Vstřikování
Vstřikování cyklický tvářecí proces, při kterém se materiál v plastickém stavu vstřikuje vysokou rychlostí do uzavřené, temperované dutiny formy. Provádí se ve vstřikovacím stroji. stroji. Základní parametry vstřikovacího stroje:
Maximální vstřikovaný objem výstřiku ( cm3), popř. v gramech Plastikační kapacita stroje – množství plastu v kg, které je možno převést do taveniny za jednu hodinu Vstřikovací tlak vs. Uzavírací síla
Vstřikovací stroj Plastikační
jednotka – přeměna materiálu v taveninu Vstřikovací jednotka - doprava do tvarové dutiny formy, velká rychlost i tlak
Forma
– udělení tvaru a vznik výrobku Uzavírací jednotka – uzavření formy a odolání vstřikovacímu tlaku
Vstřikovací jednotky do formy
tryska – průchod taveniny z vstřikovací
Vstřikovací stroj
Materiály pro vstřikování Termoplasty Reaktoplasty Kaučuky Podle
druhu materiálu se volí režim vstřikování resp. podmínky vstřikování a jim pak odpovídá velikost smrštění výstřiku
Vstřikovací cyklus
1) plastikace (šnek se otáčí a posouvá zpět, plastikuje materiál a dopravuje ho k trysce a zároveň uzavírání formy 2) přisunutí vstřikovací jednotky 3) vstřiknutí taveniny do formy 4) dotlak (šnek se posune dopředu jako píst) 5) chladnutí hmoty ve formě a začátek opětovné plastikace 6)odsunutí vstřikovací jednotky d) otevření formy a a vyhození výstřiku, pokračování plastikace
Tlak vs. Čas při vstřikování
Vliv tlaku na zbytkový tlak ve formě
Poměry při plastikaci Závisí na typu plastikační jednotky: Pístová Šneková Vstřikovací jednotka s předplastikací
Vstřikovací jednotky
Pístová plastikační jednotka
Stlačování granulátu pístem, protláčení tavným pásmem, tavení a vstřik do formy. Rychlost dějů je omezena tepelnými vlastnostmi granulátu, proto různé topení (torpéda) a plastikační vložky, které však zvětšují tlakové ztráty Zahřívání pomocí odporového topení Špatný přestup tepla polymerem torpéda a žebra Použití pouze pro malé výstřiky
Pístová plastikační jednotka
Šneková plastikační jednotka
Má vyšší plastikační výkon a lepší kvalitu taveniny; pracuje zcela analogicky jako vytlačovací stroj, ale cyklicky. Při plastikaci šnek ustupuje dozadu a v prostoru před jeho čelem (špicí) se hromadí tavenina Při šnekové plastikaci je lepší využití zdvihu šneku, vyšší rychlost vstřikování (200(200-800 cm3/s) Velikost šneku 20 – 22 D Axiální pohyb šneku – hydraulicky Pohon šneku – elektromotory, hydraulickými motory Vyhřívání topnými pásy Zakončení šneku různé dle polymeru
Axiální posun šneku - hydraulicky měnitelná vstřikovací rychlost – pomocí programované rychlosti axiálního posunu šneku dotlačovací tlak také nastavitelný Pohon šneku – buď elektromotory, jejichž otáčky se mění stupňovitě změnou počtu pólů, nebo výhodněji (především u větších strojů) hydraulickými motory s plynule nastavitelnými otáčkami Vstřikovací válec pro vstřikování termoplastů - vytápění topnými pásy vstřikování reaktoplastů a kaučuků - cirkulující kapalinou Plnicí část - chlazena Při zpracovávání plastů, především plněných skleněnými vlákny či jinými minerálními plnivy - mimořádný oděr plastikační jednotky - válce zevnitř vyložené pláštěm ze speciálních oděruvzdorných slitin (Cr(Cr-CoCo-V) Zakončení šneku - hladké, hmoty s omezenou termickou stabilitou - prodlouženo v hladkou špičku pro (PVC) – opatřen spirálou taveniny s nízkou viskozitou (např. polyamidy) - šneky se zpětnou uzávěrou,, brání zpětnému tlakovému toku profilem šneku uzávěrou vyvození dostatečného vštřikovacího tlaku popř. dotlaku. Zpětná uzávěra nesmí : omezovat výtlačný tok šneku, obsahovat tzv. mrtvá mista a musí při axiálním posunu vpřed dokonale těsnit.
Šneková plastikační jednotka
Zakončení šneků
Vstřikovací jednotka s předplastikací Zajištění
dostatečného plastikačního výkonu a dokonalé homogenizace taveniny vedly k rozdělení vstřikovací jednotky na část plastikační a část vstřikovací. Šneková plastikační a pístová vstřikovací jednotka Zrychlení prac. cyklu Vstřikování reaktoplastů a strukturních pěn
Vstřikovací jednotka s předplastikací
a) pístová předplastikace b) šneková předplastikace 1-tavící komora, 2 2--hlava tavící komory, 3 3--torpédo, 4 4--plastikační píst, 5-násypka, 6 6--vstřikovací válec, 77-vstřikovací píst, 88-topení, 99uzávěr, 1010-vstřikovací tryska, 11,1211,12-upínací desky, 13 13--forma, 1414vyhazovače, 15,1615,16-dorazy vyhazovače, 1717-plastikační šnek, 1818pohon plastikačního šneku, 1919-výstřik
Otevřená tryska
Taveniny s velkou viskozitou nebo náchylné k tepelné degradaci Hladné, kónické bez „mrtvých“ míst Plastikace se provádí s tryskou dosednutou na ústí formy Opak uzavíratelná tryska (tlakový bezpečnostní ventil) Mrtvá místa, vhodné pro polymery nepodléhající degradaci teplem
Vyhřívaná tryska s vlastním vytápěním
Nepřímo vyhřívaná tryska
Vyhřívaná tryska s jehlou ovládanou pákou a tlakovým mediem
Poměry ve formě
Základním úkolem je udržení těsnosti formy po celou dobu plnění a dotlaku
Plnění formy probíhá ve třech etapách: Tok materiálu ve vtokovém systému Vlastní plnění formy Doplňování formy při dotlaku Následuje chlazení výstřiku ve formě u termoplastů, síťování u reaktoplastů a kaučuků
Výhody hydraulických jednotek
jednoduché, masivní a relativně levné provedení stroje
rychlé a jednoduché upnutí formy, bez potíží upínání forem o různé výšce
snadné nastavení hloubky otevření formy, přičemž vzhledem k tuhosti jednotky lze vstřikovat hluboké výstřiky
možnost automatického zpomalení rychlosti uzavírání formy těsně před jejím uzavřením zmenšení opotřebení
přidržovací síla přesně známa z tlakových údajů manometru hydraulického okruhu, snadno a přesně nastavitelná s velkou reprodukovatelností
snadné jištění uzávěru a formy proti přetížení nadměrnou přidržovací nebo vstřikovací silou
jednoduchá kontrola a údržba stroje - převážně výměna manžet a těsnění
možnost programové změny přidržovací síly v průběhu plnění umožňující tzv. „dýchání“ formy.
Uzavírací jednotka Hydraulická Pro
tlaky větší než 6 MN doplněna závorováním Kloubové jednotky ovládané hydraulicky
I — přední upínací deska (pevná), 2 — zadní upínací deska (pohyblivá), 3 – dělená vstřikovací forma, 4 — nosný sloup, 5 - páka s klínovou plochou, 6 - rám stroje, 7 - hydraulický válec
Pákoklínové uzavírací ústrojí
elektromagnetické uzavírací ústrojí I - pevná upínací deska, 2 — pohyblivá upínací deska, 3 — dělená vstřikovací forma, 4 - nosné sloupy, 5 — rám stroje, 6 — klikový kotouč, 7 - ojnice, 8 pákový mechaznismus
Vstřikovací formy Složité,
finančně náročné Řešení vtokových kanálků Hladké, dobrý tok taveniny Jednoduše rozevíratelné Temperace – opatřené kanálky pro rozvod média Jednoduché, násobné, s více vtoky
Forma a její hlavní části
Vstřikovací formy a vtoky
Masívní výstřiky s nutným dlouhým dotlačováním Nevýhoda – těžce oddělitelný vtokový zbytek Pro jednonásobné formy, nehospodárný
Vtokový systém
Nejjednodušší
– plný (kuželový) vtok S předkomůrkou Živý vtok
Tzv. živý vtok Prostříknutí zbytku v předkomůrce – hospodárný, zbytek se nemusí vyjímat Krátké cykly – cca 15 – 20s
Deštníkový vtok
A) vnější, B) vnitřní; 1 - ústi vtoku, 2 - deštníkový vtok
Vstřikování kruhových dílů nebo nutnost obtékání jádra Nevzniká studený spoj
další typy vtoků a jejich umístění
Násobná forma s bočním vtokem
Průřezy vtokových kanálků
Řešení vtokových systémů
Další typy vtokových systémů
Odstupňovaný průřez vtoku - stejná rychlost taveniny
Průběh plnění dutiny formy
Odtržení výrobku od vtokového systému U
dvoudeskových forem nutno ostraňovat Formy s tunelovým vtokem – odtržení samovolně po otevření
formy s horkými rozváděcími kanálky v podstatě živý bodový vtok upravený pro násobnou formu Výhody použití: použití: ušetření polymeru z vtokových zbytků není nutné dodatečné odstraňování vtokových zbytků s event. začišťováním nejsou nutné třídeskové formy odpadá nutnost plastikovat materiál i na vtokové zbytky zkrácení vstřikovacího cyklu snadná automatizace procesu Nevýhody:: Nevýhody vyšší cena forem vzhledem k poměrné složitosti těchto forem - náročnější opravy možné delší přerušení výroby Uplatnění: u malých výstřiků, kde objem vtokových zbytků by byl stejný nebo větší než objem výstřiku nebo kde vzhledem k malé tloušťce stěny je nutné vstřikování několika vtoky
tři základní typy: a) formy s izolovanými rozváděcími kanály, b) formy s vyhřívanými rozváděcími kanály c) formy s modifikovanými izolovanými rozváděcími kanály
Formy s izolovanými rozváděcími kanály - třídeskové formy s rozváděcími kanály o větším průměru Na počátku vstřikování tavenina polymeru sice zatuhne na stěnách kanálů, ale zbylé plastické jádro má dostatečný průřez umožňující průtok taveniny v dalších cyklech. Dělící rovina rozváděcích kanálů se otevírá pouze při přerušení výroby.
Formy s vyhřívanými rozváděcími kanály - rozváděcí systém taveniny trvale udržován nad teplotou tání taveniny vstřikovaného polymeru: celý obsah kanálů roztavený. - velmi náročné po konstrukční a výrobní stránce, vyplatí se pro výstřiky menších hmotností ve velkých sériích Formy s modifikovanými izolovanými rozváděcími kanály - kompromis mezi oběma předchozími systémy Tavenina v hlavních kanálech je izolována ztuhlým polymerem, ale trysky jsou vyhřívány malými odporovými tělesy přesnější nastavení a ovládání teplot
Formy s více částmi
Způsoby odvzdušnění
0,02 až 0,05 mm
Způsoby vyhazování výstřiků
Mechanické vyhazování – vyhazovací kolíky Stírací deskou Pomocí šikmých kolíků dvoustupňové vyhazování – rozdílné časové rozdělení Vzduchové vyhazování – tenkostěnné výrobky Hydraulické vyhazování – plynulejší ovládání mech. vyhazovačů
Mechanické vyhazování pomocí kolíků
Umístění vyhazovacích kolíků
Vyhazování stírací deskou
Pozn. Nutno vyhazovat i vtokový zbytek
Chlazení forem
Umístění temperačních kanálků
Zásady navrhování výlisků
Průvodní jevy při vstřikování Orientace Vnitřní
pnutí
Smrštění Studené
spoje
Orientace výstřiků
Orientace a následná relaxace Anizotropie vlastností Nehomogenita vlastností
Vnitřní pnutí Orientační
pnutí – orientace výstřiků Tepelná pnutí – teplotní gradient při chládnutí nerovnoměrné smršťování Expanzní pnutí – při přehuštění dutiny formy taveninou Krystalizační pnutí Deformační vnitřní pnutí – při vyhazování výstřiku, pokud vzniknou plastické deformace (nedostatečně zchládnutý výstřik, velká přilnavost materiálu k formě, špatný vyhazovací systém)
Smrštění Výrobní
smrštění – ovlivněno: druhem plastu (krystalické polymery vs. amorfní) tvar výrobku a tloušťka stěny umístění vtoku na výrobku – směr toku taveniny
a směr kolmý
technologické podmínky – vstřikovací tlak a dotlak – čím větší a delší, tím menší výrobní smrštění
Dodatečné
smrštění
Studené spoje
Rozdílné
s druhem materiálu – u PE či PP
zanedbatelné, u PS snížení pevnosti až o 30%
Tokové
čáry – sledují tok materiálu v dutině –
nesprávně navržený a dimenzovaný vtokový systém
Příklad výpočtu tvárnice a tvárníku formy pro výstřik:
Vady výstřiků
Vady tvaru – neúplný výstřik, přetoky, propadliny, zborcení a deformace
Vady povrchu – změna barvy, nedostatečný lesk, zakalení, stříbření, rýhování, trhlinky, žloutnutí
Skryté vady – vnitřní pnutí, vakuové bubliny
Další vliv mají závady vstřikovacího procesu – špatná teplota, tlak, dotlak, vyhazování atd.
Zvláštní způsoby vstřikování Vstřikování
vyztužených termoplastů Vstřikování s dolisováním (Rolinx proces) Autotermní vstřikování (Intrusion) Vstřikování termoplastů s nadouvadly Vstřikování dvoubarevných výstřiků Vstřikování sendvičů (proces ICI) Vstřikování s injektáží plynu (GIC) Vícesložkové vstřikování
Vstřikování vyztužených termoplastů Plnivo
– krátká skleněná vlákna Horší tekutost taveniny – vysoké vstřikovací tlaky, popř.vyšší teploty Oděr pracovních částí Jinak navrženy výstřiky i vtokový systém – co největší průřez a nejmenší délka Ne bodové vtoky
Vstřikování termoplastů s nadouvadly
Strukturní pěny Kompaktní povrch a napěněné jádro 0,5 až 3 % nadouvadla Nízkotlaké a vysokotlaké Nízkotlaké: 1010-20 MPa, pak klesne na 1 1--2 MPa, zaplnění 6060-80% objemu, malá uzavírací síla a méně náročné formy ale dostatečně velké odvzdušňovací kanály krátké vtokové kanály – nebezpečí rozkladu nutné samouzavírací trysky dlouhá doba chládnutí – karusely
Vysokotlaké: hladký povrch , ale zvláštní konstrukce formy s pohyblivým tvárníkem, náročná
vícepolohový vstřikovací stroj (karusel):
Vícesložkové vstřikování Dvě
samostatné vstřikovací jednotky Nejprve hmota pro povrchovou vrstvu, dokud je v tavenině, rychle hmota pro jádro Jádro často napěněné Nutné uzavření povrchu výstřiku v místě ústí vtoku první hmotou Rychlý sled operací Možnost kombinace dvou druhů plastů
Vícesložkové vstřikování
Vstřikování s dolisováním Tenkostěnné
výrobky s velkou plochou, tedy vysoký poměr délka/tloušťka Programové uzavírání formy různě velkou silou
Autotermní vstřikování Také intruze, tokové vstřikování Mimořádně tlustá stěna výstřiku Mezistupeň mezi vstřikováním a vytlačováním Hmota nejprve „vtlačena“ plynulým vtékáním pomocí šneku a pak „dotlačena“
Vzorek pro hodnocení materiálu pro vstřikování
PP + piliny
Vstřikovaná spirála Délka toku = 20 cm
PP
Délka toku Délka toku = 33 cm
Výroba krytky z PP vstřikováním
Konečný výstřik
Výstřik s vtokovým systémem
Složená forma
temperační kanálky
Rozložená forma s detailem dutiny
Detaily spojovacích prvků
Detail kanálku a dutiny výstřiku
Bodový vtok a vyhazovací kolíky
REAKTIVNÍ VSTŘIKOVÁNÍ
Teoretické výhody - NÍZKÁ VISKOZITA HMOTY - velké objemy při nízkých tlacích, levné formy, nízké investice - NÁSTŘIK HMOTY V MONOMERNÍM STAVU - deformace polymerních řetězců, smrštění, deformace výrobků - NÁSTŘIK HMOTY DO FORMY O VYŠŠÍ TEPLOTĚ NEŽ JE TEPLOTA FORMY - viskozitní profil ve formě, velikost nástřiku, subtilnost zařízení a forem
RIM materiály používané ve firmě RIM-Tech a.s. - NYRIM - blokový kopolymer NYLON-6 a polyeter (KL-6+prepolymer+katalyzátor) - PU-RIM - tvrdé a houževnaté typy (Poly+ISO) - DCPD-RIM - dicyklopentadien (DCPD-A+DCPD-B)
Chemické reakce v RIM technologii To /C/ 1.
PU RIM -NCO
2.
Polymoč.
O -NH CO-
+ HO-
O -NHCNH-
-NCO + H2N-
3.
PA RIM
(CH2)5
NH +X (PPO)X
30
Tm /C/
dT /C/
70
t (odf) /MIN/
130
1-10
30
60
110
1
100
150
50
4
30
60
150
2
CO -/(CH2)5 – NH-CO-/n aniontová polymerace
1.
(PPO)m
DCPD
/(CH2)5 – NH-CO-/p
( Et)2Al Cl W(Cl)6 + mod. kauč.
n
REAKTIVNÍ VSTŘIKOVÁNÍ
Obecné výhody technologie RIM - velmi dobré vlastnosti materiálů na úrovni kvalitních konstrukčních plastů - díly bez vnitřního pnutí možnost rozdílných tlouštěk stěn u jednoho dílu - snadná úprava vlastností materiálu - vlastnosti na míru - snadné modifikace tvaru dílů - velká volnost při navrhování dílů - krátká doba náběhu výroby - minimální propady v místě žeber a nálitků - nízký tok za studena - minimální dodatečná tvarová deformace dílů - ekonomicky výhodná výroba velkých dílů - ekonomicky výhodná výroba forem - relativně nízké náklady na dopravu
Materiály s uplatněním pro mimořádně namáhané aplikace NYRIM - extrémně houževnatý - vysoká odolnost k obrušování - dobrá chemická odolnost - odolnost k nízkým i vysokým teplotám - možnost zpracování RRIM technologií (plnění vláknitými plnivy) - možnost výroby tlustostěnných dílů nebo dílů s rozdílnou tloušťkou stěn - recyklace odpadu DCPD-RIM - vysoce houževnatý - výborná chemická odolnost - vysoký modul bez použití plniv - dobrá odolnost k vysokým teplotám - možnost výroby extrémně velkých dílů
RIM materiály sledované ve firmě RIM-Tech a.s. Vlastnosti materiálů NYRIM - blokový kopolymer NYLON-6 a polyeter (KL-6 + prepolymer + katalyzátor) - extrémně houževnatý - vysoká odolnost k obrušování - dobrá chemická odolnost - odolnost proti nízkým i vysokým teplotám - možnost zpracování RRIM technologií - možnost výroby tlustostěnných dílů nebo dílů s rozdílnou tloušťkou stěn - recyklace odpadu PU-RIM - PU-RIM - tvrdé a houževnaté typy (Poly+ISO) - výborná chemická odolnost - vysoká odolnost k obrušování - možnost zpracování RRIM technologií - rozměrová stálost - velká variabilnost vlastností - relativně nízká cena materiálu
Telene - Telene - dicyklopentadien (DCPD-A+DCPD-B) - vysoce houževnatý - výborná chemická odolnost - vysoký modul bez použití plniv - dobrá odolnost proti vysokým teplotám - možnost výroby extrémně velkých dílů
Bayflex 180/ 190 (tenkostěnný RRIM) - Bayflex 180/ 190 - polymočovinový RIM (blízký PU-RIM systémům) - tloušťka stěny až 1,5 mm - výborná rázová odolnost za nízkých teplot - výborná vysokoteplotní odolnost - velmi krátký výrobní cyklus - pod 2 minuty - on-line lakovatelné díly - relativně vysoké série výrobků - výborná rozměrová stálost
