Tempering injection molds - an important prerequisite for the production of thermoplastic moldings, Part 4

Ke spln�ní uvedeného cíle v podstat� vedou dv� cesty, které vycházejí ze vztahu pro ur�ení mno�ství tepla odvedeného tempera�ním systémem formy-Q = k.S.(TF-TK), kde k je sou�initel prostupu tepla mezi povrchem tvarové st�ny formy a tempera�ním médiem, S je teplosm�nný povrch tempera�ních kanál�, TF je st�ední teplota st�ny formy a TK st�ední teplota tempera�ního média.

První cesta je v zajišt�ní co nejv�tší diference mezi pracovní teplotou formy a teplotou tempera�ní kapaliny. Tato cesta nedává p�íliš velké mo�nosti-základní teplota formy je dána vst�ikovaným materiálem, její variabilita je ur�ena po�adavkem na jakostní parametry výst�iku.

Druhá cesta se sna�í zajistit co nejv�tší hodnotu sou�initele prostupu tepla mezi tvarovým povrchem dutiny formy a tempera�ním médiem-viz hodnoty sou�initel� tepelné vodivosti r�zných materiál� pou�ívaných v konstrukci formy výše, k nim je samoz�ejm� nutno vzít v potaz tlouš�ky jednotlivých tvarových díl�, desek, atd. p�es n� se vedení tepla realizuje, vzdálenosti kanál� od st�ny formy, mezi sebou, atd., v�etn� mo�nosti usazení kotelního kamene na st�nách tempera�ních kanál� a v neposlední �ad� sou�initel p�estupu tepla mezi povrchem st�ny tempera�ního kanálu a tempera�ním médiem.

Tvarové a konstruk�ní �ešení formy vychází z daného tvaru výst�iku, po�adavk� na tuhost formy, apod. Zde, i p�i zachování všech zásad správné konstrukce formy a jejích tempera�ních okruh�, je limitovaná mo�nost ovlivn�ní sdílení tepla, a proto zbývá jako �initel zásadní d�le�itosti sou�initel p�estupu tepla mezi povrchem st�ny tempera�ního kanálu a tempera�ním médiem.

Veli�iny ur�ující hodnotu sou�initele p�estupu tepla mezi povrchem st�ny tempera�ního kanálu a tempera�ním médiem m��eme rozd�lit na dv� skupiny. Do první skupiny �adíme veli�inu související s vlastním tempera�ním médiem, jeho kinematickou viskozitu a druhou skupinu tvo�í veli�iny vzta�ené k vlastnímu tempera�nímu systému formy-hydraulický pr�m�r chladících kanál� a rychlost proud�ní tempera�ního média v nich.

Popsané veli�iny jsou souhrnn� charakterizovány bezrozm�rným Reynoldsovým �íslem Re, které definuje, mimo jiné, ú�innost tempera�ního systému. Jeho ú�innost je výrazn� závislá na druhu proud�ní tempera�ního média v chladících kanálech. Proud�ní v nich by m�lo v�dy být turbulentní-ví�ivé-a nikoliv laminární. Výpo�tem Reynoldsova �ísla, které se rovná sou�inu rychlosti proud�ní a hydraulického pr�m�ru kanálu pod�leného kinematickou viskozitou tempera�ního média, v daném míst� kanálu zjistíme druh proud�ní a tedy i ú�innost temperace. Pokud je v daném míst� Re v�tší ne� cca 4 000 je proud�ní turbulentní. Kritické Reynoldsovo �íslo udávající p�ed�l mezi laminárním a turbulentním proud�ním je Re = 2 320, p�ed�l není ostrý a má ur�itou p�echodovou oblast a proto pro definici turbulence bereme hodnotu 4 000 a v�tší.

Mo�nost zvyšování Re je ve zv�tšování sou�inu hydraulický pr�m�r kanálu a rychlosti proud�ní média v n�m. Dále ve vztahu k Reynoldsovu �íslu platí, �e zv�tšování pr��ezu (pr�m�ru) chladícího kanálu zp�sobuje zvýšení Re a analogicky jako se m�ní Re se m�ní i teplota chladící vody.

Pro ilustraci uvedeného konstatování uvedu takovýto p�íklad-vst�ikujeme díl z PS, jeho hmotnost je 26 g/ks, teplota taveniny 240 °C, po�adovaná homogenní teplota st�ny formy 40 °C, teplota okolí 20 °C, doba výrobního cyklu 21 s. V jedné sekci formy máme kanál o pr�m�ru 6, 5 mm a pro udr�ení pracovní teploty formy musí mít chladící voda teplotu 9, 2 °C, v jiném tempera�ním okruhu té�e formy je kanál o pr�m�ru 18, 5 mm v n�m� pro 40 °C teplotu formy sta�í voda o teplot� 25, 1 °C.

Z uvedeného mohou vyplývat i ur�ité limity pro pou�ití tempera�ních vlo�ek vyrobených technologií DMLS- konformní chlazení, kde jsou obvykle kanály menších pr�m�r�, respektive pr��ez�.

S po�adavkem na turbulentní proud�ní úzce souvisí nutnost vnesení do chladícího média ur�itou energii, co� p�ináší po�adavky na chladící systém a to jak z pohledu jeho chladícího výkonu, tak i z pohledu vnesení pohybové energie, která slou�í k p�ekonání všech hydraulických odpor� v tempera�ním systému formy.

Reynoldsovo �íslo se p�i zvyšování rychlosti proud�ní chladící kapaliny-malé hydraulické odpory, výkonné �erpadlo tempera�ního p�ístroje-zv�tšuje lineárn�, ale koeficient prostupu tepla roste nelineárn�, stejn� jako teplota chladící vody. V praxi to znamená, �e k dosa�ení stejného chladícího výkonu-stejného odvodu tepla z výst�iku- sta�í p�i vyšší rychlosti proud�ní kapalina o vyšší teplot�.

Chceme-li zachovat �as cyklu, musí se pro p�íklad vst�ikování ji� uvedeného výst�iku z PS p�i sní�ení rychlosti proud�ní kapaliny-pou�ití tempera�ního p�ístroje o ni�ším výkonu �erpadla-z 3, 4 m/s na 1, 8 m/s sní�it teplotu vody ze 17, 2 °C na 12, 7 °C, co� vy�aduje výrazn� vyšší chladící výkon tempera�ního za�ízení. V p�ípad� nesní�ení teploty vody je nutno prodlou�it dobu cyklu.

V úvahách o teplot� st�ny formy se nesmí zapomínat ani na ji� d�íve zmín�nou mo�nost vytvo�ení vzduchové mezery mezi tvárníkem a zamrzlou taveninou v d�sledku nedostate�ného p�sobení dotlakové fáze v závislosti na pr��ezu ústí vtoku-viz sou�initel vedení tepla pro vzduch uvedený výše. Se sou�initelem vedení tepla také výrazn� souvisí jeho p�enos p�es p�ípadné usazeniny na vnit�ním povrchu kanál�.

Temperace formy-teplota formy

Temperace vst�ikovacích forem je faktor, který významným zp�sobem ovliv�uje dobu výrobního cyklu, v�etn� celé �ady kvalitativních parametr�-rozm�rovou a tvarovou stálost, deformace, jakost povrchu, mechanické vlastnost, atd.

Temperace, samoz�ejm�, koresponduje s po�adavky na co nejefektivn�jší ekonomiku provozu. Obecn� platí, �e p�i standardním vst�ikování cca 70% výrobního cyklu je doba chlazení výst�iku v tvarové dutin� formy-od konce dotlaku, p�es plastikaci a� po vyhození dílu z formy, cca 5% vst�ikovací fáze, cca 10% dotlaková fáze a cca 15% z doby cyklu p�edstavují nezbytné strojní pohyby.

Chlazení výst�ik� je t�sn� spjato s konstrukcí formy, která vychází z konstrukce výst�iku. Ovliv�uje celkovou dobu výroby výst�iku, míru zmetkovitosti-n�která publikovaná �ísla uvád�jí, �e a� 60% vad je , po analýze, mo�no p�i�adit k nesprávné temperaci formy, respektive výst�iku, co� mimo jiné, výrazn� zvyšuje náklady na �innosti spojené s �ízeným dodáváním a odb�rem tepla do a z formy.

Uvedené �innosti se prolínají a mnohdy mohou p�sobit vzájemn� protich�dn�, nap�íklad kratší doby výrobního cyklu sni�ují jednicové náklady, ale mohou i zvýšit riziko výskytu zmetk�. Sofistikovan�jší konstrukce a metody temperace jsou obvykle na vstupu dra�ší, ale obvykle zajistí úsporn�jší provoz.

Základním po�adavkem temperace forem je dosa�ení co nejkratší doby cyklu, p�i optimalizaci po�adovaných jakostních kritérií, jinak �e�eno, dodr�ení stabilní, povrchov� a místn� homogenní pracovní teploty tvarové dutiny formy a to po celou dobu vst�ikovacího cyklu, v�etn� reprodukovatelnosti cyklus od cyklu.V n�kterých p�ípadech je po�adováno lokální �ízení teploty povrchu formy.

Polo�me si otázku jakými prost�edky je mo�no výše uvedená kritéria, respektive po�adavky na temperaci forem dosáhnout.

V první �ad� je to designu výst�iku a zpracovávanému materiálu odpovídající rozlo�ení, umíst�ní a pr�m�ry tempera�ních kanál�, které by m�ly zajistit co nejefektivn�jší odvod tepla, v�etn� jeho rovnom�rného p�enosu z jednotlivých partií výst�iku a zajišt�ní turbulentního proud�ní tempera�ní kapaliny v chladícím systému formy.

Pod pojem temperace vst�ikovacích forem zahrnujeme ochlazování nebo oh�ev tvá�ecích �ástí forem pomocí tempera�ního média na po�adovanou teplotu p�ed za�átkem výroby a udr�ení této pracovní teploty b�hem cyklického vst�ikování v po�adovaném toleran�ním rozmezí.P�i temperaci dochází k tuhnutí polymerní taveniny a chlazení výst�iku, p�i�em� tento proces za�íná ji� b�hem vst�ikovací fáze-pln�ní tvarové dutiny formy taveninou, pokra�uje b�hem dotlakové fáze, kdy se kompenzuje smrš�ování výst�iku a trvá a� do okam�iku otev�ení formy a vyhození výst�iku z tvarové dutiny.

Chladící fáze vst�ikovacího cyklu je obvykle nejdelší �ástí cyklu a tedy výrazn� ovliv�uje ekonomii výroby výst�ik� z termoplast�.

Z ekonomického hlediska by tuhnutí a ochlazování výst�iku m�lo být co nejrychlejší, ale z pohledu jakosti díl� by jeho rychlost m�la být taková, aby zabránila p�ípadným rozm�rovým a tvarovým zm�nám, vnit�ním i povrchovým vadám.

Úkolem temperace tedy je:

-oh�ev formy na po�adovanou teplotu a její udr�ení v po�adovaném toleran�ním rozp�tí

-zajišt�ní maximální mo�né homogenity-rovnom�rnosti rozlo�ení teploty po celém tvá�ecím povrchu formy, v�etn� její reprodukovatelnosti cyklus od cyklu

-odvedení tepla z dutiny formy, respektive výst�iku za takovou dobu, aby byly spln�ny ekonomické i jakostní ukazatele.

Volba, konstrukce a dimenzování tempera�ního systému vst�ikovací formy, technologické podmínky temperace mají zna�ný vliv na výsledné fyzikáln�-mechanické vlastnosti výst�ik�, na jejich kvalitativní parametry, na dobu trvání výrobního cyklu a na spot�ebu energie na temperaci.

V oblasti vst�ikování plast� je v sou�asné dob� aplikována �ada metod a systém� temperace tvarových dutin vst�ikovacích forem.

Nej�ast�jšími tempera�ními systémy jsou systémy s cirkulujícím médiem, kterým je zpravidla voda. Krom� vody se k temperaci forem pou�ívá i olej nebo glykol, vodní pára a to v otev�eném nebo uzav�eném ob�hu, v beztlakovém i tlakovém re�imu, s trvalým nebo pulzním pr�tokem.

P�i konstrukci formy by m�l její konstruktér mít na pam�ti, �e tempera�ní systém je nutno do formy umístit ihned po promyšlení násobnosti formy a zaformování dílu-volba d�lících rovin, tvárník� a tvárnic, �elistí, atd., a rozvodu polymerní taveniny do jednotlivých tvarových dutin formy.

Samoz�ejmostí by m�lo být rozd�lení temperace na samostatné okruhy a v p�ípad� forem s horkými tryskami by m�l být samostatný okruh u ústí ka�dé horké trysky.

Jen tak toti� bude tempera�ní systém schopen plnit své, výše uvedené, uvedené úkoly a nebude pouze sou�ástí formy do ní umíst�ný systémem „tam, kde bylo místo“.

P�i konstrukci tvárník� i tvárnic je mo�no pou�ít konstruk�ní systém CONTURA, jeho� principem je rozd�lení, nap�íklad tvárníku, na vrstvy, v jejich� stykových plochách jsou vyfrézovány tempera�ní kanály, které se p�izp�sobují tvaru výst�iku. Jednotlivé �ásti-vrstvy se do kompaktního, t�sného a pevného celku- tvárníku spojí pájením natvrdo v podtlaku.

Nejú�inn�jší odvod tepla zajiš�ují tempera�ní vlo�ky vyrobené technologií laserového spékání kovových prášk� ve vrstvách o tlouš�ce 0, 02 a� 0, 04 mm-technologie DMLS. Ve vlo�kách díky vrstvení je mo�no vytvo�it prakticky libovolné prostorové tvary tempera�ních kanál� a tím zajistit optimalizovaný odvod tepla z p�íslušné partie výst�iku. Tento zp�sob odvodu tepla z formy se nazývá konformní chlazení.

Pro zajišt�ní pr�b�ného chlazení v otev�eném nebo uzav�eném okruhu se pou�ívají tempera�ní p�ístroje s p�íslušným �erpadlem, jeho� výkon by m�l zajistit turbulentní proud�ní vody v kanálech formy, s regulací tempera�ního i chladícího výkonu. Vodní tempera�ní p�ístroje jsou bu� beztlakové do teploty 95°C nebo p�etlakové a� do teploty 200°C.

Teplonosné médium z t�chto p�ístroj� se p�ivádí do jednotlivých tempera�ních okruh� formy. Správná konstrukce a p�ipojení tempera�ních okruh� formy by m�la zajiš�ovat paralelní-soub�ný pr�tok vody jednotlivými tempera�ními okruhy. K zajišt�ní paralelních pr�tok� jsou nabízeny r�zné typy rozvad���, které mohou i regulovat mno�ství protékající vody.

Teplotní spád na vstupu tempera�ní vody do prvního okruhu a na jejím výstupu z posledního by pro amorfní materiály nem�l být v�tší ne� cca 2 a� 4 °C, pro �áste�n� krystalické materiály cca 4 a� 8 °C.

Krom� pr�b�ného zp�sobu temperace, kdy formou trvale protéká teplosm�nné médium, výrobci tempera�ních za�ízení nabízejí i systémy s pulzním chlazením.

Jeho podstatou je dynamické �ízení chlazení v pr�b�hu vst�ikovacího cyklu, kdy po dobu pohyb� formy-zavírání, otevírání-vyhazování výst�ik�, v�etn� plnící fáze, kdy se plní tvarová dutina polymerní taveninou není do tempera�ního systému formy dodávána voda.

K intenzivnímu chlazení dochází a� v dotlakové fázi a ve fázi chlazení. Pulzní zp�sob temperace má výhodu v lepším zatékání taveniny-vst�ikování do teplejší formy a ve zkrácení doby chlazení.

Výkonn�jší variantou pulzního chlazení je systém ATS. Systém ATS-Alternativní Tempera�ní Systém-pou�ívá tempera�ní p�ístroj se dv�ma samostatnými okruhy, ve kterých je voda o r�zné teplot�-studená, teplá, tj. je mo�no, alternativn�, formu jak oh�ívat, tak i chladit a to cyklicky v ka�dém výrobním cyklu.

Mezi mén� b�né systémy temperace vst�ikovacích forem je mo�no za�adit systémy pracující na principu výparného tepla-systém Toolvac vhání do formy kapalný oxid uhli�itý, který v systému expanduje a vzniklé výparné teplo umo�ní rychlý odvod tepla z tvarové dutiny formy nebo systémy pracující s tepelnými nebo vírovými trubicemi.

1. �ást »

2. �ást »

3. �ást »