TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Fakulta strojní

Studijní program M2301 - Strojní inženýrství Strojírenská technologie

zaměření tváření kovů a plastů Katedra strojírenské technologie

Oddělení tváření kovů a plastů

Aplikace systému „Dynamic Feed“ u kaskádového vstřikování na vybrané formě.

Application of the system „Dynamic Feed“ with cascade injecting on selected form.

Martin Seidl KSP - TP - 792

Vedoucí diplomové práce: doc. Dr. Ing. Petr Lenfeld - TU v Liberci Konzultant diplomové práce: Ing. Josef Půta - TU v Liberci

Rozsah práce a příloh:

Počet stran 80 Počet tabulek 7 Počet příloh 4 Počet obrázků 69

Datum: 25.5.2007

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta strojní

Katedra strojírenské technologie Oddělení tváření kovů a plastů Studijní program: M2301 - Strojní inženýrství

Diplomant: Martin Seidl

Téma práce: Aplikace systému „Dynamic Feed“ u kaskádového vstřikování na vybrané formě.

Application of the system „Dynamic Feed“ with cascade injecting on selected form.

Číslo DP: KSP - TP - 792

Vedoucí DP: doc. Dr. Ing. Petr Lenfeld - TU v Liberci Konzultant: Ing. Josef Půta - TU v Liberci

Abstrakt:

Tato diplomová práce se zabývá měřením a hodnocením tlakových profilů ve vstřikovací formě pro konkrétní plastový díl a je zaměřena na porovnání a zhodnocení stability vstřikovacího procesu při použití technologie konvenčního kaskádového vstřikování a její modifikace, resp. technologie vstřikování pomocí systému „Dynamic Feed“. Zkoumá vliv, jaký má použití obou technologií na průběh tlaku uvnitř dutiny formy při současném sledování průběhu systémového tlaku vstřikovacího stroje.

Abstract: This diploma thesis deals with measurement and evaluation of

compressive profiles in the injecting form for particular plastic part and is focused on calibration and assessment of stability injecting process while using the technology of convention cascade injecting and its modification, or more precisely the injecting technology by means of the system „Dynamic Feed“. The thesis examines the influence over pressure process inside the form cavity while using both technologies with contemporary monitoring of the system pressure process of the injecting machine.

Místopřísežně prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury.

V Liberci, 25.května 2007

………..

Martin Seidl Piletická 42/59 500 03 Kradec Králové

Na prvním místě bych chtěl poděkovat své rodině za plnou podporu během mého studia.

Děkuji všem členům oddělení tváření kovů a plastů, především pak Ing. Josefu Půtovi a Doc. Dr. Ing. Petru Lenfeldovi za jejich cenné rady a připomínky, které mi poskytli při psaní této diplomové práce.

Poděkování patří v neposlední řadě firmě Cadence Innovation, která mi při vypracování diplomové práce vycházela vstříc a umožnila mi uskutečnit měření.

.

Obsah

Seznam zkratek a použitých symbolů... ...

8

1. Úvod... ...

9

2. Teoretická část...

10

2.1 Technologie vstřikování termoplastů

...

10

2.1.1 Vstřikovací cyklus

...

10

2.1.1.1 Proces plnění

...

13

2.1.1.2 Fáze dotlaku

...

15

2.1.2 Vlivy vybraných technologických parametrů na průběh tlaku uvnitř dutiny formy

...

15

2.1.3 Technologie kaskádového vstřikování

...

20

2.1.4 Technologie vstřikování pomocí systému Dynamic Feed

....

21

2.2 Vstřikovací stroj

...

24

2.3 Nástroje pro vstřikování termoplastů

...

27

2.4 Metody měření tlaku v dutině formy

...

30

2.4.1 Druhy metod měření tlaku v dutině formy

...

31

2.4.2 Typy tlakových senzorů

...

32

3. Experimentální část...

34

3.1 Vybraný plastový díl

...

34

3.2 Materiál

...

35

3.3 Vstřikovací forma

...

38

3.3.1 Úprava formy

...

40

3.4 Vstřikovací stroj Engel

...

42

3.4.1 Nastavení technologických parametrů na stroji při vstřikování konvenční kaskádou.

...

43

3.4.2. Nastavení technologických parametrů na stroji při vstřikování pomocí systému Dynamic Feed

...

45

3.5 Tlakový senzor

...

48

3.6 Zpracování výsledků měření

...

49

3.6.1 Vyhodnocení vnitřních tlaků při vstřikování

pomocí systému Dynamic Feed

...

49

3.6.2 Vyhodnocení vnitřních tlaků při vstřikování konvenční kaskádou

...

52

3.6.3 Vyhodnocení systémového tlaku při vstřikování pomocí systému Dynamic Feed

...

54

3.6.4 Vyhodnocení průběhu systémového tlaku při vstřikování konvenční kaskádou

...

56

3.6.5 Porovnání vnitřních tlaků

...

58

3.6.6 Porovnání systémových tlaků

...

64

3.7 Shrnutí výsledků měření

...

67

4. Závěr...

69

5. Seznam použité literatury...

72

6. Seznam příloh...

73

Martin Seidl 8 Seznam použitých zkratek a

Seznam použitých zkratek a symbolů

D [mm] průměr šneku

DF vstřikování systémem „Dynamic“ Feed

Fp [kN] přisouvací síla

Fu [kN] uzavírací síla

KK „konvenční“ kaskádové vstřikování

L [mm] délka šneka

N.B. Nepřeraženo při vrubové zkoušce

pd [MPa] Dotlak

pi [MPa] Vnitřní tlak

p [MPa] vstřikovací tlak

PID kontrolní jednotka systému Dynamic Feed

PP Polypropylen

pz [MPa] zbytkový tlak

Qp [kg.h^-1] plastikační kapacita stroje Qv [cm³] vstřikovací kapacita stroje

sk [mm] pohyb šneku

sN [mm] pohyb formy

ts1 [s] strojní čas (přisunutí a uzavření formy) ts2 [s] strojní čas (přisunutí plastikační jednotky) ts3 [s] strojní čas (otevření formy)

td [s] doba dotlaku

tch [s] doba chlazení

tpl [s] doba plastikace

tv [s] doba plnění

tm [s] Manipulační čas

Tf [°C] teplota formy

Ttav [°C] teplota taveniny

v [cm³ . s^-] objemová vstřikovací rychlost vs [mm . s^-1] vstřikovací rychlost

σ [MPa] směrodatná odchylka tlaku

1. Úvod

S výrobky z plastů se v současné době setkáváme téměř v každém odvětví lidské činnosti a tvoří velkou část předmětů denní spotřeby. Plasty jsou preferovány jako konstrukční materiály pro svou dobrou zpracovatelnost, široké rozpětí mechanických a fyzikálních vlastností, korozní odolnost, elektrické vlastnosti, atd. U plastových výrobků jsou minimální náklady na údržbu. Velké množství druhů plastů a možnost jejich následné modifikace vede k postupnému vytlačování ostatních materiálů, jejichž tváření je energeticky náročnější a finální výrobky jsou v konečné fázi dražší.

Snaha vyrábět s co nejmenšími náklady, ekologicky a v nejvyšší možné jakosti spolu s příchodem nových druhů plastů, polymerních směsí a kompozitů vede k neustálému zdokonalování již známých technologií, resp. k hledání nových výrobních postupů. Nejrozšířenější technologií zpracování plastů je vstřikování, které umožňuje výrobu tvarově náročných a rozměrově přesných předmětů v jedné operaci. Technologií vstřikování je velké množství (GIT, WIT, CIM, PIM, RIM, atd.), které se liší od klasické technologie vstřikování v určité části procesu jako celku. Existují však i modifikace pouze jednotlivých částí procesu, jako je vstřikování, chlazení, apod. Mezi modifikace fáze plnění se mimo jiné řadí i kaskádové vstřikování a technologie

„Dynamic Feed“, která je na světovém trhu distribuována výhradně společností Synvetive Molding Solutions, GmbH. Tato diplomová práce, zadaná společností Cadence Innovation - Libáň, je zaměřena na porovnání konečných vlastností dílů při použití plnění pomocí systému Dynamic Feed, resp. pomocí kaskádového vstřikování.

Cílem diplomové práce bylo porovnání a zhodnocení obou procesů plnění na úrovni systémových tlaků vstřikovacího stroje, tlaků uvnitř dutiny formy a analýzy rozměrové stability výstřiků pro vybraný díl z automobilového průmyslu.

Diplomová práce je rozčleněna do tří hlavních částí. V první, teoretické části, je popsána technologie vstřikování plastů se zaměřením na proces plnění a dotlaku a na popis metody kaskádového vstřikování a systém Dynamic Feed. Dále jsou v této části popsány metody měření tlaku uvnitř dutiny formy. Druhá, experimentální část, je zaměřena na popis vstřikovacího stroje, materiálu a výrobku použitých pro experiment.

Dále jsou zde popsány podmínky a nastavení stroje, za kterých měření proběhlo. V třetí části jsou diskutovány hodnoty naměřené v experimentální části a celkový přínos systému Dynamic Feed

2. Teoretická část

2.1 Technologie vstřikování termoplastů /1/, /2/

Existuje mnoho technologických postupů, které využívají pro tváření materiálu současného působení tepla a tlaku. Mezi tyto technologie patří pro zpracování plastů i technologie vstřikování. Technologie vstřikování je nejrozšířenější technologií na zpracování plastů a touto technologií lze zpracovat téměř všechny druhy termoplastů, včetně některých reaktoplastů a kaučuků. Jedná se o proces diskontuální, cyklický a neizotermický.

Vstřikováním se vyrábějí polotovary nebo jednotlivé díly montážních celků anebo konečné výrobky. Vstřikované díly se vyznačují velmi dobrou rozměrovou a tvarovou přesností, často jsou složitých tvarů, ale přesto si zachovávají dobré tolerance rozměrů a odpadá nutnost následného obrábění a dalších doplňkových operací.

Vstřikování je proces, při kterém je dávka zpracovávaného plastu z pomocné komory, resp. vstřikovací jednotky, vstříknuta velkou rychlostí do uzavřené dutiny kovové formy, kde ztuhne ve finální výrobek.

2.1.1 Vstřikovací cyklus /1/, /2/, /3/, /4/

Na obr. 2.1 je znázorněn průběh vstřikovacího cyklu, který tvoří sled přesně specifikovaných úkonů a za jeho počátek lze považovat okamžik odpovídající impulsu k uzavření formy. Vstřikovací cyklus lze vyjádřit jako závislost tlaku v dutině formy na čase (viz obr 2.2). Tlak v dutině formy bývá označován jako vnitřní tlak pi , zatímco pojmem vnější tlak (viz obr. 2.3) bývá označován tlak vyvozený strojem vztažený na jednotku plochy průřezu šneku.

Na počátku vstřikovacího cyklu, znázorněném na obr. 2.2, je dutina formy prázdná a forma je otevřená. V nulovém čase dostane stroj impuls k zahájení vstřikovacího cyklu. V časovém úseku ts1 se forma přisune, uzavře a uzamkne. Na přisouvání formy se vynakládá poměrně malá přisouvací síla Fp, zatímco na uzamknutí formy je nutno vynaložit až třikrát vyšší uzavírací sílu Fu, neboť musí být zaručeno, že se forma vlivem tlaku taveniny při vstřikování neotevře. V časovém úseku ts2 se tavící komora přisune k formě. V okamžiku A začíná axiálním pohybem šneku v tavící

komoře vlastní vstřikování roztavené hmoty do dutiny formy. Doba, během níž dochází k plnění dutiny formy, se nezývá doba plnění a značí se tv. Plnění je ukončeno v bodě B.

Jakmile hmota vstoupí do dutiny formy, ihned začne předávat teplo vstřikovací formě a chladne. Tato doba se nazývá doba chlazení, značí se tch a trvá až do otevření formy a vyjmutí výstřiku. Doba chlazení představuje nejdelší část cyklu a závisí na tloušťce stěn výstřiku, teplotě taveniny, teplotě formy, druhu plastu a na teplotě výstřiku v okamžiku vyjímání z formy. Chlazení lze zintenzívnit účinnou temperací formy. Fáze chladnutí ovlivňuje nejenom orientaci makromolekul, ale i krystalizaci, vnitřní pnutí a kvalitu povrchu. V praxi se dělí na dobu chlazení při plném vstřikovacím tlaku a při klesajícím tlaku. První část představuje dobu dotlaku td. Dotlak je dodatečné dotlačení taveniny do dutiny formy a jeho účelem je kompenzovat zmenšování objemu hmoty v dutině formy během chladnutí, a zabránit tak vzniku propadlin a staženin. Doba dotlaku končí v bodě D, kdy začíná doba plastikace nové dávky plastu, značená tpl. Šnek se začne otáčet, pod násypkou nabírá granulovanou hmotu, plastikuje ji a vtlačuje do prostoru před čelem šneku. Zplastikovaná dávka musí být dostatečně homogenní a její velikost musí zajistit dostatek taveniny pro naplnění tvarové dutiny formy i vtokového systému a v tavící komoře musí ještě zůstat tavenina pro fází dotlaku.

Obr. 2.1: Schéma průběhu vstřikovacího cyklu:

A) uzavření vstřikovací formy, B) plnění dutiny formy, C) plastikace a chlazení, D) otevření formy a následné vyhození výstřiku . /4/

Současně s rotací ustupuje šnek dozadu, přičemž musí překonávat zpětný tlak, vyvolaný odporem hmoty. Velikost zpětného tlaku ovlivňuje dobu plastikace a tím i kvalitu prohnětení zpracovaného plastu. Příliš vysoký zpětný tlak by však mohl způsobit degradaci plastu. Ohřev plastu během plastikace se děje jednak převodem tepla ze stěn válce, jednak frikčním teplem, které vzniká třením plastu o stěny komory a o povrch šneku a dále přeměnou hnětací práce šneku v teplo. Bod C označuje zatuhnutí hmoty ve vtokovém kanálu, čímž se přeruší spojení mezi dutinou formy a dutinou tavící komory a další prodlužování dotlaku je již bezúčelné. Plastikace je skončena v bodě E, kdy se otáčivý pohyb šneku zastaví a následuje odsunutí tavící komory od formy, aby bylo zabráněno přenosu tepla z trysky do formy. Během pokračujícího chlazení tlak ve formě dále klesá až na hodnotu zbytkového tlaku pz, což je tlak, pod nímž se hmota nachází ve formě těsně před jejím otevřením. Příliš vysoký vnitřní tlak je příčinou vysokého vnitřního pnutí ve výstřiku. Zbytkový vnitřní tlak lze snížit buď zkrácením doby dotlaku nebo programovaným průběhem tlaku během dotlaku, zobrazený tečkovanou čarou na obr. 2.2. Bod F značí okamžik, kdy se po dokonalém zchladnutí výstřiku forma otevře, což odpovídá času ts3, a výstřik se z formy vyhodí pomocí vyhazovacích kolíků. Manipulační čas tm je určen pro obsluhu formy.

Obr. 2.2: Průběh tlaku uvnitř vstřikovací formy :

sN - pohyb formy, sk - pohyb šneku, pi - tlak v dutině formy, pz – zbytkový tlak. /1/

Vstřikovací cyklus je tvořen čtyřmi základními fázemi, což jsou fáze plnění, dotlaku, plastikace a chlazení. Fáze plastikace a chlazení již byly popsány v této kapitole a rozboru fází plnění a dotlaku jsou věnovány kapitoly následující.

2.1.1.1 Proces plnění /1/, /2/

Plnění dutiny formy je provázeno rychlými změnami tlaku, teploty a viskozity taveniny a tyto změny jsou tím větší, čím složitější je tvar výrobku. Vlastní proces plnění dutiny formy rozhoduje o vlastnostech hotového výrobku. Proces

plnění se musí řídit tak, aby tavenina nevtékala do formy volným vtokem, ale aby byla forma plněna postupně, tzv. laminárním tokem (viz obr. 2.4).

Tavenina při styku s formou okamžitě ztuhne a vytvoří vrstvu nepohyblivé hmoty a zároveň tepelné izolace. Uvnitř je potom plastické jádro s nízkou viskozitou,

Obr 2.4: Laminární tok taveniny /1/

Obr. 2.3: Vnitřní a systémový tlak. /3/

umožňující další průtok taveniny plastu do dutiny formy, která se následně roztéká směrem ke stěnám až dojde k zaplnění tvarové dutiny formy. Zvyšování viskozity směrem od středu tvarové dutiny ke stěnám se projevuje na vyšší rychlosti v plastickém jádru a výsledkem je zakřivení čela taveniny. Pokles tlaku je potom směrem ke stěně formy.

Doba plnění tv, se odvíjí od rychlosti vstřikování, která závisí na

technologických podmínkách, zejména na teplotě taveniny Ttav

a na vstřikovacím tlaku p. Vliv má ovšem i druh plastu, konstrukce vtokového systému, teplota formy a tloušťka a geometrický tvar výstřiku. S rostoucí vstřikovací rychlostí a tlakem se zvyšuje orientaci makromolekul (viz obr. 2.5) a vláknitého plniva. Nadměrná orientace makromolekul způsobuje vnitřní pnutí, které ve výrobku nepříznivě ovlivňuje pevnostní a deformační chování. Další vadou, způsobenou vysokou vstřikovací rychlostí je uzavírání vzduchu v zadních pozicích formy. Vzduch nestihne uniknout odvzdušňovacími kanály, vlivem vysokého tlaku se zahřívá a může způsobit až spálení plastu, tzv. diesel efekt. Příliš vysoká vstřikovací rychlost může vést až k přehřátí a degradaci materiálu. Doba plnění dutiny formy má být co nejkratší, protože vstřikovaná tavenina se stykem s chlazenou formou ochlazuje, ztrácí tekutost, resp. roste její viskozita, a při neúměrném prodlužování doby plnění vznikají nedostříknuté zmetky.

Obr. 2.5: Orientace makromolekul v průběhu plnění dutiny formy. /1/

2.1.1.2 Fáze dotlaku /1/, /2/

Po naplnění tvarové dutiny formy následuje stlačování hmoty, které se projeví prudkým nárůstem tlaku a náhlým poklesem rychlosti. Aby se zamezilo vzniku tlakové špičky, které by mohlo vést až k pružné deformaci formy, je vstřikovací tlak snížen přepnutím na dotlak, viz obr 2.7. Pozdní přepnutí na dotlak by vedlo k nárůstu hmotnosti a rozměrů výstřiku a k vysokému namáhání formy.

K přepnutí na dotlak může dojít buď dle dráhy šneku nebo podle vstřikovacího času nebo podle tlaku ve formě anebo podle tlaku v hydraulice stroje. Doba dotlaku td

závisí hlavně na průřezu vtokového kanálu. Dotlak může být po celou dobu stejně vysoký jako maximální vstřikovací tlak, což je však nevýhodné z hlediska pnutí ve výstřiku, nebo se může po několika sekundách snížit, takže další chladnutí probíhá při sníženém dotlaku. Z tohoto důvodu se dotlak rozděluje na izobarický (kompenzace tlaku) a izochorický (kompenzace objemu). Při postupném snižování je dotlak nejvyšší v první fázi, aby bylo využito vysoké tekutosti taveniny. Ke konci se dotlak snižuje, aby se omezila orientace makromolekul v okolí vtoku. Abychom mohli dotlačovat, musí před čelem šneku zůstat určitý objem plastu, tzv. polštář. Tento polštář nesmí být příliš velký (10 – 15 %), aby nezůstával příliš dlouho v tavící komoře, kde by mohlo dojít k tepelné degradaci hmoty. Působení dotlaku má význam jen do momentu ztuhnutí vtoku.

Fází dotlaku jsou kompenzovány objemové změny způsobené chladnutím taveniny ve formě. Při nedostatečném dotlaku se na výrobku tvoří staženiny a propadliny.

2.1.2 Vlivy vybraných technologických parametrů na průběh tlaku uvnitř dutiny formy /1/, /2/, /5/, /6/

Na výsledný průběh tlaku v dutině formy má zásadní vliv nastavení jednotlivých technologických parametrů. Přestože každý technologický parametr se na výsledném průběhu tlaku uvnitř dutiny formy projevuje jiným způsobem, není zcela jednoznačné, který z parametrů na výsledném průběhu vnitřního tlaku má největší vliv a často mají změny jednotlivých parametrů navzájem protichůdné účinky. Nejvýznamnějšími z těchto parametrů jsou vstřikovací rychlost, velikost, moment přepnutí a doba dotlaku, vstřikovací teplota taveniny a teplota formy. Na naměřené hodnoty má významný vliv i poloha zvoleného měřícího bodu.

Velký vliv na vlastnosti a kvalitu výstřiku má doba, za kterou bude dutina formy naplněna. Nastavení velikosti vstřikovací rychlosti se projevuje na rychlosti čela taveniny uvnitř vstřikovací formy. V praxi se využívá plnění dutiny formy řízené vstřikovací rychlostí. Principem je konstantní objemová rychlost plnění při zvyšujícím

Obr. 2.6 : Vliv vstřikovací rychlosti na průběh tlaku uvnitř dutiny formy. /5/

Obr. 2.7 : Vliv momentu přepnutí na dotlak na průběh tlaku uvnitř dutiny formy. /5/

se tlaku taveniny v ústí vtoku do dutiny formy. Na obrázku 2.6 je znázorněn průběh tlaku uvnitř dutiny formy v závislosti na velikosti vstřikovací rychlosti. Čím je vstřikovací rychlost vyšší, tím je nárůst tlaku ve fázi vstřikování prudší. V dotlakové fázi se změna vstřikovací rychlosti neprojevuje.

Přepnutí vstřikovací fáze na dotlakovou fázi je možno řídit podle dráhy šneku, podle nastaveného času, podle hydraulického tlaku vstřikovacího stroje, podle tlaku v dutině formy nebo podle tlaku taveniny. Nejpoužívanější způsoby jsou přepnutí podle dráhy šneku, nastaveného času a hydraulického tlaku. Přepnutí podle tlaku v dutině formy je využíváno, pokud jsou kladeny vysoké nároky na přesnost výstřiků.

Moment přepnutí na dotlakovou fázi (viz obr 2.7) má vliv na množství vstříknuté taveniny plastu a měl by nastat až ve chvíli, kdy je dutina formy zcela nebo téměř zcela zaplněna. Správné nastavení přepnutí se projevuje plynulým přechodem tlaku ze vstřikovací fáze do dotlakové a zabraňuje tak tlakovým špičkám, které mohou vznikat na konci vstřikovací fáze. Při předčasném přepnutí dochází k poklesu tlaku v dutině formy a plnění zadních pozic dutiny formy je řízené dotlakem. Pokud je přepnutí pozdní, tak vzniká tlaková špička, která může způsobit pootevření nebo poškození formy.

Velikost dotlaku (viz obr 2.8) má největší vliv na průběh tlaku uvnitř dutiny formy. Dotlak začíná momentem přepnutí vstřikovací fáze na fázi dotlakovou a trvá až

Obr 2.8 : Vliv velikosti dotlaku na průběh tlaku uvnitř dutiny formy. /5/

do chvíle ukončení působení tlaku vyvozeného strojem. Vyšší dotlak způsobuje nárůst tlaku uvnitř dutiny formy a prodloužení vstřikovacího cyklu. S rostoucí velikostí dotlaku roste i hmotnost výstřiku, klesá smrštění, ale výstřiky vykazují vysoké vnitřní pnutí. Naopak nízký dotlak je příčinou propadlin na výstřiku.

Doba dotlaku, znázorněná na obr. 2.9, musí být dostatečná pro nutnost ztuhnutí vtoku. Pokud je doba dotlaku příliš krátká, vtok nestihne dostatečně ztuhnout a tavenina vytéká z dutiny formy zpět do vtokového systému, což vede k dodatečné orientaci makromolekul a kolísání hmotnosti výstřiků nebo k vytváření vzhledových vad, tzv.

vlasů na výstřiku. Změna doby dotlaku ovlivňuje křivku průběhu tlaku uvnitř dutiny formy jen do momentu ztuhnutí vtoku, což zabraňuje přístupu další taveniny do dutiny formy.

Změna teploty taveniny (viz obr. 2.10) má výrazný vliv na její viskozitu. Vyšší teplota taveniny zapříčiňuje snížení viskozity taveniny a i při zachování konstantního vstřikovacího tlaku dochází k nárůstu tlaku uvnitř vstřikovací formy. S teplotou taveniny roste i doba chladnutí a prodlužuje se vstřikovací cyklus. Dále se prodlužuje doba ztuhnutí vtoku a je proto potřeba i prodloužení doby dotlaku.

Teplota formy (viz obr. 2.11) má velký vliv na kvalita výstřiků jak z hlediska mechanických vlastností, tak i z hlediska kvality povrchu a rozměrové přesnosti výstřiků. Velikost teploty formy je důležitá především v dotlakové fázi, kdy silně

Obr. 2.9 : Vliv doby působení dotlaku na průběh tlaku uvnitř dutiny formy. /5/

ovlivňuje rychlost chladnutí taveniny plastu. Vyšší teplota formy způsobuje mírné zvýšení tlaku v dotlakové fázi a pomalejší chladnutí výstřiku, což opět vede k prodloužení vstřikovacího cyklu. U výstřiků s rostoucí teplotou formy klesá vnitřní pnutí, ale zvyšuje se riziko vzniku propadlin.

Obr. 2.10 : Vliv teploty taveniny na průběh tlaku uvnitř dutiny formy. /5/

Obr. 2.11 : Vliv teploty formy na průběh tlaku uvnitř dutiny formy. /5/

Obr. 2.12 : Vliv umístění tlakového senzoru na průběh tlaku uvnitř dutiny formy. /5/

Tvar křivky průběhu tlaku v dutině formy a dosažené maximum je závislé také na umístění tlakového senzoru (viz obr. 2.12). Nejvyšší hodnoty tlaku uvnitř dutiny formy je možno naměřit v místě vtoku. Toto umístění snímače může vést k zaznamenání tlakových špiček způsobených nepravidelným signálem ze snímače, tudíž měření tlaku v místě vtoku není vhodné, pokud by se jím řídilo přepnutí na dotlakovou fázi. Tlakové špičky mohou způsobit předčasné přepnutí na dotlakovou fázi.

Z hlediska řízení přepnutí na dotlakovou fázi je nejvýhodnější umístění tlakového snímače mimo oblast vtoku, do středu výstřiku.

2.1.3 Technologie kaskádového vstřikování termoplastů /3/, /7/, /8/

Technologie kaskádového vstřikování termoplastů (viz obr. 2.13) využívá horký vtokový systém. Rozváděcí blok je zakončen uzavíratelným jehlovým ústím vtoku, což zabraňuje vytékání taveniny z rozvodu. Uzavřením ústí vtoku jsou současně zažehleny stopy po ústí vtoku na výstřiku. Dříve byl posuv jehly odvozen od vstřikovacího tlaku. Zvýšení vstřikovacího tlaku ústí uvolnilo, přičemž jehla překonávala odpor pružiny a při poklesu tlaku jehla ústí vtoku uzavřela. V současné době je pohyb jehly zajištěn hydraulickým systémem vstřikovacího stroje. Této

technologie se využívá především u dlouhých a velkoplošných výstřiků, kde minimalizuje hrozbu vzniku studených spojů.

2.1.4 Technologie vstřikování plastů pomocí systému Dynamic Feed /3/

Hlavní předností vstřikovacího systému Dynamic feed je regulace toku taveniny v reálném čase, což umožňuje zajistit optimální podmínky plnění celé formy.

Mimo úprav vstřikovací formy, což zahrnuje zabudování snímače tlaku a ventilové jehly, jsou pro správný chod systému Dynamic Feed potřeba ještě regulátor PID a hydraulická jednotka, které jsou zobrazeny na obr. 2.14. Jedná se o horký vtokový systém vícevtokových soustav zakončený tryskami s ventilovými jehlami, které fungují jako škrtící ventil.

Obr. 2.13: Kaskádové vstřikování. /3/

Obr. 2.14: Schéma zapojení ovládacích členů systému Dynamic Feed. /3/

Obr. 2.15: Umístění tlakového snímače. /3/

Obr. 2.16: Regulátor PID (vlevo) a hydraulická jednotka (vpravo). /3/

Jedná se o horký vtokový systém vícevtokových soustav zakončený tryskami s ventilovými jehlami, které fungují jako škrtící ventil.

Ventilová jehla je hydraulickým pracovním válcem dynamicky udržována v příslušné poloze a reguluje průtok taveniny. Poloha ventilové jehly, a tím průtokové množství, je regulována v závislosti na tlaku.

Snímač tlaku (viz obr. 2.15) je umístěný ve vstřikovacím kanále a nepřetržitě měří tlak v době plnění tvarové dutiny.

Naměřené hodnoty jsou ze snímače tlaku odesílány do regulátoru PID.

Regulátor PID (viz obr. 2.16) porovnává snímačem tlaku naměřenou tlakovou křivku s nastavenou referenční tlakovou křivkou a pomocí hydraulické jednotky reguluje polohu ventilu tak, aby tlak ve vstřikovacím kanále odpovídal příslušné hodnotě referenční křivky. Referenční křivka pro každou trysku je nastavena předem a tím je možno přizpůsobit vlastní vstřikovací a dotlakový profil pro každou dutinu nebo část dutiny formy, kterou regulovaná tryska plní.

Hydraulická jednotka (viz obr. 2.14), vybavená tlakovým zásobníkem a servoventily, dodává tlak potřebný k ovládání pracovních válců ventilových jehel.

Hydraulický tlak může být dodáván i ze vstřikovacího stroje. Při regulování polohy ventilů se vytváří tlak na obou stranách pístu. Naproti regulaci systémů s uzavíracími jehlami, viz kapitola 2.1.3, kde existují pouze dvě polohy jehly (otevřená a uzavřená), je zde možno plynule nastavovat polohu ventilu.

Vstřikovací systém Dynamic Feed je aplikován především do nástrojů s více různými tvarovými dutinami, tzv. „family“ nástrojů.

2.2 Vstřikovací stroj /1/, /2/, /9/, /10/, /11/

Vstřikovací stroje mohou být děleny podle pohonu vstřikovací jednotky na elektrické, hydraulické a kombinované nebo podle způsobu plastikace na šnekové a pístové.

Hydraulické stroje pracují na principu servoregulace celého procesu vstřikování a umožňují regulaci tlaku oleje v hydraulickém systému. Stroje s elektrickým pohonem se vyznačují přesnějším polohováním, vyšší účinností a energetickou úsporností.

Elektrické pohony jsou ale mnohem náročnější na údržbu a servis a hůře se uzpůsobují pro využití komplikovanějších nástrojů, např. u vícekomponentního vstřikování.

Hydraulické pohony vykazují lepší výsledky v aplikacích, kde je nutná přesná kontrola dotlaku, především u tlustostěnných výrobků. Kombinované stroje mají elektrický pohon pro pohyb v hlavní ose stroje, což jsou pohyby formy, vstřikování a plastikace.

Zatímco pohyby ve vedlejších osách stroje, jako jsou pohyby vyhazovače, tahače forem a přísun trysky, jsou zprostředkovány hydraulickým nebo elektrickým pohonem.

U strojů s pístovou vstřikovací jednotkou je plastikace a pohyb hmoty zajištěn teplem přivedeným topnými pásy a tlakem, kterým na hmotu uvnitř tavící komory působí čelo pístu. Torpédo v tavící komoře slouží k dokonalejší homogenizaci taveniny.

Obr. 2.17: Vstřikovací stroj /11/

V současné době se pro technologii vstřikování používají již výhradně stroje se šnekovou vstřikovací jednotkou a s hydraulickým nebo elektrickým pohonem.

Vstřikovací stroj se skládá ze vstřikovací jednotky, uzavírací jednotky a prvků řízení a regulace, viz obr. 2.17.

Vstřikovací jednotka, zobrazená na obr. 2.18, zajišťuje dávkování granulátu, jeho plastikaci, vstříknutí roztavené hmoty do formy, provedení dotlaku a zajištění

dalších pohybů tavící komory, tj. její odsunutí a přisunutí k formě. Charakteristické parametry vstřikovací jednotky se šnekovou plastikací jsou průměr D, délka L a typ šneku, vstřikovací kapacita Qv, plastikační kapacita Qp, maximální vstřikovací tlak pvstř

a objemová vstřikovací rychlost v.

Vstřikovací kapacita Qv představuje maximální objem taveniny, kterou lze na daném stroji vstříknout z tavící komory do volného prostoru při jednom pracovním zdvihu šneku. Plastikační kapacita stroje Qp udává maximální množství taveniny v kilogramech, které je stroj schopen za jednu hodinu vyprodukovat.

Konstrukce šneku je přizpůsobena činnostem, které musí šnek vykonávat, což je dávkování, doprava, plastikace a vstříknutí materiálu do formy. Byly vyvinuty různé typy šneků, jako jsou diferenciální a bariérové.

Obr. 2.18: Vstřikovací jednotka vstřikovacího stroje. /10/

Na diferenciálním šneku lze rozlišit tři funkční pásma (viz obr. 2.19). Pásmo pod násypkou se nazývá dopravní. Zpracovávaný materiál je v něm hlavně stlačován, čímž se vytěsňuje vzduch z prostoru mezi granulemi. K zahřívání granulátu a tání dochází až na konci této části. V druhém, prostředním pásmu, se průměr jádra šneku směrem k trysce zvětšuje a hloubka šnekového kanálu se zmenšuje.

V tomto pásmu se materiál stlačuje, proto se nazývá kompresní. Zde

dochází k nejintenzivnějšímu tání granulí. Homogenizaci taveniny zajišťuje poslední pásmo, nazývané homogenizační. Aby nedocházelo k tečení materiálu zpět směrem k násypce během vstřikování, je zakončení šneku zpětný uzávěr. Délka šneku u vstřikovacích strojů na termoplasty bývá 15-ti až 20-ti násobek jeho průměru D.

Vstřikovací jednotka vstřikovacího stroje, který byl použit při experimentu, byla vybavena bariérovým šnekem. Výhodou tohoto šneku je především lepší plastikace granulátu a vyšší homogenizace taveniny. Bariérový šnek se může rychleji otáčet a jeho použitím se sníží doba plastikace. Na šneku je více třecích ploch než na šneku diferenciálním, které zvyšují teplotu taveniny, což umožňuje snížit pracovní teplotu tavící komory.

Tavící komora je pro účely vytápění obvykle rozdělena do tří topných pásem se samostatnou regulací teploty. Pokud je uvnitř tavící komory diferenciální šnek, tak se nejnižší teplota nastavuje v pásmu u násypky a nejvyšší u trysky. Teplota pásma u násypky nesmí být příliš vysoká, aby nedošlo k předčasnému natavení a následnému spečení granulí. Proto se část tavící komory, která přiléhá k násypce, chladí. Tavící komora je zakončena tryskou, která zajišťuje spojení mezi komorou a formou. Trysky se konstruují buď jako uzavíratelné nebo jako otevřené, které se otevřou pouze při dosedu vstřikovací jednotky na formu.

Obr 2.19 : Zóny diferenciálního šneku /1/

Uzavírací jednotka stroje (viz obr. 2.20) zajišťuje pevné uzavření formy během jejího plnění a všechny pohyby formy nutné k vyhození hotového výrobku z formy. Pro vyšší bezpečnost uzavření formy jsou dnes součástí formy mechanické zámky.

Vstřikovací stroje používají různé uzavírací systémy, např.

hydraulické, mechanické, kombinované nebo elektrické. Vstřikovací a uzavírací jednotky mají vůči sobě určité umístění.

Nejčastější uspořádání u vstřikovacích strojů je horizontální poloha vstřikovací i uzavírací jednotky, typické pro vstřikování na dělící rovinu vstřikovací formy.

Ovládání obou jednotek zajišťuje řídící a regulační systém, který zabezpečuje poloautomatický, případně plně automatický provoz stroje. Systém také samočinně dodržuje nastavené technologické parametry, k nímž patří teplota vstřikované hmoty, vstřikovací tlak, rychlost vstřikování, teplotu formy a časové rozčlenění celého vstřikovacího cyklu.

2.3 Nástroje pro vstřikování termoplastů /1/, /5/, /7/, /8/, /12/, /13/

Vstřikovací forma (viz obr. 2.21), jinak nazývaná nástroj pro vstřikování termoplastů, musí odolávat vysokým tlakům, musí poskytovat výrobek o přesných rozměrech, musí umožnit snadné vyjmutí výrobku a musí pracovat automaticky po celou dobu své životnosti.

Vstřikovací formy je možno rozdělit podle násobnosti na jednonásobné a vícenásobné, podle konstrukčního řešení na dvoudeskové, třídeskové, vytáčecí, čelisťové, apod. a podle konstrukce vstřikovacího stroje na formy se vstřikem kolmo na dělící rovinu a na formy se vstřikem do dělící roviny.

Obr 2.20: Uzavírací jednotka vstřikovacího stroje:

01-rám stroje, 02-pevná upínací deska, 03-vedení upínacích desek, 04-„Flex-link“, 05-mechanický nebo

magnetický systém upínání forem, 06-pohon /9/

Každá vstřikovací forma se skládá z dílů vymezujících tvarovou dutinu, z vtokového, temperančního a vyhazovacího systému, z upínacích a vodících elementů.

Jednotlivé části vstřikovacích forem lze rozdělit na části konstrukční a části funkční.

Konstrukční části zabezpečují správnou činnost nástroje a funkční části se stýkají s tvářeným materiálem a udělují mu požadovaný tvar.

Vtokový systém je systém kanálů a ústí vtoku, které musí zajišťovat správné naplnění dutiny formy, snadné oddělení a vyhození vtokového zbytku. Konstrukční řešení vtokového systému závisí na konkrétním tvaru výstřiku, na násobnosti formy a zda je vtoková soustava konstruována jako studený nebo horký rozvod.

Obr. 2.21: Schéma vstřikovací formy. /12/

Studený vtokový systém je využíván především u jednonásobných forem a patří sem např. tunelový vtok, kuželový vtok nebo bodový vtok, který umožňuje odtrhávání vtokového zbytku přímo ve formě. Z hlediska vyplňování dutiny formy je třeba, aby ústí vtoku zatuhlo až po dokonalém zaplnění dutiny, jinak bude výrobek nedostříknutý nebo s propadlinami.

Na rozdíl od studeného vtokového systému je horký vtokový systém bezodpadový a zajišťuje stálou teplotu rozváděné taveniny plastu. Je využíván především u vícenásobných forem. Vyústění horkého vtokového systému může být uzavíráno např.

jehlou, viz obr. 2.22.

Typickým představitelem horkého vtokového systému uzavíraného jehlou je kaskádové vstřikování, viz kapitola 2.1.3. Horký vtokový systém tvoří rozváděcí blok, který zajišťuje rozvod taveniny od trysky až k dutině formy a udržuje taveninu v tekutém stavu. U systémů s ohřívaným ústím vtoku je teplo do ústí vtoku přiváděno buďto torpédem, ve kterém je uloženo topné těleso, nebo odporovým topením umístěným kolem trysky. Použití horkého vtokového systému umožňuje prodloužení doby vstřikovacího cyklu, aniž by došlo ke ztuhnutí taveniny v ústí vtoku.

V případě předkomůrkového vstřikování se využívá rozváděcích kanálů s větším průřezem. Vytvoří se ztuhlá vrstva v místě kontaktu plastu se vstřikovací formou a ta izoluje a udržuje jádro v tekutém stavu.

Temperační systém je systém kanálů a dutin, umožňujících přestup a prostup tepla z taveniny do formy a temperovací kapaliny, čímž je umožněno chlazení výstřiku ve formě. Temperační médium protéká soustavou kanálů. Ideálního stavu by bylo

Obr. 2.22: Schéma formy s horkým vtokovým systémem a trysky s uzavíratelnou jehlou. /13/

dosaženo, pokud by hmota ve formě chladla ve všech místech stejnou rychlostí.

Temperační systém bývá rozdělen do dílčích okruhů a jsou konstruovány tak, aby rozdíl teplot temperační kapaliny na vstupu a na výstupu byl maximálně 3 až 5 °C.

Při ochlazování se výrobky smršťují a zůstávají na tvarových součástech formy, a proto vstřikovací forma obsahuje i různé mechanismy pro vyhazování výstřiků.

Nejčastější je mechanický způsob vyhazování výstřiků, dále se používají systémy pneumatické, hydraulické a jejich vzájemná kombinace. Výpočet vyhazovacích sil vychází z měrných tlaků mezi formou a výstřikem, z teplotní závislosti koeficientu tření mezi oběmi plochami a z rozměrů výstřiku. Vyhazovací mechanismus tvoří válcové, trubkové a ploché vyhazovače, vyhazovací desky s vodícími sloupky, tyčemi a pouzdry, omezovače zdvihu a vzduchové ventily. Součástí vyhazovacího mechanismu mohou být i speciální vyhazovací systémy, jako je vytáčecí.

Odvzdušnění tvarové dutiny vstřikovací formy zabraňuje nedokonalému vyplnění tvarové dutiny taveninou plastu a nebezpečnému zvýšení tlaku, poklesu pevnosti v místech studených spojů nebo uzavírání vzduchu, které může vést až ke spálení materiálu, tzv. diesel efektu. Intenzivní odvod vzduchu z tvarové dutiny formy zajišťují netěsnosti v dělící rovině a systém odvzdušňovacích kanálků. Odvzdušnění má být provedeno v dělící rovině na protilehlém místě vtoku.

Funkční části formy jsou vyráběny především z nástrojové oceli a patří mezi ně tvárník, tvárnice, různé tvarové vložky a stírací pouzdra.

Funkci nosné konstrukce a ovládacích mechanismů formy plní konstrukční části formy. Jsou to hlavně deskovité součásti a vodící a spojovací prvky z nelegovaných, případně nízkolegovaných ocelí. Dále sem patří ovládací mechanismy užívané pro řízení mechanických pohybů částí formy. Ovládání je zajištěno řetězovými, hydraulickými nebo pneumatickými tahači a různými mechanickými pohony.

2.4 Měření tlaku v dutině formy /6/

Pro úplnou kontrolu nad řízením vstřikovacího cyklu je nutnost monitorovat velké množství průběhů a hodnot různých technologických veličin, aby bylo pro danou technologii dosaženo nejvyšší možné kvality výrobků. Mezi tyto veličiny patři i tlak v dutině formy, jehož sledování umožňuje odhalit různé možné zdroje nepříznivých vlivů, které jsou příčinou snížení fyzikálních a mechanických vlastností vlastního výstřiku. Měření tlaku v dutině vstřikovací formy nám umožňuje sledovat vliv nastavení

ostatních parametrů na průběh tohoto tlaku. Pomocí hodnot tlaku uvnitř dutiny formy je možno i přepínat z fáze vstřikování na dotlakovou fázi.

2.4.1 Metody měření tlaku v dutině formy /6/, /14/

Nejvýhodnější z hlediska přesnosti naměřených hodnot a jednoduchosti převodu a uchovávání dat pomocí počítače je převod tlaku na elektrické impulzy s využitím hlavně piezoelektrických, ale i tenzometrických snímačů, viz kapitola 2.4.2.

Pro měření tlaku uvnitř vstřikovací formy existují dva hlavní způsoby měření a těmi jsou přímé a nepřímé měření tlaku, viz obr. 2.23.

U přímého měření tlaku jsou snímače v přímém kontaktu s taveninou uvnitř vstřikovací formy a svou aktivní plochou kopírují povrch dutiny formy. Snímače pro přímé měření tlaku musí odolávat vysokým teplotám taveniny a tudíž jsou na ně

kladeny mnohem vyšší nároky, než na snímače nepřímého měření, což je prodražuje, a proto je v praxi preferováno nepřímé měření tlaku. V případě nepřímého měření (viz obr. 2.23) tlaku jsou snímače umístěny mimo dutinu vstřikovací formy, takže není

Obr. 2.23: Způsoby měření tlaku uvnitř dutiny formy přímou a nepřímou metodou. /14/

Obr. 2.25 : Schéma peizorezistivního snímače. /16/

v přímém kontaktu s taveninou. Ve většině případů je snímač tlaku umístěný ve vyhazovací desce vstřikovací formy a tlak taveniny je přenášen vyhazovacími kolíky.

2.4.2 Druhy snímačů /14/, /15/, /16/

Pro měření tlaku uvnitř dutiny vstřikovací formy se využívá především tří typů snímačů a to piezoelektrické, piezorezistivní a tenzometrické snímače.

U piezoelektrických senzorů (viz obr. 2.24) tlaku vyvolává tlaková síla F deformaci piezoelektrického elementu, což vede k polarizaci elementu a dochází na elektrodách ke vzniku náboje, který je úměrný tlaku. Tlak je přiváděn na tuhou střední část

membrány, která současně zajišťuje

počáteční mechanické

předpětí. Z piezoelektrických materiálů, které dělíme na krystalické, keramické a polymerové, se u

snímačů tlaku nejčastěji používá křemen (SiO2 vyráběný v současnosti uměle). Použití je omezené teplotou (Courierovou), při níž dochází ke ztrátě piezoelektrických vlastností.

K hlavním výhodám piezoelektrických snímačů tlaku patří jejich malé rozměry, nízká hmotnost a široké frekvenční pásmo. K nevýhodám patří teplotní závislost, obtížnější zpracování signálů a potřebné speciální kabely (vysokoohmové vstupy zesilovačů).

Piezorezistivní odporové snímače (viz obr. 2.25) jsou založeny na změně Obr. 2.24: Schéma piezoelektrického senzoru. /16/

odporu vodiče způsobené jeho deformací, resp. jeho mechanickým namáháním. Měřicí odpory jsou uspořádány do Wheatsonova můstku a snímají napětí deformačního členu, jímž je zpravidla membrána ve tvaru desky.

Měřicím členem piezorezistivních snímačů je mechanicky namáhaná destička z vysokoodporového křemíku. Monokrystalický křemík je modifikován příměsí stopových prvků (akceptorů) tak, že jeho měrný odpor je výrazně závislý na mechanickém namáhání. Křemíková měřicí destička je obvykle připájena na nosnou destičku ze skla, která je posléze nalepena na kovovou podložku ze speciální slitiny se shodnou teplotní roztažností. Piezorezistivní čidla jsou dlouhodobě stabilní, poskytují vysoký využitelný signál a mají velmi dobrou reprodukovatelnost měření.

Tenzometry, zobrazené na obr. 2.26, se vyrábějí ve dvou základních provedeních, a to v kovovém a polovodičovém (z křemíku). Tyto dva typy nelze navzájem porovnávat, protože každý z nich má své optimální využití.

Kovové i polovodičové

tenzometry napájené stejnosměrným nebo střídavým

proudem mění ohmický odpor, jsou-li vystaveny mechanické deformaci způsobené měřenou veličinou. U kovových tenzometrů je změna ohmického odporu způsobena změnou průřezu drátu měřící mřížky a její délky, u polovodičových tenzometrů ve tvaru tyčinky je způsobena především změnou jejího měrného odporu, což je primární projev piezorezistentního jevu (viz piezorezistivní odporové snímače). Kovové tenzometry se uplatňují tam, kde je vyžadována velká přesnost, zatímco polovodičové tam, kde je třeba velká citlivost, která umožňuje použít je v senzorech miniaturních rozměrů s vysokou tuhostí měřícího členu. Tenzometry určené pro přesná měření jsou zapojovány do můstkových obvodů.

Další možností, jak monitorovat tlak uvnitř dutiny formy je sledováním průběhu a velikosti uzavírací síly během vstřikovacího cyklu. Základem této metody je pozorování prodloužení vodícího sloupku vstřikovací formy. Tento přístup k měření tlaku uvnitř vstřikovací formy je ale spíše teoretický a v praxi se nevyužívá.

Obr. 2.26 : Fóliové mřížky kovových tenzometrů. /15/

3. Experimentální část

Záměrem zadavatele této diplomové práce společnosti Cadence Innovation - Libáň a zároveň i cílem experimentální části je porovnání dvou metod plnění a dotlaku u technologie vstřikování. V současné době společnost Cadence Innovation ve výrobě používá technologii klasického kaskádové vstřikování a výsledky a závěry této diplomové práce mají pomoci při rozhodnutí, zda přejít u vybraných dílů z technologie klasického kaskádového vstřikování na technologii vstřikování pomocí systému Dynamic Feed. Základní hypotézou aplikace je zvýšení stability vstřikovacího procesu a tím i zvýšení užitných vlastností vstřikovaných dílů pomocí technologie využívající systému Dynamic Feed. K analýze obou technologií bylo využito vyhodnocení průběhů vnitřního tlaku, systémového tlaku a vlastností výstřiku. Konečné rozhodnutí o zavedení nové technologie do výroby je z velké části také ovlivněno ekonomickým faktorem.

Kromě vysokých nákladů, vynaložených na nákup nové technologie, zahrnuje celková investice i náklady na přestavbu forem a tedy na konečnou aplikaci systému Dynamic Feed. Tyto výdaje může vyvážit pouze zvýšení efektivnosti práce za dodržení minimálně stejné kvality finálních výrobků.

3.1 Vybraný plastový díl /17/

Největším odběratelem produktů společnosti Cadence Innovation je firma Škoda Auto se sídlem v Mladé Boleslavi. Měření bylo prováděno na zadních dveřních

výplních automobilu Škoda Roomster (viz obr. 3.1). „Family“ nástroj obsahuje čtyři tvarové dutiny, což umožňuje na jeden zdvih vstřikovacího stroje výrobu levé zadní

Obr. 3.1: Škoda Roomster. /17/

dveřní výplně a levé kapsy a současně zrcadlově konstruované pravé zadní dveřní výplně a pravé kapsy (viz obr. 3.2). K jejich následné kompletaci je využito ultrazvukového svařování.

Předepsaná hmotnost je pro měřený díl 1247 ± 20 g v případě dveřní výplně a v případě kapsy je hmotnost 123 ± 5 g. Aby bylo možno dveřní výplň namontovat na konstrukci dveří, je výrobek opatřen „retainery“ na nevzhledové straně. Kapsa je na téže straně vyztužena žebry, která zabraňují jejímu zkroucení. Na vzhledové straně kapsy i dveřní výplně je jemný dezén.

3.2 Materiál /1/, /2/, /18/

Díly byly vstřikovány z polypropylenu Daplen EE 137 HP dodávaný firmou Borealis, obohacený 10-ti % minerálních plniv, resp. talku.

Polypropylen, jehož strukturní vzorec je na obr. 3.3, je semikrystalický termoplast a řadí se spolu s polyetylénem mezi polyolefíny, které se vyznačují velmi nízkou hustotou a navzdory nižší pevnosti a tuhosti i velkou houževnatostí. Snáší teploty až kolem 120 °C a k jeho tání dochází při teplotách 160 až 170 °C. Dobře odolává kyselinám, zásadám a při teplotě 20 °C i organickým rozpouštědlům. Působením povětrnostních účinků křehne. Zlepšení mechanických, chemických i fyzikálních vlastností je možné dosáhnout modifikací čistého polypropylenu různými plnivy.

V automobilovém průmyslu jsou z polypropylenu vyráběny především díly tvořící interiér vozů. Z exteriérových dílů automobilů se z polypropylenu vyrábějí např.

nárazníky.

Obr. 3.2: Pravá a levá zadní dveřní výplň s kapsami v barvě Onyx.

[-CH3-CH-]n

| CH3

Obr. 3.3: Strukturní vzorec polypropylenu.

Granulát je dodáván v přírodním zabarvení a je sušen při teplotě 80 °C po dobu 2 hodin. Konečnou barvu výstřiku dodávají „masterbatche“, které jsou k polypropyleny přidávány ve směšovacím zařízení vstřikovacího stroje, zobrazeném na obr. 3.4.

V experimentu této diplomové práce jsou sledovány i vlivy různých druhů

„masterbatchů“ a množství regranulátu na průběh tlaku uvnitř dutiny formy. Do výše uvedeného PP byly použité „masterbatche“ Onyx 10-9816 F/PP (viz obr. 3.2) a Silbergrau 10-80069 F/PP (viz obr. 3.5), které jsou dodávány společností Lifocolor.

Výsledná směs obsahuje 97 % polypropylénu a 3 % masterbatche. Různá barviva však nemají zásadní vliv na reologické vlastnosti taveniny, což potvrdilo měření indexu toku taveniny, viz. tab. 3.3. Při přidávání regranulátu tvoří výslednou směs 70 % polypropylénu a 30 % regranulátu. Vybrané parametry polypropylenu Daplen EE 137 HP jsou uvedeny v tabulce 3.1. Vzájemné porovnání vybraných parametrů polypropylenu Daplen EE 137 HP a směsi tvořené polypropylénem a regranulátem je v tab. 3.2.

Obr. 3.4: Stroj Engel Duo se směšovacím zařízením.

Tab. 3.1: Materiálová data polypropylenu Daplen EE 137 HP. /18/

VLASTNOST Jednotka Hodnota Norma

Hustota kg/m³ 980 ISO 1183

Index toku taveniny při 230 °C zátěži 2,16 kg g/10min 11,0 ISO 1133 Index toku taveniny při 230 °C zátěži 5,0 kg g/10min 42,0 ISO 1133

Smrštění % 0,95 ISO 294-4

MECHANICKÉ VLASTNOSTI

Pevnost v tahu MPa 21,0 ISO 527-1, -2

Modul pružnosti v tahu při 23 °C MPa 1600 ISO 527-1, -2

Modul pružnosti v ohybu při 23 °C MPa 1500 ISO 178

Vrubová houževnatost – metoda Charpy

Při teplotě – 20 °C kJ/m² 3,6 ISO 179

Při teplotě 23 °C kJ/m² 22,0 ISO 179

Rázová houževnatost – metoda Charpy

Při teplotě – 20 °C kJ/m² 66,0 ISO 179

Při teplotě 23 °C kJ/m² NB ISO 179

TEPLOTNÍ VLASTNOSTI

Teplotní odolnost dle Vicata A50 (50 °C, h 10N) °C 132 ISO 75B-1, -2 Teplotní odolnost dle Vicata B50 (50 °C, h 10N) °C 98,0 ISO 75A-1, -2

Teplota tání °C 220-260 -

Teplota formy °C 30,0-50,0 -

Obr. 3.5: Pravá a levá zadní dveřní výplň v barvě Silbergrau.

Tab. 3.2: Vliv regranulátu na vybrané vlastnosti polypropylenu Daplen EE 137 HP.

VLASTNOST Jednotka PP Daplen EE 137 HP

PP Daplen EE 137 HP +

30 % regranulátu

Norma MFR

(230 °C, 2,16 kg)

g/10 min 16,6 15,4 ISO 1133

Modul pružnosti

v ohybu při 23 °C MPa 1240 987

ISO 178

Pevnost v tahu MPa 21,0 20,1 ISO 527-2/1B/50

Vrubová houževnatost - metoda Charpyho

Při tepltě 23 °C kJ/m² 22,0 27,7 ISO 179/1eA

Rázová houževnatost – metoda Charpy

Při teplotě 23 °C kJ/m² N.B. N.B. ISO 179/1eU

Tab. 3.3: Vliv „masterbatchů“ na reologické vlastnosti polypropylenu Daplen EE 137 HP.

VLASTNOST Jednotka PP Daplen EE 137 HP

PP Daplen EE 137 HP + 3 % onyx 10-9816 F/PP

PP Daplen EE 137 HP + 3 % silbergrau

10-80069 F/PP

Norma

MFR g/10 min 16,606 16,971 17,354 ISO 1133

3.3 Vstřikovací forma /3/

Pro experiment byl systém Dynamic Feed zabudován do „family“ nástroje, který je určen pro vstřikování zadních dveřních výplní automobilů Škoda Roomster. Pojmem

„family“ nástroje jsou označovány vstřikovací formy, které obsahují minimálně dvě různé tvarové dutiny. Na jeden zdvih stroje jsou vyrobeny výstřiky, resp. jednotlivé členy sestavy, které po kompletaci tvoří jeden celek. Příkladem je „family“ nástroj, který je uzpůsoben pro vstřikování předního a zadního krytu mobilních telefonů.

Vstřikovací forma použitá v experimentu diplomové práce má čtyři tvarové dutiny (viz obr. 3.6 a 3.7) a vstřikované díly byly již popsány v kapitole 3.1. Systém Dynamic Feed zabudovaný v horkých rozvodech je možno jednoduchou úpravou přestavit na

„konvenční“ kaskádové vstřikování. Průběh této úpravy je popsán v kapitole 3.3.1.

Obr. 3.6: Pohyblivá část vstřikovací formy.

Obr. 3.7: Pevná část vstřikovací formy.

Při plnění dutiny formy nejsou využity všechny vtoky horkých rozvodů (viz obr. 3.8)

a to vtoky č. 4 a 9. Vstříknutí pravé dveřní výplně zajišťují vtoky č. 1, 2 a 3, zatímco dutinu levé dveřní výplně plní vtoky č. 6, 7 a 8. Vtoky č. 5 a 10 zajišťují plnění kapes dveřních výplní.

Celková hmotnost vstřikovacího nástroje je 43 500 kg. Chlazení formy zajišťuje temperační systém od společnosti Remak, který nese označení PulseTemp. Systém pracuje v modu regulace, tedy zajišťuje regulaci teploty temperačního média v každém okruhu zvlášť. V pevné i v pohyblivé části formy je 10 temperačních okruhů a temperačním médiem je voda. Teplota vody je u pohyblivé části formy nastavena na hodnotu 45 °C a voda v pevné části formy je nastavena na 35 °C.

3.3.1 Úprava formy

Jednotlivé kroky úpravy formy jsou zdokumentovány na obr. 3.9. Horké vtoky byly po sundání vstřikovací formy ze stroje zpřístupněny odmontováním kotevní desky.

V dalším kroku byl odebrán z hydraulického válce snímač polohy jehly. Kompletně demontovaný hydraulický válec regulující průtok taveniny v systému Dynamic Feed je zobrazen na obr. 3.9, krok E.

Obr. 3.8: Rozmístění trysek horkého rozvodu v dutině formy. /3/

Principem přestavby systému Dynamic Feed na „konvenční“ kaskádové vstřikování je vložení vymezovacího kroužku, zobrazeného na obr. 3.9, krok E, do hydraulického válce k pístu ovládajícímu jehlu uzavíratelného vtoku. K úplnému uzavření vtoku u systému Dynamic Feed dochází v krajních polohách ventilu a plné proudění taveniny je dosaženo v momentu, kdy je píst v poloze odpovídající 40-ti % celé jeho dráhy. S distančním kroužkem se píst může pohybovat pouze v rozmezí 0 – 40

% původní dráhy. Na začátku dráhy pístu je vtok uzavřen a v druhé krajní poloze pístu je vtok otevřen. Pohyb pístu pouze mezi těmito dvěma krajními polohami bez možnosti další regulace je charakteristický pro technologii „konvenčního“ kaskádového vstřikování.

Obr 3.9: Postup přestavby systému Dynamic Feed na „konvenční“ kaskádové vstřikování ve vstřikovací formě: A) sundání vstřikovací formy ze stroj, B) odejmutí kotevní desky,

C) rozváděcí deska, D) pohled na kompletní vstřikovací systém, E) jednotlivé díly vstřikovacího systému.

3.4 Vstřikovací stroj Engel /9/

Pro experimentální měření byl společností Cadence Innovation poskytnut stroj se dvěma vstřikovacími jednotkami Engel Duo 18000H / 18000H / 3200 (viz obr. 3.10) určený pro výrobu velkoplošných výstřiků. Dvě vstřikovací jednotky, nesoucí označení 18000H, umožňují rychlou výměnu materiálu bez nutnosti čekání na přestříknutí tavící komory, čehož je využito především v sériové výrobě. Technické parametry vstřikovacího stroje Engel Duo jsou uvedeny v tabulce 3.4. Odebírání výrobků z formy zajišťuje manipulátor, který výstřiky následně přemísťuje na dopravník. Funkci manipulátoru má na stroji využitého k experimentu angulární robot KR C2 společnosti Kuka s řízením od firmy Remak.

Tab. 3.4: Vybrané technické parametry vstřikovacího stroje Engel Duo 18000H / 18000H / 3200. /9/

UZAVÍRACÍ JEDNOTKA

Uzavírací síla 32 000 kN

Dráha otevírání 3 100 mm

Velikost upínacích desek (v x š) 2710 x 3130 mm Světlost mezi sloupky (v x š) 1800 x 2240 mm Max. hmotnost nástroje 81 000 kg

Dráha vyhazovače 400 mm

Síla vyhazovače 400 kN

VSTŘIKOVACÍ JEDNOTKA č.1

Průměr šneku 135 mm

Dráha dávkování 645 mm

Max. objem zdvihu 9230 cm³

Max otáčky šneku 85 r/min

Plastikační výkon 117 g/sec

VSTŘIKOVACÍ JEDNOTKA č.2

Průměr šneku 135 mm

Dráha dávkování 645 mm

Max. objem zdvihu 9230 cm³

Max otáčky šneku 85 r/min

Plastikační výkon 117 g/sec

3.4.1 Nastavení technologických parametrů na stroji při vstřikování konvenční kaskádou

Technologické parametry jsou na vstřikovacím stroji Engel Duo nastaveny prostřednictvím řídící a regulační jednotky.

Obr. 3.10: Vstřikovací jednotky vstřikovacího stroje Engel Duo 18000H / 18000H / 3200 a robot KR C2 ABB ve

vyčkávací poloze.

´

Obr. 3.11: Vstřikovací profil nastavený pro vstřikování „konvenčními“

kaskádami.

Systémový tlak je tlakem kapaliny v hydraulickém obvodu vstřikovací jednotky a zajišťuje dosažení potřebné vstřikovací rychlosti taveniny. Průběh systémového tlaku stroje vyplývá z nastavení vstřikovacího profilu. Na moderních strojích určuje vstřikovací profil zvolený průběh vstřikovací rychlosti na dráze šneku (viz obr. 3.11).

Dalším nastavitelným parametrem je maximální přípustný tlak, který systémový tlak během vstřikování nesmí překročit. Přepnutí na dotlak je řízeno dráhou šneku a průběh dotlaku je dán nastaveným dotlakovým profilem (viz obr. 3.12). Hodnoty jednotlivých technologických parametrů jsou uvedeny v tabulce 3.5.

Tab. 3.5.: Nastavené technologické parametry na stroji při vstřikování „konvenčni“

kaskádou.

TEPLOTY [°C]

Pod násypkou 50

Válec 265-265-265-270-

270-270-270-270

Špička 265

Horký rozvod 45x270

TLAKY [bar]

Uzavírací síla 28000 kN Vstřikovací tlak dle nastaveného

vstřikovacího profilu

Dotlak dle nastaveného

dotlakového profilu ČASY [s]

Vstřik 6,9

Dotlak 8,0

Plastikace 19,1

Doba chlazení 25,0

Cyklus 74,0

DRÁHY [mm]

Plastikace 300

Polštář 32

3.4.2 Nastavení technologických parametrů na stroji při vstřikování pomocí systému Dynamic Feed

Průběh nastavení vstřikovacího profilu u systému Dynamic Feed je zobrazen na obr. 3.13 a nastavený dotlakový profil zachycuje obr. 3.14. Nastavení vstřikovacího profilu na stroji ani skutečný průběh systémového tlaku nemá nijak významný vliv na samotný proces vstřikování. Zásadní u systému Dynamic Feed je nastavení referenčních křivek na jednotlivých tryskách horkého rozvodu, které je zobrazeno na obr. 3.15. Stroj

Obr. 3.13: Vstřikovací profil nastavený na stroji pro vstřikování pomocí systému Dynamic Feed.

Obr. 3.12: Dotlakový profil nastavený pro vstřikování „konvenčními“

kaskádami.

slouží pouze jako dodavatel natlakované taveniny, přičemž tlak taveniny musí být vyšší, než je tlak nastavený na tryskách horkého rozvodu. Nastavení je možno provést na PID regulátoru, který není integrován ve stroji. Průběh referenčních křivek je dán velikostí tlaku v závislosti na čase. Otevírání jednotlivých trysek horkého rozvodu je řízeno časem, zatímco u „konvenčního“ kaskádového vstřikování je otevírání kaskád řízeno dráhou šneku. Další technologické parametry jsou uvedeny v tabulce 3.6.

Tab. 3.6.: Nastavené technologické parametry na stroji při vstřikování pomocí systému Dynamic Feed.

TEPLOTY [°C]

Pod násypkou 50

Válec 265-265-265-270-

270-270-270-270

Špička 265

Horký rozvod 45x270

TLAKY [bar]

Uzavírací síla 28000 kN Vstřikovací tlak dle nastaveného

vstřikovacího profilu

Dotlak dle nastaveného

dotlakového profilu ČASY [s]

Vstřik 7,4

Dotlak 8,0

Plastikace 18,5

Doba chlazení 25,0

Cyklus 75,0

DRÁHY [mm]

Plastikace 300

Polštář 32

Obr. 3.14: Dotlakový profil nastavený na stroji pro vstřikování pomocí systému Dynamic Feed.

Obr. 3.15: Referenční křivky nastavené na tryskách horkého rozvodu.

3.5 Tlakový snímač /14/

Průběh tlaku uvnitř dutiny formy je měřen přímou metodou (viz kapitola 2.4.1). Pro měření tlaku v dutině formy byl použit tlakový snímač 6151 C (viz obr.

3.16), který vyrábí firma Kistler a jeho technické parametry jsou uvedeny v tabulce 3.7. Snímač pracuje na piezoelektrickém principu (viz kapitola

2.4.2) a je umístěn z nevzhledové strany výrobku, protože i přes precizní zabudování snímače do formy zanechává na povrchu výstřiku stopy. Průběhy tlaků uvnitř dutiny formy jsou zaznamenávány pouze pod mřížkou reproduktoru na pravé zadní dveřní výplni (viz obr. 3.17). Výchozím předpokladem experimentálního měření byl stejný průběh plnění dutiny formy u symetrické levé dveřní výplně.

Obr. 3.16: Piezoelektrický tlakový snímač 6151 C ./14/

Obr. 3.17: Poloha tlakového snímače umístěného na nevzhledové straně pravé zadní dveřní výplně.

Tabulka 3.7.: Technické parametry tlakového snímače 6151 C. /14/

Rozsah 0-2 000 bar

Max. přetížení 2 500 bar

Citlivost 9,4 pC/bar

3.6 Zpracování výsledků měření

Použitím obou technologií byl díl vstřikován ve třech různých variantách, v každé po 35-ti zdvizích. Jednotlivé varianty se od sebe lišily buď druhem použitého barviva nebo přidáním regranulátu k základnímu materiálu, viz kapitola 3.1.

Při vzájemném porovnávání průběhů vnitřních a systémových tlaků naměřených při vstřikování „konvenční“ kaskádou a technologií využívající systému Dynamic Feed jsou pro přehlednost zobrazeny pouze střední hodnoty jednotlivých průběhů, které jsou zobrazeny plnými čarami. Přerušované čáry ohraničují oblast o velikosti ±3·σ, kde σ je směrodatná odchylka. Střední hodnota a její směrodatná odchylka se využívá k vyjádření náhodných veličin a jsou to hlavní parametry Gaussova normálního rozdělení. Pravidlo tří sigma určuje v tomto případě pásmo, ve kterém se naměřené průběhy vnitřních a systémových tlaků jednotlivých zdvihů pohybují s pravděpodobností 99,73 %.

Jednotlivé průběhy vnitřních a systémových tlaků jsou popsány v následujících kapitolách.

3.6.1 Vyhodnocení vnitřních tlaků při vstřikování pomocí systému Dynamic Feed

Jednotlivé průběhy vnitřních tlaků jsou zobrazeny na obr. 3.18, 3.19 a 3.20. Po uzavření a uzamknutí formy následuje vstřikovací fáze vstřikovacího cyklu. Moment nárůstu vnitřního tlaku je ovlivněn umístěním snímače tlaku. Pokud není měřící bod přímo v místě ústí vtoku je počátek zaznamenávání průběhu tlaku uvnitř dutiny formy posunut o dobu, za níž tavenina k měřícímu bodu doteče, viz. kapitola 2.1.2. Vlivem dráhy, kterou musí tavenina od ústí vtoku k měřícímu bodu překonat, je i ztráta

rychlosti a tlaku na čele taveniny a proto i maximální hodnoty vnitřního tlaku jsou nižší, než by byly naměřeny v ústí vtoku.

Obr. 3.18: Průběh tlaku uvnitř dutiny formy při vstřikování pomocí systému Dynamic Feed, barva Onyx.

Obr. 3.19: Průběh tlaku uvnitř dutiny formy při vstřikování pomocí systému Dynamic Feed, barva Silbergrau.