TEMPERACE VSTŘIKOVACÍCH FOREM S OHLEDEM NA VLASTNOSTI A MORFOLOGII VÝSTŘIKŮ Ing. Luboš Běhálek, Doc. Dr. Ing. Petr Lenfeld, Ing. Aleš Ausperger, Ing. Tomáš Poupa Katedra strojírenské technologie, Oddělení tváření kovů a plastů, TU v Liberci Hálkova 6, 461 17 Liberec I lubos.behalek@tul.cz Anotace: Příspěvek souvisí s vědecko-výzkumnou činností katedry strojírenské technologie TU v Liberci v oblasti zpracování plastů a zabývá se způsoby a významem temperačních systémů a teplotní analýzou vstřikovacích forem. Pozornost je věnována především optimalizaci konstrukčního a technologického řešení temperačního systému vstřikovací formy (využitím konvenčních i nekonvenčních metod temperování) tak, aby byl eliminován nerovnoměrný odvod tepla v celé ploše a objemu výstřiku najednou a tím i nepříznivé změny fyzikálně-mechanických vlastností výstřiku dané morfologií plastu. Klíčová slova: temperace vstřikovacích forem, morfologie plastů, vlastnosti plastů 1. ÚVOD Temperací vstřikovacích forem rozumíme dle zpracovávaného polymeru (termoplastu, reaktoplastu a elastomeru) ochlazování nebo ohřev tvářecích částí formy (tvárníku a tvárnice) pomocí temperačního média na požadovanou teplotu před začátkem produkce a udržení této teploty během výroby v požadované toleranci. Temperace vstřikovacích forem souvisí s procesem tuhnutí a chladnutí výstřiku, který začíná již během fáze vstřikování, pokračuje během fáze dotlaku taveniny kompenzující smrštění plastu a trvá až do okamžiku otevření formy a vyhození výstřiku z tvarové dutiny formy. Proces chlazení je nejdelší částí vstřikovacího cyklu a během této doby dochází ke značným místním i časovým změnám stavových veličin polymeru. Tento teplotní systém vytváří cyklické třírozměrné teplotní pole (které by z hlediska kvality výstřiku mělo být co nejvíce homogenní), jež je ovlivnitelné volbou, konstrukcí, způsobem umístění a účinností temperačního systému, jakožto i materiálem formy a výrobku. Z ekonomického hlediska by ochlazování a tuhnutí výrobku mělo být dostatečně rychlé, na straně druhé by však z hlediska technologického mělo probíhat pomaleji tak, aby odvod tepla z taveniny byl rovnoměrný a zabránilo se případným rozměrovým změnám, vnitřním a povrchovým vadám výstřiku. 2. TEMPERAČNÍ SYSTÉMY Volba, způsob uspořádání, dimenzování temperačního systému ve vstřikovací formě a technologické podmínky temperace mají značný vliv na výsledné fyzikálně-mechanické vlastnosti výstřiku, jeho kvalitu (vznik tzv. staženin, propadlin, deformací, rozdílnosti lesku, nedokonalého zaplnění tvarové dutiny formy taveninou plastu, apod.), dobu chlazení, resp. dobu vstřikovacího cyklu, spotřebu energie a musí vyhovovat náročným provozním podmínkám. V souvislosti s vývojem a technickými možnostmi, je v současnosti v plastikářském průmyslu aplikována řada metod temperování tvarových dutin vstřikovacích forem. Některé z nich jsou v průmyslové praxi běžně používány (temperace cirkulujícím médiem, pulzní chlazení), jiné si své místo na poli vstřikování teprve hledají (např. Ranque-Hilsch vírová trubice, technologie Toolvac, systém Contura, ad.) [2]. Jak již bylo uvedeno v úvodu příspěvku, je snahou, především u velkorozměrových a konstrukčních dílů, ovlivnit proces chlazení vstřikovací formy tak, aby docházelo k rovnoměrnému odvodu tepla v celé ploše a objemu výstřiku najednou, stejnou rychlostí. Rovnoměrnost odvodu tepla z výstřiku závisí především na provedení temperačního systému a na rozložení teplotních polí
v nástroji, které je dáno řešením Fourierovy diferenciální rovnice sdílení tepla. V důsledku rychlých časových změn teploty a složitosti konstrukčního řešení výrobku, se těmto teplotním rozdílům nelze vyhnout, avšak na základě znalosti rozložení teplotních polí, které lze řešit analyticky (nevhodný způsob, vzhledem k idealizaci problému), numericky nebo experimentálně (blíže charakterizováno v [3]), je lze výrazně ovlivnit tak, aby byly v přijatelných mezích a reprodukovatelné v každém cyklu. 2.1 Vliv podmínek temperace na morfologii výstřiku Morfologie (nadmolekulární struktura) polymerních výstřiků, resp. semikrystalických termoplastů, tedy vytváření polykrystalických útvarů při tuhnutí reálných výrobků zvaných sférolity, závisí nejen na strukturních předpokladech, ale také na vhodných kinetických podmínkách, související s pohyblivostí makromolekul nebo jejich částí. Vhodné kinetické podmínky závisí především na teplotě (s níž souvisí rychlost nukleace a rychlost růstu krystalitů) a na době, kterou má plast při tuhnutí k dispozici [6], tedy na podmínkách temperace vstřikovací formy. Na základě výše uvedeného je tak zřejmé, že nejsou-li podmínky tuhnutí ve všech částech výrobku stejné, je krystalizace takovéhoto polymeru nerovnoměrná a ze strukturního hlediska vzniká nestejnorodý, anizotropní materiál. Krystalizující polymery nemají v reálných podmínkách technologického zpracování možnost dokonalé krystalizace, proto jsou tyto ve skutečnosti látky semikrystalické, charakteristické stupněm krystalinity, který udává zastoupení krystalických oblastí v polymeru. Pro dosažení vysoké úrovně krystalinity, která se rozšíří až přímo do povrchové vrstvy výstřiku, je nezbytné pracovat s vysokými teplotami formy. Naopak nadměrné ochlazování (vlivem nižší teploty formy) brání tvorbě sférolitů a u výrobků s následným tepelným působením má za následek tzv. dokrystalizaci, vyznačující se dodatečnou změnou rozměrů i vlastností výstřiků. a) b) c) Obr. 1 Morfologie výstřiku z PE Liten MB 77 o tloušťce 2mm, při různých teplotách temperace Fig. 1 Morphology of plastic parts from PE Liten MB 77(thickness of 2mm) for different temperatures of cooling a) T tm =20 o C, b) T tm =40 o C, c) T tm =80 o C Vliv morfologie, vytváření sférolitů v závislosti na teplotě temperace (temperačního médiacirkulující vody v temperačních kanálech) je v ukázce znázorněn pro lineární kopolymer polyetylén Liten MB 77. Výběr tohoto materiálu je zcela záměrný, neboť lineární makromolekuly snáze vytvářejí pravidelné shluky krystalických struktur, které závisejí právě na zmiňované architektuře makromolekulárního řetězce. Charakteristické rozdíly ve struktuře na povrchu výrobku a v jeho objemu jsou zřejmé z mikrosnímků na obr. 1., získaných pozorováním mikrotomových řezů v polarizovaném světle světelného mikroskopu. Tloušťka amorfní vrstvy byla měřena pomocí systému pro kvantitativní analýzu obrazu LUCIA G. Morfologie polymerních materiálů a tím i jejich fyzikálně-mechanické vlastnosti jsou rovněž závislé na tloušťce stěny výstřiku. Z tab.1 je zřejmé, že tloušťka amorfní vrstvy stěny vyjádřená v procentech (při zachování konstantních technologických podmínek) klesá nejen s rostoucí teplotou formy, ale i se zvyšující se tloušťkou stěny výstřiku.
Nadmolekulární struktura plastů je jedním z mnoha faktorů ovlivňující jejich výsledné fyzikálně-mechanické vlastnosti. Vliv teploty taveniny, resp. tloušťky amorfní vrstvy na tyto vlastnosti bude vzhledem k možnému rozsahu příspěvku prezentován v rámci přednášky mezinárodní konference ICTKI 2005. Tab. 1 Tloušťka amorfní vrstvy u výstřiků z PE Liten MB 77 Tab. 1 Thickness of amorphous layer of plastic parts from PE Liten MB 77 tloušťka amorfní vrstvy [µm] T tm / t stěny 1 mm 2 mm 3 mm 4 mm 22,14±0,66 26,25±1,46 32,89±1,12 37,30±0,90 20 o C 2,21 % 1,31 % 1,10 % 0,93 % 19,43±0,58 22,03±0,49 30,56±0,77 31,01±0,87 40 o C 1,94 % 1,10 % 1,02 % 0,78 % 15,71±0,68 17,48±0,63 17,87±0,49 26,65±1,04 80 o C 1,57 % 0,87 % 0,60 % 0,67 % 2.2 Vliv způsobu temperace na kvalitu výstřiku Volba temperačního systému, způsob jeho uspořádání a dimenzování je ovlivněna především tvarovým řešením výrobku, tedy koncepcí vstřikovací formy, včetně konstrukce vyhazovacího mechanismu a požadavky kladenými na samotnou temperaci, jejímž úkolem je rychlý a především rovnoměrný odvod tepla z nástroje. Přičemž míra nehomogenity teplotního pole výstřiku výrazně ovlivňuje jeho vlastnosti a je dána právě koncepcí temperačního mechanismu. Následující odstavce se zabývají vlivem vybraných způsobů temperování vstřikovacích forem na výslednou kvalitu výstřiků. 2.2.1 Temperace průtokem teplonosného média Nejpoužívanějším temperačním systémem v oblasti vstřikování termoplastů je systém tvořený temperační a řídící jednotkou spolu s temperačními kanály ve formě, spojovacími prvky a cirkulujícím teplonosným médiem (vody, oleje). Průtok teplonosného média okruhem temperačního systému může být přitom trvalý nebo pulzní. a) C 70 60 50 L 2 L 1 b) 40 C 70 60 L 2 Čelní rozměr výstřiku 50 L 1 40 Čelní rozměr výstřiku Obr. 2 Rozložení teplotních polí na povrchu výstřiku a průběh teplot na přímce L 1 a L 2 Fig. 2 Temperature fields distribution on the plastic part surface and temperature course on the line L 1 and L 2 a) původní řešení, original solution; b) regulovaná temperace, regulated cooling Temperace forem velkorozměrových výrobků se skládá z několika temperačních okruhů. V případě chlazení pomocí temperačních agregátů s teplonosným médiem, je možné regulovat teplotu média pouze pomocí těchto zařízení. Na obr. 2a je znázorněno rozložení teplotního pole na povrchu výstřiku (zadního nárazníku automobilu Škoda Fabia Combi) bezprostředně po ukončení
vstřikování a temperovaného cirkulující vodou ve dvaceti temperačních okruzích tvárnice a tvárníku, tak aby teplota cirkulující vody v tvárnici dosahovala 45 o C a v tvárníku 30 o C. Výstřik vykazuje značné teplotní nerovnoměrnosti dosahující v jednotlivých místech (mimo míst umístění vtoků) rozdílů až 15 o C. V případě regulovaného chlazení (viz obr. 2b) s různými teplotami v temperačních okruzích tvárnice (v rozmezí 35 o C až 45 o C) a tvárníku (v rozmezí 20 o C až 25 o C) bylo dosaženo intenzivnějšího a rovnoměrnějšího chlazení výstřiku, zabraňující anizotropii vlastností, snížení vnitřního pnutí výstřiku, které se projeví při dalším tepelném zpracování, jako např. lakování, apod. V posledních letech, zejména v důsledku kvalitativně nových požadavků automobilového průmyslu a souběžně se zaváděním elektronických a mikroprocesorových řídících systémů procesu vstřikování, se začínají objevovat různé modifikace technologie vstřikování termoplastů, které nabývají stále více na významu. Jednou z těchto metod je i technologie vstřikování s následným přívodem plynu (GIT) umožňující výrobu dutých tlustostěnných integrovaných dílců (na rozdíl od konvenčního vstřikování) s vysokou kvalitou a dobrými mechanickými vlastnostmi. Temperační systém forem GIT je řešen stejně jako u forem konvenčního vstřikování. Chlazení dílu je u technologie GIT realizováno ze strany formy. Plyn (nejčastěji dusík o vysoké čistotě), který je do dutiny formy přiváděn (injektován) po úplném nebo částečném zaplnění dutiny formy taveninou plastu, má nízký součinitel tepelné vodivosti a zabraňuje tak ochlazování výstřiku z jeho vnitřní strany. Na základě provedených experimentálních měření ve spolupráci s technickou praxí [1] lze konstatovat, že při chlazení výstřiků vyráběných technologií GIT nastávají značné problémy s tvarovou a rozměrovou přesností výstřiků v místech plynových kanálů, kde dochází (bez dodatečného dochlazování) v důsledku vysokých teplot často k jejich deformacím (viz obr 3.) Obr. 3 Teplotní pole na povrchu výstřiku u technologie GIT Fig. 3 Temperature fields on the plastic part surface- technology GIT Trochu jinak je tomu u dílů, u nichž je dutý kanál vyráběn následným přívodem vody (technologie WIT). Zde chlazení nezajišťuje pouze stěna formy, ale i vlastní dutina výstřiku a je realizováno proplachem dutiny vodou, čímž je stěna výstřiku chlazena z vnitřní i vnější strany (na rozdíl od GIT). Chlazení probíhá už během tvorby dutiny, kdy je do taveniny vstřiknuta studená voda. Intenzivní chlazení však zajišťuje až proplach vodou. Během něj získává díl v krátké době potřebnou tvarovou tuhost, aby se nezdeformoval při vyhození z formy, resp. po vyhození z formy. Čas potřebný k docílení dostatečné tuhosti tvaru tak odpovídá minimální délce chlazení. Je zřejmé, že samotná dutina WIT dílu tvoří jakoby samostatný temperační okruh, jehož chladící účinnost ovlivňují tři základní parametry: tvar a rozměr kanálu, velikost průtoku a teplota vody. Na rovnoměrnost chlazení má největší vliv tvar kanálu. Nerovnoměrné kanály mají za příčinu rozdílnou rychlost proudění během proplachu v závislosti na změně průřezu kanálu. Úzké kanály se chladí intenzivněji a při menším tlaku, než kanály široké. Rovnoměrnost chlazení u WIT výstřiků závisí nejen na geometrii kanálu, ale i na tom, bude-li tvarován kanál ve směru plnění nebo proti směru plnění dutiny formy taveninou plastu, resp. na umístění injektoru vůči vtoku. [3]. 2.2.2 Temperace pomocí Ranque-Hilsch vírové trubice Způsob temperování vstřikovací formy Ranque-Hilsch vírovou trubicí patří zcela jistě mezi nekonvenční metody temperování. Aplikací tohoto zařízení k temperaci vstřikovací formy se začalo
pracoviště katedry strojírenské technologie zabývat teprve počátkem tohoto roku. Vírová trubice je zařízení, které separuje obyčejný stlačený vzduch současně do dvou vzduchových proudů, jeden horký a druhý studený. Princip tohoto zařízení (viz obr. 4) je vysvětlen v [4]. Temperováním vstřikovací formy horkým výfukem Ranque-Hilsch vírové trubice bylo s ohledem na proces chladnutí, tuhnutí výstřiku a teplotní profil uvnitř vstřikovací formy během procesu vstřikování, tak jako na výsledné fyzikálněmechanické vlastnosti výstřiku zjištěno, že množství odvedeného tepla z nástroje stlačeným vzduchem, který vychází z horkého výfuku trubice do prostoru tvárníku, je vzhledem k jeho špatné tepelné vodivosti malé. V důsledku toho se teplota v nástroji Obr. 4 Ranque-Hilsch vírová trubice Fig. 4 Ranque-Hilsch vortex tube během vstřikování stále zvyšuje a dosažení rovnováhy mezi přivedeným a odvedeným teplem je časově náročné. Nevýhodou aplikace vírové trubice je rovněž nastavení teploty formy před začátkem produkce na požadovanou teplotu a její udržení během vstřikování v určité toleranci. Přestože maximální teplota vzduchu na horkém výfuku trubice dosahuje hodnoty až ca 100 C, nebylo možné v odpovídajícím čase vytemperovat formu před začátkem produkce na teplotu vyšší jak 45 C. Při porovnání účinnosti vírové trubice s běžným temperačním systémem využívající k temperaci formy cirkulující vodu v temperačních kanálech lze říci, že dosažení rovnováhy mezi přivedeným a odvedeným teplem, je při použití vody v temperačních kanálech docíleno během několika málo cyklů. Při použití vody byla teplota formy (narozdíl při použití vzduchu) během procesu vstřikování udržena v požadované toleranci, t.j. nezvyšovala se během procesu vstřikování v důsledku rychlého odvodu tepla. Při aplikaci vzduchu však bylo zaznamenáno rovnoměrnější rozložení teplot v oblasti tvarových částí formy. Při hodnocení fyzikálně mechanických vlastností výstřiků, v závislosti na způsobu a podmínkách temperace, nebyl vzhledem k výši rozptylu hodnot prokázán jednoznačný vliv na změnu hustoty výstřiku, jakožto fyzikální vlastnost. Naopak z měření tahových vlastností byl zjištěn při aplikaci vírové trubice pokles tažnosti výstřiků, způsobený změnou nadmolekulární struktury použitého polypropylenu. Uvedené závěry vychází výhradně z aplikace horkého výfuku vírové trubice k temperaci vstřikovací formy. V dalším směru výzkumu aplikace tohoto zařízení ve vstřikovací formě z hlediska rozložení teplotního pole v nástroji a na povrchu výstřiku, tak jako jejich výslednou kvalitu, se pracovníci katedry v současnosti soustředí na využití studeného konce vírové trubice a to i v tzv. pulzním řešení, kdy je studený vzduch přiváděn do tvarových částí formy ve vybraných časových intervalech. Další směr výzkumu v aplikaci vírové trubice je potřeba zaměřit do oblasti využití k tzv. lokální temperaci, tedy např. jako doplněk k běžnému temperačnímu systému s vodou, v místech výstřiku s výraznou nehomogenitou teplotního pole nebo jej aplikovat ve vzájemné kombinaci s jinými temperačními prostředky. 2.2.3 Vložkování forem vysoce tepelně vodivými materiály Pro členité výrobky, které se obtížně temperují, zejména tenké výstupky a dlouhé tvárníky, tak jako pro výrobky s lokální teplotní nehomogenitou, lze s výhodou použít způsobu chlazení pomocí vložek z vysoce tepelně vodivého materiálu (popřípadě jen nástřiků na povrch tvarové dutiny formy) na bázi slitin Cu, Co, Be (např. materiály Ampcoloy, Moldmax, aj.), které ve většině případů doplňují temperační systém s 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 na
katedře strojírenské technologie, TU v Liberci, lze konstatovat, že použitím vzájemné vazby aktivního (cirkulující vody 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 nespornou výhodou takovéhoto způsobu temperace je lepší zatečení taveniny v zadních místech výstřiku bez místních studených spojů a také zkrácení celkové doby cyklu. 3. Závěr Rozsahem tohoto příspěvku v žádném případě nelze obsáhnout problematiku temperace vstřikovacích forem s ohledem na výslednou kvalitu polymerních výstřiků. Je zřejmé, že vlastnosti jednotlivých výstřiků jsou v základní rovině určovány druhem plastu a tvarem výrobku. Velkou roli však hrají také technologické podmínky vstřikování, konstrukce nástroje a také technické parametry vstřikovacího stroje. Cílem tohoto příspěvku bylo na základě provedených experimentálních měření poukázat na význam podmínek temperace vstřikovací formy, tedy teploty teplonosného média temperačního systému, jakožto i vlastního způsobu temperace, jež jsou v řadě případů technické praxe opomíjeny nebo jim není věnována náležitá pozornost. Na základě výše uvedeného je zřejmé, že podmínky a způsob temperace ovlivňují nejen dobu výrobního cyklu, ale především mají výrazný vliv na utváření nadmolekulární struktury semikrystalických plastů, jež ve výsledku ovlivňují užitné a aplikační vlastnosti výstřiků. Výzkum v oblasti temperování vstřikovacích forem konvenčními i nekonvenčními způsoby temperování přináší zajímavé výsledky a to v souladu se zmiňovaným technologickým i ekonomickým hlediskem, mezi jejichž přednosti patří především snížení doby cyklu a zvýšení produktivity práce, ale také rovnoměrné rozložení teplot na povrchu výstřiku a jejich vyšší kvalita. Tento příspěvek vznikl za podpory výzkumného záměru MŠMT ČR MSM 4674788501. Literatura [1.] BĚHÁLEK, L., LENFELD, P., AUSPERGER, A. Bewertung der Efektivität von Temperiersystemen im Spritzgießwerkzeug bei der Gasinjektionstechnik. In Technomer 03. Chemnitz : TU Chemnitz, 2003, 4 s. ISBN 3-00-01-2510-8. [2.] BĚHÁLEK, L. Speciální temperační prostředky. In SOVA,A. - KREBS,J.: Termoplasty v praxi, Praha : Verlag Dashöfer spol. s r.o., 2004, 12 s. ISBN 80-86229-15-7. [3.] BĚHÁLEK, L. Teplotní analýza vstřikovacích forem s ohledem na kvalitu plastových výrobků. In Mezinárodní vědecké sympozium katedry tváření a plastů, 14.-15. září 2004. Liberec : TU v Liberci, 2004, s. 29-36. ISBN 80-7083-856-6. [4.] BĚHÁLEK, L., POUPA, T., LENFELD, P., AUSPERGER, A. Application of Ranque-Hilsch vortex tubes by cooling of injection mould. In Advances in plastics technology 05. Katowice : IPTS Metalchem, 2005, 10 s. ISBN 83-917693-4-8. [5.] PŮTA, J. Hodnocení efektivnosti temperace vstřikovacích forem (diplomová práce). Liberec : TU v Liberci, 2005, 65 s. [6.] SOVA, M., KREBS, J. Termoplasty v praxi. Praha : Verlag Dashöfer spol. s r.o., 1999-2004. ISBN 80-86229-15-7. recenze: doc. Ing. Imrich Lukovics, CSc. UTB ve Zlíně
Publikováno v časopise Strojírenská technologie ročník X zvláštní číslo, prosinec 2005, s. 9-13, vydavatel: ÚTŘV, UJEP Ústí nad Labem ISSN 1211-4162 COOLING OF INJECTION MOULDS WITH RESPECT TO PROPERTIES AND MORPHOLOGY OF PLASTIC PARTS Luboš Běhálek, MSc., Assoc. Prof. Dr. Ing. Petr Lenfeld, Aleš Ausperger, MSc., Tomáš Poupa, MSc. Department of Engineering Technology, Section of Metal and Plastics Forming, TU in Liberec Hálkova 6, 461 17 Liberec I, Czech Republic lubos.behalek@tul.cz Key words: cooling system, morphology of plastics, properties of plastics Annotation: This paper bears on scientific research activities of Engineering Technology Department at TU in Liberec in section of plastics processing and deals with methods and importance of cooling systems and temperature analysis of injection moulds. The attention is given mostly to optimising the construction and technological design of cooling system of injection mould (by usage of conventional and also non-conventional tempering methods) so that the non-uniform moving of heat in the whole area and volume of plastic part would be eliminated at once and also the adverse changes of physic-mechanical properties of plastic part for the given polymer morphology.