Thermodynamik beim Spritzguss: Worum handelt es sich und warum spielt sie eine Rolle?

Thermodynamik ist nicht bloß ein Schlagwort – für leistungsstarke und wirkungsvolle Spritzgussprozesse ist sie von grundlegender Bedeutung. Vor dem Einstieg ins Thema, zunächst ein Blick auf einige Begriffsdefinitionen zum allgemeinen Verständnis.

Einige Begriffe und ihre Definitionen

Thermodynamik: Gebiet der Physik, das sich mit der Umwandlung und Änderung von Energie, wie u. a. der Wärme, beschäftigt.

Wärmeleitfähigkeit (Tλ): Durchgangsrate, mit der Wärme durch einen Werkstoff hindurch geleitet werden kann. Tabelle 2 zeigt einen allgemeinen Bereich für die im Spritzguss üblichen Stoffe.

Wärmedehnung: Grad, um den sich ein Material bei einer bestimmten Temperatur ausdehnt.

Spezifische Wärmekapazität (Cp): Die erforderliche Wärme, um die Temperatur einer Masseneinheit eines bestimmten Stoffes um einen bestimmten Betrag zu erhöhen.

Schrumpfrate: Der Betrag, um den ein Thermoplast beim Abkühlen schrumpft.

Wie funktioniert Thermodynamik?

Die Maschine bringt durch die Schneckenrotation Energie in das Material ein, die das Granulat zur Umwandlung aus dem Festkörper- in den Flüssigzustand zwingt und kehrt dann den Prozess im Werkzeug um.

Wenn zu viel Energie in den Kunststoff eingebracht wird, ergibt sich ein hohes Potenzial für eine Degradation. Dagegen weisen Formteile bei einem unzureichendem Energiebetrag wahrscheinlich unaufgeschmolzenes Granulat auf. Kunststofffachleute können die Schneckendrehzahl und den Staudruck während der Rückwärtsbewegung ändern, die sich auf den Eintrag der Energie in den Kunststoff auswirken. Sie müssen sich dabei der Tatsache bewusst sein, dass nicht alle Polymere mit derselben Rate aufschmelzen und dass einige von ihnen sehr empfindlich auf Wärme reagieren.

Der Spritzgießzyklus besteht zum Großteil (fast 80%) aus Abwarten, bis der Kunststoff eine ausreichend niedrige Temperatur erreicht, bei der er eine genügende Festigkeit aufweist, um der Auswurfkraft standzuhalten. Als Arbeitsplattform hierfür dient nichts anderes als das Werkzeug.

Die Wärmeleitfähigkeit der Metallform ist ebenfalls ein kritischer Faktor. Nicht alle Metalle weisen dieselbe Wärmeübertragungsrate auf: Edelstahl verhält sich sehr schlecht, Kupferlegierungen dagegen sehr gut.

Nur ungefähr 40% der Energie wird vom Formteil durch die Fähigkeit des Kunststoffs zur Wärmeübertragung freigesetzt. Mit voranschreitendem Spritzgießzyklus wirkt der Kunststoff immer stärker als Isolierkörper, so dass die Wärmeabfuhr immer schwieriger wird.

Was geschieht im Fall zu großer Wärme?

Wenn sich große Werkzeuge stark erhitzen, sind Berechnungen zur Wärmeausdehnung notwendig, um zu garantieren, dass bei Betriebstemperatur ausreichend Freiraum zwischen sich bewegenden Komponenten besteht. Im Allgemeinen gilt: je größer das Werkzeug und je höher die Temperatur, desto eher ergibt sich ein Problem. Wenn das Werkzeug ein Heißkanalsystem direkt vor der Verschlussdüse aufweist, muss die Wärmeausdehnung bei Betriebstemperatur unbedingt geprüft werden, da sonst schwere Schäden am Werkzeug auftreten könnten.

Wie funktioniert die Abkühlung?

Ein kritischer Faktor ist auch das Bewußtsein für die Abfuhr der Energie vom Kunststoffteil. Ein Verfahren zur Wärmeübertragung nutzt die das Werkzeug umgebende Luft, was nicht sehr effizient ist. Daneben erfolgt die Wärmeabfuhr auch über Wasserkanäle. Wichtig ist hier das Erzeugen einer turbulenten Strömung im Kanal, um so die Fähigkeit des Wassers zur Wärmeübertragung zu verbessern. Bei Berechnung der Reynolds-Zahl lässt sich bestimmen, ob das Wasser in einer laminaren oder turbulenten Strömung fließt.

Schlussfolgerung

Die Thermodynamik ist nur einer von sechs Bereichen im Spritzguss, die von angehenden Kunststofffachleuten unbedingt zu beherrschen sind. Lernen Sie alle diese Bereiche in unserem aktuellen Whitepaper kennen.