Analiza odkszta³ceñ wyprasek wtryskowych wytwarzanych w warunkach asymetrii temperatury formy

Transkrypt

1 Analiza odkszta³ceñ wyprasek wtryskowych wytwarzanych w warunkach asymetrii temperatury formy 155 Karol BULA, BULA*, Dawid KUCHARSKI** * Politechnika Poznañska, Instytut Technologii Materia³ów, ul. Piotrowo 3, Poznañ ** Politechnika Poznañska, Instytut Technologii Mechanicznej, ul. Piotrowo 3, Poznañ Karol.Bula@put.poznan.pl Analiza odkszta³ceñ wyprasek wtryskowych wytwarzanych w warunkach asymetrii temperatury formy Streszczenie: W pracy przedstawiono analizê wp³ywu asymetrii temperatury formy wtryskowej na odkszta³cenia wyprasek z polipropylenu, prostopad³oœciennych, o gruboœci 4 mm. Zastosowano formê zimno-kana³ow¹ z wlewem bezpoœrednim, formê ch³odzono wod¹ w uk³adzie U. Program badañ dotyczy³ wytwarzania wyprasek w formie termostatowanej, dla której sekwencyjnie zmieniano temperaturê: czeœæ nieruchoma/czêœæ ruchoma odpowiednio: 30 C/30 C, 30 C/45 C, 30 C/60 C, 30 C/75 C. Po wyjêciu z formy wtryskowej zauwa ono widoczne deformacje p³aszczyzn wypraski w kierunku czêœci formy o ni szej temperaturze. Wypraski wtryskowe pos³u y³y do wyciêcia prostopad³oœciennych próbek, które poddano niestandardowej próbie zginania dla okreœlenia si³y potrzebnej do zniwelowania deformacji (ugiêcia) próbki. Okreœlono tak e naprê enia zginaj¹ce. Badania odkszta³cenia powierzchni z wykorzystaniem optycznego skanera 3D ATOS II wykaza³y, e dla najwiêkszej asymetrii temperatury formy 30 C/75 C odkszta³cenie krawêdzi wypraski wynosi 2,3 mm w odniesieniu do powierzchni bazowej. Równoczeœnie stwierdzono, e naprê enia zginaj¹ce towarzysz¹ce zniwelowaniu ugiêcia próbki wynosz¹ 3,56 MPa dla wypraski uzyskanej z formy termostatowanej: 30 C/75 C. WARPAGE OF INJECTION MOLDED PARTS IN CASE OF ASYMMETRICAL MOLD TEMPERATURE Abstract: The work concerning the analysis of asymmetrical mold temperature application on warpage of injection molded parts, with 4 mm of thickness made of polypropylene. The mold with cold runner and simple cooling channel with U shape was applied. Injection molded parts were made with the temperature mold set as: non-moved plate/moved plate respectively 30 C/30 C, 30 C/45 C, 30 C/60 C, 30 C/75 C. After cooling the warpage of injection molded parts was detected. The flexural strength was estimated with the samples cut from obtained details in 3-point bending non-standard test. The base of this test was to evaluate the force and finally the stress which is necessary to minimize the deformation of sample cut from the molding. To calculate the shrinkage and for the deformation analysis an optical scanner ATOS Triple Scan was used. It was noticed that the mold temperature settings have the significant influence on the deformation of the moulding. 1. Wprowadzenie Regulacja temperatury uk³adu ch³odzenia w formach wtryskowych odgrywa du ¹ rolê w uzyskiwaniu okreœlonych w³aœciwoœci wyprasek. W fazie wype³niania formy wtryskowej ciek³ym tworzywem i procesu jego och³adzania, a dla wybranych tworzyw krystalizacji, kszta³towane s¹ nastêpuj¹ce cechy wypraski: orientacja makrocz¹steczek, udzia³ obszarów krystalicznych, stopieñ upakowania makrocz¹steczek. Ponadto zastosowana temperatura formy decyduje o wygl¹dzie powierzchni, widocznych liniach ³¹czenia, naprê eniach w³asnych w wyrobie i innych. [1-3] Z tych wzglêdów termostatowanie formy jest konieczne dla uzyskania po ¹danych cech wyrobu. Równomierny odbiór ciep³a od œciany formy uzyskuje siê poprzez poprawne rozmieszczenie kana³ów ch³odz¹cych, ich œrednicê oraz odleg³oœæ od powierzchni formuj¹cej. Niestety czêsto wskutek skomplikowanej budowy stempla i matrycy formuj¹cej nie mo na odwzorowaæ dok³adnie tego samego sposobu ch³odzenia w obydwu czêœciach formy. Wystêpuj¹ce ró nice temperatury stempla i matrycy mog¹ skutkowaæ nierównomiernym skurczem i powodowaæ deformacje wypraski. Ponadto zastosowanie szeregowego uk³adu ch³odzenia, w którym ch³odziwo przep³ywa przez kana³y ch³odz¹ce w kilku obiegach, powoduje jego nagrzanie i asymetriê odbioru ciep³a z elementów formuj¹cych. Nagrzanie ch³odziwa spowodowane bêdzie m.in. przez du ¹ powierzchniê wymiany ciep³a (powierzchnie kana³ów), jak równie zmniejszenie natê enia przep³ywu ch³odziwa wskutek spadku ciœnienia w d³ugich kana³ach. Jedn¹ z wad wypraski, powstaj¹cych podczas procesu wtryskiwania, jest niepo ¹dana deformacja jej kszta³tu bêd¹ca nastêpstwem skurczu. Po pewnym czasie od uformowania wypraski mo e nast¹piæ jej skrêcenie, pofa³dowanie powierzchni, nieproporcjonalna zmiana wymiarów, deformacja k¹tów. Powodem tego jest nierównomierny skurcz w poszczególnych fragmentach gotowego wyrobu. Deformacja, zwyczajowo okreœlania jako paczenie siê wypraski, jest spowodowana najczêœciej asymetrycznym odbiorem ciep³a od œcian wypraski, oraz orientacj¹ makrocz¹steczek [4]. Wypraska wskutek nierównomiernego odbioru ciep³a i ma³ej sztywnoœci ulega wypaczeniu, poniewa jedna strona jest poddana naprê eniom œciskaj¹cym natomiast przeciwleg³a naprê eniom rozci¹gaj¹cym. Dzieje siê tak na skutek ró - nego skurczu po obu stronach wypraski. W efekcie czeœæ wypraski formowana po stronie czêœci formy o ni szej temperaturze ulega wygiêciu w kierunku powierzchni formowanej przy œciance o wy szej temperaturze [5,6]. Nierównomierny odbiór ciep³a ze œciany wypraski powo-

2 156 Karol BULA, Dawid KUCHARSKI duje przesuniecie gor¹cego rdzenia i zmianê rozk³adu naprê eñ œciskaj¹cych i rozci¹gaj¹cych w przekroju wypraski. Jest tak e odpowiedzialny za zjawisko asymetrii termokinetycznej przep³ywu w gnieÿdzie formy jak równie za powstanie gradientu mikrostruktury w wytworach z polipropylenu [7-9]. Zró nicowanie skurczu w poszczególnych obszarach wypraski jest przyczyn¹ (podobnie jak zró nicowanie odkszta³ceñ) powstania bli ej nieokreœlonego stanu naprê- eñ w³asnych w wyprasce. W przypadku wyprasek o du- ej sztywnoœci naprê enia zostaj¹ utrwalone w wyprasce i wp³ywaj¹ na w³aœciwoœci wytrzyma³oœciowe materia³u. Je eli nominalne w³aœciwoœci mechaniczne zostan¹ zmniejszone, np. przez oddzia³ywanie œwiat³a, karbu, czynników agresywnych otoczenia itp., ujawniaj¹ siê w postaci mikrorys i pêkniêæ. W przypadku wyrobów o mniejszej sztywnoœci d¹ enie do stanu równowagi spowoduje wypaczenia wyprasek. Celem pracy by³o sprawdzenie poziomu deformacji wyprasek wtryskowych wykonanych z izotaktycznego polipropylenu otrzymanych przy niesymetrycznej temperaturze dwóch podzespo³ów formy z centralnie umieszczonym punktem wtrysku. Ponadto zaplanowano poœrednie okreœlenie naprê eñ w³asnych w wypraskach wtryskowych poprzez niestandardow¹ próbê zginania. 2. Czêœæ eksperymentalna Rys. 1. Rzuty wypraski wytworzonej w formie z wlewem bezpoœrednim: a) rzut z boku, b) rzut od czo³a, obszar zakreskowany oznacza miejsce wycinania próbek do testu zginania Analizê wp³yw asymetrii temperatury formy wtryskowej na odkszta³cenia wyprasek wtryskowych przeprowadzono przy u yciu próbek w kszta³cie prostopad³oœcianu o gruboœci 4 mm. Próbki wytwarzano z homopolimeru Moplen HP648T o wskaÿniku szybkoœci p³yniêcia 53 g/10min. Zakres temperatury uplastyczniania wynosi³ C, prêdkoœæ wtrysku 115 mm/s. Zastosowano formê zimno-kana³ow¹ z wlewem bezpoœrednim, z gniazdem o wymiarach mm. Formê ch³odzono wod¹ w uk³adzie kana³ów U. Kana³y o œrednicy 10 mm rozmieszczono w odleg³oœci 16,25 mm do gniazda formy (ruchoma czêœæ formy) oraz w odleg³oœci 14 mm od p³aszczyzny styku p³yty formuj¹cej p³askiej z wyprask¹ (czêœæ nieruchoma). Program badañ dotyczy³ wytwarzania wyprasek w formie termostatowanej, dla której sekwencyjnie zmieniano temperaturê: czeœæ nieruchoma/czêœæ ruchoma odpowiednio: 30 C/30 C, 30 C/45 C, 30 C/60 C, 30 C/75 C, a tak e czeœæ ruchoma/czêœæ nieruchoma odpowiednio: 45 C/30 C, 60 C/30 C, 75 C/30 C. Czas ch³odzenia wynosi³ w ka dym cyklu 50 s. Po wyjêciu wypraski z formy wtryskowej zauwa ono deformacje wypraski, której krawêdzie uleg³y wygiêciu w kierunku czêœci formy o ni szej temperaturze. Wypraski wtryskowe pos³u y³y do wyciêcia prostopad³oœciennych próbek o wymiarach mm. Wymiary wypraski oraz miejsce pobrania próbek zamieszczono na rysunku 1. Wyciête próbki poddano niestandardowej próbie zginania w celu okreœlenia si³y potrzebnej do wyprostowania zdeformowanej próbki, zniwelowania ugiêcia. Badania przeprowadzono na maszynie Instron 4481 z wykorzystaniem rewersora. Na podstawie pomiarów si³y obliczono tak e naprê enia zginaj¹ce. Odkszta³cenia powierzchni wyprasek wyznaczono z wykorzystaniem optycznego skanera 3D ATOS II, który z dok³adnoœci¹ do ±0,02 mm rejestrowa³ po³o enie punktów na powierzchni wypraski i umo liwi³ graficzne odwzorowanie jej kszta³tu. Rejestrowano punkty na powierzchni wyprasek i odniesiono wspó³rzêdne punktów do wspó³rzêdnych punktów, które utworzy³y powierzchniê bazow¹. Powierzchnia bazowa zosta³a uprzednio okreœlona poprzez skanowanie wyprasek uzyskanych dla nastaw temperatury formy: 30 C/30 C. W trakcie przeprowadzania eksperymentu rejestrowano temperaturê formy wtryskowej dwoma czujnikami umieszczonymi w ka dej z p³yt formuj¹cych. Dok³adnoœæ pomiaru temperatury wynosi³a ± 0,6 C. Temperaturê rejestrowano z wykorzystaniem 24-bitowego przetwornika NI Rejestrowano zmiany temperatury formy w pobli u wlewka oraz krawêdzi wypraski. Rysunek 2 przedstawia po³o enie czujników temperatury oraz uk³ad kana³ów ch³odz¹cych. Przyk³adowy przebieg zmian temperatury elementów formuj¹cych dla za³o onej asymetrii temperatury formy w funkcji czasu przedstawiono na rys. 3 oraz 4.

3 Analiza odkszta³ceñ wyprasek wtryskowych wytwarzanych w warunkach asymetrii temperatury formy 157 Rys. 3. Wykres zmiany temperatury p³yt formuj¹cych w funkcji czasu dla programu nastaw temperatury: czêœæ ruchoma 30 C / czêœæ nieruchoma 45 C Na rys. 3 i 4 mo na zaobserwowaæ, e temperatura mierzona czujnikiem nr 2 oraz czujnikiem nr 4 znacznie przekracza temperaturê zak³adan¹, ustalon¹ w termostacie. Dzieje siê tak poniewa termopara umiejscowiona jest blisko tulei wtryskowej, która ma wy sza temperaturê na skutek przylegania do dyszy uk³adu uplastyczniaj¹cego. Nale y zaznaczyæ, e proces prowadzono bez odsuwania uk³adu uplastyczniaj¹cego w fazie ch³odzenia wypraski z uwagi na otwart¹ dyszê i mo liwoœæ wyciekania z niej tworzywa o du ym MFR. Dodatkowym czynnikiem powoduj¹cym podwy szenie temperatury w okolicy tych czujników by³o gor¹ce tworzywo. Nale y podkreœliæ, e dla czêœci nieruchomej formy cykliczne zmiany temperatury by³y œrednio o oko³o 10 C wy sze od nastaw. Najwiêksz¹ amplitudê zmian temperatury zanotowano dla czujników 2 oraz 4. W ka dym przypadku wartoœci rejestrowane by³y wy sze od nastaw. Rys. 2. Rzuty p³yt formuj¹cych wraz z rozmieszczeniem kana³ów ch³odz¹cych oraz umiejscowieniem czujników temperatury (1 4), a) p³yta formuj¹ca od strony wlewka, nieruchoma, b) p³yta formuj¹ca z gniazdem, p³yta ruchoma 3. Wyniki badañ Po wytworzeniu próbek w procesie wtryskiwania do formy termostatowanej z za³o on¹ asymetri¹ temperatury formy zauwa ono prawid³owoœæ, próbki w kszta³cie prostopad³oœcianu ulega³y wygiêciu w kierunku czeœæ formy o ni szej temperaturze. Jest to skutek przesuniêcia gor¹cego rdzenia wypraski w kierunku czêœci formy o wy szej temperaturze, oraz nierównomiernego rozk³a- Rys. 4. Wykres zmiany temperatury p³yt formuj¹cych w funkcji czasu dla programu nastaw temperatury: czêœæ ruchoma 30 C / czêœæ nieruchoma 75 C

4 158 Karol BULA, Dawid KUCHARSKI Rys. 5. Wyniki pomiaru si³y zginaj¹cej, dla próbek pochodz¹cych z serii 30 C / 45 C Rys. 6. Wyniki pomiaru si³y zginaj¹cej, dla próbek pochodz¹cych z serii 30 C / 75 C du naprê eñ rozci¹gaj¹cych w przekroju wypraski, opisywane w literaturze [5,6]. Zjawisku nierównomiernej krystalizacji polipropylenu, zwi¹zanej z gradientem temperatury wewn¹trz wypraski i wspomnianej lokalizacji gor¹cego rdzenia, towarzyszy nierównomierny skurcz objêtoœciowy oraz tworzenie siê lokalnie naprê eñ w³asnych. W celu oszacowania naprê eñ w³asnych w wypraskach wykonano test zginania trójpunktowego belek wyciêtych zgodnie ze schematem zamieszczonym na rysunku 1. Test okreœlono jako niestandardowa próba zginania, a celem badania by³o okreœlenie si³y potrzebnej do odkszta³cenia próbki, w taki sposób, aby zniwelowaæ jej ugiêcie, które by³o wynikiem asymetrycznego ch³odzenia. Dokonywano tylko pomiaru si³y, pomijaj¹c strza³kê ugiêcia. Test przeprowadzono z prêdkoœci¹ przesuwu trawersy 10 mm/min. Na rysunkach 5-6 przedstawiono wykresy zmiany si³y w funkcji przemieszczenia trawersy do momentu wyprostowania belki. Kolejnym krokiem by³o obliczenie wartoœci naprê enia zginaj¹cego, przy uwzglêdnieniu wskaÿnika wytrzyma³oœci przekroju na zginanie belki o przekroju prostok¹ta i wymiarach nominalnych 10 4 mm. Wzór do obliczenia naprê enia zginaj¹cego: M max (1) W gdzie: M max maksymalny moment gn¹cy, W wskaÿnik wytrzyma³oœci przekroju na zginanie. Wartoœci si³y koniecznej do zniwelowania ugiêcia próbki przedstawiono w tabeli 1. Z otrzymanych danych eksperymentalnych (przyk³ady na rys. 5,6) jednoznacznie wynika, e w celu wyprostowania lub inaczej formu³uj¹c zni-

5 Analiza odkszta³ceñ wyprasek wtryskowych wytwarzanych w warunkach asymetrii temperatury formy 159 Naprezenia zginajace [Pa] Rys. 7. Wartoœci naprê eñ zginaj¹cych dla próbek z asymetrycznie termostatowan¹ form¹ (podpisy osi X dotycz¹ programu nastaw temperatury ruchomej i nieruchomej czêœci formy) welowania ugiêcia belki, najwiêksz¹ si³¹ nale y obci¹ yæ próbki wyciête z wyprasek, które wytwarzano przy najwiêkszej asymetrii temperatury formy (w zapisie umownym: 30 C-75 C oraz 75 C-30 C) (rys. 7). Równoczeœnie stwierdzono, e naprê enia zginaj¹ce towarzysz¹ce wyprostowaniu próbki wynosz¹ 3,57 MPa dla asymetrii temperatury formy: 30 C-75 C. Prostoliniowy kszta³t wykresów zmian wartoœci si³y w funkcji przemieszczenia trawersy zarejestrowany dla wszystkich próbek, œwiadczy o wystêpowaniu tylko odkszta³ceñ sprê ystych. Taki przebieg sugeruje, e w ka dym przypadku po zakoñczeniu badania próbki powróci³y do pierwotnego kszta³tu. Pomiary odkszta³cenia wyprasek wtryskowych przeprowadzono z wykorzystaniem optycznego skanera 3D ATOS II, który z dok³adnoœci¹ do ±0,02 mm rejestrowa³ po³o enie punktów na powierzchni wypraski i umo liwi³ graficzne odwzorowanie jej kszta³tu. Pomiary wykonano dla ka dego uk³adu temperatury formy, tak e dla nastawy Badano powierzchnie wypraski ukszta³towan¹ przez czêœæ nieruchom¹ formy, od strony uk³adu wlewowego maj¹c¹ bezpoœredni kontakt z gor¹c¹ dysz¹ wtryskow¹. Na rys. 8 przedstawiono wyniki uzyskane przy skrajnych nastawach temperatury ch³odzenia podzespo³ów a) b) c) d) Rys. 8. Odkszta³cenia wyprasek uzyskane z wykorzystaniem skanera 3D, ilustrujaca odksztacenia powierzchni wyprasek od strony wlewka, dla nastaw temepratury formy: a) 30-30, b) 30-45, c) 30-60, d) 30-75

6 160 Karol BULA, Dawid KUCHARSKI Tab. 1. Wyniki pomiarów si³y zginaj¹cej oraz obliczonego naprê enia zginaj¹cego, w niestandardowej próbie trójpunktowego zginania Umowny zapis asymetrii temperatury formy Œrednia wartoœæ si³y zginaj¹cej, F [N] Odchylenie standardowe, S [N] Moment gn¹cy, M max [N m] WskaŸnik wytrzyma³oœci przekroju na zginanie, W [m 3 ] Naprê enia zginaj¹ce (obliczone), [Pa] ,69 0,74 0,174 0, ,91 0,43 0,198 0, ,9 0,3 0,238 0, ,25 0,37 0,165 0, ,24 0,56 0,205 0, ,55 0,89 0,231 0, formy. Badania wykaza³y, e wraz ze zwiêkszaniem ró - nicy temperatury podzespo³ów formy nastêpuje zwiêkszanie stopnia deformacji wyprasek. Nie stwierdza siê znacz¹cych oddzia³ywañ rozmieszczenia kana³ów ch³odz¹cych na deformacjê wypraski. Wtryskiwane wyroby w wiêkszoœci przypadków ulegaj¹ równomiernej deformacji we wszystkich kierunkach. Badania skanerem 3D Rys. 9. Zestawienie wartoœci maksymalnego odkszta³cenia próbek oraz zarejestrowanej przez system skanera 3D geometrii bocznej œciany wyprasek próbek prostopad³oœciennych wykaza³y, e dla najwiêkszej asymetrii temperatury formy 30 C-75 C odkszta³cenie krawêdzi wypraski wynosi 2,3 mm w odniesieniu do powierzchni bazowej, dla warunków 30 C-60 C odkszta³cenie to wynosi 1,2 mm, natomiast dla asymetrii 30 C-45 C oko³o 1 mm (rys. 9). 4. Wnioski Wyniki przeprowadzonych badañ wykaza³y jednoznacznie, e asymetria temperatury formy ma istotny wp³yw na poziom odkszta³ceñ wypraski z polipropylenu o gruboœci 4 mm, nawet dla ró nicy temperatury podzespo³ów formy wynosz¹cej 15 C. Rejestrowanie temperatury formy ujawni³o, e istnieje wyraÿne oddzia³ywanie gor¹cego tworzywa w dyszy wtryskowej na temperaturê podzespo³ów formy zamocowanej na stole nieruchomym wtryskarki. Tak e lokalizacja punktu wtrysku, a w przypadku wlewu bezpoœredniego z tulei wtryskowej, wp³ywa na proces zestalania wypraski, a nastêpnie na jej skurcz i deformacjê. Zmierzono si³y potrzebne do zniwelowania ugiêcia próbki, które nastêpnie pos³u y³y do wyznaczenia naprê enia zginaj¹cego, stanowi¹cego poœredni¹ informacjê o naprê eniach w³asnych w wypraskach wtryskowych z polipropylenu. Sposób wyciêcia belek z wyprasek prostopad³oœciennych sugeruje jednak, e nie s¹ to wartoœci adekwatne dla ca³ej wypraski, jedynie dla reprezentatywnego wycinka. Z wykorzystaniem skanera optycznego wyznaczono odkszta³cenie wyprasek. Dowiedziono prawid³owoœci, która zaistnia³a pomiêdzy wzrastaj¹cym stopniem odkszta³cenia próbek i wzrostem naprê eñ zginaj¹cych, które zmierzono przy zniwelowaniu ugiêcia próbek. Wydaje siê, e dalsze badania powinny byæ prowadzone w oparciu o pomiary deformacji w zale noœci od czasu przebywania materia³u w formie wtryskowej, co jest bardzo interesuj¹ce z punktu widzenia kompromisu wi¹ ¹cego wydajnoœæ technologii (skrócenie ch³odzenia) a koniecznoœci¹ utrwalenia kszta³tu przez narzêdzie formuj¹ce. Podziêkowania Praca zosta³a sfinansowana ze œrodków pochodz¹cych z programu /13 DS-PB. Literatura 1. Praca zbiorowa pod redakcj¹ Wilczyñski K., Przetwórstwo tworzyw sztucznych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa Smorawiñski A. Technologia wtrysku, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa Postawa P., Skurcz przetwórczy wyprasek a warunki wtryskiwania, 2005, Polimery, vol. 50, str Zawistowski H., Frenkler, D. Konstrukcja form wtryskowych do tworzyw termoplastycznych, Wydawnictwo Naukowo- -Techniczne, Warszawa 1984.

7 Analiza odkszta³ceñ wyprasek wtryskowych wytwarzanych w warunkach asymetrii temperatury formy Beaumont J. P., Runner and Gating Design Handbook, Carl Hanser Verlag, Munich, 2004r. 6. Kwiecieñ J., Paczenie wyprasek, PlastNews, Poradnik przetwórcy tworzyw sztucznych 7/2007, str Boci¹ga E., Jaruga T., Lubczyñska K., Gnatowski A., Warpage of injection molded parts as the result of mold temperature differences, 2010, Archives of Materials science and Engineering, vol. 44, 1, str Boci¹ga E., Jaruga T., Wtryskiwanie precyzyjne, 2008, Kom. Bud. Ekspl. Masz. Elektrotech. Bud. OL PAN, str Jaruga T., Struktura wyprasek wtryskowych uzyskana przy ró - nych wartoœciach temperatury formy, Praca zbiorowa pod red. E. Boci¹gi Przetwórstwo materia³ów polimerowych, 2010, Wydawnictwo CWA Regina Poloniae, Czêstochowa, str