Analýza vnitřních vad u silnostěnného plastového dílu a možnosti jejich odstranění
Diplomová práce
Studijní program: N2301 – Strojní inženýrství
Studijní obor: 2301T048 – Strojírenská technologie a materiály Autor práce: Bc. Aleš Bobek
Vedoucí práce: prof. Dr. Ing. Petr Lenfeld
Diploma thesis
Study programme: N2301 – Mechanical Engineering
Study branch: 2301T048 – Engineering Technology and Materials
Author: Bc. Aleš Bobek
Supervisor: prof. Dr. Ing. Petr Lenfeld
A N O T A C E
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní
Katedra strojírenské technologie Oddělení tváření kovů a plastů ABSTRAKT
Tato diplomová práce se zabývá problematikou vnitřní vady plastového silnostěnného dílu - vyztužujícího kroužku z materiálu POM. Jedná se o vnitřní nehomogenitu netransparentního polymerů, dutinu uvnitř výstřiku. Práce je rozdělena na dvě části, a to na teoretickou a experimentální část. Teoretická část je zaměřena na popis technologie vstřikování plastů a rozbor vznikající vady uvnitř výstřiku. Experimentální část se věnuje jednotlivým postupům pro možné odstranění vady, optimalizaci vstřikovacích parametrů a konstrukce vstřikovací formy. Změny na konstrukci vstřikovací formy byly ověřovány experimentálně s podporou simulace vstřikovacího procesu v programu Autodesk Simulation Moldflow. V závěru práce jsou poté uvedeny získané výsledky a přijaté opatření.
Klíčová slova: plastový díl, silnostěnný výrobek, optimalizace vstřikovacích parametrů, vstřikování plastů, simulace vstřikovacího procesu
ABSTRACT
This thesis work examines the issue of defect of thick-walled plastic part - the reinforcement ring of POM. This is an internal inhomogeneity non-transparent polymers, ie.
cavern inside the part. The work is divided into two parts, the theoretical and experimental part.
The theoretical part focuses on the description of the injection molding technology and analysis of analyse defects inside the part. The experimental part deals with the various procedures for the possible removal of defects, optimize injection parameters and construction of the injection mold.
Changes on the construction of the injection mold were verified experimentally with the support of the injection process simulation program Autodesk Simulation Moldflow. Obtained results are presented in the conclusion.
Key Words: plastic part, thick-walled plastic part, optimization injection parameters, plastic
PODĚKOVÁNÍ
Touto cestou bych chtěl poděkovat za odborné vedení, cenné připomínky a návrhy k vypracování svému vedoucímu diplomové práce prof. Dr. Ing. Petru Lenfeldovi. Poděkování patří také firmě Dřevoplast Ludvík s.r.o., jmenovitě panu Milanovi Ludvíkovi za pomoc při experimentální části výroby plastových dílů. V neposlední řadě bych chtěl poděkovat celé rodině za trpělivost a celkovou podporu při studiu.
1. ÚVOD 11
2. TEORETICKÁ ČÁST 14
2.1 PLASTY A JEJICH ZPRACOVATELSKÉ VLASTNOSTI 14
2.1.1 ROZDĚLENÍ PLASTŮ PODLE MOLEKULÁRNÍ STRUKTURY 16
2.1.2 MORFOLOGIE POLYMERŮ 17
2.2 ÚPRAVA POLYMERŮ 22
2.3. TECHNOLOGIE VSTŘIKOVÁNÍ 23
2.3.1 VSTŘIKOVACÍ CYKLUS 24
2.3.2 FÁZE PROCESU VSTŘIKOVÁNÍ 26
2.3.3 PARAMETRY PROCESU VSTŘIKOVANÍ 29
2.3.5 VSTŘIKOVACÍ FORMA 31
2.3.5 VLIVY KONSTRUKCE PLASTOVÉHO DÍLU NA VSTŘIKOVACÍ PROCES 33 2.3.6 VLIVY KONSTRUKCE VSTŘIKOVACÍ FORMY NA VSTŘIKOVACÍ PROCES 34
2.5 VADY VÝSTŘIKŮ 39
2.5.1 ZÁKLADNÍ ROZDĚLENÍ VAD 39
2.5.2 VADY A JEJICH PŘÍČINY 39
2.5.2.1 STUDENÉ SPOJE 39
2.5.2.2 PROPADLINY, STAŽENINY, ZVLNĚNÍ POVRCHU 41
2.5.2.3 VADY POVRCHU 41
2.5.2.4 SKRYTÉ VADY 42
2.5.2.5 PŘETOKY (PŘESTŘIKY) A NEÚPLNÉ VÝSTŘIKY 44
2.5.2.6 ROZDÍLY V LESKU 45
2.5.2.7 VZDUCHOVÉ KAPSY 45
2.5.2.8 MÍSTNÍ SPÁLENÍ MATERIÁLŮ (DIESEL EFEKT) 46
2.5.2.9 KRESBA PO VOLNÉM PROUDU TAVENINY (JETTING) 46
2.5.2.10 EFEKT GRAMOFONOVÉ DESKY 47
2.5.2.11 DALŠÍ VADY 48
2.6 VLIV TEPLOTY TAVENINY NA VADY VÝSTŘIKŮ 48
2.7 CHARAKTERISTIKA POLYOXYMETHYLENU (POM) 51
3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST 55
3.1 SESTAVA POUŽITÍ VÝSTŘIKU 55
3.1.1 ANALÝZA POŽADOVANÉHO VÝROBKU 56
3.1.2 POUŽITÝ MATERIÁL 56
3.1.3 POPIS VADY 58
3.1.2 VSTŘIKOVACÍ FORMA 60
3.1.3 VSTŘIKOVACÍ STROJ ARBURG 65
3.1.4 KONTROLNÍ MĚŘENÍ MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ STÁVAJÍCÍHO VÝSTŘIKU
3.2 NÁVRH ŘEŠENÍ PRO ODSTRANĚNÍ VNITŘNÍCH DUTIN 70
3.2.1 ÚPRAVA VSTŘIKOVACÍCH PARAMETRŮ 70
3.2.2 ZHODNOCENÍ MATERIÁLU, VLHKOST VS. PŘEDSUŠOVÁNÍ, ÚPRAVA
VSTUPNÍHO MATERIÁLU POMOCÍ ADITIVA 75
3.2.3 ÚPRAVA KONSTRUKCE VSTŘIKOVACÍ FORMY 76
3.2.4 KONSTRUKCE PROTOTYPOVÉ FORMY S HORKOU TRYSKOU 79
3.2.5 VÝROBA NOVÉ VSTŘIKOVACÍ FORMY S HORKÝM ROZVODEM 83
3.3 VYHODNOCENÍ A DISKUZE VÝSLEDKŮ 85
3.3.1 VYHODNOCENÍ DÍLŮ POMOCÍ ŘEZŮ 85
3.3.2 TESTOVÁNÍ MECHANICKÝCH VLASTNOSTÍ V SESTAVĚ TLUMIČE 88
3.3.3 NAMĚŘENÉ DÍLY ZE SERIOVÉ FORMY 89
3.3.4 VYHODNOCENÍ PROCESU A KVALITY DÍLU 91
4. ZÁVĚR 93
5. SEZNAM LITERATURY 94
SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ:
ASTM americká společnost pro zkoušení a materiály
Cmk index způsobilosti nástroje [-]
Ds dodatečné smrštění [%]
DSC diferenciální skenovací kalorimetrie
Et modul pružnosti [Pa]
Fu uzavírací síla [N]
Fp přisouvací síla [N]
HDPE vysokohustotní polyethylen
σM mez pevnosti [Pa]
εtb poměrné prodloužení [-]
LDPE nízkohustotní polyethylen
Lf rozměr formy [mm]
Lv rozměr výstřiku [mm]
MVR objemový index toku taveniny [cm3/10 min]
PAI polyamidmid
PBT polybuthylentereftalát
PE polyethylen
PEI polyetherimid PET polyethylentereftalát PMMA polymethyl-methakrylát
POM polyoxymethylen, Polyformaldehyd, Polyacetát
PP polypropylen
PS polystyren
TPE termoplastický elastomer PUR polyuretan
PVC polyvinylchlorid
pi vnitřní tlak v dutině formy [MPa]
sk pohyb šneku [mm]
sn pohyb nástroje [mm]
T teplota [°C]
T801 1. topná zóna vstřikovací komory [°C]
T802 2. topná zóna vstřikovací komory [°C]
T803 3. topná zóna vstřikovací komory [°C]
T804 4. topná zóna vstřikovací komory [°C]
T805 topná zóna na trysce [°C]
Tg teplota zeskelnění [°C]
Tm teplota tání u semikrystalických plastů [°C]
Tf teplota viskózního toku u amorfních plastů [°C]
Tt teplota taveniny [°C]
tch čas chlazení [s]
td čas dotlaku [s]
tm čas manipulace vyhození výstřiku [s]
tpl čas plastikace [s]
ts1 čas pohybu pohyblivé části formy k pevné [s]
ts2 čas zavření formy [s]
ts3 čas otevření formy [s]
tv čas plnění dutiny formy [s]
UV ultrafialové záření
V celkový objem materiálu [m3]
Va objem amorfní části [m3]
Vc objem krystalické části [m3]
Vs výrobní smrštění [%]
X stupeň krystalinity [%]
1. ÚVOD
Technologie vstřikování termoplastů je obecně považována za velmi produktivní technologii, která nabízí možnost výroby tvarově složitých dílů a podle typu zpracovaného materiálu i možnost výroby dílů vykazujících vysokou mechanickou odolnost z pohledu statických a dynamických vlastností při běžně opakovatelně dosahované přesnosti rozměrů dílů +/- 0,03 mm. Současně lze pomocí technologie vstřikování termoplastů vyrábět díly, které splňují v dnešní době stále vyšší požadavky na kvalitu vnějšího povrchu, kdy lze navrhovat díly prakticky v jakémkoliv barevném odstínu včetně např. metalického efektu, v jakékoliv drsnosti povrchu či povrchu opatřeném nejrůznějšími typy tzv. dezénů nejčastěji imitujících texturu přírodních materiálů. Splnění požadavků na mechanické vlastnosti a kvalitativních požadavků na vlastnosti povrchu vstřikovaných dílů je ovšem podmíněno správností všech vstupních faktorů ovlivňujících celkovou úroveň a kvalitu finálních vstřikovaných dílů. Mezi tyto základní faktory patří zejména:
- vstřikovací stroj, - vstřikovací forma, - vstřikovaný materiál,
- konstrukce vstřikovaného dílu, - technologické parametry procesu.
Faktor vstřikovacího stroje spočívá zejména ve správné kombinaci s ostatními uvedenými faktory a to ve smyslu výběru stroje s dostatečnou uzavírací silou, dostatečným prostorem pro provoz formy (rozměry upínacích desek, průměr středících kroužků apod.), požadovaným příslušenstvím a jeho specifikací (tahače jader, kompatibilní čelo vstřikovací komory, připojení vyhazovacího systému vstřikovací formy, napojení horkého rozvodu vstřikovací formy apod.) a ostatními požadovanými parametry (dostupná teplota taveniny, plastikační a vstřikovací kapacita, korozní odolnost vybraných částí stroje při zpracování např. PVC, geometrie šneku apod.).
K dosažení požadované kvality vstřikovaného dílu je dále nutné při návrhu vstřikovací formy respektovat mimo jiné typ zpracovávaného materiálu (smrštění, abrazivní účinek materiálu, temperační systém, typ vtokového systému a ústí vtoku taveniny do dutiny vstřikovací formy,
drsnost povrchu dutiny vstřikovací formy) popř. respektovat požadovanou životnost vstřikovací formy (použité materiály, dimenzování jednotlivých částí apod.). Faktor materiálu je pro úspěšnou realizaci vstřikování termoplastů rovněž klíčový, jelikož nevhodný typ materiálu pro vybraný typ dílů, může celý proces v krajním případě až znemožnit. Např. výrobu tenkostěnného dílu vstřikováním z materiálu vysoce plněného skleněným vláknem lze považovat za prakticky nemožnou. Současně je nutné dbát na adekvátní přípravu materiálu podle jeho typu, kdy klíčové může být zejména sušení materiálu před jeho zpracováním. Současně musí být dosaženo vzájemného respektu mezi zvoleným typem materiálu a konstrukcí vstřikovaného dílu, kdy existuje celá řada obecných zásad a doporučení týkajících se např. způsobu provedení zaoblení hran, přechodů v tloušťkách stěny dílu, vhodných odformovacích úkosů, minimální či maximální tloušťky dílu atd. Technologické parametry sice uzavírají výčet nejdůležitějších faktorů ovlivňujících proces vstřikování termoplastů, ovšem lze je oprávněně považovat za nejdůležitější.
Kombinace technologických parametrů (rychlostní profil vstřikování, velikost dotlaku, doba dotlaku, přepnutí z fáze vstřiku na fázi dotlaku a jeho způsob, otáčky šneku při plastikaci, zpětný tlak při plastikaci, teplota taveniny, teplota vstřikovací formy, rychlost pohybu vyhazovacího systému vstřikovací formy atd.) nastavených při zpracování polymerních materiálů rozhoduje o úspěšnosti celého procesu.
Pouze vhodná kombinace výše uvedených faktorů je předpokladem úspěšné výroby dílů pomocí technologie vstřikování, kdy každý faktor lze považovat za prahové kritérium splnění požadavků na mechanické vlastnosti a požadavků na vlastnosti povrchu. V praxi to znamená, že např. správné technologické parametry nejsou zárukou požadované kvality vstřikovaného dílu v případě, že např. materiál není vysušen na požadovanou úroveň či vstřikovací forma je opatřena nedostatečně dimenzovaným vtokovým systémem či temperační systém vstřikovací formy nedovoluje nastavit potřebnou teplotu doporučenou pro daný materiál. V opačném případě – nevhodné kombinace zmíněných faktorů – dochází k výskytu nejrůznějších vad vstřikovaných dílů, které se mohou vyskytovat na povrchu vstřikovaného dílu - nebo v horším případě - uvnitř objemu vstřikovaného dílu.
Výčet jednotlivých vad může být velmi obsáhlý stejně jako výčet doporučených opatření dle předpokladu vedoucích k jejich odstranění. Bohužel proces vstřikování termoplastů je velmi komplexní a jednotlivé faktory se vzájemně ovlivňují a mnohdy je příčinou vzniku určité vady
souhra několika skutečností. Z toho důvodu často spočívá odstranění vady v provedení úpravy technologických parametrů paralelně s úpravou vstřikovací formy či optimalizací přípravy materiálu. V této souvislosti je obecně platné a praxí ověřené pravidlo, které doporučuje provádět odstranění vady nejprve úpravou technologických parametrů a pouze v případě vyčerpání všech možností, které tento způsob nabízí, přistoupit k modifikaci dalších faktorů, kdy zásahy do vstřikovací formy jsou považovány za krajní řešení a to zejména s ohledem na případnou nevratnost či nákladnou vratnost provedených konstrukčních změn vstřikovací formy. V souladu s uvedeným postupem odstranění vady vstřikovaného dílu bylo postupováno v rámci této práce, která si klade za cíl vedle výčtu základních typů vad vstřikovaných dílů zejména systematicky orientovaný výzkum způsobu časově a ekonomicky efektivního odstranění vady vstřikovaného dílu, která je považovaná za velmi častou. Jedná se o vadu spočívající ve vzniku vnitřních dutin (staženin, tzv. „lunkrů“) ve vstřikovaných dílech, které s ohledem na svůj účel vykazují tloušťku stěny pohybující se na hranici proveditelnosti pomocí technologie vstřikování termoplastů a které jsou současně navrženy z materiálu více inklinujícího ke vzniku vnitřních staženin ve srovnání s jinými typy materiálů zejména z důvodu zvýšeného hodnoty smrštění.
Naplněním stanoveného cíle práce dojde ke stanovení metody odstranění vady vstřikovaného dílu, která – jak bylo uvedeno výše – je velmi častá a současně jí lze oprávněně považovat za potenciálně nebezpečnou, protože je velmi těžko detekovatelná a pro standardní výstupní kontrolu prakticky neodhalitelná. K odhalení vady často dochází až při reálném použití daného dílu, kdy porušení dílu v důsledku přítomnosti vnitřní dutiny snižující únosnost dílu může mít (nejen ekonomicky) nebezpečné následky. S odkazem na v úvodu zmiňovanou produktivitu procesu vstřikování termoplastů, která je považována za klíčovou pozitivní vlastnost procesu, bude kladen důraz na časovou efektivitu stanovené metody odstranění vady při zachování kvalitativní efektivity navrženého postupu.
2. TEORETICKÁ ČÁST
Řešení diplomové práce se zabývá možností odstranění vnitřních dutin silnostěnného výstřiku. Pro uvedení do problematiky technologie vstřikování popisuje tento druh zpracování plastů, vliv technologických parametrů, zejména teploty taveniny, vstřikovacího tlaku a dotlaku, doby dotlaku, jeho průběhu na výskyt vnitřních dutin ve výstřiku. Dále je zde uveden stručný přehled vad výstřiků a možnosti jejich odstranění. Ve vztahu k experimentální části práce je uveden také teoretický rozbor morfologie polymerů a charakteristika polyoxymethylenu.
2.1 PLASTY A JEJICH ZPRACOVATELSKÉ VLASTNOSTI
Polymery lze rozdělit do několika skupin, základními skupinami jsou plasty a elastomery.
Elastomery, jsou vysoce pružné materiály s nízkou tuhostí, které můžeme za běžných podmínek malou silou značně deformovat bez porušení, typickým představitelem jsou kaučuky. Vzhledem k zaměření diplomové práce se s elastomery nebudeme podrobněji dále zabývat. Plasty jsou polymery, u nichž vnější namáhání způsobuje deformace převážně nevratného charakteru. Za běžných podmínek jsou většinou tvrdé, často i křehké. Jejich chování při zahřívání je dále dělí na termoplasty a reaktoplasty. Termoplasty jsou materiály, které při zahřívání přechází do plastického stavu a lze je tvářet. Do oblasti taveniny přechází zahřátím nad teplotu tání Tm. Zpětným ochlazením pod tuto teplotu přechází opět do tuhého stavu. Při zahřívání neprobíhá chemická reakce a během zpracování se nemění jejich chemická struktura. Změny, kterými materiál prochází, mají pouze fyzikální charakter a proces měknutí a tuhnutí je vratný.
Termoplasty mohou být amorfní i semikrystalické. Typickými představiteli jsou polyethylen (PE), polypropylen (PP), polystyren (PS), polyvinylchlorid (PVC), polymethyl-methakrylát (PMMA), polyoxymethylen (POM) apod. Reaktoplasty jsou materiály, které jsou tavitelné a tvarovatelné jen určitou dobu po zahřátí. Během dalšího zahřívání (nebo pomocí katalyzátorů) dochází k chemické změně, při které původní molekuly sesíťují a od tohoto okamžiku se stávají netavitelné a nerozpustné. Polymery lze rozdělit podle dalších kritérií: původu, chemické reakce jejich přípravy, chemické příbuznosti,
složení, molekulární struktury nebo podle uspořádanosti makromolekul na nadmolekulární úrovni (viz obr. 2.1). /24/
Obr. 2.1 Rozdělení polymerů /24/
2.1.1 ROZDĚLENÍ PLASTŮ PODLE MOLEKULÁRNÍ STRUKTURY
Výrobní postup plastů se dá rozdělit do několika kroků. Základním z nich je polyreakce, což je syntetická příprava makromolekulární látky, která probíhá mnohonásobným opakováním dané základní reakce. Ke vzniku monomerů, které v tomto případě tvoří základní stavební kámen makromolekulárních látek, slouží jako jedna z hlavních surovin ropa. Molekulová hmotnost makromolekulárních látek je vyšší než 10 000 /2/.
Podle molekulární struktury lze makromolekulární látky rozdělit takto (viz obr. 2.2):
• Lineární - dochází k tzv. řazení monomerních molekul za sebe. Lineární makromolekuly se mohou z prostorových důvodů více přiblížit jedna ke druhé a vyplnit tak kompaktnější prostor.
Polymery potom mají vyšší hustotu (např. vysokohustotní polyethylen HDPE). Lineární makromolekuly také snáze vytvářejí prostorově pravidelné shluky krystalických struktur, takže tyto polymery mají vyšší obsah krystalických podílů. Plasty s lineárními makromolekulami jsou obvykle dobře rozpustné a tavitelné (dobrá pohyblivost makromolekul), v tuhém stavu se vyznačují houževnatostí a ve formě tavenin dobrou zpracovatelností.
• Rozvětvené - jedná se o shodný řetězec jako ve formě lineární, doplněný po stranách bočními větvemi. Následkem bočních větví mají tyto látky nižší hustotu (např. nízkohustotní polyethylen LDPE), tekutost a stupeň krystalinity. Dochází také ke snížení mechanických vlastností, které jsou zapříčiněny sníženými mezimolekulárními silami z důvodu oněch bočních řetězců.
• Zesíťované - tento typ makromolekul si je možné představit jako prostorovou síť, jelikož se jedná o jednu velkou makromolekulu, která je tvořena propojením lineárních a rozvětvených makromolekul. Tavitelnost a rozpustitelnost je zde takřka nulová. Podobně je na tom také rázové namáhání, ovšem výhodou jsou zde vysoká tuhost, tvrdost a odolnost proti zvýšeným teplotám.
Obr. 2.2 Typy polymerních makromolekul
(zleva lineární, rozvětvené, zesíťované hustě, řídká trojrozměrná síť) /3/
Při výrobním procesu může docházet k vzniku homopolymeru, který tvoří chemicky stejné jednotky, vyjma koncových. Anebo může docházet ke vzniku kopolymerů, jež vznikají syntézou dvou nebo více odlišných monomerů. Na začátku polyreakce je monomer, což je nízkomolekulární sloučenina, jež vlivem opakujících se chemických reakcí přechází v látku vysokomolekulární, která je nazývána polymer. Docílení polymeru může však nastat třemi způsoby. Jednou z častých reakcí, doprovázejících zejména vznik termoplastů, je polymerace, při níž nevzniká žádný vedlejší produkt a jedná se o rychlou reakci. Tímto způsobem vznikají např. PVC, PE a PP. Druhou reakcí bez vedlejšího produktu je polyadice. Na rozdíl od polymerace je to ale pomalá reakce. Vzniká tak např. PUR či EP. Posledním možným typem polyreakce je polykondenzace. Při této pomalé reakci již vzniká vedlejší produkt, např. v podobě alkoholu nebo vody a lze tuto reakci přerušit a dokončit později. Plastem se však polymer tímto krokem ještě nestává, neboť je třeba ho vybavit nezbytnými přísadami a převést ho do formy granulí, tablet, prášku atd., aby ho bylo možné dále technologicky zpracovat. Námi sledovaný materiál Polyoxymethylen může být homopolymer nebo kopolymer. /4, 5/
2.1.2 MORFOLOGIE POLYMERŮ
Nadmolekulární struktura polymerů, jejich vnitřní uspořádání, které tvoří objekty od sebe vzdálené v řádech nejméně desítek nanometrů, velikostně převyšující atomový a molekulový stav se zabývá morfologie polymerů. Pojednává o orientaci makromolekul v materiálu, krystalickém podílu, rozložení a velikosti krystalitů nebo o skin-core efektu, tj. o heterogenitě struktury v průřezu výrobku, který je ve vnitřní vrstvě (v jádru) sférolitický, zatímco jeho povrch způsobující
stav napjatosti je bezsférolitický. Výsledná nadmolekulární struktura je dána chemickými a strukturními předpoklady polymeru, ale také kinetickými podmínkami jeho zpracování, zejména
ve fázi tuhnutí a chladnutí taveniny.
V závislosti na uspořádání polymerních řetězců se jedná o amorfní (neuspořádanou) nebo semikrystalickou (částečně uspořádanou) strukturu polymeru. Amorfní uspořádání lze popsat jako klubko o velikostí 10 – 30 nm tvořené chaoticky propletenými řetězci, též označovanými jako globule, které se mohou za působení smykového napětí rozvinout a sdružit v tzv. svazky. Tomuto rozvinutí se také říká nepravé krystality. /4/
Naopak krystalická struktura může být tvořena dvěma podobami, a to napřímenými nebo skládanými řetězci makromolekul (viz obr. 2.3). Krystal tvořený dlouhými napřímenými řetězci je termodynamicky velmi nevýhodný, a proto vzniká jen výjimečně za určitých laboratorních podmínek. Pokud je polymer schopen krystalizovat a vytvořit semikrystalickou strukturu (viz obr.
2.4), musí dojít k tvorbě krystalizačních zárodků (nukleaci), na nichž následně vznikají krystality (v reálných podmínkách tzv. sférolity) tvořené skládanými řetězci makromolekul a tyto krystality jsou odděleny amorfní strukturou řetězců.
Obr. 2.3 Skládaný řetězec makromolekuly /20/
Obecně lze krystalický stav charakterizovat veličinou nazývající se krystalinita, viz rovnice (2.1).
/8, 9/
a c
c c
V V
V V
X V (2.1)
V – celkový objem materiálu [m3] Va – objem amorfní části [m3] Vc – objem krystalické části [m3]
Obr. 2.4 Nadmolekulární struktura polymerů /6/
Počet krystalizačních zárodků je určující pro velikost krystalitů (sférolitů), přičemž velký počet krystalizačních zárodků zabezpečuje jemnou krystalickou strukturu. Nukleace polymeru je docíleno výhradně při ochlazování taveniny, při které dochází k transformaci fáze v podobě přeměny taveniny na tuhý stav a primární krystalizaci, která probíhá u semikrystalických materiálů pouze mezi teplotami Tm a Tg. Jedná se o úsek mezi teplotou tání a teplotou zeskelnění, kde pod teplotou zeskelnění je již zabráněno pohybu segmentů v podobě makromolekul díky vzniklé tuhé fázi. V některých případech může pokračovat krystalizace i v tuhém stavu. V tomto případě se
hovoří o sekundární krystalizaci, která se může projevovat po dobu několika měsíců. Dále platí, že s růstem krystalického podílu dochází k nárůstu pevnosti, tuhosti a tvarové stálosti za tepla vstřikovaného dílu, avšak také k většímu smrštění výstřiku. /2,8/
Krystalická oblast je místo s vyšší hustotou a ztrátou průhlednosti daného výstřiku, oproti oblasti amorfní s těsným uspořádáním krystalických řetězců, které přetrvává i mezi teplotami skelného přechodu a teplotou tání. Amorfní plast je oproti semikrystalickému vzhledem k nízkému indexu lomu plastu průhledný resp. dle propustnosti světla čirý, transparentní nebo průhledný.
Toto chování se může projevit pouze u termoplastů, neboť vznik reaktoplastů je možný výlučně s amorfním uspořádáním.
Všeobecně lze říci, že makromolekula je mnohem delší než velikost krystalitů. Lamely jsou základními celky tvořící polymerní krystalickou strukturu. Jsou to monokrystalické jednovrstvé útvary tvořené skládanými řetězci, nazývány též jako lamelární krystaly. Vznik krystalických lamel neboli schopnost uložení řetězců v krystalické struktuře je možné odvodit z chemické stavby polymerního krystalického materiálu. Pod teplotou zeskelnění jsou krystalické části polymerního řetězce nepohyblivé, pevně zafixované v krystalu, díky čemuž je dosáhnuto vyššího modulu pružnosti krystalů a od této veličiny odvozené také vyšší tuhosti. Změny vlastností semikrystalických termoplastů v oblasti Tg jsou charakteristické pouze pro amorfní složku tohoto polymeru, takže čím polymer vykazuje větší stupeň krystalinity (míru uspořádanosti makromolekul), tím jsou změny při Tg méně výrazné. Vzhledem ke krystalickému podílu ve struktuře materiálu, resp. vzhledem k velkým mezimolekulárním silám v krystalitech si semikrystalické polymery udržují dobré technické vlastnosti i v oblasti mezi přechodovými teplotami Tg a Tm (viz obr. 2.5). /24/
Lamely, resp. fibrily jsou morfologické útvary ideálně krystalického polymeru, který lze připravit pouze v laboratorních podmínkách ze zředěného roztoku. V reálných podmínkách chlazení a tuhnutí taveniny vznikají tzv. sférolity (viz obr. 2.6), které svými velikostmi vyplňují prostor o rozměrech od několika mikrometrů až do velikosti milimetrů. Způsob utváření sférolitů, jejich velikost a pravidelnost uspořádání je iniciován skládáním svazků lamel ze společného centra a rozrůstáním se na všechny strany, mnohdy s vrtulovitým stočením. Vše závisí nejen na technologických podmínkách výroby, zejména teplotě formy, ale také na době chlazení. Konečná morfologická struktura polymeru bude určena dobou, kterou bude mít polymer k dispozici ve fázi
V praxi to znamená, že nízká teplota dutiny formy před vstřiknutím a následné rychlé ochlazování způsobují nízký stupeň krystalizace, což má za následek nízké výrobní smrštění, avšak následované značným dodatečným smrštěním. Naproti tomu vyšší teploty dutiny formy umožňují vyšší stupeň krystalizace, který je sice důvodem vyššího výrobního smrštění, ale prakticky zanedbatelného dodatečného smrštění /2, 7, 8, 9/
Obr. 2.5 Charakteristická závislost modulu pružnosti (Et) a celkové tažnosti (εtb), resp.
jmenovitého poměrného prodloužení při přetržení na teplotě u semikrystalického termoplastu /24/
Pozitivní vliv na krystalizaci má rovněž podíl přítomných aditiv neboli nukleačních látek v podobě minerálních plniv, aktivních sazí, apod., které zvyšují počet nukleačních zárodků (heterogenní nukleace) a snižují tak velikost sférolitů. Ideálním stavem jsou drobné, v celém průřezu výstřiku pravidelně uspořádané rozkládající se sférolity. Rozdílný stupeň krystalinity je patrný dokonce i v určitých tloušťkách vystříknutého dílu. Ve středové vrstvě vystříknutého dílu je krystalinita zpravidla vyšší oproti hodnotám v povrchových vrstvách, neboť při kontaktu povrchové vrstvy se stěnou formy dojde k jejímu ochlazení, což má za následek útlum rozvinutí
krystalické struktury v povrchových vrstvách. Ta však může nadále pokračovat ve středu výstřiku, neboť jsou zde výhodné teplotní podmínky taveniny, ovšem s nebezpečím vzniku vnitřního napětí ve výstřiku, na kterém se podílí rozdílný teplotní gradient v průřezu výstřiku a také hustota, která má za následek rozdílné objemové změny. To vše je ovlivňováno zejména rozložením a obsahem krystalické struktury. V případě amorfních polymerů má na potlačení anizotropie vliv vyšší hodnota teploty taveniny a vstřikovací rychlost, neboť tím dochází ke snížení stupně orientace makromolekul ve směru toku. /2, 6, 9/
Obr. 2.6 Schéma sférolitu tvořící semikrystalickou nadmolekulární strukturu.
2.2 ÚPRAVA POLYMERŮ
Základní polymer vyrobený jednou z polyreakcí nelze obvykle zpracovávat ani aplikovat na výstřiky. Pro získání požadovaných vlastností je nutné ho upravit vhodnými přísadami – aditivy.
Aditiva potlačují nedostatky polymerů nebo zlepšují nejenom jejich zpracovatelnost.
Rozeznáváme plasty neplněné, plněné a vyztužené. Aditiva svou přítomností v polymeru nesmí způsobovat žádné nežádoucí účinky. Mohou přinášet i ekonomickou úsporu. /12/
Základní typy aditiv:
Změkčovadla – snižují tuhost a tvrdost, zvyšují ohebnost a houževnatost
Stabilizátory – zvyšují odolnost materiálu (termooxidační a UV stabilizátory)
Maziva – snižují viskozitu taveniny, zlepšují odformování
Retardéry hoření – snižují hořlavost termoplastů
Barviva – dávají materiálu požadovanou barvu, odstín
Plniva – kompozity – materiálové struktury ze dvou a více materiálů zcela odlišných vlastností
částicová – zvyšují viskozitu, tvrdost, tepelnou odolnost, zmenšují smrštění, např.:
skleněné mikrokuličky, čedič, saze, slída
vyztužující – zvyšují pevnost, tuhost, např. skleněná vlákna
2.3. TECHNOLOGIE VSTŘIKOVÁNÍ
Proces vstřikování, nejrozšířenější technologie na zpracování plastů, zahrnuje rozsáhlé portfolio zpracovatelných materiálů, počínaje téměř všemi druhy termoplastů, ale i některými typy reaktoplastů a kaučuků. Vstřikováním lze vyrobit polotovary, které se následně ještě opracovávají, díly určené ke kompletaci v celek anebo velmi přesné díly, které již mají charakter konečného výrobku. V následujících kapitolách zde bude popsán vstřikovací cyklus v jednotlivých etapách společně s danou technologií.
Výhody technologie vstřikování:
krátký čas cyklu
možnost vyrábět tvarově velmi složité součásti
lze vyrábět součásti s velmi dobrou přesností rozměru a povrchovou úpravou
konstrukční univerzálnost, která umožňuje odstranění nutnosti konečných úprav plastových dílů, např. úpravy povrchu nebo montážních operací
Nevýhody technologie vstřikování:
vysoké investiční náklady v porovnání s ostatními technologiemi
dlouhá doba na výrobu forem, potřeba použití k tomu vhodných strojních zařízení a dnes
již v drtivé většině případů i výpočetní techniky
cena formy je neúměrně vysoká oproti ceně vyráběného dílu
2.3.1 VSTŘIKOVACÍ CYKLUS
Při procesu vstřikování se plast zpracovává ve formě granulí. Zejména termoplasty jsou však náchylné na vzdušnou vlhkost, takže je nutné některé granuláty před zpracováním vysoušet, obvykle po dobu 3 – 4 hodin, u některých typů nutno i delší dobu na teplotu doporučenou výrobcem plastu.
Sušení nemusí být prováděno jedině tehdy, pokud je vstřikovací stroj vybaven odplyňovací tavicí komorou nebo se např. zpracovává polymer, který vykazuje nízkou absorpci vody. Po vysušení je nutné granulát nejpozději do 30 minut zpracovat, neboť hrozí opětovné navlhnutí, v praxi se většinou používají kontinuální sušičky umístění přímo u vstřikovacího stroje. /13/
Vstřikování je proces za sebou jdoucích operací, které mají dané pořadí. Prvním krokem, jímž by se dalo označit zahájení vstřikování, je uzavření vstřikovací formy. Před tímto krokem je forma otevřená a její dutina je prázdná. Potřebného uzavření formy je docíleno silou Fp, což je přisouvací síla, která působí na pohyblivou (stacionární) desku formy (viz obr. 2.7) Tato síla je ihned po přísunu přibližně 3x navýšena, aby bylo zabráněno otevření formy po vstříknutí taveniny.
V tu chvíli se hovoří již o síle uzavírací (Fu). /2/
Obr. 2.7 Vstřikovací cyklus /17/
Mezitím dochází k odebírání granulátu plastu z násypky pohybem šneku v radiálním směru (otáčením šneku). Současně se šnek pohybuje směrem vzad, díky čemuž je zajištěna doprava materiálu před čelo šneku. Granulát se při tomto procesu začne měnit na taveninu působením tepla z topných zón v tavicí komoře, kterou je temperován přibližně z jedné třetiny, a třením granulátu o stěnu, čímž se získává zbylý ⅔ podíl potřebného tepla. Po dostatečném hnětení granulátu a získání taveniny s co největším homogenním podílem, kdy obvodová rychlost šneku by neměla být z důvodu vzniku možných komplikací vyšší jak 0,3 m/s, je následně tavenina vstřikována do vstřikovací formy, kde začne vyplňovat její prostor. Pohyb šneku je nyní pouze axiální, neboť při dalším otáčení šneku by došlo k nahromadění dalšího nepotřebného materiálu před čelo šneku.
Při kontaktu taveniny s formou, která se temperuje nejčastěji mezi 20 – 90 °C (výjimečně až na 210 °C v případě PAI), nastane její chladnutí doprovázené vznikem tuhé struktury.
Temperace formy má vliv u amorfních polymerů mimo jiné na lesk výstřiku. Povrch samozřejmě závisí na vstřikovací formě a její úpravě povrchu. V případě semikrystalických polymerů není rozdíl natolik patrný avšak teplota formy má zásadní vliv na krystalinitu výlisků. Současně s chladnutím taveniny však vzniká ve formě efekt smrštění (v případě POM se jedná až o 3,5 % z celkového objemu), které bývá tím vyšší, čím je vyšší teplota formy.
Snížit smrštění je možné nejen teplotou formy, ale také vhodnou volbou velikosti a doby dotlaku, který se pohybuje mezi 40 – 60 % vstřikovacího tlaku. S počátkem působení dotlakové fáze nastane současně zmenšení vstřikovací rychlosti na takovou hodnotu, aby tlaková křivka měla plynulý přechod, díky čemuž je dotlačen do formy potřebný materiál k eliminaci objemového smrštění výstřiku ve formě. Optimální doba působení dotlaku td je stanovována obvykle experimentálně sledováním hmotnosti výstřiku. Šnek se v této fázi vstřikovacího procesu chová jako píst a pohybuje se jen axiálně, ve směru vstřikování taveniny, přičemž v této fázi dodá přibližně 10 % objemu materiálu navíc nutného k vyrovnání objemového smrštění. Z technologického hlediska je nutné počítat se zbylou taveninou před šnekem, které se odborně říká materiálový polštář. V případě velkého zbytkového množství taveniny před šnekem po vstřikovacím cyklu totiž hrozí její degradace. Chladnutí ve formě trvá v řádech sekund, ale třeba i minut dle náročnosti vstřikovaného dílu. Během této operace klesá ve formě tlak, který se nazývá zbytkový. V případě nepřípustně vysoké hodnoty zbytkového tlaku hrozí vznik vad způsobených velkým vnitřním napětím. Okamžikem, ve kterém je forma otevřena, dochází k vyhození dílu a celý cyklus se začne opakovat. Mezitím může být podle složitosti a velikosti formy pro vstřikovaný díl, z důvodu potřebného chlazení, již zpracovávána další dávka granulátu do podoby taveniny, což následně vede k urychlení celého vstřikovacího cyklu. Tavicí komora se může v některých případech, kdy dochází k vyhození dílu, odsouvat také. /2, 12/
2.3.2 FÁZE PROCESU VSTŘIKOVÁNÍ
Jednotlivé fáze procesu vstřikovaní zahrnují čtyři základní doby, během kterých dochází k přeměně vstupního polymeru ve výstřik. Na obr. 2.8 je znázorněn průběh vstřikovacího tlaku v dutině formy.
Obr. 2.8 Průběh vstřikovacího tlaku v dutině formy /4, 7/
pi-vnitřní tlak [MPa], pz – zbytkový tlak [MPa]; sk – pohyb šneku [mm]; sn – pohyb nástroje [mm];
ts1 – čas potřebný k uzavření formy [s]; ts2 – čas potřebný k přisunutí vstřikovací jednotky k formě [s]; tv – čas plnění dutiny formy [s]; td – čas dotlakové fáze [s]; tpl – čas plastikační fáze [s]; tCH –
chladící čas [s]; ts3 – čas potřebný pro otevření formy [s]; tm – čas manipulace [s];
A - začátek vstřikování; B - naplnění formy; C – zatuhnutí vtoku; D – konec dotlaku; E – konec plastikace (zastavení šneku); F - začátek pohybu formy
A-B: fáze vstřikování (tv – čas vstřikování), šnek se dává do pohybu (pouze axiální, bez rotace, funkce pístu) a vstřikuje roztavený plast do dutiny formy. Tavenina je po jejím naplnění ještě dodatečně stlačena.
Doba plnění formy závisí na rychlosti vstřikování, která souvisí se vstřikovacím tlakem a teplotou taveniny, s objemem výstřiku, jeho geometrickým tvarem, řešením vtokové soustavy atd..
Pohybuje se od zlomku sekundy do několika sekund, nebo i déle. Rychlost pohybu šneku ovlivňuje rychlost postupu čela taveniny. Ta by měla být ve všech průřezech tokových kanálů a místech tvarové dutiny formy konstantní. [2]
B-D: fáze dotlaku (čas dotlaku td), ten, protože se tavenina při chladnutí smršťuje, kompenzuje změnu objemu a zabraňuje tak vzniku propadlin a vnitřních dutin.
Po vyplnění dutiny formy se na taveninu musí dále působit tlakem šneku, aby se zabránilo zpětnému úniku taveniny z dutiny do tavící komory a dále aby se vyrovnávalo zmenšení objemu hmoty v důsledku jejího smršťování během chladnutí. Dotlak může být po celou dobu konstantní nebo se může po několika sekundách snížit. Doba dotlaku končí zatuhnutím hmoty ve vtokovém kanálu. V této době zbývá před čelem šneku v plastikační komoře již jen materiálový polštář.
Dotlaková fáze má z hlediska kvality výstřiku největší vliv na tvarovou a rozměrovou přesnost.
Platí, že čím je dotlaková fáze jemnější, tím je i menší vnitřní pnutí. Proto se doporučuje dotlak profilovat se sestupnou tendencí (30 – 50% max. hodnota dotlaku, potom pokles). V bodě D zatuhne vtokové ústí a dotlak již nemá smysl [2]
D-E: plastikační fáze (doba plastikace tpl), šnek se při ní začne otáčet a současně ustupovat zpět, přičemž překonává protitlak. Nabírá pod násypkou materiál, plastikuje ho a vtlačuje do prostoru před šnek.
B-F: doba chlazení tch nastává ihned po vstupu taveniny do formy a trvá až do jejího otevření a vyjmutí výstřiku. Závisí na tloušťce stěn výstřiku a teplotě formy. Řízené chlazení však nastává až po zaplnění tvarových dutin, již ve fázi dotlaku přičemž se temperační soustavou odvádí teplo z dutiny formy zaplněné tuhnoucím plastem a dochází k poklesu tlaku. Při řízeném chlazení dále probíhá plastikace nové dávky plastu. Chlazení trvá až do otevření formy a následného vyhození plastového dílu. Dobou ochlazování rozumíme součet doby dotlaku a chlazení. Doba chlazení je tedy část výrobního cyklu od skončení dotlaku až do otevření formy. Během této doby musí u běžných vstřikovacích strojů proběhnout plastikace. Po ukončení dotlaku v bodě D výstřik ve formě chladne a tlak klesá až na hodnotu zbytkového tlaku pz.
Doba chlazení má být tak dlouhá, aby při vyhození výstřiku nedošlo k poškození výstřiku např. při vyjímání výstřiku ze vstřikovací formy pomocí vyhazovačů. Pohybuje se od několika sekund i do několika minut a představuje rozhodující část vstřikovacího cyklu, proto je snaha zkrátit ho na minimum. [4]
Jednotlivé fáze vstřikování jsou schematicky znázorněny na obr 2.9.
Obr. 2.9 Zjednodušená schémata jednotlivých kroků vstřikovacího cyklu /14/
2.3.3 PARAMETRY PROCESU VSTŘIKOVANÍ
Během jednotlivých fází vstřikovaní má vliv na výsledný výstřik spoustu faktorů, kde vedle tlaku je teplota taveniny nejdůležitější veličinou, která ovlivňuje zpracovatelské vlastnosti plasty a která souvisí s konečnými vlastnostmi výstřiku. Každý plast lze vstřikovat v určitém rozmezí teplot, které většinou udává výrobce. [4]
Zvyšováním teploty taveniny zvyšujeme její zatékavost, snižujeme orientaci, zmenšujeme tlakové ztráty v dutině formy, snižujeme vliv studených spojů, zvyšujeme obsah krystalického podílu (u semikrystalických plastů) a dobu ochlazování (nevýrazně). Hlavním cílem je připravit dávku teplotně homogenní taveniny před čelem šneku je úkolem plastikační jednotky vstřikovacího stroje. [2]
Teplotou vstřikovací formy uvažujeme teplotu stěny dutiny formy před vstříknutím taveniny. Po vstříknutí taveniny její teplota vzroste, ale následným odvodem tepla pomocí chladících kanálů opět klesá na původní hodnotu. Část tepla taveniny odchází vedením formy ze stěny do okolí. Avšak největší podíl tepla odebírá temperační systém formy. Jeho úkolem je tedy vytemperovat formu na pracovní teplotu a na té ji udržet.
Teplota formy ovlivňuje dobu cyklu a jakostní parametry výstřiku. Základní nastavení určuje spodní hranice rozpětí teploty udávané výrobcem plastu. Temperace formy má vliv na výsledné mechanické vlastnosti vstřikovaných dílů vychází z úzké souvislosti právě mezi jejich mechanickými vlastnostmi a vzniklou morfologií (nadmolekulární strukturou).
2.3.4 VSTŘIKOVACÍ STROJ
Vstřikovací stroj pro zpracování plastů může být konstrukčně proveden v několika variantách.
Cílem práce není popisovat různé typy vstřikovacích strojů jejich výhody a nevýhody, ale zabývat se odstraněním vnitřní vady výstřiku vyráběné na základním horizontálním provedení sloupkového vstřikovacího stroje s hydraulickým pohonem ( viz. obr 2.10).
Vstřikovací stroj se skládá z:
vstřikovací jednotky, která se dále skládá z
vytápěné válcové komory
trysky
šneku
násypky
pohonu šneku
uzavírací jednotky, řídící pohyby vstřikovací formy.
řídícího systému
Obr. 2.10 Zjednodušené schéma vstřikovacího stroje /14/
2.3.5 VSTŘIKOVACÍ FORMA
Je to sestava nejčastěji ocelových desek a dalších dílů jako např. topný kříž, horké trysky, hydraulické pohony apod., navržená a instalovaná do vstřikovacího stroje tak, aby umožnily dát materiálu tvar výrobku.
Desky vstřikovacích forem jsou z vysoce kvalitní oceli, podle určitých standardů tak, aby odolávaly vysokým vstřikovacím tlakům (až 200 MPa) za zvýšené teploty (zhruba 350 ºC) při obvykle rychlém cyklu (jednotky až desítky vteřin u termoplastů), což dělá z technologie vstřikování termoplastů ekonomicky výhodný proces.
Vstřikovací formu (Obr. 2.11) tvoří:
jedna nebo více tvarových dutin
vtoková soustava
temperační systém
vyhazovací systém
systém odvzdušnění
a jiné vedlejší prvky – vedení (vodící sloupky, středící čepy), prvky pro převod
Obr. 2.11 Vstřikovací forma dvoudesková - rozložený pohled a popis /21/
V plastikářském průmyslu se formy pro vstřikování termoplastů dělí podle počtu vyráběných plastových dílů do tří základních skupin:
Prototypové formy (25 až 1 000 dílů)
Maloseriové formy (1 000 až 10 000 dílů)
Seriové formy (10 000 až 2 000 000 dílů)
Prototypové formy představují předběžný krok potřebný pro vývoj nových produktů.
Především se používají ke zjištění charakteristik vstřikovaného materiálu, smrštění, umístění vtoků, ke kontrole rozměrů plastového dílu a zjištění parametrů vstřikovacího cyklu.
Maloseriové formy jsou sestaveny ze standardních méně drahých materiálů, tak ať jsou schopny produkovat plastové díly se stanovenou výkonností. Jde o formy s automatickým vyhazovacím systémem, s odvzdušněním a kontrolou teploty pomocí temperační soustavy.
Seriové formy jsou kvalitnější produkční formy, s více tvarovými dutinami, vyměnitelnými komponenty nebo s komponenty vyšší kvality, povrchově upravenými ocelovými deskami pro zabránění koroze apod..
2.3.5 VLIVY KONSTRUKCE PLASTOVÉHO DÍLU NA VSTŘIKOVACÍ PROCES
Na vstřikovací proces má vliv především tvar a materiál výstřiku kde hlavním požadavkem bývá především funkce výsledného výstřiku.
Požadavky na návrh výstřiku zahrnují:
stejnoměrné tloušťky stěn výstřiku
vyvážené umístění dělící roviny, pro stejnoměrné odvádění tepla z obou polovin formy
hladké vnitřní hrany rohy a přechodové tvary.
technologické úkosy stěn (0,5º až 2º) pro snazší vyhození dílu z dutiny
eliminace hran s ostrými úhly a míst kde se nelze dostat s chladícími kanálky ve formě
eliminace hlubokých a úzkých kapes v dílu (tzn. tenkých jader ve formě)
poskytnutí vhodného místa na umístění vtoku
poskytnutí dostatečně velké přístupné plochy pro vyhazovače
specifikování obvyklé tolerance pro plastové součásti
povrch dutiny formy dle požadavků
Umístění a druh vtokového ústí:
Vtokové ústí je důležitou složkou procesu vstřikování. Ovlivňuje druh vstřikovací formy potřebné pro danou aplikaci (dvou desková forma, tří desková forma, forma s horkou vtokovou soustavou, možnost automatického oddělení vtoků).
Umístění vtokového ústí (případně více vtokových ústí) ovlivňuje:
Smrštění
Orientaci
Tok materiálu plastu
Rozměry výsledného plastového dílu
Zborcení dílu
Pevnost studených spojů
2.3.6 VLIVY KONSTRUKCE VSTŘIKOVACÍ FORMY NA VSTŘIKOVACÍ PROCES
Konstrukce vstřikovací formy má ve vstřikovacím procesu velkou důležitost. Následuje vysvětlení základních soustav obsažených ve vstřikovacích formách.
Vtoková soustava: Rozvádí taveninu polymeru do tvarových dutin formy. Dobře navrhnutá vtoková soustava zahrnuje správnou geometrii, velikost, rozložení vtoků, chlazení, možnost snadného vyhození ze vstřikovací formy a to vše při minimálním objemu vtoků. Kromě jiného také z důvodu následné recyklace. Vyvážená vtoková soustava zapříčiňuje zaplnění všech tvarových dutin formy ve stejném čase, což zabezpečí integritu rozměrů dílů a minimalizuje čas cyklu. Tavenina je vstříknuta do dutiny formy přes vtokové ústí, které funguje jako tepelný ventil mezi vtokovou soustavou a tvarovou dutinou formy. V oblasti vtokového ústí dochází při procesu vstřikování k nárůstu teploty vlivem vstřikovací rychlosti, tlaku a tření v roztaveném polymeru. Po zaplnění dutiny plastem vtokové ústí postupně zatuhne při působení dotlaku. Při konstruování formy pro vstřikování má konstruktér na výběr, zda použije studenou vtokovou soustavu nebo vyhřívanou (horkou) vtokovou soustavu.
Studená vtoková soustava se používá pro jednodušší výstřiky a malosériovou výrobu. Po zatuhnutí taveniny a otevření formy zůstane kromě hotového výstřiku i vtokový zbytek, který se oddělí automaticky během otvírání formy nebo dodatečně manuálně.
Tavenina, která se dostane do styku s vtokovým kanálem, velmi rychle tuhne a tvoří ztuhlou povrchovou vrstvu. Tato vrstva slouží jako izolace mezi horkou taveninou a chladnější stěnou formy, která umožní tavenině zůstat v tekutém stavu a protéci nejenom vtokovou soustavou, ale především zaplnit dutinu vstřikovací formy. Délka vtokové soustavy by měla být co nejkratší, aby se tavenina do dutiny formy dostala co nejrychleji. Průřez vtokového kanálu by měl být dostatečně velký, aby v něm tavenina ztuhla až nakonec a aby bylo možné využít dotlaku. Dále musí být zaručeno rovnoměrné plnění všech dutin u vícenásobných forem.
Horká vtoková soustava umožňuje zaplnit dutinu bez vtokového zbytku ze studené vtokové soustavy. Vyhřívané trysky společně s horkým rozvodem zajišťují optimální tok taveniny, v nichž dochází k nepatrnému poklesu tlaku a teploty. Horká vtoková soustava představuje prodloužení plastikační komory vstřikovacího stroje. Roztavený plast se zde však dále nehomogenizuje, je pouze veden přímo do dutiny formy, případně je tok taveniny rozdělen do více tvarových dutin, přičemž se plast ve vtokové soustavě udržuje stále ve stavu taveniny. Poté co plast dorazí do tvarové dutiny formy, začíná tuhnout. Vedení taveniny do dutiny formy se realizuje soustavou horkých vtokových kanálků, které taveninu proporcionálně rozdělují přes tepelně kontrolovaná vtoková ústí do tvarových dutin formy. Zavedení horkých vtoků zlepšuje kvalitu výsledných plastových dílů, snižuje čas cyklu, a jelikož s plastovými výstřiky nevzniká ztuhlá vtoková soustava, není potřeba řešit její oddělení a následnou recyklaci. Dostáváme tedy přímo hotové plastové díly. Vtokové zbytky vznikají jen v podobě výrazných stop nebo malých zbytků vtoků na plastovém výstřiku.
Udržování taveniny při konstantní teplotě ve vtokových kanálcích poskytuje stejnoměrnou viskozitu po celou dobu toku a lepší kontrolu vstřikovacího tlaku. Další výhodou oproti studeným vtokům je redukce velikosti vstřikované dávky. Horké vtokové systémy však požadují regulátory na ovládání teploty, které však mohou být již součástí vstřikovacího stroje. Velmi častým zdrojem problémů horkých vtokových soustav je kontrola teploty. Nezbytný je vysoký stupeň tepelné homogenity v horké vtokové soustavě k zabránění degradace plastu a dosažení rovnoměrného plnění, dotlaku, smrštění, vzhledu, atd., k čemuž se používají různé typy automaticky řízených ohřívačů za pomoci termočlánků.
Obr. 2.12 Horká vtoková soustava /23/
1-upínací deska, 2-opěrka, 3-rozperný kroužek 4-rozváděcí blok, 5-kotevní deska, 6- vyhřívaná tryska, 7-středící váleček, 8-vodící sloupek,
9-středící kolík, 10-tvárnice, 11-šroub,12- výlisek
Horké vtokové systémy se úspěšně používají pro vstřikování dílů malých rozměrů ve vícenásobných formách, např. malá plastové uzávěry nebo pro vícebodové vstřikování dílů větších rozměrů, např. palubní desky automobilů. Formy s horkou vtokovou soustavou se od forem se studenými vtoky liší tzv. horkou polovinou formy, ve které se plast vstřikovaný ze vstřikovací jednotky stroje dále udržuje ve stavu taveniny o stejné teplotě, se kterou opustil trysku vstřikovacího stroje, a vytápěnými rozváděcími kanálky dopravuje do dutiny formy. Horká polovina formy sestává z ocelových desek obsahující komponenty horké vtokové soustavy, např.
externě vyhřívané horké vtokové soustavy obsahují horké trysky, horký vtokový kužel, horký rozváděcí blok-kříž apod. (viz obr. 2.12), dále různé druhy kabelů, elektrických přípojek, a pokud jsou obsaženy tak také pneumatické nebo hydraulické mechanismy a hadicové přípojky.
Temperační soustava slouží ke chlazení nebo ohřevu dutiny formy, příp. vtokové soustavy. Temperace je důležitá z hlediska integrity rozměrů výsledného plastového dílu, mechanických vlastností, kvality povrchu, zborcení, pevnosti studených spojů a především doby vstřikovacího cyklu. Tvoří ji série kanálků vyrobených v dostatečné blízkosti okolo tvarové dutiny, je nutno však brát v úvahu tlakové poměry vyvolané na celou vstřikovací formu hlavně uzavírací silou vstřikovacího stroje. Tudíž temperační kanály a jejich umístění musí být dimenzováno tak aby nedošlo k poškození formy během jejího provozu. Do kanálků se vhání voda, případně olej pokud je potřeba předehřívat tvarovou dutinu nad teplotu varu vody. Příliš dlouhé temperační kanálky podél tvarové dutiny nejsou vhodné z důvodu špatné kontroly nad možným zborcením výsledného dílu. Tvary příčných průřezů a drah kanálků temperanční soustavy mohou být na rozdíl od kanálků vtokové soustavy téměř jakékoliv v rámci snadné vyrobitelnosti. Vysoký průtočný objem kapaliny a turbulentní proudění jsou žádoucí pro dostatečnou kontrolu nad teplotou dutiny formy. Na ochranu proti korozi temperační kanálky se buď pokovují, nebo se do vody přidávají látky potlačující tvorbu rzi.
Vyhazovací systém slouží k vyhození ztuhlých a částečně smrštěných plastových dílů z formy. Rovnoměrné vyhazování vzhledem k ploše plastového dílu je důležité z hlediska možného poškození dílu. Vyhazovací kolíky, pouzdra, kroužky nebo desky musí fungovat plynule bez jakýchkoliv překážek.
Speciální systémy vyhazování se používají pro tenkostěnné, hluboké dílu např.
krabicovitého tvaru, pro které je potřeba použít vysokých vyhazovacích sil. K vyhazování lze v některých případech použít také stlačený vzduch.
Odvzdušnění formy a případné vtokové soustavy formy slouží k uvolnění uzavřeného vzduchu. Je velmi důležité pro správnou kontrolu vstřikovaného objemu plastu a předcházení s tím souvisejících vad na výsledném vyrobeném dílu. Forma bez odvzdušnění způsobuje mnoho výrobních problémů. Nejúčinnější řešení do dělící roviny (viz obr. 2.13) ve formě drážek o tloušťce obvykle 0,02÷0,04 mm, pomocí kterých se uvolní uzavřený vzduch, ne však tavenina plastu. Nižší hodnoty z intervalu platí pro semikrystalické a vyšší pro amorfní plasty.
Odvzdušňovací drážky by měly být umístěny na koncích toků materiálových drah, špatné umístění může vést k neúplnému vyplnění tvarové dutiny, vzniku studených spojů nízké pevnosti, nerovnoměrnému smrštění, zborcení dílu a potřeby vysokého vstřikovacího tlaku k vyplnění tvarové dutiny. Umístění odvzdušnění lze také predikovat pomocí simulačních programů.
Obr. 2.13 Odvzdušňovací drážka
2.5 VADY VÝSTŘIKŮ
Pro představu o provázanosti jednotlivých parametrů jsou zde uvedeny základní vady výstřiků. Cílem práce není zmapovat veškeré vady výstřiků, ale odstranit skryté vnitřní vady.
Názorně jsou zde uvedeny základní typy vad, které vznikají během procesu vstřikování. Jakkoli i přes veškeré znalosti o vstřikovaném materiálu, konstrukci dílů i přes vysokou úroveň vstřikovacích strojů se stále dokonalejším elektronickým řízením a stále se zlepšující úrovní simulačních programů se setkáváme s výstřiky vykazujícími vady.
2.5.1 ZÁKLADNÍ ROZDĚLENÍ VAD
Vady zjevné – je možné je identifikovat vizuálním porovnáním, nedostřiky, přestřiky, propadliny, apod.
Vady skryté – nelze vizuálně zjistit, ovlivňují vlastnosti výstřiků, jsou to např. vnitřní pnutí, vnitřní dutiny, anizotropie vlastností
Příčiny vzniku těchto vad mohou být různé: konstrukce dílu, formy, vstřikovací stroj, vstřikovaný polymer nebo špatné vstřikovací parametry. [17].
2.5.2 VADY A JEJICH PŘÍČINY 2.5.2.1 STUDENÉ SPOJE
Vznikají vždy v místech, kde tavenina musela obtékat překážku, kde tavenina byla vstřikována do formy dvěma nebo více vtoky a následně se střetávalo více toků taveniny. Projevují se zřetelnou a viditelnou spojnicí dvou čel taveniny plastu (viz obr. 2.14). V těchto místech má výstřik odlišné vlastnosti, nežli v místech ostatních.
Pro eliminaci studených spojů je důležitá vhodná konstrukce dílu a umístění vtokové soustavy. K odstranění může také pomoci zvýšení teploty taveniny Tt, teploty formy Tf, dotlaku a nebo rychlosti vstřikování. V krajním případě použít jiný materiál. [5]
Vznik studeného spoje může být také zapříčiněn neúměrně vysokou vstřikovací rychlostí a s tím spojeným nedokonalým odvzdušněním vstřikovací formy. Tímto následně dochází k tzv.
dieselefektu (viz obr. 2.20), což je komprimace nahromaděného vzduchu, který se nestihl odsát a způsobuje v místě jeho nahromadění lokální degradaci materiálu nebo dochází přímo k jeho spálení. Na výstřiku vzniknou nedoplněná místa, na kterých mohou být viditelné tmavé, až černé stopy po spáleném materiálu. Tomu lze předejít umístěním odvzdušňovacích kanálků do prostoru vady, přičemž hloubka těchto plochých odvzdušňovacích kanálů by neměla být větší než 0,02 mm při jejich minimální délce 20 mm. Problémy s touto vadou spojené se vyskytují zejména u nových forem, které mají neopotřebované lícovací plochy, a také u polymerů s požadavkem na vysokou teplotu formy. Ve spojitosti s touto vadou mohou také vzniknout dutinky, které jsou zapříčiněny malou plastikační dávkou taveniny v kontaktu se šnekem, která z důvodu dlouhého setrvání v tavicí komoře zdegraduje. Projeví seto zejména sníženou houževnatostí, ale také menší pevností a tuhostí vystříknutého dílu.
Obr. 2.14 Studený spoj
2.5.2.2 PROPADLINY, STAŽENINY, ZVLNĚNÍ POVRCHU
Jsou to tvarové vady výstřiku (viz obr. 2.15). Vznikají při nerovnoměrné, nebo příliš velké tloušťce stěn dílu, v místech nahromadění materiálu, v místech umístění žeber, nebo při špatné konstrukci temperačního systému (nerovnoměrné chlazení). [19]
Lze je eliminovat změnou vtoku, modifikací materiálu nadouvadly nebo minerálními plnivy, změnou konstrukce výstřiku, nebo změnou vstřikovacích parametrů, především velikostí dotlaku. [17]
Obr. 2.15 Propadlina tvaru /20/
2.5.2.3 VADY POVRCHU
Změna barvy materiálu a vznik barevných pruhů, nedostatečný lesk nebo rozdíly lesku či dezénu, matné skvrny, stříbření (viz. obr. 2.16) nebo povrchové zakalení, optická anizotropie;
stříbření, kterým se projevuje vlhkost nebo jiné těkavé látky ve hmotě, jemně rýhovaný nebo pórovitý povrch, drsný povrch, mikrotrhlinky na povrchu jako důsledek vnitřních pnutí, vyskytující se u amorfních plastů, tokové čáry nacházející se zejména v blízkosti vtoku;
rozvrstvování čili delaminace; žloutnutí až hnědnutí materiálu světlých odstínů jako známka degradace hmoty, místní spálení materiálu v důsledku komprese vzduchu v dutině formy, tmavé až černé místně omezené body nebo skvrny, kresba po volném proudu taveniny, meandrový tok [16].
Obr. 2.16 Stříbření /20/
Všechny povrchové vady jsou většinou snadno identifikovatelné, se zřejmým původem, avšak v praxi k jejich odstranění je třeba nalézt několik příčin a tím i způsobů jejich eliminace.
2.5.2.4 SKRYTÉ VADY
Skryté vady jsou vady, které sice není možné postihnout běžnou vizuální kontrolou, ale které ovlivňují vlastnosti výstřiků a zhoršují jejich kvalitu. Lze je zpravidla zjistit teprve pomocí vhodného zkušebního zařízení, rentgenového zařízení nebo laboratorními zkouškami, které mohou mít i destrukční charakter.
Patří sem nerovnoměrná orientace makromolekul, ke kterým dochází zejména v okolí ústí vtoku nebo ve zúžených profilech výstřiku. Dále pak vnitřní dutiny (viz obr 2.17) vyplněné vzduchem, vakuem nebo jiným plynem které u některých plastů způsobují znatelné zhoršení mechanických vlastností. [16].
Obr. 2.17 Skrytá vada materiálu - vnitřní dutina /20/
Vnitřní dutiny se ve výrobcích z POM vyskytují poměrně často, protože polyoxymethylen má vysokou hodnotu smrštění. To je závislé na zpracovatelských teplotách, na teplotě formy a také na tloušťce stěny dílu. Celkové smrštění výrobků z polyoxymethylenu se skládá z výrobního smrštění a z dodatečného smrštění. Na výrobní smrštění má vliv teplota formy (viz tab. 2.1), vstřikovací tlak, dotlak a tloušťka stěny. Dodatečné smrštění je ovlivněno tloušťkou stěny, teplotou formy (čili rychlostí ochlazování) a teplotou okolí. Vyšší teplota okolí a tloušťka stěny má za následek nižší velikost dodatečného smrštění. Významné je i dodatečné temperování na vzduchu či v olejové lázni při teplotách 150-160°C z důvodu snížení smrštění a dosažení požadovaného stupně krystalinity dokrystalizací.
Tab. 2.1 Hodnoty smršťění POM v závislosti na teplotě formy Teplota formy [°C] Smrštění [%]
60 1,3 – 2,0
80 1,4 – 2,3
100 1,8 - 2,4
120 1,9 – 3,5
2.5.2.5 PŘETOKY (PŘESTŘIKY) A NEÚPLNÉ VÝSTŘIKY
Materiál vyteče ven z formy v oblasti kanálů, dělících rovin a vyhazovačů (vzniknou otřepy – přetoky obr. 2.18), nebo naopak nedoteče, ztuhne a nevyplní celou dutiny formy (neúplné výstřiky obr. 2.19).
Za vznik přestřiků může špatné těsnění ploch formy, nedostatečná uzavírací síla formy, příliš vysoký tlak ve formě, nebo malá viskozita hmoty.
Neúplné výstřiky mohou být způsobeny příliš malou dávkou plastu, omezeným tokem taveniny vlivem nedostatečného odvzdušnění formy, nedostačujícím tlakem stroje, nebo předčasným zatuhnutím vtokového systému. [5]
Obr. 2.18: Přetok na výstřiku [20]
Obr. 2.19: Neúplný výstřik [20]
2.5.2.6 ROZDÍLY V LESKU
Výrobky mohou vykazovat příliš vysoký lesk, resp. malý lesk, nebo na povrchu nemají jednotný lesk. Příčinou je reflektující vlastnost povrchu dílu vůči dopadajícímu světlu. Málo drsné plochy mají větší lesk, než plochy drsnější. Příčinou rozdílu lesku je rozdílné zobrazovací chování plastu na stěně formy, které je způsobeno rozdílnými poměry ochlazování nebo rozdíly smrštění.
Možnosti odstranění se liší podle toho, kde se rozdíl lesku objeví. Může pomoci změna vstřikovacích parametrů, změna struktury povrchu, změna umístění vtoku nebo změna tvaru výrobku. [16]
2.5.2.7 VZDUCHOVÉ KAPSY
Při plnění dutiny formy dochází k vytvoření tzv. vzduchových kapes. Tento efekt je nechtěný, jelikož jejich výskyt ovlivňuje vlastnosti výrobku. Vzduch se uzavírá tam, kde se spojují dvě čela taveniny nebo končí svůj tok. [7]
2.5.2.8 MÍSTNÍ SPÁLENÍ MATERIÁLŮ (DIESEL EFEKT)
Na povrchu výrobku se jeví jako spáleniny (viz. obr 2.20) a patrné černé zbarvení. Příčinou dieselova efektu neboli místního spálení materiálu je stlačení vzduchu, který se nepovedlo odstranit, čímž nastává jeho ohřev a způsobuje místní degradaci materiálu (krajně i spálení). [17]
Pro jeho odstranění je třeba zajistit lepší odvzdušnění formy důležitá je také čistota odvzdušňovacích spár a vůlí u pohyblivých částí formy. Lze také snížit uzavírací sílu a tím umožnit snadnější odvod vzduchu z dutiny formy.
Obr. 2.20 Připálený povrch – tzv. „Diesel“ efekt [20]
2.5.2.9 KRESBA PO VOLNÉM PROUDU TAVENINY (JETTING)
Vzniká při nevhodné konstrukci a umístění vtoku, zejména u amorfních termoplastů. Opět je to kombinace vady pevnostní a vzhledové.
Odstranění této vady (viz. obr. 2.21) bývá velmi složité. Většinou je však nutné umístit ústí vtoku tak, aby tavenina při vstupu do dutiny formy narazila na stěnu a pokračovalo klasické plnění, popř. vytvořit umělou překážku, zakomponovat jádro nebo kolík. [20]
Obr. 2.21 Stopy po volném proudu taveniny [17]
2.5.2.10 EFEKT GRAMOFONOVÉ DESKY
Na povrchu výrobku se projevuje jako jemné drážkování (viz. obr. 2.22), podobné jako se vyskytuje na povrchu gramofonových desek. Příčinou bývá nízká teplota taveniny, nízká vstřikovací rychlost nebo nízká teplota stěny formy. [16]
Obr. 2.22 Vzhled gramofonové desky [12]
