Wp³yw warunków wtryskiwania na w³aœciwoœci mechaniczne oraz u ytkowe wyprasek z obszarem ³¹czenia strumieni tworzywa

Transkrypt

1 10 El bieta BOCI GA, Damian SZYMAÑSKI El bieta BOCI GA, Damian SZYMAÑSKI* Zak³ad Przetwórstwa Polimerów, Instytut Technologii Mechanicznych, Politechnika Czêstochowska Al. Armii Krajowej 19 C, Czêstochowa * Autor do korespondencji; szymanski@ipp.pcz.pl Wp³yw warunków wtryskiwania na w³aœciwoœci mechaniczne oraz u ytkowe wyprasek z obszarem ³¹czenia strumieni tworzywa STRESZCZENIE. Obszary ³¹czenia strumieni tworzywa, powstaj¹ce w wyniku zderzania siê frontów przep³ywaj¹cego tworzywa, negatywnie wp³ywaj¹ na w³aœciwoœci mechaniczne oraz wygl¹d wyprasek wtryskowych. Problem ten szczególnie dotyczy wyprasek wykonanych z kompozytów z nape³niaczami w³óknistymi, ze wzglêdu na prostopad³e do kierunku przep³ywu zorientowanie w³ókien nape³niacza w czole frontu strumienia tworzywa wype³niaj¹cego gniazdo formuj¹ce. W pracy przedstawiono wyniki badañ wp³ywu wybranych warunków procesu wtryskiwania na wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie, udarnoœæ oraz wygl¹d wyprasek z obszarami ³¹czenia strumieni tworzywa. Walor estetyczny wyprasek oceniano na podstawie kszta³tu i wymiarów szczeliny, powsta³ej na powierzchni wypraski w obszarze ³¹czenia. Badane próbki wykonane zosta³y z kompozytu polipropylenu z 20% zawartoœci¹ talku. Wykazano wp³yw warunków procesu wtryskiwania na g³êbokoœæ i szerokoœæ szczeliny, decyduj¹cej o widocznoœci linii ³¹czenia strumieni tworzywa na powierzchni wypraski. Nie stwierdzono natomiast wp³ywu badanych parametrów wtryskiwania na wartoœæ wytrzyma³oœci na rozci¹ganie wyprasek. Wyniki badañ wyprasek z obszarami ³¹czenia strumieni tworzywa porównano z wynikami uzyskanymi dla wyprasek bez tych obszarów. THE INFLUENCE OF INJECTION MOLDING CONDITIONS ON THE MECHANICAL AND FUNCTIO- NAL PROPERTIES OF MOULDED PARTS WITH THE WELD LINES ABSTRACT. Weld lines are formed as a result of collision of several fronts of the polymer flow that negatively affect the mechanical properties and the visual aspect of the moulded parts. This problem concerns in particular the moulded parts made of composites with fibrous fillers due to the perpendicular (with direction of the flow) orientation of the filler s fibres in the frontal face of the stream of plastic that fills the cavity. This work presents the results of the investigations of the effect of selected injection moulding conditions on the tensile strength, impact strength and the visual aspects of the moulded parts with the weld lines. Aesthetical value of the moulded parts was evaluated based on shape, dimensions of the gaps that were formed on the moulded parts surface in the area of flow fusion. The specimens were made of a composite of polypropylene with 20% of talc. The effect of the injection moulding conditions on the depth and width of a gap that determines the visibility of the line of connection of the plastic streams on the surface of the moulded parts was demonstrated. However, no effect of the injection moulding parameters on the moulded parts tensile strength was found. The results of the examinations obtained for the moulded parts with the weld lines were compared with the results obtained for the moulded parts without these lines. WSTÊP Obszary ³¹czenia strumieni tworzywa w wypraskach wtryskowych powstaj¹ w wyniku zderzenia siê ze sob¹ dwóch frontów przep³ywaj¹cego tworzywa, wype³niaj¹cego gniazdo formuj¹ce [1 3]. Obszary te najczêœciej wystêpuj¹ w d³ugich, cienkoœciennych wypraskach do wype³nienia których konieczne bywa stosowanie wiêkszej liczby punktów doprowadzania tworzywa. Problem ten dotyczy równie wyprasek o skomplikowanej budowie, gdy ciek³e tworzywo wp³ywaj¹ce do gniazda formuj¹cego omija stemple formuj¹ce otwory, oraz w przypadku du ej ró nicy gruboœci œcianek wypraski, w miejscach, w których prêdkoœæ przep³ywaj¹cych strumieni tworzywa jest zró nicowana. Obszary ³¹czenia strumieni tworzywa pogarszaj¹ w³aœciwoœci mechaniczne wyprasek, ze wzglêdu na niedostateczne po³¹czenie ze sob¹ frontów strumieni uplastycznionego tworzywa [2]. Spowodowane jest to miêdzy innymi uwiezionymi pomiêdzy nimi pêcherzami powietrza, oraz przez równoleg³e wzglêdem siebie zorientowanie makrocz¹steczek polimeru oraz nape³niacza, szczególnie nape³niaczy w³óknistych (rysunek 1). Rys. 1. Orientacja w³ókien nape³niacza w obszarze ³¹czenia strumieni tworzywa wypraski wtryskowej [4, ]

2 Wp³yw warunków wtryskiwania na w³aœciwoœci mechaniczne oraz u ytkowe wyprasek z obszarem ³¹czenia strumieni tworzywa 11 Obszary ³¹czenia strumieni tworzywa poza tym, e pogarszaj¹ w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowe wyprasek wtryskowych, negatywnie wp³ywaj¹ na wygl¹d wyprasek. Nieestetyczne linie na powierzchni wytwarzanego metod¹ wtryskiwania elementu sprawiaj¹, e ten nie spe³nia stawianych mu wymagañ jakoœciowych. Mechanizm powstawania widocznych œladów na powierzchni wyprasek w miejscu zderzania siê ze sob¹ dwóch strumieni tworzywa ma swoje pod³o e we w³aœciwoœciach lepkosprê ystych polimeru i zale ny jest od warunków procesu wtryskiwania. Gor¹ce tworzywo podczas wolnego przep³ywu przez zimne kana³y formy wtryskowej, szybko zestala siê przy œciance gniazda formuj¹cego [6 8]. Tworzywo na froncie strumienia ma ni sz¹ temperaturê ni tworzywo w rdzeniu. Podczas zderzania siê ze sob¹ dwóch frontów przech³odzonego tworzywa, na powierzchni wypraski powstaje szczelina w kszta³cie litery V [9 13]. Schemat powstawania tej wady powierzchniowej przedstawiony jest na rysunku 2. naskórek wypraski zale y jak szeroka i g³êboka szczelina powstanie w tym obszarze. W pracy [16], dotycz¹cej wp³ywu warunków procesu wtryskiwania na w³aœciwoœci mikrowyprasek z polistyrenu, wykazano, e temperatura formy i prêdkoœæ wtrysku maj¹ wp³yw na g³êbokoœæ karbu pozostawionego przez zderzaj¹ce siê strumienie uplastycznionego tworzywa. Zwiêkszaj¹c wartoœci tych parametrów uzyskano o 0% mniejsz¹ g³êbokoœæ szczeliny na powierzchni wyprasek. Wykazano w niej równie, e stosowanie wy szej wartoœci temperatury formy pozwoli³o na zmniejszenie szerokoœci linii ³¹czenia strumieni tworzywa o po³owê. Celem badañ by³o okreœlenie wp³ywu warunków wtryskiwania (temperatura formy, temperatura wtryskiwania, prêdkoœæ wtrysku) na wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie, udarnoœæ oraz wymiary szczeliny powsta³ej na powierzchni wypraski w obszarze ³¹czenia strumieni tworzywa. BADANIA EKSPERYMENTALNE Badaniom poddane zosta³y próbki z polipropylenu z 20% zawartoœci¹ talku, firmy Basell Polyolefins, o masowym wskaÿniku szybkoœci p³yniêcia (MFR) wynosz¹cym 10, g/10 min (wyznaczonym w temperaturze 190 C i przy obci¹ eniu 2,16 kg). Próbki do badañ wykonano na wtryskarce œlimakowej firmy KRAUSS MAFFEI typu KM6 160C1. Przed procesem wtryskiwania, tworzywo w postaci granulatu poddane zosta³o czterogodzinnemu suszeniu w suszarce CABINET DRYER firmy SHINI w temperaturze 60 C. Próbki badawcze mia³y postaæ wiose- ³ek do statycznej próby rozci¹gania o gruboœci 4 mm, zgodnie z norm¹ PN-EN ISO27-2:1998. Tworzywo doprowadzane by³o do gniazda formy wtryskowej z dwóch stron, tworz¹c w jego œrodkowej czêœci obszar ³¹czenia strumieni tworzywa. Badania prowadzono wed³ug planu (tabela 1), w którym okreœlono trzy zmienne warunki procesu wtryskiwania: temperatura formy T f C temperatura wtryskiwania T w C prêdkoœæ wtrysku v w 28,2 84,6 mm/s Tabela 1. Plan badañ Rys. 2. Proces formowania obszaru ³¹czenia strumieni tworzywa [6, 14] Zmiana warunków procesu wtryskiwania, takich jak temperatura formy T f, temperatura wtryskiwania T w czy prêdkoœæ wtrysku v w, mog¹ poprawiæ jakoœæ po³¹czenia zderzaj¹cych siê strumieni tworzywa jedynie w ograniczonym zakresie [2]. Ciek³e tworzywo wype³niaj¹ce gniazdo formuj¹ce, zestala siê w bezpoœrednim s¹siedztwie jego znacznie ch³odniejszych œcianek, tworz¹c warstwê zestalonego tworzywa [1]. Zderzaj¹ce siê strumienie tworzywa po³¹cz¹ siê ze sob¹ jedynie w miejscach, w których tworzywo bêdzie dostatecznie uplastycznione, dlatego od gruboœci tej zestalonej warstwy formuj¹cej Nr Temperatura formy [ C] Temperatura wtryskiwania [ C] Prêdkoœæ wtrysku [mm/s] , , , , ,6 Pozosta³e warunki wtryskiwania by³y nastêpuj¹ce: ciœnienie docisku 0 MPa czas docisku 30 s czas ch³odzenia 10 s czas wtrysku 0, 1,8 s (w zale noœci od pozosta- ³ych warunków wtryskiwania)

3 12 El bieta BOCI GA, Damian SZYMAÑSKI Rys. 3. Obszar, w którym obserwowano morfologiê wyprasek WYNIKI BADAÑ I ICH OMÓWIENIE Morfologia wyprasek Morfologiê wyprasek obserwowano za pomoc¹ mikroskopu Nikon Eclipse E200, w œwietle przechodz¹cym, spolaryzowanym, przy powiêkszeniu 400-krotnym. Obszar, z którego pobrano œcinki do badañ mikroskopowych przedstawiono schematycznie na rysunku 3. Wyniki obserwacji morfologii wyprasek przedstawiono w tabeli 2. Z obserwacji mikroskopowych wynika, e temperatura formy jest parametrem maj¹cym najwiêkszy wp³yw na wielkoœæ szczeliny powsta³ej na powierzchni wypraski w obszarze ³¹czenia strumieni tworzywa (4 uk³ad planu badañ). Zwiêkszenie temperatury formy z 20 do 80 C, spowodowa³o zmniejszenie zarówno szerokoœci jak i g³êbokoœci karbu, decyduj¹cego o widocznoœci linii ³¹czenia strumieni tworzywa na powierzchni wypraski. Wynika to z mniejszej gruboœci zestalonej warstwy tworzywa wype³niaj¹cego gniazdo formuj¹ce o wysokiej temperaturze. Podobny efekt, lecz w znacznie mniejszym stopniu, zauwa alny jest dla wyprasek uzyskanych przy zastosowaniu wy szej wartoœci temperatury wtryskiwanego tworzywa oraz wiêkszej prêdkoœci wtrysku (2 oraz 3 uk³ad planu badañ). Najlepszy rezultat uzyskano w przypadku wyprasek wytworzonych w warunkach okreœlonych w uk³adzie planu badañ. Zwiêkszenie wartoœci wszystkich trzech badanych parametrów, pozwoli³o na zmniejszenie zarówno szerokoœci jak i g³êbokoœci powsta³ej na powierzchni wypraski szczeliny z kilkudziesiêciu do kilku mikrometrów. Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie wyprasek Statyczn¹ próbê jednoosiowego rozci¹gania przeprowadzono na maszynie wytrzyma³oœciowej Inspekt Desk 20, firmy Hegewald & Peschke. Prêdkoœæ rozci¹gania Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie m [MPa] Wypraski bez obszarów ³¹czenia strumieni tworzywa Wypraski z obszarami ³¹czenia strumieni tworzywa 2, 24,9 2,1 24,8 24,4 1,2 1,1 1,4 1 14, Numer uk³adu planu badañ Rys. 4. Wytrzyma³oœæ na rozci¹ganie wyprasek ( m ), dla poszczególnych uk³adów planu badañ

4 Wp³yw warunków wtryskiwania na w³aœciwoœci mechaniczne oraz u ytkowe wyprasek z obszarem ³¹czenia strumieni tworzywa 13 wynosi³a 0 mm/min. Okreœlono wartoœæ wytrzyma³oœci na rozci¹ganie ( m ) wyprasek z oraz bez obszarów ³¹czenia strumieni tworzywa, dla wszystkich uk³adów planu badañ. Wyniki zosta³y przedstawione na rysunku 4. Wypraski z obszarami ³¹czenia strumieni tworzywa charakteryzuj¹ siê o oko³o 10 MPa mniejsz¹ wytrzyma³oœci¹ na rozci¹ganie ni wypraski bez tych obszarów. Nie stwierdzono natomiast znacz¹cego wp³ywu badanych parametrów na wartoœæ wytrzyma³oœci na rozci¹ganie badanych wyprasek. Udarnoœæ wyprasek Udarnoœæ wyprasek z obszarami ³¹czenia strumieni tworzywa badano metod¹ Charpy ego. Próbki badawcze o wymiarach mmwyciêto z próbek do badañ wytrzyma³oœci na rozci¹ganie. Wyznaczono udarnoœæ próbek bez karbu (a cu ). Wyniki przedstawiono na rysunku. Wartoœæ udarnoœci wyprasek z obszarami ³¹czenia strumieni tworzywa zale y w g³ównej mierze od dwóch czynników. Jednym z nich jest wielkoœæ szczeliny na powierzchni wypraski. Drugim czynnikiem jest iloœæ nape³niacza, którego cz¹steczki, w obszarze ³¹czenia strumieni tworzywa, zorientowane s¹ prostopadle do kierunku przep³ywu tworzywa. Jak wykazano w pracy [17], temperatura formy oraz prêdkoœæ wtrysku maj¹ istotny wp³yw na równomiernoœæ rozmieszczenia cz¹steczek talku w przekroju poprzecznym wypraski. Podwy szenie temperatury formy, oraz zwiêkszenie prêdkoœci wtrysku z jednej strony powoduje zmniejszenie szczeliny na powierzchni wypraski, co korzystnie wp³ywa na udarnoœæ. Z drugiej zaœ strony, w tych warunkach wiêcej cz¹steczek talku przep³ywa w gor¹cym rdzeniu wypraski, os³abiaj¹c tym samym po³¹czenie zderzaj¹cych siê strumieni tworzywa, dlatego w³aœnie udarnoœæ wyprasek z 2 i 4 uk³adu planu badañ nie ró ni siê od udarnoœci wyprasek z 1 uk- ³adu. Poprawê udarnoœci zaobserwowano natomiast dla wyprasek otrzymanych dla warunków okreœlonych w 3 uk³adzie planu badañ. Podwy szenie temperatury wtryskiwanego tworzywa wp³ynê³o pozytywnie na wielkoœæ szczeliny w obszarze ³¹czenia strumieni tworzywa, nie wywieraj¹c jednoczeœnie istotnego wp³ywu na równomiernoœæ rozmieszczenia cz¹steczek talku w przekroju poprzecznym wypraski. Najmniejsz¹ udarnoœæ zarejestrowano dla wyprasek z uk³adu planu badañ, gdzie pomimo znacznego ograniczenia rozmiarów karbu na powierzchni wypraski, du a iloœæ cz¹steczek talku w czole zderzaj¹cych siê frontów strumieni tworzywa, spowodowa³a wzrost kruchoœci takiego po³¹czenia. WNIOSKI Przeprowadzone badania pozwoli³y na sformu³owanie nastêpuj¹cych wniosków: Podwy szenie temperatury formy, temperatury wtryskiwanego tworzywa oraz zwiêkszenie prêdkoœci wtrysku pozwoli³o na zmniejszenie rozmiarów szczeliny, powstaj¹cej na powierzchni wypraski w obszarze ³¹czenia strumieni tworzywa, co jest korzystne

5 14 El bieta BOCI GA, Damian SZYMAÑSKI 6 Udarnoœæ a [kj/m ] 2 cu ,7 3,7 3,7 2, Numer uk³adu planu badañ Rys.. Udarnoœæ wyprasek z obszarami ³¹czenia strumieni tworzywa, dla wszystkich uk³adów planu badañ ze wzglêdu na wygl¹d powierzchni wypraski. Temperatura formy jest czynnikiem maj¹cym najwiêkszy wp³yw na rozmiary tej szczeliny, Wypraski z obszarami ³¹czenia strumieni tworzywa charakteryzuj¹ siê o oko³o 40% mniejsz¹ wytrzyma- ³oœci¹ na rozci¹ganie, w porównaniu do wyprasek bez tych obszarów. Badane warunki procesu wtryskiwania (temperatura formy, temperatura wtryskiwania, prêdkoœæ wtrysku) nie wywar³y znacz¹cego wp³ywu na wartoœæ wytrzyma³oœci na rozci¹ganie wyprasek wykonanych z kompozytu polipropylenu z 20% zawartoœci¹ talku. Udarnoœæ wyprasek z obszarami ³¹czenia strumieni tworzywa zale y w g³ównej mierze od równomiernoœci rozmieszczenia cz¹steczek talku w przekroju poprzecznym wypraski, na któr¹ wp³ywaj¹ warunki wtryskiwania. Literatura [1] Kovács J. G., Sikló B.: Experimental validation of simulated weld line formation in injection moulded parts. Polymer Testing, 2010, 29, s [2] Erhard G.: Designing With Plastics. Hanser Gardner Publications, Munich [3] Rauwendaal C.: SPC Statistical Process Control in Injection Molding and Extrusion. Hanser Publishers, Munich [4] C-MOLD Design Guide. A Resource for Plastics Engineers, Third Edition. C-MOLD, Ithaca, New York, U.S.A, [] Osswald T. A., Turng L.-S., Gramann P. J.: Injection Molding Handbook. Hanser Publishers, Munich [6] Wang G., Zhao G., Wang X.: Effects of cavity surface temperature on reinforced plastic part surface appearance in rapid heat cycle moulding. Materials and Design, 2013, 44, s [7] Boci¹ga E., Jaruga T.: Badania mikroskopowe przep³ywu tworzywa w kana³ach 16-gniazdowej formy wtryskowej. Polimery, 2006, 1, 11-12, s [8] Sikora R., Boci¹ga E.: Wybrane zagadnienia przep³ywu tworzywa w formie wtryskowej. Polimery, 2003, 48, 2, s [9] Boci¹ga E., Jaruga T.: Weld Line Problems in Injection Moulded Parts. PPS-18 Polymer Processing Society Meeting. Guimares, 2002, s [10] Kim J. K., Song J. H., Chung S. T., Kwon T. H.: Morphology and Mechanical Properties of Injection Molded Articles With Weld-lines. Polymer Engineering and Science, 1997, 37, s [11] Son Y., Ahn K. H., Char K.: Weldline Morphology of Injection Molded Modified Poly(phenylene-oxide)/Polyamide-6 Blends. Polymer Engineering and Science, 2001, 41, 3, s [12] Kim J. K., Park S. H., Taek O H., Jeon H. K.: The effect of weld-lines on the morphology and mechanical properties of amorphous polyamide/poly(ethylene-ran-propylene) blend with various amounts of an in situ compatibilizer. Polymer, 2001, 42, s [13] Ezrin M.: Plastics Failure Guide: Cause and Prevention. Hanser publishers, New York [14] Beaumont J. P., Nagel R., Sherman R.: Successful Injection Molding, Process, Design, and Simulation. Hanser Publishers, Munich [1] Boci¹ga E.: Procesy determinuj¹ce przep³yw tworzywa w formie wtryskowej i jego efektywnoœæ. Wydawnictwo Politechniki Czêstochowskiej, Czêstochowa [16] Tosello G., Gava A., Hansen H. N., Lucchetta G., Marinello F.: Characterization and analysis of weld lines on micro-injection moulded parts using atomic force microscopy (AFM). Wear, 2009, 266, s [17] Boci¹ga E., Szymañski D.: Wp³yw warunków wtryskiwania na po³ysk i strukturê wyprasek wtryskowych z kompozytu polipropylenu z talkiem. Przetwórstwo Tworzyw, 2012, 149,, s Projekt zosta³ sfinansowany ze œrodków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji numer DEC-2011/03/N/ST8/09