Use of thermocouple temperature measurement - thermograms - for thermoplastic injection molding and thermoplastic composite materials, part 1

Vst�ikovací cyklus lze rozd�lit na �ty�i hlavní fáze, které ovliv�ují stav výst�iku a následn� jeho kvalitu – fázi pln�ní tvarové dutiny formy polymerní taveninou, dotlakovou fázi, fázi chlazení výst�iku v tvarové dutin� formy a fázi plastika�ní, která obvykle probíhá soub�n� s fází chlazení.

Vztah mezi fázemi vst�ikovacího procesu, technologickými parametry v návaznosti na tlakovou k�ivku a jakostní ukazatele výst�iku ukazuje schema optimalizovaného �asového vývoje tlakové odezvy – tlakové k�ivky – v daném míst� výst�iku. Optimalizovanou tlakovou odezvou rozumíme takovou tlakovou k�ivku, která má plynulý tvar, bez tlakové špi�ky (pozdní p�epnutí) nebo tlakového propadu (p�ed�asné p�epnutí).

Popis pr�b�hu tlakové k�ivky ve vztahu k jednotlivým fázím vst�ikovacího procesu:

0 – 1 – pln�ní vtokového rozvodu polymerní taveninou

1 – 2 – pln�ní tvarové dutiny polymerní taveninou – bod 2 = bod p�epnutí z regulace plnící fáze na regulaci dotlakové fáze; z regulace pr�toku (rychlost) na regulaci tlakovou; p�epnutí podle �asu, dráhy (objemu), tlaku v hydraulickém systému vst�ikovacího stroje, v tvarové dutin� formy, v rozvodném systému formy; technologicky bod p�epnutí ovliv�uje zejména vst�ikovací rychlost, vst�ikovací tlak a teplota taveniny p�epnutí ovliv�uje

2 – 3 – komprese, stla�ování polymerní taveniny v tvarové dutin� formy a plynulý p�echod na dotlakovou fázi

3 – 4 – pr�b�h dotlaku – bod 4 = zamrznutí vtokového ústí

4 – 5 – chlazení výst�iku v tvarové dutin� formy – bod 5 = vyhození výst�iku z tvarové dutiny formy

A + B – fáze pln�ní a komprese – v této fázi dochází k orientaci makromolekul, k tvorb� vzhledových vlastností, k získání jakosti povrchu; p�i p�ekro�ení hybnosti polymerní taveniny (sou�in vst�ikovací rychlosti a vst�ikovacího

tlaku) m��e, ve vztahu k tuhosti formy dojít k p�etok�m v d�lících rovinách a� k poškození formy; vliv na fázi pln�ní mají reologické vlastnosti taveniny, hydraulické odpory p�i toku taveniny ve vtokovém rozvodu a v tvarové dutin� formy, technologické parametry, zejména, teplota formy, teplota polymerní taveniny, vst�ikovací rychlost a vst�ikovací tlak

C – dotlaková fáze – v této fázi se vytvá�í hmotnost výst�iku, jeho tvary a rozm�ry, obsah vnit�ního pnutí, p�i nízkých hodnotách dotlakové fáze dojde k tvorb� propadlin a lunkr�; vliv na dotlakovou fázi má z technologických

parametr� zejména teplota formy, teplota taveniny, doba p�sobení dotlaku, tlaková úrov��, respektive profi l tlaku v dotlakové fázi

D – fáze chlazení – v této fázi jsou ovliv�ovány zejména tvary a rozm�ry výst�iku, u �áste�n� krystalických materiál� jejich krystalinita a z ní odvozené vlastnosti výst�iku; fázi chlazení ovliv�uje gradient chlazení, tj. rozdíl teploty taveniny a teploty formy, respektive teplota vyhození výst�iku z tvarové dutiny formy fáze plastika�ní – probíhá p�íprava polymerní taveniny, p�íprava vst�ikované dávky, která musí v ka�dém vst�ikovacím cyklu konstantní co do objemu (mo�nost regulace vst�ikovacího procesu) a co mo�ná teplotn� nejhomogenn�jší; vliv na teplotu v dávce má nastavení teplot a jejich profi l na topných t�lesech plastika�ní komory, obvodová rychlost šneku a zp�tný odpor na šneku

E – fáze ochlazování – sou�et fází dotlaku a chlazení

Z uvedeného popisu tlakové k�ivky výrazn� vystupují dva procesní parametry a to teplota polymerní taveniny a teplota formy. Oba technologické parametry se prolínají všemi fázemi vst�ikovacího procesu a mají výrazný vliv na výsledné kvalitativní parametry výst�ik� a p�ímo souvisejí i s mo�ností ovliv�ovat smršt�ní výst�ik� jako jeden z nejd�le�it�jších, ne-li nejd�le�it�jší parametr p�i vst�ikování termoplast� v�bec.

Smršt�ní, mo�nosti jeho minimalizace

Na výsledné hodnoty smršt�ní p�sobí celá �ada vliv� a p�i výrob� výst�ik� se tyto vlivy sna�íme minimalizovat, proto�e bu� je odstranit nelze – nap�íklad z d�vod� vlastností vst�ikovaných materiál� – nebo je lze, ve v�tšin� p�ípad�, pouze omezit, a to za p�edpokladu, �e výst�iky byly zkonstruovány podle zásad technologi�nosti konstrukce výst�ik� z termoplast� a i tempera�ní systém formy byl správn� navr�en (rovnom�rnost chlazení výst�iku ve všech jeho místech).

Mezi obecné mo�nosti, které mohou p�isp�t ke sní�ení smršt�ní pat�í: konstrukce výst�iku a formy:

· minimalizovat zm�ny pr��ez� (tloušt�k) st�n, které vyvolají v daném míst� r�zné smršt�ní

· volit umíst�ní ústí vtoku na výst�iku tak, aby byl umo�n�n postupný lineární tok �ela taveniny dutinou formy bez „p�edbíhání“ toku n�kterými partiemi tvaru. Jestli�e je nezbytn� nutné pou�ít pro jeden výst�ik více ústí vtoku, musí být optimalizovány z hlediska svého umíst�ní tak, aby umo��ovaly lineární tok jednotlivých proud� taveniny a minimalizovaly vznik studených spoj�

· velikost ústí vtoku musí umo�nit optimalizovat tlakovou odezvu ve výst�iku a tím korigovat hodnotu smršt�ní, respektive rozm�r� v dotlakové fázi

procesní parametry – amorfní termoplasty: amorfní materiály je mo�no vst�ikovat s pou�itím kratší dotlakové fáze oproti �áste�n� krystalickým granulát�m, mají menší objemovou kontrakci, obvykle pod 1 %,naopak v porovnání s �áste�n� krystalickými polymery vy�adují delší dobu chlazení z d�vodu širokého pásma tuhnutí, p�i�em� ztuhlá vn�jší vrstva musí  zajistit vyhození výst�ik� z amorfních materiál� bez deformací a bez vad povrchu – probo�ení vyhazova�� do nedostate�n� zatuhlé st�ny výst�ik�, zejména u díl� s r�znými tlouš�kami st�n, které vyvolají r�znou rychlost chlazení a místn� r�zné smršt�ní – nebo naopak bez zb�lení v míst� vyhazova��, kdy v d�sledku nevhodné konstrukce výst�iku, nap�íklad malé úkosy st�n, malé smršt�ní, dojde v daných místech k p�etvo�ení, k plastické deformaci. Smršt�ní je u amorfních materiál� ur�eno zejména teplotními d�ji, a proto jeho minimalizaci napomáhá:

· vysoká homogenita teploty taveniny ve vst�ikované dávce

· ji� zmín�ný optimalizovaný systém temperace formy – tempera�ní systém má zajistit místn� stejnou teplotu povrchu tvarové dutiny formy, rozdíl teplot tempera�ní kapaliny odvád�jící z tvarové dutiny formy teplo, rozdíl na vstupu a výstupu z daného okruhu by m�l být v rozmezí cca 3 °C a� 5 °C

· rychlé chlazení, tj. nízká teplota st�n tvarových dutin formy vyvolá ve výst�iku, v jeho povrchové vrstv� silnou orientaci makromolekul a tím i vznik vysokého obsahu vnit�ního pnutí a to v podélném i p�í�ném sm�ru k toku taveniny

· rychlé chlazení má za následek i horší povrchový vzhled

· pomalé chlazení (vyšší teplota st�ny formy) sni�uje orientaci makromolekul a i obsah vnit�ního pnutí

· pomalé chlazení má kladný vliv na povrchový vzhled výst�iku

procesní parametry – �áste�n� krystalické termoplasty: výst�iky z t�chto termoplast� je mo�no, oproti amorfním materiál�m vyjmout z tvarové dutiny formy o n�jakou dobu d�íve, ale p�i relativn� delší dob� dotlaku ne� u amorfních materiál�. Vznikající krystalická struktura, která vykazuje v�tší pevnostní charakteristiky ne� struktura amorfní, d�lá výst�iky dostate�n� tuhými, aby je bylo mo�no vyhodit z tvarové dutiny bez deformací a to prakticky po skon�ení doby dotlaku a tím zkrátit jejich výrobní cyklus. Problém, ale v t�chto p�ípadech je v tom, �e u vst�ikovacích stroj�, které neumo��ují sdílené pohyby (p�ípravu polymerní taveniny pro další vst�ikovací cyklus v dob� otevírání formy a vyhazování výst�ik� z ní) musí prob�hnou doba plastikace, p�ípravy polymerní taveniny, a teprve po ní lze formu otev�ít a výst�iky vyjmout z tvarových dutin formy. V�tšina kritérií uvedených pro amorfní termoplasty je pou�itelná i na termoplasty �áste�n� krystalické. P�i t�chto kritériích je nutno vzít v úvahu, nutnost nastavení takových vst�ikovacích parametr�, které umo�ní maximalizovat vznik krystalického podílu ve výst�iku a tím i ovlivní výslednou hodnotu smršt�ní. Samoz�ejmým po�adavkem p�i nastavování technologických parametr� vst�ikování �áste�n� krystalických materiál� by m�l být jejich vliv na maximalizaci výrobního smršt�ní defi nující jeho stav po vyhození výst�iku z formy, tj. stav minimalizující dosmršt�ní. Uvedený po�adavek zejména podporují tyto vlivy:

· zvýšená teplota formy, nebo-li pomalejší chlazení výst�iku má vliv na zvýšení stupn� krystalizace v pr��ezu výst�iku, respektive to znamená v�tší smršt�ní a menší dosmršt�ní a i menší obsah vnit�ního pnutí, ale negativní mo�nost vzniku v�tších krystalických útvar� s mo�ností p�ípadného vzniku lomových ploch na jejich rozhraní

· p�i zvýšené teplot� formy, zvýšení smršt�ní vlivem zvýšené teploty st�ny tvarové dutiny formy, p�sobí jako protiváha mo�nost pou�ití zvýšeného dotlaku a tím sní�it objemové smršt�ní

· vyšší teplota formy umo�ní prodlou�ení doby pln�ní a dotlaku a tak dopravit do tvarové dutiny formy více taveniny, a tím více eliminovat objemovou kontrakci, smršt�ní

· sní�ení teploty formy znamená rychlejší chlazení výst�iku, co� má za následek menší podíl krystalických útvar�, menší krystaly, menší výrobní smršt�ní a tím v�tší dosmršt�ní a v�tší obsah vnit�ního pnutí

· p�i ni�ší teplot� taveniny nuklea�ní zárodky umo��ují rychlejší krystalizaci v

· orientované struktu�e a tím nár�st smršt�ní podél toku taveniny a jeho pokles ve sm�ru kolmém na tok, tj. zvýšení anizotropie výrobního smršt�ní

· pou�ití materiálu s vyšším indexem toku taveniny i p�i ni�ší teplot� taveniny obvykle zajistí dobré objemové napln�ní tvarové dutiny formy

· v�tší ústí vtoku (sní�ení odporu proti pln�ní a sní�ení smykového namáhání) také napomáhá lepšímu objemovému napln�ní dutiny formy

Uvedené vlivy platí za p�edpokladu relativn� konstantní tlouš�ky st�n výst�iku. Jestli�e jsou na výst�iku r�zné tlouš�ky st�n, je u st�n s v�tší tlouš�kou gradient chlazení menší (st�ed st�ny je teplejší). To vede k r�znému lokálnímu stupni krystalizace a tím i k rozdílnému místnímu smršt�ní. Nestejné smršt�ní vyvolá ve výst�iku nap�tí, které má za následek deformaci - zkroucení dílu.

Další negativní vliv na deformaci má i anizotropie smršt�ní. Projejí minimalizaci platí:

· sní�it vst�ikovací tlak a zvýšit teplotu taveniny

· zm�nit teplotu formy a tím gradient rychlosti chlazení

· p�emístit ústí vtoku nebo pou�ít více vtok�, p�i�em� je nutno brát do úvahy nebezpe�í vzniku více studených spoj� ne� u jednoho ústí vtoku

Na obsah krystalického podílu v �áste�n� krystalických materiálech má vliv i po�et krystaliza�ních zárodk�. Vysoký po�et krystaliza�ních zárodk� a nár�st stupn� nukleace je mo�no dosáhnout heterogenní nukleací. P�i ní je po�áte�ní nukleace iniciována z cizích p�ím�sí (�ástic) s vysokým bodem tání. N�které vst�ikovací materiály proto obsahují nuklea�ní �inidla, která ve výst�icích zajiš�ují vysoký stupe� krystalizace, rychlý p�echod taveniny k pevné fázi a kontrolovanou strukturu vnit�ního objemu výst�iku. Vysoký stupe� krystalizace obvykle zajistí i tvorbu menších krystal�, sférolit� a v p�ípad� vad v krystalické struktu�e jsou tyto vady menší a výrazn�ji nezmenšují vlastnosti výst�ik�, co� u v�tších vad neplatí a ty mohou být, nap�íklad, p�í�inou trhlin vlivem vnit�ního pnutí vyvolaného tvorbou velkých krystalických struktur. N�které barevné koncentráty p�sobí jako nuklea�ní �inidla a tedy p�sobí na krystalizaci, �ím� ovliv�ují i výrobní smršt�ní, v�etn� jeho rozd�lení ve výst�iku v závislosti na homogenit� rozmíchání barevného koncentrátu v objemu dávky taveniny pro výrobu p�íslušného výst�iku. To znamená, �e p�i pou�ití tého� základního materiálu v p�írodním provedení a nabarveného r�znými barevnými koncentráty budou mít výst�iky r�zné smršt�ní a tedy i rozm�ry (a to jako celek a i místn�).

Smršt�ní a deformace výst�ik� z termoplast�

Deformace výst�ik� jsou výsledkem p�sobení celé �ady vliv�. V sou�tu p�sobí na tvarové prvky z nich� jsou výst�iky slo�eny propadliny a dutiny, lineární smršt�ní a obsah vnit�ního pnutí.

Primárn� jsou deformace zejména výsledkem p�sobení r�znych slo�ek celkového smršt�ní, zejména: · rozdílného smršt�ní – anizotropie smršt�ní - ve sm�ru toku taveniny a ve sm�ru kolmém na tok taveniny, p�i zd�razn�ní anizotropie smršt�ní u materiál� pln�ných vláknitými vyztu�ujícími plnivy

· r�zných hodnot smršt�ní v lokálních oblastech u výst�iku s rozdílnými tlouš�kami st�n -rozdílného místního smršt�ní v d�sledku lokálních zm�n teploty formy – nevhodn� navr�ený a realizovaný systém temperace vst�ikovací formy

· rozdíl�m smršt�ní zap�í�in�nými místním rozdílným p�sobením dotlakové fáze p�i vst�ikování – p�sobení dotlakové

fáze je ovlivn�no vzdáleností daného místa na výst�iku od ústí vtoku

�áste�n� krystalické termoplasty mají v�tší hodnoty smršt�ní, a proto mají oproti výst�ik�m z amorfních materiál� i v�tší deformace, které jsou navíc ješt� zvýšeny vyztu�ujícími vláknitými plnivy. P�esto �áste�n� krystalické materiály jsou ve v�tší mí�e ne� amorfní termoplasty vyu�ívány jako materiály konstruk�ní - krystalická struktura, spolu s vyztu�ujícím efektem vláknitých plniv je k tomu více mén� p�edur�uje.

M�r�ní teploty

Metrologie, m��ení výst�ik� je neodd�litelnou slo�kou procesu jejich výroby. Obecn� platí, �e m��ení je základ. Proto�e  co nem��eme zm��it, nem��eme ani regulovat a co nelze regulovat, to nelze zlepšovat. Uvedené samoz�ejm� platí i pro m��ení teploty.

Teplota je jedna z nejvýznamn�jších termodynamických vlastností, které ur�ují stav hmoty. Vyskytuje se v mnoha fyzikálních zákonech. Existuje jen málo vlastností látek, které nejsou teplotn� závislé. Teplota je také jednou z mála fyzikálních veli�in, kterou nelze m��it p�ímo, ale jen prost�ednictvím jiné fyzikální veli�iny, jedná se tedy o m��ení nep�ímé.

K m��ení teploty se pou�ívají teplom�ry – m��ení teploty v daném míst�, v�etn� jejího zobrazení – a sníma�e teploty – dálkový p�enos analogových nebo digitálních dat z m��eného místa do místa zobrazení teploty, p�i�em� je sníma�e teploty pou�ít pro její následnou regulaci. Podle funk�ního principu d�líme teplom�ry a sníma�e teploty na : kapalinové (vyu�ívají teplotní rozta�nosti kapalin – rtu�, líh, atd.), bimetalové (vyu�ívají rozdílné teplotní rozta�nosti dvou pásk� vyrobených z rozdílných kov�), plynové (vyu�ívají závislosti tlaku plynu na teplot� p�i stejném objemu nebo naopak závislosti objemu plynu na teplot� p�i stejném tlaku), odporové (vyu�ívají závislosti elektrického odporu vodi�e nebo polovodi�e na teplot�), termoelektrické (termo�lánky vyu�ívají m��ení zm�ny termoelektrického nap�tí ve spoji dvou r�zných kov� p�i zm�n� teploty spoje), polovodi�ové (termistory vyu�ívají zm�ny, zesílení nap�tí v p�echodu P-N v polovodi�ích závislosti na teplot�), radia�ní (infrateplom�r vyu�ívá k m��ení teploty zá�ení, které vysílá m��ený objekt do okolí).

Tuto problematiku rozebíral Aleš Herman, Lubomír Zeman a Vladimír Chmelík na seminá�i Formy a Plasty Brno 2018, po�ádaném firmou SVOBODA.

Druhá �ást �lánku byla zve�ejn�na 18.4.2019.