Research of technological parameters of injection with ambiguous influence on shrinkage of injection molded plastics

Pre výskum bol pre svoje široké uplatnenie v technickej praxi a obzvláš� v automobilovom priemysle pou�itý amorfný polymér - polykarbonát v troch rôznych modifikáciách. Štandardný PC Macrolon 2405 je amorfný termoplast s výbornou oteruvzdornos�ou a odolnos�ou vo�i opotrebovaniu. Druhou modifikáciou je fyzikálna zmes polykarbonátu a ABS s ozna�ením Bayblend T65 XF. Je to široko vyu�ívaný materiál v automobilovom priemysle obzvláš� pre jeho spracovate�ské vlastnosti a cenu. Tre�ou modifikáciou je taktie� fyzikálna zmes PC a ABS ale s obsahom 20% sklených vlákien s názvom Bayblend T88 GF20.

Vzh�adom k objemu a zlo�itosti problematiky zmraštenia termoplastických polymérov a interakcie mnohých faktorov ovplyv�ujúcich výrobné zmraštenie sa tento výskum zameriava len na zistenie vplyvu vybraných procesných parametrov, ktoré majú pod�a vykonanej teoretickej rešerše a praxe nejednozna�ný vplyv na rozmerové zmeny a zmraštenie. Ostatné procesné parametre zostanú po�as celého experimentu konštantne nastavené na hodnoty, ktoré sú pre všetky tri materiály zvolené tak, aby kvalita všetkých výstrekov bola pribli�ne rovnaká.

Charakteristika vybraných  materiálov pou�itých pri vstrekovaní

Polycarbonát natural

Ako základný materiál bol pou�itý Polykarbonát Makrolon 2405 MAS048 od firmy Covestro. Je to materiál s nízkou viskozitou, vysokou mrazuvzdornos�ou, hú�evnatos�ou a vykazuje malé zmraštenie. Anizotropia zmraštenia dovo�uje vstrekova� kruhové, valcové diely a diely s dierami. Vstrekovaním sa spracováva pomerne �a�ko, no napriek tomu sa vyu�íva pre svoje výborné mechanické vlastnosti v obrovských objemoch na preva�ne technické výlisky ako v �írom, tak aj vo farebnom prevedení (MÉZL 2012). Pou�itý bol v základnej forme natural black (Obr.1).

Obr. 1: Polykarbonát Macrolon 2405 MAS048

Polycarbonát + acrylonitrile butadiene styrene

Bayblend T65 XF PC/ABS od nemeckého výrobcu Bayer je zmes PC a ABS, ktorá poskytuje jedine�nú kombináciu vysokej spracovate�nosti ABS s výbornými mechanickými vlastnos�ami (nárazu vzdornos�, tepelná odolnos�), ktorými disponuje PC. Rovnováha vlastností PC/ABS je dosiahnutá kontrolovaným pomerom PC a ABS v zmesi, polykarbonátovej molekulárnej hmotnosti a pridanými aditívami (Obr. 2).

Obr. 2: Štruktúra zmesy PC/ABS (RESINEX 2015)

Pomer polykarbonátu a ABS má vplyv predovšetkým na tepelnú odolnos� kone�ného výstreku. Zmes PC/ABS vykazuje vynikajúcu odolnos� proti nárazu pri nízkych teplotách, ktoré sú lepšie pri jednotlivých materiáloch samostatne (RESINEX 2015).

Bayblend T65 XF (Obr. 3) je zdravotne nezávadný, má nízku absorpciu vlhkosti a dobré dielektrické vlastnosti. Aj ke� má amorfnú štruktúru, nie je opticky �íry. Je mo�né ho galvanicky pokovova� (MÉZL 2012). Pou�itý bol granulát v transparentnom prevedení.

Obr. 3: PC/ABS Bayblend T65XF

Polycarbonát + acrylonitrile butadiene styrene + GF

Bayblend T88 GF-20 od spolo�nosti Covestro (Obr. 4), dcérska spolo�nos� firmy Bayer, je zmes dvoch polymérov (blend) a to polykarbonátu a acrylonitrilu butadienu styrénu. Je to zmes plnená krátkymi sklenými vláknami s obsahom 20%. Odoláva vyšším teplotám oproti neplnenému. PC/ABS a má lepšie mechanické vlastnosti. Taktie� má lepšiu odolnos� proti nárazu a vyššiu chemickú odolnos�. Má vysokú rozmerovú stabilitu výliskov a zvýšenú odolnos� pri vyšších i ni�ších teplotách a poveternostných vplyvoch. Vyzna�uje sa vysokým leskom povrchu a odolnos�ou vo�i poškriabaniu (MÉZL 2012). Dodaný bol v naturálnom netransparentnom stave a granulát bol v �iernom prevedení.

Obr. 4: PC/ABS + 20%GF Bayblend T88GF-20

Zmraštenie

Zmraštenie je fenomén, ktorý sa vyskytuje u všetkých plastov. Pri vstrekovaní akéhoko�vek termoplastu amorfného (napr. PS, HI-PS, SAN, SBS, ASA, ABS, MABS, PMMA, PC, PC/ASA, PSU, PES, PSU/ABS) alebo �iasto�ne kryštalického (napr. PP, LDPE, HDPE, POM, PA, PBT, PET, PPS, LCP, PEEK) platí �e rozmery výstreku po jeho vyhodení z formy sú rozdielne od rozmerov meraných po nejakej dobe od jeho výroby, resp. po jeho skladovaní. Uvedené rozmerové zmeny sú ve�mi �asto pripísané zmršteniu alebo deformácii. Tu je však nutné rozlišova�, preto�e medzi oboma pojmami je podstatný rozdiel a na viac deformácia mô�e by� a ve�mi  �asto je dôsledkom zmrštenia:

Zmraštenie - objemová zmena pri tuhnutí polymérnych tavenín, ktorých základnou prí�inou je stla�ite�nos�, tepelná rozpínavos� a kontrakcia plastov, pri �iasto�ne kryštalických plastov ešte pristupujú kryštaliza�né zmeny.

Deformácia – zmena tvaru pri zachovaní konštantného objemu výstreku.

Pre úplnos� si uvedomme, �e na zmenu objemu, resp. rozmeru, má vplyv i nav�havos� a nasiakavos� termoplastov, �o sú procesy vratné ( dochádza i k vysychaniu). Tieto procesy sú zalo�ené na difúznych mechanizmoch a v tejto �asti im bude venovaná pozornos�.

Samozrejmou a základnou po�iadavkou všetkých u�ívate�ov výstrekov z termoplastov je, �e vyrobený diel musí ma� po�adované  rozmery, definované menovitou hodnotou a toleranciami, ako rozmerovými, tak i toleranciami tvaru a polohy. Tvarová dutina formy teda musí by� o príslušné zmraštenie v danom mieste vä�šia. Takto jednoducho definovaná po�iadavka je ale v praxi ve�mi problematicky realizovate�ná. Dôvodom je, �e na výsledné zmraštenie pôsobí ve�ké mno�stvo ovplyv�ujúcich parametrov, pri�om medzi základné je mo�né po�íta�:

• Procesné parametre výroby – tlaky, teploty, �asy,
• Typ a vlastnosti spracovaného termoplastu – amorfné, �iasto�ne kryštalické materiály, ich pvT správanie, plnené, neplnené plasty, druh a obsah plniva,
• Konštrukcia výstreku, resp. formy – obzvláš� hrúbka stien výstreku, tvary ovplyv�ujúce zmraštenie a pod. (ZEMAN, 2009).

Objemové a lineárne zmraštenie

Pre prax je najdôle�itejšia informácia o objemovom zmraštení  celkovom, resp. výrobnom.
Výrobné objemové zmraštenie je mo�né ur�i� zo vz�ahu:

Obr. 5: Priebeh zmraštenia v chladnúcej plastovej doske (ZEMAN 2009)

Pou�ívané lineárne zmraštenie je teda z uvedeného poh�adu za�a�ené chybou cca 5 a� 10%. Tu je nutné zdôrazni�, �e zmraštenie  nemá význam anizotropie zmraštenia ako napr. anizotropia zmraštenia plnených termoplastov. Problematika smerového zmraštenia je znázornená na obr. 5.

Návrh skúšobnej vzorky

Pre metodiku a výpo�et ve�kosti zmraštenia bola pou�itá slovenská verzia európskej normy EN ISO 294 – 4: 2003. Táto �as� ISO 294 špecifikuje metódu stanovenia výrobného zmraštenia a dodato�ného zmraštenia vstrekovaných skúšobných telies z termoplastov v smere rovnobe�nom a v smere kolmom k smeru toku taveniny v dutine formy. V tejto norme sú popísané skúšobné telesá s rozmermi 60x60x2 mm. Predmetom experimentu je skúšobné teleso s rozmermi 85x30x2,8. Hlavnou myšlienkou tohto výskumu je analyzova� ve�kos� zmraštenia v reálnych podmienkach na reálnej sú�iastke vyu�ite�nej v praxi. Len málo výliskov je toto�ných s normalizovanými skúšobnými telesami a pri nekone�nej tvarovej rôznorodosti plastových dielov je mnoho nedefinovaných prípadov správania sa plastového výstreku po�as prebiehajúceho zmraštenia. Preto aj pri návrhu skúšobného telesa bolo myslené na tento fakt a tvarovo bol prispôsobený ku komer�nému vyu�itiu.

Skúšobná vzorka (Obr. 6) bola navrhnutá a vytvorená v CAD modelovacom softvéri SolidWorks. Jednotlivé tvary vznikali postupne jeden za druhým metódou CSG (Constructive Solid Geometry), a to pomocou geometrických telies. Podstata spo�íva vo vyu�ívaní mno�inových (booleanských) operácií, a to s�ítavanie, rozdiel alebo prienik. Teleso je vytvorené pomocou „stromu“ mno�inových operácií, ktorý taktie� obsahuje informácie o operáciách, ktorými sú primitíva. Základ modelu bol hranol, ktorý bol postupne upravovaný na po�adovaný tvar odpo�ítavaním a pridávaním základných matematických objektov.

Obr. 6: Skúšobná vzorka navrhnutá v CAD softvéri

Metodika výpo�tu výrobného zmraštenia

Na rozdiel od metodiky formulovanej normou bola na skúšobnom telese meraná šírka a1 a d�ka a2 (obr. 7), �alej bola meraná hrúbka steny výstreku v dvoch rôznych referen�ných bodoch smerom od vtokového ústia – b1 (pri vtoku), b2 (stred tokovej dráhy), a objemové zmraštenie merané v bode ozna�enom ako b3 (Obr. 8).

Obr. 7: Znázornenie merania d�ky a šírky

Obr. 8: Znázornenie meraných bodov lokálneho zmraštenia

Meranie výrobného zmraštenia

Meranie lokálneho výrobného zmraštenia bolo vykonávané s oh�adom na predchádzajúci odstavec. Pre ka�dú jednotlivú variantu experimentu s danou kombináciou technologických a konštruk�ných parametrov bola najskôr vykonaná inicia�ná séria vstrekov. Po zmene procesných parametrov bola stanovená doba minimálne 30 min medzi sériami testov z dôvodu ustálenia procesu a pre vstrekolis prispôsobenia sa zmene parametrov. Skúšobné telesá boli odoberané a merané a� po úplnom ustálení výrobného procesu. Ka�dý meraný výstrek bol ozna�ený aby nedošlo k náhodnej zámene výstrekov a tým k znehodnoteniu experimentu. Skúšobné telesá boli ulo�ené v miestnosti s ustálenou teplotou 23 °C po�as 24 hodín.

Pre meranie d�kových rozmerov skúšobných telies bol pou�itý merací prístroj overený akreditovaným kalibra�ným laboratóriom. D�ka bola meraná digitálnym profilprojektorom Nikon V12 A s presnos�ou 0,001 mm.

Hrúbka a šírka skúšobnej vzorky bola meraná digitálnym lineárnym výškomerom Mitutoyo LH 600 s presnos�ou 0,001 mm s meracou ihlou prispôsobenom potrebám konkrétneho merania.         

Vstrekovací stroj

Vzh�adom k dodr�aniu sledu jednotlivých krokov od návrhu sú�iastky v CAD softvéri a� po jej vypadnutie zo vstrekovacieho stroja by v tomto bode mal nasledova� návrh vstrekovacej formy. Konštruktér vytvára na základe CAD modelu sú�iastky vstrekovaciu formy a pri tom dodr�uje pravidlá konštruovania foriem pre plastové sú�iastky. V tomto prípade bude tento krok presunutý a priamo naviazaný na výber vstrekovacieho lisu, ktorým disponuje výrobný podnik. Maximálna uzatváracia sila vstrekovacej formy bola stanovená na 800 [kN] a vzh�adom na tvar, zlo�itos� sú�iastky a teplotnú citlivos� materiálu PC/ABS bol navrhnutý vstrekovací lis  ENGEL e-motion 80  s priemerom závitovky vo vstrekovacej komore Φ35 [mm]. Pre všetky tri typy PC materiálu je posta�ujúce pou�i� štandardnú cementovanú komoru s otvorenou tryskou, v našom prípade je pou�itá nitridovaná komora pre materiály s obsahom do 30% skla. Všetky série výstrekov experimentu boli realizované na tomto vstrekovacom lise a parametre procesu boli upravené a zosúladené pre produkciu skúšobných vzoriek.

Návrh vstrekovacej formy

Vstrekovacia forma upnutá na vstrekovacom stroji tvorí matricu výlisku. Vstrekovaním taveniny do medzery medzi tvarom tvárnice a tvarom tvárniku a následným stuhnutím taveniny je definovaný tvar výlisku. Pri konštruovaní vstrekovacej formy pod�a CAD modelu je ve�mi dôle�ité riadi� sa pravidlami konštruovania foriem a taktie� vychádza� z u� získaných poznatkov nadobudnutých pri práci v oblasti vstrekovania plastov.

CAD model skúšobnej sú�iastky (Obr. 9) bol navrhnutý tak, aby celkovým tvarom a dráhou toku taveniny bolo najlepšie preukázate�né zmraštenie vo vytipovaných bodoch. K tvarovým a materiálovým po�iadavkám experimentu bola navrhnutá a vyrobená špeciálna vstrekovacia forma, ktorá zabezpe�í reprodukovate�nos� vyrábaných skúšobných vzoriek a taktie� zaistí aby proces pri ve�kom po�te vzoriek nedegradoval.

Obr. 9: Návrh vstrekovacej formy v prostredí CAD

Vo�ba parametrov experimentu

Zvolenie správnych parametrov experimentu je ve�mi dôle�ité ako z h�adiska opakovate�nosti výroby skúšobných vzoriek, tak aj samotnej realizovate�nosti experimentu. Všetky parametre vstupujúce do procesu majú vplyv na výsledné vlastnosti a tvar výlisku. U niektorých parametrov je tento vplyv vä�ší, u niektorých menší a niektoré parametre majú dokonca nejednozna�ný vplyv na výslednú kvalitu výstreku. Pri definovaní technologických parametrov experimentu sme vychádzali ako z teoretických znalostí technológie vstrekovania plastov, tak aj z praktických skúseností získaných prácou v automobilovom priemysle. Pre lepšiu predstavu správania sa taveniny v dutine formy bol ako podpora stanovovania technologických parametrov vyu�itý simula�ný softvér Moldex3D. Jednotlivé kroky od návrhu modelu po reálne vystreknutý diel sú zobrazené na obr. 10.

Obr. 10: Od CAD modelu k reálnemu výstreku

Materiálové parametre

Za prvý parameter experimentu mo�no pova�ova� rozdielny typ amorfného termoplastu. Vo všetkých prípadoch bol zvolený amorfný termoplast Polycarbonát, ktorý má hodnoty zmraštenia 0,6 – 0,8 %. Prvý typ PC bol Makrolon 2405 MAS048, druhým materiálom bola zmes PC a ABS Bayblend T65XF a tretím typ materiálu pou�itým pri experimente bol PC/ABS Bayblend T88 GF-20 s obsahom 20% krátkych sklených vlákien.

Konštruk�né parametre

�alším parametrom experimentu bola zvolená ve�kos� hrúbky steny došti�ky 2,8 mm. Táto hodnota pribli�ne reprezentuje strednú hodnotu hrúbky stien v praxi pou�ívaných technických výstrekov. �alším konštruk�ným parametrom je samotná dráha toku taveniny, po�as ktorej musí vstrekovaný materiál obchádza� tvarovú �as�, ktorá tvorí dieru a �alej pokra�uje k hrane, ktorú obteká a tým lokálne zvyšuje teplotu z dôvodu zvýšeného trenia. Skúšobná vzorka je priestorovo tvarovaná zámerne tak, aby bol vplyv zmraštenia výrazný.

Technologické parametre

Technologické parametre do zna�nej miery determinujú proces vstrekovania plastov a majú signifikantný vplyv na ve�kos� zmraštenia výstreku. Základné nastavované technologické parametre v experimente sú:

• teplota taveniny,
• uzatváracia sila,
• plastifikácia,
• dekompresia,
• vstrekovací tlak,
• vstrekovacia rýchlos�,
• bod prepnutia,
• dotlak (ve�kos� dotlaku),
• doba dotlaku,
• teplota tempera�ného média,
• doba chladenia výstreku vo forme.
  
  

Vplyv týchto parametrov prispieva k finálnym vlastnostiam výrobku. Ka�dý parameter nemo�no hodnoti� samostatne, ale je potrebné vzia� do úvahy ich vzájomnú interakciu. Zmena nastavení jednotlivých úrovní premenných mô�e hodnotu zmraštenia bu� zvä�šova� alebo naopak zmenšova�. Miera ich vplyvu je rôzna a mô�u sa bu� dopl�ova� alebo si vzájomne odporova�.

Pokia� by sa mal experiment vykonáva� pre všetky vyššie uvedené parametre, obsahovala by úplná faktorová analýza pre všetkých 11 faktorov na 3 úrovniach  = 531 441 pokusov v�dy pre jeden typ pou�itého materiálu. Takýto rozsah experimentálneho merania by bol ve�mi rozsiahli, preto boli z dôvodu zní�enia po�tu pokusov menené na troch úrovniach tri parametre, ktoré majú na zmraštenie nejednozna�ný vplyv – bod prepnutia z hlavného vstrekovacieho tlaku na dotlak, teplota tempera�ného média a teplota taveniny.

Bod prepnutia

Pre vstrekovanie technicky presných dielov je správne ur�enie bodu prepnutia na dotlak ve�mi dôle�ité. Avšak nie len u takýchto dielov by fáza vstrekovania mala rovnomerne dopravi� do formy plný objem výlisku a fáza dotlaku by mala doda� taký objem materiálu, aký z objemu výlisku ubudne kontrakciou tuhnúcej taveniny. U tenkostenných a technicky presných výliskov ako je v prípade experimentálnej skúšobnej vzorky by mal poloha bodu prepnutia ma� hodnota v rozsahu od 80 – 90% naplnenia dutiny taveninou pomocou hlavného vstrekovacieho tlaku (MÉZL 2012). Správny bod prepnutia sa ur�uje pri vstrekovaní s vyradením dotlaku a s následným vá�ením hmotnosti výstreku a vizuálnou kontrolou. Vstupný faktor bodu prepnutia bude pre potreby experimentu menený na troch úrovniach a to 80 %, 85 % a 90 % naplnenia objemu dutiny taveninou. Ur�enie naplnenia dutiny taveninou pri jednotlivých úrovniach bodu prepnutia bolo zis�ované pomocou simula�ného softvéru Moldex3D (Obr.11).

Obr. 11: Jednotlivé hodnoty bodu prepnutia

Teplota formy

S nárastom teploty formy, rovnako ako u zvä�šujúcich sa hrúbok stien výstreku, narastá aj hodnota zmraštenia. Doba zamrznutia prierezu steny sa v dôsledku zvýšeného obsahu tepla (jeho pomalšieho odvodu) vo výstreku predl�uje a tým sa zvyšuje aj zmraštenie. Teplota steny formy má vplyv nie len na zmraštenie, ale je to aj parameter ovplyv�ujúci tokové chovanie taveniny a profil vnútorného pnutia vo výstreku. Pre amorfné materiály pou�ité boli stanovené hodnoty 50, 70 a 90 [°C]. Na (Obr. 12) sú znázornené teplotné polia skúšobnej vzorky pri nastavenej dobe dotlaku na 6 [s] a dobe chladenia 10 [s].

Obr. 12: Zobrazenie teplotných polí

Teplota taveniny

Vplyv teploty taveniny na zmraštenie nie je jednozna�ný a preto ani predpove� vplyvu nie je jednoduchá. Teplota taveniny z poh�adu zmraštenia pôsobí dvomi protichodnými efektami.

- Prvý efekt – zvyšovanie teploty taveniny – zvyšuje jej tepelnú kontrakciu a teda aj zmraštenie,

- Druhý efekt – zvýšená teplota taveniny – zni�uje jej viskozitu (zlepšuje tekutos�) a tým umo��uje lepšiu, tj. vyššiu tlakovú odozvu vo výstreku pri dotlaku �o vedie k zmenšeniu zmraštenia (ZEMAN 2009).

Priame meranie teploty taveniny pri vstrekovacom procese nebolo doteraz v praxi úspešne implementované. Po�adované hodnoty dosiahneme nepriamo nastavením teploty odporových vyhrievacích pásov umiestnených v plášti plastifika�nej komory vstrekolisu.

V experimente bola teplota plastifika�ného valca menená na troch úrovniach. Na prvej úrovni malo hodnotu 270 °C, na druhej úrovni bola teplota 280 °C a na tretej úrovni hodnota 290 °C. Samozrejme, �e plastifika�ný valec má nieko�ko výhrevných pásiem, pri�om ka�dé pásmo sa reguluje samostatne a profilovanie teplôt plastifika�ného valca má vplyv na výslednú kvalitu vystreknutého dielu. Ako teplota taveniny bude �alej uvádzaná len teplota dýzy plastifika�ného valca. Pre nastavenie teplôt bol zvolený štandardný vzostupný profil smerom od násypky k dýze agregátu. Interval teplôt bol nastavený s oh�adom na spracovate�nos� PC Makrolon a taktie� na tepelnú citlivos�  PC/ABS Bayblend T65 XF.

Zostavenie nastavovacieho predpisu

Po zadefinovaní všetkých parametrov, ktoré vstupujú do procesu a majú vplyv na ve�kos� zmraštenia skúšobnej vzorky, �i u� priamo alebo nepriamo, bol vytvorený nastavovací predpis (Tab.1), ktorý sumarizuje všetky parametre a systematicky ich triedi na jednotlivé kroky. Nastavovací predpis obsahuje všetky informácie potrebné k realizácii experimentu a slú�i ako návod k nastaveniu vstrekovacieho lisu a jeho uvedenia do prevádzky.

Tab. 1: Nastavenie procesných parametrov experimentu

Vyhodnotenie lokálneho, pozd�neho a prie�neho zmraštenia

V experimente bol skúmaný vplyv kombinácie vstrekovacích parametrov na lokálne, prie�ne a pozd�ne zmraštenie. Nastavované boli kombinácie skúmaných technologických parametrov uvedené v nasledujúcom poradí.

Bod prepnutia [%] – Teplota taveniny [°C] – Teplota tempera�ného média [°C].

Namerané hodnoty zanesené do tabuliek reprezentujú len aritmetické priemery z 20 nameraných hodnôt v jednotlivých miestach pri ka�dom z piatich sledovaných bodov pri troch materiáloch.

V priebehu experimentu bolo realizovaných 8100 meraní na 1620 reálne vystreknutých skúšobných vzorkách. Takto roztriedené dáta boli vyhodnotené štatistickou analýzou plánovaného experimentu typu DOE, zostaveného s cie�om vyhodnotenia vplyvu troch technologických faktorov na 5 sledovaných premenných, charakterizujúcich kvalitu výstreku, vyrábaného na vstrekovacom lise.

Dáta a typ výskumných �inností

V prvom kroku sú všetky dôle�ité premenné experimentu zostavené do tabuliek.  Rozlišujú sa premenné charakterizujúce kvalitu procesu (tzv. sledované premenné) a premenné ovplyv�ujúce samotný proces (tzv. faktory).

Sledované premenné

Po�adovaná rozmerová stabilita je charakterizovaná pomocou 5 sledovaných premenných (tab.2).

Tab. 2: Výstupné (sledované) premenné

Faktory

Z mno�iny technologických faktorov, ktoré potenciálne ovplyv�ujú hodnoty sledovaných premenných, sú ur�ené tri dominantné faktory (tab.3).

Tab. 3: Faktory a úrovne experimentu

Výsledky nameraných hodnôt

Pre jednotlivé sledované premenné boli zostavené tabu�ky, v ktorých sa nachádzajú namerané hodnoty zmraštenia všetkých troch materiálov a pre všetky kombinácie dominantných faktorov na troch úrovniach. Ku ka�dej jednotlivej priemernej hodnote zmraštenia je uvedená príslušná smerodajná odchýlka σ súboru nameraných dát.

V nasledujúcej tabu�ke (Tab. 4) sú zobrazené namerané hodnoty pozd�neho zmraštenia  pre všetky tri druhy materiálu.

Tab. 4: Hodnoty pozd�neho zmraštenia Zps pre jednotlivé materiály

Pre ka�dú sledovanú premennú bola vytvorená obdobná tabu�ka.

Štatistická analýza

Vyhodnotenie výsledkov celého experimentu bolo vykonávané v štatistickom programe Minitab 17. Pri testovaní bola pou�itá štandardná hladina významnosti α = 0,05

Prostredníctvom štatistického vyhodnotenia výsledkov sme sledovali 2 základné ciele:

1) Ur�i� aký vplyv má ka�dý z 3 uva�ovaných faktorov na ka�dú z 5 sledovaných premenných, tj. vyhodnoti� vplyv bodu prepnutia, teploty taveniny a teploty tempera�ného média na zmraštenie v pozd�nom smere, zmraštenie v prie�nom smere a zmraštenie hrúbky v bodoch 1 a� 3.

2) Ur�i� aké je optimálne nastavenie 3 uva�ovaných faktorov pre dosiahnutie �o najlepších výsledkov v procese výroby výlisku, tj. pre dosiahnutie minimálnych hodnôt všetkých parametrov zmraštenia. Cie�ová hodnota zmraštenia je nula.

Typ experimentu

Bola zvolená Full Factorial metóda ortogonálneho plánu pri�om boli 3 faktory na 3 úrovniach kombinované do 27 pokusov, pri�om ka�dý pokus bol realizovaný celkom trikrát (1 pokus pre ka�dý z troch skúmaných materiálov). Celkový po�et experimentov bol teda 81.

Experiment bol vyhodnocovaný s oh�adom na priemernú hodnotu sledovaných premenných. Ka�dé nastavenie faktorov a materiálov v 81 experimentoch je jedine�né a preto nie je mo�né vyhodnocova� variabilitu sledovaných premenných.

Vplyv technologických parametrov na lineárne zmraštenie v pozd�nom smere  k toku taveniny Z_ps

Vyhodnotený bol vplyv bodu prepnutia, teploty taveniny a teploty tempera�ného média na lineárne zmraštenie v pozd�nom smere toku taveniny pre amorfný termoplast  PC/ABS Bayblend T65 XF. Hodnoty analýzy rozptylu dát a modelu experimentu zobrazuje (Tab. 5).

Tab. 5: Výsledky analýzy rozptylu

 
Vplyv parametrov je posudzovaný pomocou grafu (Obr.13).

Obr. 13: Graf hlavných efektov posudzovaných parametrov

Z jednotlivých grafov je zrejmé, �e najvä�ší vplyv na zmraštenie v pozd�nom smere toku taveniny pre materiál Bayblend T65 XF má parameter teplota tempera�ného média. Úse�ka tohto parametru má najvä�ší sklon (smernicu) a teda aj vplyv na sledovanú premennú. Úse�ky pre parametre bod prepnutia a teplota taveniny vykazujú malý sklon a majú teda malý vplyv na sledovanú premennú.

Optimálne nastavenie všetkých troch parametrov pre dosiahnutie po�adovaného výsledku – minimálnej hodnoty zmraštenia v pozd�nom smere, je uvedené na (Obr. 14). Hodnoty boli ur�ené na základe najmenšej hodnoty zmraštenia v pozd�nom smere toku taveniny.

Obr. 14: Optimálne nastavenie parametrov Zps mat1

Z výsledku je jasné, �e najmenšie hodnoty zmraštenia v pozd�nom smere k toku taveniny získame pri 85 [%] naplnenia dutiny pomocou hlavného vstrekovacieho tlaku a následným prepnutím na dotlak, teplote taveniny 290 [°C] a teplote tempera�ného média 90 [°C]. Ak nastavíme v procese faktory na tieto hodnoty bude dosahova� zmraštenie v pozd�nom smere k toku taveniny hodnotu 1,004 [%].

Interpretácia výsledkov štatistickej analýzy plánovaného experimentu pre všetky tri typy materiálov a pre všetky sledované premenné prebehla na základe rovnakého algoritmu.

Vyhodnotenie vplyvu technologických parametrov

Zmraštenie skúšobných vzoriek bolo definované piatimi sledovanými premennými, tj. vyhodnotenie lokálneho zmraštenia hrúbky skúšobnej vzorky sledovanej pri ústí vtoku ozna�enej ako bod b₁ (Zb1). Vyhodnotenie lokálneho zmraštenia v bode b₂ (Zb2), deformácia tvaru meraná ako b₃ (Zb3), vyhodnotenie lineárneho zmraštenia v pozd�nom smere k toku taveniny (Zps) a vyhodnotenie lineárneho zmraštenia v prie�nom smere k toku taveniny (Zks).

Pri všetkých troch typoch amorfného termoplastu bola sledovaná aj smerová rozdielnos� zmraštenia tzv. anizotropia, ktorá je spôsobená predovšetkým orientáciou makromolekúl  a plniva, obzvláš� vláknitého. PC/ABS Bayblend T65 XF spolu s PC Makrolon 2405 MAS nepreukázali významnú anizotropiu, výsledné hodnoty sa pohybovali v toleranciách pre tento typ termoplastu. Pri strednej úrovni teploty taveniny dosahovala anizotropia najni�šie hodnoty  len okolo 7 [%]. Pri plnenom termoplaste PC/ABS Bayblend T88 GF-20 boli hodnoty anizotropie vyššie a to a� okolo 23 [%]. Pri spodnej hranici teploty tempera�ného média boli zaznamenané najni�šie hodnoty anizotropie zmraštenia skúšobnej vzorky. Teória tvrdí, �e pri termoplastoch plnenými sklenými vláknami je zmraštenie v smere k toku taveniny v�dy menšie ako v kolmom smere k toku taveniny. Je to spôsobené vplyvom skleného vlákna spôsobujúce odpor vo�i kontrakcii materiálu a preto je dôle�ité pri predikcii zmraštenia pozna� orientáciu skleného vlákna vo výstreku. Za týmto ú�elom bola vytvorená simulácia, ktorá zobrazuje orientáciu sklených vlákien v skúšobnej vzorke. Z výsledkov je jasné, �e orientácia je podstatne vyššia v smere toku taveniny (Obr. 15) ako orientácia smere kolmom na tok taveniny (Obr. 16). Reálne namerané výsledky nám potvrdil aj simula�ný softvér.

Obr. 15: Orientácia sklených vlákien v smere toku taveniny

Obr. 16: Orientácia sklených vlákien v prie�nom smere k toku taveniny

Vyhodnotenie vplyvu technologických parametrov pre termoplast PC/ABS Bayblend T65 XF

Na základe výsledkov štatistickej analýzy plánovaného experimentu bol preukázaný výrazný vplyv teploty tempera�ného média na jednotlivé sledované premenné. Pri maximálnych hodnotách teploty tempera�ného média 90 [°C] bolo preukázané najni�šie zmraštenie v pozd�nom smere a taktie� v prie�nom smere k toku taveniny. Zatia� �o pre lokálne hodnoty zmraštenia v bodoch b₁ a b₂  bolo najni�šie zmraštenie zaznamenané pri opa�nej hranici teploty tempera�ného média a to pri 50 [°C]. Taktie� bol preukázaný vplyv technologických parametrov bod prepnutia a teplota taveniny ale v porovnaní s teplotou tempera�ného média v menšom rozsahu. Pre dosiahnutie najni�šej hodnoty zmraštenia vo všetkých sledovaných bodoch je mo�né dosiahnu� nastavením hodnoty bodu prepnutia z hlavného vstrekovacieho tlaku na dotlak na úrove� 85 [%] a teplotu taveniny ustáli� na hodnote 290 [°C]. Optimálne nastavenie dominantných technologických parametrov pre dosiahnutie cie�ovej hodnoty zmraštenia 0 [%] zobrazuje tab. 6.

Tab. 6: Optimálne nastavenie technologických parametrov

Vyhodnotenie vplyvu technologických parametrov pre termoplast PC Makrolon 2405 MAS

Na základe výsledkov štatistickej analýzy plánovaného experimentu bol preukázaný výrazný vplyv teploty taveniny na jednotlivé sledované premenné. Pri maximálnych hodnotách teploty taveniny 290 [°C] bolo preukázané najni�šie zmraštenie v pozd�nom smere, v prie�nom smere k toku taveniny a taktie� v lokálnych bodoch b₁ a b₂. Rovnako výrazný vplyv na hodnotu zmraštenia bol preukázaný pri technologickom parametri teplota tempera�ného média, ktorej hodnota musí by� precízne ur�ená a je priamo naviazaná geometriu tvaru skúšobnej vzorky. Taktie� bol preukázaný vplyv technologického parametra bod prepnutia ale v porovnaní s teplotou tempera�ného média v menšom rozsahu. Pre dosiahnutie najni�šej hodnoty zmraštenia vo všetkých sledovaných bodoch je mo�né dosiahnu� nastavením hodnoty bodu prepnutia z hlavného vstrekovacieho tlaku na dotlak na úrove� 85 [%] a teplotu tempera�ného média ustáli� na hodnote 70 [°C]. Optimálne nastavenie dominantných technologických parametrov pre dosiahnutie cie�ovej hodnoty zmraštenia 0 [%]  zobrazuje tab. 7.

Tab. 7: Optimálne nastavenie technologických parametrov

Vyhodnotenie vplyvu technologických parametrov pre termoplast PC/ABS Bayblend T88 GF-20

Na základe výsledkov štatistickej analýzy plánovaného experimentu bol preukázaný výrazný vplyv teploty tempera�ného média na jednotlivé sledované premenné. Pri minimálnych hodnotách teploty tempera�ného média 50 [°C] bolo preukázané najni�šie zmraštenie v prie�nom smere k toku taveniny a taktie� vo všetkých troch bodoch b₁, b₂, b3. Zatia� �o pre pozd�ne zmraštenie v smere k toku taveniny bolo najni�šie zmraštenie zaznamenané pri opa�nej hranici teploty tempera�ného média a to pri 90 [°C]. Taktie� bol preukázaný vplyv technologických parametrov bod prepnutia a teplota taveniny ale v porovnaní s teplotou tempera�ného média v menšom rozsahu. Pre dosiahnutie najni�šej hodnoty zmraštenia vo všetkých sledovaných bodoch je mo�né dosiahnu� nastavením hodnoty bodu prepnutia z hlavného vstrekovacieho tlaku na dotlak na úrove� 90 [%] a teplotu taveniny ustáli� na hodnote 280 [°C]. Optimálne nastavenie dominantných technologických parametrov pre dosiahnutie cie�ovej hodnoty zmraštenia 0 [%] zobrazuje tab. 8.

Tab. 8: Optimálne nastavenie technologických parametrov

Zhrnutie vplyvu technologických parametrov na sledované premenné

Z teoretického h�adiska je pri amorfných termoplastoch zmraštenie ur�ené predovšetkým teplotnými dejmi a do zna�nej miery o tom vypovedá aj výsledok experimentu. Bol preukázaný signifikantný vplyv teploty tempera�ného média na lineárne a lokálne zmraštenie. Systém temperácie formy by mal by� optimalizovaný a �o najviac vybalansovaný, tj. teplota steny tvarovej dutiny formy má by� lokálne rovnaká. Rozdiel teplôt tempera�nej kvapaliny na vstupe a výstupe z formy by mala by� cca 3 a� 5 [°C] nad stanovenú hodnotu. Nízka teplota vstrekovacej formy vyvoláva silnú orientáciu makromolekúl na povrchu výstreku a tým aj vznik vysokého obsahu vnútorného pnutia, a to v pozd�nom aj v prie�nom smere k toku taveniny. Naopak vysoká teplota vstrekovacej formy zni�uje orientáciu makromolekúl na povrchu výstreku a tie� zni�uje obsah vnútorného pnutia. Výsledok jasne ukazuje, �e teplota tempera�ného média nie je tabu�kový parameter ale je s ním potrebné správne pracova� a nastavi�. Taktie� parameter teplota taveniny mal vplyv na zmraštenie v jednotlivých bodoch v smere hrúbky skúšobnej vzorky. To bolo zaprí�inené zvýšenou tepelnou kontrakciou taveniny v dutine formy, ktorá bola do ur�itej miery eliminovaná dotlakom. Odborná literatúra uvádza technologický parameter bod prepnutia ako parameter, ktorý nemá vplyv na zmraštenie výstrekov a pri do návrhu vstrekovacej formy s ním nie je uva�ované. Výsledky tohto experimentu ukazujú, �e bod prepnutia má vplyv na zmraštenie aj ke� bol definovaný ako slabý ale pri technických dieloch so zvýšenými po�iadavkami na kvalitu, mô�e zohráva� významnú rolu pri predikcii reálnych hodnôt zmraštenia.

Zoznam bibliografických odkazov

MÉZL, M. Základy technológie vstrekovania plastov. EU, 2012. 302 s. ISBN 978-80-970749-7-5
PLASTICKER. The home of plastics. 2015[cit. 2017-03-22]. Dostupné na internete: http://plasticker.de/Kunststoff_News_25831_Special_f15_Engel_Mit_inject_40_die_Moeglichkeiten_von_Spritzgiessanlagen_
ausreizen?special=f15
ZEMAN, L.: Vst�ikování plast�. BEN – Technická literatura, 2009. ISBN: 978-80-7300-250-3