Wpływ rozkładu temperatury formy i kształtu wypraski na jej deformacje postaciowe
Prezentujemy artykuł autorstwa Romana Humiennego, Przemysława Postawy i Tomasza Stachowiaka.
Autorzy:
Roman Humienny (Plast-Zem Sp. z o.o.)
Przemysław Postawa (Zakład Przetwórstwa Polimerów, Politechnika Częstochowska)
Tomasz Stachowiak (Zakład Przetwórstwa Polimerów, Politechnika Częstochowska)
Poprawnie zaprojektowany układ termostatowania jest jednym z głównych czynników efektywnego ochładzania wyprasek wtryskowych w gnieździe formy, a tym samym - efektywności całości procesu wtryskiwania. Ponadto równomierne ochładzanie poszczególnych obszarów wypraski w formie powoduje ograniczenie do minimum naprężeń własnych i deformacji wypraski po jej wyjęciu z formy. Ze względu na funkcje wypraski nie zawsze możliwe jest zapewnienie jej równomiernej grubości ścianki, co ułatwia uzyskanie równomiernego ochładzania w procesie wtryskiwania. Wypraski, od których oczekiwana jest duża sztywność, bardzo często są mocno użebrowane, co pozwala oszczędzić materiał i uzyskać równomierną grubość ścianki, jednak powoduje dużą kumulację ciepła, a tym samym - konieczność większej intensywności jego odbioru z formy.
Wstęp
Temperatura formy, obok właściwości reologicznych i charakterystyki przepływu tworzywa w formie oraz wielu pozostałych parametrów procesu wtryskiwania, stanowi jeden z najważniejszych czynników kształtujących strukturę oraz późniejsze właściwości fizyczne otrzymywanych wyprasek [1-3]. W szczególności dotyczy to tworzyw częściowo krystalicznych o małej kinetyce procesu tworzenia się fazy krystalicznej. Ważna nie tylko jest wartość temperatury narzędzia, ale również jej równomierny rozkład. Temperatura oraz jej rozkład na powierzchni formy powinien zapewnić równomierne ochładzanie się wypraski w całej objętości. Z oczywistych względów (mała przewodność cieplna tworzyw polimerowych na poziomie 0,15-0,3 W/mK oraz zmiana współczynnika przewodnictwa ciepła wraz ze zmianą temperatury tworzywa podczas jego zestalania) bardzo trudno jest zapewnić równomierne ochładzanie wypraski [4-12].
Powoduje to występowanie różnic w czasie ochładzania poszczególnych warstw i obszarów wypraski względem siebie, co powoduje powstawanie naprężeń własnych, które z kolei powodują deformacje i paczenie się wyprasek.
Do testów wybrano mocno użebrowaną wypraskę o dużej sztywności. Tuż po wyciągnięciu z formy wtryskowej wykonano obserwacje z wykorzystaniem kamery termowizyjnej w celu zlokalizowania miejsc nagromadzenia ciepła w poszczególnych obszarach wypraski, co pozwoliło określić wymagania dotyczące zmian w konstrukcji układu termostatowania narzędzia. Dalszym etapem było określenie właściwości strukturalnych uzyskanych w takich warunkach wyprasek wtryskowych.
Zastosowany materiał, kształt wypraski i warunki procesu wtryskiwania
Do badań wykorzystano wypraskę wtryskową techniczną o bardzo dużej sztywności. Sztywność wypraski osiągnięto poprzez zastosowanie bardzo skomplikowanego użebrowania w obszarach o największej kumulacji naprężeń podczas eksploatacji. Badana wypraska jest częścią systemu napędowego i przeniesienia ruchu poszczególnych podzespołów zautomatyzowanych łóżek szpitalnych i została udostępniona przez firmę OCTO Actuators GmbH. Od elementów stosowanych w sprzęcie rehabilitacyjnym wymagana jest bardzo duża sztywność, odporność na ścieranie i wytrzymałość kilka razy większa niż w rzeczywistości może wystąpić. Wynika to z faktu intensywnego użytkowania i częstego przemieszczania w warunkach operacyjnych. Zdjęcie analizowanej wypraski przed optymalizacją kształtu przedstawiono na rysunku 1.
Wypraski będące przedmiotem badań były wytwarzane z częściowo krystalicznego PA6 z 30% zawartością włókna szklanego, z wykorzystaniem formy dwugniazdowej zamontowanej na wtryskarce firmy Krauss Maffei KM-350CX o sile zwarcia 3500 kN (350 ton). Forma wyposażona była w tradycyjny układ termostatowania wodnego. Wypraski wtryskiwano przy zastosowaniu następujących warunków przetwórstwa:
- ciśnienie wtrysku: 1400 bar,
- czas wtrysku: 4 s,
- ciśnienie docisku: 850 bar/1 s, 800 bar/6 s,
- czas docisku: 7 s,
- temperatura wtrysku: 280oC,
- czas chłodzenia: 70 s.
Wynikowy czas cyklu wynosił 100 s, co dawało wydajność 36+36 szt/h (razem 72 szt./h).
Głównym problemem zdiagnozowanym podczas prób były deformacja i brak możliwości uzyskania płaskości produkowanych elementów (rys. 1), co w konsekwencji utrudniało późniejszy montaż i poprawną pracę z pozostałymi komponentami mechanizmu łóżka. Jak ustalono podczas wstępnych badań, przyczyną tego stanu rzeczy był najprawdopodobniej niepoprawny kształt zaprojektowanej wypraski, który powodował kumulację ciepła i tym samym utrudnione ochładzanie obszarów odpowiedzialnych za późniejsze deformacje wypraski. W celu zgłębienia tego problemu posłużono się badaniami termowizyjnymi.
Dolna część wypraski jest płaska i mocno użebrowana w celu wzmocnienia, natomiast w połowie wypraski na jej powierzchni widoczne jest "przełamanie", które w konsekwencji może powodować odginanie się wypraski podczas ochładzania poza formą wtryskową. W celu analizy rozkładu temperatury wypraski po procesie wtryskiwania posłużono się analizą termowizyjną.
Wyniki badań termowizyjnych
Obserwacje termowizyjne wykonano na wypraskach tuż po wyciągnięciu ich z formy wtryskowej. Badania wykonano z wykorzystaniem kamery termowizyjnej TESTO 890 o rozdzielczości przetwornika 640x480 pikseli w technologii "super resolution" i dokładności 30 mK. Uzyskane wyniki poddano analizie w oprogramowaniu IRSoft 3.7.
Na rysunku 2 przedstawiono termogram wypraski przed optymalizacją oraz profil temperatury wzdłuż całej wypraski. Zarejestrowana różnica temperatury pomiędzy najgorętszym i najchłodniejszym miejscem na wyprasce wynosi 40 K. To dużo jak na wypraskę, której grubość ścianek poszczególnych części jest bardzo zbliżona. Tak duża różnica może świadczyć o nierównomiernym ochłodzeniu wypraski spowodowanym niepoprawnie zaprojektowanym układem chłodzenia formy. Powodem tego jest nierównomierne chłodzenie i deformacje spowodowane naprężeniami termicznymi. Nie bez znaczenia jest uskok na wyprasce (zaznaczony strzałką na rysunku 2), w którym montowana jest linka. Rozgrzana górna część powoduje wydłużony czas studzenia tej części wypraski i odginanie jej ku górze.
Analiza otrzymanych wyników pozwoliła na podjęcie decyzji o przekonstruowaniu formy, a tym samym wypraski. Została zachowana jej funkcjonalność kosztem usztywnienia oraz zmniejszeniu deformacji po procesie wytwarzania.
Zmiany zastosowane w kształcie wypraski po analizie termowizyjnej
Główną zmianą wprowadzoną w konstrukcji wypraski było "odchudzenie" wypraski w centralnej jej części oraz dodanie żebra wzmacniającego i nie pozwalającego na tak swobodną deformację, jak miało to miejsce w pierwotnym kształcie wypraski. Dla porównania oba kształty wypraski przed i po optymalizacji pokazano na rysunku 3, a szczegółowe porównanie zmodyfikowanych obszarów przedstawiono na rysunku 4.
Jak widać na rysunkach 3 i 4, główną modyfikacją było usunięcie części użebrowania, które na skutek dużej koncentracji tworzywa, a tym samym ciepła, ochładzało się dłużej, wywołując deformację wypraski. Dodano wzmocnienie ograniczające deformacje zaznaczone strzałką na rysunku 3a. Wykonana modyfikacja spowodowała bardzo niewielką zmianę masy wypraski (o około 2 g), jednak ograniczenie masy nie było głównym celem tej modyfikacji. Zmianie uległa również konfiguracja kanałów chłodzenia formy wtryskowej. Z jednego długiego obiegu wykonano dwa oddzielne; pozwoliły one na precyzyjną kontrolę temperatury lewej i prawej strony każdej z wyprasek (ze względu na brak zgody właściciela formy, nie mogła być ona przedstawiona w publikacji).
Kolejnym etapem prac była powtórna analiza termowizyjna i określenie koncentracji ciepła w wypraskach poddanych modyfikacji kształtu i wykonanych w zmodyfikowanym narzędziu (formie wtryskowej). Wyniki badań termowizyjnych przedstawiono na rysunku 5.
Z przeprowadzonej analizy wynika, że różnica temperatury pomiędzy najzimniejszym i najgorętszym miejscem na wyprasce jest taka sama, jak przed modyfikacją i wynosi 25oC. Zanotowano jednak różnicę w wartości maksymalnej temperatury. Dla pierwotnej wypraski wynosi ona 97oC, a dla wypraski po modyfikacji 79oC. Ta różnica spowodowała osiągnięcie znacznie mniejszej deformacji produkowanych wyprasek. Udało się też skrócić czas chłodzenia z 70 s do 62 s, czas docisku z 7 s do 6 s, a wynikowy czas cyklu wyniósł 91 s, co dawało wydajność na poziomie 37+37 szt./h (razem 74 szt./h), czyli 2 sztuki więcej na godzinę. Przy produkcji wielkoseryjnej skrócenie czasu cyklu o 9% powoduje w skali roku znaczne oszczędności ekonomiczne, a optymalizacja kształtu daje mniejsze deformacje i tym samym - mniej reklamacji produkowanych elementów wtryskowych.
Podsumowanie
W wypraskach wtryskowych o dużej liczbie użebrowania bardzo często dochodzi do deformacji postaciowych kształtu. Przyczyną tego jest stosowanie długich żeber, w których podczas przepływu dochodzi do znacznej orientacji makrocząsteczek. Ponadto nagromadzenie tworzywa w pewnych obszarach wypraski powoduje znaczne wydłużenie potrzebnego czasu ochładzania. Zmniejszenie ilości tworzywa w obszarach kondensacji ciepła oraz zmiana użebrowania powoduje zmianę rozkładu naprężeń własnych oraz cieplnych, które mogą powodować deformacje. Analiza termowizyjna pozwala na określenie węzłów, w których dochodzi do kumulacji ciepła i taką zmianę konstrukcji formy w celu zmniejszenia objętości cieplnej tworzywa w tych miejscach.
Częstym błędem podczas konstruowania wyprasek technicznych jest dążenie do uzyskania dużej sztywności poprzez dodanie objętości tworzywa, zamiast zoptymalizowania jej przez zastosowanie odpowiedniego użebrowania. Ważnym czynnikiem oprócz samej konstrukcji wypraski jest odpowiednie zaprojektowanie systemu chłodzącego w formie wtryskowej. Powinien on zagwarantować przede wszystkim uzyskanie równomiernego rozkładu temperatury na powierzchni wypraski, a nie na powierzchni narzędzia (formy wtryskowej). Przy niektórych wypraskach o zróżnicowanej pojemności cieplnej w poszczególnych obszarach wypraski (co jest jednoznaczne z ilością tworzywa w tych częściach wypraski) istnieje konieczność rozdzielenia układów termostatowania i celowego zróżnicowania temperatury formy w każdym z obiegów.
Przeprowadzone badania przyczyniły się do optymalizacji kształtu produkowanej wypraski, czego efektem były znaczne mniejsze deformacje postaciowe produkowanych wyprasek oraz skrócenie cyklu wtryskiwania.
Literatura
1. Postawa P.: Metody termostatowania form wtryskowych. Przetwórstwo Tworzyw 4 (136), 2010, s.181-187.
2. Nabiałek J.: Modelowanie zjawisk w procesie wtryskiwania tworzyw. Tworzywa Sztuczne w Przemyśle, 8, 1/2012, s. 54 - 56.
3. Postawa P.: Chłodzenie konformalne form wtryskowych. Chłodzenie Procesów Przemysłowych. Dodatek nr 1, marzec/kwiecień 2012, XV-XX, w: Tworzywa Sztuczne w Przemyśle, 9, 2/2012.
4. Bociąga E., Jaruga T.: Powstawanie obszarów łączenia strumieni tworzywa w wypraskach z wielogniazdowej formy wtryskowej. Polimery 2009, 54, nr 9, s. 654-660.
5. Postawa P., Kwiatkowski D.: Residual stress distribution in injection molded parts. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering vol. 18., Gliwice 2006, str.171-174.
6. Hamdy H., Regnier N., Lebot C., Pujos C., Defaye G., Applied Thermal Engineering 29 (2009) 1786-1791.
7. Yan C., Nakao C., Go T., Matsumoto K., Hatamura Y., Microsystem Technologies 9 (2003) 188-191, Springer-Verlag 2003.
8. Ivascu N., Fetecau C., Cusco W., Hill R., The Annals “Dunarea de Jos" of Galati Fascicle V, Technologies in machine building, ISSN 1221-4566, 2010.
9. Zhaoa G., Wanga G., Guana Y., Lia H., Polym. Adv. Technol. 2011, 22 476-482.
10. Qiao H., International Journal of Mechanical Sciences 48 (2006) 430-439.
11. Griffith B., Türler D., Goudey H., Lawrence Berkeley Nat. Lab., Berkeley CA, 2001.
12. Masse H., Arquis E., Delaunay D, Quilliet S., Le Bot P., International Journal of Heat and Mass Transfer 47 (2004) 2015-2027.
Podziękowania dla firmy OCTO Actuators GmbH - Niemcy za możliwość przeprowadzenia analizy i przygotowania publikacji w oparciu o formę wtryskową i wypraski firmy.