Vliv technologických parametrů na zatékavost polymerů

Transkript

1 Teze habilitační práce Vliv technologických parametrů na zatékavost polymerů Influence of technological parameters on polymer fluidity Autor: Ing. Michal Staněk, Ph.D. Obor: Nástroje a procesy Zlín, říjen 2017

2 Ing. Michal Staněk, Ph.D. Vydala Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně v edici Habilitation Thesis Summary. Publikace byla vydána v roce 2017 Klíčová slova: technologie vstřikování, vstřikovací forma, polymer, konstrukce, polymer, zatékavost, drsnost povrchu Key words: injection molding technology, injection mold, design, polymer, fluidity, surface roughness Plná verze habilitační práce je dostupná v Knihovně UTB ve Zlíně. ISBN

3 ABSTRAKT Vstřikování patří v současné době k nejrozšířenějším technologiím ke zpracování polymerních materiálů. Umožňuje zpravidla výrobu hotových dílů, které ve většině případů nevyžadují následné operace. Vstřikovací forma (nástroj) je velmi složitou sestavou skládající se z mnoha různě velkých a různě složitých dílů. Největší nároky jsou kladeny na výrobu tvarových dutin, zahrnujících jak samotnou dutinu formy dávající tvar a rozměry budoucímu výrobku, tak i vtokový systém (rozvodné a vtokové kanály zajišťující přivedení polymerní taveniny k jednotlivým dutinám). Vtokový systém může být velmi složitý, členitý a v mnoha případech zaujímají až 50 % objemu zpracovávaného materiálu. V současné praxi je stále velmi často uplatňován požadavek na vysokou jakost (leštění) všech povrchů, které přijdou do styku s taveninou z důvodu lepších tokových podmínek. Habilitační práce se zabývá studiem vlivu jakosti povrchu dutiny formy a vlivu technologických parametrů na tok polymeru. Výsledky experimentů provedených s vybranými druhy polymerních materiálů (termoplastů, termoplastických elastomerů a elastomerů) prokázaly vliv drsnosti povrchu testovacích desek na tok taveniny. Toto zjištění umožňuje odstoupit od dosavadních představ o vlivu jakosti povrchu na tokové vlastnosti a vyloučit (pokud to zadávací podmínky dovolují) z technologického procesu nákladné dokončovací operace. Zjištěné výsledky měření mohou mít velký vliv na doposud používané postupy výroby tvarových částí vstřikovacích forem. Především v případě jejich nahrazením výrobními postupy, které jsou méně nákladné a časově méně náročné.

4 ABSTRACT Injection molding is currently the most widely used polymer processing technology. Generally, it allows the production of finished parts, which in most cases do not require subsequent operations. Injection mold (tool) is a very complex assembly consisting of many differently large and variously complex parts. The greatest demands are placed on the production of shaped cavities, including both the cavity of the mold giving the shape and dimensions of the future product, as well as the runner system (runners providing the polymer melt to the individual cavities). The runner system can be very complex and in many cases occupy up to 50 % of the material volume be processed. In current practice, the requirement for high quality (polishing) of all surfaces that come into contact with the melt is still very often applied due to better flow conditions. Habilitation thesis deals with study of influence of mold cavity surface quality and technological parameters influence of on polymer flow. The results of the experiments carried out with selected types of polymers (thermoplastics, thermoplastic elastomers and elastomers) showed an effect of the test plates surface roughness on the melt flow. This finding allows us to withdraw from existing ideas about the influence of surface quality on the flow properties and to exclude the technological process of the expensive finishing operation (if the terms allow it). The use of the measurement results can have a major effect on the production of molded parts of injection molds, in particular in the modification of the processes used so far, and their replacement by production processes with less expensive and time-consuming ones.

5 OBSAH ÚVOD PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU DANÉ PROBLEMATIKY...7 CÍLE HABILITAČNÍ PRÁCE TEORIE VSTŘIKOVÁNÍ VSTŘIKOVÁNÍ Vstřikovací cyklus Tok taveniny Vstřikovací forma Úprava povrchu dutin forem VÝROBA VSTŘIKOVACÍCH FOREM JAKOST POVRCHŮ SOUČÁSTÍ FOREM PŘÍPRAVA EXPERIMENTU VSTŘIKOVANÉ MATERIÁLY Termoplasty Termoplastické elastomery Elastomery ZKUŠEBNÍ VSTŘIKOVACÍ FORMY VSTŘIKOVACÍ FORMA PRO TERMOPLASTY Tvarová deska Zkušební deska ZKUŠEBNÍ TĚLESA VÝSLEDKY MĚŘENÍ MĚŘENÍ A VYHODNOCENÍ DÉLKY ZATEČENÍ VSTŘIKOVÁNÍ TERMOPLASTŮ Vliv povrchu zkušební desky na délku zatečení Vliv vstřikovacího tlaku na délku zatečení Vliv vstřikovací rychlosti na délku zatečení Vliv velikosti vtoku na délku zatečení VLIV VSTŘIKOVACÍHO TLAKU NA KVALITU POVRCHU VSTŘIKOVANÉHO DÍLU PRAKTICKÁ APLIKACE...34 DISKUZE VÝSLEDKŮ...38 PŘÍNOS PRÁCE PRO VĚDU A PRAXI...40 ZÁVĚR...41 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY...42 SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A ZKRATEK...46 SEZNAM OBRÁZKŮ...48 SEZNAM TABULEK...49 CURRICULUM VITAE...50

6 ÚVOD Již od počátků průmyslové výroby jsou uplatňovány snahy o optimalizaci výrobního procesu, zvyšování produktivity a minimalizaci nákladů. Toho lze dosáhnout jedině zaváděním nových technologií a materiálů. Polymerní materiály byly už od prvopočátku jejich používání považovány za velice užitečný a nenahraditelný substituent ke konvenčním materiálům, jakými jsou například dřevo a ocel. Tyto materiály jsou pro některé aplikace nevhodné a řadě požadavků, ať už z hlediska konstrukčního či technologického, nevyhovují. Naopak plasty, svými v mnoha směrech vynikajícími vlastnostmi, jako je vysoká chemická odolnost nebo nízká měrná hmotnost, zaujaly v mnoha případech jejich místo. V minulém století proto vznikl zcela nový technický obor zabývající se právě těmito materiály a technologiemi jejich zpracování. Mezi nejrozšířenější technologie v oblasti zpracování plastů patří bezpochyby vstřikování. Touto technologií je možno vyrábět výrobky rozličných tvarů, jež není možné s pomocí jiných technologií realizovat. Vstřikování plastů se jeví jako velmi progresivní technologie, neboť umožňuje plně automatický chod výroby s vysokou produktivitou a značné zrychlení výrobního cyklu. Ve většině případů je možno odeslat výrobek zhotovený vstřikováním přímo spotřebiteli zpravidla bez nutnosti použití dodatečných operací. Celý cyklus se odehrává na vstřikovacím stroji, kde je upnut nástroj vstřikovací forma. Na tuto jsou kladeny vysoké nároky z mnoha stran. Vstřikovací forma musí především zajistit a zachovat požadovanou funkčnost výroby, dále poskytovat výrobky shodné kvality a rozměrů, a v neposlední řadě musí odolávat vysokým tlakům a teplotám při samotném vstřikování. Při samotné výrobě vstřikovacích forem se používá celá řada obráběcích technologií, ať už konvenčních, tak i nekonvenčních. Je zde kladen vysoký důraz především na přesnost a kvalitu jednotlivých částí formy. Z těchto důvodů je návrh a konstrukce tohoto nástroje poměrně složitým multidisciplinárním oborem. Plnění dutiny formy je nejdůležitějším úsekem celého vstřikovacího cyklu, který rozhoduje o vlastnostech hotového výrobku. Jedná se o děj trvající velmi krátkou dobu, jen několik desetin sekundy nebo několik málo sekund a probíhající značně komplikovaným mechanismem. Plnění dutiny formy závisí na tlaku uvnitř formy, vstřikovací rychlosti, teplotě taveniny, teplotě formy a reologických charakteristikách vstřikovaného materiálu. V dnešní době se plně využívá počítačová technika vybavená mnoha CAD systémy, které velmi usnadňují práci konstruktéra. Společně se simulačními CAE programy využívajícími metody konečných prvků pomáhají předcházet problémům vznikajícím při návrhu dílu a konstrukci vstřikovací formy pro jeho výrobu. Dalšími systémy ze skupiny CAx softwarů jsou CAM a CIM, sloužící k výrobě samotné výrobě vstřikovací formy a jejich jednotlivých částí. 6

7 1 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU DANÉ PROBLEMATIKY Při testování vlastností polymerních materiálů se mezi nejčastější zkoušky řadí spirálová zkouška. Její oblíbenost spočívá v jednoduchosti vyhodnocování výsledků měření, délka spirály je přímo tímto výsledkem testu. Problematikou zatékání polymerní taveniny v dutině formy při vstřikování polymerů se zabývá americká norma ASTM D (Standard Test Method for Spiral Flow of Low-Pressure Thermosetting Molding Compounds) vydaná roku Norma ASTM (American Society for Testing and Materials) popisuje přesně stanovenou zkoušku, kde dutina formy je ve tvaru spirály. Zkouška probíhá za konstantního tlaku 6,9 ± 0,17 MPa a teploty formy 150 ± 3 C. Povrch dutiny je normou předepsán jako vysoký lesk. Tato zkouška je určena pro testování termosetů a nemá ISO ekvivalent. Pro podobné zkoušení termoplastů neexistuje norma žádná. Obr. 1: Spirála dle normy ASTM Stejně tak pro zkoušení zatékavosti kaučukových směsí také neexistuje mezinárodní či národní norma. Spirálové testy jsou prováděny podle interních norem především výrobců materiálů pro porovnávání vlastností jednotlivých materiálů případně výrobců vstřikovacích strojů. Jednou z nich je i norma, podle které byla navržena testovací forma popsána v kapitole 4, od firmy REP určená pro testování kaučukových směsí a jejich zpracování vstřikováním. U této zkoušky se mění teplota formy a velikosti vstřikovacích tlaků. 7

8 Pro měření zatékavosti polymerů v závislosti na jakosti povrchu dutiny formy nebyla v rámci provedené literární rešerše zjištěna žádná existující norma, ani práce podobného charakteru. Obr. 2: Ukázka dostupných forem pro spirálové zkoušky zatékavosti [60], [61] 8

9 CÍLE HABILITAČNÍ PRÁCE Cílem této habilitační práce je zhodnotit vliv technologických parametrů vstřikovacího procesu a jakosti povrchu dutiny formy na zatékavost polymerní taveniny. Postup: 1. využití speciálně navržených nástrojů (vstřikovacích forem) umožňujících snadnou výměnu funkčních tvarových částí s různou jakostí povrchu pro přípravu zkušebních těles, 2. simulace toku taveniny pomocí programů Autodesk Moldflow Inside a Cadmould 3D-F. Simulací ověřit správnost konstrukčního návrhu nástroje a připravit podmínky pro vstřikování zkušebních těles, porovnání výsledků analýz s reálnými tělesy, 3. změření jakosti povrchu zkušebních desek vstřikovacích forem. K měření použít dostupných dotykových i bezdotykových metod měření jakosti povrchu, 4. návrh vhodných typů polymerů z oblasti termoplastů, termoplastických elastomerů a elastomerů. Volba materiálů s různým typem a různou hodnotou plniva, 5. příprava zkušebních těles na vstřikovacích strojích. Tělesa připravit při použití desek s rozdílnou jakostí povrchu při různých technologických podmínkách, 6. vyhodnocení výsledků experimentů a statistická vyhodnocení naměřených výsledků. 9

10 2 TEORIE VSTŘIKOVÁNÍ 2.1 Vstřikování Technologie vstřikování je nejrozšířenějším způsobem výroby dílů z polymerů. Vyznačuje se poměrně složitým fyzikálním procesem, na kterém se podílí polymer, vstřikovací stroj a vstřikovací forma (nástroj). [2] forma tryska válec Obr. 3: Vstřikovací stroj šnek Vstřikováním se zpracovává většina polymerů, tzn. plasty i kaučukové směsi. Technologie vstřikování umožňuje vyrábět výrobky velmi složitých tvarů pro aplikace v automobilovém, leteckém a kosmickém průmyslu, v elektrotechnice a optice, ve zdravotnictví, v přístrojích pro domácnost, sport a volný čas. [19] Vstřikováním se označuje takový způsob tváření polymerních materiálů, při kterém se materiál ve formě taveniny plní vysokou rychlostí (vstřikuje) do uzavřené dutiny formy, která je temperována. [41] Vstřikovací cyklus Vstřikovací cyklus (Obr. 4) je založen na principu vstříknutí taveniny polymeru do formy, chlazené při zpracování termoplastů a vyhřívané při zpracování kaučukových směsí. Forma je po ztuhnutí taveniny, resp. po zvulkanizování kaučukové směsi otevřena, výstřik vyjmut a stroj připraven k dalšímu cyklu. [42] Vstřikovacím cyklem se nazývá sled operací souvisejících s výrobou výstřiku. Vstřikovací cyklus začíná uzavřením formy. Ve vstřikovací jednotce dochází k plastikaci. Poté přijíždí vstřikovací jednotka k formě a po dosednutí vstřikovací trysky nastává vstřikování taveniny. Po naplnění dutiny formy 10

11 taveninou dochází k postupnému tuhnutí, což je provázeno objemovými změnami. Pro zachování požadovaného tvaru a rozměrů budoucího výrobku, je nutné doplnit další polymer, což se odehrává ve fázi nazývané dotlak. Po zatuhnutí vtokového systému dochází k dalšímu tuhnutí ve formě. Následuje odsun vstřikovací jednotky a po ztuhnutí taveniny se forma otevírá a výrobek je vyhozen. Ve vstřikovací jednotce mezitím probíhá příprava taveniny a celý cyklus se opakuje. [42] Tok taveniny Obr. 4: Průběh vstřikovacího cyklu V zájmu získání výstřiku s dobrými fyzikálními vlastnostmi a dobrým povrchem se plnění formy musí řídit tak, aby tavenina nevtékala do formy volným paprskem, ale aby materiál vtékal do formy postupně. Pokud tavenina vykazuje nedostatečné narůstání k vytvoření kontaktu se stěnou formy, dojde k jevu zvanému jetting tryskový tok (volný paprsek). Je typickým jevem pro vysoce plněné materiály, protože mají sníženou elasticitu taveniny a tedy vykazují menší narůstání. Výsledkem je nekvalitní povrch a vytvoření několikanásobného počtu studených spojů vede ke snížení mechanických vlastností. [19] Obr. 5: Průběh plnění tvarové dutiny formy [3] a) plnění volným paprskem (Jetting) b) postupné plnění 11

12 Při tomto způsobu laminárního plnění vzniká plastické jádro, které umožňuje stlačení taveniny ve formě a následný dotlak. Pro většinu výstřiků se volí konstantní vstřikovací rychlost daná rychlostí axiálního posunu šneku. Při zaplňování dutiny formy nedochází ke skluzu taveniny po stěně, ale dochází k,,valení taveniny. Tavenina uprostřed kanálu nejprve zpomalí, jakmile dosáhne čela proudu taveniny a následně se začne pohybovat kolmo ke stěně vtokového kanálu. Tato stěna je chladná a tak je za postupujícím čelem proudu taveniny formována zamrzající vrstva. Tento laminární tok je taky označován jako,,fontánový tok. [19] Vstřikovací forma Obr. 6: Fontánový tok [51] Tímto pojmem je označován nástroj používaný na vstřikovacím stroji, jehož použitím vzniká výrobek z polymerního materiálu. Vstřikovací formy používané v dnešní době jsou zařízení poměrně technicky komplikovaná, na která jsou kladeny velké nároky z hlediska spolehlivosti, kvality, produktivity a automatizace výroby. Obr. 7: Řez vstřikovací formou [46] 12

13 Konstrukční řešení se skládá ze dvou základních částí. První částí je tvarová dutina, která po vyplnění roztaveným polymerem, určí konečný tvar požadovaného výrobku. Řešení dutiny jsou velmi různorodá a kromě několika pravidel technologičnosti konstrukce se řídí především tvarovými, funkčními a vzhledovými požadavky na výrobek. Druhou částí je vlastní konstrukční stavba nástroje, která ve valné většině případů bývá obdobná. Toho využívá mnoho firem, jež uvádí na trh stavebnicové systémy normalizovaných komponentů. Mezi nejznámější patří například firma HASCO či firma DME. Stavba vstřikovacích forem se skládá z několika paralelních desek různých funkcí a dále pak z celé řady dalších v nich uložených nebo k nim přidaných součástí. Mezi tyto patří například vodicí sloupky, vodicí pouzdra, spojovací součásti, vtokový, chladicí či vyhazovací systém apod. Forma sestává zpravidla ze tří základních částí, jak ukazuje obrázek (Obr. 7). První částí se do formy vstřikuje a rozvádí tavenina, jedná se o pravou vstřikovací část formy (vstřikovací strana). Levá pohyblivá část formy (strana vyhazovačů) pak umožňuje otevření a uzavření formy v dělicí rovině. Obě části spolu vytváří dutinu, která dává tvar budoucímu výrobku. Třetí, vyhazovací systém, pak při otevřené formě vyhazuje výrobek ven z formy Úprava povrchu dutin forem Dutina formy je určena především tvarem s příslušnými rozměry, ale také jakostí jejího povrchu. Zhotoví se podle požadavku na povrch vyráběné součásti, protože její povrch je obrazem povrchu dutiny formy. [2] Povrch se vyrábí jako: matný, který je technologicky nejjednodušší. Běžně je výchozí plochou po elektroerozivním obrábění. Může se však vyrobit i jinými technologiemi (ruční úpravou, otryskováním apod.). Podle požadované jakosti se obvykle stanoví i způsob jejího dokončení, lesklý, vyžaduje poměrně nákladnou a náročnou operaci. Forma musí být vyrobena z kvalitní oceli a také technologie vstřikování musí být na vysoké úrovni. Dutina se leští různými mechanickými pomůckami, nebo elektrickými jednotkami s rotačním, přímočarým i planetovým pohybem, za pomoci správného brusného tělíska nebo brusné pasty. Stupeň lesku je třeba definovat (zrcadlový, vysoký lesk, ), dezénovaný povrch nachází stále větší uplatnění. Nemá pouze estetický význam, ale zakrývá i některé drobné povrchové vady na výstřiku apod. Dezénovat se mohou všechny plochy rovinné i zakřivené, které jsou přístupné. Pro výběr vzorů jsou k dispozici vzorové destičky od různých technologií, podle kterých se dezén vyrábí. [2] 13

14 Nejčastější výrobní technologií dutiny formy je elektroerozivní obrábění. Hrubost obrobeného povrchu je nastavitelná elektrickými veličinami. Nejširší výběr dezénovaných vzorů umožňuje fotochemický způsob v leptací lázni. Nejjednodušší technologií výroby dezénu je otryskávání. Je však omezena tvarem povrchu i přesnější definicí vzoru. Čím jemněji je povrch opracován, tím se dosáhne kvalitnějšího dezénu. Široký rozsah výrobních možností úpravy povrchu formy, obvykle splňují požadavky na jakost povrchu výstřiku. Různé způsoby se mohou vzájemně kombinovat a tak dosáhnout požadovaného účelu. [2] 2.2 Výroba vstřikovacích forem Formy jsou nákladné nástroje sestavené z funkčních a pomocných dílů. Při výrobě výstřiků se od nich vyžaduje dosažení požadované kvality, životnosti a nízkých pořizovacích nákladů. Významný činitel pro splnění těchto podmínek je materiál forem, který je ovlivněn provozními podmínkami výroby. Forma jako nástroj je složena z rámu, tvarových dílů a dalšího příslušenství. Ustálený sled činností při realizaci představuje: jednání se zákazníkem a konstrukční projekt (5 10) % konstrukce vstřikovací formy (10 20) % TPV (technická příprava výroby) (5 15) % výroba vstřikovací formy (40 70) % zkoušení, úprava a předání vstřikovací formy (5 15) % 2.3 Jakost povrchů součástí forem U vyráběných dílů forem je dána přesnost a jakost povrchu výrobním výkresem a technologickým postupem. Jednotlivé výrobní způsoby umožňují dosáhnout jen určitých hodnot jakosti povrchu (vyjádřený v Ra, Tabulka 1). Při znalosti hodnot požadovaných výkresem a dosažitelným výrobním způsobem, je pak už snadné stanovit výrobní technologie i s příslušným výrobním zařízením. Mezi jakostí opracování a přesností je vzájemná vazba. [50], [7] Jednotlivé součásti formy i jejich celky pak vyžadují takový způsob opracování a dodržení přesnosti, aby vyhověl požadované funkci. Z nich: funkční díly formy, které jsou nositelem jakosti povrchu i rozměrů budoucího výstřiku vyžadují největší péči. Mimo daných technických a technologických podkladů spolu s dosahovanými výsledky při jejich obrobení, je třeba i určitých zkušeností nástrojařů, které si osvojili praxi. Tak například díly, které na sebe dosedají, se vyrábí s výškou o několik setin mm větší (předpětí). Při leštění je třeba dodržovat takový způsob práce, aby vzniklé rysky nebránily vyhození výstřiku, případně 14

15 nevznikaly podkosy, apod. Každý polymer má svoje speciální požadavky na formu, jejichž dodržení může podstatně zvýšit kvalitu formy, rám formy představuje skupinu vzájemně spojených desek a dalšího příslušenství, které tvoří nosič funkčních dílů, vtoků, včetně správného a bezpečného upnutí na vstřikovací stroj a zajištění vzájemné polohy jednotlivých dílů formy. Tabulka 1 Jakost povrchu informativní přehled hodnot jakosti povrchu [50], [8] Způsob výroby Hoblování Frézování Vrtání Zahlubování Vystružování Vyvrtávání Soustružení Zaškrabování Elektrojiskrové obrábění Broušení čelní Broušení obvodové Honování Leštění Lapování Superfinišování Ra (μm) 0,012 0,025 0,05 0,1 0,2 0,4 0,8 1,6 3,2 6,3 12, hodnoty dosažitelné jen za zvláštních podmínek běžné hodnoty méně běžné hodnoty Díly rámu se obrábí běžným způsobem. Dokončovací operací je obvykle broušení styčných ploch, pro dodrženi rovinnosti jednotlivých dílů i celé formy. Pečlivého opracování se vyžaduje u dělicí roviny. Při požadavku velké životnosti jsou desky, které tvoři dělicí rovinu, také tepelně zpracované (kalené, zušlechtěné). Zdokonalení funkce i výroby formy představuje využívání normálií forem, dodávané od nejrůznějších výrobců. Využívají se jak jednotlivé součásti již hotové, nebo jako polotovary, které se podle požadavků dokončují. Soubor má i větší celky, které se také ve formách mohou použít. Přesnost rozměrů všech vyráběných dílů obsahují jejich výkresy, včetně tolerancí, úchytek tvaru a polohy. [50], [40], [17] 15

16 3 PŘÍPRAVA EXPERIMENTU Víceúrovňový experiment nebyl připraven náhodně, nýbrž plánovaně. V případě termoplastů se jednalo o variaci 5 skupin proměnných (materiál, povrch desek, vstřikovací tlak, vstřikovací rychlost a velikost vtoku), jak je možno vidět níže. Tyto parametry dávají vzájemně mezi sebou 1575 kombinací podmínek přípravy zkušebních těles. Termoplasty: 1. Bralen 2. Keltan 3. Taboren 4. Moplen 5. Hostacom G4 R01 6. Hostacom M4 U05 7. Mosten Povrch desek: 1. Leštěná 2. Broušená 3. Jemný dezén 4. Frézovaná 5. Hrubý dezén Vstřikovací tlak: 1. 4 MPa 2. 6 MPa 3. 8 MPa MPa MPa Vstřikovací rychlost: mm/s mm/s mm/s Velikost vtoku: 1. 2 mm 2. 4 mm 3. 6 mm V případě termoplastických elastomerů se také jednalo o variaci 5 skupin proměnných (materiál, povrch desek, vstřikovací tlak, vstřikovací rychlost a velikost vtoku), jak je možno vidět níže. Tyto parametry dávají vzájemně mezi sebou 900 kombinací podmínek přípravy zkušebních těles. Termoplastické elastomery: 1. TPU TPE E27 3. Hytrel Hytrel 7246 Povrch desek: 1. Leštěná 2. Broušená 3. Jemný dezén 4. Frézovaná 5. Hrubý dezén Vstřikovací tlak: 1. 4 MPa 2. 6 MPa 3. 8 MPa MPa MPa Vstřikovací rychlost: mm/s mm/s mm/s Velikost vtoku: 1. 2 mm 2. 4 mm 3. 6 mm Poslední skupina testovaných materiálů elastomery měla z důvodů možností nastavení stroje a možností formy variaci jen 3 skupin proměnných (materiál, 16

17 povrch desek a vstřikovací tlak), jak je možno vidět níže. Tyto parametry dávají vzájemně mezi sebou 60 kombinací podmínek přípravy zkušebních těles. Elastomery: 1. Směs A 2. Směs B 3. Směs C Povrch desek: 1. Leštěná 2. Broušená 3. Jemný dezén 4. Frézovaná 5. Hrubý dezén Vstřikovací tlak: MPa MPa MPa MPa 3.1 Vstřikované materiály Termoplasty Pro přípravu jednotlivých zkušebních těles z termoplastu bylo vybráno 7 materiálů, které bývají běžné používány pro vstřikování různých typů výrobků. Mezi tyto materiály byly zařazeny: LDPE Bralen VA 20-60, PP Mosten GB 003, PP plněný 10 % mastku Keltan TP 7603, PP plněný 20 % mastku Taboren PH 89 T20, PP plněný 40 % mastku Hostacom M4 U05, PP plněný 40 % skla Hostacom G4 R01 a PP Moplen HP 501 N Termoplastické elastomery Pro účely měření bylo použito termoplastického polyuretanu TPU od firmy Bayer, konkrétně se jednalo o Desmopan 372 (dále jen TPU 372 ). Dále pak tři termoplastické elastomery TPE dva od firmy DuPont (Hytrel 3078 a Hytrel 7246) a jeden od firmy PTS opět s různými vlastnostmi (v-pts-uniflexe27d/m*m800/20) (dále jen TPE E27 ) Elastomery Pro vstřikování zkušebních těles z elastomerů byly použity tři kaučukové směsi s různými vlastnostmi. Jedná se o reálné kaučukové směsi používané pro technické výrobky z pryže. Směsi byly dodány ve formě pásků tak, aby bylo možno materiál dávkovat do vstřikovacího stroje. 17

18 4 ZKUŠEBNÍ VSTŘIKOVACÍ FORMY Pro zkoušky vlivu jakosti povrchu na zatékavost polymerů byly navrženy a vyrobeny dvě vstřikovací formy (jedna pro termoplasty, druhá pro elastomery) umožňující snadnou změnu povrchu dutiny formy pomocí výměnných zkušebních desek. Tvarové dutiny obou vstřikovacích forem jsou ve tvaru spirály. 4.1 Vstřikovací forma pro termoplasty Testovací vstřikovací forma pro termoplasty je jednonásobná a byla navržena s ohledem na co nejsnazší manipulaci, jak s formou samotnou, tak pro výměnu zkušebních desek během vstřikování, případně další modifikace (změna velikosti ústí vtoku, apod.). Samotná vstřikovací forma je vložena do univerzálního rámu, který slouží i pro další formy pro přípravu zkušebních těles jiného typu. Tvarové části vstřikovací formy jsou rozděleny jednou hlavní dělící rovinou a skládají se z pravé a levé strany. Na přípravě konečné podoby zkušebního tělesa se podílí především zkušební výměnná deska (Obr. 8a, poz. 3), tvarová deska (Obr. 8b, poz. 4) a vytrhávač vtoku (Obr. 8b, poz. 9). a) b) Obr. 8: Zkušební vstřikovací forma a) Levá strana vstřikovací formy 1 upínací deska, 2 rozpěrná deska, 3 zkušební výměnná deska, 4 opěrná deska, 5 izolační deska, 6 vtoková vložka, 7 vodící čep, 8 tlakové čidlo b) Pravá strana vstřikovací formy 1 upínací deska, 2,3 rozpěrná deska, 4 tvarová deska (spirála), 5 opěrná deska, 6 kotevní deska, 7 opěrná deska, 8 izolační deska, 9 vytrhávač vtoku, 10 táhlo pro ovládání vyhazovačů, 11 vodící pouzdro, 12 koncovka chlazení 18

19 Zkušební vstřikovací forma byla navržena pro vstřikovací stroj ARBURG Allrounder 420C Tvarová deska Tvarové desky byly navrženy ve dvou variantách tak, aby se obě daly jednoduchým způsobem vložit do formy. V obou případech se jedná o jednonásobnou formu. První varianta má tvar spirály a ta druhá je ve tvaru hada. Had byl navržen pro případné sledování vlivu jakosti na zatékavost polymerů a to jak ve směru obrábění, tak i kolmo na tento směr. U obou tvarových variant je použita temperace, kterou zajišťuje cirkulace temperačního média v kanálech desky. Vyhazování výrobku (tělesa) z dutiny formy je realizováno pomocí dvojice vyhazovačů. Jeden z nich slouží k vyhození vtokového zbytku, vytrženého pomocí přidržovače vtoku a druhý slouží k odformování samotného výrobku (zkušebního tělesa). Řez dutinou formy Zkušební deska Obr. 9: Tvarová deska Zkušební deska, která tvoří pravou tvarovou část formy byla vyrobena v pěti různých variantách. Jejich rozměry byly voleny vzhledem k rozměrům tvarové desky (spirála) a sice (200x200x12)mm. Povrch jednotlivých desek byl obroben čtyřmi různými způsoby obrábění, které jsou nejčastěji využívány při výrobě dutin forem a rozvodných kanálů, tedy částí, které přicházejí do přímého styku se vstřikovaným materiálem. Bylo použito leštění, broušení, frézování a elektroerozivní obrábění. Zkušební desky byly navrženy tak, aby co nejjednodušším způsobem umožnily změnu povrchu dutiny formy. 19

20 Tabulka 2 Povrchy zkušebních desek pro vstřikování termoplastů/termoplastických elastomerů Foto povrchu Způsob obrábění Jakost povrchu Leštění R a = 0,42 m R z = 3,32 m Broušení R a = 0,45 m R z = 3,43 m Frézování R a = 5,01 m R z = 25,13 m Elektroerozivní obrábění (jemný dezén) R a = 4,36 m R z = 39,27 m Elektroerozivní obrábění (hrubý dezén) R a = 12,74 m R z = 80,87 m 4.2 Zkušební tělesa Vlastní zkušební tělesa mají tvar spirály, jejíž konečná délka může dosahovat až 2000 mm. Tělesa byla vyráběna vstřikováním. Po vyjmutí tělesa z formy, byla měřena jeho délka. Během vstřikování zkušebních byly měněny podmínky vstřikování a to především vstřikovací tlak a povrch zkušebních desek, jak již bylo zmíněno v předchozích kapitolách. Pro dané podmínky bylo vždy vyrobeno deset zkušebních těles, u kterých byla změřena a zapsána jejich délka. Naměřená data byla následně statisticky vyhodnocena. 20

21 5 VÝSLEDKY MĚŘENÍ Pro zpracování naměřených výsledků byly použity tyto statické metody: boxplotové diagramy doplněné o základní statistiku, trendové křivky průběhů minim, maxim, mediánu a průměrů, neparametrická metoda Kruskal-Wallis a lineární regrese. Výsledky byly zpracovány v programu Minitab verze 16. boxplotový diagram základní statistika trendové křivky Obr. 10: Způsob statistického vyhodnocení získaných výsledků 21

22 V tabulce 3 je uveden přehled hodnocených parametrů základní statistiky. Toto hodnocení je součástí jednotlivých kapitol a je uvedeno bod boxplotovými grafy. Tabulka 3 Použité statistické výrazy při zpracování naměřených dat [39] Použitá zkratka Označení Normativní statistický název Mean x Odhad aritmetického průměru SE Mean SE Nejistota měření typu A StDev s Odhad směrodatné odchylky Minimum x imin Nejmenší hodnota výběrového souboru Q1 Q1 Dolní kvartil výběrového souboru Median Me Medián výběrového souboru Q3 Q3 Horní kvartil výběrového souboru Maximum x imax Největší hodnota výběrového souboru IQR IQR Interkvartilové rozpětí 5.1 Měření a vyhodnocení délky zatečení Zkušební tělesa u všech materiálů byla ve tvaru spirály. Délka zatečení zkušebních těles z termoplastů a termoplastických elastomerů byla měřena pomocí přípravku přiložením tělesa do drážky se stupnicí s dílky s roztečí o velikosti 1 mm (Obr. 11). U elastomerů byly z důvodu velké elasticity a nemožnosti využít pro měření délky výše uvedeného přípravku vyrobeny v tvarové desce spirály značky vzdálené od sebe 50 mm (Obr. 12). Po vyjmutí zkušebního tělesa z formy se pomocí měřidla vyhodnotil jen poslední (nekompletní) úsek, ke kterému se připočetla délka všech předchozích (kompletních 50 mm) úseků. 22

23 Obr. 11: Přípravek pro měření délky zkušebních těles (spirál) Obr. 12: Způsob měření délky zkušebních těles (spirál) u elastomerů V dalších bodech této kapitoly budou uváděny grafy naměřených hodnot délky zatečení v závislosti na různých parametrech: povrch desky, materiál, 23

24 Délka zatečení [mm] velikost vtoku, vstřikovací tlak, vstřikovací rychlost. Výsledky budou členěny do jednotlivých kapitol podle skupin testovaných materiálů: termoplasty, termoplastické elastomery a elastomery. Vzhledem k obsáhlému souboru získaných dat jsou uvedeny v této kapitole jen vybraná měření. Všechny naměřené hodnoty včetně jejich vyhodnocení jsou uvedeny v přílohách. 5.2 Vstřikování termoplastů Hlavním sledovaným parametrem byl vliv typu povrchu na délku zatečení zkušebního tělesa (spirály). Zkušební forma (viz. kapitola 4) umožnovala výměnu 5 desek s různým povrchem a změnu velikosti vtoku. Byl tedy sledován vliv vstřikovacího tlaku, vstřikovací rychlosti (rychlost posuvu šneku při vstřikovaní), velikosti ústí vtoku a drsnosti povrchu zkušebních desek na plnění dutiny vstřikovací formy (resp. délku zatečení) u sedmi vybraných typů materiálů. Soubor měření byl doplněn ještě o posouzení vlivu množství plniva (skelná vlákna a mastek) opět na délku zatečení Vliv povrchu zkušební desky na délku zatečení V této kapitole byl sledován vliv povrchu formy na délku zatečení jednotlivých materiálů. Z důvodu velkého souboru získaných hodnot byla pro prezentaci výsledků použita následující kombinace podmínek: materiál Bralen (LDPE) a vstřikovací tlak 6 MPa, vstřikovací rychlost 60 mm/s, vtok 6 mm. 150 Bralen Leštěná Broušená Jemný dezén Frézovaná Hrubý dezén Obr. 13: Vliv povrchu zkušební desky na délku zatečení (materiál Bralen) 24

25 Mean, Median, Minimum, Maximum [mm] Variable Mean SE Mean StDev Minimum Q1 Median Q3 Maximum IQR Leštěná 138,50 0,167 0, ,00 138,00 138,50 139,00 139,00 1,00 Broušená 139,40 0,163 0, ,00 139,00 139,00 140,00 140,00 1,00 Jemný dezén 142,50 0,307 0, ,00 142,00 143,00 143,00 143,00 1,00 Frézovaná 144,30 0,213 0, ,00 144,00 144,00 145,00 145,00 1,00 Hrubý dezén 148,10 0,277 0, ,00 148,00 148,00 149,00 149,00 1, Variable Mean Median Minimum Maximum Leštěná Broušená Jemný dezén Frézovaná Hrubý dezén Obr. 14: Závislost vybraných statistických parametrů na povrchu zkušební desky (materiál Bralen) Zhodnocení výsledků vlivu povrchu desky na délku zatečení termoplastů Pro stanovení závislosti délky zatečení jednotlivých termoplastů na typu povrchu zkušební desky byla použita neparametrická metoda Kruskal-Wallisův test hypotéz. Tato metoda je vhodná pro případy souboru měření, kde není normální rozdělení. Tabulka 4 Výsledky Kruskal-Wallisova testu Materiál p Bralen 0,0000 Keltan 0,0000 Taboren 0,0000 Moplen 0,0000 Hostacom G4 R01 0,0000 Hostacom M4 U05 0,0000 Mosten 0,

26 Délka zatečení [mm] Statistický závěr: na základě testování mediánu charakterizujících délku zatečení na definovaných površích a daným typem vstřikovaného materiálu (termoplastu) je možné konstatovat, že p = 0,0000 α = 0,05 a je tedy možné zamítnout nulovou hypotézu o rovnosti mediánů základních souborů. Technický závěr: na základě zjištěných mediánů charakterizujících délku zatečení na definovaných površích a daným typem vstřikovaného materiálu je možné konstatovat, že pro daný vstřikovaný materiál má významný vliv jakost povrchu, se kterým přichází polymer do kontaktu při vlastním plněním dutiny vstřikovací formy. Z výsledků je dále patrné, že rozdíly v délkách zatečení jsou u všech testovaných materiálů v podobných tendencích a sice u desek s horším povrchem (např. hrubý dezén) byly dosaženy vetší délky zatečení oproti deskám s lepším povrhem (např. leštěná deska). Po srovnání závislosti vybraných statistických parametrů (minimum, maximum, medián a průměr) je možné konstatovat, že u všech testovaných polymerních materiálů je rozptyl hodnot délky zatečení nevýznamný z hlediska použité technologie Vliv vstřikovacího tlaku na délku zatečení V této kapitole byl sledován vliv vstřikovacího tlaku na délku zatečení v rámci jednotlivých zkušebních desek. Z důvodu velkého souboru získaných hodnot byla pro prezentaci výsledků použita následující kombinace podmínek: materiál Mosten, vstřikovací rychlost 60 mm/s, velikost vtoku 6 mm. 225 Leštěná deska Vstřikovací tlak [MPa] Obr. 15: Vliv vstřikovacího tlaku na délku zatečení 26

27 Mean, Median, Minimum, Maximum [mm] Variable Mean SE Mean StDev Minimum Q1 Median Q3 Maximum IQR 4 58,300 0,423 1,337 57,000 57,000 58,000 60,000 60,000 3, ,90 0,100 0, ,00 110,00 110,00 110,00 110,00 0, ,00 0,211 0, ,00 147,75 148,00 148,25 149,00 0, ,20 0,200 0, ,00 183,00 183,00 184,00 184,00 1, ,80 0,249 0, ,00 218,00 219,00 219,25 220,00 1, Variable Mean Median Minimum Maximum Vstřikovací tlak [MPa] Obr. 16: Závislost vybraných statistických parametrů na vstřikovacím tlaku Zhodnocení výsledků vlivu vstřikovacího tlaku na délku zatečení termoplastů Z výše uvedených výsledků vyplývá, že se zvyšující se hodnotou vstřikovacího tlaku narůstá také hodnota délky zatečení a to na všech testovacích deskách. Tento trend byl prokázán u všech testovaných polymerů ze skupiny termoplastů. Maximální použitý tlak byl 12 MPa, protože u vyšších hodnot, které stroj umožňoval docházelo k pootevření formy v dělící rovině vlivem překročení maximální uzavírací síly stroje (1000 kn). Po srovnání závislosti vybraných statistických parametrů (minimum, maximum, medián a průměr) je možné konstatovat, že u všech testovaných vstřikovacích tlaků je rozptyl hodnot délky zatečení nevýznamný z hlediska použité technologie. Soubor výsledků závislosti délky zatečení na vstřikovacím tlaku u jednotlivých zkušebních desek byl dále vyhodnocen pomocí lineární regrese. Výsledky pro leštěnou desku jsou zobrazeny v následujícím grafu (Obr. 17). Podobné tendence byly i u ostatních testovaných povrchů, z čehož lze usuzovat, že vstřikovací tlak má značný vliv na délku zatečení, což bylo také potvrzeno nalezenými příslušnými regresními vztahy. 27

28 Délka zatečení [mm] Fitted Line Plot Délka zatečení [mm] = - 14, ,72 Vstřikovací tlak [MPa] Regression 95% CI 95% PI S 5,97447 R-Sq 99,3% R-Sq(adj) 99,1% Vstřikovací tlak [MPa] Obr. 17: Regresní závislost délky zatečení na vstřikovacím tlaku (leštěná deska) Obr. 18: Vliv vstřikovacího tlaku a povrchu zkušební desky na délku zatečení (materiál Taboren, vtok 6 mm, rychlost 60 mm/s) 28

29 Mean, Median, Minimum, Maximum [mm] Délka zatečení [mm] Vliv vstřikovací rychlosti na délku zatečení V této kapitole byl sledován vliv vstřikovací rychlosti na délku zatečení v rámci jednotlivých zkušebních desek. Z důvodu velkého souboru získaných hodnot byla pro prezentaci výsledků použita následující kombinace podmínek: materiál Mosten, vstřikovací tlak 8 MPa, velikost vtoku 6 mm. Leštěná deska Vstřikovací rychlost [mm/s] 90 Obr. 19: Vliv vstřikovací rychlosti na délku zatečení Variable Mean SE Mean StDev Minimum Q1 Median Q3 Maximum IQR ,60 0,163 0, ,00 137,00 138,00 138,00 138,00 1, ,00 0,211 0, ,00 147,75 148,00 148,25 149,00 0, ,60 0,163 0, ,00 155,00 156,00 156,00 156,00 1, Variable Mean Median Minimum Maximum Vstřikovací rychlost [mm/s] 90 Obr. 20: Závislost vybraných statistických parametrů na vstřikovací rychlosti 29

30 Délka zatečení [mm] Zhodnocení výsledků vlivu vstřikovací rychlosti na délku zatečení termoplastů Pro variaci podmínek přípravy zkušebních těles byly využity 3 vstřikovací rychlosti (rychlost posuvu šneku). Tyto byly voleny s ohledem na možnosti vstřikovacího stroje. Z výše uvedených výsledků vyplývá, že se zvyšující se hodnotou vstřikovacího rychlosti narůstá také hodnota délky zatečení a to na všech testovacích deskách. Tento trend byl prokázán u všech testovaných polymerů ze skupiny termoplastů. Po srovnání závislosti vybraných statistických parametrů (minimum, maximum, medián a průměr) je možné konstatovat, že u všech testovaných vstřikovacích rychlostí je rozptyl hodnot délky zatečení nevýznamný z hlediska použité technologie. Soubor výsledků závislosti délky zatečení na vstřikovací rychlosti u jednotlivých zkušebních desek byl vyhodnocen pomocí lineární regrese. Výsledky pro leštěnou desku jsou zobrazeny v následujícím grafu (Obr. 21). Podobné tendence byly i u ostatních testovaných povrchů, z čehož lze usuzovat že vstřikovací rychlost má dle nalezených regresních lineárních vztahů a jím odpovídajících regresních přímek (sklonů) značný vliv na délku zatečení Fitted Line Plot Délka zatečení [mm] = 129,1 + 0,3000 Vstřikovací rychlost [mm/s] Regression 95% CI 95% PI S 1,14310 R-Sq 99,2% R-Sq(adj) 98,4% Vstřikovací rychlost [mm/s] Obr. 21: Regresní závislost délky zatečení na vstřikovací rychlosti (leštěná deska) 30

31 Délka zatečení [mm] Délka zatečení [mm] leštěna deska broušená deska deska s jemným dezénem frézovaná deska deska s hrubým dezénem 30 mm/s 90 mm/s 60 mm/s Obr. 22: Vliv vstřikovací rychlosti a povrchu zkušební desky na délku zatečení (materiál Mosten, tlak 8 MPa, vtok 6 mm) Vliv velikosti vtoku na délku zatečení V této kapitole byl sledován velikosti vtoku na délku zatečení v rámci jednotlivých zkušebních desek. Z důvodu velkého souboru získaných hodnot byla pro prezentaci výsledků použita následující kombinace podmínek: materiál Mosten, vstřikovací tlak 8 MPa, vstřikovací rychlost 60 mm/s. 149 Leštěná deska Velikost vtoku [mm] 6 Obr. 23: Vliv velikosti vtoku na délku zatečení 31

32 Mean, Median, Minimum, Maximum [mm] Variable Mean SE Mean StDev Minimum Q1 Median Q3 Maximum IQR 2 142,50 0,167 0, ,00 142,00 142,50 143,00 143,00 1, ,50 0,167 0, ,00 145,00 145,50 146,00 146,00 1, ,00 0,211 0, ,00 147,75 148,00 148,25 149,00 0, Variable Mean Median Minimum Maximum Velikost vtoku [mm] 6 Obr. 24: Závislost vybraných statistických parametrů na velikosti vtoku Zhodnocení výsledků vlivu velikosti vtoku na délku zatečení termoplastů Testovací vstřikovací forma byla navržena s možností změny velikosti vtokového ústí (1, 2, 4 a 6 mm). Pro přípravu zkušebních těles byly využity 3 velikosti, konkrétně 2, 4 a 6 mm. Z výše uvedených výsledků vyplývá, že velikost vtoku ovlivnila délku zatečení jen nepatrně. Tento trend byl prokázán u všech testovaných polymerů ze skupiny termoplastů. Po srovnání závislosti vybraných statistických parametrů (minimum, maximum, medián a průměr) je možné konstatovat, že u všech testovaných polymerních materiálů je rozptyl hodnot délky zatečení významný z hlediska použité technologie. Soubor výsledků závislosti délky zatečení na velikosti vtoku u jednotlivých zkušebních desek byl dále vyhodnocen pomocí lineární regrese. Výsledky pro leštěnou desku jsou zobrazeny v následujícím grafu (Obr. 25). Podobné tendence byly i u ostatních testovaných povrchů, z čehož lze usuzovat, že dle níže uvedené regresní funkce má velikost vtoku minimální vliv na délku zatečení. 32

33 Délka zatečení [mm] Délka zatečení [mm] Fitted Line Plot Délka zatečení [mm] = 139,8 + 1,375 Velikost vtoku [mm] Regression 95% CI 95% PI S 0, R-Sq 99,7% R-Sq(adj) 99,5% Velikost vtoku [mm] 5 6 Obr. 25: Regresní závislost délky zatečení na velikosti vtoku (leštěná deska) leštěna deska broušená deska deska s jemným dezénem frézovaná deska deska s hrubým dezénem 2 mm 4 mm 6 mm Obr. 26: Vliv velikosti vtoku a povrchu zkušební desky na délku zatečení (materiál Keltan, tlak 8 MPa, rychlost 90 mm/s) 33

34 Tlak v dutině formy [bar] 6 VLIV VSTŘIKOVACÍHO TLAKU NA KVALITU POVRCHU VSTŘIKOVANÉHO DÍLU PRAKTICKÁ APLIKACE Při studiu vlivu jednotlivých parametrů na délku zatečení polymerního materiálu ve výše uvedených kapitolách se objevila otázka do jaké míry ovlivňuje vstřikovací tlak a jeho průběh kvalitu povrchu vstřikovaného dílu. Během plnění dutiny materiálem dochází postupně ke ztrátám tlaku (tlakový spád), kterým je materiál v dutině plněn. Tento jev zachycen na Obr. 27, který byl pro názornost vytvořen v reální dutině testovací formy, která byla osazena 6 senzory pro měření tlaku. Je zjevné, že v místech poblíž vtokového ústí působí na materiál podstatně větší tlak, než ve vzdálenějších místech dutiny formy. Tento jev může mimo jiné ovlivnit kvalitu povrchu výrobku tím, že v místech s vyšším působením tlaku je polymerní tavenina nucena lépe kopírovat povrch formy (je působením většího tlaku více vtlačována do všech nerovností na povrchu formy). Naopak ve vzdálenějších místech je tlak nižší a tím je i kopírování nerovností povrch menší. Na tomto jevu se podílí i změna teploty ochlazování materiálu během plnění (zvyšující se viskozita materiálu horší vyplňování povrchových nerovností). Tlak v dutině poblíž vtoku (1) Tlak v dutině na konci plnění (6) Tlak v dutině (1) Tlak v dutině (6) Pokles tlaku od vtoku ke konci plnění - sensory Čas [s] Obr. 27: Průběh tlaku v jednotlivých místech dutiny formy [62] 34

35 K ověření výšeuvedeného tvrzení byl využit reálný vyráběný díl krycího skla světlometu automobilu Škoda (Obr. 28). U tohoto pohledového a zároveň funkčního dílu byl kladen vysoký důraz na kvalitu povrchu formy, která je obrazem povrchu výrobku. Vstřikovaným materiálem byl polykarbonát od firmy Sabic s obchodním označením Lexan LS1. Obr. 28: Krycí sklo z PC v sestavě světlometu [63] Vstřikovací formy nebyla vybavena sensory, protože tyto zanechávají stopy na výrobku, a to je z důvodu funkce vyráběného dílu silně nežádoucí. Tlaky byly tedy v jednotlivých místech zjištěny pomocí simulace v programu AMI. Obr. 29: Čas plnění dutiny formy 35

36 Na Obr. 29 je možno vidět způsob plnění dutiny formy materiálem. Je zde patrné, že rozdíl mezi místy poblíž vtoku a místy, která jsou zaplněna naposledy je rozdíl více než 4,5 s. Velikost tlaku při přepnutí na dotlak v jednotlivých místech je možno vidět na obrázku 30. Na tomto obrázku jsou znázorněna vybraná místa, ve kterých byla vyhodnocena konkretní hodnota tlaku a v těchto místech byla následně na vyrobeném dílu změřena drsnost povrchu (Obr. 31). Obr. 30: Tlak při přepnutí na dotlak 36

37 µm Obr. 31: Místa měření drsnosti povrchu 5 4 Variable Median Ra Median Rz Median Rt A3 A2 Místo měření A1 Obr. 32: Mediánový trend parametrů Ra, Rz, Rt Z obrázku 32 a tabulky 5 jsou patrné rozdíly v jednotlivých parametrech, které definují drsnost povrchu. A tedy trend, kdy s větší vzdáleností od vtoku dochází k menšímu kopírování povrchu nástroje (vstřikovací formy). Tabulka 5 Mediány parametrů drsnosti povrchu v měřených místech Místo měření Medián Ra [µm] Medián Rz [µm] Medián Rt [µm] A3 0,167 0,838 1,56 A2 0,371 1,720 3,24 A1 0,423 2,370 4,71 37

38 DISKUZE VÝSLEDKŮ Cílem habilitační práce bylo provést analýzu vlivu drsnosti povrchu formy na tokové vlastnosti (zatékavost) polymerní taveniny při různých technologických podmínkách. Pro tyto účely byly zkonstruovány a vyrobeny dvě testovací vstřikovací formy umožňující výměnu tvarových desek s různou drsností povrchu: leštěný, broušený, jemný dezén, frézovaný a hrubý dezén. Drsnost povrchu byla vyhodnocena na základě naměřených parametrů Ra a Rz. Naměřené hodnoty pomocí kontaktní metody se pohybovaly v rozmezí Ra = 0,1 až 9,57 m, Rz = 0,82 až 59,63 m u formy pro termoplasty a v rozmezí Ra = 0,03 až 17,39 m, Rz = 0,26 až 103,3 m u formy pro vstřikování elastomerů. Dutina formy byla připravena ve tvaru spirály. U zkušebních těles byla měřena délka zatečení různých polymerů s odlišnými tokovými vlastnostmi, při různé drsnosti povrchu zkušebních desek, velikosti ústí vtoků a procesních parametrech (vstřikovací tlak a vstřikovací rychlost). Každé měření bylo provedeno na deseti zkušebních tělesech (pro každou změnu parametrů) a výsledky byly statisticky zpracovány a vyhodnoceny. Po vyhodnocení naměřených hodnot u všech použitých materiálů bylo zjištěno, že délka zatečení není menší u desek s vyšší hodnotou drsnosti povrchu. Toto zjištění lze považovat za velmi důležité s možným přímým dopadem na výrobní praxi. U všech testovaných polymerních materiálů byl tedy největší rozdíl v délce zatečení mezi deskou s nejnižší (leštěná deska) a nejvyšší hodnotou drsnosti povrchu (deska s hrubým dezénem) vždy ve prospěch desky s vyšší drsností. Analýza vlivu velikosti vtokového ústí ukazuje očekávaný předpoklad, a sice že délka zatečení se zvyšuje se zvětšující se velikostí vtokového ústí, byť v některých případech nebyl tento rozdíl výrazný. Měnící se vstřikovací tlak výrazně ovlivňuje délku zatečení. Čím vyšší je vstřikovací tlak, tím větší délka spirály byla naměřena. Rozdíly mezi délkami zatečení při nejnižším a nejvyšším použitém vstřikovacím tlaku jsou natolik významné, že je možno tuto tendenci za daných podmínek považovat za prokázanou. Zvyšující se vstřikovací rychlost vykazuje příznivý vliv na délku zatečení. Rozdíl v délkách zatečení mezi leštěnou deskou a deskou s hrubým dezénem se jeví jako podobný při všech rychlostech vstřikování. Závěrem lze tedy konstatovat, že výsledky všech provedených zkoušek vykazují jednoznačnou tendenci větší délky zatečení se zvyšujícími se hodnotami drsnosti příslušných tokových kanálů. Vyplývá z toho, že zejména rozvodné kanály, ale i vlastní dutiny forem, u nichž nejsou kladeny specifické nároky na kvalitu povrchu (nepohledové či nefunkční povrchy výrobků) mohou být obráběny běžnými technologiemi, bez nutnosti použít drahých dokončovacích operací. Naproti tomu by se v některých případech mohly 38

39 objevit, díky vyšší drsnosti povrchu, problémy s odformováním (vyhozením) výrobku (nebo vtokového zbytku) z formy. V odborné praxi mnohdy převládá názor, že čím lepší je kvalita povrchu, tím lepší budou podmínky pro tok taveniny. Experimenty, které byly provedeny v rámci předložené habilitační práce tyto předpoklady nejen nepotvrdily, ale ukázaly tendenci zcela opačnou. Důvod pro tato zjištění je možno hledat v podmínkách toku, které se na jednotlivých površích vytvoří. Při porovnání výsledků analýzy provedené v software AMI s hodnotami získanými ze vstřikování zkušebních těles byla shledána vysoká shoda. Nutno dodat, že simulační SW obecně neumožňují při zadávání okrajových podmínek definovat jakost povrchu, po kterém se materiál ve formě taveniny pohybuje. Předpokladem je tedy ideální povrch dutiny formy a proto byly tyto výsledky porovnávány s deskou, která měla nejnižší hodnotu drsnosti povrchu (leštěná deska). 39

40 PŘÍNOS PRÁCE PRO VĚDU A PRAXI Práce se zabývá studiem vlivu drsnosti povrchu vstřikovací formy na tok polymerní taveniny. Podle provedené literární rešerše nebyla tato závislost dosud řešena. V současnosti zažité postupy výroby finálních povrchů částí vstřikovacích forem, které přicházejí do kontaktu ze vstřikovaným materiálem, vyžadují vysokou kvalitu tohoto povrchu (zpravidla leštění). Tato časově a finančně náročná dokončovací operace má v řadě případů pro své použití opodstatnění. Např. je-li na finálním výrobku, který je ve formě vyráběn tento povrch vyžadován z dekorativních či funkčních důvodů. Nicméně existuje celá řada případů, kdy nejsou na tyto povrchy kladeny vysoké nároky a přesto jsou kvůli zažité představě lépe tekoucího materiálu po lepším povrchu používány nákladné dokončovací operace. Hlavním přínosem práce pro praxi je zjištění, že v případě testování vybraných typů polymerů při jejich toku ve formě docházelo se změnou podmínek k různé zatékavosti. Konkrétně, při vstřikování těchto materiálů do dutiny formy s různými povrchy bylo ve všech případech zjištěno, že horší jakost povrchu nemá výrazně negativní vliv délku zatečení. Naopak v celé řadě případů na horším povrchu formy zatékaly polymerní materiály lépe. Výše uvedené zjištění má pozitivní dopad především na náklady spojené s výrobou dutin vstřikovacích forem, kdy nebude nutné v opodstatněných případech používat nákladné způsoby výroby. Dojde i k nemalé časové úspoře, protože tyto dokončovací operace jsou časově velmi náročné a často se jedná o komplikované ruční operace, především u složitých tvarů výrobků. Technologické parametry, které byly v průběhu testů variovány (vstřikovací tlak, vstřikovací rychlost, apod.) umožnily díky získaným výsledkům vytvoření regresních závislostí použitelných pro stanovení popisu závislostí těchto parametrů na délku zatečení materiálů. Např. vstřikovací tlak v souladu s předpoklady významným způsobem pozitivně ovlivňuje délku zatečení. Pokračováním v této práci bude rozšíření druhů testovaných povrchů. Dále bude pro studium vlivu povrchu na zatékavost využito tvarových desek s různými typy povlaků, které se v současnosti stále více používají nejen pro zvýšení životnosti formy, ale v řadě případů právě pro zlepšení toku materiálu či následné odformování výrobku. 40