Uneven filling of injection mold cavities and how to adjust the filling

1. Nerovnomìrné plnìní dutin nebo dutiny formy

Co si pod pojmem nerovnomìrné plnìní mùžeme pøedstavit? Napøíklad nestejnomìrné plnìní vyvážené vtokové soustavy. Vyvážená vtoková soustava je taková soustava, kde toková dráha k jednotlivým dutinám má stejnou vzdálenost od vstupu do formy a jednotlivé kanály a vtoková ústí mají stejný prùøez – vyvážení délkou kanálu. Dutiny mohou mít také rùznou vzdálenost od vstupu do formy, ale pak musí být vtoková soustava vyvážena odstupòováním prùøezù kanálù a vtokových ústí – vyvážení geometrií kanálu. (Obr.1)

Obr.1: Nerovnomìrné plnìní vyvážené soustavy                                         Obr.2: Nerovnomìrné plnìní rotaèní dutiny [1]

Nerovnomìrné plnìní dutiny se mùže také projevit u rotaèní dutiny, plnìné v ose rotace, kde bychom oèekávali rovnomìrné plnìní od støedu dna k okrajùm. (Obr. 2) Podobný pøípad mùže být plnìní dutiny plošného, pravidelného tvaru, kde bychom oèekávali rovnomìrné plnìní od vstupu po opaènou stìnu. (Obr.3) Na obrázku 1 se plní nerovnomìrnì nejen vtoková soustava, ale také samotné dutiny. Pravá èást dutiny se plní rychleji než levá.

Obr. 3: Nerovnomìrné plnìní plošného tvaru [1]                                          Obr. 4: Smyková rychlost

2. Èím je nerovnomìrné plnìní zpùsobeno

Abychom mohli vysvìtlit pøíèinu výše uvedeného nerovnomìrného plnìní, musíme nahlédnout na reologické chování tavenin polymerních materiálù. Reologie se zabývá deformací a tokem materiálù.

Název oboru reologie je odvozen od øeckého slova rheos (tok, proud). Každý materiál pøi pùsobení síly podléhá deformaci. Pokud se deformace zvìtšuje s dobou pùsobení síly, materiál teèe. Úmìru mezi pùsobící silou (teèným napìtím) a rychlostí zmìny deformace (smykovou rychlostí) udává materiálová vlastnost viskozita. Viskozita nám øíká, jak velké má kapalina vnitøní tøení. [2]

V pøípadì vstøikování pùsobí èelo šneku silou na sloupec taveniny ve válci a tavenina proudí do dutiny formy. Rychlost proudìní je dána rychlostí pohybu šneku. Rychlosti proudìní je pøímo úmìrná smyková rychlost, která ukazuje gradient zmìny rychlosti pøes prùøez kanálu (Obr. 4). Viskozita potom popisuje odpor taveniny proti teèení. Tedy polymer s vysokou viskozitou teèe špatnì, polymer s nízkou viskozitou teèe lépe. (nižší vstøikovací tlak, lepší plnìní dutiny formy).

Polymery jsou tvoøeny makromolekulárními øetìzci o rùzných délkách, které v taveninì vytváøí zapleteniny. Stavba øetìzcù, typy atomù v øetìzci a také délka øetìzcù urèují vlastnosti polymeru. My se zde zamìøíme na viskozitu-odpor proti teèení. Viskozita u polymerních tavenin závisí na teplotì taveniny. S rostoucí teplotou se viskozita snižuje (Obr. 5), polymer lépe teèe. Viskozita také závisí na smykové rychlosti (Obr. 5), a tedy také na vstøikovací rychlosti. S rostoucí smykovou rychlostí se bude v podmínkách vstøikovacího procesu viskozita také snižovat. Tedy zjednodušenì øeèeno, když zvýšíme teplotu na válci šneku a vstøikovací rychlost, tavenina lépe poteèe.

Obr. 5: Závislost viskozity na teplotì a smykové rychlosti. Vliv zvýšení teploty o 40°C a smykové rychlosti 100x na viskozitu.

2.1. Vliv teploty a smykové rychlosti na chování taveniny ve vtokovém systému.

Co se dìje s taveninou v kanálu vtokové soustavy formy pøi plnìní dutiny? Prùbìh rychlosti proudìní ukazuje (Obr. 4), že u stìny kanálu je rychlost nejnižší, zatímco v ose kanálu je rychlost maximální (pøedpokládáme stejnou teplotu po obvodu kanálu). Tedy k nejvìtším zmìnám rychlosti proudìní dochází právì oblasti stìny kanálu. Jak bylo øeèeno v pøedchozí kapitole, smyková rychlost je dána zmìnami velikostí rychlosti proudìní. Tedy u stìn kanálu jsou maximální hodnoty smykové rychlosti (Obr.4). Vysoká smyková rychlost a také vysoké smykové namáhání taveniny díky vnitønímu tøení vedou k nárùstu teploty taveniny u stìny kanálu.

Jak už bylo øeèeno, viskozita závisí na teplotì taveniny a smykové rychlosti nepøímo. V blízkosti stìn kanálu jsou maximální hodnoty teploty taveniny a smykové rychlosti, pak je tam také nejnižší hodnota viskozity, polymer výbornì teèe. Ve støedu kanálu, kde jsou naopak hodnoty teploty a smykové rychlosti nejnižší, je hodnota viskozity nejvyšší a polymer teèe špatnì.

Na obrázku 5 je závislost viskozity na teplotì a smykové rychlosti. Jednotlivé køivky jsou pro teploty 260, 273, 286 a 300°C. S rostoucí teplotou viskozita klesá. Každá køivka pak ukazuje, jak se sníží viskozita s narùstající smykovou, resp. vstøikovací rychlostí. Jak je vidìt na obrázku 5 a 6, uprostøed kanálu je teplota a smyková rychlost nejnižší a viskozita je nejvyšší (modrá barva). Naopak u stìn kanálu je teplota a smyková rychlost nejvyšší a viskozita nebo také odpor proti teèení (èervená barva) je zde 100x nižší než uprostøed kanálu. Samozøejmì, co platí pro vtokový kanál, platí také pro dutinu formy.

2.2. Vliv rozložení viskozity na nerovnomìrné plnìní dutiny formy

Co se stane, když se kanál zaène vìtvit a proudí v nìm tavenina s rozložením viskozity, jak bylo popsáno v pøedchozí kapitole? V rozvìtvení kanálu bude na pravé stranì proudit tavenina s nízkou viskozitou a na levé stranì tavenina s vysokou viskozitou. (Obr. 7) Tedy na levé stranì poteèe tavenina 100x lépe než na stranì pravé.

Obr. 6: Rozložení viskozity v prùøezu kanálu.                                          Obr. 7: Rozdìlení taveniny v kanálu podle vrstev

Když bude rozvìtvený kanál ukonèen dutinou formy, i když bude symetrická, pak levá strana dutiny se bude plnit 100x lépe než pravá strana dutiny. Když se bude kanál dále vìtvit do vice dutin (Obr. 8), pak dutina na levé stranì vìtve se bude plnit 100x lépe než dutina na pravé stranì vìtve (Obr. 8). Násobek 100 platí pouze pro náš pøíklad. Rozdíly v plnìní se mìní podle polymeru a teplotních a rychlostních podmínek v kanálu èi dutinì. Z toho, co zde bylo øeèeno, tedy vyplývá, že aèkoliv máme vyváženou vtokovou soustavu nebo symetrickou dutinu, plnìní v dùsledku nerovnomìrného rozložení viskozity v kanálu vede k rozdílným proudìním a nerovnomìrnému plnìní dutiny. Na obrázku 9 je vidìt plnící studie vyvážené vtokové soustavy, kde se rychleji plní dutiny blíž støedu formy, protože v tìchto vìtvích je menší odpor proti teèení (menší viskozita). Zároveò dutina ve tvaru písmene U se plní také nerovnomìrnì, protože do levého pásku (zakroužkovaná dvojice dutin) proudí tavenina s nižší viskozitou lépe než do pravého pásku. (Obr.9)

Obr. 8: Plnìní dutiny a dvou dutin                                                             Obr. 9: Plnìní vyvážené vtokové soustavy

3. Odstranìní nerovnomìrného plnìní dutiny

Jak odstranit nerovnomìrné plnìní dutin forem zpùsobené rozdìlením viskozity taveniny v dutinì kanálu? V podstatì se nabízí nejjednodušší možnost, a to promíchání taveniny pøed vstupem do rozvìtvení kanálu a pøed vstupem do dutiny. Promíchání taveniny musí být takové, aby rozdìlení viskozit v prùøezu bylo stále soumìrné podle osy kanálù nebo podle osy dutiny formy.

Použijme patentovaný systém MeltFlipper® od firmy Beaumont, který øeší promíchání taveniny pøechodem kanálu z jedné poloviny dìlící roviny do druhé a zpìt. (Obr. 10) Tento systém je na první pohled velmi jednoduchý a elegantní, ale jeho dokonalá funkènost závisí na správném návrhu pøechodù kanálù Obr.11).

Obr.10: Promíchání taveniny pomocí patentovaného systému MeltFlipper

Pøechody se dají øešit pøímo v desce formy, nebo pomocí vložek (Obr.11). Systém MeltFlipper lze použít jak pro úpravu rovnomìrného plnìní vtokové soustavy, tak také pro rovnomìrné plnìní dutiny formy.

Obr.11: Porovnání plnìní dutin vyváženou vtokovou soustavou a systémem MeltFlipper

4. Analýza nerovnomìrného plnìní pomocí Moldflow

Pøed provedením zásahu do formy je velmi dùležité analyzovat pøíèinu nerovnomìrného plnìní vtokové soustavy nebo dutiny formy. Pomocí Moldfllow lze velmi dobøe analyzovat odchylky v plnìní formy, zmìny teploty a viskozity v kanálech vèetnì teploty èela taveniny a smykových napìtí. Na obr. 12 je analýza plnìní formy a porovnání s realitou pro vyváženou vtokovou soustavu a vyvážení plnìní pomocí MeltFlipper. Na Obr. 13 je Moldfllow analýza úpravy plnìní vyvážené vtokové soustavy.

Obr.12: Porovnání Moldflow analýzy plnìní dutiny formy a reality

Obr. 13: Moldflow analýza plnìní vyvážené vtokové soustavy a MeltFlipper

5. Závìr

Smartplast s.r.o. nabízí øešení rovnomìrného plnìní vtokového systému a dutin. Provedeme Moldflow analýzu pøíèin nerovnomìrného plnìní a navrhneme øešení. Pokud bude vhodným øešením Meltflipper, seznámíme vás s podmínkami jeho využití a zajistíme vám jeho dodání spoleèností Beaumont a aplikaci u vás.

Zveme vás na webináø Øešení nerovnomìrného plnìní dutin vstøikovacích forem, kde se dozvíte víc o problému samotném a pøíkladech jeho øešení. Další informace na www.smartplast.cz

[1] Beaumont, J: Connect! 2019, Hoechst, 4.-5. 6. 2019
[2] http://www.icpf.cas.cz/cs/reologie