Injection Molding Screw Drive 1.1
Spritzgiessmaschine online berechnen und auslegen
Mit diesem Online-Berechnungstool können Sie zentrale Kenngrössen einer Spritzgiessmaschine für Plastifizierung, Dosieren, Schneckenantrieb und Einspritzen berechnen. Aus Schneckengeometrie, Materialdaten und Prozessparametern werden unter anderem Plastifizierleistung, Schneckendrehmoment, Motorleistung, Dosierzeit, Einspritzkraft und hydraulische Leistung ermittelt.
Das Tool eignet sich für die überschlägige Auslegung und technische Bewertung von Plastifizier- und Einspritzeinheiten sowie für Variantenvergleiche. Durch die getrennte Betrachtung von Plastifizierung, Antrieb und Einspritzen lassen sich die jeweiligen Leistungsanforderungen transparent beurteilen.
Was kann mit dem Tool berechnet werden?
Die Berechnung verbindet Schneckengeometrie, Materialeigenschaften und Betriebsparameter zu einem technischen Modell der Plastifizier- und Einspritzeinheit.
- Qplast, ṁplast — Plastifizierleistung und Massendurchsatz
- Mscrew,calc — Schneckendrehmoment
- Pmotor,req — erforderliche Motorleistung
- trecovery,est — Dosier- und Plastifizierzeit
- Uret,est — Rückzugsgeschwindigkeit der Schnecke
- Finj, Pinj — Einspritzkraft und Einspritzleistung
- Qinj, Pel,inj — hydraulischer Volumenstrom und Leistungsbedarf
- i, Drehmomentreserve — Getriebeübersetzung und Drehmomentreserve
- Maschinengrenzen und Leistungsreserven
Plastifizierleistung der Spritzgiessschnecke
Während der Plastifizierung rotiert die Schnecke und fördert den Kunststoff durch Einzugs-, Kompressions- und Meteringzone. Das Berechnungsmodell berücksichtigt die reale Zoneneinteilung Lf → Lc → Lm sowie die Änderung der Kanaltiefe in der Kompressionszone.
Aus Schneckendurchmesser D, Steigung t, Kanaltiefe H, Drehzahl n, Staudruck pback, Viskosität ηeff und weiteren Eingaben werden der volumetrische Durchsatz Qplast und der daraus resultierende Massendurchsatz ṁplast bestimmt.
Schneckendrehmoment und Antrieb berechnen
Für die Auslegung des Schneckenantriebs wird das erforderliche Drehmoment aus den Belastungen in den unterschiedlichen Schneckenzonen bestimmt. Dabei werden Schmelze, Feststoffförderung und Kompressionszone getrennt betrachtet und anschliessend zum Polymerdrehmoment zusammengeführt.
Unter Berücksichtigung des mechanischen Wirkungsgrades ηmech, des Betriebsfaktors und der Belastungsart werden daraus Service- und Auslegungsdrehmoment bestimmt.
- Mmelt — Schmelzedrehmoment
- Msolid — Feststoffdrehmoment
- Mcompression — Drehmoment der Kompressionszone
- Mscrew,calc — berechnetes Schneckendrehmoment
- Mservice, Mdesign — Service- und Auslegungsdrehmoment
- Pmotor,req — erforderliche Motorleistung
- nmotor, Mmotor,req — Motordrehzahl und Motordrehmoment
- Getriebeverluste
- Drehmoment- und Leistungsreserven
Dosierzeit und Plastifizierzeit abschätzen
Aus Dosierhub Sdose, Schneckenquerschnitt As und berechnetem Plastifizierstrom Qplast wird die theoretische Dosiermenge Vdose bestimmt. Daraus ergibt sich eine Abschätzung der erforderlichen Recovery- beziehungsweise Dosierzeit trecovery,est.
Diese Berechnung unterstützt den Vergleich unterschiedlicher Schneckendurchmesser D, Drehzahlen n, Dosierhübe Sdose und Materialparameter und hilft bei der Beurteilung, ob die erforderliche Plastifizierleistung für die geplante Zykluszeit grundsätzlich erreichbar ist.
Einspritzdruck, Einspritzkraft und Hydraulik
Die Einspritzphase wird getrennt von der rotierenden Plastifizierung berechnet. Der vorgegebene Einspritzdruck pinj wirkt auf die Schneckenquerschnittsfläche As und bestimmt die erforderliche axiale Einspritzkraft Finj.
Aus Einspritzgeschwindigkeit vinj und Schneckendurchmesser D werden Volumenstrom Qinj und hydraulische Nutzleistung Pinj berechnet. Bei Vorgabe des Hydraulikdrucks phyd kann zusätzlich die erforderliche Zylinderfläche Acyl abgeschätzt werden.
- Finj — Einspritzkraft
- Qinj — Einspritzvolumenstrom
- Pinj — Einspritzleistung
- Pel,inj — elektrischer Leistungsbedarf unter Berücksichtigung des Hydraulikwirkungsgrades ηhyd
- tinj — Einspritzzeit
- tinj,min — minimal erreichbare Einspritzzeit aus Maschinenlimits
Welche Eingaben werden benötigt?
Schneckengeometrie
- D — Schneckendurchmesser
- d — Kerndurchmesser
- Lf — Länge der Einzugszone
- Lc — Länge der Kompressionszone
- Lm — Länge der Meteringzone
- Hf, H — Kanaltiefen
- t — Schneckensteigung
- e — Stegdicke
Prozessparameter
- n — Schneckendrehzahl
- pback — Plastifiziergegendruck
- Sdose — Dosierhub
- T — Massentemperatur
- pinj — Einspritzdruck
- Sinj — Einspritzhub
- vinj — Einspritzgeschwindigkeit
- phyd — Hydraulikdruck
Materialdaten
- ηeff — effektive Schmelzeviskosität
- ρ — Schmelzedichte
- T — Referenztemperatur
- fb, fs — optionale Reibungsparameter
Antrieb und Maschinendaten
- i — Getriebeübersetzung
- ηG — Getriebewirkungsgrad
- ηmech — mechanischer Wirkungsgrad
- Pnom, nnom — Motorleistung und Motordrehzahl
- Mnom, Mmax — Nenn- und Maximaldrehmoment
- Smax, Vmax — maximaler Hub und Schussvolumen
- Qinj,max, vinj,max — maximaler Einspritzvolumenstrom und Einspritzgeschwindigkeit
- Pmotor,hyd — hydraulische Pumpenleistung
What results are output?
Plastifizierung und Dosieren
- Qplast — Plastifizierstrom
- ṁplast — Massendurchsatz
- Mscrew,calc — Schneckendrehmoment
- Pscrew,calc — Leistungsbedarf der Schnecke
- Fback — Staudruckkraft
- Uret,est — Rückzugsgeschwindigkeit
- trecovery,est — geschätzte Dosierzeit
- Druck- und Zonenkennwerte der Feststoff- und Kompressionsbereiche (p(l), ks, …)
Antriebsauslegung
- Mservice — Service-Drehmoment
- Mdesign — Auslegungsdrehmoment
- Pmotor,req — erforderliche Motorleistung
- nmotor — Motordrehzahl
- Mmotor,req — erforderliches Motordrehmoment
- Getriebeverluste
- Leistungs- und Drehmomentreserven
Einspritzen und Hydraulik
- Finj — Einspritzkraft
- Qinj — Einspritzvolumenstrom
- Pinj — hydraulische Einspritzleistung
- Pel,inj — elektrischer Leistungsbedarf
- tinj — Einspritzzeit
- Prüfung von Schussvolumen, Geschwindigkeit, Volumenstrom und Leistungsgrenzen
Maschinengrenzen und Variantenvergleich
Zusätzlich zu den theoretischen Berechnungsergebnissen können wichtige Maschinengrenzen berücksichtigt werden. Dazu gehören maximaler Schneckenhub Smax, Schussvolumen Vmax, Einspritzgeschwindigkeit vinj,max, Volumenstrom Qinj,max und verfügbare hydraulische Leistung Pmotor,hyd.
Damit können unterschiedliche Schneckendurchmesser D, Geometrien, Drehzahlen n, Staudrücke pback und Einspritzparameter miteinander verglichen werden. Zu beachten ist, dass maximale Druck- und Volumenstromwerte pmax und Qmax einer Maschine in der Praxis nicht zwingend gleichzeitig verfügbar sind.
Für welche Aufgaben eignet sich die Berechnung?
- Vorabschätzung einer Plastifiziereinheit
- Auslegung von Schneckenmotor und Getriebe
- Abschätzung der erforderlichen Hydraulikleistung
- Vergleich verschiedener Schneckendurchmesser D
- Untersuchung von Drehzahl n und Staudruck pback
- Abschätzung von Plastifizier- und Dosierzeiten trecovery,est
- Bewertung von Einspritzdruck pinj und Einspritzgeschwindigkeit vinj
- Vergleich einer berechneten Einheit mit vorhandenen Maschinendaten
Modellgrenzen und Hinweise
Das Berechnungsmodell ist für die technische Vorauslegung und den Vergleich von Varianten vorgesehen. Es ersetzt keine vollständige zeitabhängige Simulation des gesamten Spritzgiesszyklus.
Aktuell nicht vollständig abgebildet werden unter anderem Barrier- und Mischschnecken, Flight-Leakage, teilweise gefüllte Schneckenkanäle sowie die vollständige temperatur- und scherratenabhängige nichtnewtonsche Rheologie über den gesamten Prozess.
Die effektive Viskosität ηeff ist keine konstante Materialeigenschaft und muss passend zu Material, Temperatur und Scherrate gewählt werden. Berechnungsergebnisse sollten deshalb vor einer konstruktiven oder maschinentechnischen Entscheidung mit Herstellerdaten und praktischen Prozesswerten abgeglichen werden.
Berechnungsmodell
Die aktuelle Modellversion Spritzgiessmaschine 1.4a berücksichtigt Einzugs-, Kompressions- und Meteringzone der Schnecke (Lf → Lc → Lm) sowie den Druckaufbau und das zusätzliche Drehmoment Mcompression in der Kompressionszone. Plastifizierung und Einspritzen werden als getrennte Betriebsphasen behandelt.
Eine weiterführende energetische Beschreibung des Aufschmelzvorgangs sowie die zeitabhängige Modellierung des vollständigen Spritzgiesszyklus sind für erweiterte Modellstufen vorgesehen.