VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV STROJÍRENSKÉ TECHNOLOGIE FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF MANUFACTURING TECHNOLOGY NÁVRH TECHNOLOGIE VÝROBY ZÁVĚSU Z PLASTU TITLE DIPLOMOVÁ PRÁCE DIPLOMA THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR BC. JAN POPELKA ING. BOHUMIL KANDUS BRNO 2009

2

3

4 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 4 ABSTRAKT Cílem práce je vypracovat rešerši zabývající se problematikou zpracování polymerů. Stručně shrnout poznatky o jejich struktuře, vlastnostech a způsobech zpracování. Dále provést konstrukční návrh vstřikovací formy pro výrobu zadaného dílce. Tento návrh podložit potřebnými výpočty pro konstrukci nástroje, volbu vstřikovacího stroje a průběhu vystřikovacího cyklu. Tento návrh je v závěru práce ekonomicky zhodnocen a porovnán s alternativním konstrukčním řešením jiné formy. Klíčová slova polymer, viskoelasticita, vstřikování, vstřikovací forma, vstřikovací stroj ABSTRACT The aim of my graduation theses is to work up the literature search of polymer processing. To give a short summary of their structure, characteristic and fabrication technique. Then to make a structural design of injection mold for producing the scheduled aim and motivate this design with requisite calculation for construction of the tool, a choice of injection machine and rundown of injection cycle. At the end of my work is this aim economically reviewed and compared with alternative form of structural design. Key words polymer, viskoelasticity, injection, injection mold, injection machine BIBLIOGRAFICKÁ CITACE POPELKA, J. Návrh technologie výroby závěsu z plastu. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, s. Vedoucí diplomové práce Ing. Bohumil Kandus.

5 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 5 Prohlášení Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Návrh technologie výroby závěsu z plastu vypracoval samostatně s použitím odborné literatury a pramenů, uvedených na seznamu, který tvoří přílohu této práce. Datum Jan Popelka

6 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 6 Poděkování Děkuji tímto Ing. Bohumilu Kandusovi za cenné připomínky a rady při vypracování diplomové práce.

7 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 7 OBSAH Abstrakt...4 Prohlášení...5 Poděkování...6 Obsah...7 Úvod POLYMERNÍ MATERIÁLY Složení a struktura polymeru Rozdělení polymerů Vlastnosti polymerů Termodynamické vlastnosti Fyzikální vlastnosti Mechanické vlastnosti Viskoelastické vlatnosti Reologické vlastnosti TECHNOLOGIE ZPRACOVÁNÍ POLYMERŮ Vstřikování Časový průběh vstřikování Faktory ovlivňující vlastnosti a jakost výstřiku Vstřikovací stroje Rozdělení strojů Části vstřikovacích strojů Formy pro vstřikování Lisování Přetlačování VOLBA TECNOLOGIE PRO VÝROBU ZADANÉHO PLASTOVÉHO DÍLCE KONSTRUKCE FORMY PRO VSTŘIKOVÁNÍ ZADANÉHO DÍLCE Volba polymerního materiálu Určení násobnosti formy Výpočet minimální přidržovací síly Fp pro sevření formy Volba typu a velikosti vstřikovacího stroje Konstrukce temperančního sytému formy Konstrukce vtokového systému formy Konstrukce vyhazovacího systému formy Řešení odvzdušnění formy TECHNOLOGICKÝ POSTUP VSTŘIKOVACÍHO CYKLU Určení potřebných hodnot technologických parametrů Návrh technologického postupu vstřikování EKONOMICKÉ HODNOCENÍ KONSTRUKCE FORMY Náklady na materiál pro jeden výstřik Náklady na materiál pro celou výrobní dávku Náklady na hodinu provozu stroje Náklady na provoz stroje pro výrobu jednoho výstřiku Náklady na provoz stroje pro výrobu celé výrobní dávky Náklady na výrobu formy Celkové náklady na výrobu zadané dávky výstřiků... 59

8 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List Závěr ekonomického hodnocení Závěr...61 Seznam použitých zdrojů...62 Seznam použitých zkratek a symbolů...63 Seznam příloh a výkresů...66

9 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 9 ÚVOD Polymery jsou v dnešní době nepostradatelným materiálem snad ve všech odvětvích průmyslu. Zmínky o jeho prvním využití sahají do poloviny 19. století, což je např. ve srovnání s počátky používání kovů velmi krátká doba. Avšak od této doby se do současnosti v odvětví výroby polymerních materiálů postoupilo velkou rychlostí vpřed a tento vývoj nadále nezadržitelně postupuje a beze sporu pokračovat bude. Rozšířenosti jejich využití napomáhá např. fakt, že je není potřeba dodatečně tepelně zpracovávat. Jejich zpracování je rychlé a levné, což je v dnešní uspěchané a ziskuchtivé době rozhodujícím faktorem ve výrobě. Mají navíc malou měrnou hmotnost, dobré izolační, tepelné a kluzné vlastnosti a jsou korozivzdorné. Šířka jejich využití je také dána, v současné době, bohatou nabídkou různých druhů polymerů se specifickými vlastnostmi. Jejich využití proto sahá od výroby dětských hraček až po namáhané konstrukční prvky používané ve strojírenském odvětví. Právě využití polymerů ve strojírenském odvětví je dnes a jistě i do budoucna, předmětem rozsáhlého výzkumu a vývoje, který by mohl přinést nové poznatky o struktuře a mechanickém chování polymerů, čímž by přivedl na svět zcela nové typy konstrukčních polymerních materiálů. Tyto materiály by mohli v budoucnu dokonce zcela nahradit kovy nebo je alespoň vytěsnit pouze do oblasti kompozitních materiálů, které se již dnes hojně využívají např. při výrobě závodních strojů nebo v leteckém průmyslu.

10 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List POLYMERNÍ MATERIÁLY 1.1 Složení a struktura polymeru Polymer (plast) je chemická sloučenina tvořená dlouhými makromolekulárními řetězci. Tyto makromolekulární řetězce jsou tvořeny opakujícími se základními stavebními jednotkami, které nazýváme monomerní jednotky. Na obr. 1-1 je schematicky zobrazen příklad polymerního řetězce (makromolekuly) s označeným monomerem. Obr. 1-1, příklad řetězce (3.) Vznik samotného polymeru se uskutečňuje pomocí chemické reakcepolyreakce. Tato polyreakce se může uskutečnit třemi způsoby: Polymerací - monomerní jednotky se přímo spojují do podoby makromolekuly a nevzniká žádný vedlejší produkt. Reakce probíhá velmi rychle a je nejčastější. Takto vzniká např.: PVC, PE, PP, PS. Polykondenzací - připojují se k sobě nestejné monomerní jednotky. Při připojení každé následující jednotky k řetězci vzniká odpad (H2O). Reakce probíhá pomalu. Vzniká takto většina reaktoplastů. Polyadicí - vyznačuje se výslednou rozdílnou strukturou monomeru a polymeru. Reakce je pomalá a vzniká takto např.: epoxidová pryskyřice a PUR. Podle toho, zda se při polyreakci spojují chemicky stejné nebo nestejné monomerní jednotky, můžeme rozdělit polymery do dvou základních skupin: Homopolymery jsou tvořeny chemicky stejnými monomerními jednotkami. Obr. 2-1, znázornění homopolymeru (4.) Kopolymery jsou tvořeny chemicky nestejnými monomerními jednotkami. Tyto jednotky mohou být řazeny v řetězci pravidelně nebo zcela náhodně. Na (obr. 3-1) je znázorněno několik způsobů uspořádání kopolymeru.

11 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 11 Obr. 3-1, způsoby uspořádání kopolymeru (4.) Struktura polymeru, respektive struktura uspořádání makromolekulárních řetězců v polymeru může nabývat následujících podob: Obr. 4-1, lineární polymer (3.) Obr. 5-1, rozvětvený polymer (3.) Obr. 6-1, polymer se zkříženými články (3.) Obr. 7-1, zesítěný polymer (3.) 1.2 Rozdělení polymerů Polymery je možné rozdělit několika způsoby. Základní rozdělení je podle teplotního chování polymerů: Termoplasty - vyznačují se plynulým přechodem z pevného skupenství do kapalného při působení zvýšené teploty. To znamená, že při zahřívání postupně měknou a přeměňují se

12 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 12 v taveninu. Reaktoplasty (termosety) oproti termoplastům se nedají tavit. Při zvyšování teploty naopak dochází po určité době ke zvýšení jejich tuhosti a pevnosti díky chem. reakci zvané vytvrzování. Při určité vysoké teplotě dochází k jejich degradaci vlastností nebo dokonce hoření. Elastomery (pryže) tyto polymery se odlišují od všech ostatních schopností výrazně se elasticky deformovat. Tuto vlastnost zajišťuje základní surovina pro výrobu elastomerů, kaučuk. Ten se upravuje pomocí reakce zvané vulkanizace. Vulkanizace zajistí, že původně plasticky tvárný kaučuk se změní na elasticky tvárnou pryž. Dále je možné polymery rozdělit podle pravidelnosti upořádání jejich makromolekul (nadmolekulární struktury)na: Krystalické-semikrystalické tyto polymery mají pravidelně uspořádané makromolekuly. Reálný polymer není nikdy na 100% krystalický (uspořádaný), proto se používá termín semikrystalický polymer. Ten se skládá z krystalické (uspořádané) části, která je proložena částí amorfní (neuspořádanou). V amorfní části jsou řetězce uspořádány zcela nahodile, neexistuje zde žádná pravidelnost. Poměr krystalické a amorfní části je potom možné posuzovat podle stupně krystalinity. Tyto polymery jsou většinou houževnaté, jejich pevnost se zvyšuje s rostoucím počtem krystalických oblastí (se zvyšujícím stupněm krystalinity). Na (obr. 8-1) je znázorněna struktura semikrystalického polymeru v tzv. sférolitu. Sférolit má kulový tvar a vzniká při tuhnutí roztaveného polymeru za ideálních krystalizačních podmínek. Obr. 8-1, semikrystalický sférolit (3.)

13 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 13 Amorfní tímto uspořádáním se vyznačují zejména termoplasty. Struktura amorfních polymerů je velmi složitá, protože v ní neexistuje žádný řád, uspořádání makromolekul je nahodilé. Amorfní polymery jsou tvrdé a křehké s vysokou pevností. Polymery lze také rozdělit podle způsobu jejich vzniku na: Přírodní (organické) mezi základní přírodní polymery patří bílkoviny, škrob a celulóza. Jsou to polymery, které nevznikají pomocí chemických reakcí a syntéz, ale vyskytují se v přírodě. Syntetické (anorganické) jsou to polymery vytvořené uměle pomocí chem. reakce, polyreakce. Podle obsahu přísad můžeme polymery rozdělit na: Neplněné mají nízký obsah přísad. Tyto přísady jsou v polymeru obsaženy pouze v takovém množství, aby nešlo ke změně jeho vlastností, respektive ke změně vlastností polymerní matrice. Plněné obsahují přísady, které značně ovlivňují výsledné vlastnosti polymeru. Základní (matriční) polymer má určité základní vztažné vlastnosti a přidáním různých druhů přísad se tyto vlastnosti upravují dle potřeby. Upravují se tak zejména fyzikální a mechanické vlastnosti. Základními přísadami jsou: o Plniva tyto přísady mohou tvořit až 70% objemu výsledného materiálu. Mohou být: a) vyztužující plní funkci vyztužení plastu, zlepšují mech. Vlastnosti. Pro tyto účely se používá nejčastěji skleněná, uhlíková, kovová nebo textilní vlákna. b) nevyztužující zastávají většinou pouze funkci snížení jejich ceny. Jsou nejčastěji v práškové podobě vyrobeny z kaolinu, křídy nebo břidlice. Existují však i další druhy, které například zajišťují zlepšení kluzných vlastností (grafit), zvýšení odolnosti vůči záření nebo zvýšení rozměrové stálosti (kovové nebo skleněné kuličky) o Stabilizátory zpomalují degradování polymeru a tím zvětšují jeho životnost. o Maziva přidávají se pro snížení viskozity polymeru, což je výhodné např. při technologii vstřikování nebo k snížení tření při tvářecích procesech. Jako mazivo se používá

14 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 14 např.: vosk, upravený zinek a Ca nebo se mohou využít různé tuky a oleje. Objem těchto přísad je do 1% o Barviva slouží k zabarvení původně bezbarvého polymeru. Toto zabarvení může být neprůhledné, v tom případě se využívá barevných pigmentů na bázi anorganických oxidů železa. Pokud však chceme dosáhnout zabarvení se zachováním průhlednosti polymeru, je nutné využít organických barviv. Obsad barviv se pohybuje kolem 10%. o Změkčovadla jak je z názvu patrné, slouží ke změkčení polymeru, tedy ke zvýšení houževnatosti. o Tvrdidla tyto přísady pomocí chem. reakce naopak způsobí vytvrzení polymeru. o Iniciátory a urychlovače souvisí se zmíněnými tvrdidly. Plní pouze funkci urychlení vytvrzení polymeru. o Nadouvadla jsou látky, které se vlivem zvýšení teploty přemění na plyn a způsobí nafouknutí polymeru. Vzniká tak odlehčený plast. o Retardéry hoření přidávají se za účelem zvýšení samozhášitelnosti plastu. Způsobí buď zpomalení hoření, nebo mu zcela zabrání než stačí vzniknout Vlastnosti polymeru Termodynamické vlastnosti polymeru Vlastnosti polymerů jsou vysoce závislé na teplotě. Při zahřívání a ochlazování polymerů existují tzv. přechodové teploty a oblasti, ve kterých dochází k výrazným změnám vlastností, zejména mechanických. Tyto přechodové oblasti jsou pojmenovány podle přechodových teplot: Tg - teplota skelného přechodu, Tf - teplota viskózního toku (vyskytuje se u amorfních polymerů), Tm - teplota tání (vyskytuje se u semikrystalicých polymerů). Hodnota těchto teplot a průběh teplotou vyvolaných změn závisí zejména na nadmolekulární struktuře polymeru. Amorfní polymery vykazují největší a nejprudší změny vlastností při dosažení Tg- teploty skelného přechodu. Při této teplotě dochází k prudké změně pevnosti (viz. graf 1-1), modulu pružnosti a např. teplotní roztažnosti. Příčinou prudké změny vlastností je snížení mezimolekulárních sil v polymeru vlivem teploty, což způsobí zvýšení vzájemné ohebnosti makromolekul. Přesná hodnota teploty Tg závisí právě na těchto mezimolekulárních silách a jejích velikostech před dosažením teploty skelného přechodu. Prakticky lze říci, že čím vyšší budou mezimolekulární

15 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 15 síly v polymeru (ve sklovitém stavu), tím vyšší bude i teplota skelného přechodu Tg. Z toho plyne, že teplota Tg pro amorfní termoplasty se pohybuje poměrně vysoko nad pokojovou teplotou (85 C až 100 C), pr otože mají velké mezimolekulární síly a naopak Tg pro pryže je hluboko pod bodem mrazu (-100 C až -120 C). σ, ε T Graf. 1-1, průběh deformačních vlastností pro amorfní polymer (6) Další teplotou, při jejímž dosažení dochází k výrazné změně vlastností, je teplota viskosního tečení. Dochází zde k přechodu ze stavu pružně kaučukovitého do stavu viskózního tečení. To znamená, že vzniká kapalina o určité viskozitě a se stále zvyšující se teplotou se tato viskozita snižuje. Při zvýšení teploty až na hodnotu Tz dochází k teplotní degradaci polymeru. Rozsah teplot a Tz vytyčuje oblast pro zpracování amorfních polymerů. Chování polymerů v této oblasti znázorňuje graf 1-2, kde je pro porovnání použita vzájemná závislost modulu pružnosti na teplotě. Je z něho zřejmé, že pokud je polymer hustě zesítěný, v kaučukovité oblasti má znatelně vyšší modul pružnosti než polymer nezesítěný. U zesítěného polymeru navíc neklesá modul pružnosti ani při přechodu přes teplotu a jeho hodnota se nemění až do tepelné degradace. E T Graf. 1-2, závislost modulu pružnosti na zesítění polymeru (6)

16 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 16 Pro krystalické-semikrystalické polymery nepředstavuje oblast a teplota skelného přechodu takovou změnu vlastností jako u amorfních polymerů. To je způsobeno tím, že semikrystalické polymery obsahují pouze určitou amorfní část. Pokud má polymer vysoký stupeň krystalinity, tedy pokud v jeho objemu převažuje krystalická část, při dosažení teploty Tg dochází k poměrně malé změně mech. vlastností. S přibývajícím podílem amorfní části se budou změny mech. vlastností projevovat čím dál více. (viz. Graf 1-3). Daleko větší změnu vlastností pro tyto polymery představuje oblast přechodu z houževnaté oblasti do oblasti tečení (taveniny). Tato změna nastane při dosažení teploty tavení (Graf. 1-4). Velikost této teploty závisí stejně jako velikost Tg u amorfních polymerů na velikosti mezimolekulárních sil. Teploty Tg,, jsou vždy stanovovány jako střední hodnoty pro jednotlivé oblasti, protože každá teplotní oblast je charakterizována počáteční a koncovou teplotou. log E Tg T Graf. 1-3, vliv stupně krystalinity na modul pružnosti (6) σ, ε Graf. 1-4, průběh def. Vlastností u semikrystalického polymeru (6) T

17 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List Fyzikální vlastnosti polymeru Hustota polymery mají o mnoho menší hustotu než kovy. Je to způsobeno zejména tím, že makromolekuly polymeru jsou složeny z atomů, které mají nízkou atomovou hmotnost. Mezi tyto prvky patří např.: C, H, N, O, atd. Hustota polymerů je také ovlivněna uspořádáním makromolekul (nadmolekulární strukturou) a platí, že čím více je polymer krystalický (uspořádaný), tím má větší hustotu. Dalšími činiteli ovlivňujícími hustotu polymeru jsou přísady (plniva, stabilizátory, barviva atd.). Závisí na jejich druhu, chem. složení a množství. Tepelná roztažnost měřítkem tepelné roztažnosti je součinitel tepelné roztažnosti α. Vyjadřuje poměrné prodloužení tělesa na 1K. Platí nepřímá úměrnost mezi velikostí součinitele α a stupněm krystalinity polymeru čím je polymer více krystalický tím má menší tepelnou roztažnost. Tepelná vodivost měřítkem tepelné vodivosti je součinitel λ. V porovnání s kovy mají polymery mnohokrát menší tepelnou vodivost, což prodlužuje dobu ohřevu a chlazení (některých) polymerů. Tepelná vodivost závisí na meziatomových silách. Elektrické vlastnosti polymery se obecně vyznačují dobrými izolačními vlastnostmi, avšak díky tomu se lehce nabíjejí statickou elektřinou. Elektrické vlastnosti polymerů se dají do určité míry ovlivnit vhodnými přísadami. Optické vlastnosti čisté polymery bez přísad (barviv) jsou bezbarvé a jejich propustnost světla závisí na stupni krystalinity. Amorfní plasty jsou víceméně čiré a semikristalické jsou zakalené. Míra zakalení u semikristalických polymerů závisí na stupni krystalinity. Čím více jsou krystalické, tím více jsou zakalené. Je možné je barvit. Ještě před roztavením se přidá do granulátu barvivo a po roztavení a následném ztuhnutí je polymer rovnoměrně zabarven Mechanické vlastnosti polymeru Mech. vlastnosti polymerů jsou vysoce závislé na teplotě. Důležitým faktorem při deformaci polymerů a následném určováním základních pevnostních charakteristik je také čas, protože polymerní materiály jsou za určitých podmínek viskoelastické (viz. kap ). Pracovní diagramy získané pomocí statické tahové zkoušky na graf 1-5 zřetelně ukazují, jak jsou mech. vlastnosti polymerů závislé na teplotě. Při nízkých teplotách je polymer ve sklovitém stavu a průběh jeho pracovního

18 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 18 diagramu odpovídá křehkému materiálu. Se zvyšující se teplotou pracovní diagramy nabývají průběhu pro materiály tvárné až ideálně tvárné. Graf. 1-5, vliv teploty na průběh pracovního diagramu polymeru (8) Grafy závislostí vybraných pevnostních charakteristik ( pevnost v tahu, tažnost, modul pružnosti) na teplotě jsou uvedeny v grafech 1-6, 1-7, 1-8. Z nich jsou patrné orientační hodnoty jednotlivých charakteristik při daných teplotách. Graf. 1-6, pevnost v tahu vybraných polymerů (8)

19 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 19 Graf. 1-7, tažnost vybraných polymerů (8) Graf. 1-8, modul pružnosti v tahu vybraných polymerů (8)

20 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 20 Houževnatost polymerů je závislá samozřejmě také na teplotě, ale do značné míry jí ovlivňuje jejich nadmolekulární struktura. V případě amorfních polymerů dosahují hodnoty houževnatosti menších hodnot než u krystalických-semikrystalických polymerů. Mez únavy a únavová pevnost u polymerů závisí do značné míry na vykonaném počtu zatěžujících cyklů za jednotku času. To vyplývá z faktu, že polymery jsou špatnými tepelnými vodiči a díky tomu se vlivem cyklického zatěžování zahřívají, což způsobuje zvýšení jejich náchylnosti k porušení. Obecně je mez únavy polymerů velmi nízká a v praxi se využívá hodnota tzv. časované meze únavy, která se stanovuje pro cyklů. Graf. 1-8, wohlerovi křivky pro vybrané polymery (8) Tvrdost je parametr, který je možné značně ovlivnit pomocí různých přísad (tvrdidel) a jako u předešlých charakteristik také teplotu. Tvrdost polymeru roste s jeho snižující se teplotou. Přesná hodnota tvrdosti se stejně jako u kovů zjišťuje buď pomocí Brinnellovi a Rockwellovi zkoušky pro tvrdé polymery nebo pomocí Shoreho zkoušky pro pryže. Graf. 1-9, tvrdost vybraných polymerů (8)

21 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 21 Pro všechny mechanické vlastnosti polymeru platí, že je možno je upravovat pomocí speciálních přísad. Vznikají tak z nich modifikové polymery s modifikovanými vlastnostmi Viskoelastické vlastnosti polymeru Při zpracování polymerů se projevuje jejich tzv. viskoelasticita. Tento pojem navzájem spojuje vlastnosti elastického a viskózního materiálu. Rozdíl mezi těmito materiálovými vlastnostmi spočívá v časovém průběhu deformace uvažovaného tělesa. V případě ideálně elastického materiálu platí (graf 1-10), že deformace je přímo úměrná zatěžujícímu napětí, hodnota této deformace se s přibývajícím časem zatěžování nemění a po odlehčení je výsledná deformace nulová. U viskoelastického tělesa (graf. 1-10) je tomu jinak. Při zatížení napětím vznikne určitá hodnota okamžité elastické deformace a po okamžitém odlehčení by se tato deformace rovnala nule stejně jako v předchozím případě. Avšak pokud v zatěžování stejným napětím budeme pokračovat, bude docházet k postupnému zvětšování deformace až na hodnotu. Když v tom okamžiku odlehčíme, hodnota deformace ihned poklesne o hodnotu pružné deformace. Poté se bude ještě hodnota deformace po nějaký čas zmenšovat a to o celkovou hodnotu. Výsledkem je konečná plastická deformace, která v materiálu přetrvá. Celková deformace je tedy součtem tří složek pružné, viskoelastické a plastické (trvalé). Obecně tedy platí, že Graf. 1-10, chování elastického a viskoelastického materiálu v závislosti na čase (8)

22 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List Reologické vlastnosti polymeru Těmito vlastnostmi rozumíme tokové vlastnosti polymeru, které jsou velmi důležité při jejich zpracovávání. Na jejich znalosti závisí správná konstrukce forem i strojů pro zpracování polymerů, jsou důležité i pro samotné výrobce polymerních materiálů. Pro vyjádření těchto vlastností se využívá viskozita, která je jakýmsi měřítkem tekutosti odporu proti tečení. Pro popsání tokových vlastností se vychází ze základního vztahu pro Newtonovské kapaliny. Tento vztah vyjadřuje závislost mezi smykovým napětím a rychlostí smykové deformace. η. (toková rovnice). U newtonovské kapaliny se uvažuje, že viskozita je konstantní, avšak u většiny polymerních materiálů je viskozita funkcí rychlosti smykové deformace η.. Reálné polymerní materiály se tedy nechovají jako newtonovské, jejich chování však označujeme jako pseudoplastické (v případě, že viskozita klesá s rostoucím smykovým napětím) nebo jako dilatantní (v případě, že viskozita roste se smykovým napětím). K jejich popisu nám slouží tokové rovnice a jejich vizualizací jsou reogramy (graf 1-11). Podle reogramů je možno určit několik oblastí, z nichž je pro zpracování polymerů nejdůležitější oblast platnosti mocninného zákona (graf 1-11). V této oblasti je velikost rychlosti smykové deformace řízena podle vztahu., kde a m jsou experimentálně zjištěné konstanty pro daný materiál. η 1 Newtonovské kapaliny C1 C2 C3 2 Pseudoplastické kapaliny A B C A oblast konstantní viskozity B oblast přechodová C oblast platnosti mocninového zákona C1- oblast pro tech. lisování C2- oblast pro tech. vytlačování C3- oblast pro tech. vstřikování Graf. 1-11, schematický reogram.

23 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 23 Reologické vlastnosti polymeru se v praxi experimentálně zjišťují pomocí tzv. reometrů. Reometry mohou být několika druhů: výtokové, planparalelní, rotační, spirální atd., přičemž nejpoužívanějším typem je reometr spirálový. Pomocí něho se provádí zkouška zabíhavosti. Při této zkoušce se tavenina vstříkne do formy, která má dutinu ve tvaru archymédovi spirály. Principem vyhodnocení této zkoušky je zjednodušeně řečeno změření délky toku taveniny ve spirále do jejího zatuhnutí. Na základě této délky se dále vyhodnocují tokové vlastnosti taveniny. Dalším důležitým parametrem při určování tokových vlastností je index toku taveniny ITT. Ten udává, kolik taveniny proteče daným průměrem trysky za určitý čas (10 minut) při předem stanovených teplotních a zatěžujících podmínkách. Pro zmíněné zkoušky tokových vlastností se využívají v největší míře kapilární plastomery. Tyto polymery nejlépe representují poměry při vstřikování. Na získané tokové křivky má vliv několik základních parametrů (molekulová hmotnost, změkčovadla, plniva, teplota taveniny). Jejich účinky jsou schematicky zobrazeny v grafu η molekulová hmotnost (tlak) míra jeho vlivu závisí na konkrétním materiálu změkčovadlo o obsah plniva teplota taveniny. Graf. 1-11, vliv vybraných parametrů na renogram (tokovou křivku)

24 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List TECHNOLOGIE ZPRACOVÁNÍ POLYMERŮ Existuje celá řada technologií pro zpracování polymerů, které se od sebe navzájem liší podle několika hledisek. Nejvíce záleží na zpracovávaném materiálu a jeho vlastnostech, zda je potřeba zpracovat termoplasty nebo reaktoplasty. V praxi se v největší míře zpracovávají termoplasty ze 70%, na reaktoplasty zbývá přibližně 30% produkce, přičemž ze všech dostupných technologií se v 50% využívá vstřikování termoplastů. Dále záleží volba technologie na funkci a přesnosti požadovaného výrobku. Technologie je možné rozdělit podle toho, v jaké míře dojde k přemístění částic materiálu během jeho zpracování na: tvářecí při těchto technologiích dochází ke značnému přemisťování částic během zpracovávatelského procesu. To znamená, že výsledný tvar se výrazně liší od tvaru vstupujícího materiálu (granulát, tablety). Tyto technologie vždy probíhají za zvýšených teplot a tlaků. Patří mezi ně např.: vstřikování, vytlačování, lisování, válcování, odlévání atd. tvarovací nedochází při nich k tak značnému přemisťování částic. Tvaruje se předem vyrobený polotovar vyrobený některou z předcházejících metod. Tyto technologie nemusí zákonitě probíhat za tepla. Patří mezi ně: tvarování desek, ohýbání trubek, obrábění plastů, spojování profilů atd. doplňkové pomocí doplňkových technologií se upravují vlastnosti polymeru. Tyto úpravy se provádějí buď před procesem, potom mluvíme např. o hnětení, míchání, sušení, předehřevu nebo granulaci, nebo se provádějí naopak až po tvářecím (tvarovacím) procesu, v tom případě se jedná o natírání, potiskování nebo recyklaci. Dále mezi doplňkové technologie patří lepení, svařování a obrábění plastů Vstřikování Jedná se o nejpoužívanější technologii pro zpracování polymerů. Jejím principem je vstříknutí roztaveného polymeru pod tlakem do dutiny dané dělené formy. Po zatuhnutí taveniny vzniká dílec s požadovaným tvarem. Tato technologie probíhá v několika časových úsecích: uzavření formy, přisunutí vstřikovací jednotky, vstříknutí taveniny do formy, dotlačení, plastikace a chlazení, otevření formy a vyhození hotového dílce (viz obr. 2-1). Technologie vstřikování se provádí na speciálních strojích vstřikovacích lisech (viz. kap )

25 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 25 Obr. 2-1, vstřikovací cyklus (7) Časový průběh při vstřikování Uzavření formy a přisunutí plastikační jednotky: Nejprve se forma musí uzavřít, aby do ní bylo možné vstříknout taveninu polymeru. Forma musí být uzavřena takovou silou, jejíž velikost nedovolí, aby se dostala tavenina z dutiny do prostoru dělící roviny. Plastikační jednotka se musí přisunout k formě, aby do ní bylo možné vstříknout taveninu. Doba uzavření (i rozevření) formy musí být co nejmenší s ohledem na úplné zatuhnutí výstřiku a bezpečné vyjmutí nebo vyhození výstřiku z dutiny formy. Vstřikování: V této fázi dochází k plnění dutiny taveninou, která je vytlačována axiálním pohybem šneku. V této fázi je důležité přesně nastavit a kontrolovat průběh teploty taveniny, vstřikovacího tlaku, rychlosti vstřikování a teploty formy. Rychlost vstřikování je úzce spjata se vstřikovacím tlakem. Obecně platí, že při nízkém tlaku nelze vstřikovat vysokou rychlostí. Vysoká rychlost vstřikování je do určité míry výhodným parametrem z hlediska výhodné orientace makromolekul polymeru, avšak vlivem příliš vysoké rychlosti vstřikování může dojít k přehřátí taveniny polymeru a následné degradaci jeho vlastností. Konec fáze vstřikování, kdy je dutina formy zcela naplněná, se vyznačuje prudkým nárůstem tlaku ve formě a poklesem vstřikovací rychlosti. Tento prudký nárůst tlaku je do určité míry kompenzován následující fází, dotlakem, při kterém tlak ve formě poklesne.

26 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 26 Dotlak: Fáze dotlačování kompenzuje zmenšení objemu taveniny, ke které dochází vlivem jejího chladnutí. Dále má za úkol kompenzovat prudký nárůst tlaku v dutině formy, tzv. tlakovou špičku, která může vzniknout na konci fáze vstřikování. Zdali dojde k prudkému nárůstu tlaku, závisí na přesném načasování přepnutí na dotlak. Pokud dojde k přepnutí na dotlak opožděně, následuje prudký nárůst tlaku (tlaková špička) a je ho nutné kompenzovat, protože při zachování takto vysokého tlaku v dutině formy by mohlo dojít k její pružné deformaci a také vyvolání vnitřního pnutí a kroucení ztuhlého výstřiku, což by vedlo ke komplikacím s vyjmutím výstřiku z formy. Pokud však dojde k přepnutí na dotlak příliš brzo, je tlak ve formě při tuhnutí výstřiku příliš nízký a dochází, zejména u tlustostěnných výstřiků, k tvorbě povrchových propadlin a vnitřních staženin. Fáze dotlačování má tedy značný vliv na výsledné vlastnosti výstřiku a její správný průběh napomáhá k dokonalému vyplnění formy. Plastikace: Účelem plastikace je připravení nové dávky taveniny pro další vstříknutí do formy. Nejprve je granulát polymeru taven v plastikační jednotce a následně je homogenizován a dopravován do prostoru před čelem šneku. To zajišťuje samotný šnek svým otáčením a zpětným axiálním posuvem. Při plastikaci je granulát polymeru taven pomocí tepla vznikajícím v tavném válci a také teplem, které vzniká při zpětném axiálním posunu šneku vlivem tření mezi hmotou taveniny, stěnou tavného válce a otáčejícího se šneku. Chlazení: V této fázi dochází ke chladnutí taveniny ve formě. Její začátek je již v počátku vstřikování a probíhá až do úplného ztuhnutí a vyjmutí z formy. Doba chlazení je časově nejdelší fáze v celém vstřikovacím cyklu a je možné ji upravovat pomocí chladící soustavy ve formě. Délka závisí zejména na tloušťce stěny materiálu. Obecně platí, že se s rostoucí tloušťkou stěny prodlužuje chladnutí výstřiku. Dále doba chlazení závisí také na konkrétním druhu polymeru, teplotách taveniny, formy a výstřiku před vyjmutím z formy. Během chladnutí dochází ke značným změnám tlaku, teploty a objemu což má významný vliv na výslednou strukturu výstřiku a také například na jakost povrchu.

27 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 27 Otevření formy a vyjmutí výstřiku: Po zatuhnutí výstřiku následuje otevření formy a vyhození hotového výstřiku. Vyhození se provádí pomocí vyhazovačů nebo pneumaticky pomocí stlačeného vzduchu. Vyhazovače mohou být ovládány buď: o mechanicky pomocí dorazů je vymezena poloha pro vysunutý a zasunutý vyhazovač o hydraulicky pohyb není mechanicky vymezen, vyhazovač je ovládán hydraulicky o manipulátorem používá se pro rozměrnější výstřiky a velké série. Manipulátory jsou automatizované a po vyjmutí výstřiku z formy ho ukládají k uskladnění na palety nebo na dopravní pás. Časový průběh všech výše popsaných fází, průběhy tlaků a pohyb nástroje jsou znázorněny v grafu 2-1. tlaková špička forma uzavřená forma otevřená Sk Pi B C Sn [Mpa] D [mm] E A Tz t [s] graf. 2-1, časový průběh vstřikování + pohyb šneku a formy

28 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 28 uzavření formy přisunutí vstřik. jednoty k formě doba vstřikování plnění formy stlačování taveniny doba dotlaku doba plastikace - celková doba chlazení otevření formy - prodleva vnitřní tlak ve formě pohyb šneku pohyb formy A začátek vstřikování B konec plnění formy C začátek dotlaku D konec dotlaku E konec chlazení Faktory ovlivňující vlastnosti a jakost výstřiku Na vlastnosti a jakost výstřiku má vliv celá řada technologických parametrů a také materiál samotného výstřiku. Proto je volba materiálu pro vstřikování velice důležitým bodem v celém návrhu konstrukce formy a vstřikovacího cyklu. Je nutné znát zejména: smrštění polymeru jedná se o zmenšování objemu výstřiku během chladnutí z teploty taveniny na běžnou teplotu. Velikost smrštění nám tedy ovlivňuje zejména rozměrovou přesnost výstřiku. Smrštění je dále ovlivňováno složitostí výstřiku a homogenitou taveniny. reologické vlastnosti jedná se o tekutost taveniny. Tento parametr ovlivňuje výsledný tvar výstřiku. Pokud není tekutost taveniny dostatečná, tak nedojde k úplnému zaplnění dutiny formy, to ovšem závisí i na technologických parametrech procesu. doba plastikace doba přípravy taveniny pro vstříknutí do formy by měla být co nejkratší. vnitřní pnutí jeho velikost závisí na technologických parametrech, ale i na volbě polymeru. tepelná stabilita měla by být co nejvyšší zejména v oblasti teplot určených pro zpracování polymeru Vlastnosti výstřiku velmi ovlivňují i technologické parametry vstřikovacího cyklu: teplota taveniny liší se podle konkrétního druhu polymeru. Je to parametr, podle kterého se řídí prakticky průběh celého vstřikovacího cyklu. Závisí na ní tekutost a tím pádem i vstřikovací tlak, doba chlazení a následné smrštění a vnitřní pnutí. vstřikovací tlak souvisí s teplotou taveniny a závisí na něm zejména velikost síly sevření formy, také rychlost při plnění formy

29 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 29 a např. orientace makromolekul ve ztuhlém výstřiku. Závisí na něm tím pádem i rozměrová přesnost výstřiku. teplota formy obecně platí, že by měla být co největší. Závisí na ní rovnoměrné tuhnutí taveniny ve formě a její rychlost tuhnutí. Výsledná jakost a lesk povrchu jsou ovlivňovány tímto parametrem. velikost a čas fáze dotlaku závisí na něm zejména rozměrová přesnost výstřiku Vstřikovací stroje Uzavírací jednotka Vstřikovací a plastikační jednotka Obr. 2-1, schéma vstřikovacího lisu (11.) Stroje pro vstřikování polymerů se nazývají vstřikovací lisy. Jejich použití v praxi určují jejich základní technické parametry. Podle nich se provádí volba vhodného stroje pro konkrétní tvar a hmotnost výstřiku. Mezi zmíněné základní parametry patří: maximální vstřikovací objem vyjadřuje maximální hodnotu objemu daného výstřiku i s jeho vtokovou soustavou, kterou je během jednoho vstřikovacího cyklu možné vstříknout do dutiny formy, udává se v. vstřikovací kapacita stroje je obdobný parametr jako max. vstřik. objem, ale s tím rozdílem, že v tomto případě jde o max. hmotnost výstřiku v g, kterou je možno dosáhnout během jednoho cyklu. Jako vztažný materiál se nejčastěji používá polystyren. V současnosti se tento parametr již moc nepoužívá. plastikací kapacita vyjadřuje hmotnost polymeru v kg, kterou je možné roztavit na konkrétním stroji během jedné hodiny.

30 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 30 uzavírací síla udává sílu, kterou je daný stroj schopen vyvinout k uzavření formy a udržení obou jejích částí aniž by došlo k úniku taveniny do prostoru dělící roviny. Musí být větší než síla, vznikající v dutině formy a udává se v KN. vstřikovací tlak vychází z velikosti vstřikovací síly a plochy čela šneku, udává se MPa Rozdělení strojů (9) Stroje je možné rozdělit podle: zpracovávaného polymeru - stroje pro vstřikování termoplastů - stroje pro vstřikování reaktoplastů - stroje pro vstřikování elastomerů - stroje pro vstřikování keramiky plastikačního systému - pístové stroje - šnekové stroje - kombinované stroje vzájemné polohy vstřikovací a uzavírací jednotky - horizontální - vertikální - úhlové objemu vstřikované taveniny - malogramážní ( - 50 ) - středogramážní ( ) - velkogramážní (nad 1000 ) Části vstřikovacích strojů Vstřikovací stroje jsou tvořeny třemi základními částmi uzavírací jednotkou, vstřikovací/plastikační jednotkou a řízením. Uzavírací jednotka je tvořena kloubovým (obr. 2-2a) nebo hydraulickým uzavíracím systémem (obr. 2-2b), samotnou formou pro vstřikování, vodícími sloupky, pevnou a pohyblivou deskou uzavírací jednotky. Celá tato jednotka slouží k dokonalému uzavírání a otevírání formy ve stroji.

31 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 31 kloubový mechanismus forma forma hydr. válec hydr. válec Obr. 2-2 a) uzavírací jednotka s kloubovým uzávěrem (12.) b) hydraulický uzavírací systém Vstřikovací a plastikační jednotka slouží k vytvoření homogenní taveniny z granulátu daného polymeru (plastikační část) a následnému vstříknutí do dutiny formy pod určitým vysokým tlakem a teplotou. Jednotka je dále tvořena vstřikovací tryskou, topným válcem, násypkou, hydraulickým motorem, šnekem a hydraulickým ovládáním šneku. Jednotka může být dále konstruována jako pístová nebo šneková (obr. 2-2). Pístová konstrukce se však již nepoužívá, protože oproti šnekové má řadu nevýhod, např.: vysoké tlakové ztráty, malou homogenitu taveniny, nízkou vstřikovací rychlost, dlouhý výrobní cyklus atd.

32 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 32 násypka tryska tavný válec šnek Obr. 2-3, vstřikovací jednotka (12.) Řízení - představuje část stroje, která slouží k jeho ovládání. Konkrétní podoba řízení, závisí zejména na roku výroby stroje a jeho výrobci. V současné době bývá tvořena řídícím panelem obsahujícím displej a řadu tlačítek pro nastavování všech funkcí. Přes tento panel se pak pomocí počítače a řídícího programu provádí veškeré nastavování a ovládání stoje Formy pro vstřikování Forma je velice důležitou částí celého stroje, respektive uzavírací jednotky stroje. Musí být vyrobena velmi přesně, aby byl zajištěn požadovaný tvar, přesnost a jakost povrchu výstřiku. Skládá se z mnoha dalších součástí a její konstrukce musí zajišťovat i ekonomičnost výroby, v podobě správné volby násobnosti formy atd. Mezi základní části vstřikovací formy patří: Tvářecí část na ní závisí konkrétní tvar výstřiku a tvoří jí tvárník, tvárnice, případně jádra pro otvory. Vtokový systém - je to soubor kanálů, který zajišťuje rovnoměrné plnění dutiny formy taveninou ze vstřikovací jednotky. Temperační systém slouží k regulování teploty formy a taveniny. Jejím hlavním účelem je odvod tepla z taveniny do temperačního média. Určuje dobu tuhnutí taveniny a do značné míry ovlivňuje výslednou kvalitu výstřiku. Vyhazovací zařízení zajišťuje vyhození výstřiku a vtokového zbytku z formy. Tento proces může být uskutečněn pomocí mechanických vyhazovačů nebo např. pneumaticky.

33 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 33 Vodící a upínací elementy slouží ke správnému vedení pohyblivé části formy (tvárníku) a přesnému přisunutí k nepohyblivé části (tvárnici). Upínací elementy jsou tvořeny deskami a šrouby, pomocí kterých se připevňuje forma do samotného stroje. Formy je možné rozdělit (9.): o Podle typu vstřikovacího stroje: - se vstřikováním do dělící roviny - se vstřikováním do osy o Podle počtu dutin: - jednonásobná - vícenásobná o Podle uspořádání vtoku: - dvoudeskové s plným vtokem s komůrkovým vtokem se zúženým ústím vtoku - třídeskové - s horkým vtokem (nevzniká ztuhlý vtok) s izolovanými vtokovými kanály s vyhřívanými vtokovými kanály o Podle konstrukce: - jednoduché - čelisťové - s výsuvnými jádry - vyšroubovávací - etážové o Podle zpracovávaného polymeru: - pro zpracování termoplastů - pro zpracování reaktoplastů - pro zpracování elastomerů 2.2. Lisování Jedná se o alternativní zpracování polymerů, přičemž na rozdíl od vstřikování tato technologie slouží ke zpracování reaktoplastů. Při lisování jako polotovar slouží většinou tablety (případně prášek), které jsou vyrobeny na speciálních tabletovacích strojích. Hmotnost každé tablety je na těchto strojích přesně odměřena tak, aby byla dostatečná pro vytvoření požadovaného výlisku. Hmotnost (objem) lisovaného materiálu je při lisování vždy větší než výsledná hmotnost čistého výlisku. Lisování se provádí na hydraulickém lisu, ve kterém je upevněna pohyblivá a pevná část dělené lisovací formy. Proces lisování probíhá při působení tlaku pohyblivé části formy vyvozeným hydraulickým lisem na tabletu, která je uložena ve vyhřívané pevné části. Vlivem působícího tlaku a tepla dojde ke tváření reaktoplastu. Při lisování je důležitá doba tvrzení, což je doba sloužící

34 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 34 k zesítění reaktoplastu. Tato doba závisí na konkrétním typu zpracovávaného polymeru, tvaru a tloušťce stěn výlisku. Hlavní nevýhoda technologie lisování ve srovnání s předcházejícím vstřikováním spočívá v nedostatečném promísení (homogenizaci) tvářené hmoty, což má nepříznivý vliv na celou řadu jejích vlastností. Obr. 2-4, princip lisování (10.) A) plnění formy, B) lisování, C) vyjímání výlisku

35 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List Přetlačování Přetlačování je obdobná technologie jako lisování. Používá se také pro zpracování reaktoplastů a liší se od lisování hlavně díky lepšímu promísení tvářené hmoty. To zajišťuje tvar přetlačovací formy a přetlačovací píst. Princip spočívá v přetlačení hmoty pomocí pístu do dutiny formy. Právě díky procesu přetlačování dojde k lepší homogenizaci materiálu než u lisování. Nevýhodou přetlačování je složitější a konstrukčně nákladnější forma. Tuto technologii nelze využít na běžném hydraulickém lisu, je zapotřebí použít speciálně upravený lis, který zajistí pohyb přetlačovacího pístu. Obr.2-5, princip přetlačování(10.) A) plnění přetlačovací komory, B) přetlačování, C) vyjímání výlisku

36 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List VOLBA TECHNOLOGIE PRO VÝROBU ZADANÉHO PLASTOVÉHO DÍLCE Technologií lisování: Technologie lisování je možnou variantou pro výrobu zadaného plastového dílce. Při lisování je vždy objem dávkovaného materiálu větší než objem čistého výlisku. Vzhledem k malým rozměrům zadaného dílce by musel být objem této dávky téměř o 50% větší než objem požadovaného dílce, aby byl zajištěn jeho 100% objem po vylisování. Vzhledem k tomu, že lisování se používá pouze pro zpracování reaktoplastů, které se nedají opakovaně tepelně zpracovávat, vzniká z přebytečného materiálu po vylisování odpad. Technologie lisování se navíc vyznačuje špatnou homogenizací hmoty a dlouhými výrobními cykly až 1,5 min na 1mm tloušťky, které by vedly k celkovému zvýšení nákladů na výrobu dílce. Vzhledem k těmto aspektům bych technologii lisování nevolil jako vhodnou pro výrobu zadaného plastového dílce. Technologií vstřikování: Daleko produktivnější, rychlejší a úspornější technologii výroby zadaného plastového dílce představuje technologie vstřikování. Tato technologie poskytuje oproti technologii lisování mnohem lepší homogenizaci vstřikované hmoty, mnohem kratší výrobní cyklus a menší náklady na vytvoření požadovaného výstřiku. Při této technologii, ve srovnání s lisováním, vzniká pouze minimální objem odpadu, protože přebytečný materiál v podobě zatuhlých vtoků lze podle druhu termoplastu opakovaně zpracovávat. Při použití formy s horkými vtokovým systémem dokonce nevzniká žádný odpad v podobě ztuhlého vtokového systému, avšak vhodnost použití takovéto konstrukce je předmětem propočtu pro konkrétní materiál a tvar požadovaného výstřiku. Vzhledem k uvedeným údajům porovnávaných technologií se jeví jako vhodnější pro výrobu zadaného plastového dílce jednoznačně technologie vstřikování. V dalších kapitolách diplomové práce bude proveden konkrétní konstrukční návrh formy pro vstřikování včetně ekonomických propočtů.

37 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List KONSTRUKCE FORMY PRO VSTŘIKOVÁNÍ ZADANÉHO DÍLCE 4.1. Volba materiálu pro vstřikování Počátečním krokem při návrhu konstrukce vystřikovací formy je určení materiálu výstřiku. Materiál musí vyhovovat co nejvíce všem požadovaným nárokům na vlastnosti, vzhled a např. přesnost budoucího výstřiku. Všechny tyto aspekty závisí jeho funkci. Zadaný výstřik (obr. 3-1) slouží jako závěs pro uložení trubičky v šatní skříni. Vzhledem k jeho funkci nepředpokládám, že bude přenášet velká zatížení, nebude vystaven chemicky agresivnímu prostředí a bude využíván při běžných pokojových teplotách. Z těchto důvodů volím jako konstrukční materiál výstřiku běžný vysokotuhostní Polyetylén HDPE od firmy Hoechst, který se prodává pod obchodním názvem Hostalen. Jedná se o semikrystalický materiál s těmito vlastnostmi: o mechanické a materiálové vlastnosti Hostalenu: - hustota ρ při 23 C 0,957 g/ - modul pružnosti E při 23 C 1070 Mpa - mez pevnosti v tahu Rm.35 Mpa - smrštění..1,8% - efektivní teplotní vodivost...0,092 / - koeficient tření f pro Rz 6,3 0,52 o technologické parametry při vstřikování Hostalenu: - teplota taveniny Tm 270 C - teplota formy Tw..50 C - teplota odformování Te..80 C - vstřikovací tlak 100 Mpa - min. tvářecí tlak.45 Mpa - dotlak 55 Mpa - zpětný tlak.8 Mpa Obr. 3-1, zadaný tvar výstřiku

38 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List Určení násobnosti vstřikovací formy Určení násobnosti je důležitým krokem před dalším konstruováním formy. Závisí na ní konstrukce vtokového i temperančního systému. Nejprve je nutné zvolit praktickou násobnost formy. Ta se volí na pomocí grafu (příloha 1.) a určujícím faktorem pro její stanovení je výrobní dávka požadovaného výstřiku. - zadaná výrobní dávka D = ks - praktická násobnost stanovená pomocí grafu = 4 Dále je nutné stanovit orientační hodnotu termínované násobnosti. Pro její stanovení je nutné provést výpočet těchto hodnot: o objem výstřiku V: Výpočet jsem provedl v programu solidworks V = 5294,24 o hmotnost výstřiku G: Výpočet jsem provedl v programu solidworks G = 5,07 g o stanovení průměru rozváděcího kanálku : [s], vzorec 4-1 (9.) D - předběžný průměr kanálku (9.). Volen s ohledem na tloušťku a hmotnost výstřiku. koeficient tekutosti (9.) - koeficient délky rozváděcího kanálku (9.) 4,55 1 1,08 4,914 volím 5 mm o stanovení objemu rozváděcího kanálku : Pro stanovení objemu rozváděcího kanálku je nutné si nejprve zvolit jeho předběžné uspořádání. Tento návrh volím vzhledem k předběžné násobnosti = 4. Obr. 4-2, schéma předběžného návrhu uspořádání rozváděcího kanálku

39 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 39 á á [mm ] vzorec 4-2 (9.) á - průřez vtokového kanálku = á predběžná délka kanálku = V S á L á 19, ,6mm o stanovení vstřikovaného objemu : Vstřikovaný objem hmoty zahrnuje objem výstřiku V pro praktickou násobnost = 4 a objem rozváděcího kanálku V. ž [mm ], vzorec 4-3 (9.) V ,24 392, ,36mm 25,747cm o stanovení doby vstřikování : Doba vstřikování je funkcí vstřikovaného objemu a dynamické viskozity. t 0,7s (9.) o určení doby chlazení : [s], vzorec 4-4 (9.) s tloušťka výstřiku (průměrná) a - efektivní teplotní vodivost (9.) T - teplota taveniny (9.) T - teplota odformování (9.) T teplota formy (9.) t s ln 8 π a π T T 3 T T π 0,092 ln ,128 π o výpočet celkové doby vstřikovacího cyklu : Celková doba vstřikovacího cyklu zahrnuje časy několika základních úkonů (viz obr. 4-3)

40 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 40 vstřikování dotlak plastikace t t t chlazení t t t t Obr.4-3, schéma časového průběhu vstřik. cyklu (9.) ž [s], vzorec 4-5 (9.) t - uzavření formy 1-1,5 s (9.) t - přisunutí vstřikovací jednotky 0,5 s (9.) t - doba vstřikování (viz. předchozí bod) t - doba chlazení (viz. předchozí bod) t - otevření formy a vyhození výstřiku 1-1,5 s (9.) t - prodleva 0,5 s (9.) t 3 až 4 t t 3,5 0,7 68,128 72, s o výpočet termínované násobnosti formy : Tato násobnost zohledňuje požadovaný termín dodání zakázky.., vzorec 4-6 (9.) D výrobní dávka t - celkový čas vstřikovacího cyklu - požadovaný termín dodání v hodinách faktor využití času 0,8 (příloha 2) n D. t ,75 volím násobnost 4 τ K , výpočtem jsem ověřil, že praktická i termínovaná násobnost se shodují, proto při konstrukci použiji 4. násobnou vstřikovací formu.

41 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List Výpočet minimální přidržovací síly Fp pro sevření formy Hodnotu minimální přidržovací síly Fp je nutné znát kvůli dostatečně silnému sevření obou částí formy tak, aby nedošlo k úniku taveniny plastu do prostoru dělící roviny a tím ke znehodnocení výstřiku.pro její výpočet je nutné dále určit: o výpočet délky dráhy toku taveniny : [mm], vzorec 4-7 (9.) - délky toku f a f byly stanoveny pomocí programu solid works dráha f3 místo vtoku dráha f2 Obr. 4-4, schéma toku taveniny dutinou formy dráha f1 f f f f 14, , ,41+ = 57,87 mm o výpočet minimálního plnícího tlaku :, [bar], vzorec 4-8 (9.) K - faktor schopnosti tečení (9.) f délka dráhy toku taveniny s - tloušťka stěny materiálu (9.) p 3 K f s, 3 1,9 57,87 3, 53,88 barů 5,3 Mpa

42 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 42 o stanovení obvyklého vstřikovacího tlaku : Velikost obvyklého vstřikovacího tlaku se stanovuje podle tabulkových doporučených hodnot a závisí na konkrétním typu polymeru. Pro vstřikování vysokopevnostního polyetylenu PE-HD je doporučen tlak p 100Mpa. Tento tlak zároveň vyhovuje podmínce - p p 100 5,3 o výpočet tvářecího tlaku : Tvářecí tlak p se stanovuje pomocí jednoduchého grafu s funkční závislostí p = f (délky toku taveniny). Pro jeho sestrojení je nutné dále vypočítat: - maximální délka toku pro daný materiál: Jedná se o experimentálně zjištěnou maximální hodnotu délky toku taveniny pro daný materiál. Tato délka musí být vetší než celková délka toku v zadané dutině. Určení její konkrétní hodnoty slouží vztah : [mm] vzorec 4-9 (9.) m- koeficient rovnice dráhy toku n- exponent rovnice dráhy toku s tloušťka stěny výstřiku L m s 100 3, 738,51 mm, 57,87 mm, vzorec 4-10 (9.) Po určení maximální délky toku a vstřikovacího tlaku p lze sestrojit graf a určit pomocí něho tvářecí tlak p p [bar] p p p 0,5 f f délka toku [mm] graf. 4-1, určení tvářecího tlaku

43 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 43 Ze sestrojeného grafu plyne vztah pro výpočet tvářecího tlaku:, bar, vzorec ,,,,, 500 ů 50 Tento tlak zároveň vyhovuje podmínce [Mpa] o výpočet plochy průmětu tvarové dutiny do dělící roviny formy: Plochu průmětu do dělící roviny jsem určil pomocí programu solidworks 4458,32 44,5832 obr. 3-5, znázornění plochy průmětu do dělící roviny výpočet uzavírací síly formy : kn, vzorec 4-12 (9.) A - plocha průmětu do dělící roviny p tvářecí tlak [bar] F A p , ,5

44 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List Volba typu a velikosti vstřikovacího stroje: Volba vstřikovacího stroje se rámcově provádí podle algoritmu uvedeného na obr obr. 4-6, postup při volbě vstřikovacího stroje (9.) Konkrétní hodnoty parametrů z obr. 3-6 se dále provádí formou volby (rozměru) nebo výpočtu: o výpočet průchodu materiálu ze stroje do formy G :, kg/h, vzorec 4-13 (9.) V velikost vstřikovaného objemu plastu cm hustota plastu g/cm t - celková doba vstřikovacího cyklu [s] G 3,6 V ρ 3,6 25,747 0,957 1,23 / t 72

45 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 45 o určení vhodného průměru šneku vstřikovacího stroje D : Průměr šneku D se volí ze řady rozměrů: 20,25,30,35,40,45,50,55,60,70,80 mm Orientační hodnota průměru pro volbu šneku D se určuje pomocí výpoču:, 10,5, vzorec 4-14 (9.) 7,5 V 7,5 25,747 D 10,5 V D 10,5 25,747 22,146 D 31 - volím průměr šneku 30 22, o výpočet vstřikovaného objemu V : Výpočet vstřikovacího objemu byl proveden v kap V 25,747 o výpočet vstřikovací rychlosti v : - vstřikovaný objem t - doba vstřikování v V 25,747 36,781 / t 0,7 o výpočet uzavírací síly F : /, vzorec 4-15 (9.) Výpočet uzavírací síly byl proveden v kap. 3.3 a její velikost je: F 267,5 kn o výpočet vystřikovacího tlaku p : Výpočet vstřikovacího tlaku, respektive tvářecího tlaku p byl proveden v kap p = 50 Mpa o určení minimálního zdvihu Z vyhazovačů: Minimální zdvih vyhazovačů se určuje vzhledem k maximální hloubce zaformování výstřiku H (viz obr. 3-7)

46 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 46 dělící rovina zasunuté vyhazovače dutina tvárníku Hmax= 14mm obr. 4-7, detail dutiny tvárnice a max. hloubka zaformování Minimální zdvih vyhazovačů vstřikovacího stroje musí být tedy větší než 14mm 14. o určení minimálního otevření formy Z : Minimální otevření formy se stanovuje pomocí orientačního h- výška výstřiku [mm], vzorec 4-16 (9.) Z 2 h 2 43 Z 86mm Z h tvárník výstřik tvárnice obr. 4-7, detail otevřené formy s výstřikem

47 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 47 o určení tloušťek jednotlivých desek formy: Jednotlivé desky formy jsou voleny podle katalogů firmy Hasco. Skladba desek je uvedena na obr. 3-8 obr. 4-8, schéma skladby desek sestavené z podle katalogu firmy Hasco (9.) S tloušťka upínací desky K15 volím 27mm S - tloušťka kotevní vložkové desky K20 (tváníku) volím 27mm S - tloušťka kotevní vložkové desky K20 (tvárnice) volím 36mm S - tloušťka opěrné desky K30 volím 36mm S - tloušťka rozpěrné desky K40 její velikost volena na základě podmíky S S S 3 Z S S 43 volím S 56mm S - tloušťka upínací desky K15 volím 27mm S tloušťka vyhazovací kotevní desky K60 volím 9mm S - tloušťka vyhazovací opěrné desky K70 volím 17mm K100 středící kroužek volím rozměry 125x8 mm K 500 středící kroužek volím rozměry Ø125x8 mm

48 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 48 o Výpočet stavební výšky formy L: = = 209 mm, vzorec 4-17 (9.) Tato stavební výška L musí splňovat podmínku L B. To znamená, že stavební výška formy musí byt větší než minimální vzdálenost mezi upínacími deskami zvoleného stroje. o Výpočet min. délky otevřené formy : Jedná se o rozměr formy při minimálním otevření Z mm, vzorec 4-18 (9.) Volba vstřikovacího stoje: Na základě vypočtených a zvolených parametrů volím vstřikovací lis od firmy ARBURG s obchodním označením ALLROUDER 270C a mezinárodní velikostí stroje dle EUROMAP obr. 4-9, obrázek vstřikovacího lisu Arburg Allrounder 270C Tento stroj je z celé nabídky firmy Arburg nejvhodnější pro vstřikování zadané součásti v požadovaném množství a termínu dodání. Základní parametry stroje: hodnota parametru zvoleného parametr stroje vs. vypočtená hodnota parametru Max. uzavírací síla [kn] ,5 F Max. otevření [mm] Z Min. výška formy [mm] L Max. světlost mezi (L ) upínacími deskami [mm] Max. zdvih vyhazovače [mm] Průměr šneku [mm] Objem dávky [cm ] ,747 Vstřikovací tlak [bar] tab. 4-1, srovnání požadovaných a reálných parametrů stroje

49 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List Konstrukce temperančního sytému formy: Vstříknutá tavenina o určité zpracovávatelské teplotě přenáší do formy teplo, které jí ohřívá. Temperační systém slouží k řízenému odvodu tepla z taveniny a k regulaci teploty formy. Správná rychlost ochlazování a tuhnutí taveniny je jedním z určujících parametrů, zajišťujících správný tvar a přesnost výstřiku. Pro správné řešení temperančního sytému je nutné znát: o přesný tvar a rozměry výstřiku: Tloušťka a maximální dráha toku, určená podle rozměrů požadovaného výstřiku, mají významný vliv na průběh tuhnutí výstřiku, tím pádem i na konstrukci temperančního systému. o druh materiálu výstřiku: Druh polymerního materiálu určuje například teplotu tavení a zpracovávatelskou teplotu vstřikování. Tyto parametry jsou důležité při konstrukci temperančního systému. o druh materiálu formy: Zejména druh materiálu a jeho termodynamické vlastnosti tvarových částí formy - tvárníku a tvárnice, v nichž je umístěn samotný temperanční systém, nám udává, jak bude probíhat výměna tepla mezi taveninou plastu a deskami formy. o požadovaná přesnost výstřiku: Výsledná přesnost výstřiku je dalším určujícím parametrem při konstrukci temperančního systému. Závisí na průběhu chladnutí taveniny a celkovém smrštění výstřiku. Samotné konstrukční řešení temperančního systému se prování pomocí kanálů, které jsou vyvrtány skrz desky tvárnice a tvárníku. Tyto kanály musí být umístěny co nejblíže k tvarové dutině, aby efektivně regulovaly teplotu taveniny. Jejich průřez je kruhový, což je nejvýhodnější pro výrobu i průtok kapaliny kanálem. Při konstrukci formy pro zadaný výstřik jsem použil systém kanálů o průměru 6mm. Tyto kanály jsem uspořádal do tzv. sériového zapojení (viz. obr. 4-10, 4-11). Toto konstrukční uspořádání jsem volil zejména kvůli snadnému zjišťování rychlosti průtoku chladícího media systémem, což usnadňuje následné seřizování. Snadné a správné seřízení průtoku média temperančním systémem má významný vliv na odvod tepla z formy.

50 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 50 ucpávka vstup do temperančního systému výstup z temperančního systému obr. 4-10, schéma navrženého temperačního systému tvárnice ucpávka vstup do temperančního systému výstup z temperančního systému obr. 4-11, schéma navrženého temperačního systému tvárníku

51 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List Konstrukce vtokového systému formy: Vtokový systém slouží k rovnoměrnému plnění dutiny formy taveninou. Zajišťuje přívod taveniny z tavného válce až do samotné dutiny. Jeho objem a průřez musí postačovat rovnoměrnému naplnění dutiny. Vtokový systém je možné rozdělit na 3 základní části: o hlavní vtok: Slouží k přivedení taveniny z tavného válce do prostoru rozváděcího kanálu. Při konstrukci formy pro zadaný výstřik jsem použil hlavní vtok kuželový, který jsem realizoval pomocí vtokové vložky od firmy HASCO. o rozváděcí kanál: obr. 3-12, kuželový vtok HASCO Vzhledem k tomu, že jsem volil při konstrukci formy násobnost 4, musím použít rozváděcí kanálky, které slouží pro přívod taveniny do tvarové dutiny. Použil jsem rozváděcí kanálky s výpočtem ověřeným půlkruhovým průřezem. rozváděcí kanál místo vtoku z hlavního kanálu tvarové dutiny obr. 4-13, navržený rozváděcí kanál

52 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 52 o ústí rozváděcího kanálu: Ústí vtoku je zakončení rozváděcího kanálu v místě, kde tavenina vtéká přímo do tvarové dutiny formy. Jeho provedení závisí zejména na tvaru výstřiku. Pro zadaný výstřik jsem vybral tunelový vtok. Jeho velkou výhodou je, že díky své konstrukci dojde k oddělení vtokového zbytku při vyhození výstřiku z dutiny. Tím pádem odpadá dodatečná práce s oddělování vtokového zbytku od výstřiku. obr. 4-14, navržený tunelový vtok 4.7. Konstrukce vyhazovacího systému: Po vstříknutí taveniny a jejím úplném zatuhnutí je potřeba výstřik se vtokovým zbytkem vyjmout z dutiny formy. Materiály používané pro vstřikování, včetně zvoleného PE-HD, mají určitou hodnotu smrštění. Díky tomu výstřiky po zatuhnutí ulpívají na stěnách tvarových dutin. Proto je nutné pro vyhození výstřiku a vtokového zbytku použít vyhazovací systém. Tento systém se odborně nazývá vyhazovací paket. Skládá se z vyhazovačů, vyhazovacích kotevních desek, vodících elementů a vyhazovací tyče, která propojuje vyhazovací paket s mechanismem stroje. Dostatečné vysunutí vyhazovačů z dutiny formy se určuje na základě max. hloubky zaformování výstřiku a ověřuje se výpočtem. Potřebná vyhazovací síla se reguluje na vstřikovacím lisu a její maximální velikost závisí na konkrétním typu stroje. kotevní desky vyhazovačů pouzdro pro vedení paketu vyhazovací tyč obr navržený vyhazovací paket vyhazovače

53 FSI VUT DIPLOMOVÁ PRÁCE List 53 obr. 4-16, detail vysunutých vyhazovačů 4.8. Řešení odvzdušnění dutiny formy: Odvzdušnění formy zajišťuje odvod vzduchu z prostoru dutiny formy při jejím plnění taveninou. Je to důležitý konstrukční prvek, který zabraňuje vznik bublin a staženin výstřiku. Odvzdušnění formy jsem řešil pomocí drážky vyfrézované kolem tvarových dutin. Přívod vzduchu do této drážky je realizován pomocí probrusů s hloubkou 0,02 mm. probrusy odvzdušňovací kanál obr. 4-17, odvzdušnění dutiny