Katedra konstruování stroj Fakulta strojní K 5 PLASTOVÉ STUDENÉ A ŽIVÉ VTOKOVÉ SYSTÉMY doc. Ing. Martin Hynek, Ph.D. a kolektiv verze - 1.0 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpo tem eské republiky
Hledáte kvalitní studium? Nabízíme vám jej na Kated e konstruování stroj Katedra konstruování stroj je jednou ze šesti kateder Fakulty strojní na Západo eské univerzit v Plzni a pat í na fakult k nejv tším. Fakulta strojní je moderní otev enou vzd lávací institucí uznávanou i v oblasti v dy a výzkumu uplat ovaného v praxi. Katedra konstruování stroj disponuje modern vybavenými laborato emi s po íta ovou technikou, na které jsou nap. student m pro studijní ú ely neomezen k dispozici nové verze p edních CAD (Pro/Engineer, Catia, NX ) a CAE (MSC Marc, Ansys) systém. Laborato e katedry jsou ve všední dny student m pln k dispozici nap. pro práci na semestrálních, bakalá ských i diplomových pracích, i na dalších projektech v rámci univerzity apod. Kvalita výuky na kated e je úzce propojena s celouniverzitním systémem hodnocení kvality výuky, na kterém se pr b žn, zejména po absolvování jednotlivých semestr, podílejí všichni studenti. V sou asné dob probíhá na kated e konstruování stroj významná komplexní inovace výuky, v rámci které mj. vznikají i nové kvalitní u ební materiály, které budou v nadcházejících letech využívány pro podporu výuky. Jeden z výsledk této snahy máte nyní ve svých rukou. V rámci výuky i mimo ni mají studenti možnost zapojit se na kated e také do spolupráce s p edními strojírenskými podniky v plze ském regionu i mimo n j. ada student rovn ž vyjíždí na studijní stáže a praxe do zahrani í. Nabídka studia na kated e konstruování stroj : Bakalá ské studium (3roky, titul Bc.) Studijní program Zam ení B2301: strojní inženýrství ( zam ený univerzitn ) Stavba výrobních stroj a za ízení Dopravní a manipula ní technika B2341: strojírenství (zam ený profesn ) Design pr myslové techniky Diagnostika a servis silni ních vozidel Servis zdravotnické techniky Studijní program Zam ení Magisterské studium (2roky, titul Ing.) N2301: Strojní inženýrství Stavba výrobních stroj a za ízení Dopravní a manipula ní technika Více informací naleznete na webech www.kks.zcu.cz a www.fst.zcu.cz Západo eská univerzita v Plzni, 2013 ISBN doc. Ing. Martin Hynek, Ph.D. Ing. Eduard Müller Ing. Štěpán Heller
STUDENÉ VTOKOVÉ SYSTÉMY POPIS A HLAVNÍ ČÁSTI Studené vtokové systémy se skládají z několika základních částí, které zajišťují dopravení taveniny plastu do tvarové dutiny formy. VYHAZOVAČ VSTŘIKOVANÝ DÍL VTOKOVÉ ÚSTÍ ROZVÁDĚCÍ KANÁL HLAVNÍ VTOKOVÝ KANÁL VYHAZOVAČ VTOKU VTOKOVÉ ÚSTÍ VTOKOVÁ VLOŽKA VYHAZOVAČ VSTŘIKOVANÝ DÍL Hlavní části studeného vtokového systému Princip - hlavní vtokový kanál (vtoková vložka) - rozváděcí kanál - vtokové ústí Obrázek 1 Schéma studeného vtoku Při vstříknutí taveniny plastu do studeného vtokového systému začíná tavenina okamžitě na jeho stěnách tuhnout. Vytvoří se tak izolační vrstva ztuhlého plastu a tavenina proudí horkým jádrem. Z tohoto důvodu je důležité odstupňování velikosti rozváděcích kanálů, při jejich větší délce u mnohonásobných forem. Tím se zajistí rovnoměrné zaplnění všech dutin. Tavenina vstupuje do dutiny přes vtokové ústí, které může být řešeno několika způsoby dle konstrukce formy a vstřikovaného dílu. Po zaplnění dutin nastává dotlak. Při dotlaku je, pomocí udržování taveniny pod definovaným tlakem, do dutiny doplňována tavenina, nahrazující ztrátu objemu způsobenou smrštěním chladnoucího plastu. Tím je omezeno objemové smrštění výlisku, omezeny propady, viditelnost propadů apod. Proto je důležité, aby byla tavenina v jádru výlisku vždy propojena s vtokem, jehož okolí má tuhnout až jako poslední HLAVNÍ VTOK ROZVÁDĚCÍ KANÁL ZACHYCOVAČ CHLADNÉHO ČELA TAVENINY PLASTU VTOKOVÉ ÚSTÍ VSTŘIKOVANÝ DÍL Obrázek 2 Vtoková soustava
POŽADOVANÉ VLASTNOSTI Odstranit oblasti, kde by se mohl hromadit plast snížení tlakových ztrát, rovnoměrnější chladnutí Zaoblení hran zabránění turbulentnímu proudění taveniny Zachycení čela proudící taveniny, které je chladnější než zbytek Krátký vtokový systém menší zbytek vtoků, méně odpadu, menší tlakové ztráty Rovnoměrnost plnění dutin (všechny dutiny zaplněny v jeden okamžik) Malý povrch kanálů vtokového systému malé tepelné a tlakové ztráty Dostatečný průřez pro vytvoření plastického jádra a umožnění působení dotlaku Vtokové ústí se zanecháním minimálních stop na vstřikovaném díle Snadné vyjmutí zbytků plastu ve vtokových kanálech OSMI NÁSOBNÉ ŠESTI NÁSOBNÉ OSMI NÁSOBNÉ OSMI NÁSOBNÉ Obrázek 3 Příklady rozmístění rozváděcích kanálů Výhody studených vtokových systémů - levnější a jednodušší provedení formy než jsou horké vtoky - komponenty (vtoková vložka) jsou dodávány jako normálie (standardizované díly) - nepotřebují energetické připojení - jednoduché provedení vícenásobné formy Nevýhody studených vtokových systémů - větší spotřeba plastu než u horkého vtoku (zbytek vtoku) - zajistit oddělování zbytků vtokového systému - nutnost přidržování (po otevření formy musí vtokový zbytek zůstat na pohyblivé části formy) a vyhazování vtokového zbytku KONSTRUKCE VTOKOVÝCH KANÁLŮ Tvar průřezu vtokového kanálu by měl zajistit co nejmenší tepelné a tlakové ztráty. Tvar kanálu určuje hodnotu smáčivého čísla a s, které vyjadřuje poměr průtočného průřezu ke smáčenému povrchu. Čím je smáčivé číslo vyšší, tím je průřez vhodnější. Geometricky nejvýhodnější je průřez kruhový, který je však náročnější na přesnost výroby obou polovin kruhového průřezu. PRŮTOČNÝ PRŮŘEZ S = [] SMÁČENÝ OBVOD KANÁLU O VTOKOVÝ KANÁL Obrázek 4 Znázornění kanálu s kruhovým průřezem
NEVÝHODNÉ NEVÝHODNÉ VÝHODNĚJŠÍ NEVÝHODNÉ VÝHODNĚJŠÍ NEJVÝHODNĚJŠÍ Obrázek 5 Možnosti řešení vtokových kanálů HLAVNÍ VTOKOVÝ KANÁL (VTOKOVÁ VLOŽKA) Do hlavního vtokového kanálu je vstřikována tavenina plastu přímo z trysky stroje. Tryska stroje je centrována středícím kroužkem na vtokovou vložku formy, do níž je vyroben hlavní vtokový kanál. Průměr v nejužším místě hlavního vtokového kanálu je o 0,5 až 1 mm větší než průměr trysky stroje. Pro dosažení správné funkce je vtokový kanál rozšiřován pod úhlem 0,5 až 1,5 směrem k dělící rovině, aby bylo možné jednoduše zajistit vyhození zbytek vtoku. Vtokový kanál může ústit buď přímo do dutiny formy, nebo do rozváděcího kanálu. Průměr na konci hlavního vtokového kanálu je závislý na velikosti vstřikovaného dílu nebo na průměru rozváděcích kanálů. Vtoková vložka Vtoková vložka je dodávána jako normálie. Ve formě na ni dosedá tryska stroje, která je vystředěna středícím kroužkem. Vtoková vložka je tepelně a mechanicky namáhána, výrobci ji proto vyrábí z houževnatého materiálu s tepelným zpracováním. Dle jednotlivých dodavatelů normálií pro vstřikovací formy se vtoková tryska dodává z materiálů W. Nr. 1.2823, W. Nr. 1.2826. Na vtokové vložce jsou předpřipravené otvory pro ustavení ve správné poloze ve formě pomocí kolíků. Obrázek 6 Vtoková vložka
ROZVÁDĚCÍ KANÁLY Do rozváděcího kanálu ústí hlavní vtokový kanál. Velikost rozváděcího kanálu je závislá na velikosti vstřikovaného dílu a určuje se nejčastěji z empirických vztahů, nebo lépe pomocí moldflow analýzy. Délka a počet rozváděcích kanálů je závislá na typu a násobnosti formy. Rozváděcí kanály musejí dopravit taveninu plastu od hlavního vtokového kanálu k ústí do dutiny. Rozváděcí kanály by měly být konstruovány co nejkratší. Průřez rozváděcích kanálů musí být u sdružených nástrojů balancován tak, aby došlo k zatečení všech dutin ve stejný okamžik. Kanály je vhodné na začátek osadit brzdícími přepážkami, které jsou následně při optimalizaci formy odbrušovány, podle skutečného zatékání materiálu. U víceotiskových výlisků s vysokými nároky na přesnost je důležité, aby byla každá dutina nejen plněna stejně rychle, ale i pod stejným tlakem a stejně teplou taveninou. Dělení kanálů by proto mělo být symetrické k toku taveniny 1 2 Obrázek 7 Nevhodné řešení - dutina 1 se plní lépe než dutina 2 Obrázek 8 Vhodnější řešení Teplota taveniny je v průřezu rozváděcího kanálu rozdílná blízko stěn je díky smykové rychlosti teplejší. Pokud není v dělení kanálu zabezpečeno promíchání, nebo rovnoměrné rozdělení taveniny, hrozí u víceotiskových forem (4 a více), že každá kavita bude plněna rozdílně teplou taveninou. U jednodušších aplikací se dá rovnoměrnosti dosáhnout vertikálním rozvětvením, nebo zavířením taveniny v zachycovači studeného čela taveniny. Ve složitějších formách je vhodné použít některého speciálně dodávaného mísiče taveniny. Obrázek 9 Důsledek rozdílná teploty taveniny v jádru a u stěn kanálu Zdroj.: J.P. Beaumont, Runner and gating handbook ISBN 1-56990-347-6 Obrázek 10 Vertikální dělení každý kanál zahlouben v jiné desce
VTOKOVÉ ÚSTÍ Tavenina je z rozváděcího kanálu do dutiny přiváděna přes zúžené místo, kterému se říká vtokové ústí. Vtokové ústí by mělo být co nejmenší, aby stopy na vstřikovaném díle byly co nejméně patrné. Vtokové ústí se umisťuje pokud možno: Do nejtlustšího místa stěny výstřiku tavenina má téct vždy z většího prostoru dutiny k menšímu Do geometrického středu dutiny aby tavenina zatekla do všech míst rovnoměrně Při požadavku na větší přesnost výstřiku se musí vzít v úvahu rozdíly podélného a příčného smrštění u semikrystalických a plněných plastů Ve směru orientace žeber dobré zatečení do všech míst Mimo více namáhaných nebo pohledových ploch nesmí ovlivnit pevnost nebo estetiku pohledové plochy U obdélníkových tvarů ve směru delší strany lepší zatečení Tak, aby umožnil únik vzduchu z dutiny nevznikají bubliny a další vady ve vstřikovaném díle Aby studené spoje vznikaly mimo pohledová a mechanicky namáhaná místa Aby se zamezilo volnému toku taveniny, která by způsobovala turbulentní proudění při plnění dutiny Tak aby byla dráha taveniny v dutině co nejkratší Plný kuželový vtok Vtok do dutiny přímo z hlavního vtokového kanálu. Vhodný pro jednoduché symetrické výrobky s tlustšími stěnami a při použití plastů s horší tekutostí s nutností použití delšího dotlaku. Nevýhodou tohoto provedení je pracné odstranění zbytků vtokového kanálu. Naopak výhodou je jednoduché provedení a snadná výroba. Obrázek 11 Řez dutinou, řez vstřikovaným dílem, izometrický pohled Bodový vtok Vhodný pro tenkostěnné výrobky, průměr ústí vtoku je nejčastěji 1mm. Směrem k výrobku je vtok kuželovitě rozšířen, aby se ztuhlý plast v ústí odtrhl a byl vytažen společně se vstřikovaným dílem. V předkomůrce zůstává tavenina, která je při dalším cyklu vstříknuta do dutiny. Nevýhodou je větší stopa po vtoku na vstřikovaném díle a nutnost dodržení výrobního cyklu nebezpečí zatuhnutí taveniny v předkomůrce. Využití rozváděcích kanálů vyžaduje třídeskový systém formy (viz Chyba! Nenalezen zdroj odkazů.13). Výhodou je oddělení vtokového systému od dílu při vyhození z formy a větší volnost ve výběru umístění vtoku než u tunelových vtoků.
TRYSKA STROJE VTOKOVÁ VLOŽKA PŘEDKOMŮRKA BODOVÝ VTOK VSTŘIKOVANÝ DÍL Obrázek 12 Bodový vtok přímo do dutiny Obrázek 13 Bodový vtok z rozváděcího kanálu Deštníkový, talířový a prstencový vtok Používá se pro rotační vstřikované díly. Nevýhodou těchto vtoků je větší spotřeba vstřikovaného materiálu, protože vtoky do dutin jsou objemnější. Výhodou je rovnoměrně plnění rotačních dutin. Obrázek 14 Deštníkový Obrázek 15 Prstencový Obrázek 16 Talířový Obrázek 17 Řez Prstencovým vtokem Obrázek 18 Řez deštníkovým vtokem
Filmový (štěrbinový) vtok U obdélníkového tvaru je vtok umisťován do kratší hrany, hlavně u semikrystalických a plněných plastů, aby bylo dosaženo požadované pevnosti vstřikovaného dílu. Nevýhodou filmového vtoku je oddělování vtokového systému až po vyhození dílu mimo formu. Výhodou je vhodnost použití pro plasty plněné například skelnými vlákny a použití pro tenké ploché díly. Obrázek 19 Řez filmovým vtokem Obrázek 20 Ukázka filmového vtoku Tunelový vtok Zajišťuje automatické oddělení vtokového systému od vstřikovaného dílu. Není vhodný pro plasty, které jsou vyztužené vláknitým plnivem je nutné zvětšovat průměr ústí vtoku min. 2mm. Nevýhodou těchto vtoků je náročný způsob výroby pomocí elektroerozivního hloubení a omezené použití v závislosti na druhu vstřikovaného materiálu. Výhodou je automatické oddělení vtokového systému při vyhození vstřikovaného dílu bez nutnosti použití třetí vložené desky. TUNELOVÝ VTOK Obrázek 21 Řez tunelovým vtokem Obrázek 22 Řez tunelovým vtokem
Banánový (prohnutý) vtok (obloukový tunelový) Stejné použití jako u tunelového vtoku, avšak pokud není možné zaústění vtoku do boku vstřikovaného dílu. Nevýhodou je náročná výroba pomocí elektroerozivního obrábění, větší prostorová náročnost a použití dalšího komponentu v podobě vložené části s banánovým vtokem. Výhodu tohoto vtoku je možnost umístění vtokového ústí do spodní části dílu a zamezení stop po vtoku na pohledové straně. BANÁNOVÝ VTOK VLOŽENÁ ČÁST Obrázek 23 Řez banánovým vtokem Obrázek 24 Schéma postupu odtržení a vyhození PŘIDRŽOVAČE A VYHAZOVAČE VTOKU Po vychladnutí plastu ve formě je nutné, aby při otevírání formy zůstaly všechny části ztuhlého plastu na straně formy, ze které je budou moci vyhodit vyhazovače (většinou pohyblivá část formy). U studených vtoků zchladne značná část vtokového systému právě ve vtokové vložce. Aby nezůstala tato část po otevření formy uvnitř vtokové vložky, je důležité použít přidržovač (vytrhávač vtoku). Přidržovač vtoku tvoří záměrně vyrobený podkos, může být vyroben i na upraveném vyhazovači proti hlavnímu vtokovému kanálu. Díky tvaru drží při otevření formy ztuhlý plast na správné části formy a je následně vyhozen vyhazovačem. U delšího systému rozváděcích kanálů je potřeba osadit vyhazovače i pod tyto kanály. VTOKOVÁ VLOŽKA HLAVNÍ VTOKOVÝ KANÁL DĚLÍCÍ ROVINA PODKOS - PŘIDRŽOVAČ VLOŽENÝ DÍL S PODKOSEM Obrázek 75 Schéma přidržovače vtoku VYHAZOVAČ VTOKU
VYHAZOVAČ VYTRHÁVAČ STRHOVAČ VTOKU Obrázek 86 Další možnosti řešení přidržovače vtoku
ŽIVÉ VTOKY STUDENÝ VTOKOVÝ SYSTÉM POPIS A HLAVNÍ ČÁSTI Ve vtokovém systému zůstává tavenina plastu i po ukončení cyklu. Vtokový systém je tepelně izolován a tavenina chladne pouze na stěnách kanálů, čímž je tvořena další izolace. V ústí vtoku do dutiny formy vzniká při každém vstřikovacím cyklu ztuhnutím taveniny tenká blanka, která je při každém dalším vstřikovacím cyklu taveninou protržena, aby mohlo proběhnout plnění dutiny. Tato blanka zaručuje při otevření formy uzavřený vtokový systém. TRYSKA STROJE TAVENINA IZOLAČNÍ VRSTVA ZTUHLÝ PLAST VSTŘIKOVANÝ DÍL Obrázek 1 Řez živým vtokem bez vytápění IZOLOVANÝ ROZVÁDĚCÍ KANÁL TOPNÉ TĚLESO POUZDRO TOPENÍ Obrázek 2 Řez živým vtokem s vytápěním Výhodami živých vtoků jsou menší spotřebu vstřikovaného plastu, jsou bez vtokových zbytků. Není nutné vtokové zbytky odstraňovat po každém vstřikovacím cyklu. Kratší vstřikovací cyklus z důvodu menšího množství plastikovaného materiálu. Nevýhodou je podmínka krátkého vstřikovacího cyklu. Vyšší cena forem (třídeskové řešení). Náročnější opravy a údržba vstřikovacích forem.
doc. Ing. Martin Hynek Ph.D., Ing. Štěpán Heller Ing. Eduard Müller Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky v rámci projektu č. CZ.1.07/2.2.00/.0.