Inzicht in glasovergangstemperatuur (Tg) bij spuitgieten en CNC-verspaning

Kennis van materiaalgedrag in spuitgieten en CNC-bewerking is cruciaal voor de ontwikkeling van kwaliteitsproducten. De glasovergangstemperatuur (Tg) is een essentiële materiaaleigenschap voor spuitgieten en CNC-machines. Deze eigenschap wordt gebruikt om de verwerkingsomstandigheden te bepalen. Het bepaalt ook de prestaties van composieten en kunststoffen en de structurele integriteit. De glasovergangstemperatuur is een cruciaal element dat het gedrag van materialen beïnvloedt. Het wordt gebruikt voor spuitgieten en CNC-verspaning tijdens de verwerking en de gehele levensduur.

Wat is de glasovergangstemperatuur (Tg)?

De glasovergangstemperatuur (Tg) verwijst naar de temperatuur waarbij een semikristallijn en amorf polymeer overgaat van een glasachtige toestand naar een zachte en leerachtige toestand. Het is de temperatuur waarbij een amorf polymeer verandert van een harde in een gladde toestand.

De glasovergangstemperatuur (Tg) is een heel belangrijke temperatuur. Deze bepaalt wanneer polymeren veranderen van een glasachtige toestand (die een beetje stijf is) naar een flexibele toestand. Deze verandering beïnvloedt hoe de polymeren verwerkt kunnen worden en hoe ze zich mechanisch gedragen. Dit proces vindt niet alleen plaats bij polymeren, maar ook bij glazen en amorfe materialen. De Tg markeert het moment waarop de moleculen in deze materialen meer gaan bewegen.

De Tg is de temperatuur waarbij het polymeer overgaat van een stijve toestand naar een glasachtige toestand, vervolgens naar een rubberachtige toestand en ten slotte naar een flexibele toestand. De meting van de Tg is strikt gestandaardiseerd met behulp van een differentiële scanningcalorimeter (DSC) volgens internationale protocollen zoals ASTM D3418. ^[1]. Deze uiterst gevoelige analyseapparatuur meet de specifieke verandering in warmtecapaciteit wanneer het polymeer overgaat van een stijve, glasachtige toestand naar een soepele, rubberachtige toestand, waardoor exacte thermische grenzen worden vastgesteld in plaats van een schatting.

De Tg-waarde geldt voor een bepaald temperatuurbereik. Deze waarde komt niet automatisch als een exacte getalswaarde uit de grafiek naar voren. Bij temperaturen onder deze waarde worden de polymeren stijf en broos, en bij temperaturen daarboven worden ze vervormbaar en flexibel.

Kennis van de temperatuur is belangrijk voor een optimaal spuitgietproces en CNC-bewerking. Het is de rol van de machine om fabrikanten te helpen bij het bepalen van de juiste verwerkingstemperatuur.

Als kristallijn polymeer tot een bepaalde temperatuur wordt verhit, ontstaat er een ordelijke ordening die de lange ketenstructuur beschrijft. De ordening resulteert in een ongeorganiseerde en willekeurige ordening. De vaste polymeren gaan meestal over en smelten tot een vloeistof. De temperatuur waarbij het smelten plaatsvindt, wordt het smeltpunt (Tm) genoemd. Polymeren met een kristallijn en amorf deel hebben een smeltpunt en een glasovergangstemperatuur.

De rol van Tg in spuitgieten

De productie-industrie maakt steeds meer gebruik van uitgebreide, veelzijdige productietechnieken. Het doel is om te voldoen aan de veranderende behoeften en eisen van consumenten. Steeds meer processen richten zich op kunststofproductie. Het proces begint met het verhitten van materiaal bij een specifieke temperatuur. Vervolgens wordt het in de matrijs geïnjecteerd en later afgekoeld om de vorm te creëren. De Tg is belangrijk in het proces voor functies zoals:

Vormontwerp en materiaalstroom: Door een lage Tg kunnen materialen onder invloed van warmte gemakkelijk vloeien. Dankzij deze uitstekende vloeibaarheid kunnen ideale, zeer gedetailleerde dunwandige onderdelen worden vervaardigd, wat vaak wordt aangetoond door middel van analyse van de matrijsstroming. Omgekeerd zal het materiaal niet goed vloeien als het in een matrijs wordt geïnjecteerd die onder de vereiste Tg-drempel werkt. Deze voortijdige afkoeling leidt doorgaans tot onvolledige vulling van de holtes en onderdelen met veel gebreken.

Koelen en stollen: Na het spuitgieten is koeling en stolling noodzakelijk. Een onjuiste regeling van de koelsnelheid op basis van de Tg-impact kan leiden tot diverse spuitgietfouten zoals kromtrekken, krimpen en vervorming. De afkoeltijd van de matrijstemperatuur moet worden geregeld. Het doel is om de zachtheid van het materiaal weg te werken.

Mechanische eigenschappen: Polymeren voor spuitgieten veranderen hun mechanische eigenschappen. De veranderingen zijn afhankelijk van of het onderdeel zich boven of onder de Tg bevindt. Bij een laag Tg-niveau is het bijvoorbeeld minder bros. Boven de Tg is het materiaal flexibel, wat leidt tot spanningsabsorptie zonder te breken.

Optimalisatie van de productie-efficiëntie: De vormgevers kunnen de gietcyclus, waardoor de productietijd toeneemt en de efficiëntie afneemt. Materialen met een hoge Tg hebben meer tijd nodig om af te koelen. Materialen met een lagere Tg hebben tijdens de verwerking minder tijd nodig.

Glasovergangstemperatuur en CNC-verspaning

CNC (Computer Numerical Control) verwijst naar productieprecisie die de bewegingen van machines integreert bij het snijden en vormen van materialen. Verschillende soorten polymeren, kunststoffen en composieten worden machinaal bewerkt. Deze soorten richten zich op CNC-verspaning en het maken van legeringen en metalen. De bewerking vindt plaats in industrieën zoals geautomatiseerde productie en medische apparatuur. De rol van Tg bij CNC verspanen hangt af van de aard en het type materiaal in het bewerkingsproces:

Temperatuurregeling bij machinale bewerking: Materialen worden tijdens het bewerkingsproces bij CNC-bewerking blootgesteld aan extreme hitte. Een temperatuur die hoger is dan de Tg-waarde leidt tot een verlies aan stijfheid. Deze thermische belasting leidt direct tot een slechte oppervlakteafwerking en ernstige vormvervorming. Daarom moeten operators de omgeving voortdurend in de gaten houden. Dit strikte toezicht is noodzakelijk om te voorkomen dat temperatuurgevoelige polymeren tijdens zware verspaningscycli hun Tg-waarde overschrijden.

Selectie van materialen: De glasovergangstemperatuur is van belang bij het bepalen van het geschikte materiaal. Tijdens CNC-bewerkingen zorgen sterke snijkrachten van nature voor aanzienlijke wrijvingswarmte op het raakvlak tussen het gereedschap en het werkstuk. Als deze plaatselijke snijtemperatuur de Tg van het betreffende polymeer overschrijdt, verliest het materiaal onmiddellijk zijn structurele stijfheid en gaat het over in een rubberachtige toestand ^[2]. Deze thermische overgang leidt tot ernstige dimensionale vervorming, een slechte oppervlakteafwerking en snelle slijtage van het gereedschap. De vervorming is het gevolg van overmatige druk, wat tot ongewenste resultaten leidt. Materialen met een hoge Tg-waarde zijn geschikt voor zeer nauwkeurige CNC-toepassingen zolang ze bij hogere temperaturen stabiel blijven.

Gereedschap en snijparameters: Er zijn CNC-bewerkingsaanpassingen nodig. Elementen zoals voedingssnelheid, snelheid en gereedschapstype moeten worden aangepast om de Tg van de materialen te kunnen verwerken. De polymeren met een lagere Tg vereisen langzame voedingssnelheden. Ze hebben ook aangepaste gereedschappen nodig om warmteontwikkeling tegen te gaan. De hogere Tg vraagt om hogere snelheden en een effectievere manier van spannen.

Glasovergangstemperatuur in verschillende materialen

Verschillende Tg-waarden beïnvloeden het gedrag en de verwerking van CNC-verspaning en spuitgieten. Enkele veelgebruikte materialen voor de twee industrieën zijn;

Thermoplasten

Een polymeer dat bij verhitting zachter wordt en goed vloeit, wordt een thermoplast genoemd. Deze vloeibare toestand ontstaat doorgaans wanneer de specifieke glasovergangstemperatuur van het materiaal wordt overschreden. Dit fysische proces is volledig omkeerbaar. Daardoor kan het materiaal op effectieve wijze opnieuw worden verwerkt of gerecycled. De materialen hebben een Tg die bepalend is voor hun gedrag bij het vormen en bewerken.

Polypropyleen (PP): Tg = -10°C tot -20°C

Het gebruik van polypropyleen wordt veelvuldig toegepast bij het spuitgieten van thermoplasten. Een kenmerkend eigenschap van dit materiaal is de van nature lage Tg. Dankzij deze lage thermische drempelwaarde is het uitzonderlijk gemakkelijk te verwerken en zeer flexibel bij kamertemperatuur. De lage Tg zorgt ervoor dat het gemakkelijk te verwerken is en maakt het ook flexibeler bij hoge temperaturen. Het proces vereist een effectieve temperatuurregeling en verwerking om vervormingen te voorkomen.

Polycarbonaat (PC): Tg = 145 graden

De Tg in polycarbonaat is hoog, waardoor het geschikt is voor toepassingen die hoge prestaties vereisen. Het polycarbonaat brengt een risico met zich mee bij het spuitgieten vanwege de hoge Tg. Vanwege de Tg zijn hoge temperaturen nodig voor het spuitgieten en zijn er langere afkoeltijden vereist.

Polystyreen (PS); Tg= 100 graden

Polystyreen is van belang bij de verpakking en de productie van wegwerpservies. De Tg is gemiddeld en het materiaal is eenvoudig te verwerken bij spuitgieten. Er moeten voorzorgsmaatregelen worden genomen om overmatige kromtrekking en afkoeling te voorkomen.

Polyamide (Nylon): Tg = 50 graden tot 70 graden

De huidige Tg in Nylon is laag. Het materiaal heeft een uitstekende sterkte en slijt niet snel. De materialen hebben unieke eigenschappen die voortvloeien uit de hoge Tg-waarden. Bij het regelen van het temperatuurbeheer moet extra aandacht worden besteed aan de Tg om vervorming en verzachting te voorkomen.

Thermoharders

De thermohardende kunststoffen ondergaan een uithardingsproces dat niet omkeerbaar is. De samenstellingen in de thermohardende kunststof worden bij een bepaalde temperatuur getest. Het uitgangsmateriaal voor de vervaardiging van een thermohardende kunststof is vloeibaar vóór de uitharding. Bovendien kan de vloeistof kleefkracht hebben. De materialen vertonen unieke eigenschappen vanwege de hoge Tg-waarden.

Epoxy: Tg= 100 graden tot 250 graden, afhankelijk van formulering

Epoxyharsen worden gebruikt in toepassingen met hoge sterkte in de auto- en luchtvaartindustrie. De Tg verandert afhankelijk van de additieven en uithardingsmiddelen. Een hoge Tg zorgt voor een perfecte thermische stabiliteit. De epoxy functionele harsen kunnen homo-polymerisatie ondergaan met een kationische en anionische katalysator of horen. Wanneer de reactie verdergaat, ontstaan er grotere moleculen die zich opsplitsen in structuren.

Fenol: Tg= 140 graden en 200 graden

Fenol werkt het beste in omgevingen met hoge temperaturen. De hoge Tg vereist aangepaste gereedschappen en warmtebeheer tijdens het bewerkingsproces.

Composieten

Composietmaterialen hebben een brede waaier van Tg-waarden die afhangen van de verschillende samenstellingen. De composietmaterialen bevatten vezels met verschillende Tg-waarden op basis van de bestaande structuur.

Koolstofvezelversterkte polymeren (CFRP): Tg= 150 graden tot 300 graden

De bestaande CFRPS hebben hoge Tg-waarden en zijn bestand tegen vervorming onder extreme temperaturen. De materialen vereisen snijgereedschappen met hoge prestaties voor CNC-verspaning. Het doel is om degradatie onder hitte te voorkomen.

Glasovergangstemperatuur van gewone materialen grafiek

Beste praktijken voor het beheren van de glasovergangstemperatuur

De professionals moeten CNC-verspaning en spuitgieten volgen. Het doel is om een optimale bewerking en kwaliteit op Tg.

Ken de Tg. van uw materiaal: Er is behoefte aan inzicht in het Tg-materiaal bij gebruik. Deze informatie is noodzakelijk om de parameterverwerking van gereedschapsselectie, temperatuur en koelsnelheden te verbeteren.

Temperatuur regelen tijdens verwerking:  Temperatuurbeheer bij CNC-verspaning en spuitgieten vereist een effectief temperatuurbeheer. Het temperatuurniveau moet rond Tg liggen. Dit zorgt ervoor dat alle materialen in de optimale staat blijven voor machinaal bewerken en spuitgieten.

Vormontwerp en koelsnelheden optimaliseren: Voorkomen van elementen zoals kromtrekken vormontwerp en koelsnelheden die zijn afgestemd op de materialen. Het resultaat is het voorkomen van onjuist stollen en kromtrekken.

Selectie van de juiste gereedschappen voor CNC-verspaning: Gebruik de juiste snijparameters en gereedschappen om slijtage te beperken. De keuze moet gebaseerd zijn op materialen met een hoge Tg.

Uitharding en bewaking Koeling: Het monitoren van real-time temperatuur en controle zal helpen om Tg te sturen. Er zullen geen overschrijdingen zijn in het proces die leiden tot defecten en vervormingen.

Toekomstige trends en ontwikkelingen in tg-beheer

Robotica en automatisering: De productie-industrieën worden massaal geautomatiseerd. Het is eenvoudiger om processen die Tg beïnvloeden, zoals koeling en temperatuur, te controleren. Robotica biedt ook een mogelijkheid om processen te controleren. Het resultaat is een aanhoudende en nauwkeurige materiaalbehandeling. De methode strekt zich uit tot het machinale bewerkings- en gietproces.

Geavanceerde sensoren voor real-time monitoring: Het internet der dingen en slimme sensorapparaten komen steeds vaker voor bij CNC-verspaning en spuitgieten. De sensoren bieden realtime gegevens over druk, temperatuur en materiaaleigenschappen. Het effect is een betere controle over Tg. Daarnaast profiteren belanghebbenden van een hogere productkwaliteit.

Duurzame materialen: De toepassing van gerecyclede materialen en componenten op biologische basis bij CNC-verspaning en spuitgieten blijft toenemen. De vraag naar duurzaamheid in de productie suggereert het gebruik van dergelijke materialen. De impact is niet alleen winstgevend, maar ook sociaal. De materialen hebben over het algemeen verschillende Tg-eigenschappen die parameterwijzigingen vereisen om optimale resultaten te bereiken.

Conclusie

De glasovergangstemperatuur is een cruciale eigenschap die bepalend is voor het gedrag van een materiaal. De invloed ervan strekt zich uit tot de verwerking, de prestaties van verschillende aspecten van CNC-bewerking en de productiekwaliteit. Professionals moeten op effectieve wijze geoptimaliseerde processen toepassen om kwalitatief hoogwaardige en duurzame producten te realiseren. De Tg is van toepassing op thermoplasten en thermoharders. Ook is het van cruciaal belang dat CNC-bewerking en spuitgieten een positieve invloed hebben op het productieproces van het product.

De opkomende trends in de transformatie van sensoren resulteren in real-time monitoring. Daarnaast maken veranderingen in robotica en automatisering het proces eenvoudiger.

Ten slotte zal de focus op duurzaamheid zorgen voor een passende toename van gerecyclede materialen en spuitgieten op biologische basis, waardoor de materialen effectief zullen toenemen. De laatste component zijn de Tg-eigenschappen die veranderingen in de parameters en het bereiken van optimale resultaten vereisen. 

Referentie

[1] ASTM International. (2021). ASTM D3418-21 Standaardtestmethode voor overgangstemperaturen en smelt- en kristallisatie-enthalpieën van polymeren met behulp van differentiële scanningcalorimetrie. https://doi.org/10.1520/D3418-21

[2] Kalpakjian, S., & Schmid, S. R. (2014). Productietechniek en -technologie (7e druk). Pearson. https://books.google.com/books?id=frF9MgEACAAJ