Wtryskiwanie tworzyw konstrukcyjnych

Prezentujemy tekst dr inż. Dariusza Sykutery z Uniwersytetu Technologiczno - Przyrodniczego w Bydgoszczy i Marcina Hejnowskiego poświęcony warunkom wtryskiwania tworzyw konstrukcyjnych o dużym stopniu napełnienia.

Do specyficznych właściwości i zalet polimerowych tworzyw technicznych zaliczamy niską gęstość przy względnie wysokiej wytrzymałości na rozciąganie, sztywność, odporność na pełzanie oraz dobrą odporność cieplną. Te właściwości można poprawić poprzez dodanie włókien krótkich. Powoduje to jednak wzrost lepkości kompozytu. Stąd warto przedstawić wpływ warunków przetwarzania tworzyw wzmocnionych na efektywność procesu i cechy geometryczne uzyskanych wyprasek.

Do badań symulacyjnych wytypowano Ultramid A3W G10 (PA 6.6 zawierający 50 proc. masy włókien szklanych WS) oraz Ultradur B 4300 G10 (PBT zawierający 50 proc. WS). Określono wpływ wilgoci i lokalizacji przewężek, prędkości wtryskiwania i temperatury formy na cechy geometryczne wyprasek. Zmiany ciśnienia, temperatury, skurczu i deformacji analizowano z wykorzystaniem programu symulacyjnego Cadmould.

Polimerowe tworzywa konstrukcyjne stanowią alternatywę materiałową wobec wytworów wykonanych ze stopów metali lekkich. Największe oczekiwania można wiązać w tym zakresie z tworzywami ciekłokrystalicznymi, poliarylo ­ amidami, poliamidoimidami i innymi nowymi materiałami polimerowymi o właściwościach specjalnych.

Ich duża odporność cieplna, powyżej 250 st. C, oraz bardzo dobre właściwości mechaniczne stawiają je w grupie tworzyw konstrukcyjnych stosowanych w technice. Alternatywą dla wytworów metalowych, zwłaszcza wykonanych ze stopów aluminium, mogą być także tworzywa kompozytowe, wśród których ważne miejsce zajmują termoplasty wzmocnione włóknem krótkim.

Dodanie do tych materiałów napełniaczy włóknistych podwyższyło ich sztywność, twardość, odporność na pełzanie, wytrzymałość na zginanie i rozciąganie, odporność cieplną oraz odporność na działanie czynników atmosferycznych.

W przypadku poli(tereftalanu butylenowego) oraz poliamidów, zawartość włókien szklanych w osnowie polimerowej może wynosić do 50 proc. mas. Z uwagi na wzrost lepkości dynamicznej tworzyw napełnionych, przy konstruowaniu układów przepływowych form wtryskowych, zwłaszcza przy doborze kształtu i wymiarów przekrojów poprzecznych przewężek, należy uwzględniać właściwości reologiczne tych materiałów.

Równomierne wypełnienie gniazda i pokonanie oporów przepływu zależy nie tylko od konstrukcji formy wtryskowej, ale także od przyjętych warunków technologicznych procesu wtryskiwania, cech geometrycznych wyprasek oraz możliwości technicznych wtryskarki. W przypadku tworzyw o dużej lepkości, dynamika wypełniania gniazda wtryskowego pod odpowiednim ciśnieniem w fazie wtrysku odgrywa bardzo znaczącą rolę. W przypadku tworzyw częściowo krystalicznych, na procesy zachodzące podczas konstytuowania się ich właściwości w formie, istotne znaczenie ma rozkład temperatury w gnieździe formującym.

Symulacje przepływów w gnieździe formującym przeprowadzono za pomocą programu Cadmould. Program pozwala na zaawansowaną analizę zjawisk zachodzących w gnieździe formującym podczas wtryskiwania ciekłego tworzywa, przy uwzględnieniu nastaw poszczególnych faz procesu.

W pierwszym etapie wykonano model bryłowy wypraski, której cechy geometryczne odpowiadały typowej próbce badawczej do badań wytrzymałościowych. Do symulacji zastosowano układy przepływowe z kanałami gorącymi i przewężkami o przekroju poprzecznym końcowym i średnicy 2 mm.

Założono, że tworzywo zostanie doprowadzone z jednej, bądź z dwóch przeciwległych stron gniazda formującego oraz w układzie bezpośrednim z centralnie umieszczonym miejscem wtrysku w środku próbki.

Rys. 1. Przyjęte rozwiązania konstrukcyjne układu przepływowego: a) doprowadzenie tworzywa z jednej strony, b) jednoczesne doprowadzenie tworzywa z dwóch stron, c) wlew centralny

Przyjęto, że wypraski zostaną wykonane z poli(tereftalanu butylenu) firmy Bayer o symbolu B 4300G10 (PBT+50 proc. WS) oraz z poliamidu 6.6 firmy Bayer o symbolu A3W G10 (PA 6.6+50 proc. WS). Do wykonania symulacji wykorzystano dane dotyczące warunków wtryskiwania tych tworzyw.

Wpływ analizowanych warunków przetwarzania na przebieg wypełniania gniazda i cechy geometryczne wyprasek zależy od rodzaju osnowy polimerowej tworzyw kompozytowych. PBT wzmocniony włóknem szklanym można przetwarzać przy zastosowaniu niskich wartości wtryskiwania i docisku, a jakość powierzchni wypraski poprawia się wraz ze wzrostem prędkości wtryskiwania. Dynamiczne, możliwie w najkrótszym czasie wypełnianie gniazda jest szczególnie istotne przy wtryskiwaniu jednopunktowym.

Można zauważyć, że dla kompozytu o osnowie z PBT, duża prędkość frontu ciekłego tworzywa wtryskowego umożliwia obniżenie temperatury gniazda formy wtryskowej. Powoduje to zmniejszenie poziomu odkształcenia i naprężenia w wyprasce, ale jednocześnie może prowadzić do obniżenia jej stopnia krystaliczności. W wyniku wtryskiwania PBT+50 proc. WS z dużymi prędkościami stwierdzono znaczący spadek ciśnienia w gnieździe formującym (rys. 2). Rozkład temperatury tworzywa w gnieździe formującym po całkowitym jego wypełnieniu był nieznaczny i wynosił od 0,8 do 2,5 st. C.

Wyniki symulacji wskazują, że PA 6.6+50 proc. WS wymaga wyższych ciśnień wtryskiwania i docisku, a proces wypełniania gniazda przez ciekłe tworzywo powinien przebiegać z niższymi prędkościami wtryskiwania.

Wzrost tej wielkości pogarsza jakość wyprasek i zwiększa ich odkształcalność. W przypadku umiejscowienia punktu wtrysku zgodnie z pierwszym wariantem z rysunku 1. w trakcie dynamicznego wypełniania gniazda formy, w jego wnętrzu powstaje duży gradient temperatury, którego wartość oszacowano w przedziale od 10,1 do 12,8 st. C. Powoduje to powstanie w materiale kilkakrotnie wyższych naprężeń i odkształceń i dwukrotnie większego skurczu przetwórczego. Zmiany ciśnienia w trakcie wypełniania gniazda przez poliamid są w swoim charakterze zbliżone do przetwórstwa PBT+50 proc. WS (rys. 3), ale spadki wartości są dwukrotnie niższe. W tym przypadku warunkiem uzyskania wyprasek o oczekiwanych cechach geometrycznych jest podwyższenie ciśnienia wtryskiwania i docisku oraz nieznaczne zwiększenie czasu docisku.

Programy symulacyjne stanowią nie tylko nowoczesne narządzie do weryfikacji założeń konstrukcyjnych form wtryskowych, ale mogą być pomocne przy próbach optymalizacji procesu wtryskiwania, szczególnie tworzyw o małej lepkości. Na podstawie otrzymanych wyników stwierdzono, że zalecane, w przypadku przetwórstwa tworzyw wzmocnionych włóknami krótkimi, stosowanie dużych prędkości wtryskiwania, w przetwórstwie poliamidu prowadzi do pogorszenia jakości powierzchni wyprasek. Obniżenie temperatury gniazda formy w połączeniu z dużą prędkością wtryskiwania zmniejsza wartość odkształceń i skurcz pierwotny wyprasek wykonanych z PBT+50 proc. WS.

Autorzy: dr inż. Dariusz Sykutera (Uniwersytet Technologiczno - Przyrodniczy w Bydgoszczy), Marcin Hejnowski.