Wady powierzchniowe wyprasek - zapadnięcia

Prezentujemy tekst na temat wad powierzchniowych wyprasek, a konkretnie zapadnięć. Artykuł powstał na podstawie materiałów firmy Krauss-Maffei, której przedstawicielem w Polsce jest wrocławska spółka Dopak.

Produkując detal metodą wtrysku może się zdarzyć, że otrzymamy wypraskę, która ma wady powierzchniowe. Jednym z ich rodzajów są zapadnięcia. Powstają, gdy w danych obszarach w czasie stygnięcia nie ma już możliwości wyrównania termicznych zmian objętości wtryskiwanego tworzywa sztucznego. Zapadnięcia można wyeliminować na drodze zmian parametrów procesu.

Wtryskiwanie to proces cykliczny, w którym materiał wyjściowy w postaci granulek lub krajanki, podany z pojemnika do ogrzewanego cylindra, uplastycznia się, a następnie jest wtryskiwany przez dyszę i tuleję wtryskową
do gniazd formujących. Tam też tworzywo zestala się, a następnie jest usuwane z formy w postaci gotowej wypraski, po czym cykl wtrysku rozpoczyna się od początku. Metoda ta przeznaczona jest głównie do przetwórstwa tworzyw termoplastycznych, lecz stosuje się ją również do przetwórstwa tworzyw termo - i chemoutwardzalnych.

Warianty wtrysku:
Wtryskiwanie tworzyw termoutwardzalnych - w czasie ich nagrzewania zachodzą dwa przeciwdziałające sobie zjawiska: uplastycznianie, następnie stapianie oraz polimeryzacja, w wyniku której zachodzi utwardzanie tworzywa. Materiał w układzie uplastyczniającym ulega niecałkowitemu uplastycznieniu. Utwardzanie tworzywa zachodzi w gnieździe formy, która jest ogrzewana.

Wtryskiwanie wielokomponentowe - może być prowadzone w różnych wariantach. Wypraska może składać się z różnych tworzyw lub z tych samych tworzyw o różnych kolorach (wtryskiwanie wielokolorowe).

Wtryskiwanie wyprasek - porowatych uzyskuje się przede wszystkim dzięki wprowadzeniu do tworzywa wejściowego poroforu rozkładającego się w procesie przetwórstwa. Wypraska porowata ma litą warstwę zewnętrzną - naskórek różnej grubości, a rdzeń porowaty.

Wtryskiwanie niskociśnieniowe - (zwane też odlewaniem wtryskowym) charakteryzuje się tym, że wypełnianie gniazda formy wtryskowej odbywa się przy obracającym się ślimaku o stożkowym i uzwojonym zakończeniu, utrzymywanym w poprzednim położeniu bezpośrednio przy dyszy wtryskowej. Pozwala to na szybkie doprowadzanie tworzywa do żądanej temperatury, jak również łatwiej następuje wypełniania gniazda formującego. Wtryskiwanie niskociśnieniowe stosuje się do wytwarzania przedmiotów grubościennych o dużych wymaganiach co do wymiarów, kształtu i położenia.

Wtryskiwanie wspomagane gazem obojętnym - po wprowadzeniu do formy niewielkiej porcji tworzywa zostaje dozowany sprężony azot (ok. 30 MPa), który je rozdmuchuje. Metoda ta stosowana jest przy produkcji wyrobów o przekroju zamkniętym, czego nie można uzyskać w innych procesach. Wtryskiwanie wspomagane gazem obojętnym daje możliwość uzyskania dużej sztywności przekroju przy zachowaniu cienkościenności wypraski.

Wtryskiwanie z doprasowaniem - gniazda formy zamykają się teleskopowo; tworzywo jest ściskane przez cały czas ochładzania.

Wtryskiwanie z rozdmuchiwaniem - po wtryśnięciu część stemplowa formy z niezastygniętym tworzywem zostaje przesunięte do innej formy o kształcie np. butelki. W wyniku rozdmuchu i ochłodzenia kształt zostaje utrwalony.

Wtryskiwanie termoutwardzalnych elastomerów - usieciowanie tworzywa lub gumy następuje dopiero w gorącej formie wtryskowej o temperaturze ok. 180 st. C.

Wtryskiwanie żywic i kauczuków dwuskładnikowych - małe pompy i urządzenia mieszające doprowadzają dwa komponenty żywicy lub np. kauczuku silikonowego do cylindra wtryskowego. Przyśpieszone sieciowanie odbywa się w gorącej formie wtryskowej.

Skąd się biorą wady powierzchniowe?

Przyczyny powstawania wad powierzchniowych wyprasek mogą być bardzo zróżnicowane. Można je poszeregować następująco:

• wstępne przygotowanie surowca (suszenie), jego jakość (zanieczyszczenia),
• parametry procesu wtrysku takie jak: temperatura uplastyczniania, prędkość wtrysku, położenie punktu przełączenia na fazę docisku,
• stan wtryskarki, poziom jej zużycia,
• rozmieszczenie systemu gorących kanałów (przekrój kanałów, miejsca zalegania tworzywa itp.),
• rozmieszczenie kanałów doprowadzających, możliwość zatrzymania korków z dyszy, odpowietrzenia, itp.,
• udział pigmentów i barwników,
• rodzaj przetwarzanego tworzywa.

Jak eliminować wady powierzchni?
Rozwiązanie problemu dotyczącego wad powierzchni, należy rozpocząć od określenia miejsc ich występowania oraz cykliczności pojawiania się. Należy ustalić czy wada występuje przy każdym wtrysku, zawsze w tych samych miejscach gniazda formy, zawsze w tym samym miejscu wypraski, czy wada została rozpoznana jako wynik analizy płynięcia, czy jest już zauważalna w kanale wlewowym, czy występuje po wymianie partii tworzywa, czy pojawia się tylko na jednej maszynie czy też na innych.

Aby możliwie szybko i ekonomicznie usunąć wady powierzchniowe wyprasek, konieczna jest znajomość fizycznych przyczyn ich powstawania. W oparciu o takie wiadomości przetwórca ma ułatwioną decyzję jakie możliwości naprawy mają sens lub w jakim kierunku mają być podejmowane zmiany.

Ponadto wiedza taka jest potrzebna do łatwiejszego zrozumienia operacyjnych schematów blokowych. W cyklu poświęconym wadom wyprasek, aby ułatwić pracę przetwórcom tworzyw sztucznych metodą wtryskową będą przedstawiane operacyjne schematy blokowe systematycznego usuwania wad. Celem takiego postępowania ma być uzyskanie wymaganej jakości na drodze zmian parametrów procesu.

W trakcie stosowania schematów należy zwracać uwagę na to, aby w przypadku występowania błędu powierzchniowego poruszać się po rozgałęzieniach schematu odpowiednio do zapytań w schemacie. Przy wprowadzaniu zmian należy z istniejących możliwości wybierać do zmiany zawsze tylko jeden parametr, celem wykluczenia ich wzajemnego wpływania na siebie. Następnie należy wykonać kilka cykli wtryskowych celem ustabilizowania stanu po zmianie.

W niektórych przypadkach może się zdarzyć, że nie można jednoznacznie określić kierunku zmian parametrów procesu. Pewnym ułatwieniem w znalezieniu właściwego rozwiązania mogą być w takim przypadku dane odnośnie tendencji (+) lub (-). Jeżeli w wyniku takich zmian nie uzyskuje się żadnej poprawy, to należy ponownie wrócić do schematu, przystąpić do odczytywania zapytań i przeprowadzania kolejnych zmian.

Należy podkreślić, że schematy te uwzględniają warunki występujące w praktyce, ale mogą służyć jedynie jako pewnego rodzaju ukierunkowanie i nie obejmują każdej sytuacji występującej w procesie. Poza tym można je łatwo dopasować do specjalnych warunków lub też rozszerzyć o własne doświadczenie. Zadaniem wykresów jest ułatwienie przetwórcy podjęcia decyzji czy wada powierzchniowa może być w ogóle usunięta na drodze zmian w ustawieniu maszyny, czy też konieczna będzie zmiana narzędzia lub samej części wtryskowej.

Zapadnięcia
Zapadnięcia powstają, np. w strefach skupisk materiału jako wgłębienia na powierzchni formowanej części, gdy nie ma już możliwości wyrównania termicznych zmian objętości (skurczu). Jeżeli ścianki zewnętrzne części wtryskowej nie są dostatecznie stabilne na skutek niewystarczającego schłodzenia, to w wyniku naprężeń skurczowych następuje wciągnięcie warstwy zewnętrznej do wewnątrz.

Rozróżnia się trzy podstawowe przyczyny ich powstawania: zbyt wolne krzepnięcie, zbyt krótki czas trwania ciśnienia docisku po wtrysku oraz zbyt małe przeniesienie nacisku z powodu za wysokich oporów przepływu w maszynie.

Optymalne przenoszenie nacisku można osiągnąć poprzez odpowiednie usytuowanie punktu wtrysku i zastosowania optymalnych wymiarów przewężki.

Aby uniknąć przedwczesnego krzepnięcia tworzywa w kanałach doprowadzających należy zapewnić ich odpowiednie zwymiarowanie. Wymiary kanałów doprowadzających zależą w pierwszym rzędzie od grubości ścianki wypraski. W żadnym wypadku średnica kanału nie powinna być mniejsza niż grubość ścianki wypraski. Począwszy od przewężki, w każdym rozgałęzieniu średnica kanału powinna być odpowiednio poszerzona, aby została zachowana ta sama prędkość ścinania przy przepływie tworzywa. Nie należy pozwolić, aby do gniazda formy dostały się znajdujące się w dyszy korki z zastygłego tworzywa. Z tego powodu należy przewidzieć miejsca w układzie wlewowym, będące najczęściej przedłużeniami kanału wlewowego, w których korki pozostaną.

Należy również sprawdzić część wtryskową pod kątem powstawania jam skurczowych. Przy zbyt małych średnicach kanałów doprowadzających, tworzywo zbyt wcześnie zastyga w kanałach i nie następuje zakończenie fazy docisku, a tym samym nie ma pełnej kompensacji skurczu objętościowego tworzywa.

Charakterystycznymi objawami tego są jamy skurczowe, zapadnięcia szczególnie widoczne w tworzywach nie zawierających wypełniaczy oraz mikroporowatość w tworzywach wzmocnionych włóknami. Objawy te można zaobserwować pod mikroskopem. Dalszymi konsekwencjami dla wypraski są: silne wahania tolerancji wymiarów, zbyt duże wartości skurczu oraz powiększona skłonność do deformacji.

Jamy skurczowe i mikroporowatość mają ujemny wpływ na własności mechaniczne wypraski. Postępowanie krok po kroku zgodnie z zamieszczonym poniżej schematem pomoże wyeliminować popełniane błędy w procesie wtrysku, a objawiające się otrzymywaniem wyprasek z zapadnięciami.

Wykorzystano materiały pochodzące z konferencji Spotkanie Praktyków Przetwórców Tworzyw Sztucznych 2008, która odbyła się we Wrocławiu i była organizowana przez firmę Dopak i Politechnikę Wrocławską. Tekst powstał na podstawie materiałów firmy Krauss-Maffei opracowanych we współpracy z Kunststoff Institut Lüdenscheid.