Deze eindverhandeling was een examen. De tijdens de verdediging geformuleerde opmerkingen werden niet opgenomen

M E DE DE L IN G Deze eindverhandeling was een examen. De tijdens de verdediging geformuleerde opmerkingen werden niet opgenomen.

Anziplast Tavernier NV 2 Masterproef

VO O R WO O R D Deze thesis is het naslagwerk van de masterproef “Studie over de invloed van de koelparameters op de vormkoeling

bij

het

spuitgietproces”.

Het

kadert

in

de

opleiding

‘Master

Industriële

Kunststofverwerking”, ingericht door de Katholieke Hogeschool Brugge – Oostende, departement IW&T te Oostende. De masterproef was voor mij een aangename ervaring met de bedrijfswereld en het verwerken van kunststoffen in de praktijk. Als student kreeg ik hierbij de kans om mijn opgedane kennis van de laatste vier jaar toe te passen en te bewijzen als ingenieur in de kunststofverwerking. Daarnaast was er de kans voor mezelf om te kunnen proeven van het bedrijfsleven en te voelen hoe het er aan toe gaat in de praktijk. Hierbij neem ik ook de gelegenheid om de verschillende partijen te bedanken die mij steunden in het tot een goed eind brengen van dit naslagwerk. De mensen van mijn stagebedrijf Anziplast Tavernier NV: buitenpromoter Katrijn Sabbe als raadgever en motivator, Joeri Dekeyvere met zijn kennis inzake ontwerp, Hendrik Baeke voor de steun die hij gaf in het begin van deze masterproef, Peter Van Steen om mij de kans te geven deze masterproef te laten maken en voor al de raad en steun die hij mij gegeven heeft, Jurgen Vermaut voor het maken en aanpassen van de verschillende onderdelen die nodig waren voor het uitvoeren van de testen, Lieven Vindevogel om mij geduldig te steunen in het plannen van de nodige machines en alle machineoperatoren die geholpen hebben bij het verwezenlijken van de praktische proeven. Op het KHBO gaat mijn dank vooral uit naar binnenpromoter Bart Buffel, die mij veel advies en steun kon geven, ook al was er niet altijd voldoende tijd, Frederik Desplentere voor het advies die hij gaf omtrend simulaties en theoretische berekeningen, alsook Hilde Bonte voor de steun op het projectniveau. Ik dank ook mijn collega studenten, die altijd open stonden voor advies en steun tijdens dit laatste jaar. Een speciale dank gaat uit naar de mensen van het VKC te Kortrijk, in het bijzonder Davy Van Cauwenberghe voor het leveren van de nodige meetapparatuur en advies. Als laatste bedank ik Willy Van Hoye, die mij veel heeft kunnen verder brengen met zijn uitgebreide kennis over het koelproces.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


C O N T AC T GE GE VE N S Student Brent Delhaye Nieuwstraat 15 8480 Eernegem [email protected] Tel: +32 472 / 79 91 19 Stagebedrijf Anziplast Tavernier NV Prins Albertlaan 70 B – 8870 Izegem Belgium www.anziplast.be [email protected] Tel: +32 51 / 33 33 33 Fax: +32 51 31 28 23 Promotoren: Ing. Katrijn Sabbe Ing. Hendrik Baeke Hogeschool KHBO Departement IW&T Zeedijk 101 B – 8400 Oostende www.khbo.be Binnenpromotor: Ing. Bart Buffel

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


A B S T R AC T Binnen een spuitgietcyclus maakt de koeltijd ongeveer 80% van de volledige cyculstijd uit. Het loont dan ook de moeite om de koeling te gaan optimaliseren. Bij het koelen van een spuitgietmatrijs wordt traditioneel gewerkt met kleine koelkanalen en lage temperaturen. Alternatieven hiervoor zijn koelen met hoger debiet en hogere koelwatertemperaturen, die energetisch gunstiger kunnen zijn. Er werd een onderzoek gestart naar de invloed van verschillende koelparameters zoals debiet en temperatuur, om een nieuwe koelstandaard te bekomen bij het ontwerpen van spuitgietmatrijzen. De invloed van deze parameters wordt getoetst aan de vormkoeling en ontvormingstemperatuur. Het onderzoek werd uitgevoerd op een zelf ontworpen product, waarop verschillende testen werden uitgevoerd. De 3 koelparameters die onderzochten werden zijn: koelwatertemperatuur, kanaaldiameter en waterdebiet. Door deze koelparameters te variëren werd de invloed ervan op de ontvormtemperatuur en productafmetingen nagegaan. Tijdens deze metingen worden de machine instellingen constant gehouden. De krimp wordt door teveel parameters beïnvloedt om een conclusie te kunnen vormen omtrendt vormkoeling. De ontvormtemperatuur staat in rechtstreeks verband met de cyclustijd. Een verlaging in de resultaten van deze temperatuur betekent een verlaging van de koeltijd en bijgevolg cyclustijd, met als gevolg een daling in de machinekost per stuk. Om een zo laag mogelijke ontvormtemperatuur te verkrijgen, is het belangrijk de drukval tussen de pomp en matrijs zo laag mogelijk te houden, de diameters van de koelkanalen zo groot mogelijk te maken en het koelwaterdebiet te verhogen. De temperatuur verlagen van het koelwater heeft ook een positieve invloed op de ontvormtemperatuur, maar hier hangt wel een energetische kostprijs aan.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


I N HO UDS T AF E L

Mededeling.................................................................................................................................................... 1 Voorwoord .................................................................................................................................................... 2 Contactgegevens ........................................................................................................................................... 3 Abstract ......................................................................................................................................................... 4 Inhoudstafel .................................................................................................................................................. 5 Lijst van figuren ............................................................................................................................................. 9 Lijst van tabellen.......................................................................................................................................... 11 1

Opdrachtsituering................................................................................................................................ 12 1.1

2

Stagebedrijf ................................................................................................................................. 12

1.1.1

Profiel .................................................................................................................................. 12

1.1.2

Visie ..................................................................................................................................... 13

1.1.3

Historiek .............................................................................................................................. 13

1.2

School .......................................................................................................................................... 14

1.3

Opdracht ...................................................................................................................................... 15

1.3.1

Herformulering opdracht .................................................................................................... 15

1.3.2

Projectfiche.......................................................................................................................... 16

Theoretische achtergrond ................................................................................................................... 19 2.1

Spuitgietproces ............................................................................................................................ 19

2.2

Koeling van een spuitgietmatrijs ................................................................................................. 19

2.2.1

Algemeen............................................................................................................................. 19

2.2.2

Afkoelen van hoeken en vlakken......................................................................................... 21

2.2.3

Koelmogelijkheden .............................................................................................................. 22

2.2.4

Koelgeometrie ..................................................................................................................... 24

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 6 Masterproef 2.3

3

Warmtebalans spuitgietmatrijs ................................................................................................... 25

2.3.1

Warmtebalans ..................................................................................................................... 25

2.3.2

Warmte afgegeven aan matrijs gedurende afkoeling 𝑄𝐹 ................................................... 26

2.3.3

Vermogen toegevoerd door hotrunner 𝑄𝑕 ......................................................................... 27

2.3.4

Warmteafgifte van de matrijs door convectie 𝑄𝑘 .............................................................. 27

2.3.5

Warmteafgifte door straling 𝑄𝑠𝑡𝑟 ....................................................................................... 28

2.3.6

Warmtestroom door geleiding via de opspanplaten .......................................................... 28

2.4

Infrarood Thermografie ............................................................................................................... 28

2.5

Box – and Whiskerplot ................................................................................................................ 29

Voorbereiding van de testen ............................................................................................................... 31 3.1

Behandeling parameters ............................................................................................................. 31

3.1.1

Vormkoeling ~ krimp ........................................................................................................... 31

3.1.2

Behandelde parameters ...................................................................................................... 32

3.1.3

Onbehandelde parameters ................................................................................................. 34

3.2

Onderzochte parameters ............................................................................................................ 35

3.2.1

Ontvormtemperatuur.......................................................................................................... 35

3.2.2

Afmetingen .......................................................................................................................... 36

3.2.3

Gewicht................................................................................................................................ 36

3.3

Materiaalkeuze ............................................................................................................................ 37

3.4

Aanloop tot product – en matrijskeuze....................................................................................... 37

3.5

Productontwerp .......................................................................................................................... 39

3.5.1

Eisen .................................................................................................................................... 39

3.5.2

Afmetingen van het uiteindelijke product .......................................................................... 40

3.6

Matrijsontwerp............................................................................................................................ 40

3.6.1

Afmetingen platen ............................................................................................................... 40

3.6.2

Matrijsmateriaal .................................................................................................................. 42

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 7 Masterproef 3.6.3

Koeling ................................................................................................................................. 42

3.6.4

Aanspuiiting ......................................................................................................................... 43

3.7

3.7.1

Theoretische berekening ..................................................................................................... 44

3.7.2

Vergelijking in Moldflow...................................................................................................... 49

3.8

4

Machinekeuze en spuitgietparameters....................................................................................... 44

Proefspuiting ............................................................................................................................... 50

3.8.1

Bepaling nadruktijd en – niveau .......................................................................................... 50

3.8.2

Andere instellingen.............................................................................................................. 51

3.8.3

Emmesiviteit bepalen .......................................................................................................... 53

3.9

Geplande testen .......................................................................................................................... 53

3.10

Koelsituatie te Anziplast .............................................................................................................. 56

Metingen ............................................................................................................................................. 58 4.1

Meettoestellen ............................................................................................................................ 58

4.1.1

Afmetingen .......................................................................................................................... 58

4.1.2

Stuktemperatuur ................................................................................................................. 59

4.1.3

Koelwaterdebiet en – temperatuur .................................................................................... 60

4.2

Initiële matrijs en vormkoeling.................................................................................................... 60

4.2.1

Situatie................................................................................................................................. 61

4.2.2

Metingen ............................................................................................................................. 62

4.2.3

Resultaten............................................................................................................................ 64

4.3

Matrijsaanpassing 1..................................................................................................................... 66

4.3.1

Situatie................................................................................................................................. 66

4.3.2

Metingen ............................................................................................................................. 67

4.3.3

Resultaten............................................................................................................................ 68

4.4

Matrijsaanpassing 2..................................................................................................................... 68

4.4.1

Brent Delhaye

Situatie................................................................................................................................. 68

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 8 Masterproef 4.4.2 4.5

5

Metingen ............................................................................................................................. 71

Simulaties .................................................................................................................................... 72

4.5.1

Moldflow instellingen .......................................................................................................... 72

4.5.2

Modelopbouw ..................................................................................................................... 72

4.5.3

Resultaten............................................................................................................................ 73

Resultaten............................................................................................................................................ 75 5.1

Afmetingen .................................................................................................................................. 76

5.1.1

Procentuele krimp ............................................................................................................... 77

5.1.2

DIN 16901 ............................................................................................................................ 78

5.1.3

Besluit voor de afmeting ..................................................................................................... 79

5.2

Ontvormtemperatuur.................................................................................................................. 80

5.3

Gewicht........................................................................................................................................ 85

6

Besluit .................................................................................................................................................. 87

7

Bibliography......................................................................................................................................... 88

9

Bijlagen .................................................................................................... Error! Bookmark not defined. 9.1

Bijlage 1: Datasheet PPC 7760......................................................... Error! Bookmark not defined.

9.2

Bijlage 2: Datasheet Empera 524N .................................................. Error! Bookmark not defined.

9.3

Bijlage 3: Afmetingen testproduct .................................................. Error! Bookmark not defined.

9.4

Bijlage 4: Machine gegevens netstal Synenergy 1500 kN ............... Error! Bookmark not defined.

9.5

Bijlage 5: Gegevens tempereertoestel ............................................ Error! Bookmark not defined.

9.6

Bijlage 6: Gegevens flowmeter........................................................ Error! Bookmark not defined.

9.7

Bijlage 7: Meetgegevens afmetingen .............................................. Error! Bookmark not defined.

9.8

Bijlage 8: Meetgegens ontvormtemperatuur.................................. Error! Bookmark not defined.

9.9

Bijlage 9: Meetgegevens gewichten ................................................ Error! Bookmark not defined.

9.10

Bijlage 10: DIN 16901 tabellen ........................................................ Error! Bookmark not defined.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


L IJS T V AN F IG UR E N Figuur 1.1: Logo Anziplast Tavernier NV ..................................................................................................... 13 Figuur 1.2: ISO – normering ........................................................................................................................ 13 Figuur 1.3: Logo KHBO ................................................................................................................................. 14 Figuur 2.1: Cyclus van het spuitgietproces .................................................................................................. 19 Figuur 2.3: Kromtrekken vanwege onevenwichtige koeling ....................................................................... 20 Figuur 2.2: Temperatuursprofiel doorheen de wanddikte bij het ontvormen ........................................... 20 Figuur 2.4: Afkoelen van hoeken................................................................................................................. 21 Figuur 2.5: Kromtrekken van een U – profiel .............................................................................................. 22 Figuur 2.6: A. Parallel koelsysteem B. Serie koelsysteem met 1 circuit ...................................................... 23 Figuur 2.7: Dubbele baffle voor koelen van kern ........................................................................................ 23 Figuur 2.8: Bubbler voor het koelen van een kern ...................................................................................... 23 Figuur 2.9: Ligging en schikking koelkanalen .............................................................................................. 24 Figuur 2.10: Overzicht warmtestromen in een matrijs ............................................................................... 25 Figuur 2.11: Enthalpieverlopen van verschillende kunststofsoorten ......................................................... 26 Figuur 2.12: Bepaling van buitenwandtemperatuur ................................................................................... 27 Figuur 2.13: Boxplot met aanduiding van de verschillende onderdelen (Liebschner, 2007)...................... 30 Figuur 3.1: Schema van de belangrijkste parameters ................................................................................ 31 Figuur 3.2: PVT diagramma van een amorfe (links) en een semi – kristallijne kunststof (rechts) .............. 34 Figuur 3.3: Grafiek die het verband weergeeft tussen ontvormtemperatuur en cyclustijd ....................... 36 Figuur 3.4: Overzicht van de verschillende mogelijke matrijsconcepten.................................................... 38 Figuur 3.5: Mogelijke plaatkeuzes uit DME Quickship catalogus ................................................................ 40 Figuur 3.6: CAD model van de matrijs ......................................................................................................... 41 Figuur 3.7: Ligging verschillende koelkanalen (2D en 3D) ........................................................................... 43 Figuur 3.8: Aanspuiting uit DME Catalogus ................................................................................................. 44 Figuur 3.9: Netstal Synergy 1500 kN - 460 .................................................................................................. 46 Figuur 3.10: Grafische bepaling van de effectieve thermische diffusiviteit ................................................ 48 Figuur 3.11: Grafiek van de invloed van de nadruk op het stukgewicht ..................................................... 51 Figuur 3.12: Ingestelde cilindertemperaturen ............................................................................................ 53 Figuur 3.13:

Brent Delhaye

Staafthermometer.............................................................................. 53

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 10 Masterproef Figuur 3.14: Koelsituatie grote productiehal Anziplast Tavernier NV ......................................................... 57 Figuur 4.1: Digitale schuifmaat .................................................................................................................... 58 Figuur 4.2: Meetbank aanwezig op het KHBO te Oostende........................................................................ 58 Figuur 4.3: Vastleggen positie product ....................................................................................................... 59 Figuur 4.4: De Midas 320L infraroodcamera ............................................................................................... 59 Figuur 4.5: Voorbeeld infrarood foto product ............................................................................................ 60 Figuur 4.6: Digitale flowmeter van Tracer ................................................................................................... 60 Figuur 4.7: Watervervarmer met 5 circuits ................................................................................................. 61 Figuur 4.8: Robothand en transportband.................................................................................................... 62 Figuur 4.9: Meetschema.............................................................................................................................. 63 Figuur 4.10: Gemeten afmetingen met schuifmaat .................................................................................... 64 Figuur 4.11: Grafische verwerking van de schuifmaatafmetingen ............................................................. 65 Figuur 4.12: Punt genomen om ontvormtemperatuur te vergelijken ........................................................ 66 Figuur 4.13: Kranen voor het afsluiten van de koelwatertoevoer .............................................................. 68 Figuur 4.14: Koperen collectors voor het verdelen van het koelwater met verminderde drukval ............ 69 Figuur 4.15: Ligging verschillende koelkanalen ........................................................................................... 70 Figuur 4.16: Extra drukval door hoogteverschil koelwaterafvoer............................................................... 71 Figuur 4.17: Model in Moldflow met koeling .............................................................................................. 73 Figuur 4.18: Opmeting stuktemperatuur in Moldflow ................................................................................ 74 Figuur 4.19: Opmeten van de afmeting in Moldflow .................................................................................. 74 Figuur 5.1: Grafiek met afmetingen gemeten op meetbank ...................................................................... 76 Figuur 5.2: Overzicht procentuele afwijking van de krimp ......................................................................... 77 Figuur 5.3: Grafiek waarin het verband tussen de ontvormtemperatuur en de cyclustijd wordt geplot .. 81 Figuur 5.4: Metingen ontvormtemperatuur ............................................................................................... 82 Figuur 5.5:Vergelijking van de cyclustijdwinst door verlaagde ontvormtemperatuur. .............................. 84 Figuur 5.6: Grafiek met weergave van de verschillende stukgewichten .................................................... 85

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


L IJS T V AN T AB E LLE N Tabel 1: Geplande metingen ....................................................................................................................... 54 Tabel 2: Metingreeks 2 ................................................................................................................................ 55 Tabel 3: Metingsreeks 3 .............................................................................................................................. 56 Tabel 4: Metingen na matrijsaanpassing 1.................................................................................................. 67 Tabel 5: Metingen na matrijsaanpassing 2.................................................................................................. 71 Tabel 6: Nummering van de verschillende parameters voor beide kunststofmaterialen .......................... 75

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


1 O P DR AC HT S IT UE R I N G 1.1 STAGEBEDRIJF 1.1.1 PROFIEL Anziplast Tavernier is een kunststofverwerkend bedrijf gespecialiseerd in spuitgieten. De hoofdzetel bevindt zich in het West-Vlaamse Izegem. Vandaag heeft Anziplast 80 medewerkers en er wordt een omzet gerealiseerd van 12,5 miljoen euro. Tot op vandaag zijn zij voornamelijk een “loonspuitgieter” die in opdracht van klanten producten gaat ontwikkelen,

spuitgieten

en

nabewerken.

Zij

maken

daarbij

gebruik

van

verschillende

spuitgiettechnieken zoals traditioneel spuitgieten, meercomponenten spuitgieten, gasinjectie, sandwich moulding, insert moulding en andere… Hun bestaande klanten zijn actief in verscheidene sectoren waarvan verpakkingssector, voeding, bouw, machinebouw, automobiel en textiel de belangrijkste zijn. Vandaag hebben ze een 1000-tal Europese klanten voor wie een 2500 verschillende producten gemaakt worden. Anziplast Tavernier omvat een machinepark van een 60-tal spuitgietmachines die variëren in sluitkracht van 20 tot 1500 ton. Alle machines zijn uitgerust met robots, drogers en een automatische grondstofaanvoer. Door de CNC-sturing, voorzien op alle machines, kunnen ze zeer nauwkeurige producten produceren. Anziplast Tavernier verwerkt verschillende hoogwaardige kunststoffen zoals: PBT, PC, ABS, PP... Er worden producten gerealiseerd met een spuitgewicht van enkele grammen tot ongeveer 8 kg. Alle machines beschikken over een robot voor automatische stapeling en indien nodig gewichtscontrole. Verder kunnen ze instaan voor het conditioneren, bedrukken, ultrasoon inserteren of ultrasoon lassen van onderdelen. Inserts kunnen eveneens geautomatiseerd omspoten worden.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


Figuur 1.1: Logo Anziplast Tavernier NV

1.1.2 VISIE Het doel van Anziplast is om een belangrijke, kwaliteitsvolle toeleverancier te zijn voor Europese bedrijven waarbij alle stadia van idee of concept, over design en ontwikkeling tot productie van het eindproduct volledig doorlopen worden. Hierbij wordt er telkens gestreefd naar innovatieve oplossingen op vlak van vorm, materiaal en productieproces. Sedert 1994 is Anziplast Tavernier “ISO 9001” gecertificeerd en heeft het als doel “ISO TS 16949” te behalen.

Figuur 1.2: ISO – normering

1.1.3 HISTORIEK

1977 1977 Anziplast is een familiaal geleide KMO actief in de kunststof verwerking. Ooit bescheiden begonnen vanuit het houtbedrijf “C. Casier Blomme en Zonen” met het produceren van houten onderdelen voor de borstel- en meubelindustrie. Een logisch gevolg is het produceren in kunststof, dat qua vormgeving en design veel meer mogelijkheden biedt. In 1977 wordt een eerste spuitgietmachine aangekocht en ondergebracht in een nieuwe firma, Anziplast NV.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 14 Masterproef 1982 Deze firma neemt Ferdaplast over, dat gespecialiseerd is in badsethangers en kleerhangers. 1988 Anziplast neemt ook één van de eerste spuitgieters in België, Novellit, producent van technische producten, onder haar vleugels. 2001 Is het jaar waarin Anziplast NV en Plastics Tavernier Hubaux, gespecialiseerd in hoogstaande technische stukken en automotive fusioneren onder de nieuwe naam “Anziplast Tavernier” . 2004 September 2004 neemt Anziplast Tavernier “Alcaplast” te Heule over, dit jonge spuitgietbedrijf is toeleverancier en fabrikant van verschillende huishoudartikelen en pultrusiestaven. Heden Vandaag bouwt Anziplast samen met zijn 80 medewerkers aan een veelbelovende toekomst, een aanvullende productieplant bij Anziplast in Izegem waar de productie van Tavernier (Pittem), Alcaplast (Heule) en Anziplast (Izegem) samen zal worden gebracht.

1.2 SCHOOL Dit eindwerk dient al afstudeerscriptie van de richting Master Kunststoffentechnologie binnen de KHBO, departement IW&T.

Figuur 1.3: Logo KHBO

Om af te studeren als Master Kunststoffentechnologie, volg je eerst de Academische Bachelor Elektromechanica, om dan na 3 jaar, in te stromen in de Master Kunststoffentechnologie. Deze Master wordt exclusief ingericht aan de KHBO te Oostende sinds het academiejaar 2008-2009.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


1.3 OPDRACHT De opdracht werd als volgt geformuleerd door Peter Van Steen, bedrijfsleider van Anziplast Tavernier: Traditioneel worden spuitgietmatrijzen ontworpen met kleine koelkanalen en wordt er tijdens het proces gekoeld met water van 8 tot 15°c. Wij vermoeden dat we met hogere debieten efficienter kunnen gaan koelen. Misschien korter koelen of met een hogere temperatuur. Volgend onderwerp zou dus uitermate interessant kunnen zijn: Studie over de invloed van de parameters van de vormkoeling op de uiteindelijke koeltijd of ontvormingstemperatuur van plastic producten. We zouden willen nagaan welke invloed volgende parameters hebben op de koeltijd of de ontvormingstemperatuur: -

diameter koelcircuits

-

debiet van de koelvloeistof

-

temperatuur van de koelvloeistof.

De invloed van deze parameters zou kunnen nagegaan worden bij: -

verschillende kunststoffen

-

verschillende wanddiktes

Dit kan initieel bestudeerd worden via een moldflow analyse. In de praktijk kunnen we dit tijdens de stage gaan testen met een door ons gemaakte proefmatrijs. In Anziplast of in VKC. Tijdens de stage kunnen we dan al die parameters gaan variëren. Resultaat van de studie moet een nieuwe vormstandaard zijn die aangeeft hoe de koeling van nieuwe te ontwerpen matrijzen moet gemaakt worden. Deze studie geeft dus heel wat mogelijkheden naar theoretische voorbereiding, statistische toepassingen, praktische toepassing op de spuitgietmachine en een bedrijfsgericht resultaat.

1.3.1 HERFORMULERING OPDRACHT De opdracht bestaat erin een studie te doen van de verschillende invloeden van koelparameters op vormkoeling en ontvormingstemperatuur. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een zelf ontworpen matrijs

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 16 Masterproef en de nodige meetinstrumenten. Aan de hand van verschillende metingen moet een nieuw koelstandaard geformuleerd worden die kan worden toegepast in het ontwerpen van nieuwe matrijzen.

1.3.2 PROJECTFICHE Projecttitel

Studie over de invloed van de koelparameters op de vormkoeling bij het spuitgietproces

Projecttype

Studie en onderzoek

Bedrijf

Anziplast Tavernier NV Prins – Albertlaan 70 8870 Izegem

Projectteam Projectleider

Brent Delhaye

Projecteigenaar

Anziplast Tavernier NV met als externe promotor Katrijn Sabbe ([email protected])

Projectbegeleider

Bart Buffel

Tijdslimiet

1 academiejaar, tot 17 juni 2010

Doelstellingen -

Matrijs ontwerpen die geschikt is om testen op te doen

-

Onderzoek naar verschillende mogelijkheden van vormkoeling van spuitgietmatrijzen alsook naar de invloed van de spuitgietparameters hierop

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 17 Masterproef -

Voorafgaande simulaties op eigen ontworpen product om zo een voldoende test situatie te creëren

Input Anziplast Tavernier NV Kennis, ervaring en raadgeving in het bepalen en maken van proefproduct met bijhorende matrijs. Toegang tot productieapparatuur met bijhorend materiaal. Financiering proefmatrijs en testkosten. KHBO dept. IW&T Kennis, ervaring en raadgeving van binnenpromoter Bart Buffel en andere docenten van de afdeling Industriële Kunststofverwerking. Bibliotheek van de campus met allerhande technische informatie. VKC Kortrijk Lenen van hoogstaande meetapparatuur die het mogelijk maken kwalitatieve metingen te doen. Andere Het wereldwijde web en andere literatuurbronnen. Output Uitvoeren en formuleren van de geformuleerde doelstellingen. Scriptie als bron van informatie over de studie van het vormkoelen. Betere beheersing van de parameters die invloed hebben op het koelproces met oog op een optimalere productie en verkorte cyclustijd Basismodel voor verder ontwerpen van koeling in spuitgietmatrijzen.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


Projectbeperkingen Er worden 5 parameters onderzocht: -

invloed van de diameter van de koelkanalen

-

het debiet van het koelwater

-

temperatuur van het koelwater

-

soort kunststof

-

koelsituatie: de manier waarop het koelwater toegevoerd wordt naar de matrijs

De koeling wordt getoetst aan de afmetingen van het product, gewicht en ontvormingstemperatuur. Parameters zoals nadruk en injectiedebiet, die een grote invloed op de krimp hebben, worden constant gehouden om de effecten van de koeling het best waar te nemen.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


2 T HE O R E T IS C HE AC H T E R GR O N D 2.1 SPUITGIETPROCES Spuitgieten bestaat uit het verwarmen van een kunststof, meestal is dit een thermoplast, en het injecteren onder hoge druk ervan in een holte met kenmerkende afmetingen. Door de gesmolten massas daarna af te koelen, bekomt men een product dat de vorm van de holte aanneemt.

Figuur 2.1: Cyclus van het spuitgietproces

Het proces ziet er uit zoals in figuur 2.1, waar duidelijk te zien is dat de koeltijd 𝑡𝑘 een groot gedeelte van de tijd in beslag neemt. Dit impliceert dat het reduceren van de koeltijd een grote vermindering van de cyclustijd kan opleveren en bijgevolg in de kostprijs per stuk.

2.2 KOELING VAN EEN SPUITGIETMATRIJS 2.2.1 ALGEMEEN Het koelmiddel dat gebruikt wordt in het koelcircuit, heeft als grote doel de warmte af te voeren die toegevoerd wordt via de warme kunststof. Hoe groter de massa gesmolten kunststof in de holte, hoe meer koelvermogen vereist. Onder meer koelvermogen verstaat men bijvoorbeeld het koelwaterdebiet verhogen, de temperatuur van het medium verlagen, meer en grotere kanalen in de matrijs, …

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 20 Masterproef Het doel van een koeling is om een zo uniform mogelijke matrijswandtemperatuur te verkrijgen, zodat de zijden van het product aan beide kanten even snel koelen. Wanneer dit niet het geval is, gaat het product kromtrekken naar de kant van de warmste zijde toe. De reden hiervoor is de ‘plastische ziel’ die zich net niet in het midden van de kunststofmassa bevindt. De plastische ziel is

Figuur 2.2: Temperatuursprofiel doorheen de wanddikte bij het

de massa ongesmolten kunststof. Wanneer

ontvormen

deze in het midden blijft, zal de plaat recht blijven vanwege de symmetrische spanningsverdeling (figuur 2.3). Beweegt de plastische ziel echter na een bepaalde tijd naar een kant van de holte, dan ontstaat er een asymmetrische spanningsverdeling van de kunststofmassa en trekt het product krom. Het kromtrekken gebeurd aan de kant waar de plastische ziel naartoe beweegt (figuur 2.3).

Figuur 2.3: Kromtrekken vanwege onevenwichtige koeling

Het uniform zijn van de matrijswandtemperatuur heeft ook invloed op vele andere factoren ook, zoals het uitzicht van het oppervlak, structuur van het product, ontstaan van spanningen, maar ook op krimp en vormafwijkingen.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 21 Masterproef Om een zo goed mogelijke koeling te verkrijgen, moet de waterstroom zo turbulent mogelijk zijn. Dit houdt in dat het Reynolds getal minimum 10 000 bedraagt. Het Reynolds getal van een stroming is te berekenen via: 𝑅𝑒 =

𝜌. 𝑣. 𝑙 𝜂

Met hierin: 𝑘𝑔

-

𝜌: de densiteit van het koelmedium

-

𝑣: snelheid van het koelmedium

-

l: lengte van onderzocht kanaal [m]

-

𝜂: Dynamische viscositeit van het koelmedium [Pa.s]

𝑚³

𝑚 𝑠

Wanneer dit niet hoger dan 10 000 is, moeten maatregelen genomen worden om dit wel te doen. Zo kan ook de ruwheid van het kanaal verhoogd worden, extra bochten in het circuit, debietsverhoging, … Een te hoge Reynoldswaarde moet echter vermeden worden, omdat op die manier te veel warmte van de pomp in het koelwater wordt gestoken en er een opwarming van het koelwater zou optreden.

2.2.2 AFKOELEN VAN HOEKEN EN VLAKKEN Het afkoelen van hoeken geeft problemen naar warmteafvoer. Dit wordt duidelijk gemaakt in figuur 2.4. Door de ligging van de koelkanalen wordt de warmte van de buitenste hoek veel beter afgevoerd dan de binnenhoek. Voor de binnenhoek moet een groter oppervlak afgekoeld worden, maar is er minder koelkapaciteit ter beschikking. Hierdoor verschuift de eerder vermelde plastische ziel naar de binnenkant en begint de hoek krom te trekken.

Figuur 2.4: Afkoelen van hoeken

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 22 Masterproef Voor een u – profiel geeft dit het kromtrekken zoals weergegeven in figuur 2.5.

Figuur 2.5: Kromtrekken van een U – profiel

2.2.3 KOELMOGELIJKHEDEN Er zijn verschillende manieren voor het koelen van de matrijs. Allereerst kan je variëren in de manier waarop gekoeld wordt, daarnaast kan je ook het medium aanpassen om in andere, extremere temperatuursintervallen te kunnen werken. 2.2.3.1 K OELMANIER Traditioneel werkt men met koelkanalen doorheen de matrijs, die op een specifieke manier met elkaar verbonden zijn. Er is de mogelijkheid om parallel of serie koeling toe te passen, afhankelijk van de situatie waarin je werkt (figuur 2.6). Zo geeft het parallelle systeem het voordeel van een zeer eenvoudige aansluiting (1 in – en 1 uitgang) en heb je over alle vertakkingen dezelfde temperatuur. Nadelen echter zijn dat de toevoer groot genoeg moet zijn om een voldoende lage drukval te behouden. Daarnaast zijn kleine veranderingen in de kanalen genoeg om variërende debieten en temperaturen doorheen het circuit te krijgen. Het seriële systeem bestaat uit een enkel kanaal zonder aftakkingen. Om overal te koelen, dienen meerdere circuits gemaakt te worden in de matrijs met elk een eigen aansluiting. Voordeel van dit systeem is een constanter debiet.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


Figuur 2.6: A. Parallel koelsysteem B. Serie koelsysteem met 1 circuit

Om in holtes te kunnen koelen, bijvoorbeeld de binnenkant van een potje, is het mogelijk om met opkomers te werken. Hieronder verstaat men baffles en bubblers. Baffles werken met een tussenplaat in het koelkanaal langswaar het water langs de ene kant omhoog moet en weer weg kan langs de 2de kant (figuur 2.7). Een bubbler heeft een centrale toevoer die geen contact heeft met de matrijswand. Eenmaal bovenaan, stroomt het medium langs de buitenwand van die centrale toevoer weer weg en maakt het zo contact met de kern (figuur 2.8). Figuur 2.7: Dubbele baffle voor koelen van kern

Verder zijn er nog andere mogelijkheden voor het koelen van kernen, zoals het werken met heat pipes en luchtkoeling, spiraalvormige koeling en het werken met CuBe legeringen als inserts voor een betere warmteafvoer.

Figuur 2.8: Bubbler voor het koelen van een kern

2.2.3.2 K OELMIDDEL Traditioneel gebruikt men water voor het koelen van de spuitgietmatrijs. Sommige kunststoffen en toepassingen vragen echter een extreem hoge of lage matrijswandtemperatuur. Om dit te bereiken dienen speciale koelmedia toegepast te worden die het mogelijk maken om een vlotte circulatie van het koelmiddel toe te laten. Om op hoge temperaturen te werken, kan men olie gebruiken als koelmiddel.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 24 Masterproef Een andere mogelijkheid is water op hoge druk, waardoor het nog geen stoom wordt bij temperaturen hoger dan 100 °C. Hierbij moet wel opgepast worden dat er geen lekken ontstaan, het water zou dan onder atmosferische omstandigheden snel in stoom omgevormd worden. Om temperaturen rond het vriespunt en daaronder te verkrijgen, kan men gebruik maken van glycol, zoals dat het geval is van het koelwater in een wagen. Hoe lager de temperatuur, hoe meer glycol toegevoegd moet worden.

2.2.4 KOELGEOMETRIE Om een uniforme koeling te verkrijgen met de koelkanalen, is het noodzakelijk dat deze niet te dicht, maar ook niet te ver van de matrijswand en van elkaar liggen. Hoe verder de kanalen van elkaar, hoe groter de matrijswandtemperatuur zal variëren hiertussen. Om uniform te blijven, moeten deze zo dicht mogelijk liggen. Afhankelijk van de diameter zal men de koelkanalen op een bepaalde afstand van elkaar leggen (figuur

Figuur 2.9: Ligging en schikking koelkanalen

2.9). Iedere instelling en auteur heeft zo zijn regels voor de afstanden hiervoor: -

(Rees, 2002): B 2,5 – 3,5 x diameter en C 0,8 – 1,5 x afstand B

-

(Van Hoye): B 3 – 5 x diameter en C 1,5 – 2,5 x diameter

-

(Wylleman, 2008): B 2 – 5 x diameter, C 1 – 5 x diameter

Het is duidelijk dat hierover geen uniforme richtlijn bestaat. Om toch een idee te hebben van de koelfout die je maakt door de afstanden die je neemt, is er volgende empirische formule:

𝑗 = 2,4. 𝐵𝑖

0,22

𝐵 . 𝐶

2,8.𝑙𝑛

𝐵 𝐶

%

met Bi het Biot getal. Dit getal is een dimensieloos getal dat de verhouding tussen geleidings- en convectieve warmteoverdracht weergeeft. Deze koelfout is een richtlijn voor het gebruikte materiaal. Zo moet het tussen de 2,5 en 5 % liggen voor semi – kristallijne materialen en tussen de 5 en 10 % voor amorfe kunststoffen. Hierbij moet opgemerkt worden dat deze formule geldig is voor vlakke wanden.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


2.3 WARMTEBALANS SPUITGIETMATRIJS Er zijn verschillende warmtestromen in de matrijs. De een voert warmte af, een andere brengt warmte in. Het doel van het opstellen van een warmtebalans is het bepalen van de hoeveelheid warmte die door het koelwater afgevoerd wordt.

2.3.1 WARMTEBALANS De warmte die moet afgevoerd worden door het koelwater is te berekenen via de formule: 𝑄𝑇𝑀 = 𝑄𝐹 + 𝑄𝐻 − 𝑄𝐾 − 𝑄𝑠𝑡𝑟 − 𝑄𝐿 Deze termen worden visueel voorgesteld in figuur 2.10. Een overzicht van de verschillende termen volgt in de volgende punten.

Figuur 2.10: Overzicht warmtestromen in een matrijs

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


2.3.2 WARMTE AFGEGEVEN AAN MATRIJS GEDURENDE AFKOELING 𝑄𝐹 De warmte die afgevoerd wordt tijdens de koeltijd berekenen we via: 𝑄𝐹 =

∆𝑕. 𝜌𝑚 . 𝑉 𝑡𝑘

Hierin is: -

∆𝑕: het enthalpieverschil van de kunststofmassa tussen de start van de koeling en het einde ervan. Dit is dus tussen de temperatuur van de smelt en de gemiddelde ontvormingstemperatuur. Deze data is voor iedere kunststof anders, voor een overzicht tussen de amorfe en semi – kristallijne materialen verwijs ik naar figuur 2.11

𝐽 𝑘𝑔 𝑘𝑔

-

𝜌𝑚 : de volumieke massas van de kunststofsmelt

-

𝑉: totaal volume van de kunststofsmelt = alle holtes + runners + aanspuiting [m³]

-

𝑡𝑘 : koeltijd van de cyclus [seconden]

𝑚³

Figuur 2.11: Enthalpieverlopen van verschillende kunststofsoorten

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


2.3.3 VERMOGEN TOEGEVOERD DOOR HOTRUNNER 𝑄𝑕 Het vermogen dat toegevoerd wordt via de hotrunner moet enkel in rekening gebracht worden bij een hotrunner aanspuiting. Het vermogen is dan wat de manifold, nozzles en aanspuitbus effectief verbruiken.

2.3.4 WARMTEAFGIFTE VAN DE MATRIJS DOOR CONVECTIE 𝑄𝑘 De warmtestroom die door convectie weggaat van de matrijs is te berekenen via: 𝑄𝑘 = 𝐴𝑠 . 𝛼𝐿 . 𝜃𝑊𝐴 − 𝜃𝑈 Met hierin: -

𝐴𝑠 : Het totale oppervlak van de zijwanden van de matrijs [m²]

-

𝛼𝐿 : De warmteoverdrachtscoëfficiënt naar lucht [grootorde 15 – 50

-

𝜃𝑊𝐴 − 𝜃𝑈 : Temperatuursverschil tussen de buitenwand van de matrijs en de omgeving. Om de

𝑊 𝑚 2𝐾

]

temperatuur van de buitenwand van de matrijs te bepalen via de koelwatertemperatuur, gebruikt men de grafiek die te zien is in figuur 2.12 [°C]

Figuur 2.12: Bepaling van buitenwandtemperatuur

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


2.3.5 WARMTEAFGIFTE DOOR STRALING 𝑄𝑠𝑡𝑟 Om de afgifte van stralingswarmte van de matrijs te bepalen, gebruikt men volgende formule: 𝑄𝑠𝑡𝑟 = 𝐴𝑠 . 𝜀. 𝐶𝑠 𝑇𝑊𝐴 4 − 𝑇𝑈 4 Met hierin: -

𝐴𝑠 : Het totale oppervlak van de zijwanden van de matrijs [m²]

-

𝜀: De emissiefactor: dit is 0,25 voor een glanzend, gepolijst oppervlak en 0,8 voor een matrijs in productie 𝑊

-

𝐶𝑠 : De stralingscoëfficiënt van het zwarte lichaam= 5,67. 10−8

-

𝑇𝑊𝐴 : absolute temperatuur van de buitenwand van de matrijs [°K]

-

𝑇𝑈 : absolute omgevingstemperatuur [°K]

𝑚 2 .𝐾 4

2.3.6 WARMTESTROOM DOOR GELEIDING VIA DE OPSPANPLATEN De warmtestroom die via geleiding langs de opspanplaten naar de machine gaat, wordt gevonden via: 𝑄𝐿 = 𝐴𝐴 . 𝛽. 𝜃𝑊𝐴 − 𝜃𝑈 Met hierin: -

𝐴𝐴 : Oppervlak van de beide opspanplaten van de matrijs [m²]

-

𝛽: warmteoverdrachtscoëfficiënt: Deze is afhankelijk van het materiaal van de opspanplaat en van de dikte van de isolatieplaat

-

𝑊 𝑚 2 .𝐾

𝜃𝑊𝐴 − 𝜃𝑈 : Temperatuursverschil van de matrijs en de omgeving [°K]

2.4 INFRAROOD THERMOGRAFIE Het infrarood spectrum maakt deel uit van het elektromagnetisch spectrum, met een golflengte van 0,9 tot 14 µm. Een object kan op drie mogelijke manieren omgaan met straling: -

Uitstraling: 𝜏

-

Energie absorptie: 𝛼

-

Omliggende straling reflecteren: 𝜌

De totale warmtestraling kan daarmee berekend worden volgens onderstaande formule:

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 29 Masterproef 𝑊 =𝛼∗𝑊+𝜌∗𝑊+𝜏∗𝑊 Hierin is 1 = 𝛼 + 𝜌 + 𝜏 Indien 𝛼, of de emmesiviteit 𝜀 volgens de wet van Kirchhoff, gelijk is aan 1, dan is het geobserveerd object een zwart lichaam, die een perfecte absorbeerder en emmiter is. In de realiteit zijn er geen perfecte absorbeerders, reflectoren of transmitters, maar sommigen komen dicht in de buurt van deze eigenschappen. De totale energie uitgestraald door een voorwerp is beschreven volgens de wet van Stefan – Boltzmann: 𝑊 = 𝑇4 ∗ 𝜍 ∗ 𝜀 Met hierin: -

T: de temperatuur van het object [°C]

-

𝜍: de Stefan – bolzmann’s constante 5,67 ∗ 10−8

𝑊 𝑚 2 ∗𝐾 4

Een IR camera ontvangt straling van drie bronnen: -

Stralingsemmissie van het geobserveerd object

-

Straling van omliggende objecten die weerkaatsen op het oppervlak van het object

-

Straling uitgaande van de atmosfeer

Om nu een correct warmtebeeld te kunnen vormen van het doelobject, moet er rekening gehouden worden met de emmessiviteit van het object 𝜀, atmosferische omstandigheden en temperatuur, alsook de omliggende omgeving.

2.5 BOX – AND WHISKERPLOT Een statistische tool die later gebruikt zal worden in verwerking van de meetresultaten, is het gebruik van een Box – and Whiskerplot, kortweg boxplot (figuur 2.13).

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


Figuur 2.13: Boxplot met aanduiding van de verschillende onderdelen (Liebschner, 2007)

In de beschrijvende statistiek is een boxplot een grafische weergave van de vijf-getallensamenvatting. Deze vijf-getallensamenvatting bestaat uit het minimum, het eerste kwartiel, de mediaan (of tweede kwartiel), het derde kwartiel en het maximum van de waargenomen data. Een boxplot is daarmee een weliswaar sterk vereenvoudigde, maar zeer bruikbare, voorstelling van de verdeling van de data. Valt een getal die geanalyseerd werd buiten de grenzen van de boxplot, dan wordt dit een uitschieter genoemd. Dit betekent dat ze een statistisch te grote afwijking hebben van de rest van de data en ze kunnen bijgevolg verwisseld worden met andere data.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


3 VO O R B E R E ID IN G V AN DE T E S T E N Om de invloeden van de koelparameters te kunnen testen op de vormkoeling, werden eerst een aantal stappen vastgelegd inzake product, parameters, op te meten grootheden, matrijs, machine, tijd, … Wat hierop volgt is het overlopen van deze stappen die ik tijdens mijn masterproef heb aangenomen. Telkens worden dan ook de verschillende onderdelen en keuzes verantwoord.

3.1 BEHANDELING PARAMETERS De vormkoeling van een product hangt af van vele factoren. Eerst moet echter vermeld worden wat vormkoeling allemaal inhoudt om de verschillende invloeden erop te kunnen bespreken. Figuur 3.1 geeft aan wat de verschillende parameters dan weer zijn die er vergeleken en behandeld zullen worden.

Koelwatertemperatuur

Nadruk

Diameter koelkanalen Behandelde parameters

Belangrijkste parameters

Onbehandelde parameters

Injectietemperatuur en debiet

Debiet koelwater Afstand tot gate en aantal gates

Materiaal

Andere Drukval

Figuur 3.1: Schema van de belangrijkste parameters

3.1.1 VORMKOELING ~ KRIMP Bij vormkoeling wordt vooral gesproken over het begrip krimp. Krimp is het samentrekken van de kunststof tijdens en na het inspuiten en koelen. De afmetingen die gevormd worden in de holte zullen bijgevolg altijd groter zijn dan de afmetingen van het product die eruit komt. Krimp moet zo veel mogelijk onder controle en binnen de perken gehouden worden. Dit kan al gebeuren in de ontwerpfase, door bijvoorbeeld overal gelijke wanddikte te nemen of rechte vlakken te vermijden. Soms echter zijn

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 32 Masterproef bepaalde ontwerpen niet te veranderen en moet men de parameters van het proces zo optimaal mogelijk instellen om de vorm die men wil bekomen zo goed mogelijk te benaderen. Dit kan bijvoorbeeld door de nadruk aan te passen, de temperatuur van de smelt te veranderen of door een betere koeling te voorzien. Verder is krimp sterk afhankelijk van de gebruikte kunststof. Een voorspelling van de krimp die zal optreden is zeer moeilijk (omwille van de vele factoren die er bij komen kijken zoals matrijsvaste en niet matrijsvaste maten, matrijstemperatuur, omgevingsinvloeden, …) en kan niet zomaar met een getal bestempeld worden voor iedere kunststof. Men kan wel zeggen welke kunststoffen veel of weinig zullen krimpen, maar hoeveel precies is van vele factoren afhankelijk. Het is daardoor moeilijk om functionele maten goed te benaderen als de krimp onbekend is. De matrijs wordt gemaakt met een overmaat en op basis van ervaring en simulatie hoopt men dan de correcte maten eruit te krijgen. Er zijn 3 soorten krimp: volumetrische, lineaire en anisotrope krimp. Volumetrische krimp houdt in dat het volume van de massa kunststof afneemt, terwijl de lineaire krimp voornamelijk de krimp weergeeft van de afmetingen. Een analyse in Autodesk Moldflow Insight ® is enkel in staat de volumetrische krimp te berekenen, waardoor het moeilijk wordt om de afmetingen na koeling te voorspellen. Anisotrope krimp tenslotte is het verschijnsel waarbij de krimp op verschillende plaatsen in de matrijs en in de verschillende richtingen kan variëren.

3.1.2 BEHANDELDE PARAMETERS Er zijn vijf parameters die worden aangepast bij het onderzoeken van de situatie: koelwatertemperatuur, diameter koelkanalen, debiet koelwater, gebruikte kunststof en koelsituatie. 3.1.2.1 K OELWATERTEMPERATUUR De koelwatertemperatuur aanpassen levert een andere matrijswandtemperatuur op. Hoe lager deze ligt, hoe groter de koelsnelheid zal zijn door het grotere temperatuursverschil met de net ingespoten kunststofmassa. Een grotere koelsnelheid heeft zowel positieve als negatieve gevolgen. Het positieve ervan is dat de cyclustijd omlaag gaat en er sneller geproduceerd kan worden. Aan de andere kant zorgt de lagere matrijswandtemperatuur voor grotere krimpverschillen en kan het product mogelijk niet meer voldoen aan de voorop gestelde normen. Het is bijgevolg zoeken naar een goede combinatie tussen de twee.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 33 Masterproef 3.1.2.2 D IAMETER KOELKANALEN Het vergroten van de diameter heeft voornamelijk zijn invloed op de graad van turbulentie (Reynolds getal). Verder zorgt het ervoor dat er meer contact is van het koelwater met de matrijs, waardoor er meer en sneller warmte kan afgevoerd worden. Het hangt bijgevolg ook samen met de afkoelsnelheid. Zo zal de diameter zijn invloed hebben op zowel koelsnelheid en krimp als koeltijd. 3.1.2.3 D EBIET KOELWATER Het debiet van het koelwater heeft bij een stijging een verhoging van de turbulentie, wat opnieuw betere koeleffecten geeft. Hoe hoger het debiet, hoe sneller de warmte kan afgevoerd worden. Het debiet verhogen is echter in de meeste gevallen onmogelijk doordat er een vast debiet is dat geleverd wordt via het circuit dat aanwezig is in de fabriek. 3.1.2.4 G EBRUIKTE KUNSTSTOF Amorfe en semi – kristallijne kunststoffen hebben een groot verschil in hoeveelheid warmte die ze moeten opnemen om op een bepaalde temperatuur te komen. Zo zal een amorfe kunststof (bv. Polystyreen) een kleinere hoeveelheid warmte nodig hebben om op de optimale smelttemperatuur te komen dan bijvoorbeeld een semi – kristallijne Polypropyleen. Dit komt door de kristallijne structuur ervan die meer warmte nodig heeft om vrij te gaan bewegen en bijgevolg te smelten. Dit is van belang voor de koeling, waarbij alle warmte die erin werd gestoken, er opnieuw uit moet om te dalen in temperatuur. De amorfe kunststoffen zullen dan weer sneller afkoelen door de lagere energie - inhoud. Dit alles is te zien in figuur 3.2. Daarbij komt nog eens dat semi – kristallijne materialen meer krimpen omwille van het vormen van de dichtere kristallijne structuur tijdens het koelen. Amorfe polymeren krimpen voor het grootste deel door de daling in temperatuur en het dichter opeen komen van de kettingen door de verminderde energietoestand. Over het algemeen zijn kunststoffen en thermoplasten zeer slechte warmtegeleiders en koelen ze zeer traag af. 3.1.2.5 D RUKVAL De laatste parameter die onderzocht zal worden is de koelsituatie. Hiermee wordt bedoeld wat de invloed is van de afstand vanwaar het koelwater komt tot de matrijs. Zo wordt meestal gewerkt met een collector die aan de zijkant van de machine hangt, waaruit koelslangen van diameter 12 mm naar de matrijs lopen. Zo heb je echter wel slangen van 4 à 5 m nodig die een niet te onderschatten drukval kunnen geven. Om te onderzoeken of dit veel invloed heeft op het koelvermogen, wordt het vergeleken Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 34 Masterproef met een situatie waarin een collector aan de matrijs hangt en zo met korte slangen koelcircuits maakt met de matrijs. Deze collector wordt vooral toegepast bij grote matrijzen, waar ingewikkelde aansluitingen aanwezig zijn. Het voordeel ervan is dat enkel een grote in – en uitgaande slang moet aangesloten worden op deze collector om zo voor het koelwater te zorgen. De rest van de slangen kan op de matrijs blijven zitten.

3.1.3 ONBEHANDELDE PARAMETERS Er zijn een hoop parameters die een invloed hebben op de vormkoeling/krimp. Hieronder een overzicht van enkele van deze parameters die niet aan bod komen in deze thesis. 3.1.3.1 N ADRUK Het nadrukniveau en de nadruktijd hebben voornamelijk hun invloed op de volumetrische krimp. Hoe hoger het nadrukniveau, hoe lager de volumetrische krimp. Maar hierbij moet opgepast worden dat het nadrukniveau niet te hoog wordt, want dit zorgt voor een grotere drukval. Hogere drukverschillen kunnen dan weer leiden tot grote krimpverschillen en vervorming van het product. 3.1.3.2 I NJECTIETEMPERATUUR Volgens het PVT - diagram (figuur 3.2) zou het verhogen van de injectietemperatuur leiden tot een grotere drukval, maar een hogere injectietemperatuur betekent dat de viscositeit verlaagt. Een verlaging van de viscositeit veroorzaakt een kleinere drukval langsheen de vloeiweg in de holte, wat uiteindelijk resulteert in kleinere krimpverschillen. Meestal zal dit de grootste invloed hebben op de krimp in de praktijk.

Figuur 3.2: PVT diagramma van een amorfe (links) en een semi – kristallijne kunststof (rechts)

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 35 Masterproef 3.1.3.3 A FSTAND TOT GATE EN AANTAL GATES Hoe verder de vloeiweg en de afstand tot de gate waarlangs de kunststof binnenstroomt in de holte, hoe groter de drukverschillen zullen zijn. Drukverschillen geven wederom aanleiding tot krimpverschillen. Het loont bijgevolg de moeite om de afstanden waarover de kunststof moet stromen binnen de perken te houden. Dit kan gebeuren door meerdere aanspuitpunten te plaatsen om zo de vloeiweg te beperken. 3.1.3.4 A NDERE Er zijn nog veel spuitgietparameters die een invloed hebben op de krimp en vorm van het product, zoals percentage glasvezel, wanddikte, …

3.2 ONDERZOCHTE PARAMETERS Er zijn drie belangrijke parameters die onderzocht zullen worden: ontvormtemperatuur, afmetingen en gewicht. Aan de hand van deze parameters wordt onderzocht wat de invloed is van de koelparameters op de vormkoeling.

3.2.1 ONTVORMTEMPERATUUR Aan de hand van de ontvormtemperatuur van de verschillende onderdelen is het mogelijk een vergelijking te doen naar hoe snel de warmte afgevoerd wordt van een stuk. Aangezien alle stukken met eenzelfde massatemperatuur ingespoten werden, is de ontvormtemperatuur een maat voor de afkoelsnelheid. Het vergelijken van de ontvormtemperatuur kan ook gelinkt worden aan een verandering van de cyclustijd. Zo betekent een daling in de ontvormtemperatuur voor eenzelfde cyclustijd, een snellere warmteafvoer, en bijgevolg een verbeterde koeling.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 36 Masterproef In figuur 3.3 is het verband weergegeven tussen de cyclustijd en de ontvormtemperatuur. Als via een verbetering van de koeling erin kan geslaagd worden om de ontvormtemperatuur te doen zakken, dan betekent dit dat de cyclustijd ook kan verlaagd worden. Hierdoor kan vroeger uitgestoten worden bij een voldoende lage ontvormtemperatuur. Bijvoorbeeld: als er in geslaagd wordt om de ontvormtemperatuur van 60 naar 50 °C te brengen, dan betekent dit dat de cyclustijd gereduceerd kan worden met vier seconden.

Ontvormtemperatuur (°C)

Verband cyclustijd en ontvormtemperatuur 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0

5

10

15

20

25

30

35 Cyclustijd (s)

Figuur 3.3: Grafiek die het verband weergeeft tussen ontvormtemperatuur en cyclustijd

3.2.2 AFMETINGEN Door een representatieve afmeting van het product op te meten en te vergelijken, kan men nagaan wat de invloed is van de koeling op de krimp. Bij het opmeten van de stukken moet rekening gehouden worden met eventuele nakrimp die het product ondergaat. Om de invloed van deze nakrimp uit te sluiten, werd minimaal 48u, vanaf het productietijdstip, gewacht alvorens de afmetingen te bepalen.

3.2.3 GEWICHT Eens de optimale procesparameters vastgelegd zijn, is het stukgewicht een constante i.f.v. de spuitgietcycli. Wanneer een instelling gewijzigd wordt, zal dit weerspiegeld worden in het stukgewicht. Door de vormkoeling van de matrijs te wijzigen zal de kunststofsmelt sneller of trager afkoelen/stollen. Aangezien nadrukken op gestolde kunststof geen extra materiaal in de matrijsholte brengt; heeft de vormkoeling een invloed op het stukgewicht.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


3.3 MATERIAALKEUZE Zoals eerder vermeld, valt de keuze op een amorf en een semi – kristallijn materiaal. In overleg met mijn promoteren Hendrik Baeke en Katrijn Sabbe, werden de verschillende kunststoffen overlopen die vaak gebruikt werden te Anziplast. Hierbij werd rekening gehouden met de kostprijs, alsook beschikbaarheid in de database van Moldflow om verdere simulaties mogelijk te maken. De keuze voor het semi – kristallijne materiaal was polypropyleen, namelijk PPC 7760. De datasheet hiervan is terug te vinden in bijlage 1. Dit is één van de vaakst gebruikte materialen te Anziplast en is ruim ter beschikking. Het is aanwezig in de database van Moldflow en is makkelijk te verwerken in het spuitgietproces. Als amorf polymeer werd gekozen voor een High Impact Polystyreen, Empera 524N. De datasheet van dit materiaal is terug te vinden in bijlage 2. Dit materiaal is terug te vinden in de database van Moldflow onder de vroegere handelsnaam Empera 514. Ook dit materiaal is makkelijk te spuitgieten. Onder makkelijk te verwerken verstaat men goeie vloei – eigenschappen, zodat de matrijsholte volledig te vullen is. Het product wordt namelijk ontworpen zonder rekening te houden met al dan niet volledig vullen van de holte. Een kunststof met lage viscositeit is bijgevolg aangeraden. Bij het materiaal wordt geen batch of kleur toegevoegd, om het later te kunnen recycleren. De teststukken hebben geen commerciële doeleinden en worden na de metingen gegrind en hergebruikt. Het toevoegen van een kleurpigment maakt het moeilijk om opnieuw te gebruiken.

3.4 AANLOOP TOT PRODUCT – EN MATRIJSKEUZE Na het voltooien van een grondige literatuurstudie, werd overlegd te Anziplast Tavernier over hoe de testen nu moeten aangepakt worden. Eerste voorstellen waren om een bestaande matrijs te gebruiken die al in de matrijsopslag ligt. Dit voorstel werd echter al snel te niet gedaan omdat hier geen matrijsaanpassingen meer aan mogelijk zijn (bijvoorbeeld voor de diameter van de koelkanalen). Eerst werd bekeken hoe de matrijs ingedeeld zou moeten worden. Al vlug werd hierbij geopteerd om een grote matrijs te nemen met vier caviteiten. De vier holtes zouden dan apart afsluitbaar zijn, wat een keuze geeft in het maken van een bepaald product. Zo kan de ene holte een vorm bevatten met bijvoorbeeld scherpe hoeken, de andere een plat stuk bevatten en nog een andere holte kan dan weer met opstaande ribben zijn. Een andere keuze van holte was het nemen van u – profielen die een

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 38 Masterproef verschillende wanddikte hebben. Zo kan bijvoorbeeld een u – profiel genomen worden met twee dikke opstaande ribben en een dunne basis of omgekeerd. Ook kan zo een profiel gemaakt worden die overal dezelfde wanddikte heeft. De keuze voor een U – profiel ligt in het feit dat het enerzijds veel rechte vlakken bevat. Deze zijn gevoelig voor kromtrekken bij een slechte koeling. Verder heeft een u – profiel ook twee rechte hoeken, die moeilijk te koelen zijn. Daarbij komt dan nog dat het kromtrekken van de opstaande ribben goed op te meten is. De keuze om een grote matrijs te maken met vier verschillende holtes werd al snel achterwege gelaten vanwege enerzijds tijdsgebrek en anderzijds te grote kosten. De matrijs moest al redelijk groot zijn om vier producten te kunnen bevatten die al van zodanige grootte zijn, dat de krimp er duidelijk op te zien is. Verder is een grote spuitgietmachine nodig, die een voldoende klemkracht en inbouwhoogte ter beschikking heeft. Het gebruik van deze machines is dan ook een duurdere aangelegenheid, vooral omdat het testproduct geen inkomsten zal genereren. In figuur 3.4 is een overzicht te zien van de verschillende mogelijkheden van matrijzen tot nu toe.

Matrijs aanwezig te Anziplast

Matrijsconcept

Matrijs lenen van andere instantie

4 caviteiten

Matrijs aanmaken Enkelvoudige holte

Figuur 3.4: Overzicht van de verschillende mogelijke matrijsconcepten

De uiteindelijke keuze viel dan op een matrijs met 1 caviteit. Om toch verschillende wanddiktes te kunnen maken, werd aan een concept bedacht waarbij drie mogelijke situaties voor ogen waren: dikke opstaande ribben en dunne basis, dunne opstaande ribben en dikke basis; en overal een gelijke wanddikte. Deze configuratie kon op twee manieren bereikt worden in éénzelfde matrijs: ofwel via verwisselbare kern ofwel via materiaal afnemen. Omdat bij het materiaal afnemen er geen materiaal

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 39 Masterproef meer bijgezet kan worden, werd een verwisselbare kern bekeken. Deze kan door het intact laten van de holte, toch een verschillende wanddikte geven aan het u – profiel. Na de voor – en nadelen te overwegen, alsook de verschillende mogelijkheden, werd uiteindelijk beslist om de wanddikte overal gelijk te houden, namelijk op 3 mm. Dit is een relatief dikke wand bij het spuitgieten en heeft de zekerheid van een goeie vloei voor de verschillende materialen.

3.5 PRODUCTONTWERP Zoals eerder vermeld worden de testen gedaan op een U - profiel. Maar aan welke eigenschappen moet dit profiel voldoen? En hoe moet het dus ontworpen / gemaakt worden om een zo goed mogelijk testresultaat te bekomen?

3.5.1 EISEN Om een aantal eisen te stellen aan het product, moet we ons eerst afvragen wat het allemaal moet kunnen. Het is duidelijk dat het hier niet om een gebruiksvoorwerp zal gaan, maar puur om een testvoorwerp, dat weergeeft wat de invloed van de koeling erop is. Hieruit volgt een eerste eis: het moet een duidelijke krimp geven in functie van de veranderde koelinstellingen. Een tweede eis hangt samen met de materiaalwissels. Om het te laten spuitgieten met verschillende materialen, moet het een te makkelijk te vullen holte zijn. Hierbij is het type aanspuiting natuurlijk ook belangrijk, alsook de machine. Echter door de keuze te maken om met een globale wanddikte van 3 mm te werken, zal het product met praktisch alle materialen goed te vullen zijn. Ten derde wordt er van verwacht dat het testproduct een afmeting heeft (en liefst meerdere) die een indicatie geven voor de krimp. Een vierde eis vraagt om het product binnen de afmetingen van de matrijs te houden. Om de kostprijs te drukken, wordt de matrijs in Anziplast Tavernier zelf gemaakt. Hiervoor moeten natuurlijk eerst de juiste matrijsplaten besteld worden. Het product moet dan gemaakt worden om binnen de afmetingen van de platen te blijven. Verder volgt nog welke matrijsplaten worden genomen en wat de afmetingen van het product zullen zijn.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


3.5.2 AFMETINGEN VAN HET UITEINDELIJKE PRODUCT De afmetingen van het uiteindelijke product werden gekozen zodat ze groot genoeg waren om te meten, maar klein genoeg om in een beperkte matrijs te plaatsen. Hoe groter het product dat moest gemaakt worden, hoe groter de matrijsplaten moeten zijn. Ook moesten de afmetingen beperkt worden om het volume kunststof niet te groot te maken. Omdat het geen commerciële waarde heeft, moet er zo gunstig mogelijk met het materiaal omgesprongen worden. De uiteindelijke afmetingen zijn terug te vinden in bijlage 3. Er werd voor een standaard ontvormingshoek gekozen van 3°. De afrondingen die aan de zijkant terug te vinden zijn, maken het mogelijk om de matrijs intern te maken. Scherpe hoeken in het matrijsontwerp vragen voor draadvonken, wat niet mogelijk is bij Anziplast. De afrondingen zijn aangepast aan de CNC – freesmachine die er aanwezig is.

3.6 MATRIJSONTWERP De matrijs werd gemaakt bij Anziplast Tavernier zelf, in de matrijswerkplaats door Jurgen Vermaut. De platen die hij hiervoor gebruikte, zijn platen besteld via DME Quickship.

3.6.1 AFMETINGEN PLATEN De platen werden gekozen op eerdere afmetingen van het product, zodanig dat het product er net mooi in past. Hierbij wordt vooral rekening gehouden met de grootste afmetingen, alsook met de koelkanalen. Deze moeten kunnen aangepast worden in diameter en mogen bijgevolg niet te ver, maar ook niet te dicht bij de matrijswand. Er zijn meerdere plaatafmetingen mogelijk (zie figuur 3.5) binnen de catalogus. Met de eerdere schetsen en afmetingen die gekozen werden, werd gekozen voor platen met afmeting 196 x 196, waarin het product past volgens de eerder gekozen afmetingen ervan. De reden hiervoor is de mogelijkheid om zoveel mogelijk koelkanalen rond het product te kunnen leggen.

Figuur 3.5: Mogelijke plaatkeuzes uit DME Quickship catalogus

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 41 Masterproef De belangrijkste platen naar hoogte toe zijn de twee vormplaten. Er werd gekozen om een kern te nemen die op de beweegbare vormplaat zal geplaatst worden. Dit betekent dat de vaste vormplaat minstens even hoog moet zijn als de hoogte van het U – profiel plus de aanspuiting. Er zal echter nog een klein stuk van de aanspuiting in de opspanplaat zitten. Omdat het profiel 50 mm hoog is, wordt een vaste vormplaat gekozen met hoogte 76 mm, met een vaste opspanplaat van 22 mm hoog. Zo kan een conische aanspuiting voorzien worden van 48 mm lang. De beweegbare vormplaat heeft een hoogte van 36 mm. Hierin is plaats voor het koelcircuit van de kern, maar deze plaat biedt ook een extra ondersteuning voor de inspuitdruk. Wanneer voor een te dunne vormplaat gekozen wordt, bestaat de kans dat deze te veel gaat doorbuigen onder de grote spuitdruk. Een laatste matrijsplaat die naar hoogte moest gekozen worden, zijn de risers. Dit zijn de platen waartussen de uitstootplaat en meeneemplaat bewegen. De risers moeten hoog genoeg zijn voor de uitstoters. De lengte van de uitstoters wordt bepaald door enerzijds de lengte van de uitstootweg (meestal de hoogte van het product) en de hoogte van de beweegbare vormplaat. Aangezien dit 50 mm plus 36 mm is, moeten de uitstoters minimaal 86 mm lang zijn. In de catalogus zijn de platen te kiezen in hoogtes 57, 77 en 97mm. Op deze manier wordt gekozen voor risers met een hoogte van 97 mm. De andere platen werden genomen volgens de standaardafmetingen die in de catalogus vermeld staan. In figuur 3.6 is een CAD – model van de volledige matrijs te zien (screenshot uit NX 6.0). Vaste opspanplaat

Vaste vormplaat Beweegbare vormplaat

Riser

Uitstootpakket

Beweegbare opspanplaat Figuur 3.6: CAD model van de matrijs

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


3.6.2 MATRIJSMATERIAAL Het materiaal dat gebruikt wordt heeft als eisen dat het warmte goed kan geleiden en dat het makkelijk te verspanen is. Standaard warmtegeleidingscoëfficiënten voor matrijsmateriaal ligt rond de 30 – 50

𝑊 . 𝑚 .𝐾

Echter voor de platen van DME Quickship zijn maar twee mogelijke materialen: staal 1.1730 en Toolox 𝑊

33. Staal 1.1730 heeft als eigenschappen dat het een goede geleidbaarheid heeft van 44,9 𝑚 .𝐾 en dat het een hard oppervlak heeft met een taaie kern. Toolox 33 daarentegen heeft een laag carbide gehalte, waardoor het goed verspaanbaar is. Verder heeft het een warmtegeleidbaarheid van 35

𝑊 . 𝑚 .𝐾

Omdat staal 1.1730 ook nog een goede verspaanbaarheid heeft, werd gekozen voor dit materiaal als matrijsmateriaal. Een tweede reden voor de keuze van dit materiaal is de betere geleidbaarheid voor warmte, waardoor er een betere koeling zal plaats vinden. De laatste reden voor de keuze van dit materiaal is de lagere kostprijs per matrijsplaat.

3.6.3 KOELING De koeling werd ontworpen vooraleer de uitstoters geplaatst worden. De standaard manier van werken is eerste de uitstoters ontwerpen en daarna de koeling plaatsen waar het mogelijk is. Aangezien dit project zich focust op de vormkoeling werd de aanpak omgedaaid en werd eerst een koeling ontworpen, om daarna uitstoters te plaatsen waar mogelijk. Een eerste probleem waarmee rekening moet gehouden worden, is de eis van het aanpassen van de diameters. Om dit te kunnen verwezenlijken, moet voldoende plaats aanwezig zijn in de matrijs om niet alleen grotere diameters te kunnen voorzien, maar ook om nog voldoende stevigheid te hebben. Ongeacht de diameter van een koelkanaal moet er een minimum dikte van 6 mm zijn van het staal. Daarom werden de koelkanalen gelegd zodat er van diameter 7 naar diameter 10 kan geboord worden. Een probleem dat hierbij optreedt is het feit dat de kanalen bij het uitboren dichter tegen de wand komen te liggen. Dit zorgt ervoor dat de warmte die door de matrijs moet gaan van de holte naar het koelkanaal een kleinere afstand moet afleggen. Hierdoor zal een verschillende koeling plaats vinden. Om dit te voorkomen waren twee voorstellen: excentrisch boren of holte aanpassen. Al snel werd duidelijk dat een holte aanpassen zodat de wand dikker wordt, zo goed als onmogelijk is. Na kort onderzoek bleek ook de tweede mogelijkheid zo goed als onmogelijk. Standaard wordt concentrisch geboord (waarbij het middelpunt van de nieuwe boring op hetzelfde punt ligt als de voorgaande boring), maar nu is het nieuwe middelpunt opgeschoven. Voor het uitboren van kleine naar grote diameters zou dit geen

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 43 Masterproef problemen mogen geven (bijvoorbeeld van 7 naar 15 mm), maar in het geval waarmee we hier mee te maken hebben is het zo goed als onmogelijk. Bijgevolg wordt er bij de dichtere plaatsing van de koelkanalen neergelegd en zal de diameter verandering concentrisch gebeuren, waarbij het koelkanaal iets dichter bij de matrijswand komt te liggen. Er werden vijf circuits aangelegd, zoals te zien is op figuur 3.7. De opening van de matrijs gebeurt in de richting van de pijlen. Circuit 1 loopt van de voet van de kern naar boven, tot in de hoeken, om daarna terug te gaan naar beneden. Een groot deel ervan zit in de beweegbare matrijsplaat. Circuit 2 wordt via metalen verlengkoppelingen verbonden met de kern, om er dwars door te lopen. De overige 3 circuits worden gewoon aangesloten op de vaste matrijsplaat en lopen er dwars door. Deze schikking heeft als voordelen dat het water er dwars door kan lopen en bijgevolg weinig drukval ondervindt, maar ook omdat het makkelijk aan te passen is voor latere diameter vergrotingen. Verder werden er zoveel mogelijk koelkanalen rond gelegd, zodat een optimale koeling voorzien is voor het product. Hoe meer mogelijkheid tot warmteafvoer, hoe duidelijker de effecten van een efficiënte koeling worden.

Figuur 3.7: Ligging verschillende koelkanalen (2D en 3D)

3.6.4 AANSPUIITING De aanspuiting werd bepaald volgens de hoogte die er nog aanwezig was in de vaste matrijshelft, alsook volgens de wanddikte. De kleinste doorstroomopening (ingaande diameter d1) moet gelijk zijn aan of net iets kleiner dan de wanddikte. Verder moest de aanspuitkop verkrijgbaar zijn bij de DME catalogus, zodat deze samen met de matrijsplaten kon besteld worden.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


Figuur 3.8: Aanspuiting uit DME Catalogus

Type aanspuiting: AGN 26-2, 5 – R40 Sprue Bushing -

L: 36 d1: 2,5 D: 38 d2: 18 l1: 20 @: 3° series 16

3.7 MACHINEKEUZE EN SPUITGIETPARAMETERS De keuze van de machine wordt bepaald door de verschillende eigenschappen en berekeningen die gemaakt zijn voor het profiel. Voor het bepalen van de verschillende parameters zoals inspuitvolume, sluitkracht, openloopweg, enzovoort… zijn er twee mogelijkheden. Enerzijds is er de theoretische manier met vuistregels (bron: Anziplast en KHBO) en via simulatie in Moldflow.

3.7.1 THEORETISCHE BEREKENING Allereerst wordt gekeken wat de verschillende groottes en eigenschappen zijn van het product: -

Volume = 56,73 𝑐𝑚3

-

Geprojecteerd oppervlak = 95,53 𝑐𝑚2

-

Dikste wanddikte = 3 mm

-

Box = 88 x 110 x 50 mm

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 45 Masterproef Hierin is het geprojecteerd oppervlak de grootte van het oppervlak geprojecteerd op het sluitvlak en de box de afmetingen van de kleinst mogelijk doos die rond het product te vormen is om in te pakken. Aan de hand van de matrijsgrootte (zie eerder: ‘matrijsontwerp’) is het mogelijk de plaats die de matrijs gaat innemen in de machine te berekenen. Allereerst is er de openloopweg of uitstootweg. Dit is de lengte die de beweegbare matrijshelft moet afleggen om de matrijs volledig en voldoende open te krijgen. Onder voldoende wordt verstaan dat het product op een vlotte en eenvoudige manier moet kunnen worden uitgestoten. Om deze te bepalen, wordt volgende formule toegepast: 𝑂𝑝𝑒𝑛𝑙𝑜𝑜𝑝𝑤𝑒𝑔 = 2 ∗ 𝑕𝑜𝑜𝑔𝑡𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡 + 𝑟𝑜𝑏𝑜𝑡𝑕𝑜𝑜𝑔𝑡𝑒 ∗ 𝑣𝑒𝑖𝑙𝑖𝑔𝑕𝑒𝑖𝑑 = 2 ∗ 50 𝑚𝑚 + 100 𝑚𝑚 ∗ 1,2 = 240 𝑚𝑚 Na deze berekening wordt al een eerste keer vergeleken met het aanwezige machinepark van Anziplast, naar machines die een minimale openloopweg hebben van 240 mm. Samen met de matrijsafmetingen bleek dat een 30 ton machine al voldoende was. Echter dit criterium is nog niet voldoende voor de bepaling van de machine. Er moet ook gekeken worden of de geselecteerde machine een voldoende groot spuitvolume kan geven. Het volume van het product was al eerder gekend, er moet enkel nog een volume aanspuiting bijgeteld worden. Deze wordt berekend met de fomule voor de berekening van een cilinder, ook al is de aanspuitkegel conisch. De mogelijkheid voor het inspuiten van extra volume is een soort van veiligheid. 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑎𝑎𝑛𝑠𝑝𝑢𝑖𝑡𝑖𝑛𝑔 =

(0,836 𝑐𝑚)2 ∗ 𝜋 ∗ 5,6 𝑐𝑚 = 12 𝑐𝑚3 4

Het totaal volume dat moet ingespoten worden is bijgevolg: 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑎𝑙 𝑡𝑒 𝑖𝑛𝑗𝑒𝑐𝑡𝑒𝑟𝑒𝑛 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑘𝑢𝑛𝑠𝑡𝑠𝑡𝑜𝑓 = 56,73 𝑐𝑐 + 12 𝑐𝑐 = 68,73 𝑐𝑐 De berekening van de sluitkracht wordt gebaseerd op de theorie van de verhouding van de langste vloeiweg ten opzichte van de wanddikte. 𝐿𝑎𝑛𝑔𝑠𝑡𝑒 𝑣𝑙𝑜𝑒𝑖𝑤𝑒𝑔 = 65 𝑚𝑚 + 50 𝑚𝑚 = 117 𝑚𝑚 𝐾𝑙𝑒𝑖𝑛𝑠𝑡𝑒 𝑤𝑎𝑛𝑑𝑑𝑖𝑘𝑡𝑒 = 3 𝑚𝑚

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

𝑉𝑊 = 39 𝑊𝐷

Anziplast Tavernier NV 46 Masterproef Uit tabellen (bron: Anziplast) valt af te leiden dat voor dergelijke vloeiweg op wanddikte verhoudingen een spuitdruk nodig is van ongeveer 350 bar. Hiermee berekent men vervolgens de benodigde sluitkracht, via volgende formule: 𝑆𝑙𝑢𝑖𝑡𝑘𝑟𝑎𝑐𝑕𝑡 =

𝐺𝑒𝑝𝑟𝑜𝑗𝑒𝑐𝑡𝑒𝑒𝑟𝑑 𝑜𝑝𝑝𝑒𝑟𝑣𝑙𝑎𝑘 ∗ 𝑖𝑛𝑠𝑝𝑢𝑖𝑡𝑑𝑟𝑢𝑘 ∗ 𝑣𝑒𝑖𝑙𝑖𝑔𝑕𝑒𝑖𝑑 1000

96 𝑐𝑚2 ∗ 35 𝑀𝑃𝑎 ∗ 1,2 = 1000 = 40 𝑡𝑜𝑛 = 400 𝑘𝑁 Vergeleken met de voorgaande berekeningen, bleek dat hier al een 50 ton – machine nodig was, in plaats van de eerder vermelde 30 tonner. Na het overlopen van de mogelijke spuitgietmachines die aanwezig zijn bij Anziplast Tavernier, werd beslist om een Netstall 150ton machine te nemen (figuur 3.9). De belangrijkste gegevens van deze machine vindt u terug in bijlage 4.

Figuur 3.9: Netstal Synergy 1500 kN - 460

Vervolgens wordt een schatting gemaakt van de cyclustijd. Deze bestaat uit volgende stappen: -

Inspuittijd

-

Nadruktijd

-

Restkoeltijd

-

Matrijs openen

-

Uitstoot (en eventueel robotuitname)

-

Matrijs sluiten

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 47 Masterproef De inspuittijd werd geschat op ongeveer één seconde, gebaseerd op het injecteervolume en inspuitdruk. De koeltijd (restkoeltijd is de koeltijd verminderd met de nadruktijd) kan op twee manieren berekend worden: 𝑀𝑎𝑛𝑖𝑒𝑟 1: 𝐾𝑇 = 𝑊𝑎𝑛𝑑𝑑𝑖𝑘𝑡𝑒 ∗ 1 + 2 ∗ 𝑤𝑎𝑛𝑑𝑑𝑖𝑘𝑡𝑒 =3∗ 1+2∗3 = 21 𝑠𝑒𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛 𝑀𝑎𝑛𝑖𝑒𝑟 2: 𝐾𝑇 =

𝑊𝐷 2 4 𝑇𝑚 − 𝑇𝑤 ∗ ln ∗ 2 𝜋 ∗ 𝑎𝑒𝑓𝑓 𝜋 𝑇𝑒 − 𝑇𝑤

𝑃𝑃: 𝐾𝑇 =

32 4 230 − 30 ∗ ln ∗ = 22,16 𝑠𝑒𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛 2 𝜋 ∗ 0,067 𝜋 80 − 30

𝑃𝑆: 𝐾𝑇 =

32 4 230 − 30 ∗ ln ∗ = 21,8 𝑠𝑒𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛 2 𝜋 ∗ 0,083 𝜋 60 − 30

Met hierin: -

𝑇𝑚 = Smelttemperatuur: de temperatuur van de gesmolten massa kunststof die uit de spuitgietcilinder komt °𝐶

-

𝑇𝑤 = Matrijswandtemperatuur: de temperatuur die de matrijswand heeft; dit is niet de temperatuur van het koelwater! °𝐶

-

𝑇𝑒 = Ontvormtemperatuur: de temperatuur waarbij het product voldoende stijf en afgekoeld is dat het kan uitgestoten worden °𝐶

-

𝑎𝑒𝑓𝑓 = effectieve thermische diffusiviteit = een waarde die tot dezelfde koeltijd leidt als de echte thermische diffusiviteit, maar die constant is voor een bepaalde kunststof bij een bepaalde gemiddelde matrijswandtemperatuur. Een grafische bepaling vindt u in figuur 3.10

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

𝑚2 𝑠


Figuur 3.10: Grafische bepaling van de effectieve thermische diffusiviteit

Voor de nadruktijd – berekening wordt bij Anziplast gebruik gemaakt van volgende eenvoudige formule: 𝑁𝑎𝑑𝑟𝑢𝑘𝑡𝑖𝑗𝑑 = 2,5 ∗ 𝑤𝑎𝑛𝑑𝑑𝑖𝑘𝑡𝑒 = 2,5 ∗ 3 = 7,5 𝑠𝑒𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛 Voor de machinetijden zijn tabellen opgesteld bij Anziplast zelf die per machine zeggen hoe snel deze kan openen, uitstoten en sluiten: -

Openen matrijs: 2 seconden

-

Sluiten matrijs: 2 seconden

-

Robot: 1 seconde

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 49 Masterproef In totaal geeft dit vijf seconden machinetijd. De totale cyclustijd wordt bijgevolg: Totale cyclustijd=1"+22" + 7,5" + 5"=35 seconden Hierbij moet rekening gehouden worden met de overlapping tussen de koeltijd en nadruktijd. Deze wordt volgens een simpele regel bepaald, namelijk één vierde van de koeltijd, wat vijf seconden is. Dat brengt de totale cyclustijd op 30 seconden. Er moet benadrukt worden dat dit een schatting is en dat de werkelijke cyclustijd iets kan verschillen van deze schatting.

3.7.2 VERGELIJKING IN MOLDFLOW Om de eerder berekende waarden te gaan toetsen aan een andere berekening, kan het proces vooraf ook al gesimuleerd worden in Moldflow. De volgende parameters werden hier gebruikt: -

Materiaal: PPC 7760

-

Matrijswandtemperatuur: 30 °C

-

Injecteerdebiet: 40

-

Massatemperatuur: 230 °C

𝑐𝑚 3 𝑠

Voor het spuitvolume worden volgende resultaten meegegeven: -

Geprojecteerd oppervlak: 95,56 𝑐𝑚2

-

Totaal volume: 58,05𝑐𝑚3 , onderverdeeld in 56,63 𝑐𝑚3 voor het stuk en 1,42 𝑐𝑚3 voor de aanspuiting

De sluitkracht en inspuitdruk zijn ook te berekenen in Moldflow: -

Sluitkracht: Maximaal 7,34 ton na 2 seconden

-

Maximale spuitdruk: 133, bar na 1,6 seconden

De cijfers voor deze twee waarden zijn veel kleiner dan de theoretische/empirische berekeningen volgens de regels van Anziplast. Welke waarden nu het best de realiteit benaderen, kan pas gezegd worden

na

een

eerste

proefspuiting,

waarin

de

verschillende

optimale

spuitgietvoorwaarden bepaald worden. Een laatste mogelijkheid voor simuleren is de cyclustijd. Dit gaf volgende tijden: -

Inspuittijd: 1,6 seconden

-

Nadruktijd: 10 seconden

-

Koeltijd: 25,5seconden

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

parameters

en

Anziplast Tavernier NV 50 Masterproef De totale cyclustijd komt hierbij op 32,06 seconden (in veronderstelling dat de nadruktijd in de koeltijd zit en van een extra 5 seconden machinetijd).

3.8 PROEFSPUITING Om de verschillende optimale machineinstellingen te bepalen, werd eerst een proefspuiting gedaan samen met één van de procesingenieurs bij Anziplast, Steve. Hierbij werden verschillende instellingen gemaakt in de machine op basis van ervaring met het materiaal en de spuitgietmachine. Verder werd ook het goede nadrukniveau en nadruktijd bepaald, alsook de optimale sluitkracht.

3.8.1 BEPALING NADRUKTIJD EN – NIVEAU De nadruktijd en niveau werd bepaald door een nadrukniveau in te stellen en telkens de nadruktijd te verhogen, tot een stagnatie in het gewicht voorkomt. Dit is het punt waar de holte niet meer extra kan gevuld worden met kunststof voor een bepaald nadrukniveau. Er werd gestart bij 300 bar nadruk bij PP met een nadruktijd van 0 seconden, en stelselmatig werd de nadruktijd verhoogt met één seconde. Na 18 seconden stagneerde het stukgewicht op ongeveer 50 gram. Hierna werd de nadruk verhoogt tot 450 bar en werd hetzelfde stappenplan gevolgd. Na 14 seconden nadruktijd begonnen er zich bramen te vormen en kon niet verder gedaan worden tot het stukgewicht stagneerde (figuur 3.11). Omdat de stukgewichten niet zoveel verschillen per nadrukniveau en omdat er minder kans is op bramen bij 300 bar, werd gekozen om bij deze instelling na te drukken. Om de invloed van de koeling eventueel te compenseren, werd niet het maximale stukgewicht nagestreeft, maar een compromis genomen halverwege op 10 seconden. Dit zorgt ervoor dat de totale cyclustijd van ongeveer 27 seconden voor het grootste deel uit effectieve koeltijd bestaat.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


Stukgewicht (gram)

Invloed Nadruk op stukgewicht 51 50 49 48 47 300 bar 46

450 bar

45 44 43 0

5

10

15

20

25 Nadruktijd (sec)

Figuur 3.11: Grafiek van de invloed van de nadruk op het stukgewicht

3.8.2 ANDERE INSTELLINGEN De overige instellingen werden voor het grootste deel bepaald op voorgaande berekeningen, maar ook op ervaring en stukkwaliteit die eruit kwam (bramen, oppervlak, …). Alle instellingen in mm, zijn afstanden in de cilinder van de schroef. Met andere woorden dit zijn de plaatsen waar de schroef start of naartoe beweegt in de cilinder. Dit is de manier waarop Netstal aanduidt hoeveel kunststof bijvoorbeeld gedoseerd wordt. Door een gekende schroefdiameter van 40 mm te combineren met een afstand, bekomt men een volume kunststof.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 52 Masterproef 3.8.2.1 M ATRIJSBEWEGING -

Openingsslag: 350 mm

-

Sluitkracht: 100 ton: bij het inspuiten vleek een sluitkracht van 50 ton onvoldoende te zijn en onstonden er kleine bramen aan de zijkant en bij de uitstoters. Bij 100 ton verdwenen de bramen aan de zijkant ter hoogte van de sluitlijn, maar werden de uitstoters nog altijd ingedrukt vanwege de spuitdruk. Daar bevinden zich dus overal bramen.

-

Uitneemtijd: 2,76 seconden

-

Openingstijd: 0,81 seconden

-

Sluittijd: 1,08 seconden

3.8.2.2 D OSEREN -

Doseren vanaf: 10 mm

-

Doseer – eindpunt: 55 mm

Omstreksnelheid (rpm)

Stuwdruk (bar)

Weg (mm)

250

50

10  50

350

80

50  55

200

20

55  60

3.8.2.3 I NSPUITEN -

Start inspuiten: 65,1 mm

-

Inspuitprofiel:

Schroefsnelheid

𝒎𝒎 𝒔

Weg (mm) 65,1  35 35  20 20  9

45 35 25 -

Top inspuitdruk: 309 bar

3.8.2.4 N ADRUK , KOELEN -

Omschakelpunt: 9 mm

-

Nadrukniveau: 300 bar

-

Nadruktijd: 10 seconden

-

Restkoeltijd: 11 seconden

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 53 Masterproef -

Totale cyclustijd: 27 seconden

3.8.2.5 T EMPERATUREN De temperatuurzones in de spuitgietcilinder werden ingesteld volgens de ervaring voor PS en PP (figuur 3.12).

Figuur 3.12: Ingestelde cilindertemperaturen

3.8.3 EMMESIVITEIT BEPALEN Zoals eerder vermeld in de theoretische voorstudie, moet de gebruikte IR – camera ingesteld worden op de goede emmessiviteit. Een verkeerde emmessiviteitswaarde voor een bepaald oppervlak resulteert in een verkeerde temperatuur op het beeld. Daarom is het belangrijk de goede emmessiviteitsfactor te bepalen. Deze wordt bepaald door de temperatuur van het oppervlak waarvan je de emmesiviteit wil weten, te gaan meten met

een

staafthermometer

(figuur

3.13).

Bepaal

de

oppervlaktetemperatuur van het te onderzoeken materiaal en probeer Figuur 3.13:

deze oppervlaktetemperatuur weer te geven op de infraroodcamera door de emmessiviteit telkens aan te passen. Hierbij moet opgemerkt worden dat

Staafthermometer

de camera zo loodrecht mogelijk op het oppervlak moet gericht zijn, om geen omliggende warmtebronnen te reflecteren en om een correct beeld te verkrijgen. Deze methode van emmessiviteit zoeken werd toegepast voor zowel de matrijs (𝜀 = 0,45) als het product (𝜀 = 0,92).

3.9 GEPLANDE TESTEN Volgens de te onderzoeken parameters werd een schema opgesteld die per meting één variabele in het proces wijzigt. Omdat er vijf variabelen zijn en deze allemaal onderzocht worden, zijn er 32 metingen (25 ).

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 54 Masterproef Meting

Situatie

Temperatuur (°C)

Debiet

Diameter (mm)

Materiaal

1

Korte koelslangen

20

max

7

HIPS

2

Korte koelslangen

20

min

7

HIPS

3

Korte koelslangen

40

min

7

HIPS

4

Korte koelslangen

40

max

7

HIPS

5

Lange koelslangen

40

max

7

HIPS

6

Lange koelslangen

40

min

7

HIPS

7

Lange koelslangen

20

min

7

HIPS

8

Lange koelslangen

20

max

7

HIPS

9

Lange koelslangen

20

max

7

PP

10

Lange koelslangen

20

min

7

PP

11

Lange koelslangen

40

min

7

PP

12

Lange koelslangen

40

max

7

PP

13

Korte koelslangen

40

max

7

PP

14

Korte koelslangen

40

min

7

PP

15

Korte koelslangen

20

min

7

PP

16

Korte koelslangen

20

max

7

PP

17

Korte koelslangen

20

max

10

PP

18

Korte koelslangen

20

min

10

PP

19

Korte koelslangen

40

min

10

PP

20

Korte koelslangen

40

max

10

PP

21

Lange koelslangen

40

max

10

PP

22

Lange koelslangen

40

min

10

PP

23

Lange koelslangen

20

min

10

PP

24

Lange koelslangen

20

max

10

PP

25

Lange koelslangen

20

max

10

HIPS

26

Lange koelslangen

20

min

10

HIPS

27

Lange koelslangen

40

min

10

HIPS

28

Lange koelslangen

40

max

10

HIPS

29

Korte koelslangen

20

max

10

HIPS

30

Korte koelslangen

20

min

10

HIPS

31

Korte koelslangen

40

min

10

HIPS

32

Korte koelslangen

40

max

10

HIPS

Tabel 1: Geplande metingen

Onder situatie wordt de manier waarop het koelwater aan de matrijs wordt toegevoerd verstaan. Enerzijds via korte slangen en anderzijds via lange slangen, om te onderzoeken wat de invloed kan zijn

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 55 Masterproef van de drukval over deze slangen. De temperatuur van het koelwater wordt aangepast door het tempereertoestel een andere uitgangswaarde te laten regelen. Het debiet wordt aangepast om ofwel weinig ofwel veel koelwater door de matrijs te sturen. Voorlopig wordt dit aangeduid met min en max, aangezien tijdens de planning nog geen informatie was over welk debiet hierdoor ging gaan. De regeling van het debiet gebeurt door kraantjes die zich aan de achterkant van het tempereertoestel bevinden. De matrijs wordt eerst getest bij koelkanalen van diameter 7 mm, om deze na 16 testen naar 10 mm uit te boren. Na de eerste testen volgde een tussentijdse evaluatie, waar de resultaten geanalyseerd werden. Hier volgde dan ook een bijsturing van het project, waar andere testen ingepland werden. De laatste 16 testen van bovenstaand schema zijn dus niet doorgegaan en werden vervangen door andere, meer relevante metingen. Deze metingen waren met een groter debiet, door het weg laten vallen van het tempereertoestel, en met andere koelwatertemperaturen. Meting

Debiet (lpm)

Temperatuur (°C)

Materiaal

17

64

19

PP

18

43

19

PP

19

43

19

PS

20

64

19

PS

21

64

12

PS

22

43

12

PS

23

64

12

PP

24

43

12

PP

Tabel 2: Metingreeks 2

Bij metingreeks 2 zijn alle koelslangen volgens lengte zoals het koelcircuit standaard aangesloten wordt op de matrijs, wat vergelijkbaar is met de lange koelslangen van de vorige metingreeks.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 56 Masterproef Na deze metingen werd besloten een extra metingsreeks uit te voeren, gebaseerd op de analyse van de resultaten van metingreeks 2. Meting

Debiet (lpm)

Temperatuur (°C)

Materiaal

25

128

18

PS

26

128

18

PP

27

128

12

PP

28

128

12

PS

Tabel 3: Metingsreeks 3

Deze werd gebaseerd op een zo laag mogelijke drukval in het koelcircuit van de matrijs. Dit werd gerealiseerd door zo groot mogelijke diameters voor zowel koelwatertoevoer, koelslangen en koelwaterdiameters in de matrijs.

3.10 KOELSITUATIE TE ANZIPLAST In Anziplast zijn er twee productiehallen. Beide zalen hebben een apart koelcircuit, die werkt volgens andere principes. De kleine productiehal bevat kleinere machines en werkt met een lager debiet van koelwater die op lage temperaturen circuleert (ongeveer 14 °C). De grote hal daarentegen bevat de grotere spuitgietmachines die meer koelwater vragen. Het water die hier rondgepompt wordt staat onder hogere druk, maar is ook hoger in temperatuur (ongeveer 18 °C). De machine waarmee de testen zullen gedaan worden, staat in de laatstvermelde zaal. Het koelcircuit daarvan is weergegeven in figuur 3.14.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


Koeltoren

Vat Koelcompressor

Spuitgietmachine

Figuur 3.14: Koelsituatie grote productiehal Anziplast Tavernier NV

Het water wordt rondgepompt door verschillende pompen die zich ter hoogte van het vat bevinden. Dit water wordt in een lus gestuurd, waardoor geen drukval over de lengte van de pijpleidingen is. Elke machine in deze hal tapt water van het circuit en stuurt het daarna terug in een tweede lus, die het warmere water bevat. Deze lus heeft een aftakking naar zowel een viertal koelcompressoren, als een koeltoren die buiten staat. De 2 koelkomponenten sturen het afgekoelde water terug naar het centrale vat van 5000 liter, waar het terug in het toevoercircuit wordt gepompt. Slechts wanneer het water te warm wordt (bijvoorbeeld bij hoge productie of warme buitentemperatuur), worden de koelcompressoren ingeschakeld.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


4 MET INGEN 4.1 MEETTOESTELLEN Om de verschillende parameters die onderzocht worden op te meten, zijn er specifieke meettoestellen nodig.

4.1.1 AFMETINGEN Net na het ontvormen is het mogelijk om meteen te meten aan de hand van een schuifmaat. De gebruikte schuifmaat is een Mitutoyo ABSolute Digimatic Caliper (figuur 4.1).

Figuur 4.1: Digitale schuifmaat

Nadeel van het meten met de schuifmaat is aan de enerzijds het licht indrukken van het materiaal tijdens het opmeten van een bepaalde afmeting. Deze is verschillend bij iedere meting en is bijgevolg een moeilijk reproduceerbare fout. Daarnaast is het ook onmogelijk om voor ieder product telkens een afmeting op dezelfde locatie te nemen. Daarom werd besloten om de gespoten stukken volledig te laten afkoelen en acclimatiseren en daarna op te meten m.b.v. de meetbank aan de KHBO. (figuur 4.2). De metingen op de meetbank gebeurden minimaal 48u Figuur 4.2: Meetbank

na productie.

aanwezig op het KHBO te Oostende

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 59 Masterproef De metingen met de meetbank gebeuren altijd op dezelfde manier. Er wordt een coördinaatsysteem opgesteld en eenmaal een vaste positie voor het product vastgelegd is (figuur 4.3), kan een meetprogramma gemaakt worden. Hierdoor wordt telkens op dezelfde plaats gemeten en zijn er geen meetfouten meer. Verder is de kracht van meten telkens hetzelfde en is de indrukking minimaal. Bij het plaatsen van het product werd ervoor gezorgd dat het stuk telkens op dezelfde manier gepositioneerd werd. Dit was makkelijk te herkennen door de bramen die er zijn langs één kan de uitstoters.

Figuur 4.3: Vastleggen positie product

4.1.2 STUKTEMPERATUUR De temperatuur van het proefstuk werd opgemeten met een infrarood camera, de Midas 320L (Figuur 4.4). Deze werd verkregen via het VKC in Kortrijk en de verkregen data hiervan werd verwerkt met Midasview van Mikron Applications. De software laat niet toe om de gemiddelde temperatuur te berekenen van een bepaald oppervlak, enkel van één punt. Een voorbeeld van een foto genomen met deze camera, is te zien in figuur 4.5.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Figuur 4.4: De Midas 320L infraroodcamera


Figuur 4.5: Voorbeeld infrarood foto product

4.1.3 KOELWATERDEBIET EN – TEMPERATUUR Het koelwaterdebiet en koelwatertemperatuur konden beiden opgemeten worden met hetzelfde toestel, namelijk Tracer Electronic flowmeter (figuur 4.8). Deze flowmeter kan naast debieten doorheen een koelkanaal, ook de temperatuur van het doorstromend water opmeten. Ook dit toestel werd verkregen via het VKC in Kortrijk. De datasheet van deze meter is terug te vinden in bijlage 6.

Figuur 4.6: Digitale flowmeter van Tracer

4.2 INITIËLE MATRIJS EN VORMKOELING Voor de eerste matrijsaanpassing werden 16 verschillende testen gedaan, allemaal met diameter zeven van koelkanaal.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


4.2.1 SITUATIE De eerste metingen werden gemeten bij een matrijs met koelkanalen van diameter 7 mm. Om de koelwatertemperaturen van 40°C te halen, wordt een tempereertoestel gebruikt dat voorzien is van 5 circuits (figuur 4.7). De gegevens van deze waterverwarmer vindt u terug in bijlage 5. De verandering van de debieten gebeurt door de rode kranen op de linkerfoto helemaal open te zetten of halverwege te draaien. Het veranderen van de koelwatertemperatuur kan geregeld worden via het display van dit toestel, waar een regelaar de gewenste temperatuur gaat nastreven. Hierbij moet vermeld worden dat vermelding van de actuele temperatuur op deze display niet overeen komt met de werkelijke temperatuur, gemeten met de flowmeter. Omdat de flowmeter accurater is, werden waarden voor de koelwatertemperatuur hiervan overgenomen.

Figuur 4.7: Watervervarmer met 5 circuits

De uitstoting van het product gebeurde via een robot met grijper, die het profiel bij de aanspuiting nam en het op de transportband plaatste (figuur 4.8). Daarna transporteerde de transportband het U – profiel naar het begin ervan, waar met de camera mogelijkheid was om infrarood beelden te nemen.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


Figuur 4.8: Robothand en transportband

De machineinstellingen werden overgenomen van de proefstpuiting, en daarna opgeslagen.

4.2.2 METINGEN De koelinstellingen werden aangepast zoals het eerder vermeld schema (zie hoofdstuk Testen). De metingen gebeurden volgens onderstaand schema (figuur 4.9):

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Geplande


Start Cyclus

Instellen parameters 10 minuten

20 minuten

2 minuten

Temperatuur koelwater instellen

Debiet koelwater instellen

Koelsituatie veranderen

In regime laten komen van de machine

30 minuten

50 stuks spuiten

30 minuten

Infraroodbeeld matrijs (e = 0,45)

Figuur 4.9: Meetschema

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Afmetingen bepalen

Infraroodbeeld nemen stukken (e = 0,92)

Koelwatertemper atuur en debiet opmeten

Anziplast Tavernier NV 64 Masterproef Zoals volgens dit schema duidelijk wordt, wordt eerst de geselecteerde parameter aangepast, waarna het proces op regime komt gedurende een half uur. Na dit half uur worden 50 stuks gespoten, waarvan er 13 gemeten worden naar afmetingen, om ze nadien op een statistische manier (box & whisker plot). Twee producten worden dan vervolgens na het ontvormen genomen voor een warmtebeeld. Het tijdstip van het nemen van iedere foto is voor iedere test hetzelfde, namelijk op het einde van de transportband (15 seconden na het ontvormen). Zo zal het stuk wel al wat afgekoeld zijn over de tijd, maar is er nog altijd de relatieve meting ten op zichte van alle testen afzonderlijk. Op deze manier blijft het mogelijk om een vergelijkende studie te doen naar ontvormtemperatuur toe. De meting van het koelwaterdebiet en temperatuur gebeurd aan de hand van de flowmeter die eerder besproken werd.

4.2.3 RESULTATEN 4.2.3.1 A FMETINGEN Met de schuifmaat werden vier verschillende afmetingen opgemeten (figuur 4.10). Hierin is: -

A: Lengte van het stuk (matrijsmaat 110 mm)

-

B: Breedte stuk, gemeten bovenaan (matrijsmaat 88 mm)

-

C: Breedte tussen flenzen U – profiel (matrijsmaat 82,23 mm)

-

S: Wanddikte (matrijsmaat 3 mm)

Deze werden voor ieder stuk opgemeten (13 keer in totaal) en vergeleken via een Box & Whiskerplot, waar de uitschieters gezocht en verbeterd werden. Dit werd niet gedaan voor de Figuur 4.10: Gemeten afmetingen met schuifmaat

wanddikte. De grafische resultaten van deze verwerking vindt u terug in onderstaande grafieken. De nummering van de

verschillende plotten komt overeen met de nummering van de verschillende stappen, eerder besproken in het hoofdstuk testen. Een meer uitgebreide bespreking van de resultaten volgt in het volgend hoofdstuk, waar alle resultaten vergeleken worden. Hier gaat het enkel over de eerste metingen met de schuifmaat. Deze zullen later niet meer behandeld worden.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Afmeting A (mm)


Box & Whiskerplot afmeting A 110,1

1

110

2

109,9

3

109,8

4

109,7

5

109,6

6

109,5

7

109,4

8

109,3

9

109,2

Afmeting B (mm)

Box & Whiskerplot afmeting B 84,3

1

83,8

2

83,3

3

82,8

4

82,3

5 6

81,8

7

81,3

8

80,8

Box & Whiskerplot afmeting C 80

1

Afmeting C (mm)

2

78

3 4

76

5 6

74

7 8

72

9 10

70

11 12

68

Figuur 4.11: Grafische verwerking van de schuifmaatafmetingen

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 66 Masterproef Een eerste opmerking die bij de grafieken moet gemaakt worden is dat de schaalverdeling van de Y – as aangepast is, zodat een verschil tussen de afmetingen is te zien. Hiermee kan ook meteen gezegd worden dat de verschillen onderling tussen de afmetingen niet zo groot zijn. Verder zijn er twee groepen van afmetingen te onderscheiden: de eerste 8 en de laatste 8. De eerste metingen zijn deze met PS, waarvan al verwacht was dat het een kleinere krimp ging hebben. Wat de invloeden van de verschillende koelparameters zijn, wordt later uitgebreid besproken. De stukken werden opgemeten in het KHBO te Oostende. Deze resultaten werden later gebruikt voor de vergelijking van de afmeting en het bekijken van de invloed van de koeling op de krimp. 4.2.3.2 W ARMTEBEELDEN Via de warmtebeelden genomen met de IR – camera, wordt de ontvormtemperatuur vergeleken. Omdat met de bijgeleverde software geen mogelijkheid is om de gemiddelde temperatuur van een oppervlak te meten, wordt een punt in het midden van het voorste zijvlak vastgelegd (figuur 4.12). Dit punt werd gekozen op basis van 2 redenen. Ten eerste omdat het punt tussen twee

Figuur 4.12: Punt genomen om

koelkanalen ligt, hierdoor wordt een goede warmteafvoer

ontvormtemperatuur te vergelijken

vanaf dit punt verwacht. Ten tweede is het punt ook duidelijk zichtbaar is voor de camera. In totaal kunnen er 16 verschillende ontvormtemperaturen vergeleken worden, op basis van evenveel verschillende vormkoel-settings. 4.2.3.3 G EWICHT De gewichten van alle gevormde stukken werden in het KHBO gemeten, tot op 0,01 gram nauwkeurig. Deze cijfers kunnen opnieuw statistisch verwerkt worden om de nodige informatie rond de invloed van de koeling te onderzoeken.

4.3 MATRIJSAANPASSING 1 4.3.1 SITUATIE In het origineel geplande schema was de volgende stap (na de 16 metingen bij een koelkanaal diameter van 7 mm) de koelkanalen uitboren naar diameter 10, om zo een kleinere drukval te verkrijgen, alsook een groter contactoppervlak met de matrijs. Uit tussentijdse resultaatanalyses bleek dat het

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 67 Masterproef interessanter was om de debieten hoger te maken en het ook onnodig was om met temperaturen van 40 °C te werken als koelwatertemperatuur. Het was interessanter om te gaan vergelijken met een lagere temperatuur dan 18 °C – 20°C, omdat dit een veel grotere impact heeft op de koeling van de matrijs. Bijgevolg werd nagegaan wat het verschil is tussen koelen met water op 18°C en 12 °C. In de huidige productieomgeving wordt gewerkt met koelwater op 18°C. De mogelijkheid bestaat echter om met koelwater van 12°C te werken. Aangezien dit meer energie vraag (om het water te koelen) moet dit gecompenseerd worden door bijvoorbeeld een kortere cyclustijd. Daarnaast werden de metingen met de schuifmaat vervangen door metingen op een meetbank. Hiermee werd de nauwkeurigheid van de resultaten opgetrokken. Bovendien verlopen de metingen op de meetbank sneller.Eenmaal alle diameters vergroot waren, werd de matrijs opnieuw gemonteerd en werd gekoeld zoals meestal gekoeld wordt: door de koelslangen rechtstreeks van de collector op de machine naar de matrijs aan te sluiten. Hiervoor werd de standaard - lengte van koelslangen gebruikt, die overeen komen met de lange slangen van de vorige testen. Eenmaal alle diameters vergroot waren, werd de matrijs opnieuw gemonteerd en werden de koelslangen rechtstreeks van de collector op de de matrijs aangesloten. Hiervoor werd de standaard lengte van koelslangen gebruikt, die overeen komen met de lange slangen van de vorige testen.

4.3.2 METINGEN Het tweede deel van de testen verliep volgens onderstaande tabel: Meting

Debiet (lpm)

Temperatuur (°C)

Materiaal

17

64

19

PP

18

43

19

PP

19

43

19

PS

20

64

19

PS

21

64

12

PS

22

43

12

PS

23

64

12

PP

24

43

12

PP

Tabel 4: Metingen na matrijsaanpassing 1

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 68 Masterproef De metingnummering loopt verder volgens de eerste testen. De debieten werden aangepast door de hoofdtoevoer van het koelwater halfweg te zetten (figuur 4.13). In de tabel zijn twee debieten terug te vinden: enerzijds 64 lpm en anderzijds 43 lpm. 64 liter per minuut was het grootste debiet die over de vijf circuits kon stromen en is het cumulatief totaal van de verschillende koelcircuits. Door de toevoer halfweg te zetten, kon het debiet verminderd worden over de 5 circuits naar 43 liter per minuut. Zoals eerder aangegeven werd de koelwatertemperatuur ingesteld op 12°C en op 18 °C.

Figuur 4.13: Kranen voor het afsluiten van de koelwatertoevoer

Tot slot werden 2 verschillende materialen gespuitgiet om de verschillen tussen een amorfe en semi – kristallijne kunststof te onderzoeken. Bij de metingen, na het aanpassen van de matrijs, werd de koelslanglengte constant gehouden. Uit de metingen voor de matrijsanpassingen bleek immers dat deze factor geen significante invloed heeft op de vormkoeling.

4.3.3 RESULTATEN Bij deze meting werden dezelfde metingen en resultaten besproken als bij de voorgaande testen. Een vergelijking tussen al deze resultaten is te vinden in het volgend hoofdstuk.

4.4 MATRIJSAANPASSING 2 4.4.1 SITUATIE Na alle resultaten te hebben overlopen bij voorgaande meting, werd er besloten dat de invloed van het debiet nog meer onderzocht moest worden. Om dit te doen werd gezocht naar een manier om de drukval op het koelcircuit zoveel mogelijk te verminderen. Dit werd gedaan door ten eerste de collector van de spuitgietmachine te vervangen door een koperen collector met grote inwendige diameter, waardoor er een verminderde drukval is bij het verdelen van de koelkanalen (figuur 4.15). Deze collector wordt rechtstreeks aangesloten op de centrale koelwatertoevoer, waardoor hier ook geen drukvallen meer voorkomen. De verbindingen tussen de matrijs en deze collector werden gemaakt door koelslangen met grotere diameter (van diameter 12 naar diameter 20 mm). Ook de koppelingen voor de koelslangen werden aangepast. Voorheen gebeurde de aansluitingen van de koelslangen met een

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 69 Masterproef snelkoppeling. De koelslangen met diameter 20 moeten echter met metalen spanbandjes aangesloten worden. Dit vertraagt de aansluiting van de koeling. Een laatste stap om de drukval over het koelcircuit te verminderen, is het uitboren van de koelkanalen, van diameter 10 naar diameter 14. Dit worden de kleinste diameters over het ganse circuit, aangezien de aansluitingen voor de koelslangen diameter 20 zijn.

Figuur 4.14: Koperen collectors voor het verdelen van het koelwater met verminderde drukval

Het uitboren van de koelkanalen naar diameter 14 was niet voorzien in de matrijsschikking. Dit betekent dat de koelkanalen die door de kern lopen niet meer vergroot konden worden (circuit 1 en 2). Enkel circuit 3, 4 en 5 hebben bijgevolg een diameter 14 mm (zie figuur 4.16 voor de ligging van de verschillende kanalen).

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


Figuur 4.15: Ligging verschillende koelkanalen

De meting van het koelwaterdebiet kon bij deze situatie niet gemeten worden met de flowmeter. Om dit op te lossen werd de uitgaande centrale koelwatertoevoer losgekoppeld. De klep werd opengezet en het water werd in een vat opgevangen. De tijd werd hierbij opgemeten en het volume dat in het vat is terecht gekomen. Hierbij werd een debiet opgemeten van 282 liter per minuut. Dit debiet ondergaat echter nog een grote tegendruk doordat het nog 3,8 meter omhoog moet. Bijgevolg is het exacte debiet dat door de matrijs loopt onbekend, maar geschat wordt dat het ongeveer de helft is van wat opgemeten is (figuur 4.17).

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


3,8 meter

Figuur 4.16: Extra drukval door hoogteverschil koelwaterafvoer

4.4.2 METINGEN Er werden vier metingen gedaan bij deze koelsituatie (zie onderstaande tabel). Meting

Debiet (lpm)

Temperatuur (°C)

Materiaal

25

128

18

PS

26

128

18

PP

27

128

12

PP

28

128

12

PS

Tabel 5: Metingen na matrijsaanpassing 2

De temperaturen werden opnieuw aangepast door de koelwatertemperatuur van de grote productiehal aan te passen. Het debiet werd constant gehouden. De vermelding van het debiet is een schatting van het debiet, aangezien deze niet gekend is wegens eerder vermeld probleem.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 72 Masterproef Zoals bij de 2 voorgaande koelsituaties werden opnieuw stukgewicht, oppervlaktetemperatuur en afmetingen van de producten bepaald.

4.5 SIMULATIES Tijdens het ontwikkelen van een nieuw spuitgietproduct, is het niet altijd even eenvoudig voor de ontwerper van zowel het product als de matrijs om te weten of een product spuitgiettechnisch mogelijk is. Dit in termen van vulling, klemkracht, injecteerdebiet, vloeilijnen, enz… Daarom wordt vaak gebruik gemaakt van het simulatiepakket Autodesk Moldflow Insight. Dit pakket laat toe een CAD ontwerp van het product in te laden en allerhande simulaties te doen naar vulling, temperatuur, koeling, druk en andere. Zo werden alle voorgaande testen uitgevoerd in Moldflow, om zo een vergelijkende studie te kunnen maken tussen de verschillende resultaten. Hierbij werd vooral gekeken naar de relatieve veranderingen. Daarmee wordt bedoeld wat de veranderingen ten opzichte van elkaar zijn en niet wat het absolute resultaat van de simulatie is.

4.5.1 MOLDFLOW INSTELLINGEN Om zo goed mogelijk met de realiteit overeen te komen, moeten enkele instellingen vastgelegd worden. Deze werden overgenomen van de instellingen van de machine (zie hoofdstuk Proefspuiting). Verder moesten nog volgende instellingen gemaakt worden in het programma: -

Gebruikte matrijsmateriaal: K945 (DIN 1.1730) van Bohler

-

Spuitgietmachine: 1500H – 460 150 tons 6.81 oz (40mm): Netstal

-

Warmteoverdrachtcoëfficiënten: Filling – 5000

𝑊 𝑚2𝐶

, Packing – 2500

𝑊 𝑚 2𝐶

, Open – 1250

𝑊 𝑚2𝐶

(standaard

waarden) -

Omgevingstemperatuur: 21,2 °C

4.5.2 MODELOPBOUW De opbouw en tekening van het model in 3D werd gedaan in Cimatron S, het standaard CAD/CAM pakket van Anziplast. Daarbij werd de 3D – tekening van het profiel geëxporteerd in .stl formaat en ingeladen in Moldflow. De mesh die gebruikt werd was een dual domain mesh. De keuze hiervoor was enerzijds de betere benadering van eerder gedane proeven op het stuk en anderzijds de kortere simulatietijd ten opzichte van een 3D mesh.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 73 Masterproef Eenmaal het model gemeshed is, kunnen de verschillende rondobjecten getekend worden, zoals koeling en aanspuiting. De koeling werd in zijn geheel getekend, dus met koelslangen erbij, zoals te zien is onderstaande figuur 4.17.

Figuur 4.17: Model in Moldflow met koeling

De lengte van de koelslangen werd aangepast aan de lengte opgemeten tijdens de metingen. Verder werden vijf circuits gemaakt en werden de in en uitgang van het koelwater gerespecteerd met de realiteit.

4.5.3 RESULTATEN De drie resultaten die eerder vergeleken werden, waren op te meten met Moldflow. De temperatuur van het stuk was op te meten met de resultaatfunctie “Temperature Part” (figuur 4.18).

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


Figuur 4.18: Opmeting stuktemperatuur in Moldflow

De meting van de afmeting werd gedaan door 2 nodes uit te kiezen in het model en deze te gaan invoeren in de resultaatfunctie “Deflections: All Effects, x – component” (figuur 4.19).

Figuur 4.19: Opmeten van de afmeting in Moldflow

De laatste meting, het gewicht, werd gedaan door deze te gaan opzoeken in de log – file van de simulatie. Hierin staan alle bewerkingen die het programma maakt om het simulatiemodel op te stellen.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


5 RE S U LT AT E N Alle resultaten zijn genummerd. De voorgaande nummeringen waren volgens de volgorde van opmeten. In onderstaande tabellen is de nummering aangepast om vlot de verschillende resultaten te kunnen overlopen, alsook om de verschillende parameters bij twee verschillende materialen te kunnen vergelijken. Hiermee wordt bedoeld dat ieder nummer dezelfde parameters vertegenwoordigt, maar een verschillend materiaal. Dit wordt weergegeven in onderstaande tabel. Koelwatertemperatuur

Koelwaterdebiet

Koelkanaaldiameter

Koelwatertoevoer

Meting

(°C)

(lpm)

(mm)

1

20

26

7

Korte

2

20

8

7

Korte

3

40

8

7

Korte

4

40

26

7

Korte

5

40

26

7

Lange

6

40

8

7

Lange

7

20

8

7

Lange

8

20

26

7

Lange

9

20

43

10

Lange

10

20

64

10

Lange

11

12

64

10

Lange

12

12

43

10

Lange

13

20

128

14

Collector

14

12

128

14

Collector

Tabel 6: Nummering van de verschillende parameters voor beide kunststofmaterialen

Hierin is het koelwaterdebiet het debiet dat door de volledige matrijs gepompt wordt en niet per circuit. Met koelwatertoevoer wordt bedoeld op welke manier het water in de matrijs toekomt: via korte koelslangen, lange koelslangen of via een collector met koelslangen van grote diameter. Dit alles wordt op de twee materialen toegepast en vergeleken met elkaar en Moldflow. Hierbij moet vermeld worden dat de simulatie in Moldflow voor meting 13 en 14 niet met de gekende debieten was. Daarom werd het

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 76 Masterproef debiet van meting 10 genomen en verdubbeld, om een indruk te krijgen hoe het zou kunnen gesimuleerd worden.

5.1 AFMETINGEN De numerieke resultaten voor de afmetingen gemeten met de meetbank zijn terug te vinden in bijlage 7. Grafisch zien deze eruit zoals in figuur 5.1 hieronder.

c (mm)

Afmeting c meetbank 85 80

PS

75

PP Moldflow PS

70

Moldflow PP 65 60 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

Meting Figuur 5.1: Grafiek met afmetingen gemeten op meetbank

Allereerst moet opgemerkt worden dat de schaal aangepast is om een duidelijke weergave te verkrijgen van de afmetingen. Een tweede opmerking is dat de geplotte punten het statistische eindresultaat zijn van verschillende metingen, die verwerkt werden met een Box -& Whiskerplot. Wat opvalt is dat de afmetingen van PP veel kleiner zijn dan deze van PS, wegens het grotere krimpverschil van het semi – kristallijne PP. Daarnaast is te zien dat de parameters een omgekeerde invloed hebben op de metingen. Als voorbeeld is er meting 6 en 7 (hierbij wordt de koelwatertemperatuur verlaagd van 40 naar 20 °C). Bij PS betekent dit een grotere krimp, terwijl PP een kleinere krimp heeft (de afmeting vergroot). De oorzaak hiervan is onbekend. Vooraf werd verwacht dat de afmeting kleiner zou worden, zoals bij PS. Ook het debiet heeft dergelijk averechts effect bij de afmetingen. Wordt meting 13 met meting 14 (grootste debieten) vergeleken, dan is de krimp van PP veel groter dan bij PS bij dezelfde koelparameters. De grooste krimp is nu echter bij PS, waar de stijging van het koelwater een kleinere krimp met zich meebrengt. Dit was tegen de verwachtingen in. Verwacht was

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 77 Masterproef dat een groter debiet een verbeterde warmteoverdracht met zich meebrengt en bijgevolg een grotere krimp, zoals bij PP. De invloed van de overgang van korte naar lange koelslangen is te zien in meting 4 en 5. De afmetingen veranderen amper bij gelijke parameters. Bij meting 3 en 6 zijn ook gelijkaardige situaties (40 °C koelwater, laag debiet) en hier is bij PP wel een verandering waar te nemen in afmeting. De matrijsafmeting bedraagt 81,23 mm. Om te gaan zien of de verschillen in krimp eigenlijk wel significant zijn, kan er naar twee vergelijkingen gekeken worden. Allereerst de procentuele krimp en ten tweede de al dan niet goedkeuring volgens DIN 16901.

5.1.1 PROCENTUELE KRIMP De procentuele krimp is de verandering van de afmetingen ten opzichte van de originele matrijsafmeting, uitgedrukt in procent. Een overzicht van deze verandering is terug te vinden in figuur 5.2.

Procentuele krimp afmeting c 20,00%

15,00%

10,00% PS PP 5,00%

0,00% 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

-5,00% Figuur 5.2: Overzicht procentuele afwijking van de krimp

Wat voordien al vermeld werd, is nu duidelijk te zien: de krimp van PP is veel groter dan deze van PS. Een eerste punt dat opvalt is de negatieve krimp van PS bij de twee laatste metingen (zeer groot debiet door collector). Dit wil zeggen dat de afmeting groter geworden is dan de originele matrijsafmeting. Dit kan

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 78 Masterproef enkel doordat de hoeken meer naar buiten zijn getrokken: er ging minder debiet door de kern dan aan de buitenzijde. Dit kwam door de diameters 14 mm aan de buitenzijde en diameter 10 mm van de koelkanalen in de kern. Dit betekent dat de binnenkant van de hoeken van het stuk minder snel warmte afgeven en dat deze warmer zullen staan. De krimp zou bijgevolg omgekeerd moeten zijn, waarbij de hoeken nog meer krom trekken dan voorgaande metingen, waar de koeling meer symmetrisch was.

5.1.2 DIN 16901 Deze DIN norm is speciaal voor spuitgieten opgesteld, waarbij rekening gehouden wordt met krimp en het al dan niet matrijsvast zijn van de afmeting. Met matrijsvaste afmetingen worden de afmetingen bedoeld die gevormd worden door één matrijsdeel, bijvoorbeeld de kern (de afmeting die hierboven besproken werd is bijgevolg een vaste matrijsmaat). Niet – matrijsgebonden afmetingen worden gevormd door twee matrijsdelen (bijvoorbeeld de twee matrijshelften of schuiven) die bewegen ten opzichte van elkaar. Aangezien de eindpositie van die twee delen niet exact reproduceerbaar is, zullen niet – matrijsgebonden afmetingen een grotere spreiding hebben. Alvorens de DIN – norm kan toegepast worden, moet bekeken worden wat de krimp is van het materiaal en of de bekeken afmeting al dan niet matrijsgebonden is. Voor PPC 7760 is er een theoretische krimp van 1,5 % en voor Empera 524N 0,5 %. De afmeting c die besproken wordt is zoals eerder vermeld een matrijsgebonden afmeting. Volgens de tabellen in bijlage 10 wordt dan gekeken wat de tolerantieklasse is voor de gekozen tolerantie. Bij dit ontwerp werd gekozen voor algemene toleranties, omdat het product geen specifieke toepassing heeft, behalve testproduct. Via de gekrompen maat en het al dan niet matrijsvast zijn van de afmeting, is het dan mogelijk om de haalbare tolerantie te berekenen via de tabellen in deze bijlage. Hieronder wordt dit uitgewerkt voor beide materialen. 5.1.2.1 DIN 16901 VOOR PP De nominale maat bedraagt 81,233 mm. Rekening houdend met een krimp van 1,5 % geeft dit een maat van 80,03 mm. De tolerantieklasse (algemene toleranties) voor zuiver PP is 150 en de afmeting is matrijsvast (B). Bijgevolg zijn de tolerantiegrenzen voor deze afmeting: 80,03 ± 0,71 𝑚𝑚 Valt de afmeting hierbinnen, dan is het goedgekeurd volgens de DIN – norm. Uiteraard is dit bij dit product niet het geval, aangezien de hoeken voor een veel grotere kromtrekking zorgen. Dit was ook de bedoeling van het ontwerp.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 79 Masterproef 5.1.2.2 DIN 16901 VOOR PS De nominale maat bedraagt 81,233 mm. Rekening houdend met een krimp van 0,5 % geeft dit een maat van 80,83 mm. De tolerantieklasse (algemene toleranties) voor PS is 130 en de afmeting is matrijsvast (B). Bijgevolg zijn de tolerantiegrenzen voor deze afmeting: 80,83 ± 0,34 𝑚𝑚 Opnieuw geldt dezelfde opmerking als voorgaand punt. Een extra opmerking bij het gebruik van deze DIN – norm is dat tegenwoordig de tolerantieklasse alsmaar strenger kan genomen worden wegens de verbeteringen in het spuitgietproces. De algemene toleranties zijn niet zo streng meer in vergelijking met de mogelijkheden van het moderne spuitgietproces.

5.1.3 BESLUIT VOOR DE AFMETING Eerder werd al vermeld dat de verandering van de krimp en afmeting voor de verschillende situaties en parameters onstabiel. De verklaring hiervoor is dat de afmeting van nog veel andere factoren dan enkel de koeling afhankelijk is. Zo moet iedere andere situatie in koeling de juiste nadruk gezocht worden om het product zo lang mogelijk tegen de wand te drukken, alsook volledig de holte te kunnen vullen. Conclusies over de efficiëntie van de koeling gebaseerd op de afmeting zijn bijgevolg niet betrouwbaar en onvoldoende ondersteund om er een significante conclusie te kunnen uithalen.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


5.2 ONTVORMTEMPERATUUR Om een conclusie te kunnen maken in verband met de efficiëntie van een koeling, kan gekeken worden naar de ontvormtemperatuur. Hoe lager de temperatuur van een bepaald punt op het stuk, hoe meer warmte er weggevoerd werd. Een lage ontvormtemperatuur betekent bijgevolg een goede warmte – afvoer. Verder betekent een lagere ontvormtemperatuur bij het behouden van de machineparameters (zoals nadruk, cyclustijd, inspuitsnelheid, …) dat er sneller kan uitgestoten worden. Immers een verlaging in ontvormtemperatuur door een verbeterde warmteafvoer, betekent dat het product sneller vormvast is om uitgestoten te worden. Bij kunststofproducten is de stijfheid sterk functie van de materiaaltemperatuur. Hoe warmer het stuk, hoe slapper het materiaal en hoe moeilijker het is om uit te stoten. Als kan aangetoond worden dat er een verlaagde ontvormtemperatuur is door gebruik van een betere koeling, dan kan de koeltijd, en dus ook de cyclustijd, verlaagd worden om zo de stukkost te verlagen. Om een link te kunnen leggen tussen cyclustijd en ontvormtemperatuur, werd volgende proef gedaan. De koeltijd werd aangepast om de cyclustijd van de machine aan te passen. In functie van deze verandering in cyclustijd kan de ontvormtemperatuur bekeken worden. De grafiek die hieruit volgt geeft het lineair verband tussen cyclustijd en de ontvormtemperatuur (figuur 5.3).

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


Ontvormtemperatuur in functie van cyclustijd Ontvormtemperatuur (°C)

80 70 y = -2,9345x + 138,63

60 50 40

y = -2,0902x + 103,13

PP

30

PS

20 10 0 0

5

10

15

20

25

30

35

Cyclustijd (s) Figuur 5.3: Grafiek waarin het verband tussen de ontvormtemperatuur en de cyclustijd wordt geplot

Het gebruik van deze grafiek bestaat er vervolgens in twee situaties te vergelijken en uit te plotten voor de verschillende temperaturen. Aan de hand van de grafiek is het dan mogelijk om de vermindering in cyclustijd uit te drukken voor een daling in ontvormtemperatuur. Onderstaande grafiek (figuur 5.4) geeft de gemeten ontvormtemperaturen weer voor de verschillende metingen, alsook vergeleken met de stuktemperaturen gesimuleerd in Moldflow.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


Te (°C)

Ontvormtemperatuur 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0

PS

40,0

PP

30,0

Moldflow PS

20,0

Moldflow PP

10,0 0,0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

Meting Figuur 5.4: Metingen ontvormtemperatuur

Een opmerking bij deze grafiek is dat de geplotte punten het statistische eindresultaat zijn van verschillende metingen, die verwerkt werden met een Box -& Whiskerplot. In tegenstelling met de metingen voor de krimp zijn hier wel gelijkaardige trends op te merken voor de verschillende situaties. Zo brengt een stijging van de koelwatertemperatuur (1  2) een stijging van de ontvormtemperatuur en een daling van het debiet (5  6) ook een stijging van de ontvormtemperatuur door de verlaagde warmteafvoer. Een vergroting van de diameter (8  9) verlaagt de ontvormtemperatuur door enerzijds het verhoogd contactoppervlak met de matrijs en anderzijds het verhoogde debiet door de lagere drukval. Ook het verlengen van de koelslangen (4  5) heeft een negatieve invloed op de ontvormtemperatuur, dit door de iets verhoogde drukval en bijgevolg lager debiet. De laagste ontvormtemperaturen zijn waar te nemen bij meting 12 en 14, waar gekoeld wordt met water op 12 °C. Dit was te verwachten door de veel lagere matrijswandtemperatuur. De enige metingen die hier dicht bij in de buurt komen, zijn metingen 10, 11 en 13. Meting 11 is wederom op 12 °C van koelwatertemperatuur, 10 en 13 zijn op 20°C, maar met hoog debiet. Het hoogste debiet werd gerealiseerd bij meting 13, doch lijkt het beter om een lagere koelwatertemperatuur te hebben om lage ontvormtemperaturen te hebben. De simulaties in Moldflow geven een gelijkaardig verloop voor de ontvormtemperatuur, zij het een constante factor lager. Moldflow simuleert de verschillende parameters, maar gaat hier met meer ideale

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 83 Masterproef situaties koelen (zoals perfecte warmteoverdracht en warmteafvoer). Bijgevolg is de temperatuur tijdens simulatie een stuk lager. Om relatief de koelsituaties te gaan vergelijken en in te schatten welke parameter een goede warmte – afvoer zal geven is het wel geschikt. Uit deze meting kan gesteld worden dat een koelwatertemperatuur van 12 °C een lagere ontvormtemperatuur en dus betere koeling zal geven dan een koelwatertemperatuur van 18 °C. De vraag van Anziplast was echter om de koeling van de matrijs te optimaliseren en te gaan vergelijken met de huidige situatie. Is er nog verbetering mogelijk zonder de temperatuur van het koelwatercircuit te moeten aanpassen. Er zijn drie redenen waarom deze temperatuur op 18 °C in plaats van op 12 °C wil gehouden worden: -

Geen condensatie op de matrijs: een lage koelwatertemperatuur brengt een lage matrijstemperatuur mee. Hierdoor kan vocht op de matrijswanden komen te staan die slechte producten tot gevolg hebben. Ook kan het ontstaan van vocht op de matrijswanden leiden tot corrosieproblemen.

-

Mogelijkheid voor koeltoren: deze kan 64% van het jaar gebruikt worden indien de temperatuur 18 °C moet zijn. Verlagen in

temperatuur betekent dat

meer energievragende

machines,

zoals

koelcompressoren, moeten ingeschakeld worden om de koelwatertemperatuur voldoende laag te houden. -

Hoger rendement compressor: Indien de temperatuur toch te hoog is en de koeltoren het water niet meer voldoende afgekoelt, is er nog een serie van vier koelcompressoren die de watertemperatuur laag kunnen houden. Deze hebben een hoger rendement wanneer moet gekoeld worden bij 18 °C. (dalen in temperatuur betekent een hoger specifiek volume en hierdoor daalt het koelvermogen en bijgevolg het rendement).

Om te gaan kijken wat de verandering van koelsituatie kan geven als voordelen, kan het met elkaar vergeleken worden naar cyclustijd en bijgevolg ook naar kostprijs toe. Stel dat als standaard in het bedrijf meting 8 genomen wordt. Dit is bij 20 °C (standaard koelwatertemperatuur), koelkanaaldiameter van 7 mm (standaard is 7 of 8 mm) en lange koelslangen van diameter 12mm die er naartoe lopen. Verder is het debiet vergelijkbaar met andere matrijzen. Deze situatie kan vergeleken worden met andere, meer optimale metingen uit de grafiek in figuur 5.4, zoals meting 13 en 14 (hoog debiet door collector, maar ene op 18 °C en de andere meting op 12 °C). Dit wordt toegepast op de grafiek van PP, om een vergelijking te kunnen maken naar cyclustijdwinst (figuur 5.5).

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


Vergelijking cyclustijden voor PP 80

Ontvormtemperatuur (°C)

70 60 50 40 30 20 10 0 0

5

10

15

20

25

30

35 Cyclustijd (s)

Figuur 5.5:Vergelijking van de cyclustijdwinst door verlaagde ontvormtemperatuur.

In deze grafiek is de rode lijn meting 8, geel meting 13 en groen meting 14. Op de x – as is aangeduid wat de cyclustijdwinsten zijn per meting. In getallen uitgedrukt: Meting

Verschil ontvormtemperatuur (°C)

Verschil Cyclystijd (sec)

Cyclustijdwinst (sec)

Meting 8 --> 13

66,6 --> 57,8

24,5 --> 27,5

3

Meting 8 --> 14

66,6 --> 53,4

24,5 --> 29,0

4,5

Dit wil zeggen dat het uitboren van de koelkanalen, het monteren van een collector en het gebruik van koelslangen met een grote diameter, de cyclustijd kunnen doen afnemen met 3 seconden, zonder daarbij de watertoevoer te veranderen of aan te passen. Wordt de watertoevoer aangepast in temperatuur naar 12 °C (meting 14), dan is een cyclustijdwinst mogelijk van 4,5 seconden. De berekening van deze cyclustijd is gebaseerd op de gegenereerde trendlijn in Excel, die een vergelijking berekent voor het verband tussen cyclustijd en ontvormtemperatuur, in der veronderstelling dat deze onafhankelijk is van koelsituatie, diameter, ... Deze vergelijking is terug te vinden in figuur 5.3.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 85 Masterproef Wat betekent dit alles nu in kostprijs? De kostprijs per stuk is voor een cyclustijd van 27 seconden 0,1833 €, terwijl deze voor een cyclustijd van 27 seconden – 3 seconden = 24 seconden, 0,1630 € bedraagt. Dit is een daling in machinekost van ongeveer 2 cent per stuk. In totaal komt dit op een besparing van 3 euro per uur en 72 euro per dag productie voor dit stuk, enkel door de koeling aan te passen. Wordt de temperatuur van het koelwater ook aangepast, dan daalt de machinekost per stuk naar 0,153 €, wat een besparing van 3 cent per stuk oplevert. Dit is 4,8 euro per uur en 115,2 € per dag. Hier komt dan echter wel de nadelen bij die eerder vermeld zijn, alsook de veel hogere energieconsumptie. Deze doet de kostprijs opnieuw stijgen, wat de cyclustijd verbetering teniet doet. Het verminderen in machinekost per stuk gaat gepaard met een verhoging het aantal geproduceerde stuks per uur.

5.3 GEWICHT Het gewicht werd gemeten op het KHBO met een digitale weegschaal, die nauwkeurig meet tot op 0,01 gram. De resulaten zijn terug te vinden in onderstaande grafiek.

Stukgewicht (gr)

Gewicht 60,00 58,00 56,00 54,00

PS

52,00

PP

50,00

Moldflow PS Moldflow PP

48,00 46,00 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Meting

Figuur 5.6: Grafiek met weergave van de verschillende stukgewichten

Door de hogere dichtheid van PS is er de veel grotere stukmassa vergeleken met het gewicht van PP, voor éénzelfde volume. Het is ook duidelijk dat de stukgewichten amper schommelen vergeleken met de

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Anziplast Tavernier NV 86 Masterproef simulaties, waar grotere veranderingen in stukgewichten voorspeld waren. Omdat de verschillen amper verschillen van elkaar, is het moeilijk om conclusies te trekken uit dit resultaat (merk op dat de schaalverdeling aangepast is om verandering weer te geven). Besluiten zijn bijgevolg amper te trekken, behalve dat de koeling een minimale invloed heeft op de vulling van de holte en het gewicht van het product. Een veel grotere invloedsfactor hierop is de nadruktijd en het niveau ervan. Deze werden echter constant gelaten, wat ervoor zorgt dat het gewicht niet veel gaat verschillen.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


6 BE S L UIT De doelstelling van de masterproef was om te onderzoeken wat de invloeden zijn van de koelparameters op de vormkoeling tijdens het spuitgieten. Tijdens de analyse van de meetresultaten werd duidelijk dat de afmetingen en krimp geen goede parameter waren voor het bekijken van de efficiëntie van de koeling. Daarom werd overgeschakeld op de studie van de ontvormtemperatuur, om zo een reductie van cyclustijd en kostprijs te verkrijgen. Om in de toekomst toch nog een goed ontwerp te maken naar krimp toe, is het belangrijk te onthouden dat het ontwerp van een matrijs naar ontvormbaarheid en niet naar afmetingen. De afmetingen die vereist worden van het product kunnen vastgelegd worden door de matrijsafmetingen aan te passen aan eerdere, gekende ontwerpen en cyclustijden. De ontvormtemperatuur moet zo laag mogelijk gebracht worden. Hoe lager deze is, hoe korter de koeltijd kan gemaakt worden en hoe efficiënter geproduceerd kan worden. Het verlagen van de ontvormtemperatuur kan gebeuren door de diameter te verhogen, het debiet te verhogen door de matrijs, een zo laag mogelijke drukval te realiseren tussen pomp en matrijs, de koelkanalen dichter bij het stuk te brengen en de koelwatertemperatuur lager te brengen. Aan deze laatste moet aandacht besteed worden om condensatie te vermijden, het rendement van de compressor niet te verlagen en om minder gebruik van de koeltoren te hebben (energetisch het meest gunstige koelmiddel). Het toepassen van een centrale collector op de matrijs heeft niet alleen voordelen naar drukval toe, het brengt ook betere montagemogelijkheden met zich mee. Zo kan per matrijs een collector er bovenop voorzien worden die via vaste koelslangen naar de matrijs loopt. Deze slangen moeten minstens de diameter van de koelkanalen in de matrijs hebben en zonder knelpunten gemonteerd worden (bv te scherpe bocht). Door deze collector vast te monteren, moet bij het opzetten van de matrijs enkel de centrale toe – en afvoer gemonteerd worden. Dit brengt niet alleen een tijdsvoordeel met zich mee, het voorkomt fouten van verkeerde montage of gebruik van te lange slangen, wat een vermindering in debiet meebrengt. Ook de snelkoppelingen waarmee normaal gewerkt wordt op de matrijs zijn weg, wat nog eens een vermindering in drukval betekent.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010


7 BIB LIO GR AP HY Bayer. (2010, May 11). Opgeroepen op May 25, 2010, van Bayer: www.bayer.com Liebschner, T. (2007, Mei 30). Boxplots and Stem-and-Leaf Displays. Opgeroepen op Mei 25, 2010, van Ni Developor Zone: http://zone.ni.com Rees, H. (2002). Mold Engineering. Verlag: Hanser. Van Hoye, W. Koeling bij de Kunststofverwerking. Kortrijk: VKC. Wylleman, M. (2008). Technologie van Spuitgietmatrijzen. Oostende: KHBO, Departement IW&T.

Brent Delhaye

Master IKV - 2009 – 2010

Deze eindverhandeling was een examen. De tijdens de verdediging geformuleerde opmerkingen werden niet opgenomen

Recommend Documents