Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy. TVAROVÁ ZMĚNA PLASTOVÝCH VÝLISKŮ Diplomová práce

Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy

TVAROVÁ ZMĚNA PLASTOVÝCH VÝLISKŮ Diplomová práce

Vedoucí práce:

Vypracoval:

doc. Ing. Josef Filípek, CSc. Brno 2011

Bc. Lukáš Jedlička

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, ţe jsem diplomovou práci na téma TVAROVÁ ZMĚNA PLASTOVÝCH VÝLISKŮ vypracoval samostatně a pouţil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloţeném soupisu literatury. Souhlasím, aby práce byla uloţena v knihovně Mendelovy univerzity v Brně a zpřístupněna ke studijním účelům. dne……………………….….

Podpis diplomanta……………………

PODĚKOVÁNÍ

Na tomto místě bych rád poděkoval doc. Ing. Josefu Filípkovi, CSc., vedoucímu diplomové práce za jeho odborné vedení, cenné rady a pomoc při vzniku této diplomové práce. Dále chci poděkovat panu Janu Kašníkovi, majiteli firmy DIXI, za umoţnění pohybu přímo v provozu a získávání cenných informací, které jsem pouţil pro vypracování diplomové práce.

ABSTRACT Diplomová práce s názvem Tvarová změna plastových výlisků se zabývá problematikou výroby plastových lahví. V práci popisuji a uvádím modelové ukázky modernizací strojních linek pro zpracování plastů za určitým účelem inovace linky. Další část práce je věnována vlivu struktury a chemického sloţení na vlastnosti plastů. S tím úzce souvisí viskoelastické chování plastů a následné deformace. Diplomová práce obsahuje vlastní měření ve výrobním podniku firmy DIXI. Měření a vyhodnocení dat je zaměřeno na tvarovou změnu výlisku vlivem působení tepla ihned po vyjmutí z formy stroje. Poslední část práce bude popisovat eliminaci neţádoucí tvarové změny plastového výlisku a moţné řešení jak tento problém odstranit. Klíčová slova: tvarová změna, plasty, forma, smrštění, chlazení

ABSTRACT Thesis entitled Changing Shape of molded plastic parts deals with the production of plastic bottles. The work describes and seduce the model present examples of modernization of machinery for plastic processing lines for the specific purpose of the innovation line. Next chapter is devoted to the influence of structure and chemical composition on the properties of plastics. Closely related to the viscoelastic behavior of plastics and the subsequent deformation. The thesis includes the measurement of manufacturing firms undertaking DIXI. Measurement and analysis is focused on the shape changes when exposed to heat pressed immediately after removal from the mold machine. The last part will describe the elimination of unwanted plastic molding shape changes and possible solutions to this problem.

Key words: shape change, plastics, mold, contraction, cooling system

Obsah

1

ÚVOD PRÁCE .......................................................................................................... 7

2

CÍL PRÁCE ............................................................................................................... 7

3

MODERNIZACE STROJŮ A STROJNÍCH LINEK PRO TVÁŘENÍ PLASTŮ ... 8 3.1

Technologie tváření plastů ................................................................................. 8

3.2

Technologie vyfukování..................................................................................... 8

3.2.1

Vstřikovací vyfukování............................................................................... 8

3.2.2

Vytlačovací vyfukování .............................................................................. 9

3.3

Modernizace strojů a strojních linek ................................................................ 10

3.4

Rozdělení modernizace vyfukovacích linek .................................................... 11

3.4.1

Modernizace za účelem zvýšení výkonnosti vyfukovací stroje................ 11

3.4.2

Modernizace za účelem dalších sluţeb při výrobě ................................... 14

3.4.3

Modernizace za účelem zajištění kvality výrobků .................................... 15

3.4.4

Modernizace za účelem úspory energie při provozu stroje ...................... 16

4 VLIV CHEMICKÉHO SLOŢENÍ, STRUKTURY A VNĚJŠÍCH PODMÍNEK NA VLASTNOSTI PLASTŮ ................................................................................................ 17

5

6

4.1

Příprava plastů vznik polymeru ....................................................................... 18

4.2

Struktura polymerních materiálů...................................................................... 20

4.3

Molekulární struktura plastů ............................................................................ 21

4.4

Nadmolekulární struktura plastů ...................................................................... 23

VISKOELASTICKÉ CHOVÁNÍ PLASTŮ............................................................ 26 5.1

Termodynamické vlastnosti plastů ................................................................... 28

5.2

Deformační vlastnosti u amorfních plastů ....................................................... 28

5.3

Vliv struktury na modul pruţnosti ve smyku ................................................... 29

ČASOVÝ PRŮBĚH TVAROVÉ ZMĚNY VÝLISKU .......................................... 30 6.1

Popis měřeného výrobku .................................................................................. 30

6.1.1

Materiál plastové lahve ............................................................................. 31

6.1.2

Způsob a místo měření .............................................................................. 32

6.1.3

Popis měřidla ............................................................................................ 33

6.2

Popis stroje GDK GM 5002 ............................................................................. 33

MĚŘENÍ ROZMĚROVÝCH ZMĚN...................................................................... 34

7

7.1

MĚŘENÍ TVAROVÉ ZMĚNY U LAHVE LUGI 500 ml PE Č. 1................. 34

7.1.1

Grafy tvarové změny lahve č. 1 ................................................................ 35

7.1.2

Závěr pro lahev LUGI č. 1 ....................................................................... 37

7.2

MĚŘENÍ TVAROVÉ ZMĚNY U LAHVE LUGI 500 ml PE č. 2 ................. 38

7.2.1


7.2.2


7.3


7.3.1


7.3.2


7.4


7.4.1


7.4.2


8

ZÁVĚR MĚŘENÍ TVAROVÉ ZMĚNY ................................................................ 45

9

ELIMINACE OBJEMOVÉHO SMRŠTĚNÍ PLASTŮ .......................................... 47 9.1

Oválný trn a hubice .......................................................................................... 48

9.2

Pouţitý materiál v kritických bodech formy .................................................... 49

9.3

Dochlazování lahve .......................................................................................... 50

10

ZÁVĚR PRÁCE .................................................................................................. 51

11

SEZNAM POUŢITÉ LITERATURY ................................................................. 52

12

SEZNAM OBRÁZKŮ ......................................................................................... 53

13

SEZNAM TABULEK ......................................................................................... 54

1 ÚVOD PRÁCE Diplomová práce s názvem Tvarová změna plastových výlisků popisuje problematiku při výrobě plastových obalů a lahví. Po celou dobu studia na vysoké škole jsem pracoval a dále pracuji ve firmě DIXI v oddělení výroby dutých plastových obalů vyráběných metodou výtlačného vyfukování. Během těchto let jsem narazil na spoustu zajímavých otázek přímo ve výrobě a konstrukci plastových obalů. Proto jako téma práce jsem si zvolil problematiku v oblasti tvarové změny při výrobě plastových výlisků a moţnosti eliminace těchto změn. Větší část práce je věnována praktickým věcem přímo z výroby plastových výlisků.

2 CÍL PRÁCE Jedním z cílů práce je popsání různých typů modernizace pro technologie pouţívané pro výrobu plastových obalů a lahví. Hlavním cílem práce je měření a následné vyhodnocení tvarové změny u plastové lahve ihned po vyjmutí z formy stroje. Tvarovou změnou je myšleno smrštění lahve následkem chladnutí. Vyhodnocení měření bude vypracováno pomoci programu Microsoft Excel. Po vyhodnocení naměřených hodnot tvarové změny navrhnu několik způsobů eliminace tohoto problému.

Klíčové body a cíle práce:  Modernizace strojů a strojních linek pro tváření plastů.  Vliv chemického sloţení, struktury a vnějších podmínek na vlastnosti plastů.  Viskoelastické chování plastů.  Časový průběh tvarové změny plastových výrobků - praktické měření.  Navrhněte opatření, která eliminují objemové smrštění plastů.

7

3 MODERNIZACE STROJŮ A STROJNÍCH LINEK PRO TVÁŘENÍ PLASTŮ Ke zpracování plastů (výrobě plastových lahví) se pouţívá řada různých technologií. Pouţitelnost způsobu zpracování plastů je závislá na technologických vlastnostech materiálu, na tvaru a funkci výrobku, kterou bude výrobek plnit.

3.1 Technologie tváření plastů Tváření plastů zahrnuje technologie, při kterých se tvar výchozího materiálu mění zásadním způsobem. Tváření probíhá za působení teploty a tlaku, nebo za působení obou vlivů současně. Mezi tvářecí technologie patří vytlačování, lisování, válcování, odlévání, laminování a vyfukování.

3.2 Technologie vyfukování Polotovar je tvarován ve vyfukovací formě přetlakem vzduchu do tvaru formy a uděluje materiálu budoucí tvar výlisku. Materiál se musí zahřát na potřebnou teplotu do plastického stavu, kdy hmota vykazuje potřebnou tvarovatelnost, ale pořád si udrţí soudrţnost materiálu. Tato technologie lze rozdělit podle typu předlisku, který můţe být vyráběný vstřikováním, vytlačováním nebo to můţe být folie. Metodou vyfukování se zpracovávají hlavně materiály HD-PE (Polyethylen) a PP (Polypropylen), které mají velké mnoţství dalších modifikací. Mezi moderní materiály a v poslední době hojně zpracovávaným materiálem je PET (Polyethylentereftalát). Se všemi těmito materiály se setkáváme kaţdý den. Ať uţ v podobě plastových lahví, kanystrů, sáčků a různých obalových materiálů.

3.2.1 Vstřikovací vyfukování Vstřikovací vyfukování se pouţívá k výrobě dutých těles menších rozměrů a s velmi členitým tvarem. Postup zpracování je následující: pomocí vstřikovací formy se vystříkne na speciálně upravený trn v dutině formy tavenina vhodného plastu. Tímto vznikne polotovar, včetně hrdla s potřebným závitem, gramáţí a délkou potřebnou pro další zpracování. Polotovaru se v odborné praxi říká předlisek - preforma (Obr. 1). Dále technologii můţeme rozdělit podle toho, zda se předlisek zpracovává okamţitě, nebo se další zpracování uskuteční v jiné firmě. V prvním případě se ihned po 8

nastříknutí plastu, dokud je hmota ještě v plastickém stavu, přenese předlisek do formy. Následuje vyfouknutí stlačeným vzduchem 2,5 – 3 Mpa do tvaru dutiny formy, chladnutí, otevření formy a vyhození výlisku (Obr. 1). V druhém případě se proces od výroby vstřikováním předlisku odděluje a většinou se druhá část výroby uskutečňuje v jiné firmě. Polotovar předlisek se znovu rozehřeje na teplotu 85 °C pomocí pece s dopravní cestou. Následně se polotovar pomocí robotické ruky vloţí do formy, kde je tlakem vzduchu 3 Mpa vyfouknut do tvaru dutiny formy.

Obr. 1 Předlisek vyráběný vstřikováním a hotové výrobky

3.2.2 Vytlačovací vyfukování Je to nejrozšířenější metoda zpracování plastů v hotové duté výrobky (tělesa). Tento typ vyfukování se skládá ze dvou technologických procesů. Jeden proces je vytlačování pomoci vytlačovací hlavy a plastifikačního šnekového dopravníku přes trn a hubici. Touto technologií vznikne trubice – parizon. Tento parizon je ustřiţen v okamţiku, kdy má dostatečnou délku a je uzavřen ve formě. Délka parizonu musí být delší neţ výška vyfukovaného obalu. Po ustřiţení parizonu najíţdí do formy vyfukovací tryska, která pod tlakem rozfukuje rozehřátý parizon do tvaru formy a lisuje hrdlo obalu (přesné rozměry závitu). Doba výlisku ve formě je závislá dle konstrukční náročnosti a mnoţství materiálu (hmotnosti výlisku). Po otevření formy je výlisek uchopen unášecím zařízením a umístěn na dopravník k zabalení na paletu (Obr. 2). 9

Obr. 2 Technologie - vytlačovací vyfukování

Nejdůleţitějším technologickým parametrům vyfukování patří teplota a tlak. Z hlediska vlastností výrobků je vhodné pouţívat teplotu co nejvyšší (běţně u HD-PE bývá teplota 150 – 180 °C). Při tomto parametru dochází k velkému protahování parizonu, nárůstu smrštění a doby chlazení. Při nízké teplotě není záruka správného a kvalitního sváru v dělící rovině dna výlisku. Můţe docházet k praskání v oblasti dna výrobku. Stlačený vzduch pouţívaný pro vyfukování bývá v rozmezí 0,5 aţ 1Mpa a je vyčištěný pomocí několika filtračních zařízení (čištění je nutné nejen u výlisků určených pro potravinářství). Stlačený vzduch působí po celou dobu výlisku ve formě, tím se sniţuje teplota výlisku a zamezuje se tak déle trvající tvarové změně výlisku po vyjmutí z formy.

3.3 Modernizace strojů a strojních linek Při popisování modernizace strojů a strojních linek se zaměřím na technologii vytlačovací vyfukování, která je popsána v horním odstavci. Tuto technologii vyuţívá i firma DIXI, kde můţu čerpat potřebné informace k vyhodnocení modernizace této technologie. Samozřejmě ne všechny modernizace firma DIXI vyuţívá a tak při popisování modernizace těchto linek budu spolupracovat a sbírat informace u firem GDK s.ro Karlovy Vary, AMT s.ro Nové Město nad Váhom a Genral Plastic Prostějov.

10

3.4 Rozdělení modernizace vyfukovacích linek Slovo modernizace znamená obecně uvádění něčeho na současný stav, např. modernizace továrny znamená nákup poslední technologie a zavedení soudobých výrobních procesů. Modernizaci strojních linek můţeme rozdělit dle několika faktorů, kvůli kterým se modernizace (vylepšení stroje) provádí.

Rozdělení podle účelu modernizace:  Výkonost vyfukovacího stroje  Rozšíření nabídky sluţeb při výrobě  Kvalita výrobků  Úspora energie pří provozu stroje

3.4.1 Modernizace za účelem zvýšení výkonnosti vyfukovací stroje Tento typ modernizace je asi v dnešní době nejvíce ţádaný. Cenu výrobku dokáţeme v největší míře ovlivnit výkonností stroje, na kterém je výrobek vyráběn. Na výkonnosti stroje se podílí velké mnoţství faktorů, jako jsou násobnost, chlazení a materiál forem. Násobnost forem Při malosériové výrobě plastových výlisků se pouţívají formy s jedním otiskem a jedno cestnou vytlačovací hlavou. To znamená, ţe za jeden výrobní cyklus vyrobíme pouze jeden, nebo maximálně dva výlisky. To je v případě, ţe stroj má levou a pravou stanici forem, které najíţdí střídavě pod vytlačovací hlavu pro parizon a vrací se na jednotlivé strany pod vyfukovací trysky. Firma DIXI vyuţívá moderní strojní zařízení od firmy GDK s.r.o s levou a pravou stanicí a s třícestnou vytlačovací hlavou. Jako nástroj pouţívá tří násobné formy. Tedy na jeden výrobní cyklus vyrobí šest výlisků. Tento stroj vyprodukuje za 8 hodin práce 11

9.000 aţ 10.000 kusů výrobků. Cena takovéto modernizace (třícestná hlava, tří násobné formy) je cca 1.2 mil. Kč.

Obr. 3 Vyfukovací forma pro stroj GDK 2x2

Porovnání výkonnosti starých forem a nových moderních forem (Obr. 3). V tabulce je k porovnání stará forma na stroj VA – 6, která disponuje 4 otisky stejně jako moderní forma na stroj GDK GM 5002 se čtyřmi otisky. Jejich výkonnost je však odlišná. I kdyţ cena moderní formy se pohybuje kolem 450.000 Kč, investice se vyplatí. Návratnost investice je sice dlouhodobější, ale je nutná z hlediska konkurenceschopnosti. Tab. 1 Porovnání výkonnosti a ceny forem

Stroj

Cena

Výkonnost

Cena výrobku

formy Stará forma

VA-6

190 000 Kč

3300 ks

3,58 Kč

Nová forma

GDK GM 5002

450 000 Kč

6000 ks

2,98 Kč

12

Chlazení a materiál forem Pro kompletní zvýšení výkonnosti stroje je nutné pouţívat více okruhové chlazení forem. Při konstrukci forem pro materiál HD-PE a PP se pouţívá systém tří okruhů chlazení. Vyfukovací forma se skládá ze tří hlavních dílů a to je tělo formy, spodní víčko a závitové víčko. Všechny tyto tři části mají zvláštní okruh chlazení. Dříve se pouţíval jeden okruh pro všechny tři části formy. Výhodou tohoto systému chlazení je, ţe medium protéká pouze částí formy a rozdíl teploty média na vstupu (8 °C) a na výstupu není tak rozdílný. Forma nepředává mediu teplo po takovou dobu jako v případě jednookruhového chlazení. Tímto systémem chlazení se zrychluje pracovní cyklus stroje – tedy má vyšší výkonnost. Tato změna v chlazení je nutná pro vyšší výkon stroje. Cena změny konstrukce formy nelze provést jiţ u stávající formy s chlazením pomocí jednoho okruhu. Je nutná výroba nové formy s třemi okruhy chlazení. Cena výroby nové formy je cca 500 – 600 tis. Kč. Pro výrobu forem se ve velkém vyuţívá materiál s obchodním označením CERTAL (EN AW-7022). Při výrobě některých částí forem jakou jsou závitové a spodní víčka se vyuţívá materiál s označením AMPCOLOY 95 (EN CW 103C). V těchto místech formy je rozmístěno nejvíce materiálu a je ţádoucí rychlé zchlazení daného místa. To můţeme docílit dobrým prochlazením formy a pouţitím vhodného materiálu například AMPCOLOY 95. Rychlejším odvodem tepla se můţe zrychlit cyklus výroby. Tento materiál oproti CERTALU má lepší vlastnosti pro odvod tepla z výlisku uzavřeného ve formě. (VBF výroba forem s.r.o.)

Tab. 2 Porovnání vlastností dvou materiálů pro konstrukci vyfukovacích forem

Koeficient teplotní roztažnosti Tepelná vodivost

EN CW 103C

EN AW-7022

Jednotka

AMPCOLOY 95

CERTAL

10-6 . K-1

17

23,6

W. m-1.K-1

208

120-150

13

3.4.2 Modernizace za účelem dalších služeb při výrobě Modernizaci stroje nemusíme provádět pouze pro zvýšení výkonnosti stroje, ale i pro nabídku dalších sluţeb při výrobě plastových obalů. Mezi takovéto změny patří systém etiketování přímo ve vyfukovací formě, nebo strojní zařízení pro aplikaci průhledítka v dělící rovině lahve (prací gely, kanystry). Systém etiketování přímo ve formě

Obr. 4 Systém etiketování přímo ve formě

Tento systém etiketování plastových lahví přímo ve formě nabízí český výrobce strojů firma GDK Karlovy Vary. Etiketovací systém se můţe pouţít pouze s jedno straně vyrábějícím strojem. Tedy, který nemá dvě stanice levou a pravou. Místo jedné stanice je umístěno etiketovací zařízení (etiketovací robot). Vzhledem k malé výkonosti stroje, který je opatřen tímto systémem se spíše hodí do malosériové výroby, nebo v případě plné automatizace výrobních procesů. Velkou výhodou tohoto systému je přesnost umístění etikety na obal. Cena etiketovacího robota je 900 tis. Kč (Obr. 4). Aplikace průhledítka Aplikace průhledítka je systém, který do plastové lahve při její výrobě vytlačí pásek čirého materiálu a ten vytváří průhledítko pro případné posouzení zbylého mnoţství prostředku, gelu, tekutiny v lahvi. Tento systém se zejména vyuţívá při výrobě lahví pro prací gely, motorové oleje a další tekutiny, které musí být v tmavě zabarveném obalu nepropouštějící světlo. Tedy pro kontrolu hladiny je potřebné průhledítko. 14

Princip výroby průhledítka: na stroj, který je opatřen násypkou a vytlačovacím šnekem (extruder) se přidá dodatečně ještě jedna menší samostatná násypka s vytlačovacím šnekem, která připravuje a plastifikuje materiál pro tvorbu průhledítka. Roztavený materiál se spojuje s materiálem ve vytlačovací hlavě a vytváří parizon s prouţkem čirého materiálu. Parizon se rozfoukne do tvaru formy a v dělící rovině vznikne prouţek čirého materiálu - průhledítko. Cena modernizace je 700 tis. Kč (Obr. 5).

Obr. 5 HD-PE lahev s průhledítkem pro ropné produkty

3.4.3 Modernizace za účelem zajištění kvality výrobků Zkoušečka těsnosti lahví Systém zkoušení těsnosti lahví se zapojuje do procesu výroby dutých plastových obalů za účelem separace vadných výrobků. Bývá zpravidla na kaţdé výstupní straně stroje (podle počtu stanic stroje) a je součástí dopravníku dopravující obaly k uloţení na palety. Činnost zkoušečky spočívá v pouštění tlaku vzduchu do vyfouknutého obalu. V případě, ţe lahev tento tlak ustojí je její kvalita dostačující a je puštěna dopravní cestou ke skládání na paletu. V případě, ţe tlak obal nevydrţí je automaticky pomocí pneumatické vyráţecí ruky odstraněn z dopravního pásu do koše vadných výrobků. Zařízení disponuje pamětí pro několik výrobků a tak odpadá práce obsluhy stroje s nastavováním tlaků a časů zkoušení pro různé druhy obalů. 15

3.4.4 Modernizace za účelem úspory energie při provozu stroje Výrobci strojů pro výrobu plastových výlisků se snaţí vyrábět stroje s co nejmenší spotřebou energie, a zároveň nabízet mezi konkurencí něco nového. Firma GDK Karlovy Vary přišla na trh s elektricky ovládaným stroje s názvem GM 5002 - E. Jeho jedinečnost spočívá v elektrickém ovládání jednotlivých částí stroje frémy, formy, oráţecí kopyta a další pohyblivé části stroje. Tento typ stroje by měl nahradit hlučné hydraulicky ovládané stroje s vyšší spotřebou energie. Další pozitivní funkcí stroje je nízká hlučnost oproti hydraulicky ovládaným strojům. Zlepšuje se tak pracovní prostředí a podmínky k práci u tohoto stroje. Následující tabulka znázorňuje výsledek měření stroje elektricky a hydraulicky ovládaného. Porovnání úspory energie oproti hydraulicky ovládanému. Měření prováděla firma GDK.( GDK spol. s r.o.), AVG - při průměrném výrobku u daného stroje Tab. 3 Porovnání úspor hydraulicky ovládaného stroje a elektricky ovládaného stroje

HYDRAULIC ELECTRIC Extruder drive

55,0 kW

55,0 kW

Vytlačování

Heating capacity

23,9 kW

23,9 kW

Topný výkon

Others

14,5 kW

2,4 kW

Ostatní, zbývající

Servo-drives

14,5 kW

55,5 kW

Servo pohony

Power installed

93,4 kW

136,8 kW

Instalovaný výkon

23,3 kW

17,4 kW

5,6 kW

5,6 kW

Kompresor

28,9 kW

23,0 kW

Celkový výkon

Machine AVG cons. Compressor Total power AVG

16

Průměrná spotřeba stroje

Obr. 6 Elektricky ovládaný stroj GDK GM 5002 - E

Cena elektrického vyfukovacího stroje je o 650 000 Kč vyšší neţ u hydraulicky ovládaného vyfukovací stroje. Cena GM 5002 – E je 5 890 000 Kč (Obr. 6).( GDK spol. s r.o.)

4 VLIV CHEMICKÉHO SLOŽENÍ, STRUKTURY A VNĚJŠÍCH PODMÍNEK NA VLASTNOSTI PLASTŮ Pro výrobu dutých plastových obalů metodou vytlačovací vyfukování (parizon) se nejčastěji pouţívají dva základní materiály a to PP (polypropylen) a HD-PE (polyetylen). Na trhu s těmito surovinami existují stovky modifikací těchto plastů. Liší se od sebe chemickým sloţením a strukturou, která jim určuje jejich moţnost pouţití. Podle jejich chování při výrobě a samotném pouţívání hotového výrobku se volí správný typ chemického sloţení a struktury materiálu. V tabulce jsou vypsány základní mechanické a tepelné vlastnosti materiálu pouţívaných při výrobě dutých plastových těles (LENFELD, 2009).

17

Tab. 4 Mechanické a tepelné vlastnosti PP a HD-PE

MECHANICKÉ VLASTNOSTI

Parametr

Norma

Jednotka

PP

PE-HD

Hustota

ISO 1183

g.cm-3

0,92

0,957

Molekulární hmotnost

–

mil g.m-1

–

> 0,25

Pevnost v tahu

ISO 527-1

N.mm-2

26 – 33

22 – 23

Tažnost

ISO 527-1

%

> 50

> 800

ISO 527-1

N.mm-2

950 – 1300

800

Vrubová houževnatost

ISO 179

mJ.mm-2

6

12

Tvrdost kuličkou 30 sec.

ISO 2039-1

N.mm-2

65

40

Tvrdost Shore D

ISO 868

–

72

63

Parametr

Norma

Jednotka

PP

PE-HD

Teplota tání

DIN 53736

°C

160 – 168

Tepelná vodivost

DIN 52612

W.m-1.K-1

0,22

0,43

DIN 53752

K-1

1,5 – 2.10-4

1 – 2.10-4

ISO 306

°C

90

67

třída

C2

C2

Modul pružnosti v tahu (E-modul)

TEPELNÉ VLASTNOSTI

Koef. tepel. rozt. mezi 20-100 °C Vicat – VSP/B/50 Hořlavost

ČSN 730862

130 – 135

4.1 Příprava plastů vznik polymeru Polymerace je řetězová chemická reakce, při níţ se molekuly nízkomolekulární sloučeniny - monomeru spojují kovalentní vazbou a mnohonásobným opakováním vytváří dlouhé (aţ „nekonečné“) makromolekulární řetězce makromolekulární látky – polymer. Synteticky připravované makromolekulární látky vznikají polyreakcí (polymerace, polykondenzace a polyadice). Jedná se v podstatě o velmi jednoduché chemické reakce, které se mnohokrát opakují, takţe původní nízkomolekulární sloučenina monomér 18

přechází ve vysokomolekulární látku zvanou polymer. Plastem se polymer stává poté, co ho smícháme a smísíme s nezbytnými přísadami a převedeme do formy vhodné k dalšímu technologickému zpracování, např. do formy granulí, prášků, tablet, apod. obecný termín polymer představuje chemickou látku, zatímco plast je technický materiál, který musí mít vhodné uţitné vlastnosti (Obr. 7).

Obr. 7 Základní typy reakcí pro přípravu polymerů

Tvar molekul je jedním z hlavních činitelů ovlivňující chování a vlastnosti plastů. Podle tvaru makromolekul je moţné rozdělit plasty na polymery: lineární, rozvětvené, zesíťované a prostorově zesíťované (LENFELD, 2009). Polymerační stupeň: udává počet monomerů v řetězci jedné makromolekuly. U polyetylenu je stupeň 100 – 150. Plasty: polymery, které jsou v běţných podmínkách většinou tvrdé, často i křehké. Při vyšších teplotách se stávají plastickými a tvarovatelnými. Makromolekuly: jsou molekulové systémy sloţené z velkého počtu atomů vázaných chemickými vazbami do dlouhého řetězce. Tyto řetězce tvoří pravidelně se opakující části, které nazýváme stavební nebo monomerní jednotky.

19

Stavební jednotka: pravidelně se opakující část makromolekuly, která má stejné chemické sloţení. Počet stavebních jednotek a jejich uspořádání rozhoduje o struktuře makromolekuly a jejich vlastnostech. (LENFELD, 2009)

4.2 Struktura polymerních materiálů Liší se nejen chemickou strukturou, ale i strukturou nadmolekulárním - uspořádání krystalické, amorfní nebo částečně krystalické (semikrystalické) - chemickou strukturou nerozumíme jen sloţení, ale i způsob uspořádání navzájem (stechiometrie molekul) rozdílná konfigurace atomu nebo jejich skupin (různá poloha v prostoru) se projevuje v rozdílných moţnostech vytvářet nadmolekulární struktury a tím určuje rozdílné vlastnosti - v nekovových látkách jsou atomy navzájem poutány vazbami kovalentními nebo iontovými - mezi molekulami působí slabší vazby: 

van der Waalsovy (síly fyzikální povahy mezi inertními atomy nebo molekulami)



vodíkové můstky - atom vodíku, který je stabilně kovalentně vázán s atomem (O,N,F) vytváří vedlejší interakci s atomem sousední molekuly (také O,N,F) "doplňkovou vazbou" elektrostatické povahy - podmínkou je, aby atom Y (O,N,F) obsahoval volné elektrony "nevyuţité" ve vnější vrstvě - vliv vodíkových můstků se projevuje hlavně u mezimolekulárních soudrţných sil (zvyšují pevnost, schopnost krystalizace i teplotu tání - polyamidy)

Polymerními látkami nazýváme makromolekulární látky přírodní i syntetické povahy, jejichţ molekulární hmotnost je větší jak 1.104 g.mol-1 - polymery se sestávají z monomeru (nízkomolekulární sloučeniny vznikají spojováním dvou nebo několika vazebných míst kovalentní chemickou vazbou) - základní monomerní jednotka rozhoduje o chemických, fyzikálních a mechanických vlastnostech polymeru - mohou se vázat i různé monomery (kopolymery) - rozdělení dle různých hledisek.

20

ROZDĚLENÍ DLE RŮZNÝCH HLEDISEK: dle výchozích surovin: – přírodní – syntetické dle výroby: – kondenzační produkty (fenolformaldehydy) – polymerizační produkty (PVC, PS, PA) – přírodní produkty (celulóza, bílkovina ap.) chování za tepla: – termoplasty (měknou a tají, opakování - recyklace) – reaktoplasty (termosety, duroplasty - tají, ale teplem se vytvrzují - chemická reakce) chování v elektrickém poli (vyplývá z různé afinity elektronu v kovalentní vazbě souvisí s elektroizolačními vlastnostmi, zvyšuje se i navlhavost) – polární (osamocené dipóly - PA) – nepolární (vykompenzují se, dipóly symetrické - PTFE, PE, PS) dle tvaru molekul: – lineární – rozvětvený (přechodový stavk zesítěným) – zesíťovaný (např. zesíťování kaučuku - vulkanizace, někdy se nazývá vytvrzováním nerozpustné a netavitelné pryskyřice), (LENFELD, 2009).

4.3 Molekulární struktura plastů Podstatou polymerů je makromolekulární látka přírodního nebo syntetického původu, která je tvářitelná za působení teploty T a tlaku p, v jejichţ makromolekule se jako článek řetězu mnohokrát opakuje základní monomerní jednotka. Základním prvkem řetězce je atom uhlíku. Uhlíkové atomy mají schopnost vzájemně se vázat a vytvářet dlouhé řetězce. V zásadě existují tři druhy polymerních makromolekul: lineární, rozvětvené a zesíťované.

21

Lineární molekuly Vznikají tak, ţe se monomerní molekuly řadí jedna vedle druhé (vytvářejí jeden dlouhý provaz). Lineární makromolekuly se mohou z prostorových důvodů více přiblíţit jedna ke druhé a vyplnit tak kompaktnější prostor. Polymery potom mají vyšší hustotu (HDPE). Lineární makromolekuly také snáze vytvářejí prostorově pravidelné shluky krystalických struktur, takţe tyto polymery mají vyšší obsah krystalických podílů. Plasty s lineárními makromolekulami jsou obvykle dobře rozpustné a tavitelné (dobrá pohyblivost makromolekul), v tuhém stavu se vyznačují houţevnatostí a ve formě tavenin vynikající zpracovatelností (Obr. 8). Rozvětvené makromolekuly Vyznačují se tím, ţe mají na základním řetězci boční větve. Rozvětvené makromolekuly se na rozdíl od lineárních makromolekul nemohou v důsledku bočních větví jedna ke druhé dostatečně přiblíţit. Proto se vyznačují niţší hodnotou hustoty (LD-PE). Uspořádanost jejich shluků je nízká a tudíţ hůře krystalizují a mají niţší stupeň krystality. Rozvětvení zhoršuje i pohyblivost makromolekul a tedy i tekutost v roztaveném stavu. Boční řetězce, které způsobují oddálení sousedních makromolekul, mají za následek pokles mezimolekulárních sil a tím zhoršení většiny mechanických vlastností (Obr. 8). Zesíťované makromolekuly V tomto případě je několik přímých nebo rozvětvených makromolekulárních řetězců mezi

sebou

propojeno

vazbami,

takţe

vytvářejí

jednu

takřka

nekonečnou

makromolekulu – prostorovou síť. Takováto síť vede ke ztrátě tavitelnosti a rozpustnosti polymeru. Polymery vykazují vysokou tvrdost a odolnost proti zvýšené teplotě, avšak nízkou odolnost proti rázovému namáhání. Sítě mohou být řídké (charakteristické elastomerní kaučukovité polymery) nebo husté reaktoplasty. (Obr. 8) (LENFELD, 2009).

22

rozvětvené

lineární

polymery se zkříženými články

síťované polymery

Obr. 8 Tvary makromolekul

4.4 Nadmolekulární struktura plastů Nadmolekulární struktura můţe být popsána jednak jako amorfní a jednak jako krystalická.

Lineární

makromolekuly

vytvářejí,

na

rozdíl

od

rozvětvených

makromolekul, uspořádanější nadmolekulární strukturu a zesíťované makromolekuly strukturu neuspořádanou. Termoplasty tak mohou mít amorfní nebo semikrystalickou nadmolekulární strukturu, zatímco reaktoplasty pouze strukturu amorfní (LENFELD, 2009). Amorfní strukturou rozumíme strukturu bez jakékoliv uspořádanosti. Základním morfologickým útvarem této struktury jsou globuly o velikosti 10 – 30 nm, které jsou vytvořeny z chaoticky stočených makromolekul. Krystalická struktura se vyznačuje určitým stupněm uspořádanosti. Základním morfologickým útvarem jsou tzv. lamely, fibrily (Obr. 9).

23

Obr. 9 Nadmolekulární struktura polymerů

U reálných výrobků se při tuhnutí z tavenin polymerů vytvářejí útvary, nazývané sférolity. Jedná se o shluky lamel, které vychází ze společného centra a rozrůstají se na všechny strany, často jsou vrtulovitě stočené. Krystalizující polymery nemají v reálných podmínkách technologického zpracování moţnost dokonalé krystalizace, tím ţe se nezúčastní krystalizace veškerá polymerní hmota, ale krystalizuje jen určité procento polymeru. Část takového polymeru je krystalická, zbylá část zůstává v amorfním stavu. Hovoříme proto o tzv. semikrystalických polymerech. Míru uspořádanosti ve struktuře vyjadřujeme stupněm krystality. Udává relativní podíl krystalických oblastí ve hmotě. Pro vznik semikrystalické struktury je nutná tvorba krystalizačních zárodků (nukleace), na nichţ poté rostou krystaly. K nukleaci dochází při ochlazování taveniny, která má amorfní srukturu. Důleţitým faktorem pro vznik krystalu je doba, kterou má polymer k dispozici. Má-li se dosáhnout jemnozrnné struktury, musí krystalizace probíhat při takové teplotě, kdy se tvoří velké mnoţství zárodků. Má-li výrobek vykazovat co nejlepší mechanické vlastnosti, je nutno řídit krystalizaci tak, aby bylo dosaţeno nejen co nejvyššího stupně krystalinity, ale také současně jemnozrnné struktury. Prudké ochlazení povrchu budoucího výrobku způsobí, ţe polymer sice zkrystalizuje, ale netvoří sférolitickou strukturu (Obr. 10), (LENFELD, 2009).

24

Obr. 10 Sférolitická struktura semikrystalických termoplastů

Hlavní prvky nadmolekulární struktury se utvářejí v průběhu chladnutí výrobku a to ať ve formě nebo mimo ni. Je-li krystalizace spojena s přeměnou fáze (polymer přechází ze stavu kapalného do tuhého) hovoříme o tzv. primární krystalizaci. Ta však ještě můţe pokračovat ve stavu tuhém (často i během několika měsíců) a nazývá se sekundární krystalizací. Jsou s ní spojeny nejen změny rozměrů, ale i vlastností výrobků a je tudíţ jevem neţádoucím. Z technologického hlediska vzniká nestejnorodý, anizotropní materiál. Polymer chladne nejprve u stěny formy, naopak nejdéle chladne a zůstává v tekutém stavu uprostřed dutiny formy, tedy v jádru tělesa. Tyto rozdílné podmínky vedou ke strukturnímu rozlišení mezi povrchem a jádrem tělesa. V krystalické oblasti polymerního materiálu bude mít materiál s vyšším stupněm krystalinity spíše lineární tvar makromolekuly a tudíţ vlivem těsnějšího uspořádání makromolekul v krystalických oblastech a vlivem vyšších mezimolekulárních sil, se bude polymerní materiál s vyšším stupněm krystalinity projevovat vyšší hodnotou pevnosti, tuhosti a tvrdosti. Naopak houţevnatost tohoto materiálu poklesne. Orientace makromolekul na povrchu vstřikovaného dílce je vlivem vysokých vstřikovacích sil ve směru toku taveniny (hovoříme o tzv. orientační textuře), zatímco v jádru tělesa zůstávají molekuly déle v tekutém stavu a neţ ztuhnou, stačí se vrátit do neorientovaného stavu.

25

Jedním z důsledků krystalizace je ztráta průhlednosti materiálu. Vzhledem k tomu, ţe hustota amorfního polymeru je menší něţ hustota polymeru semikrystalického, dochází při průchodu světla hmotou v důsledku různého indexu lomu k jeho rozptylu na drobných krystalických útvarech uvnitř výrobku z plastu a semikrystalický plast se jeví jako mléčně zakalený, zatímco amorfní plast jako čirý, průhledný (Obr. 11). (LENFELD, 2009).

Obr. 11 Nadmolekulární struktura polymerů v závislosti na teplotě

5 VISKOELASTICKÉ CHOVÁNÍ PLASTŮ Vzniklé deformace i při malých napětích jsou závislé na době působení, druhu polymeru a teplotě - za niţších teplot a krátkých časech větší podíl elastického chování, při vyšších teplotách a delších časech se více blíţí látkám vazkým (LENFELD, 2009). Podstata plastické deformace je vysvětlována mikro deformacemi typu krejzu a smykového pásu.

26

 Krejzy: kolmo na tahové napětí, tlakové je potlačují - změna orientace makromolekul v okolí kontrakce - mikrodutiny 10 nm - postupné spojování do kavit a vznik trhlin

 Smykové pásy: nejen tahové napětí (velikost v mm) - šíří se podél hranic fibril nebo sférolitu (deformace sta %) - nezvětšuje se objem jako u Krejzu (Obr. 12).

Obr. 12 Mechanismy plastické deformace polymerů

Účinkem tepelné energie a různými druhy záření dochází u polymerů k destrukčním procesům či k chemickým reakcím - vedou k síťování lineárních polymerů ev. k strukturním změnám - nejodolnější PTFE (pevné vazby C-F), dále polymery s benzenovým jádrem - fotodegradace (štěpení kovalentních vazeb světelným zářením) – stabilizátory absorbéry záření např. saze. (LENFELD, 2009).

27

5.1 Termodynamické vlastnosti plastů Stejně jako u jiných materiálů jsou vlastnosti polymerů závislé především na teplotě. V určité oblasti teplot probíhají tyto změny rychleji anebo se mění skokově. Takové oblasti jsou nazývány přechodové a v těchto oblastech existují přechodové teploty: Tg, Tf , Tm. Tg - teplota zeskelnění nebo teplota skelného přechodu Tf - teplota viskózního toku (pro amorfní plasty) Tm - teplota tání (pro semikrystalické plasty) Tz - tepelná degradace polymeru

5.2 Deformační vlastnosti u amorfních plastů U amorfních plastů se hodnota meze pevnosti v tahu (a také modulu pruţnosti) v přechodové oblasti v okolí teploty zeskelnění Tg mění skokově, modul pruţnosti asi o tři řády, koeficient teplotní roztaţnosti o 100 %. Konkrétní hodnota je závislá na velikosti mezimolekulárních sil (čím budou tyto síly větší, tím bude vyšší i teplota zeskelnění) a ohebnosti řetězců (čím bude ohebnost větší a mezimolekulární síly menší, tím bude niţší teplota zeskelnění). Teplotu zeskelnění je moţno ovlivnit např. přídavkem změkčovadel, která sníţí mezimolekulární soudruţnost a tím i Tg. (LENFELD, 2009).

Tg

Tz

Tf

Obr. 13 Průběh deformačních vlastností u amorfního plastu

28

Při teplotě viskózního toku Tf narůstá intenzita změn vlastností polymeru. Při této teplotě ztrácí hmota své kaučukovité vlastnosti a mění se ve vysoce viskózní kapalinu. Nad touto teplotou leží oblast zpracovatelnosti materiálu (Obr. 13). Zvýšením teploty klesají mezimolekulární síly a tím se sniţuje i viskozita taveniny. Při dalším zvyšování teploty začne probíhat tepelná degradace polymeru (teplota Tz).

5.3 Vliv struktury na modul pružnosti ve smyku Prostý smyk: je takové namáhání tělesa, při kterém dochází působením síly ke vzájemnému posouvání jednotlivých vrstev namáhaného materiálu, ačkoli se nemění jejich kolmá vzdálenost. U semikrystalických polymerů dochází k nejrychlejším změnám vlastností v oblasti teplot, kterou charakterizuje teplota tání Tm (Obr. 14). Při teplotě tání dochází k rozpadu a tání krystalitů, coţ je provázeno změnou fáze hmoty, která přechází ze stavu tuhého do stavu kapalného. Je zřejmé, ţe tání se děje v určitém teplotním intervalu a teplota Tm představuje pouze střední hodnotu této oblasti, podobně jako teplota Tg. (LENFELD, 2009).

Tg

Tf Obr. 14 Vliv struktury na modul pružnosti ve smyku

29

Protoţe i semikrystalické polymery obsahují určité mnoţství amorfních podílů, lze u nich stanovit teplotu zeskelnění, která charakterizuje výrazné změny vlastností polymeru. Tyto změny se ovšem dotýkají pouze amorfní sloţky hmoty, takţe čím bude polymer vykazovat vyšší stupeň krystalinity (vyšší uspořádanost), tím jsou změny při Tg méně patrné. (LENFELD, 2009). Tab. 5 Hodnoty pro regulaci teplot stroje

6 ČASOVÝ PRŮBĚH TVAROVÉ ZMĚNY VÝLISKU Měření tvarové změny plastových výlisků proběhlo dne 22.2 2011 ve výrobních prostorách firmy DIXI. Cílem bylo naměřit předem určené rozměry lahve pomocí měřidla s přesností 0,01 milimetru. Dalším krokem měření bylo zpracování a zanesení výsledných rozměrů do pomocné tabulky a následné vyhodnocení.

6.1 Popis měřeného výrobku Jako měřený předmět jsem vybral polyethylenovou lahev s názvem LUGI 500 ml PE (Obr. 15). Lahev patří do výrobního programu firmy DIXI a je určena pro plnění kosmetických přípravků. Na této lahvi provedu měření tří rozměrů a to výšky, šířky a hloubky lahve ihned po vyjmutí lahví z formy stroje. Celkem měření probíhalo u 4 lahví rozdělených podle otisků formy. Pro kontrolu a další zpracování dat jsem toto měření opakoval ještě jednou (Obr. 16).

30

Obr. 15 Měřený výrobek LUGI 500 ml PE - 3D model

6.1.1 Materiál plastové lahve Pro měření tvarové změny plastové lahve jsem si vybral lahev vyráběnou z materiálu HD-PE. Bliţší informace o materiálu LITEN BB 29 jsem získal od dodavatele materiálu Chemopetrol Litvínov. LITEN BB 29 je kopolymer s širokou distribucí molekulových hmotností a základní aditivací. Typickou aplikací je vyfukování nádob do objemu 120 litrů, jako jsou lahve, kanystry, sudy, dále vytlačování trubek pro netlakové aplikace. Typ je rovněţ vhodný pro výrobu hraček a obalů pro farmaceutické pouţití. Teplota měknutí materiálu je 125 °C. (Chemopetrol Litvínov)

31

Obr. 16 Měřené výrobky LUGI s popisem

6.1.2 Způsob a místo měření Měření probíhalo ihned po vyjmutí všech 4 kusů lahví z forem stroje. Měřil jsem v těsné blízkosti stroje, tak abych nezpůsobil neţádoucí ochlazení lahve přenášením do jiné místnosti a zamezil měření nepřesných hodnot. Rozměr výšky lahve jsem měřil od spodní podstavy lahve přes horní hrdlo lahve, tak aby obě čelisti měřidla byly rovnoběţné s plochou opření na lahvi. Rozměr šířky lahve jsem měřil přes spodní podstavu lahve, kde jsem měřidlo přesně přiloţil na dno lahve, tak aby tělo měřidla bylo rovnoběţné se spodní plochou lahve. Posledním měřeným rozměrem je hloubka lahve. Hloubku lahve jsem měřil přes hrdlo lahve, tak aby tělo měřidla bylo rovnoběţné s plochou hrdla (Obr. 17). Měření probíhalo po 5 minutách po dobu 30 minut a poslední měření proběhlo po 60 minutách. Pro kontrolu jsem výrobek změřil po 24 hodinách. Tvarová změna na lahvi byla měřitelná 1 hodinu po vyjmutí lahve z formy. Pro kontrolu měření a pro další zpracování dat jsem měření provedl ještě jednou (Tab. 19). U kaţdé lahve jsem zapisoval naměřené rozměry, číslo otisku a hmotnost lahve a zapisoval je do pomocné tabulky. Datum měření: 22.2 201 Místo měření: výrobní hala firmy DIXI Teplota: 22 °C Vlhkost: 31 % Tlak: 102,25 kPa 32

1

3

2

Obr. 17 Místa měření na lahvi LUGI 500 ml

6.1.3 Popis měřidla K měření jsem pouţil digitální posuvné měřítko MAHR 16 EX 300. MAHR 16 EX – rozsah měření 300 mm – přesnost (číslicový krok) 0,01 mm

6.2 Popis stroje GDK GM 5002 Lahev byla vyráběna na stroji GDK GM 5002. Stroj je vybaven levou a pravou stanicí s 2 x 2 otisky. Za jeden pracovní cyklus stroj vyrobí 4 výrobky LUGI 500 ml PE. Vyfukovací stroj GM 5002 je určen pro výrobu dutých těles z termoplastických hmot metodou výtlačného vyfukování. GM 5002 je dvou formový vyfukovací stroj, s příčným pojezdem vozíků forem a vyfukováním shora. Umoţnuje orientovaný výstup výrobku, zbavených přetoků kolem hrdla, dna a v drţadle, případně s vyříznutým širokým hrdlem. Pro zvýšení výkonnosti stroje je moţné doinstalovat dochlazování výrobku. Stroj je vyroben z konstrukčních materiálů dle ČSN. Elektrická instalace je provedena měděnými vodiči s PVC nebo silikonovou izolací. Je provedena podle ČSN 33 2200 a souvisejících norem pro prostředí normální dle ČSN 33 0300. Jednotlivé části stroje jsou v metrické lícovací soustavě ISO. 33

Tab. 6 Parametry stroje GDK GM 5002

PARAMETRY STROJE

GM 5002

Šířka

3 150 mm

Délka

4 600 mm

Výška

3 000 mm

Hmotnost

5 800 kg

Celkový instalovaný příkon

86 kW

Průměrný příkon

40 kW

Spotřeba chladící vody

do 6 m3/hodinu

Spotřeba stlačeného vzduchu

do 10 m3/hodinu

Provozní tlak hydraulického obvodu Tlak vzduchu na vstupu do stroje

16 MPa minimálně 600 kPa

Strojní mrtvý čas

2,5 s

Nejkratší možný cyklus

11,8 s

7 MĚŘENÍ ROZMĚROVÝCH ZMĚN Následuje měření rozměrových změn lahví a zanesení výsledků do tabulek.

7.1 MĚŘENÍ TVAROVÉ ZMĚNY U LAHVE LUGI 500 ml PE Č. 1 Tab. 7 Naměřené hodnoty tvarové změny

otisk č. 1

MĚŘENÉ ROZMĚRY

Čas měření

1 - výška (mm)

2 - šířka (mm)

3 - hloubka (mm)

0:00:00

200,25

89,91

42,41

0:05:00

200,23

89,87

42,39

0:10:00

200,21

89,80

42,34

0:15:00

200,19

89,76

42,31

0:20:00

200,18

89,75

42,31

0:25:00

200,17

89,75

42,30

0:30:00

200,15

89,75

42,30

1:00:00

200,06

89,67

42,10

24 hodin

200,06

89,67

42,10

34

Lahev LUGI 500 ml s číslem 1 měla hmotnost 39 g (hmotnost referenčních vzorků je 39-42g). Tato hmotnost je dána nastavením vytlačovací hlavy a je v rozmezí poţadované hmotnosti. Na stroji je pouţita dvoucestná vytlačovací hlava a kaţdá cesta vytlačí nepatrně rozdílné mnoţství materiálu – regulace (správně by mělo byt mnoţství stejné). Tab. 8 Podmínky při měření

Předmět měření: LUGI 500 ml Teplota:

22 °C

Vlhkost:

31 %

Tlak:

102,25 kPa

Datum:

22.2 2011

Hmotnost:

39 g

Otisk:

1

7.1.1 Grafy tvarové změny lahve č. 1

35

Obr. 18 Grafy tvarové změny lahve č. 1 Tab. 9 Výsledky tvarové změny

Rozměr ve formě Rozdíl (mm) Procento změny

ROZMĚR 1

ROZMĚR 2

ROZMĚR 3

202,36

91,71

43,35

-2,30

-2,04

-1,25

-1,14 %

-2,22 %

-2,88 %

36

Naměřená data jsem zpracoval pomoci Microsoft Excel a vytvořil grafy, které znázorňují pomocí křivky průběh tvarové změny lahve v závislosti na čase. Měření probíhalo po 5 minutovém intervalu. Po 60 minutách nebyla změna rozměru měřitelná. Poslední kontrolní měření jsem provedl po 24 hodinách, kdy rozměr lahve se jiţ neměnil. Tvarovou změnu na lahvi je moţné měřit 30 aţ maximálně 60 minut po vyjmutí z formy stroje (Obr. 18). V tabulce (Tab. 9) je zapsán rozměr ve formě, podle kterého určuji procento tvarové změny na lahvi. Při konstrukci vyfukovacích forem se obecně počítá se smrštěním ve všech směrech s 2 % u materiálu HD-PE. Tedy vyfukovací formy pro duté výrobky z plastů (kanystry, lahve) se navrhují o 2% větší, neţ má byt budoucí rozměr výlisku. Průměrné procento změny u lahve č. 1 je 2,08 %

7.1.2 Závěr pro lahev LUGI č. 1 Z výsledné tabulky je patrný rozdíl u jednotlivých rozměrů. Výška lahve se celkově změnila o -2,3 mm, tedy o -1,14 % oproti rozměru ve formě. Šířka lahve se zmenšila o -2,04 mm (-2,22 %) z celkové šířky tvaru ve formě. U hloubky lahve byla změna rozměru o -1,25 mm (-2,88 % - největší změna v rozměru). U rozměru hloubky nastalo největší smrštění lahve a to proto, ţe v oblasti měření hloubky (v okolí hrdla lahve) je nejvíce nashromáţděného materiálu, který chladné pomalu. V oblasti hrdla je tvarová změna neţádoucí kvůli smrštění hrdla se závitem a následné netěsnosti uzávěru na lahvi.

37

7.2 MĚŘENÍ TVAROVÉ ZMĚNY U LAHVE LUGI 500 ml PE č. 2 Tab. 10 Naměřené hodnoty tvarové změny

otisk č. 2

MĚŘENÉ ROZMĚRY

Čas měření

1 - výška (mm)

2 - šířka (mm)

3 - hloubka (mm)

0:00:00

200,26

89,90

42,44

0:05:00

200,23

89,84

42,33

0:10:00

200,20

89,78

42,31

0:15:00

200,15

89,73

42,30

0:20:00

200,13

89,72

42,30

0:25:00

200,12

89,72

42,29

0:30:00

200,12

89,72

42,29

1:00:00

200,04

89,65

42,11

24 hodin

200,04

89,65

42,11

Tab. 11 Podmínky při měření

Předmět měření:

LUGI 500 ml

Teplota:

22 °C

Vlhkost:

31 %

Tlak:

102,25 kPa

Datum:

22.2 2011

Hmotnost:

41 g

Otisk:

2

38


Obr. 19 Grafy tvarové změny lahve č. 2

39

Tab. 12 Výsledky tvarové změny


ROZMĚR 1

ROZMĚR 2

ROZMĚR 3

202,36

91,71

43,35

-2,32

-2,06

-1,24

-1,15 %

-2,25 %

-2,86 %

Průměrné procento změny u lahve č. 2 je 2,08%

7.2.2 Závěr pro lahev LUGI č. 2 Stejně jako u lahve č. 1 je průměrné procento změny -2,08 %. Můţe to být tím, ţe oba otisky - lahev č. 1 a 2 jsou vyráběny v jednom bloku formy. Tyto dvě lahve jsou chlazeny stejným okruhem a průběh smrštění by měl být podobný aţ stejný u obou lahví (Obr. 19).

7.3 MĚŘENÍ TVAROVÉ ZMĚNY U LAHVE LUGI 500 ml PE č. 3 Tab. 13 Naměřené hodnoty tvarové změny

otisk č. 3

MĚŘENÉ ROZMĚRY

Čas měření

1 - výška (mm)

2 - šířka (mm)

3 - hloubka (mm)

0:00:00

200,30

89,88

42,48

0:05:00

200,26

89,78

42,44

0:10:00

200,18

89,59

42,42

0:15:00

200,12

89,53

42,41

0:20:00

200,10

89,52

42,41

0:25:00

200,09

89,52

42,41

0:30:00

200,09

89,52

42,41

1:00:00

199,82

89,47

42,30

24 hodin

199,82

89,47

42,30

40



LUGI 500 ml

Teplota:

22 °C

Vlhkost:

31 %

Tlak:

102,25 kPa

Datum:

22.2 2011

Hmotnost:

39 g

Otisk:

3


41




ROZMĚR 1

ROZMĚR 2

ROZMĚR 3

202,36

91,71

43,35

-2,54

-2,24

-1,05

-1,26 %

-2,44 %

-2,42 %

Průměrné procento změny u lahve č. 2 je 2,04 %

7.3.2 Závěr pro lahev LUGI č. 3 U lahve č. 3 byla průměrná změna tvaru lahve -2,04 %, tedy o 0,04 % menší neţ u předešlých dvou lahví. Největší tvarová změna nastala u rozměru šířky lahve a to -2,44 %. U předešlých dvou lahví došlo k největší změně u hloubky lahve (Obr. 20).

42

7.4 MĚŘENÍ TVAROVÉ ZMĚNY U LAHVE LUGI 500 ml PE č. 4

Tab. 16 Naměřené hodnoty tvarové změny

otisk č. 4

MĚŘENÉ ROZMĚRY

Čas měření

1 - výška (mm)

2 - šířka (mm)

3 - hloubka (mm)

0:00:00

200,38

89,89

42,47

0:05:00

200,30

89,80

42,44

0:10:00

200,20

89,72

42,41

0:15:00

200,11

89,59

42,40

0:20:00

200,10

89,53

42,39

0:25:00

200,10

89,53

42,39

0:30:00

200,10

89,53

42,39

1:00:00

199,84

89,46

42,30

24 hodin

199,84

89,46

42,30



LUGI 500 ml

Teplota:

22 °C

Vlhkost:

31 %

Tlak:

102,25 kPa

Datum:

22.2 2011

Hmotnost:

41 g

Otisk:

4

43



44



ROZMĚR 1

ROZMĚR 2

ROZMĚR 3

202,36

91,71

43,35

-2,52

-2,25

-1,05

-1,25 %

-2,45 %

-2,42 %

Průměrné procento změny u lahve č. 2 je 2,04 %

7.4.2 Závěr pro lahev LUGI č. 4 U lahví č. 3 a 4 nastala průměrově stejně velká tvarová změna. Je to dáno tím, ţe lahve jsou vyráběny ve stejném bloku formy se stejným chlazením. Tvarová změna by měla být podobná, nebo případně stejná (Obr. 21).

8 ZÁVĚR MĚŘENÍ TVAROVÉ ZMĚNY Výsledky naměřených hodnot jsou uvedeny v (Tab. 19), kde jsou rozměry převedeny na %. Procento vyjadřuje rozměr vypočítaný z rozměru v dutině formy. Přiklad: U rozměru číslo 1 je rozměr ve formě 202,36 mm. Lahev z otisku číslo 1 je o -1,14 % menší, převedeno zpět na milimetry o -2,30 mm. Průměrné smrštění lahví bylo o – 2,06 %. Pro vyhodnocení a statistické zpracování dat jsem provedl ještě další kontrolní měření. Tab. 19 Vyhodnocení tvarové změny u jednotlivých lahví

2.měření

1.měření

Rozměr ve formě Otisk č. 1 Otisk č. 2 Otisk č. 3 Otisk č. 4 Otisk č. 1 Otisk č. 2 Otisk č. 3 Otisk č. 4 Průměr Směr. Odchylka Var. Koeficient

ROZMĚR 1 202,36 -1,14 % -1,15 % -1,26 % -1,25 % -1,15 % -1,15 % -1,25 % -1,26 % -1,20 % 0,0005 4,48%

ROZMĚR 2 91,71 -2,22 % -2,25 % -2,44 % -2,45 % -2,23 % -2,24 % -2,43 % -2,45 % -2,34 % 0,0010 4,48%

45

ROZMĚR 3 43,35 -2,88 % -2,86 % -2,42 % -2,42 % -2,87 % -2,88 % -2,41 % -2,43 % -2,65 % 0,0023 8,55%

PRŮMĚR -2,08 % -2,08 % -2,04 % -2,04 % -2,08 % -2,09 % -2,03 % -2,05 % -2,06 %

Obr. 22 Porovnání tvarové změny všech lahví

Křivky otisku č.1 a č.2 se překrývají. Je to dáno tím, ţe jsou vyráběny v jednom bloku formy, který má stejnou konstrukci chlazení pro oba otisky. U otisků č.3 a č.4 je tomu stejně. Modrá křivka znázorňuje průměrnou hodnotu chladnutí u všech otisků (Obr. 22), (Tab.19). Aritmetický průměr: definice aritmetického průměru je, tzn. součet všech hodnot vydělený jejich počtem. Směrodatná odchylka: je to míra průměrné vzdálenosti hodnot dat od jejich průměru. Jestliţe jsou prostorové značky všechny blízko k průměru, pak je směrodatná odchylka nízká (bliţší k nule). Jestliţe je mnoho vztaţných bodů velmi odlišných od průměru, pak směrodatná odchylka je vysoká (dále od nuly). Jestliţe všechny hodnoty dat jsou si rovny, pak směrodatná odchylka bude nulová. Variační koeficient: je definovaný jako podíl směrodatné odchylky a absolutní hodnoty ze střední hodnoty. Variační koeficient udává, z kolika procent se podílí směrodatná odchylka na aritmetickém průměru.

46

Po vyhodnocení všech naměřených hodnot a následném zpracování jsem dospěl k závěru, ţe v případě lahve Lugi 500 ml. došlo k tvarové změně v průměru o -2,06 %. Z výsledné tabulky (Tab. 19) můţeme vidět, jak se změna projevovala u všech 4 lahví. U lahví číslo 1 a 2 došlo ke stejné tvarové změně. Tento výsledek můţe být způsoben tím, ţe lahve číslo 1 a 2 jsou vyráběny v jednom bloku formy. Tento blok je stejnoměrně prochlazen a je vůči druhému bloku, kde se vyráběly lahve číslo 3 a 4 nepatrně odlišný. Odlišnost můţe být v průtoku chladiva blokem formy. Tento průtok můţe byt ovlivněn nepřesností výroby formy, nebo konstrukcí chlazení. (Obr. 22) Hodnota -2,06 %, která nám vyšla po vyhodnocení měření je velmi důleţitá při konstrukci vyfukovacích forem pro podobný tvar lahve jako má LUGI 500 ml. Obecně se s tímto číslem můţe počítat při řešení a konstrukci vyfukovacích forem. Při vývoji nového obalu respektive vyfukovací formy připočítáváme ke tvaru v dutině formy +2,06 %. Tzn., ţe při konstrukci formy na všechny rozměry připočteme +2,06 %. Tvarová změna ovlivní výsledný objem lahve a těsnost hrdla vůči uzávěru.

9 ELIMINACE OBJEMOVÉHO SMRŠTĚNÍ PLASTŮ Cílem všech výrobců plastových obalů, lahví a různých plastových dílů je co nejkratší a nejmenší tvarová změna po vyjmutí výlisku z formy. Tento neţádoucí proces prodluţuje a zdraţuje výrobní proces. Cílem je jeho eliminace, tak aby se zvýšila výkonnost stroje. Tuto změnu můţeme eliminovat několika způsoby.

Způsoby eliminace tvarové změny:  Oválný trn a hubice vytlačovací hlavy  Materiál v kritických bodech formy  Dochlazování lahve

47

9.1 Oválný trn a hubice Jedním ze způsobů jak zmírnit tvarovou změnu je pouţití oválného trnu a oválné hubice. Jako příklad bych uvedl přímo měřenou lahev LUGI 500 ml. Při výrobě lahve LUGI je nutné pouţívat trny a hubice s mírnou vzájemnou oválností.

Parizon kruhový

Obr. 23 Kruhový parizon – nevhodný pro tento typ lahve

Parizon oválný

Obr. 24 Oválný parizon

Oválný parizon: je velmi důleţitý pro výrobu oválných lahví typu LUGI (Obr. 23). Hubice s trnem vytvarují parizon do menšího oválu, který se lépe rozfoukne do boků lahve. Tím nezůstane větší mnoţství materiálu v okolí hrdla a nedochází k tak velkému smrštění. Sniţuje se čas dochlazování a roste výkonnost. Oválnost hubice má vliv i na pevnost lahve, díky oválnosti se vytahuje nepotřebný materiál na místa potřebná – boky lahve. Pro vytaţení materiálu se pouţívá různé dráţkovaní v trnu a hubici – spíše u náročnějších tvarů (Obr. 23). 48

Kruhový parizon: Pouţívá se u jednoduchých tvarů, je vhodný spíše pro lahve kruhového průřezu. (Obr. 24)

9.2 Použitý materiál v kritických bodech formy Kritické body formy z hlediska tvarové změny jsou závitové víčko (budoucí hrdlo obalu) a spodní víčko (budoucí dno obalu). V obou místech je nutné zamezit působení tvarové změny. U hrdla lahve je to z důvodu těsnosti závitu lahve s uzávěrem. Smrštěním by mohlo dojít k netěsnosti lahve. U spodního víčka, tedy dna lahve se můţe po smrštění vypuknout dno a lahev by byla nestabilní. K zamezení tvarové změny v těchto místech samozřejmě přispívá spousta faktorů, jedním z nich je pouţití materiálu AMPCOLOY 95 (EN CW 103C). Materiál jsem blíţe popisoval na straně 13 této práce. Uţití materiálu Ampcoloy ve vyfukovací formě (Obr. 25).

Obr. 25 Použití materiálu AMPCOLOY 95 v závitovém víčku

49

9.3 Dochlazování lahve Dodatečné dochlazování lahve patří mezi způsoby jak eliminovat tvarovou změnu lahve. Chlazení je umístěno v oblasti oráţení přetoků lahve. Oráţení a chlazení pracuje současně a nedochází k prodluţování výroby. Tento systém se pouţívá spíše u sloţitějších obalů, kde dodatečné dochlazení před uloţením na proloţku a paletu je nutné. Nedochází tak k dalším deformacím vlivem tíhy dalších pater výrobků.

Obr. 26 Dochlazování lahve při orážení

Oráţecí kopyto s tryskami pro dochlazování

Maska pro drţení lahve můţe byt chlazená

50

10 ZÁVĚR PRÁCE V práci s názvem Tvarová změna plastových výlisků jsem popisoval problematiku výroby plastových lahví přímo v praxi. Mezi klíčové body práce jsem zařadil modernizaci strojních linek pro výrobu plastových výlisků, naměření a vyhodnocení tvarové změny plastové lahve přímo ve výrobě a navrţení několika způsobů eliminace tohoto problému. Modernizaci strojních linek jsem popisoval podle účelu, za kterým se inovace provádí. Popisoval jsem modernizace za účelem zvýšení výkonnosti stroje, nabídky dalších sluţeb při výrobě plastových výrobků, kvality výrobků a úspory energie při provozu stroje. Pro kaţdý účel inovace jsem vypsal moţné řešení přímo ve výrobě dutých plastových obalů. Dalším bodem práce bylo chemické sloţení, struktura a viskoelastické chování plastů. Zde jsem popisoval strukturu polymerních materiálů, jejich rozdělení, molekulární strukturu plastů (lineární, rozvětvené a zesíťované), nadmolekulární strukturu plastů a termodynamické vlastnosti plastů. Nejvýznamnějším bodem práce bylo samostatné měření a vyhodnocení tvarové změny plastového výlisku v závislosti na čase (lahev LUGI 500 ml HD-PE). Měření probíhalo přímo ve výrobním závodu firmy DIXI. Měřené vzorky byly čtyři a naměřené hodnoty jsem zaznamenával do připravených tabulek. Výsledkem měření bylo, ţe v průměru se všechny lahve smrštili o -2,06 %. Tato hodnota je velmi důleţitá při konstrukci nových vyfukovacích forem. O tuto hodnotu navýšíme rozměr ve formě, tak aby po zchlazení lahve (smrštění) měla předepsané rozměry (Tab. 19). Navrhl jsem několik způsobů, jak tuto tvarovou změnu částečně odstranit. Jedním ze způsobů eliminace je pouţití oválného trnu a hubice při vytlačování parizonu. Materiál se lépe rozprostře a nevznikají místa s velkým mnoţství materiálu, který chladne pomalu. Dalším způsobem jak eliminovat tvarovou změnu, je pouţití materiálu s označením AMPCOLOY 95 (EN CW 103C). Tento materiál se pouţívá v kritických místech formy jako je třeba závitové hrdlo lahve a dno lahve. V obou těchto místech je tvarová změna neţádoucí. Důsledkem smrštění můţe být netěsnost víčka na lahvi, nebo špatná stabilita lahve kvůli vypuklému dnu. Posledním účinným způsobem je dochlazování lahve po vyjmutí z formy na dopravních cestách a při oráţení přetoků (Obr. 23,24,25). 51

11 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY 1. ŘEHULKA, Z. Konstrukce výlisků z plastů a forem pro zpracování plastů. Brno: Sekurkon, 2007. 226 s. ISBN 978-80-86604-36-7. 2. STANĚK, M. Modelování procesu tváření polymerů, včetně technologického řešení nástrojů . Disertační práce. FSI VUT, 1997. 3. LENFELD, P. Technologie II. Část 2., Zpracování plastů . Liberec: Technická univerzita v Liberci, 2009. 138 s. ISBN 978-80-7372-467-2. 4. Lukáš Jedlička, Vyfukování dutých výrobků z plastů. Bakalářská práce. MZLU AF, Brno 2009 5. GDK spol. s r.o. Manuál stroje GM 5002 – E, (12.3 2011, 15:00) http://www.gdk.cz/en/ 6. Chemopetrol Litvínov, Materiálové listy Liten BB 29 (13.3 2011, 15:30) http://www.unipetrol.cz/cs/ 7. VBF s.r.o. výroba forem, Materiálové listy 8. Štěpek J., Zelinger J., Kuta A.: Technologie zpracování a vlastnosti plastů SNTL Praha 1989 9. PLUHAŘ, J. Náuka o materiálech. Praha 1989.

52

12 SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1 Předlisek vyráběný vstřikováním a hotové výrobky ............................................. 9 Obr. 2 Technologie - vytlačovací vyfukování ................................................................ 10 Obr. 3 Vyfukovací forma pro stroj GDK 2x2 ................................................................. 12 Obr. 4 Systém etiketování přímo ve formě ..................................................................... 14 Obr. 5 HD-PE lahev s průhledítkem pro ropné produkty ............................................... 15 Obr. 6 Elektricky ovládaný stroj GDK GM 5002 - E ..................................................... 17 Obr. 7 Základní typy reakcí pro přípravu polymerů ....................................................... 19 Obr. 8 Tvary makromolekul ........................................................................................... 23 Obr. 9 Nadmolekulární struktura polymerů .................................................................... 24 Obr. 10 Sférolitická struktura semikrystalických termoplastů ....................................... 25 Obr. 11 Nadmolekulární struktura polymerů v závislosti na teplotě .............................. 26 Obr. 12 Mechanismy plastické deformace polymerů ..................................................... 27 Obr. 13 Průběh deformačních vlastností u amorfního plastu ......................................... 28 Obr. 14 Vliv struktury na modul pruţnosti ve smyku .................................................... 29 Obr. 15 Měřený výrobek LUGI 500 ml PE - 3D model ................................................. 31 Obr. 16 Měřené výrobky LUGI s popisem ..................................................................... 32 Obr. 17 Místa měření na lahvi LUGI 500 ml ................................................................. 33 Obr. 18 Grafy tvarové změny lahve č. 1 ......................................................................... 36 Obr. 19 Grafy tvarové změny lahve č. 2 ......................................................................... 39 Obr. 20 Grafy tvarové změny lahve č. 3 ......................................................................... 42 Obr. 21 Grafy tvarové změny lahve č. 4 ......................................................................... 44 Obr. 22 Porovnání tvarové změny všech lahví ............................................................... 46 Obr. 23 Kruhový parizon – nevhodný pro tento typ lahve ............................................. 48 Obr. 24 Oválný parizon .................................................................................................. 48 Obr. 25 Pouţití materiálu AMPCOLOY 95 v závitovém víčku ..................................... 49 Obr. 26 Dochlazování lahve při oráţení ......................................................................... 50

53

13 SEZNAM TABULEK Tab. 1 Porovnání výkonnosti a ceny forem ................................................................... 12 Tab. 2 Porovnání vlastností dvou materiálů pro konstrukci vyfukovacích forem ......... 13 Tab. 3 Porovnání úspor hydraulicky ovládaného stroje a elektricky ovládaného stroje 16 Tab. 4 Mechanické a tepelné vlastnosti PP a HD-PE .................................................... 18 Tab. 5 Hodnoty pro regulaci teplot stroje ...................................................................... 30 Tab. 6 Parametry stroje GDK GM 5002 ....................................................................... 34 Tab. 7 Naměřené hodnoty tvarové změny ..................................................................... 34 Tab. 8 Podmínky při měření .......................................................................................... 35 Tab. 9 Výsledky tvarové změny .................................................................................... 36 Tab. 10 Naměřené hodnoty tvarové změny ................................................................... 38 Tab. 11 Podmínky při měření ........................................................................................ 38 Tab. 12 Výsledky tvarové změny .................................................................................. 40 Tab. 13 Naměřené hodnoty tvarové změny ................................................................... 40 Tab. 14 Podmínky při měření ........................................................................................ 41 Tab. 15 Výsledky tvarové změny .................................................................................. 42 Tab. 16 Naměřené hodnoty tvarové změny ................................................................... 43 Tab. 17 Podmínky při měření ........................................................................................ 43 Tab. 18 Výsledky tvarové změny .................................................................................. 45 Tab. 19 Vyhodnocení tvarové změny u jednotlivých lahví ........................................... 45

54

Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy. TVAROVÁ ZMĚNA PLASTOVÝCH VÝLISKŮ Diplomová práce

Recommend Documents