TEORIE ZPRACOVÁNÍ NEKOVOVÝCH MATERIÁLŮ : Temperace vstřikovacích forem Autor cvičení: Ing. Luboš BĚHÁLEK Pracoviště: TUL FS, Katedra strojírenské technologie
Podstata temperace forem Temperační systém formy Pod pojmem temperace vstřikovacích forem zahrnujeme ochlazování nebo ohřev tvarových částí formy pomocí temperačního média (temperačního prostředku). Dutina formy je během vstřikování plněna taveninou plastu, která je ve formě ochlazována na teplotu vhodnou k vyjmutí výstřiku. Temperační systém ovlivňuje plnění tvarové dutiny formy, kvalitu výstřiku a zajišťuje optimální tuhnutí a chladnutí plastu (odvodem tepla z tvarových částí formy). Úkoly temperačního systému: 1) ohřev formy na požadovanou teplotu před začátkem výroby a udržení této teploty během vstřikování v požadovaném rozmezí; 2) zajištění maximálně možné rovnoměrnosti rozložení teploty formy po celém povrchu její dutiny 3) odvést teplo z dutiny formy naplněné taveninou tak, aby celý pracovní cyklus měl ekonomickou délku
Podstata temperace forem Temperování forem souvisí s přenosem tepla ve vstřikovací formě. Ten je nutné chápat jako přestup tepla z plastu do vstřikovací formy, přestup tepla z formy do temperačního systému a přestup tepla z formy do okolí a rámu stroje (vedením, prouděním a sáláním). TEPELNÉ TOKY VE FORMĚ PŘÍKLAD TEMPERAČNÍCH OKRUHŮ VSTŘIKOVACÍ FORMY PRO VÝROBU NÁRAZNÍKŮ UKÁZKA NEHOMOGENNÍHO TEPLOTNÍHO POLE VÝSTŘIKU BEZPROSTŘEDNĚ PO VYJMUTÍ Z FORMY
Temperační prostředky PŘÍKLAD TEMPERAČNÍCH OKRUHŮ VSTŘIKOVACÍ FORMY PRO VÝROBU BLATNÍKU RENAULT PŘÍKLADY TEMPERAČNÍCH KANÁLŮ TVAROVÝCH ČÁSTÍ FORMY AKTIVNÍ Jsou zdrojem temperace přímo ve formě, teplo přivádějí nebo odvádějí podle požadavku na teplotu formy: kapaliny (voda, olej) vzduch, kapalné CO 2 elektrické tepelné zdroje PASIVNÍ Tepelný režim formy ovlivňují svými fyzikálními vlastnostmi: vysoce tepelně vodivé materiály tepelné trubice
Cirkulace média v temperačních kanálech nejrozšířenější způsob temperování forem (chlazení výstřiku). TEMPERAČNÍ A ŘÍDÍCÍ JEDNOTKA TEMPERAČNÍ KANÁLY SPOJOVACÍ PRVKY TEPLONOSNÉ MÉDIUM 7 1 5 6 2 3 3 4 3 PŘEDNOSTI A NEVÝHODY VODY: lepší tepelné vlastnosti než olej ekologická nezávadnost ekonomická nenáročnost nehořlavost, nízká viskozita oproti oleji se nevytváří karbon a tím dosahuje výrazně vyšší specifický výkon nad 60 o C dochází ke ztrátě chemicky čisté vody (odpařování) v podobě vodní páry. Veškeré nečistoty zůstávají v systému usazeniny, snížená účinnost systému ve srovnání s olejem nevykazuje vždy jednotné složení. Jakost je závislá na geologických podmínkách. Látky jako Ca a Mg jsou příčinou vodního kamene, rozpuštěné plyny O 2, N 2, CO 2 způsobují korozi temperačních kanálů. SCHÉMA TEMPERAČNÍ JEDNOTKY 1. chladící nádrž s přívodem vody, 2. zásobárna vody, 3. čerpadlo, 4. topení, 5. regulátor, 6. chladící jednotka, 7. vstřikovací forma TEMPERAČNÍ PROSTŘEDEK voda, olej, glykol průtoková rychlost 0,5 až 4 m/s otevřený nebo uzavřený oběh trvalý nebo pulzní průtok 1mm vodního kamene snižuje účinnost temperačního systému až o 10%
Cirkulace média v temperačních kanálech REM 93 (fa. Regloplas) Odvápňovací prostředek pro čištění nástrojů, chladících okruhů provozovaných s vodou (organická kyselina s anorganickým aktivátorem) 1 kg REM93 uvolní ca. 0,5 kg vápenných usazenin SR 80 (fa. Regloplas) Čistící prostředek pro čištění olejových okruhů (optimální účinnost čištění mezi 120 o C až 150 o C). Prostředek uvolňuje zbytky olejových usazenin a znečištění cizími látkami z povrchu kovových dílů tak, aby mohly být vyplaveny s proudem oleje ven z vnitřních dílů okruhu a došlo k jejich usazení ve filtračním sítku.
Cirkulace média v temperačních kanálech KONSTRUKCE TEMPERAČNÍCH KANÁLŮ VE VZTAHU K TEPLOTNÍMU POLI NA POVRCHU VÝSTŘIKŮ ROZLOŽENÍ TEMPERAČNÍCH KANÁLŮ NEVHODNĚ (vlevo), VHODNĚ (vpravo) Při konstrukci formy by měl mít konstruktér na paměti, že temperační systém je nutno do formy umístit ihned po promyšlení násobnosti formy, zaformování dílu a návrhu vtokové soustavy. Samozřejmostí by mělo být rozdělení temperace na samostatné okruhy a v případě forem s horkými tryskami by měl být samostatný okruh u ústí každé horké trysky.
Cirkulace média v temperačních kanálech Chladící efekt a s tím i odvod tepla na jedné straně dutiny či jádra, by mohl být rozdílný než na straně opačné, což je nevýhodné pro výsledný napěťový stav konečného výstřiku. TEMPERAČNÍ KANÁL S PLOCHOU PŘEPÁŽKOU TEMPEROVÁNÍ FONTÁNKOVÉ (TRUBIČKOVÉ) TEMPERAČNÍ KANÁL SE SPIRÁLOVOU PŘEPÁŽKOU U tohoto řešení je plochá přepážka nahrazena tenkou trubičkou zakončenou osazením. Teplonosné medium proudí do vrcholu dutiny uvnitř této trubičky a zpět do hlavního temperačního kanálu se vrací mezi vnější stěnou trubičky a vnitřní stěnou dutiny uvnitř jádra. Obtékaní vrcholu připomíná jakoby fontánku. Použití spirálové přepážky řeší problém dopravy temperačního media do vrcholu vrtaného kanálu v jádře a zpět, což je někdy malým problémem u předchozího řešení (plochých přepážek). Výhodou tohoto typu chlazení jader je vytvoření vysoce homogenního teplotního pole okolo dutiny jádra. Nejobvyklejší provedení těchto spirálových přepážek je dvojí s jednou spirálou a s dvěma spirálami. TEMPEROVÁNÍ JADER O PRŮMĚRU NAD 40 MM
Cirkulace média v temperačních kanálech SESTAVENÝ MODEL CHLADÍCÍHO OKRUHU MODEL CHLADÍCÍHO OKRUHU VSTŘIKOVACÍ FORMY - ŘEZ 1- rychlospojka; 2- fontánka; 3- vnitřní zátka; 4- přepážka 5- rychlospojka; 6- spojovací hadice 1- těsnění; 2- spirála; 3- přepážka; 4- šroub; 5- vnější zátka SCHÉMA CHLADÍCÍHO OKRUHU
Cirkulace média v temperačních kanálech SCHÉMA A PRINCIP CONTURY SYSTÉM CONTURA vyvinuto firmou Innova Zug GmbH. Engineering možnost řešení nekruhových průřezů Principem je rozdělení, například tvárníku, na vrstvy, v jejichž stykových plochách jsou vyfrézovány temperační kanály, které se přizpůsobují tvaru výstřiku. Jednotlivé části vrstvy se do kompaktního, těsného a pevného celku tvárníku spojí pájení natvrdo v podtlaku. KONFORMNÍ CHLAZENÍ prášek zrcátko ROZLOŽENÍ TEPLOTNÍHO POLE V TVAROVÉ DUTINĚ VSTŘIKOVACÍ FORMY 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 SCHÉMA VÝROBY FORMY S KONFORMNÍM CHLAZENÍM (metoda DMLS) FORMA S KONFORMNÍM CHLAZENÍM
Cirkulace média v temperačních kanálech PŘÍKLADY KONFORMNÍHO CHLAZENÍ (zdroj: Fa. Innomia a.s. Jaroměř) konvenční konformní
Cirkulace média v temperačních kanálech PŘÍKLADY KONFORMNÍHO CHLAZENÍ (zdroj: Innomia a.s. Jaroměř) Princip DMLS spočívá v postupném tavení kovového prášku ve vrstvách vlivem laserového paprsku v pracovní komoře. Pro většinu materiálů je pracovní komora vyplněná dusíkem, který chrání díl proti oxidaci. Základem pro DMLS jsou 3D CAD data v příslušném zařízení, kde je počítačový model rozřezán na velmi tenké vrstvičky. Dávkovací zařízení nastaví množství prášku pro jednu vrstvu a rameno s keramickým břitem rozprostře na povrch ocelové základové desky kovový prášek podle vrstvy. Následně dochází k tavení prášku pomocí laseru a to v konturách řezu. Takto pokračuje postupné spojování kovového prášku do vrstev, včetně protavení k podkladové vrstvě až do finálního celku dílu. Tloušťka vytvářených vrstev: 0,02 až 0,04 mm. Výrobek dosáhne požadované tvrdosti následným tepelným zpracováním.
Vysoce tepelně vodivé slitiny TEPLOTNÍ POLE VSTŘIKOVACÍ FORMY a) nevhodný návrh temperačních kanálů b) optimalizace úpravou konstrukce temperačních kanálů c) vložkování forem slitinou na bázi mědi vhodné pro členité výrobky vhodné pro zlepšení odvodu tepla z nástroje aplikace slitin Cu, Be, Co, apod. použitím dojde k vyrovnání teplot v celém objemu výrobku ve stejném čase zmenšení rozdílu teplot ve vstřikovací formě v případě nástřiků - rychlé opotřebení v důsledku nižších mechanických vlastností, než u ocelí TEPLOTNÍ POLE VSTŘIKOVACÍ FORMY
Vysoce tepelně vodivé slitiny ocelové tvarové jádro TVAROVÉ JÁDRO MECOBOND 1 - ocelový povrch (kalený) 2 - měděné jádro 3 - temperační kanály tvarové jádro MECOBOND TEPLOTNÍ PROFIL V PŘÍČNÉM ŘEZU NÁSTROJE BĚHEM CHLAZENÍ SE ZNÁZORNĚNÍM TEPLOTNÍHO ROZDÍLU PRO OBLAST VEDENÍ TEPLA V ZÁVISLOSTI NA MATERIÁLU FORMY TEPLOTNÍ POLE TVAROVÝCH JADER OCELOVÉ TVAROVÉ JÁDRO A JEHO TEPLOTNÍ POLE TVAROVÉ JÁDRO MECOBOND A JEHO TEPLOTNÍ POLE
Vysoce tepelně vodivé slitiny PŘÍKLADY APLIKACE VYSOCE TEPELNĚ VODIVÝCH SLITIN
Tepelné trubice 3 4 2 1 5 SCHÉMA A PRINCIP TEPELNÉ KAPILÁRNÍ TRUBICE 1- kapilární soustava; 2- plášť trubice s víčky; 3- vstup tepla; 4- výstup tepla; L V - výparná část trubice; L ad - adiabatická část trubice; L K - kondenzační část trubice 1 přívod tepla do výparné sekce 2 vypařování 3 tok odpařeného media tepelně izolovanou částí 4 kondenzace media, disipace tepla do okolí, či jiné látky 5 návrat kapalného media plášť trubice: Al, Cu, ocel teplonosné médium: čpavek, freon, metylalkohol, voda tvarové řešení: válcové ( 3 až 16mm, délka 50 až 300mm), kuželové, deskové, typy: GRAVITAČNÍ, ROTAČNÍ, KAPILÁRNÍ nebo VÝKONOVÉ, STABILIZAČNÍ pracovní rozsah: -200 o C až 2000 o C pro plasty: Al plášť + freonová, čpavková náplň -50 o C až 80 o C Cu plášť + voda 50 o C až 150 o C ocelový plášť + difenylová náplň 150 o C až 350 o C
Tepelné trubice příklad aplikace PŘEPÁŽKOVÝ SYSTÉM TEMPERACE SCHÉMA VSTŘIKOVACÍ FORMY NÁHRADA PŘEPÁŽKOVÉHO SYSTÉMU TEMPERACE TEPELNOU TRUBICÍ TEMPERACE TEPELNOU TRUBICÍ
Technologie Tool-Vac STRUKTURA TOOL-VAC OCELI SCHÉMA PŘÍSLUŠENSTVÍ SCHÉMA CHLAZENÍ VE FORMĚ 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 0,5) mm, 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 vstřikovně. Proces je řízen přístrojem umístěným ve formě. V případě uzavřeného okruhu se vrací plynný CO 2 k novému zkapalnění.
Význam temperace ve vztahu ke kvalitě výstřiků VYBRANÉ PŘÍKLADY DEFORMACE VÝSTŘIKU Možný důsledek temperace: nehomogenního teplotního pole; dodatečné smrštění výstřiků. DODATEČNÉ SMRŠTĚNÍ Možný důsledek temperace: nízká teplota formy. Vliv teploty formy na výrobní, dodatečné a celkové smrštění výstřiku (PA6); deska 150x90x3 mm)
reziduální napětí MPa Význam temperace ve vztahu ke kvalitě výstřiků VYBRANÉ PŘÍKLADY teplota chlazení o C VLIV TEPLOTY CHLAZENÍ NA REZIDUÁLNÍ NAPĚTÍ VÝSTŘIKU Z PMMA Vliv teploty temperace formy a následné temperace výstřiku na stupeň krystalizace a jeho hustotu
Význam temperace ve vztahu ke kvalitě výstřiků VYBRANÉ PŘÍKLADY PORUŠENÍ VÝSTŘIKU Porušení v důsledku vnitřního napětí Možný důsledek temperace: nehomogenního teplotního pole, různé smršťování výstřiku, nárůst vnitřního napětí; nerovnoměrné ochlazování výstřiku po průřezu (na povrchu je ochlazení prudké a smrštění malé, zatímco v jádře je tomu naopak), nárůst vnitřního napětí; krátká doba chlazení. NÁZNAK KRYSTALIZACE Možný důsledek temperace: nerovnoměrná teplota formy PORUŠENÍ VÝSTŘIKU Možný důsledek temperace: vkládání studené tvarové vložky do temperované formy nerovnoměrné chlazení
Význam temperace ve vztahu ke kvalitě výstřiků VYBRANÉ PŘÍKLADY NEÚPLNÝ VÝSTŘIK Možný důsledek temperace: nízká teplota formy nerovnoměrné chlazení (temperace) formy DEFORMACE VÝSTŘIKU Možný důsledek temperace: nerovnoměrné chlazení tvárníku a tvárnice Vliv teploty stěny dutiny formy na deformaci výstřiku (kloubový čep surfařského prkna z POM)
Význam temperace ve vztahu ke kvalitě výstřiků VYBRANÉ PŘÍKLADY KVALITA POVRCHU Možný důsledek temperace: teplota formy skleněná vlákna na povrchu dílce KVALITA POVRCHU VIDITELNOST PLNIVA Možný důsledek temperace: nízká teplota formy
Význam temperace ve vztahu ke kvalitě výstřiků VYBRANÉ PŘÍKLADY ROZDÍLY VE STRUKTUŘE VÝSTŘIKU A ZMĚNA VLASTNOSTÍ Možný důsledek temperace: teplota formy Vliv teploty formy na vlastnosti PP výstřiků
Význam temperace ve vztahu ke kvalitě výstřiků Vliv zvyšující se teploty stěny dutiny formy na vlastnosti výstřiku a zpracovatelské parametry výrobní smrštění dosažitelná délka toku taveniny dodatečné smrštění viditelnost studených spojů rozměry výstřiku otisk dezénu orientace molekul a plniva doba dotlaku krystalinita doba chlazení vnitřní napětí
Stanovení doby chlazení výstřiků stupeň ochlazení střední teplota výstřiku při odformování střední teplota formy teplota po naplnění dutiny formy efektivní teplotní vodivost a eff střední teplota formy w
doba chlazení doba chlazení doba chlazení Doba chlazení výstřiků Doba chlazení v závislosti na tloušťce stěny Doba chlazení dle požadované teploty odformování tloušťka stěny výstřiku teplota odformování o C Faktory určující dobu chlazení (dobu od počátku dotlaku až po vyjmutí z formy) jsou tloušťka stěny a teplota formy. Vliv teploty taveniny na dobu chlazení je menší. Mezi další faktory ovlivňující dobu chlazení patří také typ polymerního materiálu. Doba chlazení v závislosti na tloušťce stěny a teplotě tvarových částí teplota tvarových částí formy o C
Reference [1] BĚHÁLEK, Luboš. Speciální temperační prostředky. SOVA, Miloš et al. Termoplasty v praxi. Praha: Dashöfer, 1999-2004, s. 11. ISBN 80-86229-15-7. [2] Studie teplotního pole formy blatníku vozu Renault. Praha. Odborná zpráva. Ancora Praha s.r.o. [3] www.southstreet.freeserve.co.uk/rhvtmatl [4] Regloplas (firemní materiály) [5] www.dsm.com [6] HASALA, Lukáš. Výroba výukového modelu chladících systémů vstřikovací ch forem. Zlín, 2010. Bakalářská práce. UTB ve Zlíně. [7] Innomia a.s. (firemní materiály) [8] ZÖLLNER, Olaf. Optimierte Werkzeugtemperierung (Anwendungstechnische Information KU 21 104-9901 d,e/5056841). Leverkusen: Bayer AG., 1999, 64 s. [9] BĚHÁLEK, Luboš a Aleš AUSPERGER. Thermal conditions of injection mould and quality of plastic parts by use of nonconventional cooling methods. In: International conference on military technologies. Brno, 2011, s. 8. ISBN 978-80-7231-787-5. [10] WÜBKEN, Gottfried. Methods of calculating and assessing injection mould temperature control systems. Injection moulds. Düsseldorf: VDI, 1980, s. 25. ISBN 3-18-404060-7. [11] MECOBOND - Der Quantensprung in der Kühlung und Temperierung von Dauerformen für Kunststoffspritzguß und Metall- Druckguß. MECOBOND Dr.Betz GmbH. [online]. [cit. 2013-09-22]. Dostupné z: www.mecobond.de [12] BOBEK, Jiří. Aplikace tepelné trubice ve fázi chlazení procesu vstřikování polypropylenu. Liberec, 2007. Diplomová práce. TU v Liberci. [13] Moldflow prezentace [14] BĚHÁLEK, Luboš. Vstřikovací formy. Liberec. Výukový materiál CŽV. TU v Liberci [15] NEUHÄUSL Emil. Vady výstřiků. MM Průmyslové spektrum.