[:de]Ursachen für Bogenlauf und wie Sie ihn vermeiden[:en]Reasons for profile curvature and how to avoid it[:]
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Bei unterschiedlichen Extrusionsverfahren stellt der Bogenlauf (oder auch Säbelligkeit, Katana-Effekt, etc.) ein großes Qualitätsproblem dar und ist oft nur schwierig in den Griff zu bekommen. Die Ursache von Bogenlauf liegt fast immer in einer inhomogenen thermischen Situation des Produktes während der Abkühlung und kann häufig durch eine Anpassung der Abkühlbedingungen stark verringert oder vollständig behoben werden.
Die Ursache für die Verformung von extrudierten Produkten basiert in sehr vielen Fällen auf einer inhomogenen thermischen Volumenschwindung des Materials über den Extrudatquerschnitt. Während des Abkühlvorganges werden unterschiedliche Bereiche eines extrudierten Produktes (z.B. Randbereiche/Kernbereich einer extrudierten Platte oder unterschiedliche Bereiche eines Profils mit unterschiedlichen Wandstärken) oft sehr unterschiedlich stark gekühlt.
Welche Auswirkungen hat inhomogene Kühlung?
Ungleichmäßige thermische Zustände in einem zusammenhängenden extrudierten Körper führen zur Ausbildung von Eigenspannungen. Die bereits erkalteten Stellen in einem Profilquerschnitt sind bereits formstabil und nicht mehr verformbar. Angrenzende Bereiche des Profils, die noch erhöhte Temperaturen aufweisen kühlen weiter ab und reduzieren unter Temperaturabnahme ihr spezifisches Volumen (die Dichte nimmt zu). Das nachfolgende Diagramm zeigt die sich ändernde Dichte eines PE-HD Materials während des Abkühlvorganges. Bei Temperaturen oberhalb von 200°C weist das Material eine vergleichsweise geringe Dichte von lediglich 0,76g/cm³ auf. Während der Abkühlung erhöht sich dieser Wert bis er bei 20°C fast den Wert von 0,98g/cm³ erreicht.
Das Material schwindet somit um mehr als 20% was natürlich gleichbedeutend ist mit einer Änderung (Reduktion) des spezfischen Volumens um 20%. Das Material zieht sich regelrecht während der Abkühlung zusammen. Sofern dieser Prozess für das gesamte Profil einheitlich von statten geht, stellt diese starke Volumenabnahme kein größeres Problem dar.
Wenn jedoch bereits Teile des Profils erkaltet sind und somit dort keine Molekülkettenumlagerung mehr stattfinden kann, führt die noch fortschreitende Volumenschwindung der angrenzenden Bereiche zu einem Aufbau von Spannungen und sofern diese Spannungen zu groß werden auch zu einer Deformation des Materials.
Die Bogenbildung erfolgt in Richtung der warmen Extrudatbereiche
Folglich ist es einleuchtend, dass eine Verformung des Profils (sofern diese schwindungsbedingt ist) immer in die Richtung erfolgt, in der das Profil innerhalb der Kühlstrecke am längsten hohe Temperaturen aufweist, also in der Regel in die Richtung der dickwandigsten Bereiche. Im unten dargestellten Simulationsergebnis (chillWARE 3D – profileSIM) ist deutlich zu sehen, dass der Steg unten rechts schon vollständig erkaltet ist (T < 60°C), während der innenliegende Steg noch Temperaturen von mehr als 150°C aufweist. In diesem Fall würde somit dort die Schwindung fortschreiten, während die angrenzenden Bereiche schon erkaltet sind. Die Folge in diesem Anwendungsbeispiel ist somit nicht unbedingt die Ausbildung eines Bogenlaufes sondern sogar eine vollständige Verformung des Profils (besonders an der gewölbte Oberfläche an der linken Profilwand sowie der rechten Profilanteile).
In weiteren Beiträgen werden wir auf spezielle Profilgeometrien sowie deren Verformungstendenzen eingehen und in unserem kostenlosen Downloadbereich anschauliche Beispiele zur Vermeidung des Bogenlaufes durch spezielle Prozessparametrierungen oder nachträgliche Einbringung von Heizzonen darlegen.[:en]
In different extrusion processes, curvature (or bowing, sabre-running, katana effect, etc.) represents a major quality problem and is often difficult to get a grip on. The cause of the curvature is almost always an inhomogeneous thermal situation of the product during cooling and can often be greatly reduced or completely eliminated by adjusting the cooling conditions.
The cause for the deformation of extruded products is based in very many cases on an inhomogeneous thermal shrinkage of the material over the extrudate cross section. During the cooling process, different areas of an extruded product (e.g. edge area/core area of an extruded sheet different area of a profile with different wall thicknesses) are often cooled different and not homogeneous.
What are the effects of inhomogeneous cooling?
Uneven thermal conditions in a continuous extruded product lead to the formation of residual stresses. The already coold spots in a profile cross-section are already dimensionally stable and no longer deformable. Adjoining areas of the profile that still have elevated temperatures continue to cool and reduce their specific volume (density increases) while decreasing temperature. The following diagram shows the changing density of a PE-HD material during the cooling process. At temperatures above 200° C, the material has a comparatively low density of only 0.76g/cm3. During cooling, this value increases until it almost reaches the value of 0.98g/cm³ at 20° C.
The material thus shrinks by more than 20%, which is of course equivalent to a 20% change (reduction) in the specific volume. The material literally contracts during the cooling process. If this process is uniform for the entire profile, this large decrease in volume does not pose a major problem.
However, if parts of the profile have already cooled down and thus no more molecular chain rearrangement can take place there, the still progressive volume shrinkage of the adjacent areas lead to a build-up of stresses and if these stresses become too large also to a deformation of the material.
The curvature is formed in the direction of the warm extrudate areas
It is therefore obvious that deformation of the profile (if this is due to shrinkage) always occur in the direction in which the profile has the highest temperatures (over the time) within the cooling section, i.e. generally in the thickest areas. In the simulation result shown below (chillWARE 3D – profileSIM) it can be clearly seen that the ridge at the bottom right has already completely cooled down (T<60° C), while the internal ridge still has temperatures of more than 150° C. In this case, the shrinkage would proceed while the adjacent areas have already cooled down. The result in this application example is therefore not necessarily the formation of an arc but even a complete deformation of the profile (especially on the curved surface on the left profile wall and the right profile parts).
In further articles we will discuss special profile geometries and their deformation tendencies, and in our free download area we will present illustrative examples for avoiding sheet travel by means of special process parameterization or subsequent insertion of heating zones.[:]