Katedra konstruování strojƽ Fakulta strojní
KϬ5ͲPLASTOVÉ1>z
TEMPERACE VSTŘIKOVACÍCH FOREM doc. Ing. Martin Hynek, Ph.D. a kolektiv
verze - 1.0 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpoētem eské republiky
Hledáte kvalitní studium? Nabízíme vám jej na KatedƎe konstruování strojƽ Katedra konstruování strojƽ je jednou ze šesti kateder Fakulty strojní na Západoēeské univerzitĢ v Plzni a patƎí na fakultĢ k nejvĢtším. Fakulta strojní je moderní otevƎenou vzdĢlávací institucí uznávanou i v oblasti vĢdy a výzkumu uplatŸovaného v praxi. Katedra konstruování strojƽ disponuje modernĢ vybavenými laboratoƎemi s poēítaēovou technikou, na které jsou napƎ. studentƽm pro studijní úēely neomezenĢ k dispozici nové verze pƎedních CAD (Pro/Engineer, Catia, NX ) a CAE (MSC Marc, Ansys) systémƽ. LaboratoƎe katedry jsou ve všední dny studentƽm plnĢ k dispozici napƎ. pro práci na semestrálních, bakaláƎských ēi diplomových pracích, i na dalších projektech v rámci univerzity apod. Kvalita výuky na katedƎe je úzce propojena s celouniverzitním systémem hodnocení kvality výuky, na kterém se prƽbĢžnĢ, zejména po absolvování jednotlivých semestrƽ, podílejí všichni studenti. V souēasné dobĢ probíhá na katedƎe konstruování strojƽ významná komplexní inovace výuky, v rámci které mj. vznikají i nové kvalitní uēební materiály, které budou v nadcházejících letech využívány pro podporu výuky. Jeden z výsledkƽ této snahy máte nyní ve svých rukou. V rámci výuky i mimo ni mají studenti možnost zapojit se na katedƎe také do spolupráce s pƎedními strojírenskými podniky v plzeŸském regionu i mimo nĢj. \ada studentƽ rovnĢž vyjíždí na studijní stáže a praxe do zahraniēí. Nabídka studia na katedƎe konstruování strojƽ: BakaláƎské studium (3roky, titul Bc.) Studijní program
B2301: strojní inženýrství („zamĢƎený univerzitnĢ“)
B2341: strojírenství (zamĢƎený „profesnĢ“)
ZamĢƎení
Stavba výrobních strojƽ a zaƎízení Dopravní a manipulaēní technika
Design prƽmyslové techniky Diagnostika a servis silniēních vozidel Servis zdravotnické techniky
Magisterské studium (2roky, titul Ing.) Studijní program ZamĢƎení
N2301: Strojní inženýrství Stavba výrobních strojƽ a zaƎízení Dopravní a manipulaēní technika
Více informací naleznete na webech www.kks.zcu.cz a www.fst.zcu.cz
Západoþeská univerzita v Plzni, 2013
ISBN © doc. Ing. Martin Hynek, Ph.D. Ing. Eduard Müller Ing. Štěpán Heller
TEMPERACE VSTŘIKOVACÍCH FOREM POPIS FUNKCE Temperační systém zajišťuje správnou teplotu formy v jednotlivých časových úsecích vstřikovacího cyklu. Podle druhu vstřikovaného plastu se liší teploty, na které je nutné formu udržovat (vyhřívat nebo chladit). Temperační systém zajišťuje efektivní chladnutí vstřikovaného dílu. Dále musí vhodné umístění temperačních kanálů zajistit rovnoměrné chladnutí plastu, a tak předejít kroucení dílu, případně pohledovým vadám, z důvodu rozdílného smrštění. Způsob chlazení má výrazný vliv na délku vstřikovacího procesu, a tím i na cenu výsledného dílu. Temperaci lze provádět dvěma způsoby: • •
Pasivní temperování Aktivní temperování
PASIVNÍ TEMPERACE Při pasivním temperování se využívá kombinace tepelně vodivých a izolačních materiálů. Temperování tepelně vodivými materiály je vhodné pro jinak špatně dostupná místa (např. tenké tvárníky), která mají malou plochu pro odvádění tepla a musí být vyrobeny z materiálů, které dobře vedou teplo. Používají se například slitiny mědi nebo hliníku. Tepelně vodivé vložky musí vždy být spojeny s aktivním chlazením. Izolačních materiálů se využívá především pro formy, které je nutné předehřát na požadovanou teplotu. Aby nedocházelo k unikání tepla vedením a sáláním, jsou formy odizolovány (viz Obrázek 1). Odizolování se provádí především izolačními deskami. Ty nemusejí izolovat pouze upínací desky, ale i boky formy na tvárníku a tvárnici. Izolační desky jsou dodávány výrobci standardizovaných dílů (normálií) například firmami Meusburger, Hasco. Izolační desky je vhodné opatřit otvory nad hlavami šroubů pro montáž a demontáž formy.
IZOLAČNÍ DESKY
Obrázek 1 Izolační desky na formě
ŠROUB IZOLAČNÍ DESKY IZOLAČNÍ DESKA
UPÍNACÍ DESKA TVÁRNICE Obrázek 2 Upevnění izolační desky
AKTIVNÍ TEMPERACE Aktivní temperováním se rozumí přímé odvádění nebo dodávání tepla do formy pomocí média nesoucího teplo.
PŘÍPOJKY TEMPERAČNÍCH KANÁLŮ
PROPOJOVACÍ HADICE
Obrázek 3 Aktivní temperování na vstřikovací formě
Jako teplonosné médium se používá: • • • • •
voda vzduch olej glykoly pára
Tato média proudí vytvořenými kanály ve formě. Temperují se dle potřeby obě části formy, pohyblivá i nepohyblivá. Temperační kanály se nejčastěji vyrábějí vrtáním, mohou mít však i jiné tvary než kruhové díry. Je možné vyrábět drážky frézováním, které je pak nutno po celé délce těsnit, nebo do připravených otvorů v deskách vložit trubky z dobře tepelně vodivého materiálu. Rozložení temperančních kanálů by mělo být – zejména u složitějších, technických výlisků - ověřeno pomocí symulace vstřikování. Systém by měl být navržen tak, aby (vypočtený) rozdíl na povrchu dílu při vyhození nebyl větší, než 5°C TYČ SE ZÁSLEPKAMI TEMPERAČNÍ KANÁL TEMPEROVANÁ DESKA ZÁSLEPKA Obrázek 4 Příklady jednoduchých temperačních kanálů v desce
Zdroj: H. Krahn, D. Eh a H. Vogel, 1000 Konstruktionsbeispiele für den Werkzeug- und Formenbau beim Spritzgießen
Tvary, velikosti a rozmístění temperačních kanálů závisí na celkovém řešení formy, tak aby bylo dosaženo optimálních účinků temperování formy. Vhodné rozmístění kanálů je takové, aby kanály mezi sebou a tvarovým povrchem tvořily rovnostranný trojúhelník (viz Obrázek 5), což je kompromis mezi vyrovnaným teplotním polem a rychlostí chlazení, což vyplývá z praktických zkušeností (Formy Tachov). Je také lepší volit menší průměr a více kanálů než velké průměry kanálů. Pro kanály s průměrem menším než 6 mm by měla být pro chlazení použita upravená voda. TVAROVÝ POVRCH TEMPERAČNÍ KANÁLY
Obrázek 5 Rozmístění temperačních kanálů
Temperační médium by mělo kanálem protékat tak, aby při ohřívání formy proudilo od nejchladnějšího místa k nejteplejšímu, při chlazení je to naopak. Pro lepší účinnost temperace je výhodnější turbulentní proudění, při kterém se zvyšuje součinitel přestupu tepla. Turbulentního proudění se dosahuje drsností kanálů Ra12 a vyšší. Temperační okruhy by dále měly být navrženy tak, aby rozdíl teploty media na vstupu a výstupu nebyl větší než cca 3°C. Pokud vychází rozdíl větší, je vhodné rozdělit chlazení na více okruhů. Počet temperančních okruhů musí být navržen s možnostmi plánované chladící jednotky. Chlazení víceotiskových forem by mělo být navrženo tak, aby byly všechny otisky temperovány totožně. Ideální je návrh separátního okruhu pro každý (větší) otisk. Pokud nelze použít nezávislé temperování, je vhodné zapojit chlazení jednotlivých otisků paralelně.
Otisk 1
Otisk 1
Otisk 2
Otisk 2
Sériové zapojení
Paralelní zapojení
Pouze pro jednoduché výlisky bez zvláštních nároků
Obrázek 6 Zapojení více otisků v jednom okruhu
Jádra se díky horšímu poměru chlazené plochy k objemu tvárníku více zahřívají. To by mělo být zohledněno v návrhu temperančních okruhů Vnější plochy
Jádro
Problematické je chlazení ostrých rohů. Z vnitřních koutů se odvádí teplo obtížně, z vnějších rohů dobře. To vede k nerovnoměrnému smrštění v tloušťce stěny, vnitřním pnutím, a tím k deformaci dílu.
Místo s velkou koncentrací tepla
Řešení 2) Použití tepelně vodivé vložky (ne pro pohledové plochy)
Řešení 1) Vysunutí koutového kanálku blíž dutině
Kruhové temperanční kanály Temperační kanály lze vyrábět i kruhové, či spirálové. Kanál je vyfrézován do vložky, zasunuté do tvárníku. Vložka musí být od zbytku formy utěsněná.
Obrázek 7 Nezávislé zapojení - umožňuje různé nastavení pro každý otisk např. pro „family formy“
SOUČÁSTI TEMPERAČNÍHO SYSTÉMU Médium, které je zvoleno pro temperování formy, je nutné do formy přivést, ve formě udržet, aby neunikalo do okolí, řídit jeho průtok a pak dopravit zpět do temperační jednotky. Aby bylo možné tyto funkce zajistit, je nutné vybavit formu řadou příslušenství. Toto příslušenství nabízí mnoho firem jako standardizované díly (normálie). K přívodu média se používají hadice. Použití typu hadice a materiálu hadice závisí na provozním tlaku a teplotě temperačního média. Příklady hadic: • • • •
hadice hadice hadice hadice
z z z s
PVC (prac. tlak max. 12 bar, teplota max. 60°C) pryže EPDM (prac. tlak max. 20 bar, teplota max. 140°C) pryže NBR (olejivzdorná, teplota max. 100°C) kovovým opletem (prac. tlak max. 30 bar)
Obrázek 8 Hadice s kovovým opletem
Obrázek 9 Hadice PVC
Zdroje: http://www.rehau.com, http://www.zorotools.com (20. 11. 2013)
Vstup média do temperačních kanálů ve formě Hadice jsou k formě napojené pomocí rychlospojek, nátrubků a přípojek. Ty mohou být dle potřeby upraveny, například prodloužením zahnutím pod určitým úhlem atd. Také mohou být vybaveny zpětným ventilem.
Obrázek 10 Nátrubek 90°
Obrázek 11 Nátrubek
Obrázek 62 Rychlospojka
Zdroje: http://www.directindustry.com (20. 11. 2013)
Spojení hadice a těchto koncovek je provedeno pomocí hadicových spon.
Obrázek 83 Hadicová spona
Obrázek 74 Hadicová spona
Zdroje: http://www.hcl-clamping.com (20. 11. 2013)
Po vstupu do temperačních kanálů formy musí být proud média usměrňován, aby zatékal do všech míst temperačního okruhu. Při návrhu kanálů je dobré postupovat tak, aby nevznikala slepá místa, kam medium zateče a zůstává v něm. V těchto místech dochází k usazování nečistot, proto jsou slepá místa náchylnější ke korozi.
ŠPATNĚ
SPRÁVNĚ
Obrázek 95 Temperační kanály v desce
Aby médium neunikalo z průchozích kanálů do okolí, používají se různé druhy záslepek a uzavíracích šroubů.
Obrázek 106 Záslepka s narážecí kuličkou
Obrázek 117 Záslepka s rozpěrným kroužkem
Obrázek 128 zavírací šroub
Zdroje: www.wixroyd.com, us.misumi-ec.com, www.prweb.com (21.11.2013)
ZÁTKA S ROZPĚRNÝM KROUŽKEM NÁTRUBEK
ZÁTKA S KULIČKOU
UZAVÍRACÍ ŠROUB
ZÁTKA SE ZÁVITEM
Obrázek 139 Možnosti umístění zátek, uzavíracích šroubů a nátrubků
Další důležité prvky, které usměrňují proud média, jsou přepážky, fontánky a spirálová jádra. Těch se využívá v případě, že je nutné temperovat slepé kanály. Průřez kanálu a průřez poloviny slepého kanálu by měl být stejný, aby nedocházelo ke škrcení a zpomalování toku média. VSTŘIKOVANÝ DÍL TEMPERAČNÍ SLEPÝ KANÁL TVÁRNÍK PŘEPÁŽKA
TĚSNĚNÍ Obrázek 20 Přepážky v tvárníku
Zdroj: H. Krahn, D. Eh a H. Vogel, 1000 Konstruktionsbeispiele für den Werkzeug- und Formenbau beim Spritzgießen
Obrázek 21 Přepážka rovná se závitem Obrázek 143 Plastová překlenovací přepážka s O kroužkem Obrázek 152 Přepážka spirálová se závitem
Zdroj: http://www.brw.ch (21.11.2013)
TEMPERAČNÍ KANÁL
TĚSNĚNÍ
PLASTOVÁ PŘEPÁŽKA
TVÁRNÍK
Obrázek 164 Umístění plastové překlenovací přepážky s O kroužkem
VSTŘIKOVANÝ DÍL TVÁRNÍK PARALELNÍ FONTÁNKA TEMPERAČNÍ KANÁL
ZÁTKA TĚSNĚNÍ Obrázek 175 Funkce paralelní fontánky
Zdroj: H. Krahn, D. Eh a H. Vogel, 1000 Konstruktionsbeispiele für den Werkzeug- und Formenbau beim Spritzgießen
Obrázek 186 Paralelní fontánka
Obrázek 27 Sériová fontánka
Zdroj: http://www.dau-at.com (21.11.2013)
SÉRIOVÁ FONTÁNKA
TĚSNĚNÍ
TEMPERAČNÍ KANÁL Obrázek 198 Funkce sériové fontánky
Zdroj: H. Krahn, D. Eh a H. Vogel, 1000 Konstruktionsbeispiele für den Werkzeug- und Formenbau beim Spritzgießen Při použití seriové fontánky protéká medium nejdříve první a pak postupně dalšími fontánkami. Pro lepší účinost temperace je vhodnější použití paralelních fontánek, do kterých je medium přiváděno současně. Paralelní fontánky mají však vyší zástavbové nároky. Podobnou funkci jako přepážky nebo fontánky mají spirálová jádra. Mohou být jednochodá nebo dvouchodá. Pokud je spirálové jádro jednochodé musí být zároveň duté a médium proudí i jeho vnitřkem. TĚSNĚNÍ
TEMPERAČNÍ KANÁL
TĚSNĚNÍ
JÁDRO
SPIRÁLA SPIRÁLA
VSTŘIKOVANÝ DÍL Obrázek 209 Funkce jednochodého spirálového jádra
VSTŘIKOVANÝ DÍL
Obrázek 30 Funkce dvouchodého spirálového jádra
Zdroj: H. Krahn, D. Eh a H. Vogel, 1000 Konstruktionsbeispiele für den Werkzeug- und Formenbau beim Spritzgießen
Obrázek 31 Jednochodé spirálové jádro
Obrázek 212 Dvouchodé spirálové jádro
Zdroj: www.hasco.com (22.11.2013)
KONFORMNÍ TEMPERACE Konformní temperace jsou speciální tvarové vložky s kanály, které kopírují tvar dutiny. Kanály mohou být malých půměrů (až ∅3), a velice blízko ke stěně dutiny (až 3mm). Vyráběné jsou buď frézováním destiček, tvrdým spájením spojených do bloku, nebo laserovým spékáním kovových prášků. Takto vytvořené chlazení výrazně zvašuje efektivitu chlazení (chladící cyklus kratší až o 40%), a jeho rovnoměrnost (eliminace deformací kvůli chlazení). Nevýhodou je vysoká cena, a omezené možnosti dodatečných úprav tvarových vložek (např. dojiskření žeber apod.)
Klasický vrtaný okruh
Konformní chlazení
Zdroj: http://www.plasticportal.cz/cs/chlazeniacute-forem-aplikaciacute-konformniacuteho-chlazeniacute/c/260
TEMPERACE POMOCÍ TOPNÝCH ELEKTRICKÝCH ČLÁNKŮ Patří mezi aktivní temperační prostředky. Využívají se v případech, kdy je nutné vyhřívat formu na vyšší teplotu (např. při větších ztrátách tepla do okolí). Dalším použitím může být vyhřívání formy v lokální oblasti blízko tvarové dutiny, aby zde nedocházelo například ke studeným spojům. Topná tělesa pracují obdobně jako odporový drát. Mohou mít různé tvary dle umístění ve formě. Při umisťování topných těles do formy je důležité, aby se topná plocha tělesa všude dotýkala povrchu formy, dochází zde k výměně tepla vedením, jinak by mohlo docházet k přehřívání a poškození topného tělesa. V některých případech je vhodné zalití topného tělesa přímo do formy a to dobře tavitelným a teplo vodivým materiálem (hliník). Pokud je na formě použito elektrických topných těles, je nutné ji uzemnit.
Obrázek 223 Topná tělesa
Zdroj: http://www.backer-elektro.cz (22.11.2013)
doc. Ing. Martin Hynek Ph.D., Ing. Štěpán Heller
Ing. Eduard Müller͕
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky v rámci projektu č. CZ.1.07/2.2.00/Ϯϴ.0Ϭϱϲ „hŬĄnjŬŽǀĠǀljǀŽũŽǀĠƉƌŽũĞŬƚLJnjƉƌĂdžĞ ƉƌŽƉŽƐşůĞŶşƉƌĂŬƚŝĐŬljĐŚnjŶĂůŽƐƚşďƵĚŽƵкЌƐƚƌŽũŶşĐŚŝŶǎĞŶljƌƽ“.
