Temperační prostředky, část 8, díl 5, kapitola 5.5

Transkript

1 Temperační prostředky, část 8, díl 5, kapitola 5.5 Kapalné CO 2 (Tool-Vac technologie) Technologie Tool-Vac je nový intenzivní způsob temperace vstřikovacích forem vyvinutý německou firmou Foboha Werkzeugbau GmbH. ve spolupráci se švédkou firmou AGA Gas AB. Způsob chlazení je založen na odpařování kapalného CO 2 přiváděného zpravidla do speciálních mikroporézních ocelových částí vstřikovací formy značky Toolvac-Stahl (např. ocel TVBX 03) nebo popřípadě do konvenční vstřikovací formy, resp. do jejího expanzního prostoru. V obou případech je kapalný oxid uhličitý přiveden v časových impulsech (tak aby bylo dosaženo žádané teploty nástroje) ze zásobníku do formy trubičkami o světlosti 0,3 0,5mm, kde proniká póry (v případě opatření tvarové dutiny formy mikroporézní ocelí) a současně expanduje. Vzniklé výparné teplo umožňuje rychlý odvod tepla z chlazeného výstřiku. Při temperování konvenční vstřikovací formy je kapalný CO 2 přiváděn taktéž do expanzního prostoru, kde dochází k jeho odpařování. Avšak narozdíl od mikroporézní oceli, nemůže oxid uhličitý být veden stěnou oceli a k přenosu tepla tak slouží jen povrch stěn expanzního prostoru. V obou dvou případech vyžaduje chladící okruh zásobník na CO 2 s kompresorem, který bývá umístěn vně vstřikovny. Proces je řízen přístrojem umístěným ve formě. V případě uzavřeného okruhu se vrací plynný CO 2 k novému zkapalnění. Schéma a princip chlazení kapalným CO2 a) b) řídící a kontrolní jednotka zásobník CO2 vstřikovací forma c) povrchová vrstva struktura Tool-Vac oceli a) schéma příslušenství b) schéma chlazení ve vstřikovací formě c) struktura Tool-Vac oceli

2 Proces získání kapalného CO 2 Pro technické aplikace je kapalný oxid uhličitý získáván z plynných směsí obsahující uhlík nebo jako vedlejší produkt z četných chemických procesů. Standardní metoda zpracování CO 2 z kvasného procesu je založena na průchodu plynné směsi obsahující CO 2 tzv. pračkou, kde je zbavena pevných částic a těžších uhlovodíků, komprimována a vedena do čistícího zařízení. Zde je na aktivním uhlí a oxidu hlinitém zbavena nežádoucích příměsí a vodní páry. Čistý oxid uhličitý je pak potrubím veden do zkapalňovače k ochlazení a převedení do kapalné fáze. Oxid uhličitý sublimuje za obyčejného tlaku při teplotě 75,5 o C. Zkapalněný plyn je skladován v zásobnících, v tlakových lahvích nebo v tzv. minitancích, které jsou v současnosti novou koncepcí pro přepravu a skladování kryogenních plynů. Příklad impulsního řízení přívodu kapalného CO2 poloha ventilu otevřen zavřen uzavření formy vstřikování chlazení vyhození výstřiku uzamčení formy dotlak otevření formy čas [s] Mikroporézní ocel Výroba speciální mikroporézní oceli je koncipována do třech fází: zhutnění práškového materiálu v požadovaný tvar pomocí izostatického lisování za studena, slinování (spékání) a kalení. Slinování je děj velmi složitý. Dochází při něm k vypuzení adsorbovaných vodních par, plynů, stop mazadel z povrchu zrníček na začátku slinování, apod., k redukci kysličníků a jiných nekovových sloučenin obalující práškový kov a bránící tak přímému styku kovu a oslabující pevnost výlisků docílenou samotným lisováním, k různým formám difúze a migrace atomů, k rekrystalizaci (k ostranění zpevnění materiálu vzniklého lisováním), relaxaci pružných napětí, k spojování a sféroidizaci pórů, k smršťování nebo růstu objemu výlisku, k tvorbě slitin a sloučenin, k fázovým změnám aj. Výsledkem slinování je výlisek s výrazně

3 lepšími fyzikálně-chemickými a mechanickými vlastnostmi (vysokou a rovnoměrnou tvrdostí) vyznačující se homogenní strukturou bez koncentrace napětí, dobrými vlastnostmi tepelného zpracovaní a dobrou leštitelností. Při konstrukčním návrhu jader vyrobených práškovou metalurgií je nutné zohlednit tu skutečnost, že spékaný materiál dosahuje sice obdobné pevnosti jako běžná cementační ocel, avšak s vyjímkou pevnosti v ohybu. Konstrukce tvarové dutiny vstřikovací formy z mikroporézní oceli Vzhledem ke struktuře tvarové dutiny vstřikovací formy z mikroporézní oceli nedosahuje povrch vstřikovaného dílce dokonalého lesku, a to ani tehdy, je-li je ocel leštěna diamantovou pastou, čímž lze také negativně ovlivnit prodyšnost povrchu mikroporézní oceli jejím snížením až o 30%. V případě, že z vzhledových důvodů nedovoluje výstřik přímý styk s mikroporézní ocelí, jsou mikropóry utěsněny mechanicky nebo pomocí plastu a odpařený CO 2 se odvádí vrtanými kanály. Možnosti utěsnění pórů a) a) mechanickým obráběním b) pomocí aditiv c) pomocí vysoké teploty temperace b) c)

4 Výhody, nevýhody a aplikace způsobu temperace kapalným CO 2 Chlazení pomocí kapalného oxidu uhličitého se používá zpravidla ve vzájemné vazbě s temperačními kanály pro chlazení v tlustostěnných oblastí vstřikovaného dílce, tedy v oblastech, v nichž hmota chladne nejpomaleji. Příkladem vhodné aplikace je temperace v tlustostěnné části vstřikovaného dílce technologií GIT (technologií vstřikování s následným přívodem plynu). Použitím této metody lze ve srovnání s klasickou metodou chlazení pomocí temperačních kanálů dosáhnout snížení doby chlazení představující rozhodující část vstřikovacího cyklu a to až dle praktických výsledků o 40%. Metoda je vhodná také pro temperování dlouhých tvárníků, tenkých můstků (např. u skříně světlometu) a tvárníků o velkém průměru. Mezi přednosti této metody temperace nástroje patří tedy snížení doby chlazení, resp. doby cyklu a zvýšení produktivity výroby, ale také rovnoměrné rozložení teplot na povrchu tvářeného dílu, vyšší kvalita povrchu výstřiku, flexibilní možnost umístění trubiček pro přívod kapalného CO 2 a tím odstranění mnohdy složité konstrukce temperačních kanálů, účinné chlazení tlustostěnných částí výstřiku, rychlá návratnost pořizovacích nákladů na technologii a formu, možnost využití pórovité oceli k odplynění výstřiků, apod. Naopak nevýhodou této metody jsou dodatečné operace k zajištění vysoké jakosti povrchu (lesku) vstřikovaného dílce, vysoké požadavky na zajištění čistoty při montáži nástroje, ošetřování nástroje konzervačními prostředky při výrobních prostojích, únik CO 2 do okolí v případě otevřeného chladícího okruhu, apod. Aplikace chlazení CO2 u konvenční oceli kapilární trubička pro přívod kapalného CO2 2- expanzní prostor

5 Ranue-Hilsch vírová trubice Způsob temperace vstřikovacích forem pomocí vírových trubic, využívající stlačeného vzduchu jako zdroje síly při chlazení nebo ohřívání, se na poli vstřikování ještě zcela neuchytil a v plastikářském průmyslu patří bezesporu mezi nestandardní temperační prostředky. Jedná se o konstrukčně jednoduché zařízení, které pro chlazení nebo ohřev využívá obyčejného stlačeného vzduchu, jež je upravován do dvou vzduchových proudů (horkého a studeného). Při experimentální činnosti s vývěvou objevil již v roce 1928 toto zařízení zcela náhodně francouzský student fyziky Georges Joseph Ranue, když najedné ze stran vývěvy zpozoroval horký a na druhé studený výfuk. V době vynálezu se však vírová trubice příliš neuplatnila. Asi kolem roku 1945 ji znovu připomenul německý fyzik Rudolf Hilsch, odtud název Ranue-Hilsch vírová trubice. Již slavný fyzik 19-tého století James Clerk Maxwell řekl, že teplo není nic jiného něž pohyb molekul, a v budoucnu tak bude možné pomocí přátelského, malého démona získat současně horký a studený výfuk z jednoho zařízení. Maxwell se tak příliš nemýlil, když hovořil o tzv. malém démonu potřebného k rozdělení studených a horkých molekul vzduchu. Princip vírové trubice není ani dnes v odborném světě zcela jednoznačně definován. Existuje přitom mnoho teorií činnosti vírové trubice. Od doby vynálezu bylo uveřejněno značné množství článků, které se snaží vysvětlit její funkci. Zatím se to zcela nepodařilo a z hlediska fyziky je stále záhadná. Všeobecně uznávaný výklad teorie říká, že tangenciálně vrtaný stacionární generátor nutí přiváděný stlačený vzduch o tlaku 0,4 až 0,7 MPa rotovat trubicí podél vnitřní stěny směrem k horkému řídícímu ventilu (až ot/min). Z praxe jsou rovněž známa měření, kdy do trubice byl místo vzduchu pouštěn jiný plyn a trubice opět pracovala. Část vzduchu vystupuje přes jehlový ventil jako horký výfuk vzduchu a zbývající část je tlačena zpět středem proudu vzduchu, kde se točí, pohybuje pomalu a koná přirozenou výměnu tepla. Vnitřní sloupec vzduchu nechá teplo vnějšímu a vystupuje studeným výfukem. Množství a teplota studeného nebo horkého výfuku je řízena řídícím ventilem na horkém výfuku vzduchu. Maximální a minimální dosažitelná teplota vírovou trubicí je udávána 127 o C, resp. 46 o C. Pokud je tlak stlačeného vzduchu nižší než běžně používaný 0,6 MPa, sníží se také chladící výkon trubice. Vírová trubice pracuje i při přetlaku ca. 0,1 MPa, avšak s malým účinkem. Vliv má samozřejmě i teplota vstupujícího vzduchu. Čím je tato teplota vyšší, tím vyšší je také teplota na studeném konci trubice.

6 Schéma a princip činnosti vírové trubice studený výstup (až -46 o C) stlačený vzduch (0,4 0,7 MPa, 21 o C) stacionární generátor řídící ventil horký výstup (až 127 o C) generátor přívod stlačeného vzduchu řídící ventil STUDENÝ VÝSTUP HORKÝ VÝSTUP Jakkoli se oba vzduchové proudy (vnější a vnitřní) pohybují proti sobě, rotují ve stejném směru se stejnou úhlovou rychlostí, tzn. otočení částice ve vnitřním sloupci vzduchu bude ve stejném časovém okamžiku shodné s otočením částice na vnějším sloupci vzduchu. Podle zákona o zachování úhlového momentu by se však vnitřní sloupec vzduchu musel točit rychleji, avšak při stejné úhlové rychlosti úhlový moment a energie vnitřního sloupce vzduchu klesá (přechází na vnější sloupec vzduchu), čímž dochází k jeho ochlazování, zatímco vnější sloupec vzduchu je ohříván. Výhody, nevýhody a aplikace vírové trubice Vírové trubice byly úspěšně nasazeny v mnoha průmyslových aplikacích, v oblasti plastikářské technologie především pro chlazení vstřikovacích forem, při vytlačování PVC hadic, gumy, vytvrzování lepidel, chlazení vyfukovaných plastových nádob, chlazení spoje po svařování plastových sáčků, apod. Výhodou vírových trubic je především jejich neomezená možnost aplikací v průmyslové praxi (existuje více jak 1000 aplikací) a to nejen v oblasti plastikářského průmyslu, ale také v oblastech chlazení nástrojů při obrábění, tváření, apod. Dalšími výhodami je okamžitý náběh chlazení nebo ohřívání, ekologický provoz, vysoká spolehlivost a jednoduchá údržba, nízká cena, apod. Rovněž tak lze mezi výhody použití vírové trubice řadit i tu skutečnost, že při konstantním vstupním tlaku a teplotě stlačeného vzduchu, je možné teploty horkého nebo studeného výfuku udržet během provozu ve velmi nízké toleranci ±0,56 o C. Vzhledem k vysokým otáčkám vzduchu, které dosahují i rychlosti

7 zvuku, je hluk při provozu vírové trubice jednou z nevýhod. Z tohoto důvodu bývá na studený konec montován tlumič hluku. Aplikace vírové trubice a) chlazení výlisku palivové nádrže b) chlazení spoje po svařování sáčků stlačený vzduch výlisek kryt zařízení svařovací lišta vírová trubice vírové trubice držák chladící trubice přívod vzduchu PE - fólie Tepelné vložky Problematika tepelných vložek v oblasti temperování vstřikovacích forem je aktuální a používá se v různých místech vstřikovací formy jako jsou čelisti, tepelně namáhané oblasti, výztužná žebra a tudíž u většiny tvarově složitějších výstřiků, které se obtížně temperují, zejména tenké výstupky a dlouhé tvárníky. Vložky z vysoce tepelně vodivého materiálu (na bázi slitin Cu, Co, Be, apod.) ve většině případů doplňují temperační systém s aktivním temperačním prostředkem - nucenou konvekcí vody. Použitím vložek z vysoce tepelně vodivého materiálu v blízkosti tvarové dutiny formy, lze docílit rovnoměrně zvýšeného odvodu tepla ve vstřikovací formě (zejména při nižších teplotách temperace) tak, aby bylo zajištěno rovnoměrné teplotní zatížení nástroje i výrobku v celém objemu najednou se souběžným zvýšením produktivity práce. Na základě experimentálního výzkumu, lze konstatovat, že použitím vzájemné vazby aktivního (cirkulující médium v temperačních kanálech) a pasivního temperačního prostředku (vložek z vysoce tepelně vodivého materiálu) dojde k vyrovnání teplot v celém objemu výrobku ve stejném čase, zmenšení rozdílu teplot ve vstřikovací formě, k zvýšení podílu krystalické fáze optimálním průběhem krystalizace při vstřikování semikrystalických termoplastů. Další

8 nespornou výhodou takovéhoto způsobu temperace je lepší zatečení taveniny v zadních místech výstřiku bez místních studených spojů, a také zkrácení celkové doby cyklu až o 25%. Chlazení jádra s tepelnou vložkou 1 1 tvárnice 2 tvárník 3 základová deska 4 tepelná vložka VSTŘIKOVACÍ FORMA S DESKOU Z VYSOCE TEPELNĚ VODIVÉHO MATERIÁLU a.) b.) a.) pohled zepředu tvarová dutina formy, b.) pohled zezadu temperační kanály 1- deska pohyblivé části nástroje s tvarovou dutinou, 2- deska pohyblivé části nástroje s temperačním kanálem, 3- deska z vysoce vodivého materiálu (P2x180x210-ČSN )

9 Rozdíl teplot ve vstřikovací formě při použití tepelných vložek v nástroji 1... průběh teploty ve formy bez tepelné vložky 2... průběh teploty ve formy s tepelnou vložkou materiál: kopolymer polypropylénu Hostacom M2 R03 T [ o C] T T max T Fo T min vstřik otevření formy t ch t [s] t c Tmax maximální teplota formy, Tmin minimální teplota formy, TFo teplota formy při otevření, tch doba chlazení, tc doba cyklu Ovlivnění odvodu tepla z formy lze docílit nejen pomocí vložek z vysoce tepelně vodivých materiálů, ale také nástřiky z těchto materiálů na povrch tvarové dutiny formy. Mechanické vlastnosti těchto vrstev jsou však nižší než u nástrojových ocelí a dochází k jejich rychlému opotřebení. Systém CONTURA Temperační systém obchodního označení CONTURA (vyvinutý firmou Innova Zug GmbH.- Engineering) je účinný chladící systém s temperačními kanály sledující obrys tvarové části dutiny vstřikovací formy a usnadňující výrobu chladících kanálů s různým průřezem. Řešení spočívá v rozdělení tvárníku do dvou nebo více vrstev, na jejichž stykových rovinách lze pak snadno obrábět temperační kanály, a přizpůsobit je tak obrysům výstřiku. Vrstvy se ukládají na sebe a spojují se speciální spojovací technikou pájením natvrdo v podtlaku (ve vakuu) tak, aby vznikl vzduchotěsný spoj a tím homogenní tvarová část vstřikovací formy. Pájené součásti jsou kovově lesklé a čisté. Při pájení ve vakuu nejen že nedojde ke vzniku

10 nadměrného množství plynů v roztavené pájce ve spoji, ale naopak dochází k odplynění spojovacího materiálu a tím ke zlepšení jakosti spoje. Pájení probíhá v tomto případě bez účasti tavidla, a proto je možné volit podstatně menší mezery ve spoji (0,01 až 0,1mm). Kapilární tlak pájky je při této technologii tak velký, že všechny mezery ve spoji jsou dokonale vyplněny pájkou. Tvrdé pájky (narozdíl od měkkých pájek) se používají pro spoje pevnostně a tepelně namáhané, jímž tvárník vstřikovací formy bezesporu je. Pájení ve vakuu se pak především uplatňuje při spojování tenkostěnných součástí složitých tvarů. Volba vhodného typu a druhu pájky se řídí různými užitnými vlastnostmi pájené součásti. Pájka nesmí obsahovat prvky, které mají při teplotě pájení vysoký odpařovací tlak (Zn, Cd, K, apod.). Výhodné jsou pájky z čistých kovů s vysokou teplotou tání nebo pájky na bázi niklu a drahých kovů. Hlavními složkami těchto pájek jsou běžné nebo drahé kovy. Technologický postup pájení ve vakuu, lze rozdělit do následujících kroků: uložení dílů do vnitřního prostoru pece a jeho uzavření, vyčerpání vzduchu z pece na tlak podle druhu základního materiálu, odplynění ohřívacích těles, obložení pece a vsázky a jejich ohřev na pájecí teplotu, pájení, popř. doplňkové tepelné zpracování, ochlazení ve vakuu na teplotu přibližně 800 o C a následující umělé ochlazování, vyrovnání podtlaku ve vnitřním prostoru pece s atmosférickým tlakem- zavzdušnění pece, otevření pece a odvoz pájených předmětů. Temperační systém CONTURA u vstřikované nádoby

11 Konstrukční řešení vstřikovacího nástroje pro spínač z PP a) b) a) běžný způsob temperace tvárníku a tvárnice vstřikovací formy b) temperace tvárníku a tvárníce systémem Contura Výhody a nevýhody temperačního systému CONTURA Předností tohoto systému temperace je rychlý a rovnoměrný odvod tepla z formy snižující dobu pracovního cyklu v závislosti na konstrukčním řešení výrobku až o 30%. Rozložení teplotního pole v okolí výstřiku, tak jak znázorňuje níže uvedený obrázek, je při tomto způsobu temperace vstřikovacích forem výrazně lepší, než při běžné temperaci s temperačními kanály a cirkulujícím teplonosným médiem a to i tehdy, byla-li provedena optimalizace velikosti průřezu a rozložení temperačních kanálů ve vstřikovací formě. Zkracuje se rovněž záběh formy a zlepšuje se i kvalita výstřiku. Značnou nevýhodou tohoto způsobu temperace jsou vzhledem k běžnému chlazení s temperačními kanály vyšší náklady spojené s výrobou formy. Je zřejmé, že s ohledem na vlastnosti výstřiku by ochlazování mělo probíhat ve všech místech vstřikovací formy rovnoměrně, stejnou rychlostí. To však závisí na provedení temperačního systému a na rozložení teplotních polí v nástroji. V ideálním případě, kterého v praxi v důsledku velmi rychlých časových změn teploty nelze dosáhnout, by měl mít výstřik v průběhu ochlazování v každém časovém okamžiku ve všech místech vrstvy se stejnou vzdáleností od povrchu stejnou teplotu. Nehomogenní teplotní pole na povrchu výstřiku a

12 v dutině formy, má za následek nebezpečí vzniku rozměrových a tvarových úchylek výstřiku, tak jako nebezpečí změn vlastností vlivem vysokého rozdílu teplot mezi jednotlivými oblastmi výstřiku. Rozložení teplotního pole v tvarové dutině vstřikovací formy a) b) c) a) uspořádání vrtaných temperačních kanálů kolem tvarové dutiny bez optimalizace b) počítačem optimalizované uspořádání temperačních kanálů kolem tvarové dutiny c) optimalizované uspořádání temperačních kanálů chladícího systému CONTURA autor: Ing. Luboš Běhálek Technická univerzita v Liberci Katedra strojírenské technologie, Oddělení tváření kovů a plastů PUBLIKOVÁNO JAKO: BĚHÁLEK, L.: Speciální temperační prostředky, In SOVA,A. - KREBS,J.: Termoplasty v praxi, Verlag Dashöfer, Nakladatelství spol. s r.o., Praha, s.12, 2004, ISBN