Wybór grupy wyprasek pod kątem implementacji nagrzewania indukcyjnego do ich wytwarzania

Na podstawie zgromadzonych materiałów oraz wiedzy i doświadczenia autora opracowano trzy modele wyprasek badawczych. Ich parametry geometryczne dobrano w taki sposób, aby zintensyfikować powstawanie wad podczas procesu produkcji. Dla każdej wypraski przeprowadzono badania symulacyjne polegające na porównaniu zjawiska płynięcia tworzywa z użyciem technologii konwencjonalnej (izotermicznej) oraz z wykorzystaniem selektywnego nagrzewania indukcyjnego obszarów odpowiedzialnych za powstawanie wad.

Model 1

Wypraska przedstawiona na rysunku 4.1 charakteryzuje się dużym zróżnicowaniem grubości ścianki (0,4 – 1 mm), co wpływa niekorzystnie na proces wypełniania wnęki formującej. Pocieniony obszar wewnętrzny powoduje, że strugi tworzywa w pierwszej kolejności wypełniają zewnętrzne (pogrubione i użebrowane) ścianki. Dopiero w końcowej fazie, gdy temperatura na czole płynącego tworzywa spadnie, zwiększając tym samym jego lepkość, rozpoczyna się penetracja obszaru wewnętrznego stanowiącego najwęższą szczelinę gniazda formującego (0,4 mm). Na tym etapie pojawia się również problem z odpowietrzeniem gniazda, bowiem zewnętrzne obszary są już całkowicie wypełnione i powietrze nie może się wydostać z wnęki poprzez krawędziowe szczeliny odpowietrzające. Skokowy wzrost ciśnienia powoduje lokalne przyrosty temperatury i przypalenia.

Zamknięte powietrze uniemożliwia całkowite wypełnienie gniazda.

Rys. 4.1. Model wypraski reprezentującej wyroby cienkościenne o zmiennej geometrii: a = 42,5 mm, b = 32,5 mm, c = 4,4 mm, 1 – punkt wtrysku, 2 – obszar o najcieńszej ściance 0,4 mm zakwalifikowany do

selektywnego nagrzewania indukcyjnego

a c

b

1 2

a c

b

2 1

32

Badania symulacyjne przeprowadzone przy użyciu programu Autodesk Moldflow Insight 2013 pokazały, że wzrost temperatury ścian formujących wewnętrzne obszary wypraski do wartości 150 °C umożliwił wyeliminowanie wad pojawiających się podczas konwencjonalnego procesu produkcyjnego (rys. 4.2a,b, 4.3a,b). Zanotowano wyraźny spadek ciśnienia wtrysku i dopakowania (o 33% względem technologii konwencjonalnej) (rys. 4.2c, 4.3c).

Tabela 4.1. Parametry wyjściowe do badań symulacyjnych dla pierwszego modelu badawczego

Technologia konwencjonalna Nagrzewanie indukcyjne Materiał wtryskiwany: PA 66 (Frianyl A63 RV0 Frisetta) PA 66 (Frianyl A63 RV0 Frisetta)

Temperatura stopu [°C]: 270 270

Temperatura formy [°C]: 50 50 / 150 (w obszarze selektywne

nagrzewanie indukcyjne)

Czas wypełniania [s]: 0,5 0,5

Czas dopakowania [s]: 2 2

Czas chłodzenia [s]: 5,5 5,6

Ciśnienie wtrysku [MPa]: 110,6 73,6

Ciśnienie dopakowania [MPa]: 88,8 59,2

Rys. 4.2. Badania symulacyjne wypełniania gniazda formującego podczas procesu izotermicznego: a) rozkład ciśnienia podczas procesu wypełniania, b) zjawisko powstawania linii łączenia strug tworzywa, c) profil wtrysku,

1 – punkt wtrysku, 2 – linia łączenia, 3 – zamknięte powietrze

Rys. 4.3. Badania symulacyjne wypełniania gniazda formującego z wykorzystaniem selektywnego nagrzewania wybranych powierzchni formujących: a) rozkład ciśnienia podczas procesu wypełniania, b) zjawisko powstawania linii łączenia strug tworzywa, c) profil wtrysku, 1 – punkt wtrysku, 2 – wkładka o temperaturze

podwyższonej do 150 °C

Podwyższenie temperatury powierzchni formujących wnętrze wypraski spowodowało zmianę kierunku płynięcia tworzywa. Wyeliminowano zjawisko zamykania powietrza, co pozwoliło na całkowite wypełnienie wnęki. Powietrze gniazda formującego zostało zepchnięte do krawędzi

MPa

33

formowania, gdzie umieszczono kanały odpowietrzające. Na etapie symulacji trudno jednoznacznie określić wpływ nagrzania wybranych powierzchni na estetykę wyrobu. Otrzymane wykresy pozwalają sądzić, że wyroby pozbawione będą widocznych linii łączenia strug tworzywa oraz spadnie ryzyko powstawania smug oraz przebarwień wynikających z anomalii płynięcia.

Model 2

Wypraska widoczna na rysunku 4.4 to efekt połączenia trzech wyrobów z wykorzystaniem elastycznych zawiasów błonowych o grubości 0,25 mm. Częstym problemem w tego typu konstrukcjach jest pękanie zawiasów podczas procesu montażu lub dalszej eksploatacji produktu.

Jeden punkt wtrysku oznacza, że wypełnienie każdej komory odbywa się w różnych warunkach, co niewątpliwie niekorzystnie wpływa na jakość wypraski. Próby wprowadzenia dodatkowego punktu wtrysku spowodowały pogorszenie wytrzymałości zawiasów, gdyż wówczas strugi płynącego tworzywa z poszczególnych komór łączyły się w obszarze ich formowania.

Rys. 4.4. Model wypraski reprezentującej wyroby wielofunkcyjne połączone zawiasami elastycznymi:

a = 42,5 mm, b = 32,5 mm, c = 4,4 mm, 1 – obszar formowania zawiasów o temperaturze powierzchni podwyższonej do 150 °C, 2 – punkt wtrysku

Tabela 4.2. Parametry wyjściowe do badań symulacyjnych dla drugiego modelu badawczego

Technologia konwencjonalna Nagrzewanie indukcyjne Materiał wtryskiwany: PA 66 (Frianyl A63 RV0 Frisetta) PA 66 (Frianyl A63 RV0 Frisetta)

Temperatura stopu [°C]: 270 270

Temperatura formy [°C]: 50 50 / 150 (w obszarze selektywne

nagrzewanie indukcyjne)

Czas wypełniania [s]: 0,5 0,5

Czas dopakowania [s]: 2 2

Czas chłodzenia [s]: 7,6 7,6

Ciśnienie wtrysku [MPa]: 92,9 87,5

Ciśnienie dopakowania [MPa]: 74,3 70,1

Badania symulacyjne pokazały, że spadek ciśnienia wtrysku po zastosowaniu nagrzewanej wkładki jest niewielki. Nieznacznej zmianie uległ również profil wtrysku. Dodatkowy skok ciśnienia w czasie wypełniania wnęki wskazuje na zmianę kolejności wypełniania poszczególnych komór.

W momencie wejścia tworzywa w obszar formowania następuje skok ciśnienia z uwagi na znaczną redukcję przekroju poprzecznego wnęki.

a c

b

1 2

a c

b

2 1

34

Rys. 4.5. Badania symulacyjne wypełniania gniazda formującego podczas procesu izotermicznego: a) rozkład ciśnienia podczas procesu wypełniania, b) profil wtrysku, 1 – punkt wtrysku

Rys. 4.6. Badania symulacyjne wypełniania gniazda formującego z wykorzystaniem selektywnego nagrzewania wybranych powierzchni formujących: a) rozkład ciśnienia podczas procesu wypełniania, b) profil wtrysku,

1 – punkt wtrysku, 2 – wkładka o temperaturze podwyższonej do 150 °C

Podczas produkcji wyprasek o wysokim stopniu przewężenia ścian należy zwracać uwagę na wskaźnik ścinania tworzywa [16, 53]. Wskaźnik ten daje informację, z jaką częstotliwością przemieszczają się względem siebie poszczególne warstwy stopu.

Rys. 4.7. Wykres zależności wskaźnika ścinania łańcuchów polimerowych od temperatury wkładki formującej elastyczne zawiasy błonowe

35

Na jego podstawie wnioskować można o różnicy prędkości strugi w przekroju poprzecznym prostopadłym do kierunku płynięcia [83]. Zjawisku temu towarzyszy ścinanie łańcuchów polimerowych. Jeżeli jest ono zbyt intensywne, wówczas dochodzi do degradacji tworzywa [57]. Dla wypraski (rys. 4.4) przeprowadzono dodatkowe symulacje, których celem było wyznaczenie zależności wskaźnika ścinania od temperatury formującej zawiasy (rys. 4.7). Po nagrzaniu wkładki do 150 °C wartość wskaźnika ścinania spadła o blisko 25%, co oznacza, że dla materiału PA 66 (Frianyl A63 RV0 Frisetta) znalazła się ona poniżej wartości krytycznej wynoszącej 60000 ¹

s. Model 3

Wypraska przedstawiona na rysunku 4.8 została opracowana na podstawie istniejących konstrukcji obudów złączy elektrycznych. Gęste użebrowanie pozwala na uzyskanie dużej sztywności wyrobu oraz umożliwia montaż elementów przewodzących. Górną część wypraski wyposażono w zespół mocowania. Elastyczna stopa montażowa umożliwia wpinanie i wypinanie złącza na szynie DIN.

Rys. 4.8. Model wypraski reprezentującej wyroby wielofunkcyjne wyposażone w elastyczne elementy złączne:

a = 80,2 mm, b = 50,6 mm, c = 12,2 mm, 1 – punkt wtrysku, 2 – obszar formowania elastycznej stopy montażowej zakwalifikowany do selektywnego nagrzewania indukcyjnego

Tabela 4.3. Parametry wyjściowe do badań symulacyjnych dla trzeciego modelu badawczego

Technologia konwencjonalna Nagrzewanie indukcyjne Materiał wtryskiwany: PA 66 (Frianyl A63 RV0 Frisetta) PA 66 (Frianyl A63 RV0 Frisetta)

Temperatura stopu [°C]: 270 270

Temperatura formy [°C]: 70 70 / 150 (w obszarze selektywne

nagrzewanie indukcyjne)

Czas wypełniania [s]: 0,8 0,8

Czas dopakowania [s]: 2 2

Czas chłodzenia [s]: 8 8,1

Ciśnienie wtrysku [MPa]: 37 35,9

Ciśnienie dopakowania [MPa]: 29,6 28,7

Niezależnie od lokalizacji punktu wtrysku, płynące strugi tworzywa w pierwszej kolejności wypełniają korpus wypraski, a dopiero w końcowej fazie formowana jest stopa montażowa. Stopa swym kształtem stanowi pętlę zamkniętą, co oznacza, że w jej obwodzie następuje łączenie się dwóch strug (rys. 4.9). Ponieważ proces ten zachodzi w końcowej fazie wtrysku, ich czoła są już na tyle wychłodzone, że nie ma możliwości utworzenia wytrzymałych wiązań polimerowych. Jako że obszar ten jest narażony na koncentrację naprężeń podczas montażu i demontażu wyrobu, często dochodzi do jego pęknięcia. W teorii rozwiązaniem problemu byłaby lokalizacja przewężki bezpośrednio na stopie montażowej, jednak z przyczyn technologicznych jest to ekonomicznie

a

b

c

1 2

36

nieuzasadnione. Złącza elektryczne tego typu produkowane są w tak dużych ilościach, że układ wtrysku zimno-kanałowego został wyparty przez system wtrysku bezpośredniego (gorąco-kanałowego).

Rys. 4.9. Badania symulacyjne wypełniania gniazda formującego podczas procesu izotermicznego, a) rozkład ciśnienia podczas procesu wypełniania, b) profil wtrysku, 1 – punkt wtrysku, 2 – obszar łączenia płynących strug

tworzywa

Rys. 4.10. Badania symulacyjne wypełniania gniazda formującego z wykorzystaniem selektywnego nagrzewania wybranych powierzchni formujących, a) rozkład ciśnienia podczas procesu wypełniania,

b) profil wtrysku, 1 – punkt wtrysku, 2 – przesunięcie linii łączenia strug tworzywa

Na podstawie zrealizowanych badań symulacyjnych stwierdzić można, że lokalne podwyższenie temperatury w obszarze formowania stopy montażowej spowodowało przesuniecie linii łączenia poza obszar koncentracji naprężeń. Nastąpiła nieznaczna redukcja ciśnienia, co wynika z niewielkiego udziału obszaru o podwyższonej temperaturze względem całej powierzchni wnęki formującej.

Wyeliminowano skok ciśnienia pojawiąjący się w końcowej fazie wtrysku, co jest widoczne na uzyskanych profilach (rys. 4. 9b, 4. 10b).