellets einschließen, die in die Schmelze im Inneren des Zylinders gepresst werden, die dann in den Formhohlraum eingespritzt wird. Bei dickeren Produkten erhöht dies entsprechend die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Luftblasen innerhalb der Wände und erhöht die Leistungsbelastung der Spritzmaschine. Daher sollte beim Plastifizieren üblicher Materialien der Gegendruck niedriger sein und im Allgemeinen 20 % des Einspritzdrucks nicht überschreiten, wobei ein leichter Schmelzetropfen an der Düse ideal ist.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass man zur Verbesserung der Spritzgusstechnologie zunächst die Prinzipien und den Prozess des Spritzgusses verstehen muss. Zweitens muss man beim Prozess-Debugging die fünf Schlüsselelemente -Druck, Zeit, Geschwindigkeit, Temperatur und Schussgröße- geschickt koordinieren. Nur dann können sich diese Elemente im Prozess ergänzen und zu optimalen Prozessparametern für das Produkt führen.