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In der Kernstruktur einer vertikalen Spritzgießmaschine spielt das Schraubensystem eine Schlüsselrolle bei der Umwandlung von Kunststoffrohmaterialien vom festen in den geschmolzenen Zustand. Diese auf den ersten Blick einfache metallene Komponente, mit ihrem präzisen Design und effizientem Bewegungssteuerung, führt dutzende hochpräzise Verplastungszyklen pro Minute aus. Als das „Herz“ des Spritzgießprozesses beeinflusst das Design der Schraube direkt die Formgebungsqualität und die Produktivität.

I. Entwicklung der Schraubensystemstruktur

Moderne vertikale Spritzgießmaschinen-Schrauben verwenden normalerweise ein klassisches dreistufiges Strukturdesign, wobei jede Stufe eine spezifische Funktion hat. Der Einspeiseteil ist für den stabilen Transport der Rohstoffe zuständig, und die tiefen Schraubengräben in diesem Bereich sorgen für einen reibungslosen Materialfluss unter dem Einfluss der Schwerkraft. Der Kompressionsbereich erzeugt einen mechanischen Kompressionseffekt durch schrittweise enger werdende Schraubengräben, was die Verplastungseffizienz erhöht und übermäßige Scherkräfte verhindert. Der Dosierbereich mit seinen flacheren Schraubengräben sorgt für eine gleichmäßige Schmelzung in einem Hochdruckumfeld, wodurch die Produktqualität stabilisiert wird.

Der Dosierbereich ist entscheidend, und sein Design folgt typischerweise einem goldenen Verhältnis von Länge-durch-Durchmesser (L/D) zwischen 5:1 und 7:1. Dies sorgt nicht nur für die Homogenität der Schmelze, sondern hält auch Temperaturschwankungen innerhalb von ±2°C. Um einen Rückfluss der Schmelze zu verhindern, verwendet das Prüfringelement eine Doppelsiegelstruktur mit einer Reaktionszeit von weniger als 0,03 Sekunden.

II. Kopplung von Thermodynamik und Rheologie

Die durch die Schraubendrehung entstehende Scherwärme wirkt gemäß der rheologischen Formel τ = η(du/dy), wobei sich die Scherrate über die verschiedenen Abschnitte hinweg unterscheidet. Zum Beispiel beträgt die Scherrate im Förderteil typischerweise zwischen 50 und 100 s⁻¹, während sie im Dosierabschnitt Werte zwischen 500 und 1000 s⁻¹ erreichen kann. Für wärmeempfindliche Materialien wie PC (Polycarbonat) wird eine spezialisierte Schraubenkonstruktion eingesetzt, die die Länge des Kompressionsbereichs verkürzt, um den Temperaturanstieg auf unter 30°C zu begrenzen.

Das Temperaturfeld des Schmelzes zeigt ein axiales Gradientenprofil. Mit Hilfe der Infrarot-Thermographie wird die Temperaturkurve vom Füllöffnung bis zum Spritzmund beobachtet. Durch die Optimierung der Schnecken-Geschwindigkeit und der Rückdruck-Regelparameter kann der Temperaturschwankungs-Koeffizient auf unter 0,05 reduziert werden, was Materialverlust durch übermäßige Temperaturen verhindert.

III. Ingenieurmaterialien und Oberflächenbehandlung

Um die Verschleißfestigkeit zu erhöhen, besteht der Schneckenkörper aus nitrierbarem Stahl, der einer Ionen-Nitrierung unterzogen wird, wodurch eine Oberflächenhärte erreicht wird, die hohen Anforderungen genügt. Für glasfaserverstärkte Materialien wird eine bi-metallische Legierungsschicht verwendet, die die Verschleißfestigkeit um das 3 bis 5-fache im Vergleich zu traditionellen Nitrierungen verbessert. Die Flanke der Schraube wird mit Diamant beschichtet, wodurch der Reibkoeffizient auf unter 0,08 reduziert wird.

Die neueste Oberflächenstrukturierungstechnologie verwendet Laser-Schweißen, um Mikron-Level-Groovarrays auf der Schraubenoberfläche zu erstellen. Experimentelle Daten zeigen, dass diese Struktur die Mischeffizienz um 18 % verbessert und die Gleichmäßigkeit der Schmelzetemperatur um 25 % erhöht.

Im Bereich der Präzisionsinjektionsformung werden die Toleranzen des Schraubendurchmessers nun innerhalb der IT5-Genauigkeitsklasse kontrolliert, wobei der Konzentritätsfehler nicht mehr als 0,01 mm/m überschreitet. Darüber hinaus kann die neu entwickelte wellenförmige Schraube, die mit CFD-(Computational Fluid Dynamics)-Simulationen optimiert wurde, die Birefringenz bei der Formung optischer PC-Komponenten auf weniger als 3 nm/cm reduzieren. Durch die Integration von intelligenter Sensortechnologie ermöglicht das Schraubensystem nun die Echtzeitüberwachung der Schmelzeviskosität, gekoppelt mit einem adaptiven Kontrollsysterm, was sicherstellt, dass der Plastifizierungsprozess hochgradig stabil bleibt, mit einem CPK-Wert (Prozessfähigkeitsindex), der konstant über 1,67 liegt.

Diese neue Generation von Schraubensystemen, die eine Kombination aus elektromechanischer Integration und präzisem Design darstellt, hebt die Grenzen der Genauigkeit bei der Verarbeitung von Kunststoffen neu.