TZN - Katedra strojírenské technologie

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
II. Vnitřní reziduální napětí
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
II. Vnitřní reziduální napětí
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
II. Vnitřní reziduální napětí
TZN
Cvičení č. 6
následné jevy
FOTOELASTICIMETRIE
– příklady polariskopů
Polariskop
Polariskop
Polariskop fy. Systém Eickhorst
Přenosný polariskop
Polariskop VEZ 01
11
TZN
II. Vnitřní reziduální napětí
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
III. Smršťování materiálu
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
III. Smršťování materiálu
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
III. Smršťování materiálu
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
III. Smršťování materiálu
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
III. Smršťování materiálu
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
IV. Krystalizace – heterogenní krystalická morfologie
následné jevy
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
IV. Krystalizace – heterogenní krystalická morfologie
následné jevy
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