TEORIE ZPRACOVÁNÍ NEKOVOVÝCH MATERIÁLŮ

TEORIE ZPRACOVÁNÍ NEKOVOVÝCH MATERIÁLŮ Cvičení č. 06: Průvodní a při zpracování plastů Autor cvičení: Ing. Luboš BĚHÁLEK Pracoviště: TUL FS, Katedra strojírenské technologie

2 1. Vstřikování plastů Shrnutí poznatků z přednášky - Princip technologie vstřikování? hydraulický válec uzavírací mechanismus elektrický pohon vyhazovač rám stroje upínací deska vyhazovací kolíky tvárník tvárnice upínací deska rám stroje vodící sloupek granulát násypka elektrický pohon hydraulický válec vyhazovací systém temperační kanály výstřik přepravka tryska šnek topné pásy tavenina Schéma vstřikovacího stroje 1

Průvodní jevy Působení smykových sil v tavenině Ochlazování materiálu a zvyšování viskozity taveniny Pokles tlaku od ústí vtoku směrem k čelu taveniny Simulace teplotního pole výstřiku bezprostředně po vyjmutí z formy Tlakový spád uvnitř vstřikovací formy během fáze plnění a dotlaku 2 Nehomogenní teplotní a napěťové pole tvářeného materiálu Ukázka teplotního pole výstřiku bezprostředně po vyjmutí z formy (měřeno termovizí) Analýza reziduálního napětí, napěťová špička a lom plastového dílu 3 3

4 Následné jevy v procesu vstřikování ovlivňují vlastnosti, jakost dílů a jejich tvarovou a rozměrovou přesnost I. Orientace makromolekul a vláknitého plniva II. Vnitřní reziduální napětí III. Smršťování materiálu IV. Krystalizace (heterogenní morfologická struktura) V. Vnitřní a vnější vady

I. Orientace makromolekul a plniva Příčina? smykové namáhání taveniny a prudké ochlazení taveniny v povrchové vrstvě výstřiku orientované makromolekuly neorientované makromolekuly Důsledky? Schéma orientace makromolekul a vláknitého plniva u vstřikovaného dílu anizotropie vlastností materiálu rozměrová a tvarová nestabilita dílu vyšší pevnost a modul pružnosti ve směru orientace (na úkor tažnosti) anizotropie smrštění výstřiku (PA 6.6+50%GF smrštění ve směru toku 0,2%, ve směru kolmém 0,8%) zvětšení dodatečného smrštění ve směru orientace pokles součinitele teplotní roztažnosti ve směru orientace a jeho vzrůst ve směru kolmém vzrůst součinitele tepelné vodivosti ve směru orientace, ad. Deformace víka z PP a PE vlivem anizotropie smrštění jako důsledek rozdílné orientace 4 Možnosti ovlivnění? pomocí teploty taveniny, teploty formy nebo pomocí vstřikovacího tlaku, dotlaku a vstřikovací rychlosti Jednoduše se dá říci, že vyšší teplota taveniny a vstřikovací formy snižuje orientaci makromolekul (plniva), kdežto s vyšším vstřikovacím tlakem se orientace a anizotropie vlastností materiálu zvyšuje. S vyšší vstřikovací rychlostí orientace makromolekul (plniva) v průměru klesá. zamyšlení se? Tloušťka stěny výstřiku a její vliv na orientaci makromolekul, plniva Vliv místa, resp. vzdálenosti od vtoku Vliv vtokové soustavy na orientaci makromolekul a stabilitu dílů 5

6 I. Orientace makromolekul a plniva Příklad z praxe, možnosti predikce Predikce orientace vláknitého plniva na povrchu a v jádře výstřiku

7 I. Orientace makromolekul a plniva Příklad z praxe, možnosti predikce ústí vtoku Predikce orientace vláken na povrchu (vlevo) a v jádře výstřiku (vpravo) 5

8 Příčiny? II. Vnitřní reziduální napětí Orientační vnitřní napětí Expanzní vnitřní napětí Dojde-li vlivem příliš vysokého vstřikovacího tlaku k přehuštění dutiny formy taveninou plastu a když se výstřik v okamžiku otevírání formy nachází ještě pod tlakem. V důsledku rozdílné orientace makromolekul a vláknitého plniva ve výstřiku. Možné příčiny Ochlazovací vnitřní napětí V důsledku nerovnoměrného chlazení výstřiku (na povrchu je ochlazení prudké a smrštění malé, kdežto v jádře je tomu naopak). Tepelná vnitřní napětí Deformační vnitřní napětí V důsledku různého smršťování výstřiku vlivem nehomogenního teplotního pole výstřiku a jeho dodatečného smršťování. Vlivem předčasného vyhazování ne zcela ztuhlého výstřiku z dutiny formy, který navíc větší nebo menší silou lne k povrchu líce formy. Všechna uvedená vnitřní napětí se spolu na výstřiku sčítají, takže výsledná napjatost je složitá a v objemu výrobku nerovnoměrně rozložená. Výsledkem superpozice bývá převážně tlakové napětí v podpovrchové vrstvě a tahové napětí uvnitř stěny, povrchová vrstvička mívá tlakové nebo tahové napětí.

II. Vnitřní reziduální napětí Důsledky? předčasné porušení součásti během jejího provozu při podstatně menším vnějším namáhání, než se očekávalo; deformace a smrštění výstřiku; napěťové trhliny v důsledku enviromentálního zatížení (UV zářením, chemickým působením tenzoaktivních látek, teplotními šoky, apod.). Trhliny vzniklé napětím uvnitř dílu z PMMA Trhliny ve stěně výstřiku z PMMA Deformace vstřikovaného dílu Kulový kryt z PS (prasklina se šíří od vtoku v důsledku orientačního napětí) 7 Trhliny ve stěně výstřiku s kovovým záliskem (nerovnoměrné chlazení) Trhlina ve stěně dílu z ABS Porušení dílu z PS 9

II. Vnitřní reziduální napětí FOTOELASTICIMETRIE (ukázka v laboratoři) objekt je prosvětlován polarizovaným světlem, pohledem přes analyzátor lze pozorovat charakteristické obrazce, které poskytují informaci o mechanickém napětí v modelu (vnitřní napětí vyvolává u průhledných plastů silový dvojlom). Princip fotoelasticimetrie Vnitřní napětí ve výstřiku v oblasti ústí vtoku Rozložení radiálního kontaktního napětí po délce hmoždinky 8 Schéma polariskopu 9 Příklad vnitřního napětí v PS výstřiku zjišťované pomocí fotoelasticimetrie 10

II. Vnitřní reziduální napětí FOTOELASTICIMETRIE příklady polariskopů Polariskop Polariskop Polariskop fy. Systém Eickhorst Polariskop VEZ 01 Přenosný polariskop 11

12 II. Vnitřní reziduální napětí EXPOZICE PROSTŘEDÍ TENZOAKTIVNÍCH LÁTEK výstřik obsahující vnitřní napětí se za určitých podmínek (teplota, čas) ve vybraném tenzoaktivním prostředí naruší a vytvoří poruchy na hranách a plochách. Podle obsahu a velikosti napětí se jedná o krejzy, stříbření, mikrotrhlinky až otevřené trhliny. Doporučené tenzoaktivní látky a doby expozice pro kontrolu vnitřního napětí u vybraných polymerů 7 Polymer Tenzoaktivní prostředí Doba expozice PE PS, SB Roztok smáčedla (tenzidu), 2%, 70 o C Roztok smáčedla (tenzidu), 5%, 80 o C n-heptan lakový benzín 23-50 o C n-heptan + n-propanol (1:1) 48 hodin 4 hodiny 3 až 15 minut Napěťové trhlinky na výstřiku z PS SAN toulen + n-propanol (1:5) n-heptan tetrachlorový uhlovodík ABS toulen + n-propanol (1:5) metanol kyselina octová toulen 15 minut 15 minut 15 minut 20 minut 60 minut POM kyselina sírová. 50 %, 50 o C max. 20 minut vtok PC/ABS metanol + etylacetát (1:3) metanol + kyselina octová (1:3) toulen + n-propanol (1:3) 3 až 20 minut PA 6, PA 6.6 Roztok chloridu zinečnatého, 35-50% 50 o C 20 až 60 minut Poruchy na krytu z PS v tenzoaktivním prostředí lakového benzínu (po 3 min.) 7 PC toulen + n-propanol (1:3 až 1:10) tetrachlorový uhlovodík hydroxid sodný 3 až 15 minut 1 minuta 1 hodina

13! III. Smršťování materiálu Smrštění polymerního výstřiku není materiálovou konstantou, ale je závislé také na technologickém režimu výroby a jeho geometrickém tvaru. Projevuje se především v okamžiku tuhnutí taveniny a v čase bezprostředně následujícím po vyhození výstřiku z formy. V databázích, materiálových listech granulátů, apod. jsou hodnoty smrštění uvedeny jako hodnoty zjištěné podle mezinárodně dohodnuté metodiky (ISO 294-4) zkušební těleso o rozměrech 60 x 60 mm a tloušťce 2 mm, vstřikované filmovým ústím vtoku do jedné strany za předepsaných podmínek (konstrukce formy, temperace formy, rozměry vtokových kanálů, apod.). Výrobní smrštění Rozdíl mezi rozměrem daným formou při 23 o C a rozměrem výstřiku z téže formy měřeným v rozmezí 16 hodin až 24 hodin po vyhození z formy a skladovaném v suchém prostředí (nesmí dojít k nasákavosti). Dodatečné smrštění Smrštění materiálu v důsledku relaxace vnitřních napětí spolu s re-orientačními procesy, při uložení za vyšších teplot nebo v důsledku případné dokrystalizace (vliv teploty a času). Faktory ovlivňující smrštění výstřiků Zkušební tělesa dle ISO 294-4 Za nepříznivých podmínek může tato změna rozměrů způsobit až nefunkčnost výrobku. Dodatečné smrštění se v praxi urychluje expozicí vzorků vyšším teplotám, která omezí nežádoucí změny rozměrů během používání výrobků s vysokými požadavky na přesnost rozměrů.

14 III. Smršťování materiálu vysoká teplota formy u POM, potlačení orientace Ukázka materiálového listu pro PBT Ultradur B 6550 (CAMPUS) s hodnotami výrobního smrštění Ukázka materiálového listu pro POM Ultraform N2310 (CAMPUS) s hodnotami výrobního smrštění

III. Smršťování materiálu Standardní hodnoty smrštění polymerů amorfní termoplast VS (%) semikrystalický termoplast VS (%) PS, SAN, ABS 0,4 0,6 PE-LD 1,5 3,0 (4,0) SB 0,4 0,9 PE-HD 1,0 2,5 (4,0) PMMA 0,2 0,7 PP 1,5 3,0 PC 0,6 0,75 POM 2,0 3,5 PA 1,0 2,0 Výpočtový postup (ISO 294-4) Výrobní smrštění (s M ) Dodatečné smrštění (s P ) S S Mp Mn ( lc l 1 ) 100 l C ( bc b 1 ) 100 b C S Pp S Pn ( l ( b l l 1 ) 1 2 b b 1 ) 1 2 100 100 Pro návrh rozměrů tvarové dutiny formy je důležité znát lineární smrštění. Jedná se o rozdíl mezi rozměrem tvarové dutiny formy a rozměrem výstřiku vztaženým na rozměr formy. l C, b C délka a šířka ve středu tvarové dutiny formy l 1, b 1 odpovídající délka a šířka zkušebního tělesa Předem stanovit přesné hodnoty rozměrů tvarové dutiny formy v jednotlivých směrech je velmi obtížné, proto se doporučuje využít počítačových simulací, zahrnující do výpočtu vliv krystalické fáze i vliv orientace makromolekul a plniva. Zkušební těleso dle ISO 294-4 15

III. Smršťování materiálu Podstata mechanismu smrštění plastů Podstata mechanismu smrštění příklad PA 6 Změna rozměrů výstřiku v čase 6 Schematické znázornění p-v-t diagramu 6 0-2 plnění dutiny formy (1-2 komprese) 2-3 působení dotlaku 3-4 pokles na atmosférický tlak 4-5 chlazení výstřiku na teplotu odformování A- studená forma 5-6 chlazení výstřiku mimo formu na teplotu okolí B- teplá forma C- výstřik při odformování D- výstřik při 23/50 po 24 hod. E- výstřik po delším čase (nebo tepelné zátěži) F- výstřik po navlhnutí /např. PA/ 16

III. Smršťování materiálu Faktory ovlivňující smrštění výstřiku typ plastu (amorfní, semikrystalický) stupni krystalizace směru toku taveniny (umístění vtoku) aditivech technologických podmínkách výroby geometrii a tloušťce výstřiku 1 2 Větší tloušťka stěny výstřiku je pomaleji chlazena vyšší krystalizace větší smrštění Vliv technologických parametrů na smrštění výstřiku 6 zamyšlení se 1- Zvýšením teploty taveniny se zvyšuje tekutost plastu, což se projeví zvýšením vnitřního tlaku v dutině při konstantní hodnotě vnějšího tlaku. Tavenina pomalu chladne, doba zatuhnutí se prodlužuje, vnitřní tlak v okamžiku zatuhnutí se zvyšuje, smrštění se zmenšuje. 2- Při vyšší teplotě klesá smykové napětí v tavenině, snadněji probíhá relaxace orientace, ve směru plnění roste smrštění? Je smrštění výstřiku závislé na vzdálenosti od vtoku? Vliv teploty formy na smrštění výstřiku z PA 6 10 Vliv teploty formy na smrštění výstřiku z POM 17

18 III. Smršťování materiálu Faktory ovlivňující smrštění výstřiku typ plastu (amorfní, semikrystalický) stupni krystalizace směru toku taveniny (umístění vtoku) aditivech technologických podmínkách výroby geometrii a tloušťce výstřiku U semikrystalického plastu má tloušťka stěny výstřiku větší vliv na jeho smrštění, než v případě amorfního plastu. Výstřiky s rozdílnou tloušťkou stěny se mohou u semikrystalických plastů vlivem rozdílů smrštění deformovat více. Vliv tloušťky stěny na smrštění výstřiku z PA Durethan B 30 S 6 Vliv tloušťky stěny na smrštění výstřiku z ABS Novodur P2H-AT 6

povrchová vrstva IV. Krystalizace heterogenní krystalická morfologie Primární krystalizace V procesu vstřikování při tuhnutí taveniny semikrystalických plastů ve vstřikovací formě. Sférolitická struktura PES 12 Krystalizace závisí na rychlosti tuhnutí taveniny plastu, která ovlivňuje heterogenitu krystalizačních útvarů (sférolitů) v průřezu výstřiku (na jeho povrchu a v jádře) a také výsledný obsah krystalické fáze (stupeň krystalinity). Výsledný stupeň krystalinity, jakož i heterogenita velikosti sférolitů v průřezu výstřiků ovlivňují jeho výsledné vlastnosti. Pro dosažení vyšší pevnosti a tuhosti výstřiku je zapotřebí dosáhnout co nejvyššího stupně krystalinity a nejmenší velikosti sférolitů (chladnutím za teploty krystalizace, kdy vzniká největší počet krystalizačních zárodků). Tento proces lze ovlivnit nukleačními činidly (heterogenní nukleace), která urychlují krystalizační proces a vznikne jemná struktura s minimálním vnitřním napětím. A B C Praxe Snahou zpracovatelů plastů v praxi je minimalizovat výrobní čas a volit tak co nejkratší dobu plnění formy a co nejrychlejší chlazení vstřikovaného dílu, které je příčinou velkých strukturních rozdílů mezi povrchem a jádrem výstřiku (skin-core efekt) a tím odlišných vlastností výrobků. Sférolitická heterogenní struktura výstřiku z POM Sekundární krystalizace Model morfologie vstřikovaného dílu 11 A- povrchová vrstva B transkrystalická vrstva s kolmo orientovanými útvary (efekt vznikající při rychlém chlazení, příčinou je velmi rychlá nukleace na chladném povrchu, jehož teplota je nižší, než odpovídá max. rychlosti růstu sférolitů) C sférolitické jádro Dodatečná krystalizace, která může být spojena s deformacemi dílu nebo vznikem vnitřního napětí. Zvýšené teploty dodatečnou krystalizaci podporují. 19

IV. Krystalizace heterogenní krystalická morfologie Znalost vzniku heterogenní krystalické morfologie jako nástroj hodnocení kvality výroby Postup laboratorního studia morfologie polymerního dílu (ukázka v laboratoři): a) b) c) d) Schéma principu studia morfologie polymerů T F = 20 o C rychlé chlazení, které má za následek pokles pevnosti a nárůst tažnosti dílu a) plastový díl; b) mikrotom; c) světelný mikroskop s polarizačním světlem; d) morfologie dílu T F = 45 o C T F = 90 o C Vliv teploty formy na strukturu výstřiku z PA Morfologie výstřiku a orientace makromolekul na povrchu a v jádře výstřiku studiem pomocí difrakce záření X 13 20

21 IV. Krystalizace heterogenní krystalická morfologie Praxe Obsah krystalického podílu ve struktuře semikrystalického termoplastu je ovlivněn podmínkami chlazení ve vstřikovací formě, zejména teplotou formy. S nižší teplotou formy bude mít tentýž materiál nižší stupeň krystalinity a tím nižší hustotu, pevnost a naopak větší tažnost. Následné vystavení dílu zvýšené teplotě bude provázeno výrazně vyšší mírou sekundární krystalizace (dokrystalizace), která je provázena tvarovou a rozměrovou změnou výstřiku, nepříznivě ovlivňující funkčnost součásti. U dílů vystavených při jejich aplikaci tepelné zátěži (např. díly klimatizačních jednotek) bude zejména důležité, aby materiál při tuhnutí taveniny zkrystalizoval co nejlépe, a aby dodatečné smrštění bylo minimální (nutno volit odpovídající teplotu a dobu chlazení, popřípadě aditivovat materiál nukleačními činidly, které urychlí průběh krystalizace a tedy i solidifikaci taveniny plastu. Vliv teploty formy na stupeň krystalinity a následnou dokrystalizaci v důsledku zvýšené teploty 10 Příklad dílu klimatizační jednotky automobilu

V. Vady výstřiků (vnější i vnitřní) Příklady vad plastových dílů v důsledku průvodních jevů v procesu vstřikování * Studený spoj na výstřiku Volný proud taveniny (jetting) Vlhkostní šmouhy na povrchu výstřiku Vzduchové šmouhy na povrchu výstřiku * Vady plastových dílů jsou vyučovány v samostatném předmětu Navrhování výrobků z plastů. Jsou odrazem materiálu, procesních podmínek, konstrukce formy a stroje. 22

2. Vytlačování, Vyfukování Průvodní a zůstávají v platnosti, mají však menší hodnoty, neboť tavenina je vystavena nižším smykovým napětím a teplota a tlak v tavenině jsou nižší. narůstání vytlačovaného profilu za hubicí (v důsledku elastického chování taveniny) závisí na materiálu, teplotě a tlaku ( 2% a více) 3. Tvarování desek z termoplastů extrudér vzduch vytlačovací hlava tavenina trn forma výlisek Technologie je charakterizována malým přesunem hmoty a tvarovací teplota je nižší. svorka orientace makromolekul tvarová paměť smršťování materiálu termoplastická deska chladící kanály dutina formy ohřev parizon forma konečný díl výlisek 4. Zpracování reaktoplastů tvárnice výlisek vytvoření vakua Při zpracování reaktoplastů nejsou předpoklady pro orientaci makromolekul. Smyková napětí jsou menší než u vstřikování. smršťování materiálu ovlivněno rozdílem teplot lisovací hmoty a okolí, v menší míře tlakem 23

24 Reference [1] www.vulcanmould.com [2] Shoemaker, J.: Moldflow Design Guide. Carl Hanser Verlag, 2006. [3] Halaška, P.: Digitální prototyp Autodesk Simulation Moldflow od SMARTPLAST s.r.o. [4] Neuhäusl, E.: Vady výstřiků 6. díl, Skryté vady, MM Průmyslové spektrum, 2010. [5] www.hoelzlekonstruktion.de [6] Prospektové materiály firmy Bayer [7] Neuhäusl, E.: Vady výstřiků 5. díl, Skryté vady, MM Průmyslové spektrum, 2010. [8] Vrba, J., Frantík, P.: Úvod do fotoelasticimetrie. [9] Bittner, J.: Srovnávací analýza napětí součástí s vruby pomocí fotoelasticimetrie a MKP, diplomová práce, VUT Brno, 2008 [10] Zöllner, O.: Optimised Mould Temperature Control, Aplication Technology Infirmation ATI 1104 d, e, 1997. [11] Lednický, F.: Mikroskopie a morfologie polymerů. Liberec : TU v Liberci, 2009. [12] Chen, M. et al.: Characterization Characterization, crystallization kinetics and melting behavior of poly(ethylene succinate) copolyester containing 5 mol% trimethylene succinate. Polymer 48 (2007), 5408-5416. [13] Viana, J.C.: Structural interpretation of the strain-rate, temperature and morphology dependence of the yield stress of injection molded semicrystaline polymers. Polymer, Vol. 46, Issue 25, 2005. [14] www.custompartnet.com