Edice PhD Thesis, sv. 333 ISSN Ing. Michal Staněk. Modelování procesu

VĚDECKÉ SPISY VYSOKÉHO UČENÍ TECHNICKÉHO V BRNĚ

Edice PhD Thesis, sv. 333 ISSN 1213-4198

Ing. Michal Staněk

ISBN 80-214-3025-7

Modelování procesu tváření polymerů, včetně technologického řešení nástrojů

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta strojního inženýrství Ústav strojírenské technologie

Ing. Michal Staněk Modelování procesu tváření polymerů, včetně technologického řešení nástrojů Modelling of polymers forming process inc. tools design

zkrácená verze Ph.D. Thesis

Obor:

Strojírenská technologie

Školitel:

Doc. Ing. Miroslav Maňas, CSc.

Oponenti:

Prof. Ing. Alexander Janáč, CSc. Doc. Ing. Pavel Rumišek, CSc. Mgr. Ing. Vladislav Sudník, CSc.

Datum obhajoby: 24. 6. 2005

Klíčová slova: Vstřikování plastů, vstřikovací forma, drsnost povrchu, tavenina, zatíkavost, polymer

Key words: Injection molding, injection mold, surface roughness, melt, flowability, polymer

Místo uložení práce: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Ústav strojírenské technologie, Technická 2896/2, 616 69 Brno

Všechna práva vyhrazena. Žádná z částí této práce nesmí být použita bez písemného souhlasu autora. Dílo je chráněno jako dílo dle autorského zákona v platném znění.

© Michal Staněk, 2005 ISBN 80-214-3025-7 ISSN 1213-4198


OBSAH ÚVOD ................................................................................................................................................ 5 1

STUDIJNÍ A TEORETICKÁ ČÁST........................................................................................... 6 1.1 Vstřikování............................................................................................................................. 6 1.1.1 Vstřikovací cyklus ......................................................................................................... 6 1.1.2 Vstříknutí taveniny do formy ......................................................................................... 7 1.2 Vstřikovací stroj..................................................................................................................... 8 1.3 Vstřikovací forma .................................................................................................................. 9 1.4 Kvalita obrobeného povrchu.................................................................................................. 9 1.4.1 Drsnost povrchu............................................................................................................ 9

2

STANOVENÍ CÍLŮ PRÁCE..................................................................................................... 11

3

EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST...................................................................................................... 12 3.1 Vstřikovací forma ................................................................................................................ 12 3.1.1 Pravá část vstřikovací formy....................................................................................... 12 3.1.2 Levá část vstřikovací formy......................................................................................... 13 3.1.3 Zkušební desky ............................................................................................................ 14 3.2 Použité polymery ................................................................................................................. 15 3.3 Vstřikování vzorků............................................................................................................... 15 3.4 Simulace vstřikovacího procesu........................................................................................... 16

4

VÝSLEDKY MĚŘENÍ.............................................................................................................. 17 4.1 Vliv materiálu a kvality povrchu desky na délku zatečení .................................................. 17 4.2 Vliv velikosti vtoku na délku zatečení................................................................................. 18 4.3 Vliv vstřikovacího tlaku na délku zatečení .......................................................................... 18 4.4 Vliv vstřikovací rychlosti na délku zatečení ........................................................................ 19

5

DISKUSE VÝSLEDKŮ ............................................................................................................ 21

6

EKONOMICKÉ PŘÍNOSY....................................................................................................... 23

7

ZÁVĚR ...................................................................................................................................... 23

PŘEHLED POUŽITÉ LITERATURY............................................................................................ 24 CURICULUM VITAE..................................................................................................................... 26 ABSTRAKT..................................................................................................................................... 27 ABSTRACT..................................................................................................................................... 27

3


ÚVOD Plastové výrobky zaznamenaly v minulém století, které je mimochodem i stoletím jejich největších objevů a vývoje, značný rozvoj. Neobyčejně rychlé a všestranné rozšíření výroby a zpracování polymerů má několik hlavních důvodů. Mezi hlavní důvody patří možnost nahrazení klasických materiálů (kovy, keramika, sklo, dřevo aj.) právě polymery, které mají navíc odlišné vlastnosti od klasických materiálů umožňující využití polymerů ke zcela novým aplikacím a novým řešením materiálových problémů. Dynamický rozvoj použití plastů pro technické výrobky má základ v široké surovinové základně a nízké ceně. Předností plastů je rychlá sériová výroba s možností plné automatizace vedoucí k ušetření pracovní síly. Odpadají také nákladné povrchové úpravy a náklady na údržbu. Nezanedbatelnou výhodou při zpracování plastů je malé procento materiálového odpadu. Termoplasty lze snadno recyklovat. Použité výrobky nebo odpad z výroby mohou být opětovně zpracovány. Jednou z nejrozšířenějších a nejoblíbenějších zpracovatelských technologií je vstřikování polymerů. Hlavní fází vstřikování je transport polymerní taveniny do formy, kde polymer tuhne a získává tvar požadovaného výrobku. Vstřikování probíhá za neizotermních podmínek, kdy dochází k procesu tuhnutí taveniny ovlivněnému souborem reologických vlastností polymerů. Plnění dutiny formy je nejdůležitějším úsekem celého vstřikovacího cyklu, který rozhoduje o vlastnostech hotového výrobku. Jedná se o děj trvající velmi krátkou dobu, jen několik desetin sekundy nebo několik málo sekund a probíhající značně složitým mechanismem. Plnění dutiny formy závisí na tlaku uvnitř formy, vstřikovací rychlosti, teplotě taveniny, teplotě formy a reologických charakteristikách vstřikovaného materiálu. Při samotné výrobě vstřikovacích forem se používá celá řada obráběcích technologií, ať už konvenčních, tak i nekonvenčních. Je zde kladen vysoký důraz především na přesnost a kvalitu jednotlivých částí formy.

5


1 STUDIJNÍ A TEORETICKÁ ČÁST 1.1

VSTŘIKOVÁNÍ

Vstřikováním se označuje takový způsob tváření polymerních materiálů, při kterém se plastikovaný materiál plní vysokou rychlostí (vstřikuje) do uzavřené dutiny temperované formy. Technologie vstřikování je nejrozšířenějším způsobem výroby požadovaných dílů z plastů. Vyznačuje se poměrně složitým fyzikálním procesem, na kterém se podílí polymer, vstřikovací stroj a forma. Umožňuje ekonomicky produkovat kvalitní a dostatečně přesné výrobky (výstřiky) ze širokého výběru plastů. Vstřikování má několik dalších výhod. Například pečlivé navržení formy může eliminovat další opracování. Vtokové zbytky lze v případě termoplastů rozemlít a znovu zpracovat, čímž se ztráty polymeru zmenšují na minimum. Vstřikovací cyklus je relativně rychlý a lze jej dalekosáhle automatizovat. 1.1.1 Vstřikovací cyklus kanálky pro chladící kapalinu samočinné topný válec vyhazovače tryska šnek a)

c)

pohyblivá část formy

pevná část formy

d)

b) vtok výstřik

Obr. 1 Vstřikovací cyklus a) plastikace (šnek se otáčí a posouvá zpět, plastikuje materiál a dopravuje ho k trysce), b) vstříknutí taveniny do formy a dotlak (šnek se posune dopředu jako píst), c) chladnutí hmoty ve formě a začátek opětovné plastikace, d) otevření formy a vyhození výstřiku, pokračování plastikace

6


Vstřikovací cyklus zahrnuje dvě oblasti, jedna se vztahuje k plastikační jednotce, druhá k formě a uzavírací jednotce. K uzavřené formě se přisune plastikační a vstřikovací jednotka, ze které se plastikovaný materiál vstříkne do dutiny formy. Doba, po kterou se dutina formy plní, se nazývá doba plnění. Po naplnění dutiny formy se dále na materiál působí tlakem, který se označuje jako dotlak. Dotlak bývá stejný nebo nižší než vstřikovací tlak. Řízení dotlaku se odvozuje od tlaku dosaženého v dutině formy nebo od polohy vstřikovacího pístu. Doba, po kterou působí dotlak, se nazývá doba doplňování. Dotlak má částečně vyrovnávat vliv smrštění výrobku v průběhu chlazení. Doba doplňování je omezena zatuhnutím materiálu ve vtokovém systému. Chlazení výstřiku probíhá z části ve formě a z části mimo ní.

1.1.2 Vstříknutí taveniny do formy Účelem této fáze je dokonale naplnit tvarovou dutinu formy taveninou pod tlakem 50 až 200 MPa, podle viskozity taveniny, členitosti a tloušťky stěn výstřiku. Při vstřikování se šnek neotáčí, ale posune se hydraulicky vpřed a jako píst vytlačí taveninu z válce skrz trysku do formy. V zájmu získání výstřiku s dobrými fyzikálními vlastnostmi a dobrým povrchem se plnění formy musí řídit tak, aby tavenina nevtékala do formy volným paprskem (obr. 2a), ale aby materiál vtékal do formy postupně. Při tomto způsobu laminárního plnění vzniká plastické jádro, které umožňuje stlačení taveniny ve formě a dotlačování. Pro většinu výstřiků se volí konstantní vstřikovací rychlost daná rychlostí axiálního posunu šneku. Při zaplňování dutiny formy nedochází ke skluzu taveniny po stěně, ale dochází k ,,valení“ taveniny. Tento laminární tok je taky označován jako ,,fontánový tok“, viz. obr.3. Jakmile je forma naplněna, nastává stlačování taveniny. Tlak ve formě i v hydraulice prudce stoupne a vstřikovací rychlost náhle poklesne. V tom okamžiku tlak dosahuje maximální hodnoty, vzniká tlaková špička, která převyšuje nastavenou hodnotu tlaku. Jestliže má stroj nedostatečnou uzavírací sílu nebo je malá tuhost formy, může dojít k nepatrnému otevření či prohnutí, tzv. dýchnutí formy. To se projeví vznikem nežádoucích přetoků.

7


Obr. 3 Zaplňování dutiny formy taveninou 1.2

VSTŘIKOVACÍ STROJ

11 12 15 13 10 8 14 9 7 1 2 3 4

5

6

Obr. 5 Vstřikovací stroj 1 – rám stroje, 2 – tavící komora, 3 – torpédo, 4 – topení, 5 – násypka, 6 – vstřikovací píst, 7 – vstřikovací tryska, 8 – vstřikovací forma, 9 – upínací desky, 10 – vedení, 11 – hydraulický píst, 12 – doraz vyhazovače, 13 – vyhazovač, 14 – výstřik, 15 – nosný sloup V současné době existuje velký počet různých konstrukcí strojů, které se od sebe liší svým provedením, stupněm řízení, stálostí a reprodukovatelností jednotlivých parametrů, délkou vstřikovacího cyklu, snadnou obsluhou i cenou.

8


1.3

VSTŘIKOVACÍ FORMA

Forma dává tavenině po ochlazení výsledný tvar a rozměry výrobku při zachování požadovaných fyzikálních vlastností. Vstřikovacích forem se používá při zpracování termoplastů, reaktoplastů i kaučukových směsí. Řešení vstřikovací formy vychází z technologického projektu příslušného výstřiku. V podstatě se musí respektovat jak vlastnosti zpracovávaných materiálů, tak také možnosti výrobních zařízení i požadavky na kvalitu výrobku a produktivitu práce.

1.4

KVALITA OBROBENÉHO POVRCHU

Pod pojmem kvalita povrchu při obrábění se rozumí: drsnost povrchu fyzikálně-mechanické vlastnosti povrchové vrstvy (tvrdost, zpevnění a zbytkové napětí) fyzikálně-chemický stav povrchu Stav povrchu je závislý na procesu obrábění, na použitém nástroji a stupni opotřebení břitu a také na statické a dynamické tuhosti celého systému, to znamená stroje, obrobku, nástroje a upínání. Kvalita povrchu má vliv na únavovou pevnost, odolnost proti opotřebením, kvalitu lícování, kluzné vlastnosti, odolnost proti korozi, vzhled atd.

1.4.1 Drsnost povrchu Do drsnosti povrchu zahrnujeme hlavně stopy po nástroji a deformace při oddělování třísky, např. od hrotu soustružnického nože, po jednotlivých brusných zrnech apod. Velikost a charakter drsnosti závisí na technologických podmínkách (způsob obrábění, řezné parametry, mechanicko-fyzikální vlastnosti materiálu nástroje a obrobku atd.).

9


Kvantitativní kontrola drsnosti povrchu součástí je nejmladším oborem dílenských měření. Optické a mechanické přístroje zpravidla jen reprodukují mikrogeometrické nerovnosti povrchu zvětšených obrazem křivky profilu. Novější elektronické profilometry udávají většinou přímo i číselné hodnoty určitých veličin, které byly zvoleny a jsou stanoveny normami jako ukazatele průměrné drsnosti. Tab.1 Přesnost a drsnost povrchu při různých způsobech obrábění Druh obrábění Soustružení

Vrtání Vyhrubování Vystružování Frézování

Broušení

Honování Lapování Superfinišování

10

hrubé polohrubé jemné

hrubé polohrubé jemné hrubé polohrubé jemné

Dosažitelná drsnost povrchu Ra [µm] 6,3 až 25 1,6 až 6,3 0,2 až 1,6 3,2 až 12,5 0,8 až 3,2 0,2 až 0,8 6,3 až 25 1,6 až 6,3 0,8 až 1,6 1,6 až 3,2 0,4 až 1,6 0,1 až 0,4 0,05 až 0,8 0,025 až 0,4 0,01 až 0,1

Dosažitelná přesnost

IT4 až IT10 IT10 až IT12 IT9 až IT10 IT6 až IT9 IT6 až IT12

IT3 až IT10 IT2 až IT5 IT1 až IT5 IT1 až IT4


2 STANOVENÍ CÍLŮ PRÁCE Cílem této disertační práce je zhodnotit vliv technologických parametrů a jakosti povrchu dutiny formy na zatékavost polymerní taveniny. Postup: 1. Návrh a konstrukce vstřikovací formy pomocí systému CATIA. Nástroj (vstřikovací forma) musí umožňovat snadnou výměnu funkčních částí s různou drsností povrchu. Vypracování komplexní dokumentace a výroba formy. 2. Simulace toku taveniny pomocí programu Moldflow. Simulací ověřit správnost konstrukčního návrhu a připravit podmínky pro vstřikování vzorků. 3. Změření drsnosti povrchu zkušebních desek vstřikovací formy. K měření použít dostupných dotykových i bezdotykových metod měření drsnosti povrchu. 4. Návrh vhodných typů polymerů. 5. Příprava vzorků na vstřikovacím stroji Demag Ergotech. Vzorky připravit při použití desek s rozdílnou drsností povrchu při různých technologických podmínkách. 6. Vyhodnocení výsledků experimentů a statistická vyhodnocení naměřených výsledků.

11


3 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST 3.1

Vstřikovací forma

Pro účely měření byla vyrobena speciální vstřikovací forma, která byla nakreslena pomocí software CATIA V5.

3.1.1 Pravá část vstřikovací formy V pravé části vstřikovací jsou připevněny výměnné desky s různou drsností povrchu. Je vybavena otvory pro umístění tlakových a teplotních čidel k měření provozních charakteristik.

Obr. 7 Pravá část vstřikovací formy 1 – termoizolační deska, 2 – upínací deska, 3 – rozpěrka, 4 – opěrná deska, 5 – zkušební deska, 6 – vtoková vložka, 7 – konektor tlakového čidla, 8 – tlakové čidlo, 9 – teplotní čidlo, 10 – vodící čep

12


3.1.2 Levá část vstřikovací formy Levá část vstřikovací formy (tzv. strana vyhazovačů) je uchycena k pohyblivé části vstřikovacího stroje. Její součástí je také vyhazovací systém, který slouží k odformování výrobku z dutiny formy. Po dostatečném ochlazení taveniny tato část formy odjíždí a dochází k otevření formy. Po odjetí do koncové pozice dojde následně k protipohybu vyhazovačů a odformování výstřiku. Tento pohyb je vyvozen pomocí tzv. tahače, který je pevně spojen s vyhazovacím systémem.

Obr. 8 Levá část vstřikovací formy 1 – termoizolační desky, 2 – upínací desky, 3 – rozpěrka, 4 – rozpěrka, 5 – tvarová deska, 6 – opěrná deska, 7 – kotevní deska, 8 – opěrná deska, 9 – tahač, 10 – vytrhávač vtoku, 11 – vyhazovač, 12 – vodící pouzdro, 13 – přívod temperačního média

13


3.1.3 Zkušební desky Tab.2 Obrobené povrchy zkušebních desek Foto povrchu Technologie obrábění Drsnost povrchu Kontaktní m.: Leštění Ra = 0,1020 µm Bezkontaktní m.: Ra = 0,4208 µm Broušení

Kontaktní m.: Ra = 0,1720 µm Bezkontaktní m.: Ra = 0,4530 µm

Elektroerozivní obrábění (jemný dezén)

Elektroerozivní obrábění (hrubý dezén)

Frézování

Kontaktní m.: Ra = 4,0550 µm Bezkontaktní m.: Ra = 4,3638 µm Kontaktní m.: Ra = 9,5660 µm Bezkontaktní m.: Ra = 12,7434 µm Kontaktní m.: Ra = 4,4990 µm Bezkontaktní m.: Ra = 4,9996 µm

Sklokeramická deska

Kontaktní m.: Ra = - µm Bezkontaktní m.: Ra = 0,1096 µm

14


Funkční povrchy zkušebních desek byly obrobeny čtyřmi různými metodami: leštění, broušení, frézování a elektrojiskrové obrábění (Tab.2). Drsnost povrchu a způsoby obrábění těchto desek byly voleny tak, aby byly vystiženy nejpoužívanější metody obrábění při výrobě vstřikovacích forem. 3.2

Použité polymery

Pro vstřikování byly použity materiály: polypropylen s označením Mosten GB 003, nízkohustotní polyethylen Bralen VA 20-60, polyester na bázi TPU Ellastolan C 78 A, akrylonitril-butadien-styren Polylac PA 757, polypropylen plněný 20% mastku Taboren PH 89 T20, polypropylen plněný 10% mastku Keltan TP 7603. Materiály byly vstřikovány do formy vytemperované na teplotu 50°C.

3.3

Vstřikování vzorků

Při zpracování polymerních materiálů vstřikováním je nutné, aby materiál v podobě taveniny dostatečně zatekl a zcela vyplnil dutinu formy. Důležitým faktorem ovlivňujícím zatékavost materiálu ve formě je jakost obrobeného povrchu vyjadřovaná nedokonalostí povrchu. V dutině formy se tato jakost povrchu podílí jak na délce zatečení tak i na vzhledu povrchu výstřiku. V rozvodných kanálech má vliv především na tokové vlastnosti taveniny. Z tohoto lze předpokládat, že nároky na jakost povrchu jsou vysoké a je nutné používat technologie obrábění, které jsou schopny dosáhnout vysoké jakosti povrchu. Mezi tyto technologie patří především broušení, leštění, lapování, honování a superfinišování. Tyto metody jsou však poměrně drahé a časově náročné, proto bylo nutné zjistit jak velký vliv má drsnost obrobeného povrchu na zatékavost materiálu, především v rozvodných kanálech formy. Pro tyto účely byla zkonstruována a vyrobena speciální vstřikovací forma. Variabilní řešení formy umožňuje měnit druh a velikost vtoku a tvarové desky s různou kvalitou povrchu. Forma je temperována, vybavena tlakovým a teplotních čidlem pro měření tlaku a teploty polymeru v dutině formy. Vstřikovaná zkušební tělesa mají tvar spirály. Šířka spirály je 6 mm, tloušťka 1mm, maximální délka zatečení spirály muže být až 2 m. U zkušebních vzorků byla po vystříknutí měřena délka zatečení. Měření byla provedena opakovaně a výsledky byly následně statisticky zpracovány.

15


Tab. 2 Přehled sledovaných parametrů při měření Materiál:

Povrch desky:

Velikost vtoku:

Vstřikovací tlak:

Vstřikovací rychlost:

Mosten

Leštěná

2 mm

4 MPa

30 mm/s

Elastollan

Broušená

4 mm

6 MPa

60 mm/s

Keltan

Frézovaná

6 mm

8 MPa

90 mm/s

Bralen

Jemný dezén

10 MPa

Polylac

Hrubý dezén

12 MPa

Taboren 3.4

Simulace vstřikovacího procesu

Pro porovnání se skutečností byla provedena simulace vstřikovacího procesu v programu Moldflow 5. Podmínky v programu byly nastaveny stejně jako při samotném vstřikování. Byla sledována délka zatečení vstřikovaného polymerního materiálu do dutiny formy. Porovnání proběhlo pouze u leštěné desky, protože v programu Moldflow není možné nastavit jakost povrchu dutiny. Byla shledána vysoká shoda mezi hodnotami získanými při testech a simulaci (obr.9).

a)

b)

Obr. 9 Výsledná délka zatečení při vstřikovacím tlaku 10 MPa a – simulace vstřikování v programu Moldflow b – skutečná spirála

16


4 VÝSLEDKY MĚŘENÍ 4.1

Vliv materiálu a kvality povrchu desky na délku zatečení

Z výsledků měření je patrný rozdíl v délce zatečení jednotlivých polymerů v závislosti na jejich tokových vlastnostech. Tato tendence se předpokládala. Překvapující je naopak délka zatečení v závislosti na drsnosti povrchu zkušební desky. 200 198

Mosten

285

Keltan

280 délka zatečení [mm]

194 192 190 188 186

275 270 265 260

184

255

182

250

180 Leštěná deska

Broušená deska

Jemný dezén

Frézovaná deska

Leštěná deska

Hrubý dezén

Broušená deska

Jemný dezén

Frézovaná deska

Hrubý dezén

300

Elastollan Polylac Mosten Bralen Taboren Keltan

250

délka zatečení [mm]


196

200

150

Keltan 100

Taboren Bralen Mosten

50

Polylac Leštěná deska

Broušená deska

Jemný dezén

Elastollan Frézovaná deska

Hrubý dezén

Obr. 10 Závislost délky zatečení na povrchu desky a materiálu (vstřikovací tlak 8 MPa, vtok 6 mm, vstřikovací rychlost 90 mm.s-1)

17


Očekávaná tendence, kdy délka zatečení roste se snižující se hodnotou drsností povrchu, nebyla potvrzena. Naopak, z následujícího obrázku je zřejmé, že délka zatečení byla větší u povrchů s vyšší hodnotou drsnosti.

4.2

Vliv velikosti vtoku na délku zatečení

Velikost vtoku byla měněna jednoduchým otočením vytrhávače vtoku (Obr.8 – pozice č.10) a aretací v příslušné poloze pomocí aretačního pouzdra. Byly použity tři různé velikosti vtoku 2, 4 a 6 milimetrů. Vliv velikosti vtoku a drsnosti povrchu desky na zatečení polymerní taveniny do dutiny formy je možno sledovat na Obr.11. Obecně platí, že čím větší vtok tím lépe tavenina teče, což se potvrdilo. Na ose, kde jsou vyneseny jednotlivé desky je opět vidět rozdíl v délce zatečení podle kvality obrobeného povrchu.

165


160 vtok 2 mm vtok 4 mm vtok 6 mm

155

150

145

vtok 6 mm 140

vtok 4 mm Leštěná deska

Broušená deska

Jemný dezén

vtok 2 mm Frézovaná deska

Hrubý dezén

Obr. 11 Závislost délky zatečení na povrchu desky a vtoku (Mosten, vstřikovací tlak 6 MPa, vstřikovací rychlost 90 mm.s-1)

4.3

Vliv vstřikovacího tlaku na délku zatečení

Vstřikovací tlak se významnou měrou podílí na zatékavosti polymerního materiálu do dutiny formy. Vstřikovací forma bývá většinou konstruována na konkrétní výrobek z určitého druhu polymerního materiálu. Pro tento výrobek se nastaví

18


optimální parametry vstřikovacího procesu včetně vstřikovacího tlaku. Při vstřikování spirálových vzorků byla použita škála vstřikovacích tlaků od 4 MPa do 10 MPa. Při nižších tlacích nedocházelo k zatečení materiálu do dutiny formy a při tlacích vyšších docházelo k pootevření formy. Z naměřených hodnot je patrné, že se zvyšujícím se tlakem jednoznačně dochází ke zvýšení délky zatečení. Délka zatečení vzhledem k drsnosti povrchu desky je opět větší u desek s horším povrchem.

240

220 tlak 4 MPa tlak 6 MPa tlak 8 MPa tlak 10 MPa


200

180

160

140

120

tlak 10 MPa tlak 8 MPa

100

tlak 6 MPa Leštěná deska

Broušená deska

Jemný dezén

tlak 4 MPa Frézovaná deska

Hrubý dezén

Obr. 12 Závislost délky zatečení na povrchu desky a vstřikovacím tlaku (Mosten, vtok 6 mm, vstřikovací rychlost 90 mm.s-1)

4.4

Vliv vstřikovací rychlosti na délku zatečení

Vstřikovací rychlost se podobně jako vstřikovací tlak velkou mírou podílí na ovlivnění vstřikovacího procesu. Pro přípravu vzorků byly použity vstřikovací rychlosti 30, 60 a 90 mm.s-1. S ohledem na možnosti vstřikovacího stroje se jednalo o rychlosti v dolním, středním a horním pásmu nastavení vstřikovacího stroje.Vliv vstřikovací rychlosti na zatečení polymerní taveniny je znázorněn v grafu (Obr.13). Předpoklad lepšího zatečení se zvyšující se vstřikovací rychlostí se potvrdil. Při sledování délky zatečení s ohledem na drsnost povrchu se, podobně jako v předchozích kapitolách, jevila tendence lepšího zatečení u desek s vyšší hodnotou drsnosti povrchu.

19


235 230


225 vtřikovací rychlost 30 mm/s vtřikovací rychlost 60 mm/s vtřikovací rychlost 90 mm/s

220 215 210 205 200 195

vtřikovací rychlost 90 mm/s 190

vtřikovací rychlost 60 mm/s Leštěná deska

Broušená deska

Jemný dezén

vtřikovací rychlost 30 mm/s Frézovaná deska

Hrubý dezén

Obr. 13 Závislost délky zatečení na povrchu desky a vstřikovací rychlosti (Keltan, vstřikovací tlak 6 MPa, vtok 6 mm)

20


5 DISKUSE VÝSLEDKŮ Cílem disertační práce bylo provést analýzu vlivu drsnosti povrchu formy na tokové vlastnosti (zatékavost) polymerní taveniny při různých technologických podmínkách. Pro tyto účely byla připravena sada desek s různou drsností povrchu: leštěný, broušený, jemný dezén, frézovaný a hrubý dezén. Skutečná jakost povrchu byla vyhodnocena na základě naměřených parametrů drsnosti Ra a Rz. Naměřené hodnoty pomocí kontaktní metody se pohybovaly v rozmezí Ra = 0,1 až 9,57 µm, Rz = 0,82 až 59,63 µm a pomocí bezkontaktní metody v rozmezí Ra = 0,42 až 12,74 µm, Rz = 3,32 až 80,87 µm. Speciálním případem byla sklokeramická deska s hodnotami Ra = 0,11 µm a Rz = 0,59 µm. Pro měření zatékavosti byla připravena zkušební forma s dutinou ve tvaru spirály. Byla měřena délka zatečení různých polymerů s odlišným indexem toku taveniny, různé drsnosti povrchu desek, typy vtoků a procesní parametry (vstřikovací tlak a vstřikovací rychlost). Každé měření bylo provedeno na deseti vzorcích (pro každou změnu parametrů) a výsledky byly statisticky vyhodnoceny. Po vyhodnocení naměřených hodnot pro použité materiály bylo zjištěno: 1. Délka zatečení je větší u desek s vyšší hodnotou drsnosti povrchu. Toto zjištění lze považovat za velmi důležité s možným přímým dopadem na výrobní praxi. 2. U všech vstřikovaných materiálů byl největší rozdíl v délce zatečení mezi deskou s nejnižší a nejvyšší hodnotou drsnosti povrchu, vždy ve prospěch desky s vyšší drsností. 3. Analýza vlivu velikosti vtokového ústí ukazuje, že délka zatečení se zvyšuje s velikostí vtoku. 4. Vstřikovací tlak ovlivňuje délku zatečení, čím vyšší je vstřikovací tlak, tím větší délka spirály byla naměřena. Rozdíly mezi délkami zatečení při nízkém a vysokém vstřikovacím tlaku jsou natolik významné, že je možno tuto tendenci za daných podmínek považovat za prokázanou. 5. Vstřikovací rychlost vykazuje příznivý vliv na délku zatečení. Rozdíl v délkách zatečení mezi leštěnou deskou a deskou s hrubým dezénem se jeví přibližně stejný při všech rychlostech vstřikování.

21


6. Analýza Moldflow neumožňuje zadávat různé hodnoty drsnosti povrchu. Pro leštěný povrch (který analýza Moldflow předpokládá) byla shledána velmi dobrá shoda mezi skutečnými (naměřenými) hodnotami a hodnotami zjištěnými simulací. Maximální rozdíly nebyly větší než 5 %. Výsledky všech provedených zkoušek vykazují zcela jednoznačnou tendenci zlepšování tokových charakteristik se zvyšující se drsností příslušných tokových kanálů. Vyplývá z toho, že zejména rozvodné kanály, ale i vlastní dutiny forem, u nichž nejsou kladeny specifické nároky na kvalitu povrchu (nefunkční či nepohledové povrchy dílů) mohou být obráběny běžnými technologiemi, bez nutnosti použít drahých dokončovacích operací. V odborné praxi převládá názor, že čím lepší je kvalita povrchu, tím lepší budou podmínky pro tok taveniny. Experimenty provedené v rámci předložené disertační práce tyto předpoklady nejen nepotvrdily, ale ukázaly tendenci zcela opačnou. Důvod pro tato zjištění je možno hledat v podmínkách toku, které se na jednotlivých površích vytvoří. Při vysokých rychlostech, kterými proudí tavenina kanály může částečně docházet k pístovému toku. U drsných povrchů s hlubšími stopami po nástrojích dojde k zatečení do jednotlivých nerovností a vytvoření hladkého filmu s malým třením mezi taveninou a polymerním filmem. Na velmi jemně obrobených površích (hladké povrchy s minimálními stopami po nástrojích) k tvorbě filmu na povrchu nemusí dojít. Výsledkem je pak pohyb polymeru přímo po povrchu kanálu, kde lze očekávat odpory proti toku mnohem vyšší. Důsledkem tohoto jevu je menší délka zatečení v porovnání s tokem po drsnějších plochách. Protože uvedený problém představuje z praktického hlediska velmi zajímavou oblast, bude na jeho řešení nadále pokračováno. Další řešení bude zahrnovat i experimenty s novými typy polymerů včetně gumárenských směsí, kde je z důvodu velmi špatných tokových vlastností tento problém ještě závažnější.

22


6 EKONOMICKÉ PŘÍNOSY Práce se zabývá problematikou toku polymerní taveniny tokovými cestami a dutinou vstřikovací formy. Je sledován vliv několika parametrů vstřikovacího procesu a konstrukčních parametrů formy na zatékavost polymerní taveniny pro různé druhy tokových cest. Výsledky práce ukazují, že větší délka zatečení je pozorována u desek s vyšší hodnotou drsnosti povrchu než u desek s velmi jemně opracovaným povrchem. Využití uvedených zjištění a jejich další ověření umožní vyrábět tokové cesty, zejména rozvodné kanály, méně náročnějšími způsoby obrábění, např. frézováním nahrubo, bez použití ekonomicky velmi náročných dokončovacích operací.

7 ZÁVĚR Cílem disertační práce bylo zhodnotit vliv kvality povrchu na plnění dutiny formy. Plnění dutiny formy je ovlivňováno různými parametry. Mezi tyto parametry patří především vstřikovací tlak, vstřikovací rychlost, teploty při vstřikování, druh vtoku a vstřikovaný materiál. Měření ukázala, že vliv různých drsností povrchu zkušebních desek ovlivňuje délku zatečení. Z výsledků měření vyplývá, že délka zatečení u zkoumaných vzorků je největší u desek s nejvyšší hodnotou drsnosti povrchu.

23


PŘEHLED POUŽITÉ LITERATURY [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18]

[19]

24

TOMIS F.: Gumárenská a plastikářská technologie, zpracovatelské procesy. Brno, VUT 1987, ISBN 55-552-87 BOBČÍK L. a kol.: Formy pro zpracování plastů I. díl – Vstřikování termoplastů. Brno, UNIPLAST 1999 ŠTĚPEK J., ZELINGER J., KUTA A.: Technologie zpracování a vlastnosti plastů. Praha, SNTL 1989 TOMIS F., HELŠTÝN J., KAŇOVSKÝ, J.: Formy a přípravky. Brno, VUT 1979, ISBN 55-635-79 MAŇAS M., HELŠTÝN J.: Výrobní stroje a zařízení, Gumárenské a plastikářské stroje II. Brno, VUT 1990, ISBN 80-214-0213-X KOLOUCH J.: Strojírenské výrobky z plastů vyráběné vstřikováním. Praha, SNTL 1986, ISBN 04-247-86 KOCMAN K., PROKOP J.: Technologie obrábění. Brno, Akademické nakladatelství CERM 2001, ISBN 80-214-1996-2 VÁVRA P. a kol.: Strojnické tabulky. Praha, SNTL 1984, ISBN 04-234-84 LUKOVICS I.: Konstrukční materiály a technologie. Brno, VUT 1992, ISBN 80-214-0399-3 MAŇKOVÁ I.: Progresívne technologie. Košice, Vienala 2000, ISBN 80-7099-430-4 LIPTÁK O. a kol.: Technológia výroby obrabanie. Bratislava, ALFA 1979, ISBN 63-565-79 MLEZIVA J., ŠŇUPÁREK J.: Polymery – výroba, struktura, vlastnosti a použití. Praha, Sobotáles 2000, ISBN 80-85920-72-7 ŠTĚPEK J.: Zpracování plastů. Praha, SNTL 1980, ISBN 05-080-80 BOBČÍK L. a kol.: Formy pro zpracování plastů II. díl – Vstřikování termoplastů. Brno, UNIPLAST 1999 SVOBODA P., BRANDEJS J., PROKEŠ F.: Základy konstruování. Brno, Akademické nakladatelství CERM 2003, ISBN 80-7204-306-4 SANDVIK COROMANT: Příručka obrábění – Kniha pro praktiky. přeložil Kudela Miroslav, Praha, Scientia 1997, ISBN 91-97 22 99-4-6 POTÁCEL V.: Technologické aspekty struktury povrchu při dokončovacím obrábění. Disertační práce, VUT Brno 2003 ČSN EN ISO 4287: Geometrické požadavky na výrobky (GPS) – Struktura povrchu: Profilová metoda – Termíny, definice a parametry struktury povrchu. 1999 MAŇAS M., VLČEK J.: Aplikovaná reologie. Zlín, UTB 2001, ISBN 80-7318-039-1


[20] WILKINSON A.N., RYAN A.J.: Polymer Processing and Structure Development, Kluwer Academic Publishers, Dordecht. 1998, ISBN 0-7514-0363-6 [21] SEĎA L.: Optimalizace konstrukce vstřikovací formy pro vybraný plastový díl v systému Pro/Engineer. Diplomová práce, FT UTB Zlín 2003 [22] TRES P. A.: Designing plastic parts for assembly. 5th ed. Munich: Hanser Publishers, 2003. ISBN 3-446-22456-4 [23] BEAUMONT J. P.: Runner and gating design handbook. 1st ed. Munich: Hanser Publishers, 2004. ISBN 3-446-22672-9 [24] LINDNER E., UNGER O.: Injection molds. 3rd ed. Munich: Hanser Publishers, 2002. ISBN 3-446-21448-8 [25] RAUNWENDAAL CH.: Statistical process control in injection molding and extrusion. Munich: Hanser Publishers, 2000. ISBN 3-446-18814-2 [26] REES H.: Mold engineering. Munich: Hanser Publishers, 1995. ISBN 3-446-17729-9 [27] AGASSANT J.-F., AVENAS P., SERGENT J.-Ph., CAREAU P. J.: Polymer processing. Munich: Hanser Publishers, 1991. ISBN 3-446-14584-2 [28] REES H.: Mold engineering. 2nd ed. Munich: Hanser Publishers, 2002. ISBN 3-446-21659-6 [29] MANZIONE L. T.: Applications of computer aided engineering in injection molding. Munich.: Hanser Publishers, 1987. ISBN 3-446-14703-9 [30] BEAUMONT J. P., NAGEL R., SHERMAN R.: Successful injection molding. Munich: Hanser Publishers, 2002. ISBN 3-446-19433-9 [31] MENGES G., MICHAELI W., MOHREN P.: How to make injection molds. 3rded. Munich: Hanser Publishers, 2001. ISBN 3-446-21256-6 [32] ČSN EN ISO 1133: Plasty – Stanovení hmotnostního (MFR) a objemového (MVR) indexu toku taveniny termoplastů. Duben 2000 [33] MELOUN M., MILITKÝ J.: Statistická analýza experimentálních dat, Academia Praha, 2004, ISBN 80-200-1254-0 [34] KOLEKTIV AUTORŮ: Terminologie obrábění a montáže, Universita J.E. Purkyně, ÚŘTV, Ústí nad Labem, 2004, ISBN 80-7044-616-1

25


CURICULUM VITAE Osobní údaje Jméno a příjmení, titul: Datum a místo narození: Bydliště: Telefon: E-mail: Státní příslušnost: Rodinný stav:

Školní vzdělání 2002 nyní 1999 – 2002

1996 – 1999 1991 – 1995

Michal Staněk, Ing. 9.dubna 1977, Přerov Skoky 50, 751 25, p.Veselíčko +420 604 907 214 [email protected] ČR svobodný

VUT v Brně, Fakulta strojního inženýrství obor: 23-07-9 Strojírenská technologie (doktorské studium) UTB ve Zlíně, Fakulta technologická magisterský studijní program: 2808 T Chemie a technologie materiálů, studijní obor: Technologie kůže, plastů a pryže VUT v Brně, Fakulta technologická ve Zlíně bakalářský studijní program: 32-13-7 Technologická zařízení Střední průmyslová škola strojní, Přerov obor: 23-81-6 Strojírenství

Zahraniční stáže 2003 (květen) Cracow University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Poland 2003 (červen) Vienna University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Austria 2005 (květen) Högskolan Kristianstad, Technical Institute, Sweden Odborné zkoušky 2002 Státní inženýrská zkouška: Plastikářská technologie, Výrobní stroje a zařízení, Části strojů a mechanismy Diplomová práce: Návrh sanitární techniky pro imobilní pacienty 1999 Státní bakalářská zkouška: Nauka o materiálu, Části strojů, Technologie Bakalářská práce: Projekt nástrojárny pro výrobu forem do maximálního rozměru 300x300mm

26


ABSTRAKT Disertační práce se zabývá vlivem technologických parametrů a kvality povrchu na plnění dutiny formy. Parametry, u kterých byl vliv na délku zatečení zkoumán jsou následující: vstřikovací rychlost, vstřikovací tlak, velikost vtoku a vstřikovaný materiál. Vliv kvality povrchu byl sledován na pěti zkušebních deskách s různým povrchem, jednalo se o leštěnou desku, broušenou desku, desku s jemným dezénem, frézovanou desku a desku s hrubým dezénem. Součástí této práce jsou také naměřené drsnosti povrchu zkušebních desek a provedená simulace vyplňování dutiny formy pomocí programu Moldflow.

ABSTRACT The dissertation thesis deals with the influence of the technological parameters and of the surface quality on the filling of the mould cavity. Following are the parameters at which the influence on the length of the flowing has been examined: injection rate, injection pressure, the gate size and the injected material. The influence of the surface quality has been followed up on five testing plates with various surface, under discussion were a polished plate, a ground plate, a plate with a fine design, a milled plate and a plate with the rough design. Component of this essay are the measured surface roughness as well as the carried out simulation of the filling of the mould cavity by means of the Moldflow program.

27

Edice PhD Thesis, sv. 333 ISSN Ing. Michal Staněk. Modelování procesu

Recommend Documents