Reduce deformation and defects of molded parts using Moldflow Part 2.

Vyhození výst�iku z dutiny formy
V poslední fázi vst�ikovacího cyklu se dutina formy otev�e ve všech d�lících plochách tak, aby byl výst�ik uvoln�n. P�i vyhazování se vyu�ívá smršt�ní polymeru a následných vazeb v dutin� formy, které výst�ik zafixují na jedné stran� formy, odkud je pomocí vyhazova�� vyhozen.

Vyhazovací síly pot�ebné k p�ekonání vazeb v �ásti formy, které mají hlavn� povahu t�ecích sil, mohou výst�ik plasticky deformovat a generovat tak další nap�tí.

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

Reziduální nap�tí
Reziduální nap�tí jsou mechanická nap�tí vznikající ve výst�iku bez p�sobení vnit�ních sil. Jsou jedn�mi z nap�tí generovaných ve výst�iku v pr�b�hu vst�ikovacího cyklu.

Z�stávají ve výst�iku i po vyhození z dutiny formy, kdy se výst�ik ochlazuje na teplotu okolí.

Reziduální nap�tí zp�sobují deformaci a smršt�ní výst�iku a mají také vliv na nap�ové trhliny p�sobením prost�edí.

Obr. 11: Mo�nost exportu deformovaného dílu nebo korigovaného rozm�ru dutiny formy z Moldflow do CAD ve formátu STEP nebo SAT. Nejen ve formátu STL, se kterým lze jen obtí�n� dále pracovat

Reziduální nap�tí jsou p�ítomna ve všech výst�icích. Jsou indukována v pr�b�hu vst�ikovacího procesu jako výsledek rozdílného smršt�ní a omezeného toku taveniny uvnit� dutiny formy.

Znalost reziduálních nap�tí ve výst�icích je základem pro predikci rozm�rových a tvarových nestabilit. Reziduální nap�tí má významný vliv na nestability, zvlášt� se z�etelem na p�esnost rozm�r�, tuhost a chemickou odolnost. Reziduální nap�tí ve výst�icích jsou výsledkem tokové, teplotní a tlakové historie a jsou klasifikována do dvou základních typ�: tokov� indukované nap�tí a teplotn� indukované teplotní nap�tí. (Obr. 12)

Obr. 12: Vznik tokov� a teplotn� indukovaných nap�tí v pr�b�hu vst�ikovacího cyklu

Tokov� indukovaná reziduální nap�tí
Reziduální tokov� indukovaná nap�tí díky viskoelastické povaze polymerní taveniny (Obr. 15, 18) p�edstavují orientaci makromolekul a jsou atributy smykových a normálových nap�tí, která jsou generována v pr�b�hu plnící fáze.

Tato nap�tí zcela nerelaxují, ale jsou zmra�ena ve výst�iku, proto�e relaxa�ní �asy za�nou rapidn� nar�stat v pr�b�hu chlazení. Tato nap�tí jsou relativn� malá, ale zp�sobují velkou orientaci �et�zc� molekul. Orientace ovliv�uje mechanické a optické vlastnosti výst�iku a také r�zná smršt�ní ve sm�ru a kolmo na sm�r toku taveniny. Velká �ást tokov� indukovaných nap�tí relaxuje rychleji p�i vyšších teplotách polymeru p�i plnící fázi. Obvykle jsou tokov� indukovaná nap�tí o �ád ni�ší ne� teplotn� indukovaná nap�tí.

Tokov� indukovaná nap�tí jsou entropické povahy. Významn� p�ispívají k mechanické, teplotní a optické anizotropii. Ovliv�ují dlouhodobou rozm�rovou stabilitu výst�iku. Jsou indukována v pr�b�hu plnící i dotlakové fáze. Toková nap�tí se indukují pouze
nad teplotou skelného p�echodu. P�ipívají k orientaci molekul ve sm�ru toku taveniny. Úplné relaxaci t�chto nap�tí a související orientaci molekul lze zabránit rychlým p�echodem taveniny do fáze solidu díky vysoké ú�innosti chlazení dutiny formy.

Teplotn� indukovaná reziduální nap�tí
Teplotní nap�tí se objevuje p�i vst�ikování b�hem fáze dotlaku a chlazení, jako d�sledek teplotního gradientu, který je sou�asn� p�ítomen i b�hem fáze tuhnutí. Reziduální teplotní nap�tí jsou výsledkem prudkého nehomogenního ochlazování polymerní taveniny, jak prochází p�es teplotu skelného p�echodu. Potom v pr�b�hu chlazení povrchové vrstvy tuhnou d�íve ne� v oblasti jádra výst�iku.

Tahové a tlakové slo�ky nap�tí jsou tvo�eny následným ztuhnutím a teplotním smršt�ním jádra výst�iku. Vysoce neuniformní rozd�lení teploty po pr��ezu st�ny výst�iku zap�í�i�uje, �e ka�dý element polymeru ztuhne v r�zném �ase. To vede k r�znému smršt�ní vyvolávající teplotn� indukované reziduální nap�tí (Obr. 13).

Obr. 13: Teplotní a tlakový profil promítnutý do PVT diagramu

Pon�vad� elastické vlastnosti a relaxa�ní charakteristiky se významn� m�ní s teplotou b�hem tuhnutí, tato nap�tí p�etrvají a p�etvo�í se na reziduální teplotní nap�tí.

Teplotní reziduální napjatost se m��e vytvo�it i b�he fáze pln�ní, v závislosti na procesních podmínkách, kdy tenká vrstva polymeru p�i kontaktu s chladnou st�nou formy ztuhne a vytvo�í pevnou vrstvu. Jestli�e máme st�nu, symetricky ochlazovanou na obou površích, ke zborcení v tomto p�ípad� nedojde. V d�sledku nehomogenn� probíhající kontrakce doprovázené strukturní tuhostí p�i ochlazování však vznikají reziduální nap�tí. Nejd�íve se ochladí povrchové oblasti, které tak vytvo�í tuhý skelet, zatímco vnit�ní oblasti jsou ješt� taveninou. Jakmile se jádro ochlazuje, vyvolává svým smršt�ním prota�ení a stla�ení ji� tuhých povrchových vrstev, nebo� toto smršt�ní se nem��e voln� realizovat, jeliko� mezi jádrem a povrchovými vrstvami je tuhá vazba. Výsledkem je tak dvouosá napjatost. Napjatost na povrchu st�ny je unibiaxiální tlak, ve st�ední �ásti tah. St�na je ve stavu mechanické rovnováhy. Teplotn� indukované nap�tí není závislé jenom na teplotní historii, ale také na tlakovém poli v dutin� formy.

Teplotní profil (Obr. 13) vykresluje situaci v sou�ásti. Pro ilustraci je sou�ást po tlouš�ce rozd�lena na osm stejných vrstev. Profil ukazuje teplotu p�i ztuhnutí sledovaných vrstev (od t1 do t8). Materiál za�íná chladnout od vn�jších vrstev a zamrzlé rozhraní se posouvá s �asem.

Tlakový zápis (Obr. 13) vykresluje typickou tlakovou historii; kde P1 a� P8 jsou tlakové stupn� zamrznutí ka�dé z vrstev. Obecn� tlak roste v pr�b�hu pln�ní formy a dosahuje maxima v po�átku dotlaku. Pak dochází k poklesu tlaku z d�vod� chlazení a zatuhnutí vtokového ústí. Zamrznutý m�rný objem (Obr. 13) je vynesen v PVT diagramu. Šipky nazna�ují pr�b�h tlaku pro vrstvu. Finální kone�né m�rné objemy pro všechny vrstvy jsou vyzna�eny �ísly.

Obr. 14: Deformace dílu p�sobením reziduálních nap�tí. O velikosti reziduálních nap�tí v plastu sv�d�í deformace ocelového zást�iku tl. 2mm o 0,5mm

Teplotn� indukovaná reziduální nap�tí p�i nesymetrickém chlazení
Chlazení dutin vst�ikovacích forem je v naprosté v�tšin� nesymetrické.  Je to dáno p�edevším technologickými mo�nostmi p�i výrob� chladících kanál�, které jsou v�tšinou tvo�eny vrtanými d�rami podél dutiny formy nebo drá�kami po obvodu tvarových vlo�ek. Samotné vlo�ky dutin mají asymetrický tvar.

Rozdíly v rychlosti chlazení od st�ny formy ke st�edu sou�ásti m��e zap�í�init posun teplotn�-indukované reziduální napjatosti. Mimoto, asymetrické teplotn� indukované reziduální nap�tí m��e nastat, pokud rychlost chlazení dvou povrch� je nevyvá�ená. Takovéto chlazení má za následek asymetrický tlakov� – tahový charakter nap�tí v pr��ezu sou�ásti. Vyvolaný ohybový moment zp�sobí zprohýbání �i zborcení sou�ásti. Následkem toho jsou sou�ásti s nestejnom�rnou tlouš�kou nebo špatn� chlazené oblasti náchylné k nevyvá�enému chlazení a tudí� k reziduálnímu teplotnímu nap�tí.

V souhrnu, pr�b�h teplotn� indukovaného reziduálního nap�tí je daleko komplikovan�jší vzhledem k r�zným tlouš�kám st�n výrobk�, chlazení formy a vlivu tvarových vazeb ve form� na volné smršt�ní.

Obr. 15: Viskoelastické chování materiálu. Studený tok (creep) asfaltu na cest� je omezován betonovými, tuhými deskami. Dochází ke vzniku prasklin na hranách p�sobením reziduálních nap�tí

Obr. 16: Reziduální nap�tí p�i nesymetrickém chlazení dutiny

Reziduální nap�tí v dutin� formy a po vyhození výst�iku z dutiny
Poté, co je sou�ást vyhozena z formy, vazby v dutin� formy jsou uvoln�ny a sou�ást je voln� smrštitelná a deformovatelná. Ustaví se rovnová�ný stav. Zbývající nap�tí v sou�ásti p�edstavují procesn�-indukovaná reziduální nap�tí; jednoduše nazývaná reziduální nap�tí. Tato procesn�-indukovaná nap�tí jsou výsledkem spolup�sobení tokových a teplotních �initel�.

Zatímco sou�ást je stále vázána na dutinu formy, vnit�ní nap�tí, která se akumulují b�hem procesu tuhnutí, se ozna�ují jako reziduální nap�tí dutinová. (Obr. 18)

Obr. 17: Procesn� indukované nap�tí v dutin� formy a vyhození z dutiny

Tato nap�tí jsou hlavní p�í�inou postprocesního smršt�ní a zborcení sou�ásti. (Obr. 14) Dutinová reziduální nap�tí v sou�ásti z�stávají vázaná do doby vyhození z formy (Obr. 17 horní �ást) Jakmile je sou�ást z formy vyhozena, vazby dutiny jsou uvoln�ny a sou�ást se za�íná smrš�ovat a deformovat.

Deformace a smršt�ní jsou na úkor klesajícího vnit�ního nap�tí, kde je snahou dosa�ení rovnová�ného stavu. Tento stav znamená, �e není �ádná externí síla namáhající sou�ást. Tlaková a tahová nap�tí v pr��ezu sou�ásti dosáhnou rovnová�ného stavu. To vede k posunutí profilu reziduálních nap�tí ve vyhozeném výst�iku. V p�ípad� nesymetrického profilu nap�tí v pr��ezu dojde k deformaci st�ny výst�iku.

Obr. 18: Praskliny na dílu vst�íknutého z PP s ocelovým zást�ikem (Obr. 14) zp�sobené reziduálním nap�tím a omezenou mo�ností studeného toku zást�ikem. Predikce reziduálních nap�tí v Moldflow

Reziduální napjatost je generována p�i silovém p�sobení (silami povrchovými a objemovými) nebo deforma�ním p�sobením na t�leso. Vnit�ní síly v daném pr��ezu jsou staticky ekvivalentní s p�sobícími nap�tími; jejich výslednice v daném pr��ezu je obecn� nenulová. Není-li v daném p�ípad� spln�na podmínka plasticity, jsou tato p�sobící nap�tí v pru�né oblasti. Po odstran�ní p�í�iny svého vzniku pak zcela vymizí.

Jinak tomu je, jestli�e dojde v pr�b�hu zmín�ného p�sobení v t�lese (v celém t�lese nebo pouze v n�kterých jeho oblastech) ke vzniku pru�n� plastického stavu. Potom po odstran�ní p�vodní p�í�iny vzniku napjatosti – silového, deforma�ního nebo teplotního p�sobení - z�stanou v t�lese jistá zbytková – reziduální nap�tí. K této situaci dochází práv� po vyhození výst�iku z dutiny formy.

Reziduální nap�tí a jejich zm�ny v d�sledku dlouhodobých morfologických zm�n a teplotních polí mohou zp�sobovat zm�ny deformací dlouhodob�. Pokud k tomu p�idáme ješt� viskoelastické chování plast�, jsou rozm�ry plastového dílu dlouhodob� nestabilní. Tato rozm�rová nestabilita závisí na morfologii daného plastu (amorfní, semikrystalický) a obsahu a charakteru plniva. (talek, krátká nebo dlouhá vlákna) (Obr. 19). Výše uvedené zm�ny mohou zp�sobovat nejen rozm�rovou nestabilitu, ale také vznik prasklin, zejména u díl� se zást�iky nebo u díl� s p�ítomností lunkr�. (Obr. 6).

Obr. 20: Zm�na sledovaného rozm�ru Q1 u dílu vst�ikovaného z PP+20% talku. Po 13 dnech se rozm�r dostal do toleran�ního pole. M��eno na speciálním m��ícím p�ípravku

Ostré hrany na st�nách lukr�, pak vedou k nap�ovým vrub�m a ší�ení trhlin, podobn� jako u p�íkladu asfaltové cesty. (Obr. 15)
Obr. 20 Zm�na sledovaného rozm�ru Q1 u dílu vst�ikovaného z PP+20% talku. Po 13 dnech se rozm�r dostal do toleran�ního pole. M��eno na speciálním m��ícím p�ípravku.

První �ást najdete zde »

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