Aplikace technologie MuCell pro výrobu vysokootáčkových ventilátorových rotorů

(1)

Aplikace technologie MuCell pro výrobu vysokootáčkových ventilátorových rotorů

Diplomová práce

Studijní program: N2301 – Strojní inženýrství

Studijní obor: 2301T048 – Strojírenská technologie a materiály Autor práce: Bc. Jiří Jankele

Vedoucí práce: Ing. Luboš Běhálek, Ph.D.

Liberec 2016

(2)

Diploma thesis

Study programme: N2301 – Mechanical Engineering

Study branch: 2301T048 – Engineering Technology and Materials Author: Bc. Jiří Jankele

Supervisor: Ing. Luboš Běhálek, Ph.D.

(3)

(4)

(5)

Prohlášení

Byl jsem seznámen s tím, že na mou diplomovou práci se plně vzta- huje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.

Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé diplomové práce pro vnitřní potřebu TUL.

Užiji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tom- to případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.

Diplomovou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím mé diplomové práce a konzultantem.

Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elek- tronickou verzí, vloženou do IS STAG.

Datum:

Podpis:

(6)

Poděkování

Poděkování patří v první řadě Ing. Jiřímu Bobkovi, Ph.D. za odbornou pomoc při práci a umožnění veškerého vzorkování. Velký dík patří Ing. Luboši Běhálkovi, Ph.D.

za odborné vedení práce, dále Ing. Radku Malinovi a firmě Clean – Air, s.r.o. za poskytnutí veškerých potřebných materiálů a svěřenou důvěru. Na závěr děkuji také firmě Červinka, s.r.o. a jejímu majiteli za asistenci a zapůjčení forem.

Po osobní stránce patří velký dík mé drahé partnerce, rodině a mým blízkým přátelům za neutuchající oporu a motivaci po celou dobu studia.

Diplomová práce vznikla na základě finanční podpory projektu studentské grantové soutěže SGS 21122 „Výzkum fyzikálních, tepelných a technologických veličin pro aplikaci výrobních technologií“.

(7)

A

PLIKACE TECHNOLOGIE

M

^U

C

ELL PRO VÝROBU VYSOKOOTÁČKOVÝCH VENTILÁTOROVÝCH ROTORŮ

M

^U

C

ELL TECHNOLOGY APPLICATION FOR HIGH

-

^{SPEED FAN}

ROTORS MANUFACTURING

Abstrakt: Tato diplomová práce se zabývá využitím technologie MuCell, namísto klasické technologie vstřikování, pro výrobu ventilátorových rotorů. Teoretická část popisuje princip technologie MuCell, její přednosti a nedostatky. Experimentální část popisuje jednotlivá nastavení technologických parametrů při testovací výrobě. Dále jsou zpracována data o úspoře hmotnosti, rozměrové přesnosti a vnitřní struktuře dílů.

Vybrané vzorky jsou testovány v sériové výrobě. Výsledkem práce je zhodnocení reálných přínosů požití technologie MuCell pro zkoumaný díl.

Klíčová slova: Vstřikování, MuCell, ventilátorové rotory

Abstract: This diploma thesis is focused on applying MuCell technology instead of common injection moulding technology for manufacturing high-speed fan rotors.

Theoretical part of this thesis is about MuCell technology principles, advantages and disadvantages. Experimental part describes individual process parameters in testing production. In addition there are shown results of weight reduction, dimensional precision and parts internal structure. Chosen samples are also tested in batch production. The result of this work is evaluation of MuCell technology application and contribution in real manufacturing process.

Keywords: Injection moulding, MuCell, fan rotors

(8)

Obsah

1 ÚVOD ... - 9 -

2 TEORETICKÁ ČÁST ... - 11 -

2.1 PŘEDSTAVENÍ TECHNOLOGIE MUCELL ... -11-

2.1.1 Základní princip technologie ... - 11 -

2.1.2 Strojní vybavení pro technologii MuCell ... - 14 -

2.1.3 Výsledný produkt ... - 18 -

2.2 POROVNÁNÍ TECHNOLOGIE MUCELL SKONVENČNÍM ZPŮSOBEM VSTŘIKOVÁNÍ ... -20-

2.2.1 Hmotnost výrobku ... - 20 -

2.2.2 Vnitřní reziduální napětí ve výrobku ... - 20 -

2.2.3 Rozměrová jakost výrobku ... - 21 -

2.2.4 Kvalita povrchu výrobku ... - 21 -

2.2.5 Tloušťka stěn výrobku ... - 23 -

2.2.6 Uzavírací síla ... - 24 -

2.2.7 Doba výrobního cyklu... - 24 -

2.2.8 Ekonomičnost výroby... - 25 -

2.3 PARAMETRY PROCESU MUCELL ... -26-

2.3.1 Množství SCF v dávce taveniny ... - 26 -

2.3.2 Dopravní a pracovní tlak SCF... - 27 -

2.3.3 Materiálový polštář ... - 28 -

3 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST ... - 29 -

3.1 VYBRANÝ VÝROBEK ... -29-

3.1.1 Parametry výrobku a oblast využití ... - 30 -

3.1.2 Základní požadavky na výrobek ... - 32 -

3.1.3 Problémy výrobku ... - 32 -

3.2 VZORKOVÁNÍ ... -33-

3.2.1 Příprava vzorkování ... - 34 -

3.2.2 Technologické podmínky vzorkování – varianta bez plynu ... - 37 -

3.2.3 Technologické podmínky vzorkování – varianta 1 ... - 38 -

3.3 ANALÝZA KVALITY DÍLŮ DLE VARIANT TECHNOLOGICKÝCH PODMÍNEK ... -41-

3.3.1 Hmotnostní analýza ... - 41 -

3.3.2 Rozměrová analýza ... - 45 -

3.3.3 Mikroskopická analýza ... - 48 -

3.3.4 Praktická zkouška ve výrobě... - 50 -

4 DISKUSE VÝSLEDKŮ ... - 52 -

(9)

4.1 VÝSLEDKY HMOTNOSTNÍ ANALÝZY ... -52-

4.2 VÝSLEDKY ROZMĚROVÉ ANALÝZY ... -52-

4.3 VÝSLEDKY MIKROSKOPICKÉ ANALÝZY ... -53-

5 ZÁVĚR ... - 54 -

CITOVANÁ LITERATURA ... - 56 -

SEZNAM PŘÍLOH... - 58 -

(10)

Seznam použitých zkratek a symbolů

Zkratka/

symbol Jednotka Vysvětlení

R % Redukce hmotnosti

T K Termodynamická teplota

m g Hmotnost

m̅ g Průměrná hodnota hmotnosti

p MPa Tlak

s g Výběrová směrodatná odchylka

Δmax mm Maximální odchylka kruhovitosti

CO2 Oxid uhličitý

N₂ Dusík

GIT Vstřikování za podpory plynu (Gas Injection Technology) MPP Pracovní tlak před čelem šneku pro udržení jednofázového

systému (MuCell Process Pressure)

SCF Superkritická tekutina (Supercritical fluid)

MFE Zařízení pro zajištění hmotnostního toku plynu (Mass Flow Element)

ABS Akrylonitril-Butadien-Styren

PE-HD Vysokohustotní polyethylen

PP Polypropylen

PP+T Polypropylen plněný talkem

PP+GF Polypropylen plněný skleněnými vlákny

PA Polyamid

PC Polykarbonát

PS Polystyren

PS-HI Houževnatý polystyren

PBT Poly(butylentereftalát)

PET Poly(etylenterftalát)

PSU Polysulfon

PEEK Polyetheretherketon

GF Skleněná vlákna (Glass Fiber)

(11)

1 Ú

VOD

Vstřikování termoplastů je doménou moderní doby, přičemž značného nasazení se plasty dočkaly i v inženýrských oblastech. Vstřikování pro inženýrské aplikace v podstatě znamená vstřikování tvarově složitých dílců s často značnými požadavky na přesnost. Vzhledem ke komplexnosti technologie vstřikování jsou někdy požadované výsledky jen těžko dosažitelné. Parametrů, které jakost výsledného výrobku ovlivňují, je celá řada a zvláště u složitých dílců je jejich odladění náročné. [1] [2] Výsledná jakost dílců je také často dána již jejich konstrukcí, proto je nutné dbát obecných zásad konstruovaní plastových součástí již při návrhu budoucích dílců. Mezi největší komplikace klasické technologie vstřikování patří objemové změny materiálu při změně teplot a především při přechodu mezi skupenstvími. Vlivem těchto změn dochází k různým vadám na výrobcích, například k propadlinám či staženinám. Nepříjemné jsou zejména vady viditelné na pohledové straně součástí. Těmto vadám lze předcházet zejména vhodnou konstrukcí dílu i formy, ale nemalý vliv má také zvolená technologie a její parametry.

Technologie vstřikování termoplastů se skládá ze čtyř základních fází: plastikace dávky materiálu, vstříknutí taveniny do dutiny formy, dotlaku a fáze chlazení. Po dostatečném chlazení výstřiku následuje jeho vyhození z formy a forma je tak připravena pro další cyklus. Jakost výrobku je ovlivněna všemi výrobními fázemi, avšak významnou roli hraje fáze dotlaku. Ve fázi dotlaku je nejprve doplněna dutina formy tak, aby nevznikalo vysoké špičkové tlakové namáhání výstřiku. Poté slouží dotlak jako kompenzace smršťování plastu v dutině formy. Nastavení velikosti dotlaku je zásadní pro výslednou kvalitu. Příliš vysoký dotlak způsobí vznik vysokého vnitřního napětí, výsledkem jsou deformace dílu po odformování, v krajním případě až samovolné praskání dílů. Opačným případem je příliš nízký dotlak, což může mít za následek propadliny nebo nedolití dílu. [3]

Existuje celá řada modifikací klasické technologie vstřikování, které mají za cíl zlepšit jakost výsledného výrobku nebo optimalizovat proces pro vyšší ekonomičnost.

Jednou z těchto technologií je technologie MuCell, která odstraňuje velkou část možných vad vnikajících při konvenčním vstřikování. Hlavním rozdílem oproti běžné technologii vstřikování je vytvoření směsi taveniny s plynem (fyzikálním nadouvadlem) v tavící komoře vstřikovací jednotky. Díky speciální konstrukci šneku dochází

(12)

k dokonalému promísení plynu a taveniny a vzniká jednofázová směs. Ta je udržována po celou dobu pod vysokým tlakem, aby se plyn neustále nacházel ve stavu difundované superkritické tekutiny. Taková směs je následně vstříknuta do dutiny formy, přičemž během vstřikovací fáze procesu je vyplněn téměř celý objem dutiny formy. Funkce dotlaku je zde nahrazena vznikem mikroskopických dutin a jejich rozpínáním vlivem expandujícího plynu. Kompenzace smršťování plastu je velmi efektivně zajištěna vnitřním tlakem, který je navíc poměrně rovnoměrný v celém objemu dílu. To může být klíčové zejména u složitějších a z pohledu tloušťky stěny méně rovnoměrných dílů. Princip je detailněji popsán v teoretické části této práce.

Používání technologie MuCell je podmíněno disponováním strojem schopným přípravy směsi taveniny s plynem. Tato zařízení jsou licencována firmou Trexel Inc., která vlastní patenty pro technologii MuCell.

Cílem této práce je ověření možnosti použití této technologie pro výrobu vysokootáčkových ventilátorových rotorů, stanovení dosažitelných parametrů výstřiků, zkoumání jejich vnitřní struktury a ověření přínosů použití technologie MuCell v sériové výrobě.

(13)

2 T

EORETICKÁ ČÁST

Teoretická část se v souladu se zadáním diplomové práce zabývá popisem problematiky technologie MuCell, odlišnostmi oproti klasické technologii vstřikování a přídavnými technologickými podmínkami.

2.1 P

ŘEDSTAVENÍ TECHNOLOGIE

M

^U

C

^ELL

Technologie MuCell představuje rozšíření běžného procesu vstřikování o přesné dávkování stlačeného plynu do stlačené taveniny plastu v tavící komoře vstřikovacího stroje. Tato technologie je také někdy nevhodně označována jako vstřikování za podpory stlačeného plynu, avšak toto konkrétní označení přísluší technologii GIT. [1]

Používaným plynem pro technologii MuCell bývá nejčastěji dusík (N2), méně často pak oxid uhličitý (CO2). Technologie vyžaduje speciální vstřikovací jednotku, která je opatřena zvláštním přídavným vybavením pro správné dávkování plynu. Toto zkomplikování již komplexní problematiky vstřikování však přináší značné benefity, mezi něž patří zejména snížení hmotnosti vyráběného výlisku. Další výhody i nevýhody technologie MuCell jsou popsány v kapitole 2.2.

2.1.1 Základní princip technologie

Základní princip této technologie lze popsat čtyřmi zásadními kroky [4]:

a) Vytvoření jednofázové směsi před čelem šneku

Obr. 2.1 – Difuse plynu v tavenině polymeru [4]

(14)

Při plastikaci nové dávky taveniny před čelo šneku je do taveniny dávkován plyn ve formě superkritické tekutiny (SCF). Toho je docíleno výhradně vysokým tlakem plynu. Aby nedocházelo k expanzi plynu již v komoře vstřikovací jednotky, probíhá plastikace za vysokého protitlaku (cca 20 MPa podle druhu plastu). Dokonalé difuze SCF v tavenině (viz obr. 2.1) je dosaženo pomocí dvou speciálních částí šneku, jejíchž konstrukce je popsána v kapitole 2.1.2.

Základní charakteristika superkritických tekutin (SCF) Superkritickými tekutinami jsou

označovány látky, jež se nacházejí nad svou kritickou teplotou a svým kritickým tlakem (viz obr. 2.2).

V tomto stavu látka nabývá vlastností kapaliny i plynu zároveň. Například při hustotách podobných hustotě kapaliny má látka viskozitu podobnou plynu. Difuzní schopnost se nachází mezi schopnostmi plynu a kapaliny. Dalšími vlastnostmi je také dobrá pronikavost porézními materiály nebo nepřítomnost

povrchového napětí vlivem existence dvou skupenství najednou. [5] Hodnoty kritických parametrů pro běžně požívané plyny pro technologii MuCell jsou uvedeny v tab. 2.1.

Tab. 2.1 – Kritické hodnoty pro vybrané plyny [5]

Látka Kritická teplota [K]

Kritický tlak [MPa]

Kritická hustota [g/cm³]

N₂ 126,15 3,40 0,314

CO2 304,15 7,38 0,464

Pro představu, pro dosažení nadkritického stavu vody je nutné přesáhnout kritickou teplotu 374,1 K a kritický tlak 22,05 MPa. Kritická hustota se rovná 0,322 g/cm³. [5]

b) Homogenní nukleace plynu v dutině formy

Po vstříknutí směsi do dutiny formy dojde ke snížení tlaku v tavenině a plyn do tohoto okamžiku rozpuštěný v tavenině plastu začíná vytvářet zárodky bublinek a expandovat. Vytváří se mikrobuněčná struktura v celém objemu dílu. Ideálním stavem

Obr. 2.2 – Obecný fázový diagram [5]

(15)

je rovnoměrná nukleace v celém objemu taveniny. Nukleace je ve skutečnosti potlačena v „zamrzlé“ vrstvě dílu, což je vrstva materiálu, která je prudce ochlazena při kontaktu taveniny s formou a téměř okamžitě přechází do tuhého skupenství (viz obr. 2.3).

c) Růst buněk V místě zárodků bublinek plynu se začínají vytvářet mikroskopické dutiny, které způsobují vnitřní přetlak v dílu a kompenzují funkci dotlaku. Dotlak má při běžném vstřikování funkci doplňování materiálu pro úplné vyplnění formy a nadále doplňování materiálu kompenzující smršťování tuhnoucího polymeru. Při použití technologie MuCell je

celý tento proces nahrazen růstem bublin plynu v ještě tekutém jádru výlisku. Růst bublinek probíhá do doby, než dojde k vyrovnání mezi tlakem působícím na vnější stěnu bublinky a tlakem uvnitř. Průběh je ovlivněn především viskozitou taveniny, dobou chlazení, tlakem, množstvím plynu a tloušťkou dílu. [6]

d) Dotvarování součásti

Dotvarování součásti je způsobeno právě zmíněným principem růstu buněk a vlivem vnitřního přetlaku ve výlisku. Při správném nastavení procesních parametrů je dutina formy dokonale vyplněna. Princip je obdobný jako při vstřikování součástí technologií GIT metodou krátkého vstřiku (Short shot).

Obr. 2.3 – Mikroskopický snímek vnitřní struktury dílu [6]

(16)

2.1.2 Strojní vybavení pro technologii MuCell

Jak již bylo zmíněno, pro technologii MuCell musí být u vstřikovacího stroje nainstalována speciální vstřikovací jednotka, která zajistí správný průběh celého procesu přípravy taveniny včetně dávkování SCF. Nutnou dodatečnou periferií stroje je modul pro přípravu SCF a tlakové lahve s plynem (viz obr. 2.4). Existují dvě možnosti realizace přípravy stroje pro technologii MuCell, obě možnosti zřizuje celosvětově jediná autorizovaná firma Trexel, Inc. První možností je zakoupení celého vstřikovacího stroje uzpůsobeného technologii MuCell od některého z renomovaných výrobců. Firma Trexel spolupracuje s většinou výrobců vstřikovacích strojů všech velikostí. Druhou možností je výměna stávající modulární vstřikovací jednotky (tzv. upgrade, viz obr. 2.5). Tato možnost však může být z důvodu značných odlišností vstřikovací jednotky komplikovaná. [4]

Obr. 2.4 – Vstřikovací jednotka pro technologii MuCell včetně periférií [7]

(17)

Šnek

Konstrukce šneku pro technologii MuCell obsahuje navíc několik částí oproti šneku pro běžné vstřikování. Stejnou částí pro obě technologie je část dopravní, kompresní a homogenizační. Šnek pro technologii MuCell je navíc vybaven částí stírací a částí míchací. [4]

Stírací část zajišťuje rozdělování proudu dávkované SCF do komory. Cílem je proud rozdělit na co nejvíce možných bublinek (viz obr. 2.6 a obr. 2.7), aby následné rozpouštění SCF v polymeru bylo co nejefektivnější. Směs

opouštějící stírací část šneku je stále dvoufázová (obsahuje odděleně polymer a fyzikální nadouvadlo – SCF). [4]

Míchací část šneku zajišťuje intenzivní promíchání polymeru s SCF, kterým dochází velmi rychle k úplnému rozpuštění SCF v tavenině polymeru. Šroubovice v míchací části šneku je přerušovaná a na vnějším průměru šroubovice jsou vybroušené drážky, jak je patrné z obr. 2.8. Výstupní materiál z této části šneku je jednofázová směs

Obr. 2.7 – Stírací část šneku [7]

SCF

Obr. 2.6 – Schéma stírání SCF vnějším průměrem šneku [4]

Obr. 2.5 – Modulární vstřikovací jednotka pro technologii MuCell [7]

(18)

polymeru a SCF. Stoupání a velikost závitu šroubovice míchací části jsou závislé na použitém materiálu, zejména na typu plniva. Při použití nevhodné míchací části mohou být dlouhá vlákna nenávratně poškozena. [4]

Další součástí šneku, bez které by se tato technologie neobešla, jsou zpětné kroužky a ventily. První zpětný kroužek/ventil se nachází před stírací částí (viz obr. 2.9) a zamezuje pronikání vysoce stlačené směsi proti směru požadovaného toku (směrem k násypce). Druhý zpětný kroužek/ventil je osazen za míchací částí a odděluje dávku připravenou pro následující zdvih vstřikovací jednotky od

nedokonale promíchaného materiálu v míchací části. Jakmile je docíleno vzniku jednofázové směsi, je nutno ji udržovat pod vysokým tlakem, aby nedošlo k opětovnému rozdělení na dvě konkrétní fáze. [4]

Komora

V návaznosti na výše uvedené skutečnosti je nutné uvést bezpodmínečnou přítomnost uzavíratelné trysky (viz obr. 2.10), která se otevírá pouze v okamžiku vstřikování (po jejím přitlačení k vtokové vložce formy). Ihned po vstříknutí

Obr. 2.8 – Míchací část šneku [4]

Obr. 2.10 – Zpětný ventil před stírací částí šneku [4]

Obr. 2.9 – Řez uzavíratelnou tryskou [4]

(19)

zvolené dávky polymeru (jednofázové směsi polymeru a SCF) se opět uzavírá. Zajišťuje tak udržení tlaku v komoře vstřikovací jednotky při plastikaci a v době, kdy nedochází ke vstřikování. [4]

Součástí tavící komory je dávkovací injektor pro SCF.

Jeho tvar je vždy přizpůsoben vnitřnímu průměru komory tak, aby jeho čelo bylo totožné s vnitřní plochou komory.

Pro rozptýlené dávkování v co nejvíce proudech SCF je injektor opatřen radiálním polem děr malých průměrů, jak je vidět na obr. 2.12. [7]

Dávkovací injektor je ovládán pneumaticky dvěma přívody stlačeného vzduchu (viz obr. 2.11). K otevření dochází pouze v době plastikace nové dávky materiálu, avšak ne současně se začátkem plastikace. V míchací zóně musí nejprve dojít ke zvýšení tlaku, k čemuž je zapotřebí posun šneku při plastikaci o cca 10 mm. [4] V čase mimo dávkování SCF je injektor uzavřen. Řízení otevírání a zavírání injektoru je prováděno řídicím systémem stroje.

Přesnost a synchronizace přepínání stavu injektoru s dalšími úkony stroje jsou klíčové pro zajištění stabilního procesu.

Pro shrnutí, na obr. 2.13 je zobrazena kompletní vstřikovací jednotka v řezu včetně popisu jednotlivých klíčových částí.

Obr. 2.12 – Dávkovací injektor SCF [7]

Obr. 2.11 – Ovládání dávkovacího injektoru [7]

(20)

2.1.3 Výsledný produkt

Díl vyrobený technologií MuCell dobře popisuje Braig, výkonný ředitel firmy Trexel (2016): „Součást, vyrobená technologií MuCell má pevnou slupku a jádro vyplněné mikrobuněčnou pěnou. Růst buněk je efektivnější, než klasický dotlak, což ve většině případů dovoluje výrobu dílů s žebry stejně širokými, jako je tloušťka stěny, bez viditelných propadlin.“ [8]

Na obr. 2.14 lze pozorovat, jak se struktura mění v závislosti na vzdálenosti od stěny. V blízkosti stěny dochází k intenzivnímu chlazení taveniny ihned po vstříknutí. Následkem je rychlý přechod taveniny do pevného skupenství, v pevném skupenství již není fyzikální nadouvadlo schopno vytvářet nové bublinky.

Výrazná oblast bez mikrobuněčné struktury je v horní části žebra. To je způsobeno zastavením toku taveniny po zaplnění žebra a jeho následným intenzivním chlazením ze všech stran.

Obr. 2.14 – Ukázka struktury v řezu žebrovaného dílu [8]

Obr. 2.13 – Vstřikovací jednotka pro technologii MuCell a její hlavní části [7]

(21)

Obr. 2.16 – Kryt motoru osobního automobilu Ford [9]

Jak uvádí Quick [9], vnitřní struktura dílu, vyráběného technologií MuCell je velmi podobná bublinkové čokoládě (viz obr. 2.15 a obr. 2.16). Úspora hmotnosti ve firmě Ford se v roce 2020 předpokládá 100 kg na nejmenších modelech osobních automobilů a až 300 kg na větších modelech. Překvapivým zjištěním u některých plastových dílů firmy Ford byla skutečnost, že díly vyrobené technologií MuCell vykazují lepší výsledky při mechanickém namáhání.

Obr. 2.15 – Mikroskopický snímek vnitřní struktury krytu motoru [9]

(22)

2.2 P

OROVNÁNÍ TECHNOLOGIE

M

U

C

ELL SKONVENČNÍM ZPŮSOBEM VSTŘIKOVÁNÍ

V následujících podkapitolách jsou popsány běžné odlišnosti výrobků zhotovených technologií MuCell od výrobků zhotovených klasickou technologií vstřikování.

2.2.1 Hmotnost výrobku

Úspora hmotnosti je jednou z největších předností technologie MuCell. O úspoře lze hovořit ve dvou smyslech. Jedním je úspora materiálu jako suroviny pro výrobu, dochází tak ke snižování nákladů na jednotlivé výrobky. Druhým smyslem je úspora hmotnosti vstřikovaného dílu, což je zejména v automobilovém průmyslu zásadním cílem z environmentálního hlediska. Každý ušetřený kilogram znamená ušetřené palivo a nižší emise. Významnou výhodou je skutečnost, že snížení hmotnosti nedoprovází podstatná změna mechanických vlastností výrobku. [7]

Výsledná úspora hmotnosti se pohybuje běžně v rozmezí (6 až 30) %, ve zvláštních případech až 40 %. [10] Zástupci firmy Trexel doporučují u nových dílů začínat na hodnotě 10 % a poté dle možností hodnotu zvyšovat, či snižovat. [4]

2.2.2 Vnitřní reziduální napětí ve výrobku

Vnitřní napětí ve výrobku vzniká u klasické technologie vstřikování zejména ve fázi dotlaku, kdy do tuhnoucího dílu je pod tlakem dodávána nová tavenina, kompenzující smrštění výrobku. Smrštění plastu při přechodu z taveniny do pevného stavu se nachází v okolí 10 %. Takovým smrštěním na výsledném produktu je předcházeno používáním často velmi vysokých hodnot dotlaku, v řádech desítek MPa, v některých případech hodnoty dotlaku přesahují 100 MPa. Takový tlak je „uzavřen“ ve výrobku a způsobí vnitřní napětí. Navenek se vnitřní napětí může projevit následnými deformacemi po odformování (deformacemi se vnitřní napětí uvolňuje) a dalšími jevy.

Často je vnitřní napětí příčinou vzniku napěťových trhlin na povrchu výrobku, což může mít za následek předčasné porušení součásti během jejího provozu a to při podstatně menším vnějším namáhání, než by se očekávalo.

V případě technologie MuCell je situace odlišná. Fáze dotlaku je minimalizována nebo častěji úplně eliminována. Smrštění plastu je kompenzováno rozpínajícími se zárodky bublinek ve vnitřní struktuře tuhnoucího materiálu. K nukleaci zárodků bublin dochází rovnoměrně tam, kde je plast ještě ve stavu taveniny. Právě rovnoměrnost

(23)

vnitřního tlaku velmi příznivě přispívá k dosažení nižších hodnot vnitřního napětí, podobně jako menší viskozita taveniny, která má za následek menší vstřikovací tlak.

2.2.3 Rozměrová jakost výrobku

Rozměrová stabilita a přesnost výstřiků je výrazně lepší než u klasické metody vstřikování. Mikrobuněčná struktura vzniká rovnoměrně v celém objemu vstříknuté taveniny, což je srovnatelné s idealizovaným stavem, kde dotlak působí ve všech místech stejně. Ideální podmínky se v praxi nevyskytují a proto u klasické metody vstřikování funkce dotlaku přestává působit v okamžiku zamrznutí jakéhokoliv místa proti směru toku, například ústí vtoku. Vlivem rovnoměrnějších podmínek uvnitř dutiny formy jsou i výsledné deformace u technologie MuCell rovnoměrnější a nižší (viz obr. 2.17). Další výhodou může být méně výrazná anizotropie vlastností, v důsledku nižší orientace makromolekul.

Pomocí technologie MuCell je snazší dosáhnout geometrických přesností v rámci předepsaných tolerancí. Typicky problematické plochy jako roviny či kruhové díry v přesnějších tolerancích jsou u běžné technologie vstřikování dosažitelné jen ve zvláštních případech. S procesem MuCell jsou tyto plochy s vyšší rozměrovou přesností snáze dosažitelné a to bez zvláštních opatření.

2.2.4 Kvalita povrchu výrobku

Kvalita povrchu výrobku je slabinou technologie MuCell. Za běžných zpracovatelských podmínek se na površích výstřiku objevuje značné stříbření (viz

0,27 mm 1,10 mm

MuCell Klasické

vstřikování

Obr. 2.17 – Odchylka od předepsaného rozměru – porovnání [6]

(24)

obr. 2.18), které je způsobeno uvolňováním plynu z taveniny těsně před společným kontaktem s povrchem dutiny formy. To má za následek omezené požití této technologie pro pohledové díly.

Tyto nepřijatelné povrchové vlastnosti lze u výroby interiérových dílů řešit kombinací technologie MuCell s technologií sendvičového vstřikování. Sendvičové vstřikování je založeno na tom, že v rámci jednoho výrobku jsou vstřikovány dva druhy plastu. První plast tvoří tzv. „kůži“ neboli

„slupku“ a druhý plast tvoří „jádro“ (viz obr. 2.19).

[11] Pro materiál „slupky“ lze použít materiál bez fyzikálního nadouvadla, pro materiál „jádra“

naopak technologii MuCell, tedy termoplast s fyzikálním nadouvadlem.

Existují však také speciální metody temperace forem, s nimiž lze vysoké jakosti povrchu výstřiku

dosáhnout. Jedná se v podstatě o metody na principu předehřátí líce dutiny formy těsně před vstříknutím taveniny do dutiny formy. Nahřátí formy je prováděno pomocí Obr. 2.19 – Ukázka dílu vyrobeného

sendvičovým vstřikováním [11]

Obr. 2.18 – Stříbření na povrchu dílu

(25)

infrazářičů, které jsou umístěny robotickou paží či manipulátorem do prostoru mezi otevřené poloviny formy. K nahřívání tak dochází v omezeném čase, kdy je forma otevřená a výrobek z předchozího zdvihu je již vyhozen. Z důvodu nahřívání může docházet k prodlužování doby cyklu. Výhodou této metody je možnost adaptace ohřívače na různé formy bez nutnosti jejich úprav.

Z hlediska technologického je výhodnější alternativou použití indukčního ohřevu zabudovaného přímo ve formě. Líc formy je nahříván indukovanými vířivými proudy velmi intenzivně a ohřev se zapíná ihned po vyhození výstřiku z předchozího zdvihu.

Značnou výhodou je schopnost nahřívání i při pohybech formy (tj. při zavírání). Není tak nutné prodlužovat dobu cyklu. Nevýhodou je speciální zařízení pro ohřev zabudované v jedné konkrétní formě, což se značně projeví i na nákladech na výrobu této formy.

2.2.5 Tloušťka stěn výrobku

Z obecného pohledu nejsou tenkostěnné díly pro technologii MuCell příliš vhodné, protože rychleji tuhnou a jádro výrobku dříve přejde do pevného stavu. To omezuje hlavní funkci této metody a to nukleaci a růst bublinek (vytváření mikrobuněčné struktury). Proto se doporučuje volit raději větší tloušťky stěn a žeber. Jsou také dovoleny větší změny tlouštěk stěn. Lepší vnitřní struktura vzniká v místech silnějších stěn. [4]

Umístění vtoku u forem, určených speciálně pro technologii MuCell, je výhodnější volit v tenčím místě výstřiku. [6] Tenké místo je tak vyplněno na počátku plnění a silnější stěny dílu jsou dotvarovány rozpínajícím se plynem. Pro vnitřní tlak v tavenině je snazší vyplnit místa silné tloušťky stěny než vyplňovat například tenká žebra. Žebrování se doporučuje o stejné tloušťce jako je základní tloušťka stěny dílu. [4]

To opět přispívá k lepší tvorbě mikrobuněčné struktury.

Jiným přístupem může být ztenčení stěn. Zde se využívá lepší tekutosti taveniny s rozpuštěnou SCF. Může se jednat o zvýšení tekutosti až o několik procent. [4] Tímto způsobem lze zajistit dotečení součásti v případě, kterého by při běžném vstřikování taveniny nebylo možné dosáhnout.

Častou kombinací v praxi je redukce tloušťky stěny dílu již při jeho návrhu a následná další redukce hmotnosti dílu použitím technologie MuCell. Tímto způsobem lze docílit efektivní úspory materiálu až 35 %. [6]

(26)

2.2.6 Uzavírací síla

Klasická technologie vstřikování je často náročná na uzavírací sílu stroje a to zpravidla u velkoplošných výrobků. Teoreticky je limitní uzavírací síla dána součinem tlaku v dutině formy s průmětem plochy výstřiku ve směru otevírání formy. Vlivem vysokých hodnot dotlaku je tlak v dutině formy často vysoký a velikost uzavírací síly je limitním parametrem při výběru stroje. Technologie MuCell nabízí rovnoměrný dotlak, zprostředkovaný rovnoměrným vnitřním tlakem v dílu vlivem expandujícího fyzikálního nadouvadla. Vnitřní tlak v dutině formy je zde mnohem nižší, což má logicky za následek potřebu nižší uzavírací síly. Redukce uzavírací síly je oproti klasické technologii vstřikování až 60 %. [10] [4]

Další výhodou snížení uzavírací síly je nižší opotřebení dosedacích ploch formy.

Nižší uzavírací síla má také za následek lepší odvzdušnění formy v dělící rovině. [4]

2.2.7 Doba výrobního cyklu

Z pohledu časové náročnosti je ve většině případů technologie MuCell výhodnější (viz obr. 2.20). Jedním z hlavních důvodů je menší množství taveniny vstříknuté do dutiny formy. V jádře se po vytvoření mikrobuněčné struktury nachází méně materiálu, který je možné snáze uchladit do stavu schopného k vyhození výstřiku z dutiny formy.

Dalším důvodem oproti klasické metodě vstřikování je opět „nepřítomnost“ dotlaku, kterým je u klasického vstřikování dodávána další tavenina do plastického jádra Klasické

vstřikování

Dotlak Chlazení

Začátek

cyklu Konec

cyklu

MuCell

Konec cyklu

Obr. 2.20 – Porovnání délky cyklu [4]

(27)

výstřiku, čímž se do dílu vnáší další teplo, které je nutné odvést temperačním systémem formy. Fáze dotlaku je u metody MuCell minimální nebo není přítomna vůbec.

Nedochází tak k vnášení dalšího tepla do výstřiku v době, kdy je již výstřik účinně chlazen kontaktem s dutinou formy. Další drobnou úsporou času je možnost rychlejšího plnění formy. Směs taveniny a SCF vykazuje vyšší tekutost a tudíž i lepší zatékavost a to za nižšího vstřikovacího tlaku (díky tomu lze volit vyšší rychlost plnění). Celková úspora výrobního času se zpravidla pohybuje v rozmezí (20 až 50) %. [6] [4]

Výjimkou, kdy k úspoře času nedochází, jsou některé silnostěnné díly. Zde se často objevují poruchy povrchu dílu vlivem následného rozfouknutí po vyhození z formy, jedná se o tzv. „post-blow“ efekt, viz obr. 2.21. [4] Takové poruchy můžou vznikat předčasným vyhozením výstřiku z formy či nevhodně nebo nedostatečně chlazeným místem ve formě. Proto se v tomto případě doporučuje prodloužit dobu chlazení, snížit teplotu formy i teplotu taveniny. Často náročnějším zásahem může být eliminace teplého místa ve formě, což obnáší fyzické změny formy, jedná se o ekonomicky náročný proces a navíc bez zaručeného výsledku.

2.2.8 Ekonomičnost výroby

Z výše uvedených kapitol 2.2.1 až 2.2.7 lze soudit, že ekonomické přínosy ve výrobním procesu mohou být značné, zejména vzhledem k nižší spotřebě materiálu, době cyklu, zmetkovitosti výroby (vlivem vyšší rozměrové jakosti a nižších povýrobních deformací) a potřebě menšího stroje (z pohledu uzavírací síly).

Mezi počáteční náklady patří pořízení vstřikovacího stroje pro vstřikování za podpory stlačeného plynu. Alternativou může být pořízení pouze modulární vstřikovací

Obr. 2.21 – Ukázka post-blow efektu [4]

(28)

jednotky pro technologii MuCell včetně příslušenství, která slouží jako upgrade již vlastněného stroje. Výše těchto investic není pevně dána a vždy záleží na smluvních podmínkách s daným prodejcem. Při příznivých okolnostech výroby je návratnost stroje v jednotkách let, někdy i méně. [12]

2.3 P

ARAMETRY PROCESU

M

^U

C

^ELL

V následujících podkapitolách jsou uvedeny procesní parametry, které jsou potřeba u technologie MuCell oproti konvenčnímu vstřikování.

2.3.1 Množství SCF v dávce taveniny

Fyzikálním nadouvadlem pro technologii MuCell nemusí být pouze dusík, rovnocennou alternativou je také oxid uhličitý, pro některé aplikace je oxid uhličitý dokonce lepší. Laboratoř katedry strojírenské technologie disponuje strojem vybaveným příslušenstvím pro dávkování stlačeného dusíku a s ohledem na experimentální měření (viz kap. 3) jsou následující doporučující údaje uváděny pro dusík.

Vhodně nasyceného stavu taveniny je obvykle dosaženo již při nízkých hmotnostních procentech pracovního plynu. Takto malá hmotnostní procenta mohou za příznivých podmínek ve výsledku vést ke značně vysoké úspoře materiálu (viz kap.

2.2.1), zejména při použití metody krátkého vstřiku.

Dávka SCF je určena rovnicí (2.1) nebo (2.2): [4]

𝑆𝐶𝐹 = 𝐻𝑚𝑜𝑡𝑛𝑜𝑠𝑡 𝑆𝐶𝐹

𝐻𝑚𝑜𝑡𝑛𝑜𝑠𝑡 𝑣ý𝑠𝑡ř𝑖𝑘𝑢× 100 [%] (2.1)

nebo

𝑆𝐶𝐹 =𝑆𝐶𝐹 ℎ𝑚.𝑝𝑟ů𝑡𝑜𝑘×𝐷𝑜𝑏𝑎 𝑑á𝑣𝑘𝑜𝑣á𝑛í 𝑆𝐶𝐹

𝐻𝑚𝑜𝑡𝑛𝑜𝑠𝑡 𝑣ý𝑠𝑡ř𝑖𝑘𝑢 × 100 [%] (2.2)

Pro praktické použití slouží výpočetní modul přímo v grafickém ovládacím prostředí stroje. Cílem je z rovnice (2.2) zjistit potřebný průtok plynu přes MFE.

Doporučené hodnoty jsou uvedeny v tab. 2.2.

(29)

Tab. 2.2 – Doporučené hodnoty SCF a MPP [4]

Materiál SCF úroveň N2 [%]

MPP

[MPa] Poznámka

PE-HD 1,0 až 2,0 20 Náchylné na tvorbu dutin

PP neplněný 1,0 až 2,0 20

PP+T 0,5 až 0,75 10 až 15

PP+GF 0,5 10 až 15 Lepší výsledné vlastnosti

než u PP+T PS, PC 0,4 až 0,6 20 až 24 Velmi dobré napěnění PS-HI, ABS,

PC-IM 0,6 až 0,8 20 až 24 Modifikátory houževnatosti komplikují tvorbu struktury Amorfní pl. plněné

GF 0,3 až 0,5 17 až 20 Dobrá kontrola nad

strukturou

PA neplněné 0,5 až 0,7 15

PA, PBT a PET

plněné GF 0,2 až 0,4 10 až 15 Dobrá kontrola nad strukturou PSU, PEEK

neplněné 0,5 až 0,7 10 až 15 PSU, PEEK plněné

GF 0,3 až 0,4 10 až 15 Dobrá kontrola nad

strukturou 2.3.2 Dopravní a pracovní tlak SCF

Dopravní tlak

Dopravní tlak je tlak v místě dávkovacího injektoru. Tento tlak musí být bezpodmínečně vyšší než tlak pracovní (MPP), aby po otevření injektoru docházelo

Čas [s]

Pozice šneku [×25,4 mm]

Tlak [×1/145 MPa]

Dávkovací tlak SCF [×1/145 MPa]

Dopravní tlak [×1/145 MPa]

Pozice šneku [×25,4 mm]

Obr. 2.22 – Průběh vhodně nastavených tlakových poměrů během plastikace [4]

(30)

k plnění taveniny plastu plynem. V opačném případě by tavenina v místě injektoru plyn přetlačila a vůbec ho nevpustila do komory vstřikovací jednotky. Uvádí se, že dopravní tlak by měl být vyšší o 0,5 𝑀𝑃𝑎 než tlak pracovní. Neměl by však překročit hodnotu 24 𝑀𝑃𝑎. [4] Při dávkování plynu je nutné, aby tlak plynu nekolísal a skokové změny při otevření nebo zavření injektoru byly minimální (v rámci možností nastavení stroje).

Bezprostředně po uzavření injektoru se tlak musí ustálit na nastavené hodnotě dopravního tlaku. Je velmi důležité vhodně zvolit dopravní tlak, jedině tak lze zajistit stabilní podmínky a výrobu jakostních dílů. Ideální tlakové poměry jsou zobrazeny na obr. 2.22.

Pracovní tlak (MPP)

Pracovní tlak je tlak neustále udržovaný před čelem šneku. Jedná se o velmi důležitý parametr, který zajišťuje udržení taveniny a plynu ve stavu jednofázové směsi.

Zabraňuje tak zpětnému vylučování plynu ve formě bublinek již v komoře stroje. Každý plyn má svá kritéria minimálního potřebného tlaku pro udržení jednofázové směsi. Pro dusík se doporučují následující hodnoty tlaků [4]:

Minimální tlak 7,3 MPa Jmenovitý tlak 14,0 MPa Maximální tlak 24,0 MPa

Pro udržení tohoto tlaku je nutná těsnost všech dotčených částí vstřikovací jednotky, zejména uzavíratelné trysky, zpětných ventilů šneku (jeden na špičce šneku a druhý před stírací částí). Při pozorování nerovnoměrných tlakových poměrů uvnitř komory vstřikovací jednotky v době bez pohybu šneku je na místě hledat příčinu ztráty tlaku právě vlivem netěsností.

2.3.3 Materiálový polštář

Materiálový polštář je objem materiálu před čelem šneku po ukončení vstřikovací fáze. Při klasické technologii vstřikování slouží jako zásoba taveniny pro fázi dotlaku. [1] Z důvodu nepřítomnosti fáze dotlaku při technologii MuCell je materiálový polštář nepotřebný. Koncová poloha šneku je nastavena tak, aby nedocházelo k fyzickému kontaktu špičky s čelem tavící komory, resp. čelem uzavíratelné trysky a tím k případnému mechanickému poškození součástí v přímém kontaktu. Takto vzniklá mezera definuje minimální velikost materiálového polštáře, jehož objem je cca v jednotkách centimetrů krychlových v závislosti na velikosti vstřikovací jednotky.

(31)

3 E

XPERIMENTÁLNÍ ČÁST

Experimentální část diplomové práce je řešena ve spolupráci s firmou Clean – Air, s.r.o. a zabývá se aplikací technologie MuCell pro výrobu ventilátorových rotorů.

V dílčích podkapitolách jsou popsány základní charakteristiky vybraného dílu, konstrukce vstřikovací formy, podmínky vzorkování (výroby) a způsob hmotnostní, rozměrové i mikroskopické analýzy dílu.

3.1 V

YBRANÝ VÝROBEK

Na základě konzultace s technologickým a vývojovým oddělením firmy Clean – Air, s.r.o. byl pro experimentální měření a ověření možnosti aplikace technologie MuCell vybrán díl ventilátorového rotoru pro filtračně-ventilační jednotky, který je jejich klíčovou součástí (viz obr. 3.1). V současné době jsou díly vyráběny klasickým vstřikováním ve firmě Červinka, s.r.o. a provází je celá řada problémů, popsaných v kap. 3.1.3.

Obr. 3.1 – Rotor ventilátoru a jeho součásti

(32)

3.1.1 Parametry výrobku a oblast využití Jedná se o tenkostěnnou rotační součást

se základní tloušťkou stěny 1,2 mm. Na rotoru jsou tvarové části lopatek ventilátoru.

Na opačné straně těla rotoru oproti lopatkám se nachází vyvažovací věnec, obsahující devadesát děr sloužících pro umísťování vyvažovacích tělísek při montážní operaci vyvažování. V náboji rotoru je mosazný zálisek s perforací na vnější válcové ploše (viz obr. 3.2), který umožňuje velmi přesné lícování s hřídelí motoru. Materiálem součásti

ventilátorového rotoru je ABS s obchodním označením Terluran GP-22 BK 10009, výrobce INEOS Styrolution Europe GmbH (viz příloha 1 – materiálový list). Kompletní rotor ventilátoru se skládá ze dvou částí (rotoru a víka), které jsou v rámci montáže spojeny naleptáním acetonem. Zkompletovaný rotor je speciálním lepidlem nerozebíratelně připevněn letmo na hřídel motoru v přesně definované poloze za pomoci montážního přípravku.

Kompletní rotor je klíčovou součástí filtračně-ventilačních jednotek. Konkrétně se jedná o jednotky nesoucí obchodní označení 2F a 3F (viz obr. 3.3). Jednotky jsou osobní ochranné dýchací prostředky určené k filtraci škodlivin ve formě plynů, par,

Obr. 3.2 – Mosazné zálisky

Obr. 3.3 – Filtračně-ventilační jednotka 2F a 3F [13]

(33)

částic a jejich kombinací. Uplatnění nacházejí v těžkých průmyslových provozech, chemických provozech, laboratořích, farmaceutickém průmyslu či při sanačních pracích. Jednotky disponují krytím IP65, jsou dekontaminovatelné a uživateli poskytují průtok filtrovaného vzduchu v rozmezí (120 až 235) l/min. [13] Vývod jednotky lze připojit pomocí pružné hadice k celé řadě příslušenství (viz obr. 3.4 a obr. 3.5).

Obr. 3.4 – Jednotka 2F s plynovou maskou a částicovými filtry [13]

Obr. 3.5 – Jednotka 2F se svářecí kuklou a chemickými filtry [13]

(34)

3.1.2 Základní požadavky na výrobek

Základním požadavkem na rotor je především vysoká rozměrová jakost, s čímž souvisí požadavek na minimální excentricitu hmoty z důvodu vyváženosti rotoru.

Dalším požadavkem je nízká hmotnost, která přispívá ke snížení dynamických účinků při vysokých pracovních otáčkách rotoru. Vzhledem k charakteru používání filtračně- ventilačních jednotek (viz kap. 3.1.1) je přítomnost dynamických účinků zřejmá a hmotnost rotoru je tak jedním z klíčových parametrů.

Dalším požadavkem je dokonalé obtečení mosazného zálisku plastem při vstřikování a eliminace tvorby trhlin v okolí zálisku, které by mohly způsobit uvolnění rotoru z hřídele motoru a způsobit nefunkčnost zařízení. Je nutné zmínit, že filtračně- ventilační jednotky se často používají v kontaminovaných prostředích a jejich náhlá porucha může uživatele ohrozit na životě, což je naprosto nepřípustné.

3.1.3 Problémy výrobku

Nejzávažnější komplikace s rotory ventilátorů jsou při jejich vyvažování. Počáteční nevyváženost, kterou je nutné kompenzovat přidáváním drobných závaží v podobě ložiskových kuliček o hmotnosti 0,012 g a 0,004 g, často dosahuje vysokých hodnot amplitudy kmitání. Důsledkem je přidání až několika desetin gramu na velký poloměr, čímž se značně mění dynamické chování celého rotoru. Výsledkem je vyšší odběr elektrické energie motoru při rozbězích, vyšší namáhání ložiskového uložení motoru dynamickými účinky a delší doběh motoru po vypnutí přístroje. V ojedinělých případech není požadovaného stavu dosaženo ani po vyvažování a celá dosavadní sestava je z výroby odepsána jako zmetek. Tato skutečnost přináší značně negativní ekonomický dopad na výrobu, zejména proto, že motor, jakožto jednu z nejdražších součástí celé filtračně-ventilační jednotky, nelze zpravidla získat pro opětovné použití bez jeho poškození.

Zajišťování vyvažovacích tělísek v dírách na vyvažovacím věnci je prováděno natavením okolního plastu páječkou. Jedná se o necitlivý zásah do geometrie rotoru (viz obr. 3.6), který může přinášet zhoršení aerodynamických poměrů ve ventilátoru a zhoršovat tak jeho účinnost. Zhoršení účinnosti má přímý dopad na výdrž akumulátoru jednotky a snižuje tak dobu jejího chodu.

(35)

Z technologického pohledu je problémem častý jetting (stopa po volném toku taveniny, viz obr. 3.7) zejména na víkách rotoru. Při testování v laboratoři katedry strojírenské technologie bylo zjištěno nevhodné dimenzování a balancování vtoků a s tím související přítomnost jettingu výhradně v jedné dutině formy, tj.

v jedné z dutin víka rotoru (více v kap.

3.2.1).

Dalším problémem spojeným s technologií výroby jsou výrobní nepřesnosti a deformace dílu. Jedná se zejména o nedodržení kruhovitosti a souososti tvarů. Zásadní nedodržení souososti může být právě důvodem k vyřazení celé sestavy ventilátoru za předpokladu, že se rotor nepodaří vyvážit.

3.2 V

^ZORKOVÁNÍ

Vzorkování pro účely diplomové práce bylo provedeno v laboratoři katedry strojírenské technologie za podmínek uvedených v následujících podkapitolách.

Obr. 3.6 – Ukázka vyváženého rotoru ventilátoru

Obr. 3.7 – Jetting na víkách rotoru

(36)

3.2.1 Příprava vzorkování Laboratorní podmínky

Vzorkování bylo provedeno za následujících laboratorních podmínek, které byly měřeny přenosným termohygrobarometrem.

Teplota 20 ± 2 [°C]

Tlak 1000 ± 10 [hPa]

Relativní vlhkost 50 ± 10 [%]

Příprava materiálu

Materiál byl před výrobou sušen v nízkotlaké průmyslové sušičce Maguire LPD 100 (viz obr. 3.8) při teplotě 80 °C po dobu jedné hodiny a dvaceti minut. Doba byla rozdělena na 20 minut ohřívání, 20 minut vakuování, 20 minut dalšího ohřevu a závěrečných 20 minut vakuování.

Forma

Vstřikovací forma byla konstruována a je určena primárně pro klasickou technologii vstřikování, což znamená, že výsledky technologie MuCell nemusí být optimální.

Konstrukce formy je dvoudesková, sdružená (obsahuje dvě dutiny pro dva typy rotorů a dvě dutiny pro jeden typ víka rotoru) se studenou vtokovou soustavou s bodovými ústí vtoků.

Při seřizování technologických parametrů ve

výrobě se ukázalo, že bodové vtoky jsou špatně balancovány a k zaplnění dutin víka rotoru dochází mnohem dříve, než dutin rotorů, s čímž souvisí problém dosažení tlakové špičky při plnění dutin víka rotoru. Naopak u dutin rotorů dochází k nerovnoměrnému plnění vlivem zastavení toku do dutin víka v průběhu fáze vstřikování. Výstřik včetně vtokové soustavy je zobrazen na obr. 3.9.

Obr. 3.8 – Sušička Maguire LPD 100 [15]

(37)

Temperace formy je provedena čtyřmi temperačními okruhy zapojenými do série na každé polovině formy (částečně viditelné na obr. 3.10). Propojení okruhů je zajištěno hadicemi ukončenými rychlospojkami.

Obr. 3.9 – Výstřik včetně vtokové soustavy (bez fyzikálního nadouvadla)

Obr. 3.10 – Vstřikovací forma rotorů ventilátoru

(38)

Vyhazování výstřiků je na pohyblivé polovině formy realizováno tyčovými a trubkovými vyhazovači (viz obr. 3.11 vpravo) prostřednictvím vyhazovacího mechanismu stroje. Pružinami je ovládán stírací kroužek (viz obr. 3.12), zajišťující rovnoměrné vyhození rotoru v místě vyvažovacího prstence. Na pevné polovině formy (tvárnici) je dodatečné vyhazování pomocí tyčových vyhazovačů, pomáhajících odformovat lopatky rotorů, které jsou ovládány pomocí pružin (viz obr. 3.11 vlevo).

Navrácení do zasunutého stavu zajišťují distanční tyče při zavření formy.

Poznámka: Červený povrch tvárnice a tvárníku formy je způsoben konzervačním nástřikem.

Obr. 3.12 – Detail dutiny formy zkoumaného rotoru Obr. 3.11 – Tvárnice (vlevo) a tvárník (vpravo) vstřikovací formy

(39)

Vstřikovací stroj

Experimentální výzkum byl proveden na stroji Arburg ALLROUNDER 470S 1000-400, vybaveném vstřikovací jednotkou pro technologii MuCell a příslušnými periferiemi (viz obr. 3.13). Stroj disponuje vstřikovací kapacitou 144 cm³, uzavírací silou 1000 kN a roztečí mezi vodícími sloupky 470 mm.

3.2.2 Technologické podmínky vzorkování – varianta bez plynu

Vzorky vyrobené za těchto technologických podmínek slouží jako reference pro výpočet redukce hmotnosti dílů vyrobených za pomoci technologie MuCell. V podstatě se jedná o klasickou technologii vstřikování (celý systém pro přípravu SCF je neaktivní). Technologické podmínky jsou zaznamenány v tab. 3.1.

Tab. 3.1 – Technologické parametry pro výrobu referenčních vzorků.

Parametr Hodnota Jednotka

Uzavírací síla 400 kN

Objem dávky 48 cm³

Objem při přepnutí na řízení tlakem 10 cm³

Vstřikovací rychlost 55 cm³/s

Maximální vstřikovací tlak 140 MPa

Velikost dotlaku 55 MPa

Doba dotlaku 6 s

Doba chlazení 30 s

Zpoždění plastikace za vstříknutím 10 s

Obvodová rychlost při plastikaci 15 m/min

Doba plastikace 3,75 s

Protitlak při plastikaci 5 MPa

Teplota topných pásem (od trysky směrem k násypce)

260 – 255 – 250 – 240 – 235 – 230

°C Obr. 3.13 – Vstřikovací stroj s modulem pro přípravu SCF

(40)

3.2.3 Technologické podmínky vzorkování – varianta 1

Tato varianta, při které se využívá technologie MuCell, je zaměřena na výhodný poměr mezi úsporou hmotnosti, kvalitou výstřiku a zmetkovitostí výroby. Oproti referenčním podmínkám došlo ke změnám některých parametrů (viz tab. 3.2), aby bylo dosaženo vhodné kvality procesu.

Tab. 3.2 – Technologické parametry pro výrobu vzorků technologií MuCell – varianta 1

Objem při přepnutí na řízení tlakem (dotlak není použit) 1,5 cm³

Doba dotlaku 0 s

Doba chlazení 30 s

Doba plastikace 7 s

260 – 255 – 250 – 240 – 235 – 230

°C

Hmotnostní tok SCF 0,45 kg/h

Dopravní tlak SCF 20,5 MPa

Pracovní tlak (MPP) 20 MPa

Doba dávkování SCF 4 s

3.2.4 Technologické podmínky vzorkování – varianta 2 V této variantě byla prodloužena doba

dávkování SCF s cílem dosažení vyšší úspory hmotnosti výsledného výstřiku. Při tomto nastavení se začaly výjimečně objevovat drobné bubliny v blízkosti povrchu výstřiku, které měly tendenci výsledný povrch po odformování deformovat (viz obr. 3.14). Tyto vady se objevovaly nejčastěji v místech vtoků a v místech konce toku taveniny. Výstřiky, u nichž se tyto vady objevily, byly vyřazeny ze

sledovaného souboru vzorků. Prodlužování Obr. 3.14 – Rozfouknutý povrch odformovaného dílu

(41)

doby chlazení nemělo na zmíněný jev zásadní vliv, jednalo se s větší pravděpodobností o nedokonalosti v rozmíchání a homogenitě taveniny s SCF. Technologické podmínky pro vstřikování varianty 1 jsou uvedeny v tab. 3.3.

Objem dávky 39,5 cm³

Doba dotlaku 0 s

Doba chlazení 30 s

Doba plastikace 7 s

260 – 255 – 250 – 240 – 235 – 230

°C

Varianta 3 byla zkoumána jako krajní možné nastavení doby dávkování SCF (viz tab. 3.4). Dávkování plynu bylo opožděno oproti počátku plastikace o jednu sekundu a probíhalo po celý zbylý čas plastikace. Při této variantě vzorkování docházelo k častému vzniku rozsáhlých dutin ve výstřicích, pravděpodobně vlivem nedokonalého promísení SCF s taveninou plastu. Deformace výstřiků po odformování vypadala obdobně, jako u varianty 2, avšak ve značně větším měřítku, velikost délky dutin dosahovala až 10 mm. Zmetkovitost při tomto nastavení technologických parametrů se pohybovala okolo 50 % a byla nezbytná selekce dobrých kusů pro další analýzu, podobně jako při variantě 2. Technologické parametry jsou uvedeny v tab. 3.4.

(42)

Doba dotlaku 0 s

Doba chlazení 30 s

Doba plastikace 7 s

260 – 255 – 250 – 240 – 235 – 230

°C

Tato varianta byla vytvořena jako kompromis mezi variantou 1 a referenční variantou technologických podmínek vzorkování bez plynu. Dávkování SCF probíhalo cca 42 % času plastikace a vzniklá směs tak byla dostatečně dlouho intenzivně míchána, aby došlo k vytvoření homogenní jednofázové směsi. Při výrobě se nevyskytovaly žádné problémy s kvalitou výstřiků. Parametry procesu jsou uvedeny v tab. 3.5.

Tab. 3.5 část 1 – Technologické parametry pro výrobu vzorků technologií MuCell – varianta 4

Objem dávky 40,5 cm³

Doba dotlaku 0 s

Doba chlazení 30 s

Doba plastikace 7 s

260 – 255 – 250 – 240 – 235 – 230

°C

(43)

Tab. 3.5 část 2 – Technologické parametry pro výrobu vzorků technologií MuCell – varianta 4

3.3 A

NALÝZA KVALITY DÍLŮ DLE VARIANT TECHNOLOGICKÝCH PODMÍNEK

3.3.1 Hmotnostní analýza

Hmotnostní analýza byla provedena za použití přesné digitální váhy KERN 572-30 (viz obr. 3.15) s měřícím rozsahem do 240 g a přesností 0,001 g. Váha je pravidelně kalibrována a kontrolována Českým metrologickým institutem.

Pro každé nastavení technologických parametrů byly váženy zvlášť rotory a jejich víka. Vyhodnocení hmotnosti (viz tab. 3.6 až tab. 3.10) a úspory hmotnosti (viz tab. 3.11) oproti referenčnímu nastavení je vždy prováděno za užití průměrné hodnoty z dávky 20-ti jednotlivých měření.

Pro výpočet průměrné hodnoty je použit vztah (3.1), pro výpočet výběrové směrodatné odchylky vztah (3.2). Redukce hmotnosti (úspora materiálu) rotoru je určena vztahem (3.3). Výpočet redukce hmotnosti víka rotoru není prováděn, neboť vlivem špatného balancování vtokového systému formy dochází k tlakové špičce a výsledek nevypovídá o reálném nastavení technologických parametrů.

𝑚̅ = ∑^𝑛_𝑖=1𝑚_𝑖

𝑛 [𝑔] (3.1)

𝑠 = √ 1

𝑛 − 1∑(𝑚_𝑖− 𝑚̅ )²

𝑛

𝑖=1

[𝑔] (3.2)

𝑅 =𝑚̅̅̅̅̅ − 𝑚_𝑟𝑅 ̅ 𝑚_𝑟𝑅

̅̅̅̅̅ ∙ 100 [%] (3.3)

Obr. 3.15 – Digitální váha KERN 572-30