Obr. 16. Vliv umístění tlakového senzoru na průběh tlaku uvnitř dutiny formy
Tvar křivky průběhu tlaku v dutině formy a dosažené maximum je závislé také na umístění tlakového snímače (viz obr. 16). Nejvyšší hodnoty tlaku uvnitř dutiny formy je možno naměřit v místě ústí vtoku. Ve vzdálenějších pozicích od vtoku tlak nedosahuje výše tlaku u vtoku a jeho časový průběh je kratší. Z hlediska řízení přepnutí na dotlakovou fázi v závislosti na tlaku v dutině nástroje je nejvýhodnější umístění tlakového snímače mimo oblast vtoku, do středu výstřiku [1, 7, 19].
2.5 Diagram p-v-T
Během procesu vstřikování plastů nedochází pouze ke změnám tlaku p, ale i změnám teploty T a měrného objemu v polymeru. Závislost těchto stavových veličin zachycuje p-v-T diagram, přičemž každý plastický materiál je charakterizován svým specifickým p-v-T diagramem. Diagram p-v-T je běžně zobrazován ve dvojrozměrném formátu, kde měrný objem je funkcí teploty při různých konstantních hodnotách tlaků.
K výpočtům závislosti měrného objemu na teplotě a tlaku lze použít stavové rovnice. Nejznámější je van der Waalsova rovnice ve tvaru:
(p+π) (⋅ −v ω)=R Tm⋅ (11)
kde p je vnější tlak, π vnitřní tlak vznikající jako důsledek vnitřních sil ve hmotě, v měrný objem polymeru, ω měrný objem polymeru při 0 K, T teplota, Rm materiálová konstanta polymeru analogická plynové konstantě [4, 16].
V souřadnicích měrný objem – teplota jsou křivky konstantního tlaku přímky.
Směrnice přímky však nemají vlivem skokově se měnících vlastností polymerů v závislosti na teplotě stejnou hodnotu pro všechny teploty a izobarické přímky vykazují zlomy. Tyto zlomy jsou vázány na přechodové teploty polymerů, v důsledku toho mají konstanty R, ω a π jiné hodnoty v závislosti na tom, ve které oblasti vymezené přechodovými teplotami se teplota polymeru aktuálně nachází. Na základě odlišného vlivu teploty na vlastnosti amorfních a semikrystalických polymerů se od sebe liší i příslušné p-v-T diagramy [4, 25].
Diagramy p-v-T pro amorfní (viz obr. 17) i semikrystalické (viz obr. 18) polymery vykazují růst měrného objemu s rostoucí teplotou v důsledku teplotní roztažnosti a pokles měrného objemu s rostoucím tlakem (při konstantní teplotě) z důvodu stlačitelnosti plastů.
Obr. 17. Diagram p-v-T pro amorfní plast polystyren
Semikrystalické plasty vykazují oproti amorfním plastům skokovou změnu měrného objemu při jejich přechodové teplotě nazývané teplota tání [4].
Van der Wallsova stavová rovnice zcela přesně nezachycuje chování plastů, neboť izobary v souřadnicích měrný objem - teplota mají tvar přímek, které se ostře Obr. 18. Diagram p-v-T pro semikrystalický plast polypropylen
Obr. 19. Diagram p-v-T pro polypropylen vycházející z Taitovy rovnice
lámou v oblastech přechodových teplot. Pro bližší přiblížení se realitě je v dnešní době používanější především pro výpočty simulačních programů modifikovaná Taitova rovnice. Při použití Taitovy rovnice jsou přímky izobar mírně zaobleny tak, aby se co nejvíce blížily skutečnosti. U semikrystalických plastů jsou navíc ostré zlomy izobar na spodní hranici oblasti krystalizace nahrazeny exponenciálními křivkami, jak je to vyobrazeno na obr. 19.
Taitova rovnice obsahuje množství konstant specifických pro konkrétní materiál a má dosti komplikovaný tvar:
)
přičemž platí následující vztahy:
př konstanta a bi jsou materiálové konstanty pro daný polymer [16, 24, 26].
2.5.1 Vstřikovací cyklus v diagramu p-v-T
Vynesením vstřikovacího cyklu do p-v-T diagramu získáme uzavřený obrazec, jak je patrné z obr. 20. V tomto případě se jedná o p-v-T diagram pro amorfní plast. Průběh diagramu je výrazně jednodušší než v případě semikrystalického plastu, který byl použit v experimentálních měřeních, nicméně pro ilustraci a vysvětlení dostatečně vyhovuje.
Plast je izobaricky zahříván z bodu 6 do bodu 1, kde se nachází již v podobě taveniny. Během vstřikovací fáze 1-3 stoupá tlak taveniny. Vstřikovací fáze je rozdělena bodem 2, který představuje okamžik objemového vyplnění dutiny nástroje při téměř konstantní teplotě. Dále následuje komprese taveniny v dutině nástroje 2-3, vyskytující se u určitých postupů technologie vstřikování. Na konci vstřikovací fáze v bodě 3 začíná fáze dotlaku vyrovnávající termickou kontrakci roztaveného plastu, tedy zmenšování objemu taveniny v dutině nástroje v důsledku chlazení. Po zatuhnutí vtoku v bodě 4 dochází k izochorickému poklesu tlaku až na tlak okolí 5. Z bodu 5 do bodu 6 pak klesá teplota výstřiku na teplotu okolí [4, 16].
U technologie vstřikování plastů se objevuje pojem „p-v-T řízení“
vstřikovacího procesu, což není nic jiného než řízení oblasti dotlaku 3-4, někdy na základě zjednodušení označované jako „izobarický dotlak“, za účelem vyrovnávání variability technologických parametrů procesu, především kolísání teploty a tlaku taveniny. Cílem p-v-T řízení je dosažení stejné hodnoty měrného objemu výstřiku Obr. 20. Vstřikovací cyklus v p-v-T diagramu
v měřeném bodě při jeho vyjmutí ze vstřikovacího nástroje pro opakující se výrobní cykly, a tím zajištění dobré stability výroby [32].
Průběh vstřikovacího cyklu v p-v-T diagramu dává komplexnější informaci o probíhajících dějích během procesu vstřikování plastů, než tomu bylo u průběhu tlaku v dutině nástroje, ve kterém se odrazí víceméně pouze proces plnění dutiny.
2.5.2 Vliv dráhy toku na vstřikovací cyklus v p-v-T diagramu
Jak již bylo zmíněno, popsaný dvojrozměrný p-v-T diagram s časovou závislostí stavových veličin ve vstřikovacím cyklu dává informaci o dějích pouze v jednom bodě výstřiku. Pro bližší představu se pro technologii vstřikování termoplastů s výhodou používá trojrozměrný p-v-T diagram, který je rozšířen o osu dráhy toku taveniny (viz obr. 21). Z obrázku je zřejmé, že s rostoucí vzdáleností dráhy toku taveniny klesá její tlak, což má následně vliv na nehomogenitu měrného objemu v závislosti na toku taveniny. Měrný objem roste u konvenční technologie s rostoucí vzdáleností od vtoku [24, 33, 45].
Obr. 21. Vstřikovací cyklus v p-v-T diagramu rozšířeném o osu dráhy toku
Při detailnějším rozboru měrného objemu ve vstřikovaném díle je možné zaznamenat změny i napříč stěnou výstřiku, které vycházejí z obdobného principu jako je změna měrného objemu v závislosti na dráze toku taveniny v dutině nástroje.
V povrchových vrstvách výrobku dochází k rychlejšímu chladnutí, zatímco ve vrstvách vnitřních se tavenina ochlazuje pomaleji a zároveň je zde možné déle působit dotlakem, což má za následek větší měrný objem výstřiku u stěn dutiny nástroje. Tyto rozdíly měrného objemu ve výstřiku jsou potom příčinou vzniku vnitřního pnutí [24].
Řada nových technologií klade důraz na p-v-T diagramy a snaží se řídit vstřikovací proces tak, aby dosáhly co nejoptimálnějšího plnění. Pokud bychom zanesli do takovéhoto p-v-T diagramu například technologii kompresního vstřikování, která si klade za cíl dosažení vstřikování dílů s minimálním vnitřním pnutím, vykazovala by fáze dotlaku pro všechna místa stejný průběh [33, 41].