Ein einfaches Modell zur Berechnung des Druckverlustes während des Werkzeugfüllvorganges und der eingefrorenen Orientierung beim Spritzgießen amorpher Kunststoffe

Zusammenfassung

Um den Werkzeugfüllvorgang beim Spritzgießen modellmäßig zu erfassen, werden zwei Gleichungen für die eingefrorene Randschicht abgeleitet. Die erste Gleichung beschreibt das Wachstum dieser Randschicht, die zweite gibt die Grenze an, bis zu der die Dicke der Randschicht maximal anwachsen kann. Diese Grenze entspricht der stationären nicht-isothermen Strömung.

Die Annahme einer stationären isothermen Scherströmung zwischen den eingefrorenen Randschichten vereinfacht die quantitative Analyse erheblich. Es mußte für diese Scherströmung eine mittlere Temperatur abgeschätzt werden, um Wärmeleitungsverluste, sowie Scher- und Kompressionserwärmung berücksichtigen zu können.

Mittels Messung der Druckverluste während des Werkzeugfüllvorganges und Bestimmung der eingefrorenen Orientierungen ließen sich die Möglichkeiten und Grenzen dieses einfachen Modells aufzeigen. Wir konnten eine befriedigende Übereinstimmung zwischen gemessenen und berechneten Druckverlusten erzielen. Für den Fall hoher Einspritzgeschwindigkeiten wird auch eine gute Übereinstimmung zwischen gemessenen und berechneten Doppelbrechungsprofilen erreicht. Bei niedrigen Einspritzgeschwindigkeiten gewinnt jedoch die Wärmeabfuhr durch Wärmeleitung einen beherrschenden Einfluß auf das Fließgeschehen, so daß sich die Vorhersage der eingefrorenen Orientierung verschlechtert.

Es wird gezeigt, daß das vorgestellte einfache Modell ein in den Grundzügen richtiges Bild des Werkzeugfüllvorganges wiedergibt. Auch für größere Änderungen der Temperaturen und Fließfrontgeschwindigkeiten ergeben sich quantitativ zuverlässige Ergebnisse. Das Modell wird vor allem dort vorteilhaft Anwendung finden, wo der Einfluß einer Prozeßgröße auf den Spritzgießvorgang rasch abgeschätzt werden muß.

Summary

We established a model of the injection mold filling stage based on two equations for the frozen layer. The first equation describes the growth of the frozen layer. The second indicates the limit up to which the thickness of the layer may increase. This limit corresponds to the stationary non-isothermal flow.

The assumption of an isothermal stationary shear flow between the frozen layers has simplified considerably the quantitative analysis. We had to evaluate a medium temperature for the shear flow in order to take into account heat loss through conduction but also heat generation through dissipation and compression.

We could demonstrate the capacities and limits of our model by measuring the pressure loss during the mold filling stage and by determining the frozen-inorientation. Good agreement had been obtained between measured and calculated pressure losses. In the case of high injection speeds good agreement had been obtained, too, for calculated and measured birefringence profiles. However, when using low injection speeds, heat loss through conduction dominates the flow behavior and the prediction of the frozen-inorientation becomes less satisfying.

The proposed model allows a good description of the filling stage in injection molding. We have obtained reliable results even for greater changes of temperature and flow rate. Our model will find application in cases where the influence of a processing parameter has to be estimated quickly.