PTW - laboratorium Ćwiczenie 1 Formowanie wtryskowe termoplastycznych tworzyw sztucznych Instrukcja laboratoryjna Człowiek - najlepsza inwestycja Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Warszawa 2012
2 Ćwiczenie 1 1. WSTĘP 1.1. Cel ćwiczenia Zapoznanie studentów z podstawową techniką wytwarzania wyrobów z do tworzyw termoplastycznych, jaką jest wtryskiwanie: - bodowa wtryskarki, - analiza procesu formowania kształtek metodą wtryskiwania, - cel stosowania testu spiralnego. 1.2. Zakres wymaganych wiadomości Prawidłowe przygotowanie do przeprowadzenia ćwiczenia wymaga zaznajomienia się z obowiązującą instrukcją oraz z odpowiednim fragmentem wykładu. Niezbędne jest również uzupełnienie wiadomości w oparciu o podstawową literaturę z zakresu rodzajów i przetwórstwa termoplastycznych tworzyw sztucznych. 2. WPROWADZENIE (Opis technologii, jej istota, zjawiska fizyczne, parametry i warunki technologiczne procesu, zastosowania). 2.1. Informacje ogólne 2.1.1 Istota formowania wtryskowego tworzyw termoplastycznych Najbardziej rozpowszechnioną metodą wytwarzania elementów z termoplastycznych tworzyw sztucznych jest formowanie wtryskowe. Istota formowania wtryskowego polega na nagrzaniu porcji materiału wyjściowego, na ogół w postaci granulek lub drobnej krajanki, do stanu plastycznego a następnie wtryśnięciu go pod wysokim ciśnieniem do zamkniętej formy, której gniazdo odwzorowuje kształt wytwarzanego elementu. Po wtryśnięciu tworzywo zestala się na skutek spadku temperatury. Po zestaleniu się tworzywa, gotowa kształtka jest usuwana z wnętrza formy wtryskowej.
Ćwiczenie 1 3 Na rys. 1 przedstawiono schematycznie dwa zasadnicze zespoły występujące we wtryskarce i biorące bezpośredni udział w procesie wtrysku: formę wtryskową i zespół uplastyczniająco-wtryskujący. Rys. 1 Forma wtryskowa i zespół uplastyczniająco-wtryskujący 1 cylinder, 2 lej zasypowy zawierający zapas materiału wtryskiwanego, 3 ślimak (tłok) realizujący proces wtryskiwania, 4 grzałki elektryczne osadzone bezpośrednio na cylindrze, 5 dysza wtryskowa (osadzona w cylindrze), 6 tulejka wtryskowa (element formy wtryskowej), 7 gniazdo formujące formy wtryskowej, 8 płyty formy wtryskowej ustalone względem siebie za pomocą słupów prowadzących. Głównym elementem układu uplastyczniającego jest grubościenna rura stanowiąca cylinder (1), w którym z jednej strony osadzona jest tulejka z wąskim kanałem zwana dyszą wtryskową (5), a drugiej strony wyposażony jest w ruchomy ślimak (3). Na cylindrze i dyszy wtryskowej umieszczone są grzałki elektryczne w postaci pierścieni (4). W ściance bocznej cylindra wykonany jest otwór, przez który z leja zasypowego (2) podawane są nowe porcje tworzywa sztucznego. Cylinder spełnia w procesie wtryskiwania bardzo istotną rolę. Polega ona na nagrzaniu tworzywa do całkowitego cieplnego uplastycznienia umożliwiając jego wtryśnięcie pod ciśnieniem wytworzonym przesuwającym się ślimakiem (w trakcie wtryskiwania ślimak, dzięki zainstalowanemu zaworowi zwrotnemu, pracuje jak tłok) przez dyszę wtryskową (5) i tulejkę wtryskową (6) do gniazda formy wtryskowej, w której następuje ukształtowanie tworzywa w gotowy wyrób i jego zestalenie w ciągu kilku (kilkunastu) sekund.
4 Ćwiczenie 1 Forma wtryskowa jest narzędziem (oprzyrządowaniem) indywidualnie zaprojektowanym i wykonanym dla każdego wytwarzanego elementu i nie stanowi integralnej części wtryskarki. Formy wtryskowe są bardzo skomplikowanymi narzędziami i dlatego ich wytwarzanie jest opłacalne jedynie przy produkcji wielkoseryjnej i masowej. Zasadniczymi jej elementami są dwie grubościenne płyty (8). Płyta pokazana na rysunku z prawej strony określana jest jako płyta (dokładniej: zespół płyty) stała gdyż mocowana jest do stałego (nieprzemieszczającego się) stołu stałego wtryskarki. Płyta usytuowana z lewej strony (zespół płyty) mocowana jest do stołu ruchomego wtryskarki i dlatego określana jest jako płyta ruchoma. W płaszczyźnie styku obu płyt znajduje się gniazdo formujące, zaprojektowane tak by po rozsunięciu możliwe było usunięcie uzyskanej kształtki. 2.1.2. Działanie wtryskarki Wtryskarki, czyli maszyny do realizacji procesu wtrysku wytwarzane są obecnie jako ślimakowe. Jako pierwsze wytwarzane były wtryskarki tłokowe, ale ze względu na ich zasadnicze wady (niemożność dokładnego ujednorodnienia temperaturowego całej masy uplastycznionego tworzywa) ich produkcja została praktycznie zakończona, a ich wykorzystanie w szybkim tempie zmniejsza się. Działanie układu ślimakowego przedstawiono na rys. 2.
Ćwiczenie 1 5 a) b) c) Rys. 2. Fazy pracy układu ślimakowego a) forma otwarta, ślimak wycofany, b) napełnianie formy (wtryskiwanie tworzywa), c) docisk ślimaka w celu zapobieżenia wstecznego wypływu plastycznego tworzywa (trwa do czasu jego zestalenia). Przetwarzane tworzywo sztuczne podawane jest do cylindra poprzez lej zasypowy na obracający się ślimak. Ruch obrotowy ślimaka powoduje przesuwanie masy do gorącej strefy cylindra. Poprawność przebiegu procesu zapewnia właściwa konstrukcja ślimaka. Na rys. 3 zaprezentowano najczęściej stosowany rodzaj ślimaka, tzw. ślimak uniwersalny. Rys. 3. Ślimak uniwersalny A strefa zasilania, B strefa sprężania, C strefa dozowania, z zawór zwrotny ślimaka.
6 Ćwiczenie 1 Jego konstrukcja charakteryzuje się stałym skokiem gwintu p i zmienną głębokością rowka śrubowego, malejącą od h do h 1. Można w nim wyodrębnić trzy strefy spełniające różne funkcje. Są to: strefa zasilania A, strefa sprężania B i strefa dozowania C. Obracający się ślimak powoduje wciąganie tworzywa w swoje wręby i intensywne mieszanie granulek zapewniając równomierne ich nagrzanie (od ścianki cylindra). W wyniku ruchu obrotowego ślimaka, tworzywo przemieszczane jest do przedniej części cylindra wypełniając je całkowicie. Dalsze napływające porcje tworzywa, powodując wzrost ciśnienia wywołują samoczynny ruch wsteczny ślimaka do pozycji tylnej (rys. 2a). Tworzywo w czasie uplastyczniania, sprężone w przedniej części cylindra nie może wypłynąć przez dyszę, która jest w tym czasie zamknięta (jest to tzw. dysza samozamykająca). Otwarcie dyszy następuje dopiero wówczas, gdy cylinder zostanie dociśnięty do formy wtryskowej. Sytuację tę przedstawiono na rys. 4. Rys. 4. Samozamykająca dysza wtryskowa W pewnych przypadkach (szczególnie przy wtryskiwaniu tworzyw o dużej lepkości) nie muszą być stosowane dysze samozamykające. W ich miejsce stosuje się, przestawione na rys. 5 tzw. dysze niezamykane (otwarte), które zapobiegają powstawaniu znacznych oporów przepływu tworzywa w trakcie wtryskiwania oraz są znacznie prostsze w budowie. Należy zaznaczyć, że podczas wtryskiwania te opory przesądzają o dużych stratach ciśnienia wtrysku. W celu wyeliminowania tego niekorzystnego zjawiska konieczne jest znaczne zwiększenie ciśnienia wtryskiwania.
Ćwiczenie 1 7 Rys. 5. Dysze niezamykane(wkręcane w cylinder) W dyszach niezamykanych, przed intensywnym wyciekaniem tworzywa zapobiega pobieranie nowej porcji tworzywa, gdy dysza wtryskowa cylindra jest silnie dociskana do tulejki wtryskowej formy. Wtrysk tworzywa do formy poprzedzony jest zamknięciem formy wtryskowej i dosunięciem agregatu uplastyczniającego do formy tak, aby zachodziło silne zwarcie dyszy wtryskowej cylindra z tulejką wtryskową. Wtrysk tworzywa do formy jest realizowany postępowym ruchem ślimaka do przodu. W trakcie wtryskiwania ślimak pracuje jak tłok, dzięki zainstalowanemu zaworu zwrotnego w jego przedniej części (rys. 6, rys. 7). a) b) Rys. 6. Schemat zaworu zwrotnego ślimaka w postaci pierścienia zamykającego a) zawór zamknięty podczas wtryskiwania, b) zawór otwarty podczas wtryskiwania tworzywa i przepływ tworzywa do przestrzeni pomiędzy dyszą i czołem ślimaka.
8 Ćwiczenie 1 Elementy składowe standardowego zaworu zwrot- Rys. 7. Zawór zwrotny po złożeniu elementów, jako zespół jest wkręcany w osiowo wykonany otwór ślimaka Zawór zwrotny ukształtowany jest w postaci pierścienia. Osadzony jest on na cylindrycznej części ślimaka. Tulejka zaworu zwrotnego ma możliwość swobodnego przesuwania się wzdłuż osi ślimaku na ograniczonym odcinku. Końcówka ślimaka oraz pierścień zaworu zwrotnego są tak ukształtowane, że jest możliwy przepływ uplastycznionego tworzywa wzdłuż cylindra w kierunku do przodu (rys. 6a podczas pobierania nowej porcji materiału) a niemożliwy jest w kierunku do tyłu (rys. 6b w trakcie wtryskiwania). 2.1.3. Formy wtryskowe W przypadku wytwarzania dużych kształtek (o dużej objętości materiału w stosunku do możliwości jednorazowego uplastycznienia tworzywa), najczęściej stosuje się formy wtryskowe jednogniazdowe. W takich formach podczas jednego wtrysku powstaje jedna kształtka. W przypadku wytwarzania małych kształtek (o małej objętości materiału, gdy jednocześnie możliwości jednorazowego uplastycznienia tworzywa są wielokrotnie większe w stosunku do objętości wytwarzanych kształtek), stosowane są formy z wieloma gniazdami formującymi. Pozwala to na zwiększenie wydajności wtryskarki wyrażanej w ilości otrzymywanych kształtek w jednostce czasu. W celu otrzymania prawidłowych kształtek, w formie wtryskowej muszą być wykonane kanały rozprowadzające uplastycznione tworzywo do wszystkich gniazd.
Ćwiczenie 1 9 Kanały doprowadzające tworzywo do poszczególnych gniazd zakończone są przewyżkami. Przwężką nazywa się krótki odcinek kanału doprowadzającego usytuowany bezpośrednio przed gniazdem formującym. W tym właśnie miejscu podczas stygnięcia tworzywo, się najszybciej zestali. To zestalone tworzywo stanowi korek zapobiegający cofaniu się tworzywa z gniazda formy po odsunięciu agregatu wtryskowego. Na rys. 8 przedstawiono układ wlewowy formy wtryskowej, a na rys. 9 wygląd wtrysku wielokrotnego wraz z kształtkami finalnymi. a) b) Rys. 8. Układ wlewowy formy wtryskowej(a) oraz odwzorowanie układu wlewowego przez tworzywo(b) 1 kanał wlewowy, 2 kanały doprowadzające, 3 przewężka, 4 gniazdo formujące Na rys. 9 przedstawiono przykładowe układy kanałów doprowadzających tworzywo pozwalających wytwarzać jednocześnie nawet kilkadziesiąt kształtek.
10 Ćwiczenie 1 Rys. 9. Układy gniazd i kanałów w formach wielokrotnych W przypadku form jednokrotnych, w których wykonuje się tylko jedną kształtkę, stosuje się często wtrysk bezpośredni polegający na tym, że tworzywo bezpośrednio z tulejki wtryskowej jest wtryskiwane do gniazda formy. 2.1.4. Parametry procesu wtryskiwania Najważniejszymi parametrami wtryskiwania warunkującymi wysoką jakość wytwarzanego wyrobu są: - temperatura wtryskiwanego tworzywa, - ciśnienie wtryskiwania, - czas utrzymania tworzywa w formie pod wysokim ciśnieniem (czas trwania docisku), - temperatura formy wtryskowej. Temperatura wtryskiwania musi zapewnić odpowiednią płynność tworzywa. Ciśnienie wtryskiwania powinno być na tyle wysokie by zrealizować wtryśnięcie uplastycznionego tworzywa do najodleglejszych miejsc w gnieździe formy wtryskowej. Formowanie wtryskowe cechuje krótki czas napełniania formy dzięki stosunkowo dużym ciśnieniom. Czas trwania docisku musi być odpowiednio dobrany tak by przeciwdziałać zjawiskom cofania się tworzywa jeszcze niezestalonego. Właściwa temperatura formy wtryskowej umożliwia przepływ tworzywa przez kanały doprowadzające i zapobiega nadmiernemu schłodzeniu tworzywa,
Ćwiczenie 1 11 przeciwdziałając tym samym powstawaniu naprężeń wewnętrznych w gotowych wyrobach. W tablicy podano wartości parametrów wtryskiwania dla najczęściej stosowanych tworzyw. Tablica. Własności przetwórcze niektórych tworzyw sztucznych Tworzywo Termoplasy Polistyren niskoudarowy Polistyren wysokoudarowy Kopolimery SAN Kopolimery ABS Polietylen wysokociśnieniowy Polietylen niskociśnieniowy Polipropylen PCV zmiękczony PCV twardy Poliamidy Poliformaldehyd Polimetakrylan metylu Octan celulozy Poliwęglan Polichlorotrójfluoroetylen Tworzywa termoutwardzalne Fenoplasty Mocznik Melamina Elastomery Kauczuk naturalny Kauczuk neoprenowy Kauczuk termoplastyczny Parametry wtryskiwania Gęstość Temperatura g/cm 3 Ciśnienie MPa wtrysku formy 1,04 1,05 1,06 1,06 1,50 0,916 0,935 0,94 0,97 0,90 0,91 1,1 1,7 1,34 1,40 1,14 1,32 1,41 1,42 1,18 1,19 1,23 1,34 1,20 1,42 2,14 2,19 1,39 1,8 1,4 1,5 1,5 1,8 0,9 1,4 1 1,2 0,87 1,25 160 260 200 260 180 270 220 275 160 300 180 300 200 300 150 200 150 185 230 270 180 240 160 250 160 260 270 315 250 285 85 95 60 65 85 90 50 75 55 70 190 240 30 65 40 60 65 75 40 95 25 50 50 80 20 50 40 60 40 60 60 120 70 140 60 90 40 70 85 120 80 130 180 150 160 162 166 170 175 25 80 140 100 130 100 150 70 180 50 70 60 90 80 120 40 100 100 150 80 150 80 150 80 200 80 130 80 200 150 300 80 125 65 125 100 110 120 120 80 120 Skurcz % 0,3 0,8 0,2 0,6 0,5 0,7 0,4 0,7 1,2 2,2 1,5 4 1 2,5 1 5 0,2 0,5 1,5 3 1,5 3 0,2 0,7 0,4 0,7 0,65 0,8 1 2 0,4 0,8 0,6 1 0,4 0,9 1,1 1,7 1,2 1,8 0,5 1,6 Temperatura tworzywa Temperatura tworzywa uplastycznionego w cylindrze powinna zawierać się w pewnym optymalnym zakresie gwarantującym odpowiednią płynność wystarczającą do zapełnienia formy i dokładnego odtworzenia przestrzeni formującej. Przytoczone w tablicy dane są różne dla różnych tworzyw, co wynika ze zróżnicowanych ich właściwości. Płynność tworzywa termoplastycznego zależy od masy cząsteczkowej, im mniejsza masa cząsteczkowa, tym większa płynność (mniejsza lepkość) tym łatwiej tworzywo daje się formować wtryskiwaniem.
12 Ćwiczenie 1 Tworzywa sztuczne wykazują przy podgrzewaniu występowanie cech charakterystycznych w pewnych ustalonych zakresach temperatur. Tymi cechami są właściwości fizyczne, mechaniczne i fazowe, co przestawiono na rys. 10. Rys. 10. Układ charakterystycznych temperatur: - T z temperatura zeszklenia, - T m temperatura mięknienia, - T p temperatura płynięcia, - T r temperatura rozkładu. W temperaturze zeszklenia T z zachodzi przemiana ciała szklisto-kruchego w sprężyste. W tej temperaturze tworzywo charakteryzuje się stanem twardym i sprężystością. Przy dalszym wzroście temperatury tworzywo początkowo osiąga temperaturę mięknienia T m, a następnie temperaturę płynięcia T p. Zakres pomiędzy T m a T p nazywa się stanem elastycznym, a powyżej T p stanem plastycznopłynnym. Przekroczenie temperatury T r prowadzi do rozkładu termicznego tworzywa (degradacji, destrukcji). Temperaturę stanu plastycznopłynnego, w której tworzywo (pod wpływem sił zewnętrznych i przy określonej szybkości działania) uzyskuje odpowiednią płynność niezbędną do pokonania oporów przepływu przez kanały doprowadzające i do napełnienia gniazda formującego nazywa się temperaturą wtrysku. Ciśnienie wtryskiwanego tworzywa Drugim ważnym, obok temperatury, parametrem wtryskiwania jest ciśnienie wtryskiwania. Zbyt niskie ciśnienie wtryskiwania jest powodem takich wad jak: niedolewy, wklęśnięcia powierzchni, pęcherze wewnątrz wyrobów. Zbyt wysokie ciśnienie wtryskiwania może utrudniać usuwanie kształtek z gniazda formy (niebezpieczeństwo zniszczenia kształtki). W gotowej kształtce może natomiast objawiać się znacznymi odkształceniami.
Ćwiczenie 1 13 Ciśnienie panujące w tworzywie uplastycznionym znajdującym się w cylindrze pod naciskiem tłoka lub ślimaka nosi nazwę ciśnienia zewnętrznego p z, a ciśnienie w gnieździe formy, ciśnienia wewnętrznego p w. Ciśnienie wewnętrzne osiąga wartość 0,3 0,8 ciśnienia p z. Ten spadek ciśnienia jest wywołany oporami przepływu tworzywa w cylindrze, dyszy, tulejki wtryskowej i w kanałach doprowadzających tworzywo do gniazda formującego. Na rys. 11 przestawiono wykres obrazujący zmianę ciśnienia wewnętrznego w funkcji czasu. Rys. 11. Wykres zmiany ciśnienia w funkcji czasu Wykres ten obejmuje dwa okresy: okres wzrostu ciśnienia i okres jego spadku. Ten podział jest związany z ruchem ślimaka (pracującego jak tłok) do przodu i jego wzrostu. Odcinek A wykresu to tzw. okres martwy, w którym następuje upakowanie granulatu w pobliżu czoła ślimaka. W tym czasie gniazdo formy pozostaje puste. W zakresie B ślimak ruchem postępowym, powoduje wtryśnięcie tworzywa, ciśnienie wewnętrzne zaczyna rosnąć w miarę wypełniania gniazda. W zakresie C wzrost ciśnienia następuje bardzo szybko, aż do osiągnięcia wartości p max. Potem następuje jeszcze nieznaczne dopełnienie gniazda tworzywem, przy jednoczesnym spadku ciśnienia na skutek studzenia warstw zewnętrznych tworzywa. Od tego momentu następuje wycofanie ślimaka i jednoczesny dalszy spadek ciśnienia wewnętrznego. Jednak jest to ciśnienie wyższe niż w tulei wlewka i następuje niewielki ruch powrotny jeszcze niezakrzepniętego tworzywa jest to czas wyładowania.
14 Ćwiczenie 1 Ciśnienie wewnętrzne, przy którym następuje zahamowanie tego przepływu na skutek zakrzepnięcia tworzywa w przewężce nazywa się ciśnieniem zasklepiającym. Od tego momentu występuje łagodny spadek p w jako skutek ochładzania i kurczenia się tworzywa. W chwili otwierania formy, w przestrzeni formującej istnieje jeszcze pewne ciśnienie tzw. ciśnienie szczątkowe, które gwarantuje dokładne odtworzenie kształtu gniazda formy wtryskowej. Czas trwania docisku Czas trwania docisku, czyli czas utrzymania tworzywa w formie pod wysokim ciśnieniem jest trzecim najważniejszym parametrem wtryskiwania. Czas trwania docisku zawiera się w przedziale od pojedynczych sekund do ok. 20 s i zależy od kilku czynników, z których najważniejszymi są: rodzaj wtryskiwanego tworzywa, grubość ścianek i masa wyrobu. Czas trwania docisku na ogół dobierany jest doświadczalnie. Gdy docisk trwa zbyt krótko, w wyrobach wtryśniętych powstawać mogą zapadnięcia na powierzchni i pęcherze wewnątrz, obserwuje się ponadto duże wartości skurczu. Wraz ze wzrostem czasu docisku ulega zmianie kształt otrzymanej krzywej ciśnienia wewnętrznego (p. 5.2) część najwyższa krzywej ulega poszerzeniu. Jednocześnie rosną wartości ciśnienia zasklepiającego i ciśnienia szczątkowego. Zbyt duże ciśnienie szczątkowe może utrudniać usunięcie kształtki z gniazda formy w wyniku zbyt małego jej skurczu. Temperatura formy W zależności od właściwości wtryskiwanego tworzywa sztucznego, forma powinna posiadać odpowiednią temperaturę. W tym celu stosuje się jej grzanie do odpowiednio wysokiej temperatury. Niejednokrotnie, w wyniku długotrwałej pracy dochodzi do sytuacji, gdy forma ulega przegrzaniu. W tych przypadkach uruchamia się chłodzenie formy wtryskowej. Najczęściej grzanie formy realizuje się przez przepuszczanie gorącej wody przez specjalnie wykonane w okolicach gniazda odpowiednie kanały. Do chłodzenia formy wykorzystuje się te same kanały, ale w tych przypadkach poprzez kanały przepuszcza się zimną wodę. Temperatura formy powinna być utrzymywana zawsze poniżej temperatury plastycznego płynięcia tworzywa, a producent tworzywa podaje w jego charakterystyce zalecane wartości temperatury formy.
Ćwiczenie 1 15 Temperatura formy nie wywiera istotnego wpływu na czas napełniania i na wzrost ciśnienia wewnętrznego, wpływa natomiast w sposób istotny na ciśnienie zasklepiające. Ze wzrostem temperatury formy, ciśnienie zasklepiające obniża się wyraźnie. Zbyt niska temperatura formy, powodująca dużą różnicę temperaturę przy ściance i wewnątrz kształtki, może wywołać duże naprężenia wewnętrzne, poza tym może być przyczyną powstawania widocznych na powierzchniach kształtki linii płynięcia spowodowanych silną orientacją tworzywa. Istotnym problemem związanym z temperaturą formy jest szybkość i czas potrzebny do ochłodzenia tworzywa w gnieździe formy. Od tego czasu w znacznym stopniu zależy czas trwania całego cyklu wytwórczego. 2.1.5. Optymalizacja parametrów procesu wtryskiwania Zalecane przez producenta tworzywa parametry przetwarzania stanowią dla jego przetwórcy podstawę do ich optymalizacji w oparciu o lokalne warunki produkcji. Jest wiele czynników wpływających na ich optymalizację. Do podstawowych należą: wielkość i stan skomplikowania kształtki, rodzaj i wielkość wtryskarki, oraz szereg innych często trudnych do zdefiniowania. W takich przypadkach jedyną skuteczną metodą optymalizacji parametrów wtryskiwania jest metoda określana jako metoda prób i błędów. Polega ona na wykonaniu wtryskiwaniem serii kształtek przy zmiennych parametrach wtryskiwania (stosując parametry zalecane przez producenta tworzywa jako parametry skrajne). W ten sposób otrzymuje się kształtki, które są poddawane analizie, w wyniku której ustalane są parametry optymalne. Oczywiście metoda prób i błędów wiąże się ze stratami materiału. Niewielkie straty tworzywa zawsze muszą być uwzględniane przy planowaniu produkcji. W przypadku produkcji wyrobów o niewielkich objętościach takie straty tworzywa są nieistotne. Problem pojawia się przy produkcji wyrobów o bardzo dużych objętościach. Bezpośrednie stosowanie metody prób i błędów przyczynia się do powstawania dość znacznych strat tworzywa. Zaradzić takim stratom można stosując tzw. test spiralny. Test spiralny polega na wtryskiwaniu niewielkich porcji tworzywa do specjalnej formy, zakładanej oczywiście na wtryskarkę, na której będzie prowadzona produkcja finalna. Przykładową formę wtryskową do przeprowadzenia testu spiralnego przedstawiono na rys. 11.
16 Ćwiczenie 1 Rys. 11. Forma do przeprowadzenia testu spiralnego oraz przykładowe kształtki otrzymane przy zmiennym ciśnieniu wtryskiwania Gniazdo formy do testu spiralnego jest utworzone w postaci wąskiego długiego kanału. Charakterystyczną cechą takiego kanału jest to, że jest on otwarty, a więc tworzywo może wypłynąć nawet na zewnątrz. Po założeniu formy do przeprowadzenia testu spiralnego, wykonuje się serię wtrysków stosując zmienne parametry wtryskiwania. W wyniku otrzymuje się kształtki o różnej długości kształtek w postaci tasiemek (wstążek lub podobnych). Analiza ich długości z uwzględnieniem zmiennych parametrów wtryskiwania, doświadczony technolog jest w stanie określić optymalne parametry wtryskiwania. Oczywiści ostateczna weryfikacja parametrów wtryskiwania musi być przeprowadzona na kształtce docelowej. 2.2. Literatura źródłowa (wykorzystana w opracowaniu) 1. Odpowiednie fragmenty z wykładów, 2. Podstawowa literatura dotycząca przetwórstwa tworzyw sztucznych ze specjalnym uwzględnieniem przetwarzania termoplastów metodą wtryskiwania.
Ćwiczenie 1 17 3. STANOWISKO LABORATORYJNE (Struktura i obsługa stanowiska laboratoryjnego (ewentualnie stanowisk lub urządzeń). Wtryskarka do tworzyw sztucznych wraz z formą wtryskową do wytwarzania próbki w postaci prostopadłościennej belki oraz formy do przeprowadzenia testu spiralnego. Rys. 12. Wtryskarka firmy Boy W ćwiczeniu stosowana jest prosta forma wtryskowa, tzw. szufladkowa. Takie rozwiązanie konstrukcyjne formy wtryskowej pozwala na łatwą wymianę szufladki z różnymi gniazdami formującymi. W ćwiczeniu zastosowano formę pozwalającą na wytwarzanie kształtki w postaci prostej belki. Na rys. 13 przedstawiono widok formy szufladkowej wraz z wtryśniętą kształtką.
18 Ćwiczenie 1 a) b) Rys. 13. a) Widok gniazda formy szufladkowej z wtryśniętą kształtką b) Powiększony obraz gniazda formy pokazujący skutki kurczenia się wtryśniętego tworzywa podczas kurczenia się jego w trakcie krzepnięcia Obraz pokazuje wyraźnie, że kształtka nie wypełnia całkowicie gniazda formy. Nie jest to wynik niedostatecznej ilości wtryśniętego tworzywa, a skutek jego kurczenia się podczas krzepnięcia. Obraz ten pokazuje, że tworzywo kurczy się odmiennie w różnych kierunkach w stosunku do kierunku jego płynięcia w trakcie wtryskiwania. Proces kurczenia się tworzywa podczas krzepnięcia stanowi istotny problem dla konstruktora formy wtryskowej, gdyż konstruktor otrzymuje do przygotowania formy wtryskowej rysunek konstrukcyjny gotowej wypraski. W trakcie projektowania gniazda formy wtryskowej musi znać wielkości skurczów tworzywa i zaprojektować gniazdo formy o odpowiednio większych wymiarach. a) b) c) d) e) Rys. 14. Obrazy kształtek otrzymanych przy różnych ciśnieniach wtryskiwania
Ćwiczenie 1 19 Kształtki oznaczone jako a, b, c zostały wykonanie przy zbyt niskich ciśnieniach wtryskiwani, skutkiem czego tworzywo nie wypełniło całkowicie gniazda formy. Kształtka oznaczona na rysunku literą d jest prawidłowa. Z kolei kształtka ostatnia e została wykonana przy zbyt wysokim ciśnieniu wtryskiwania; nastąpiło tzw. uchylenie formy wtryskowej. Takie zjawisko może wystąpić na wtryskarce, na której forma jest zamykana za pomocą siłowników hydraulicznych; przy zamykaniu mechanicznym takie zjawisko nie występuje. Oczywiście, kształtka e jest nieprawidłowa gdyż jej grubość jest większa od wymaganej. W celu wyeliminowania uchylenia formy podczas wtryskiwania należy zwiększyć siłę zamykania formy wtryskowej (odpowiednie nastawniki pozwalające na zmianę siły zamykania formy występują w każdej wtryskarce z zamykaniem hydraulicznym). 4. REALIZACJA EKSPERYMENTÓW TECHNOLOGICZNYCH (Uwagi bhp, kolejność i sposób wykonywania zadań praktycznych, wykonywanie pomiarów przyrządy pomiarowe, procedura). 4.1. Uwagi BHP Podczas wykonywania ćwiczenia występują następujące zagrożenia: - porażenie prądem elektrycznym zasilającego wtryskarkę, - poparzenie ręki będące skutkiem dotknięcia grzałek, 4.2. Program ćwiczenia Program ćwiczenia składa się z następujących zadań szczegółowych: 1) Zapoznanie się z budową wtryskarki na przykładzie wtryskarki firmy BOY, 2) Analiza wpływu zmiennego ciśnienia wtryskiwania na jakość otrzymanych próbek, 3) Określenie zależności długości kształtki (tasiemki) w teście spiralnym w zależności od ciśnienia wtryskiwania. 4.3. Wykonanie zadań (opis postępowania) Samodzielne wykonanie, co najmniej jednego wtrysku kształtki testu spiralnego.
20 Ćwiczenie 1 5. SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać: uwagi BHP, program ćwiczenia, czyli treść zadań, opracowanie zadań w postaci szkiców, podanie zastosowanych wartości parametrów i warunków technologicznych eksperymentów, wyniki eksperymentów, ilustracje wyników wykresami. 6. LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA (dla studentów aktualna i dostępna w bibliotece lub informacje w internecie) 1. Podstawowa literatura dotycząca przetwórstwa tworzyw sztucznych (podana na wykładzie).