TEORIE ZPRACOVÁNÍ NEKOVOVÝCH MATERIÁLŮ

TEORIE ZPRACOVÁNÍ NEKOVOVÝCH MATERIÁLŮ Cvičení č. 06: Průvodní

a následné jevy při zpracování plastů

Autor cvičení: Ing. Luboš BĚHÁLEK Pracoviště: TUL – FS, Katedra strojírenské technologie

TZN

1. Vstřikování plastů

Cvičení č. 6

Shrnutí poznatků z přednášky - Princip technologie vstřikování ? hydraulický válec uzavírací mechanismus elektrický pohon

vyhazovač rám stroje upínací deska

vyhazovací kolíky tvárník tvárnice upínací deska rám stroje vodící sloupek

granulát násypka

elektrický pohon hydraulický válec

vyhazovací systém temperační kanály výstřik

přepravka

tryska šnek topné pásy

tavenina

Schéma vstřikovacího stroje

1

2

Průvodní jevy

TZN Cvičení č. 6

 Působení smykových sil v tavenině  Ochlazování materiálu a zvyšování viskozity taveniny  Pokles tlaku od ústí vtoku směrem k čelu taveniny

Simulace teplotního pole výstřiku bezprostředně po vyjmutí z formy

Tlakový spád uvnitř vstřikovací formy během fáze plnění a dotlaku

2

 Nehomogenní teplotní a napěťové pole tvářeného materiálu

Ukázka teplotního pole výstřiku bezprostředně po vyjmutí z formy (měřeno termovizí)

Analýza reziduálního napětí , napěťová špička a lom plastového dílu

3

3

TZN Cvičení č. 6

Následné jevy v procesu vstřikování ovlivňují vlastnosti, jakost dílů a jejich tvarovou a rozměrovou přesnost

I. Orientace makromolekul a vláknitého plniva II. Vnitřní reziduální napětí III. Smršťování materiálu IV. Krystalizace (heterogenní morfologická struktura) V. Vnitřní a vnější vady

4

I.

TZN

Orientace makromolekul a plniva

Cvičení č. 6

následné jevy

Příčina ? smykové namáhání taveniny a prudké ochlazení taveniny v povrchové vrstvě výstřiku orientované makromolekuly neorientované makromolekuly

Důsledky ?

Schéma orientace makromolekul a vláknitého plniva u vstřikovaného dílu

anizotropie vlastností materiálu  rozměrová a tvarová nestabilita dílu  vyšší pevnost a modul pružnosti ve směru orientace (na úkor tažnosti)  anizotropie smrštění výstřiku (PA 6.6+50%GF  smrštění ve směru toku 0,2%, ve směru kolmém 0,8%)  zvětšení dodatečného smrštění ve směru orientace  pokles součinitele teplotní roztažnosti ve směru orientace a jeho vzrůst ve směru kolmém  vzrůst součinitele tepelné vodivosti ve směru orientace , ad.

Možnosti ovlivnění ? pomocí teploty taveniny, teploty formy nebo pomocí vstřikovacího tlaku, dotlaku a vstřikovací rychlosti Jednoduše se dá říci, že vyšší teplota taveniny a vstřikovací formy snižuje orientaci makromolekul (plniva), kdežto s vyšším vstřikovacím tlakem se orientace a anizotropie vlastností materiálu zvyšuje. S vyšší vstřikovací rychlostí orientace makromolekul (plniva) v průměru klesá.

zamyšlení se

?

Deformace víka z PP a PE vlivem anizotropie smrštění jako důsledek rozdílné orientace 4

Tloušťka stěny výstřiku a její vliv na orientaci makromolekul, plniva Vliv místa, resp. vzdálenosti od vtoku Vliv vtokové soustavy na orientaci makromolekul a stabilitu dílů

5

I. Orientace makromolekul a plniva

TZN Cvičení č. 6

následné jevy

Příklad z praxe, možnosti predikce

Predikce orientace vláknitého plniva na povrchu a v jádře výstřiku

6

I. Orientace makromolekul a plniva

TZN Cvičení č. 6

následné jevy

Příklad z praxe, možnosti predikce

ústí vtoku

Predikce orientace vláken na povrchu (vlevo) a v jádře výstřiku (vpravo)

5

7

II. Vnitřní reziduální napětí

TZN Cvičení č. 6

následné jevy

Příčiny ? Orientační vnitřní napětí Expanzní vnitřní napětí Dojde-li vlivem příliš vysokého vstřikovacího tlaku k přehuštění dutiny formy taveninou plastu a když se výstřik v okamžiku otevírání formy nachází ještě pod tlakem.

V důsledku rozdílné orientace makromolekul a vláknitého plniva ve výstřiku.

Ochlazovací vnitřní napětí Možné příčiny

V důsledku nerovnoměrného chlazení výstřiku (na povrchu je ochlazení prudké a smrštění malé, kdežto v jádře je tomu naopak).

Tepelná vnitřní napětí

Deformační vnitřní napětí

V důsledku různého smršťování výstřiku vlivem nehomogenního teplotního pole výstřiku a jeho dodatečného smršťování.

Vlivem předčasného vyhazování ne zcela ztuhlého výstřiku z dutiny formy, který navíc větší nebo menší silou lne k povrchu líce formy.

Všechna uvedená vnitřní napětí se spolu na výstřiku sčítají, takže výsledná napjatost je složitá a v objemu výrobku nerovnoměrně rozložená. Výsledkem superpozice bývá převážně tlakové napětí v podpovrchové vrstvě a tahové napětí uvnitř stěny, povrchová vrstvička mívá tlakové nebo tahové napětí.

8


TZN Cvičení č. 6

následné jevy

Důsledky ? předčasné porušení součásti během jejího provozu při podstatně menším vnějším namáhání, než se očekávalo; deformace a smrštění výstřiku; napěťové trhliny v důsledku enviromentálního zatížení (UV zářením, chemickým působením tenzoaktivních látek, teplotními šoky, apod.).

Trhliny vzniklé napětím uvnitř dílu z PMMA

Trhliny ve stěně výstřiku s kovovým záliskem (nerovnoměrné chlazení)

Trhliny ve stěně výstřiku z PMMA

Trhlina ve stěně dílu z ABS

Deformace vstřikovaného dílu

Kulový kryt z PS (prasklina se šíří od vtoku v důsledku orientačního napětí)

7

Porušení dílu z PS

9


TZN Cvičení č. 6

následné jevy

FOTOELASTICIMETRIE (ukázka v laboratoři) objekt je prosvětlován polarizovaným světlem, pohledem přes analyzátor lze pozorovat charakteristické obrazce, které poskytují informaci o mechanickém napětí v modelu (vnitřní napětí vyvolává u průhledných plastů silový dvojlom).

Vnitřní napětí ve výstřiku v oblasti ústí vtoku

Princip fotoelasticimetrie

Schéma polariskopu

9

Rozložení radiálního kontaktního napětí po délce hmoždinky 8

Příklad vnitřního napětí v PS výstřiku zjišťované pomocí fotoelasticimetrie

10


TZN Cvičení č. 6

následné jevy

FOTOELASTICIMETRIE

– příklady polariskopů

Polariskop

Polariskop

Polariskop fy. Systém Eickhorst

Přenosný polariskop Polariskop VEZ 01

11

TZN


Cvičení č. 6

EXPOZICE PROSTŘEDÍ TENZOAKTIVNÍCH LÁTEK výstřik obsahující vnitřní napětí se za určitých podmínek (teplota, čas) ve vybraném tenzoaktivním prostředí naruší a vytvoří poruchy na hranách a plochách. Podle obsahu a velikosti napětí se jedná o krejzy, stříbření, mikrotrhlinky až otevřené trhliny. Doporučené tenzoaktivní látky a doby expozice pro kontrolu vnitřního napětí u vybraných polymerů 7 Polymer

Roztok smáčedla (tenzidu), 2%, 70oC Roztok smáčedla (tenzidu), 5%, 80oC

48 hodin 4 hodiny

PS, SB

n-heptan lakový benzín 23-50 oC n-heptan + n-propanol (1:1)

3 až 15 minut

toulen + n-propanol (1:5) n-heptan tetrachlorový uhlovodík

15 minut

ABS

toulen + n-propanol (1:5) metanol kyselina octová toulen

15 minut 15 minut 20 minut 60 minut

POM

kyselina sírová. 50 %, 50oC

max. 20 minut

PC/ABS

metanol + etylacetát (1:3) metanol + kyselina octová (1:3) toulen + n-propanol (1:3)

3 až 20 minut

PA 6, PA 6.6

Roztok chloridu zinečnatého, 35- 50% 50oC

20 až 60 minut

PC

toulen + n-propanol (1:3 až 1:10) tetrachlorový uhlovodík hydroxid sodný

3 až 15 minut 1 minuta 1 hodina

Napěťové trhlinky na výstřiku z PS

Poruchy na krytu z PS v tenzoaktivním prostředí lakového benzínu (po 3 min.) 7

Doba expozice

PE

SAN

vtok

Tenzoaktivní prostředí

12

III. Smršťování materiálu

TZN Cvičení č. 6

následné jevy

!

Smrštění polymerního výstřiku není materiálovou konstantou, ale je závislé také na technologickém režimu výroby a jeho geometrickém tvaru. Projevuje se především v okamžiku tuhnutí taveniny a v čase bezprostředně následujícím po vyhození výstřiku z formy. V databázích, materiálových listech granulátů, apod. jsou hodnoty smrštění uvedeny jako hodnoty zjištěné podle mezinárodně dohodnuté metodiky (ISO 294-4) – zkušební těleso o rozměrech 60 x 60 mm a tloušťce 2 mm, vstřikované filmovým ústím vtoku do jedné strany za předepsaných podmínek (konstrukce formy, temperace formy, rozměry vtokových kanálů, apod.). Výrobní smrštění Rozdíl mezi rozměrem daným formou při 23 oC a rozměrem výstřiku z téže formy měřeným v rozmezí 16 hodin až 24 hodin po vyhození z formy a skladovaném v suchém prostředí (nesmí dojít k nasákavosti). Dodatečné smrštění Smrštění materiálu v důsledku relaxace vnitřních napětí spolu s re-orientačními procesy, při uložení za vyšších teplot nebo v důsledku případné dokrystalizace (vliv teploty a času).

Faktory ovlivňující smrštění výstřiků

Zkušební tělesa dle ISO 294-4

Za nepříznivých podmínek může tato změna rozměrů způsobit až nefunkčnost výrobku. Dodatečné smrštění se v praxi urychluje expozicí vzorků vyšším teplotám, která omezí nežádoucí změny rozměrů během používání výrobků s vysokými požadavky na přesnost rozměrů.

13


TZN Cvičení č. 6

následné jevy

vysoká teplota formy u POM, potlačení orientace

Ukázka materiálového listu pro PBT Ultradur B 6550 (CAMPUS) s hodnotami výrobního smrštění

Ukázka materiálového listu pro POM Ultraform N2310 (CAMPUS) s hodnotami výrobního smrštění

14


TZN Cvičení č. 6

následné jevy

Standardní hodnoty smrštění polymerů amorfní termoplast

VS (%)

semikrystalický termoplast

PS, SAN, ABS

0,4  0,6

PE-LD

1,5  3,0 (4,0)

SB

0,4  0,9

PE-HD

1,0  2,5 (4,0)

PMMA

0,2  0,7

PP

1,5  3,0

PC

0,6  0,75

POM

2,0  3,5

PA

1,0  2,0

Výpočtový postup

(ISO 294-4)

Výrobní smrštění (sM)

S Mp

(l  l )  C 1 100 lC

S Mn 

VS (%)

(bC  b1 ) 100 bC

Dodatečné smrštění (sP)

S Pp

(l  l )  1 2 100 l1

S Pn 

(b1  b2 ) 100 b1

Pro návrh rozměrů tvarové dutiny formy je důležité znát lineární smrštění. Jedná se o rozdíl mezi rozměrem tvarové dutiny formy a rozměrem výstřiku vztaženým na rozměr formy.

lC , bC – délka a šířka ve středu tvarové dutiny formy l1 , b1 – odpovídající délka a šířka zkušebního tělesa

Předem stanovit přesné hodnoty rozměrů tvarové dutiny formy v jednotlivých směrech je velmi obtížné, proto se doporučuje využít počítačových simulací, zahrnující do výpočtu vliv krystalické fáze i vliv orientace makromolekul a plniva.

Zkušební těleso dle ISO 294-4

15

TZN


Cvičení č. 6

následné jevy

Podstata mechanismu smrštění plastů

Podstata mechanismu smrštění – příklad PA 6

Schematické znázornění p-v-T diagramu

0-2 2-3 3-4 4-5 5-6

A- studená forma B- teplá forma C- výstřik při odformování D- výstřik při 23/50 po 24 hod. E- výstřik po delším čase (nebo tepelné zátěži) F- výstřik po navlhnutí /např. PA/ Změna rozměrů výstřiku v čase

6

plnění dutiny formy (1-2 komprese) působení dotlaku pokles na atmosférický tlak chlazení výstřiku na teplotu odformování chlazení výstřiku mimo formu na teplotu okolí

6

16


TZN Cvičení č. 6

následné jevy

Faktory ovlivňující smrštění výstřiku  typ plastu (amorfní, semikrystalický)  stupni krystalizace  směru toku taveniny (umístění vtoku)  aditivech  technologických podmínkách výroby  geometrii a tloušťce výstřiku

Větší tloušťka stěny výstřiku je pomaleji chlazena  vyšší krystalizace  větší smrštění

zamyšlení se

1

2

Vliv technologických parametrů na smrštění výstřiku

6

1- Zvýšením teploty taveniny se zvyšuje tekutost plastu, což se projeví zvýšením vnitřního tlaku v dutině při konstantní hodnotě vnějšího tlaku. Tavenina pomalu chladne, doba zatuhnutí se prodlužuje, vnitřní tlak v okamžiku zatuhnutí se zvyšuje, smrštění se zmenšuje. 2- Při vyšší teplotě klesá smykové napětí v tavenině, snadněji probíhá relaxace orientace, ve směru plnění roste smrštění

? Je smrštění výstřiku závislé na vzdálenosti od vtoku ?

Vliv teploty formy na smrštění výstřiku z PA 6

10

Vliv teploty formy na smrštění výstřiku z POM

17

TZN


Cvičení č. 6

následné jevy

Faktory ovlivňující smrštění výstřiku  typ plastu (amorfní, semikrystalický)  stupni krystalizace  směru toku taveniny (umístění vtoku)  aditivech  technologických podmínkách výroby  geometrii a tloušťce výstřiku

Vliv tloušťky stěny na smrštění výstřiku z PA Durethan B 30 S

U semikrystalického plastu má tloušťka stěny výstřiku větší vliv na jeho smrštění, než v případě amorfního plastu. Výstřiky s rozdílnou tloušťkou stěny se mohou u semikrystalických plastů vlivem rozdílů smrštění deformovat více.

6

Vliv tloušťky stěny na smrštění výstřiku z ABS Novodur P2H-AT

6

18

IV. Krystalizace – heterogenní krystalická morfologie následné jevy

Primární krystalizace V procesu vstřikování při tuhnutí taveniny semikrystalických plastů ve vstřikovací formě.

Sférolitická struktura PES 12

Krystalizace závisí na rychlosti tuhnutí taveniny plastu, která ovlivňuje heterogenitu krystalizačních útvarů (sférolitů) v průřezu výstřiku (na jeho povrchu a v jádře) a také výsledný obsah krystalické fáze (stupeň krystalinity). Výsledný stupeň krystalinity, jakož i heterogenita velikosti sférolitů v průřezu výstřiků ovlivňují jeho výsledné vlastnosti. Pro dosažení vyšší pevnosti a tuhosti výstřiku je zapotřebí dosáhnout co nejvyššího stupně krystalinity a nejmenší velikosti sférolitů (chladnutím za teploty krystalizace, kdy vzniká největší počet krystalizačních zárodků). Tento proces lze ovlivnit nukleačními činidly (heterogenní nukleace), která urychlují krystalizační proces a vznikne jemná struktura s minimálním vnitřním napětím.

povrchová vrstva

A

Sférolitická heterogenní struktura výstřiku z POM

B

C

Praxe Snahou zpracovatelů plastů v praxi je minimalizovat výrobní čas a volit tak co nejkratší dobu plnění formy a co nejrychlejší chlazení vstřikovaného dílu, které je příčinou velkých strukturních rozdílů mezi povrchem a jádrem výstřiku (skin-core efekt) a tím odlišných vlastností výrobků.

Model morfologie vstřikovaného dílu 11 A- povrchová vrstva B – transkrystalická vrstva s kolmo orientovanými útvary (efekt vznikající při rychlém chlazení, příčinou je velmi rychlá nukleace na chladném povrchu, jehož teplota je nižší, než odpovídá max. rychlosti růstu sférolitů) C – sférolitické jádro

Sekundární krystalizace Dodatečná krystalizace, která může být spojena s deformacemi dílu nebo vznikem vnitřního napětí. Zvýšené teploty dodatečnou krystalizaci podporují. 19


Znalost vzniku heterogenní krystalické morfologie jako nástroj hodnocení kvality výroby Postup laboratorního studia morfologie polymerního dílu (ukázka v laboratoři): a)

b)

c)

d)

Schéma principu studia morfologie polymerů

T F = 20 oC

a) plastový díl; b) mikrotom; c) světelný mikroskop s polarizačním světlem; d) morfologie dílu

rychlé chlazení, které má za následek pokles pevnosti a nárůst tažnosti dílu

T F = 45 oC

T F = 90 oC Morfologie výstřiku a orientace makromolekul na povrchu a v jádře výstřiku studiem pomocí difrakce záření X 13 Vliv teploty formy na strukturu výstřiku z PA

20


Praxe

Obsah krystalického podílu ve struktuře semikrystalického termoplastu je ovlivněn podmínkami chlazení ve vstřikovací formě, zejména teplotou formy. S nižší teplotou formy bude mít tentýž materiál nižší stupeň krystalinity a tím nižší hustotu, pevnost a naopak větší tažnost. Následné vystavení dílu zvýšené teplotě bude provázeno výrazně vyšší mírou sekundární krystalizace (dokrystalizace), která je provázena tvarovou a rozměrovou změnou výstřiku, nepříznivě ovlivňující funkčnost součásti.  U dílů vystavených při jejich aplikaci tepelné zátěži (např. díly klimatizačních jednotek) bude zejména důležité, aby materiál při tuhnutí taveniny zkrystalizoval co nejlépe, a aby dodatečné smrštění bylo minimální (nutno volit odpovídající teplotu a dobu chlazení, popřípadě aditivovat materiál nukleačními činidly, které urychlí průběh krystalizace a tedy i solidifikaci taveniny plastu.

Vliv teploty formy na stupeň krystalinity a následnou dokrystalizaci v důsledku zvýšené teploty 10

Příklad dílu klimatizační jednotky automobilu

21

V. Vady výstřiků (vnější i vnitřní)

TZN Cvičení č. 6

následné jevy

Příklady vad plastových dílů v důsledku průvodních jevů v procesu vstřikování *

Studený spoj na výstřiku

Vlhkostní šmouhy na povrchu výstřiku

Volný proud taveniny (jetting)

Vzduchové šmouhy na povrchu výstřiku

* Vady plastových dílů jsou vyučovány v samostatném předmětu „Navrhování výrobků z plastů“. Jsou odrazem materiálu, procesníc h podmínek, konstrukce formy a stroje.

22

TZN

2. Vytlačování, Vyfukování

Cvičení č. 6

Průvodní a následné jevy zůstávají v platnosti, mají však menší hodnoty, neboť tavenina je vystavena nižším smykovým napětím a teplota a tlak v tavenině jsou nižší. vzduch  narůstání vytlačovaného profilu za hubicí vytlačovací forma hlava (v důsledku elastického chování taveniny) výlisek tavenina závisí na materiálu, teplotě a tlaku ( 2% a více) extrudér

trn

3. Tvarování desek z termoplastů chladící kanály

Technologie je charakterizována malým přesunem hmoty dutina formy parizon a tvarovací teplota je nižší. svorka termoplastická deska  orientace makromolekul ohřev  tvarová paměť  smršťování materiálu

4. Zpracování reaktoplastů

výlisek forma

konečný díl

vytvoření vakua tvárnice

výlisek

Při zpracování reaktoplastů nejsou předpoklady pro orientaci makromolekul. Smyková napětí jsou menší než u vstřikování.  smršťování materiálu – ovlivněno rozdílem teplot lisovací hmoty a okolí, v menší míře tlakem

23

TZN Cvičení č. 6 Reference [1] www.vulcanmould.com [2] Shoemaker, J.: Moldflow Design Guide. Carl Hanser Verlag, 2006. [3] Halaška, P.: Digitální prototyp Autodesk Simulation Moldflow od SMARTPLAST s.r.o. [4] Neuhäusl, E.: Vady výstřiků – 6. díl, Skryté vady, MM Průmyslové spektrum, 2010. [5] www.hoelzlekonstruktion.de

[6] Prospektové materiály firmy Bayer [7] Neuhäusl, E.: Vady výstřiků – 5. díl, Skryté vady, MM Průmyslové spektrum, 2010. [8] Vrba, J., Frantík, P.: Úvod do fotoelasticimetrie.

[9] Bittner, J.: Srovnávací analýza napětí součástí s vruby pomocí fotoelasticimetrie a MKP, diplomová práce, VUT Brno, 2008 [10] Zöllner, O.: Optimised Mould Temperature Control, Aplication Technology Infirmation ATI 1104 d, e, 1997. [11] Lednický, F.: Mikroskopie a morfologie polymerů. Liberec : TU v Liberci, 2009.

[12] Chen, M. et al.: Characterization Characterization, crystallization kinetics and melting behavior of poly(ethylene succinate) copolyester containing 5 mol% trimethylene succinate. Polymer 48 (2007), 5408-5416. [13] Viana, J.C.: Structural interpretation of the strain-rate, temperature and morphology dependence of the yield stress of injection molded semicrystaline polymers. Polymer, Vol. 46, Issue 25, 2005. [14] www.custompartnet.com

24

TEORIE ZPRACOVÁNÍ NEKOVOVÝCH MATERIÁLŮ

Recommend Documents