Reduce deformation and defects of molded parts using Moldflow Part 1.

Cena vst�ikovaného dílu je z nejv�tší �ásti dána sumou t�chto cen: cenou vst�ikovací formy, cenou plastu, hmotností výst�iku v�etn� vtok� a délkou vst�ikovacího cyklu. Výše t�chto cen je zejména ovlivn�na ve fázi designu plastového dílce, konstrukcí vst�ikovací formy a technologické p�ípravy výroby, tj. nastavením technologických podmínek vst�ikovacího procesu.

Ve vývoji je fixováno a� 70% celkových náklad� na výrobu, p�i�em� vývojová fáze p�edstavuje pouhých 5% z celkových výrobních náklad�. To je rozhodn� d�vod, pro� v�novat vývojové fázi velkou pozornost. S �ástkou odpovídající 5% výrobních náklad� m��eme ušet�it desítky procent celkových výrobních náklad�. (Obr. 1) Ve sv�t� globálního tr�ního prost�edí jsou realiza�ní týmy, které �eší design dílu, návrh nástroj� a výrobní technologii od sebe vzdáleny tisíce kilometr� a n�kolik �asových pásem.

Obr. 1: R�st náklad� na uvedení výrobku na trh a vliv jednotlivých etap na r�st náklad�

Vst�ikování polymer� je pru�ná výrobní metoda pro výrobu plastových díl�. Vst�ikování umo��uje v automatickém cyklu vyrobit komplexní geometrii dílu p�i nízké energetické spot�eb� a krátkém �asovém cyklu. Komplexností geometrie je myšlena nejenom výroba jednotlivých díl�, ale také sdru�ení n�kolika díl� do jednoho celku.

Tímto zp�sobem lze minimalizovat náklady na montá� a zárove� také minimalizovat vady vzniklé p�i montá�i. Vst�ikování polymer� zahrnuje celou �adu technologických variant, které umo��ují výrobu plastových díl� vst�ikovaných z n�kolika typ� polymer� o r�zných vlastnostech, kombinaci polymeru s kovovými díly nebo. Základní po�adavky na metodu vst�ikování polymer� jsou nulové dokon�ovací operace a automatický výrobní cyklus, p�ípadn� montá� s maximálním vyu�itím automatizace a robotizace.

Obr. 2: Klí�ové týmy realizující vývoj a p�ípravu výroby plastového dílu

Aby mohly být spln�ny tyto základní po�adavky, je nutno klást d�raz na tvarovou, rozm�rovou a mechanickou stabilitu vst�ikovaných díl�. Ta je dána v nejv�tší mí�e stavem reziduálních nap�tí. Reziduální nap�tí jsou zbytková mechanická nap�tí, generovaná v pr�b�hu vst�ikovacího cyklu v polymeru. Velikost a distribuce reziduálních nap�tí ve výst�iku závisí na typu pou�itého polymeru, podmínkách a stabilit� vst�ikovacího procesu a konstrukci vst�ikovací formy. Stav reziduálních nap�tí se m�ní v pr�b�hu �ivotnosti plastového dílu a m��e vést ke vzniku povrchových trhlin spolup�sobením vn�jších vliv� nebo také k destrukci vst�ikovaného dílu.

Predikce výše uvedených nap�tí je velmi d�le�itá p�i návrhu vst�ikovaného dílu, p�i konstrukci vst�ikovací formy a také p�i nastavení technologických parametr� p�i vst�ikování. Historicky nejstarší a nejvíce pou�ívaný je simula�ní software Moldflow, dnes je v portfoliu Autodesk, který doká�e modelovat vst�ikovací proces a vyhodnotit reziduální nap�tí. Matematicko-fyzikální modely, se kterými tento software pracuje, však není schopen d�sledn� popsat všechny nehomogenity (Obr. 3), které zap�í�i�ují vznik reziduálních nap�tí, zvlášt� pak v tvarových detailech vst�ikovaných díl�.

M��ení reziduálních nap�tí na reálném výst�iku je mo�né pomocí nep�ímých metod, které lze pou�ít v závislosti na tvaru dílu a pou�itém typu polymeru. Obecn� však je ur�ení reziduálních nap�tí, resp. p�í�in jejich vzniku hlavn� otázkou empirických zkušeností.

Obr. 3: Teplotní a smykové namáhání taveniny ve šneku m��e narušovat vlastnosti plastu a dílu

P�í�iny vzniku reziduálních nap�tí
Jak u� bylo �e�eno, vst�ikování je komplexní technologický proces, na jeho� pr�b�hu a parametrech závisí vznik reziduálních nap�tí. Polymerní tavenina je vst�íknuta do uzav�ené dutiny vst�ikovací formy, která má negativní tvar výst�iku. V dutin� je tavenina ochlazena a p�ejde do tuhého stavu. Po ochlazení se forma otev�e a výst�ik je vyhozen z dutiny formy.

Vst�ikovací cyklus
Vst�ikovací cyklus je rozd�len na sedm fází, které se �áste�n� p�ekrývají. Vznik reziduálních nap�tí ovliv�ují pouze n�které z nich. Jsou to pln�ní dutiny formy, dotlak, chlazení a �áste�n� také vyhození výst�iku z dutiny formy. (Obr. 4)

Obr. 4: Pr�b�h tlaku na vstupu do formy pro jednotlivé �ásti vst�ikovacího cyklu

Pln�ní dutiny formy
Ve chvíli, kdy tavenina za�íná plnit dutinu formy, se za�íná také ochlazovat na st�n� dutiny. Za �elem toku taveniny podél p�í�ného �ezu dutinou vznikají dva odlišné regiony. Jeden na st�n� dutiny tvo�ený zamrzlou vrstvou, kde polymer nem��e dále téct. Uvnit� této vrstvy je horké jádro tekutého polymeru. V blízkosti ztuhlé vrstvy polymeru vzniká vysoký rychlostní gradient nebo také vysoká smyková rychlost. Na rozhraní obou vrstev má polymerní tavenina vysokou smykovou viskozitu, proto maximum smykové rychlosti nele�í p�ímo na hran� vrstvy. P�sobením vysoké smykové rychlosti se generuje také vysoké smykové nap�tí, které zp�sobuje maximální orientaci makromolekulárních �et�zc�, p�íp. plniva v blízkosti st�n dutiny formy. (Obr. 5)

Obr. 5: Orientace makromolekulárních �et�zc� a sklen�ných vláken. Krystalická struktura. Zm�na profilu rychlosti p�i zm�n�n� pr��ezu kanálu do vtokového ústí

Zú�ení profilu toku taveniny vn�jší ztuhlou vrstvou zp�sobí, �e maximální rychlost v této oblasti je zna�n� vyšší ne� na �ele taveniny. Rychlostní maxima na �ele vedou ke vzniku toku taveniny, který je kolmý na st�nu dutiny formy. Tento fenomén se nazývá fontánový tok. Proto�e fontánovým tokem se �elo ochladí, vysoká smyková viskozita �ela taveniny zp�sobuje prota�ení v opa�ném sm�ru toku.

Toto prota�ení vysokoviskózní vrstvy na �ele toku stimuluje další orientaci �et�zc�. Stupe� orientace závisí p�edevším na teplot� taveniny a rychlosti �ela toku taveniny. Relaxace orientace probíhá rychleji p�i vyšší teplot� taveniny a siln�
orientovaná zamrzlá vrstva je menší p�i vyšší teplot� taveniny, proto�e teplota tuhnutí taveniny je dosa�ena blí�e st�ny dutiny. Rychlost �ela taveniny také siln� ovliv�uje orientaci. P�i vysoké rychlosti je orientace výrazn�jší a blí�e ke st�n� dutiny. Ostatní parametry jako teplota st�ny dutiny, velikost dotlaku mají jenom malý vliv na orientaci.

Plochý tvar rychlostních profil� v�tšiny polymerních tavenin (pseudoplastické tokové vlastnosti) zp�sobuje nejv�tší orientaci polymerních �et�zc� sm�rem k povrchu výst�iku, zatímco �et�zce v blízkosti st�edu dutiny mají náhodnou svinutou konfiguraci.

Makromolekulární �et�zce se orientují radiáln� kolem vtokového ústí, ve sm�ru toku taveniny. To zp�sobuje relativn� vysoké nap�tí v okolí vtoku, proto�e prota�ené �et�zce mají tendenci zaujmout p�vodní sbalenou konfiguraci. Orientace molekulárních �et�zc� vnáší do systému smyková nap�tí.

Dotlak
Nejd�le�it�jším aspektem dotlaku je dopln�ní taveniny do dutiny formy, aby se kompenzovaly efekty teplotního smršt�ní v pr�b�hu chlazení. Výsledkem je zabrán�ní tvorb� bublin a propadlin na výst�iku (Obr. 5,6) a minimalizace objemového smršt�ní a deformace. Fáze dotlaku za�íná v bod� p�epnutí a kon�í zamrznutím ústí vtoku.

Obr. 6: Vznik lunkru p�i vst�ikování konektoru. Zamrzne tavenina v okolí vtok. ústí, neefektivní p�sobení dotlaku. Snímek lunkr� z CT tomografu a predikce lukr� v Moldflow

Bod p�epnutí znamená ve vst�ikovacím cyklu zm�nu �ízení plnících parametr�. P�i pln�ní dutiny formy je �ízena nejprve rychlost toku taveniny a po napln�ní dutiny se v bod� p�epnutí zm�ní na �ízení tlaku taveniny v dutin�.

Orientace makromolekul se dále vyvíjí v pr�b�hu dotlakové fáze vst�ikovacího procesu, kdy� tavenina plní dutinu formy, aby se kompenzovalo objemové smršt�ní. Orientace �et�zc� je r�zná pro amorfní a semikrystalické polymery. Vyšší teplotní smršt�ní semikrystalických polymer� umo��uje stla�ení v�tšího mno�ství polymeru v pr�b�hu dotlaku. Tento další tok zvyšuje stupe� orientace, zvlášt� ve st�edu pr��ezu st�ny výst�iku.

Obr. 7: Predikce propadlin na plastovém dílu

Chlazení
Chlazení p�ekrývá ob� p�edchozí fáze cyklu, proto�e tavenina je ochlazována bezprost�edn� poté, co dosáhne dutiny formy. Výst�ik se ochlazuje také po vyhození z dutiny formy, kdy teplota vyhazování výst�iku je obvykle vyšší ne� teplota okolí.

P�i dotlaku i chlazení se výrazn� m�ní tlak a teplota v dutin� formy, co� má za následek také zm�ny objemu výst�iku. Zm�nu objemu nazýváme smršt�ní. Tyto zm�ny popisuje pVT diagram, co� je závislost m�rného objemu polymeru na teplot� a tlaku v dutin� formy.

Obr. 8: Zm�na sledovaného rozm�ru o 0,08mm, p�i zvýšení teploty st�ny formy o 10°C

Jestli�e se smršt�ní vyskytuje v nevázaném a nedeformovaném polymeru, smrš�uje se polymer isotropn�. Smršt�ní samotné je zp�sobeno zm�nou stavu taveniny polymeru p�i vysokém tlaku a teplot�, které jsou uvnit� dutiny formy, na tuhou fázi p�i nízkém tlaku a teplot�.

Obr. 9: Predikce teploty st�ny formy v Moldflow. �as chlazení závisí na tlouš�ce st�ny s t�etí mocninou a také na tepelné vodivosti plastu

U semikrystalických polymer� tato zm�na zahrnuje také proces krystalizace. Smršt�ní je pak závislé na podílu krystalické fáze. �ím je podíl krystalické fáze v�tší, tím je také v�tší smršt�ní. Vznik krystalické fáze závisí také na teplot� formy a tlouš�ce st�ny dílu (Obr. 8, 7). S teplotou i tlouš�kou nar�stá podíl krystalické fáze a také smršt�ní. Rozdílné teploty st�ny formy vedou k rozdílným smršt�ním a také ke vzniku v�tších hodnot reziduálního nap�tí. Uvnit� dutiny formy brání její tvarové �ásti smršt�ní polymeru, pokud je ve viskoplastickém stavu. Proto�e rozm�ry vázané dutinou formy brání volumetrickým zm�nám, vznikají ve st�n� nap�tí, která se neprojeví, pokud je výst�ik chlazen v dutin� formy.

Obr. 10: Deformace dílu po vyhození z dutiny predikovaná v Moldflow

Ve chvíli, kdy je výst�ik vyhozen z dutiny formy, vazby dutiny jsou odstran�ny a nap�tí generovaná ve výst�iku b�hem dotlaku a chlazení deformují tvar výst�iku. (Obr. 10)

Druhá �ást �lánku byla zve�ejn�na 2.5.2018

Tuto problematiku rozebíral Petr Halaška na seminá�i Formy a Plasty Brno 2017, po�ádaném firmou SVOBODA: