The influence of residual stress on the quality of injection molded parts

Reziduální nap�tí

Reziduální nap�tí jsou mechanická nap�tí vznikající ve výst�iku bez p�sobení vn�jších sil. 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. 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.

Obr. 1: Vznik reziduálních nap�tí v pr�b�hu vst�ikovacího cyklu

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 nap�tí.

Tokov� indukovaná reziduální nap�tí

Reziduální tokov� indukovaná nap�tí díky viskoelastické povaze polymerní taveniny p�edstavují orientaci makromolekul a p�íp. vláknitého plniva 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.

Obr. 2: Orientace makromolekul polymeru ve sm�ru toku taveniny v závislosti na vst�ikovací rychlosti

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.

Obr. 3: Nehomogenní teplotní a tlakové pole, nehomogenní zm�na objemu

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 vyvolávajícímu teplotn� indukované reziduální nap�tí.

Obr. 4: Reziduální nap�tí v nesymetrickém teplotním poli

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.

Obr. 5: Reziduální nap�tí v symetrickém a nesymetrické

Obr. 6: Ob�né kolo �erpadla se zast�íknutou ocelovou vlo�kou

P�íklad �. 1: Vznik trhlin na povrchu ob�ného kola �erpadla

Na ob�ném kole �erpadla vznikají trhliny, a to nejen p�i provozním zatí�ení, ale i p�i dlouhodobém skladování (Obr. 7). Ob�né kolo je vyrobeno vst�ikováním PP pln�ného 30% CaCO₃. Do ob�ného kola je pro zvýšení tuhosti zast�íknuta ocelová vlo�ka (Obr. 6). Trhliny vznikají vlivem rozdílného koeficientu teplotní rozta�nosti oceli a PP. Rozdílné koeficienty teplotní rozta�nosti vedou k rozdílným objemovým zm�nám a generují vysoké hodnoty reziduálních nap�tí, která p�ekro�í mez pevnosti PP a dochází ke vzniku trhlin (Obr. 7).

Obr. 7: Trhliny v ob�ném kole �erpadla na výtla�né stran�

Teplotní a nap�ová analýza

Teplotní analýza ukazuje pr�b�h teploty PP matrice a ocelové vlo�ky po dobu chladnutí. Analýza byla provedena pro dobu chladnutí 10 minut (Obr. 8). Teplotní gradient má za následek rozdílné objemové zm�ny, které díky ocelovému zást�iku nemohou prob�hnout. Dochází pak ke vzniku nap�tí v polymerní matrici.

Obr. 8: Teplota po 10. minut� po vyhození ob�ného kola z formy	Obr. 9: Von Misesovo nap�tí

Jak je vid�t z barevného spektrogramu, ke vzniku nap�ových špi�ek dochází v náboji ob�ného kola. Srovnávací Von Misesovo nap�tí dosahuje špi�kové hodnoty 80 MPa (Obr. 9). Tato hodnota daleko p�ekra�uje hodnotu nap�tí na mezi pevnosti PP pln�ného 30% uhli�itanu vápenatého, která je 30 MPa. Proto�e PP vykazuje vysokou hodnotu studeného toku, nap�tí relaxuje a ke vzniku trhlin dochází a� po �ase.

P�íklad �. 2: Lámání segment� kleštiny p�i nalisování kulového �epu

P�i nalisování kulového �epu do pouzdra p�i montá�i dochází k vylomení dvou segment� kleštiny pouzdra. P�i lisování dochází k elastické deformaci t�chto t�í segment� a klínové západky umíst�né proti segment�m (Obr. 10). Jak ukázala zevrubn� provedená analýza vst�ikovacího procesu a m��ení, m��e k lámání segment� kleštiny p�i nalisování kulového �epu docházet jak z d�vod� procesních, tak z d�vod� montá�ních.

Díky malému pr��ezu spojovacího kr�ku nep�sobí v míst� kritického pr��ezu efektivn� dotlak p�i vst�ikování, co� zp�sobuje vznik lunkr�. Dále velké rozdíly v tlouš�kách st�n kleštiny zp�sobují rozdílná objemová smršt�ní. Velké rozdíly v objemovém smršt�ní (Obr. 11) negativn� ovliv�ují pevnost segment� kleštiny a p�ispívají ke vzniku vysokých hodnot reziduální napjatosti v kritickém míst�. (Obr. 12)

Ze stejného d�vodu dochází k velké deformaci segmentu kleštiny sm�rem dovnit� (Obr. 13), tedy ke zmenšení jmenovitého pr�m�ru. P�i montá�i se pak segment elasticky deformuje sm�rem ven od st�edu, aby mohla projít kulová plocha �epu do pouzdra. Tyto deformace se s�ítají, co� m��e mít za následek p�ekro�ení meze pevnosti polymeru, která u� je sní�ena lunkry, a zlomení segment� (Obr. 11).

Obr. 10: Lom segment� kleštiny	Obr. 11: Objemové smršt�ní kleštiny	Obr. 12: Reziduální nap�tí v kritickém míst� kleštiny

„Velké deformace“

Simula�ní software Autodesk Simulation Moldflow Insight umo��uje �ešit tzv. „malé a velké deformace“ (Small deflection, Large deflection).
„Velké a malé deformace“ je název typu analýzy, který p�ímo nesouvisí se skute�nou velikostí deformace. Analýzou „malých deformací“ je myšlena lineárn� elastická deformace ortotropního materiálového modelu. Ten je pou�it v p�ípad� polymeru pln�ného sklen�nými vlákny. V p�ípad� polymeru bez vláken je pou�it isotropní materiálový model. V p�ípad� „velkých deformací“ jsou pou�ity stejné materiálové modely, ale po�ítá se zde se ztrátou stability st�ny a deformace vst�ikovaného dílu tak mohou být o �ád vyšší (Obr. 14). Tento výpo�tový model je vhodný zejména pro duté tvary, vyztu�ené �ebrováním, kdy dochází ke ztrát� stability st�ny vst�ikovaného dílu vlivem reziduálního nap�tí po vyhození z dutiny formy.

Obr. 14: Analýza vst�ikovaného dílu, „malé deformace“, „velké deformace“, srovnání s realitou.

www.smartplast.cz