POLITECHNIKA POZNAŃSKA
Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania Instytut Technologii Mechanicznej
PRACA DOKTORSKA
KONSTRUKCJA I BADANIA FORM WTRYSKOWYCH NAGRZEWANYCH INDUKCYJNIE
mgr inż. Krzysztof MROZEK
Promotor: prof. dr hab. inż. Roman STANIEK Promotor pomocniczy: dr inż. Magdalena MIERZWICZAK
Poznań, 2015
2
3 SPIS TREŚCI
Streszczenie Wykaz oznaczeń
1. Wprowadzenie 2. Przegląd stanu wiedzy
2.1. Podstawy teoretyczne wtryskiwania tworzyw termoplastycznych 2.1.1. Wtryskiwanie ze stałą temperaturą formy
2.1.2. Wpływ dynamicznej zmiany temperatury formy na jakość wyprasek
2.1.3. Klasyfikacja wad wyprasek pod kątem implementacji nagrzewania indukcyjnego wkładów formujących
2.2. Przegląd literatury
2.2.1. Charakterystyka metod dynamicznego nagrzewania form wtryskowych 2.2.2. Indukcyjne metody nagrzewania form wtryskowych
3. Cel, tezy i zakres pracy
4. Analiza i wybór rozwiązań konstrukcyjnych głównych zespołów form i ich badania 4.1. Wybór grupy wyprasek pod kątem implementacji nagrzewania indukcyjnego do ich
wytwarzania
4.2. Opracowanie założeń konstrukcyjnych nowych form 4.2.1. Dobór materiału na wkłady formujące
4.2.2. Dobór liczby gniazd oraz typów układu wlewowego 4.2.3. Definicja płaszczyzn podziału
4.2.4. Konstrukcja wkładów formujących 4.2.5. Konstrukcja korpusu
4.3. Konstrukcja i badania zespołu nagrzewania indukcyjnego form 4.3.1. Problematyka doboru kształtu i lokalizacji cewek indukcyjnych 4.3.2. Opracowanie modelu badawczego
4.3.3. Badania symulacyjne procesu nagrzewania 4.3.4. Badania doświadczalne zespołu nagrzewania form 5. Opracowanie konstrukcji i budowa prototypów form wtryskowych 6. Badania doświadczalne prototypów nowych form wtryskowych
6.1. Opracowanie metodyki i programu badań
6.2. Wykonanie prób technologicznych procesu wtryskiwania z wykorzystaniem nowych form wtryskowych
6.3. Ocena wydajności pracy formy i jakości wytwarzanych przy ich użyciu wyrobów 6.4. Optymalizacja parametrów procesu wtryskiwania dla nowych form wtryskowych i
badania weryfikacyjne
7. Podsumowanie, wnioski oraz kierunki przyszłych badań Literatura
Załączniki
4
5 STRESZCZENIE
Praca dotyczy zagadnień związanych z konstrukcją i badaniem form wtryskowych nagrzewanych indukcyjnie. W dysertacji zamieszczono podstawy teoretyczne dotyczące produkcji wyrobów z tworzyw sztucznych w technologii wtryskiwania. Przedstawiono przegląd wybranych metod produkcji wyprasek opartych na stałej temperaturze pracy formy wtryskowej i z wykorzystaniem technologii RTC (Rapid Temperature Cycling). Rozpoznano i scharakteryzowano powszechnie występujące wady wyprasek ze szczególnym uwzględnieniem wyrobów cienkościennych dla przemysłu elektrotechnicznego i elektronicznego. Na podstawie określonych wad opracowano modele trzech wyprasek badawczych, dla których opracowano nową, oryginalną koncepcję formy wtryskowej, wyposażoną w układ selektywnego nagrzewania indukcyjnego. W gniazdach formujących wyznaczono te powierzchnie, które odpowiedzialne są za formowanie obszarów wyprasek o wysokim ryzyku występowania wad i poddano je działaniu zewnętrznej cewki indukcyjnej. Przeprowadzono badania symulacyjne procesu wypełniania formy w technologii konwencjonalnej oraz z wykorzystaniem selektywnego nagrzewania wybranych powierzchni formujących. Wykonano badania symulacyjne i doświadczalne procesu nagrzewania dla wzbudników jednozwojnych i wyposażonych w koncentrator pola magnetycznego. Na podstawie otrzymanych wyników zbudowano trzy formy wtryskowe wyposażone w układ nagrzewania indukcyjnego, które poddano testom produkcyjnym, a wykonane wypraski ocenie jakościowej. Ostatnią część dysertacji stanowią protokoły z badań i wnioski końcowe. Efekt pracy stanowi nowa, zgłoszona do opatentowania technologia, która jest na etapie wdrażania w firmie Phoenix Contact Wielkopolska sp. z o. o.
SUMMARY
The present study concerns issues related to the design and applied research of induction heated injection mold. The dissertation contains the theoretical basis of the injection molding technology. Selected methods of injection molding have been presented including conventional process and Rapid Temperature Cycling methods. Common defects of molded parts have been diagnosed and described with particular emphasis on thin-walled products for electrical industry. On the basis of specific defects three models of moldings have been created, for which the new conception of injection mold equipped with selective induction heating system have been developed.
The surfaces shaping the areas of the moldings which are responsible for the formation of defects have been exposed to the external induction heating process. The simulation studies of the filling process in the conventional way and by means of selective induction heating process have been investigated. Simulation and experimental studies of the heating process for single-coil and equipped with the concentrator inductor have been investigated as well. The results were used to construct three injection molds equipped with the induction heating system, which were then subjected to the production tests. Produced parts were evaluated qualitatively. The last part of the dissertation are the research protocols and conclusions. As a result, the new patented technology have been developed, that is at the stage of implementation in Phoenix Contact Wielkopolska sp. z o. o.
6
7 WYKAZ OZNACZEŃ
A m2 pole powierzchnia
B T gęstość strumienia magnetycznego 𝐵̂ T amplituda indukcji pola magnetycznego
E V
m natężenie pola elektrycznego
f 1
s częstotliwość prądu elektrycznego
g mm grubość ścianki
H A
m natężenie pola magnetycznego Hc
A
m koercja magnetyczna
Hm A
m maksymalne natężenie pola magnetycznego Iw A natężenie prądu wirowego
J mA2 gęstość prądu elektrycznego l mm szerokość szczeliny / odległość 𝑀⃗⃗ A
m2 magnetyzacja
𝑀⃗⃗ 𝑠 A
m2 magnetyzacja nasycenia
p Pa ciśnienie
Pc J całkowite straty mocy
Ph J straty histerezy
Pw J straty związane z prądami wirowymi
R Ω opór elektryczny
t s czas
tc s czas cyklu
tch s czas chłodzenia
tn s czas nagrzewania
T °C temperatura
Tf °C temperatura ścian formujących (temperatura formy)
8 Ts °C temperatura stopu tworzywa Uind V napięcie indukowane
V m3 objętość
w - liczba zwojów cewki indukcyjnej Wh
J
m3 praca zewnętrznego pola magnetycznego Ws
1
s wskaźnik ścinania tworzywa
𝛼𝑅 - stała Rayleigha
𝛾̇ 1
s prędkość ścinania
𝛿 m głębokość dyfuzji magnetycznej 𝜀 V indukowana siła elektromotoryczna
𝜀𝑒 F
m przenikalność elektryczna
η Pas lepkość dynamiczna
η0 Pas lepkość strukturalna, dolna lepkość newtonowska 𝜂∞ Pas górna lepkość newtonowska
λ s czas relaksacji
𝜇 Vs
Am przenikalność magnetyczna
𝜇𝑜 Vs
Am stała magnetyczna (4π10−7)
𝜇𝑟 - przenikalność magnetyczna względna
𝜌 Ωm rezystywność
𝜌𝑒 C
m2 gęstość ładunku elektrycznego
𝜎 S
m konduktywność
τ mN2 naprężenie ścinające
𝛷𝐵 Wb strumień indukcji magnetycznej
9 1. WPROWADZENIE
Rosnące oczekiwania w stosunku do jakości, estetyki, właściwości technicznych i użytkowych wyprasek z tworzyw sztucznych wymagają stosowania w procesie ich produkcji coraz bardziej innowacyjnych rozwiązań technologicznych. Często wyzwania stawiane przez niektóre branże (motoryzacyjną, elektrotechniczną, RTV/AGD, medyczną, optyczną i inne) są niemożliwe do osiągnięcia z wykorzystaniem konwencjonalnych technik przetwórstwa. Odpowiedzią na to są nowoczesne formy wtryskowe pracujące w cyklu dynamicznych zmian temperatury.
Stosowanie w procesie wtrysku wysokiej temperatury ścianek gniazd form wtryskowych umożliwia produkcję wyprasek o wysokim połysku (obudowy telefonów komórkowych, laptopów, sprzętu audio-video), o pożądanych właściwościach mikrostruktury powierzchni, perfekcyjnym odwzorowaniu geometrii oraz zredukowanym poziomie naprężeń wewnętrznych (ważne, m. in. w przypadku soczewek grubościennych). Formy przeznaczone do pracy w reżimie cyklicznie zmiennej temperatury gniazd formujących są dobrą alternatywą wszędzie tam, gdzie formowane wtryskiem w sposób konwencjonalny części z natury mają typowe wady (np. widoczne linie łączenia się strug tworzywa). Ścianka formy podczas fazy wtrysku musi być na tyle gorąca, by tworzywo mogło bez problemu wypełnić gniazdo i w idealny sposób odwzorować kształt jego powierzchni formującej. Z kolei podczas fazy chłodzenia ścianka musi mieć jak najniższą temperaturę, by szybko odprowadzić dostarczone w poprzedniej fazie dodatkowe ciepło.
Nowoczesne i najczęściej wdrażane obecnie rozwiązania sterowania szybkimi, cyklicznymi zmianami temperatury gniazd formujących wykorzystują obiegi olejowe, elektryczne grzałki oporowe, przegrzaną parę wodną, a także promienniki podczerwieni. Choć większość firm zajmujących się tą problematyką ze względów marketingowych zapewne będzie odmiennego zdania, do tej pory nie udało się wynaleźć uniwersalnego rozwiązania sprawdzającego się we wszystkich przypadkach. Każde z zastosowań tej technologii wymagało przy wdrażaniu, i wymaga nadal, indywidualnego podejścia oraz analizy możliwości technicznych powiązanej z analizą opłacalności ekonomicznej. Na tej podstawie podejmuje się decyzję o tym czy i jaką technologię należy w konkretnym przypadku zastosować.
Zmiana temperatury formy w czasie cyklu produkcyjnego wiąże się z koniecznością dostarczenia dużej ilości energii w trakcie jej nagrzewania i chłodzenia. W większości przypadków, skutkuje to również wydłużeniem czasu cyklu, co bezpośrednio przekłada się na wzrost kosztów produkcji. Autor proponuje dynamiczne selektywne nagrzewanie indukcyjne wybranych powierzchni formujących jako energooszczędną metodę eliminacji wad wyprasek (w szczególności cienkościennych).
W pracy przedstawiono znane metody produkcji wyprasek oparte na stałej temperaturze pracy formy wtryskowej jak i z wykorzystaniem technologii RTC (Rapid Temperature Cycling). Rozpoznano powszechnie występujące wady wyprasek ze szczególnym uwzględnieniem wyrobów cienkościennych. Na podstawie wyszczególnionych wad oraz doświadczenia autora opracowano modele trzech wyprasek reprezentatywnych, dla których opracowano nowe, oryginalne rozwiązanie formy wtryskowej nagrzewanej indukcyjnie. Wytypowano powierzchnie formujące odpowiedzialne za formowanie obszarów wypraski o najwyższym ryzyku występowania wad oraz poddano je selektywnemu nagrzewaniu indukcyjnemu. Przeprowadzono badania symulacyjne i doświadczalne procesu nagrzewania z wykorzystaniem wzbudnika wyposażonego w koncentrator pola magnetycznego. Również w sposób symulacyjny wykonano analizę wypełniania nowych form. Na podstawie otrzymanych wyników zbudowano trzy formy wtryskowe wyposażone w układ
10
nagrzewania indukcyjnego, które następnie poddano testom produkcyjnym, a wykonane wypraski ocenie jakościowej.
Niniejsza praca ma charakter badawczo-wdrożeniowy i była realizowana w ramach projektu badawczego INNOTECH K2-IN2-60-182932-NCBR-13_15022013 i współfinansowana przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju.
11 2. PRZEGLĄD STANU WIEDZY
2.1. Podstawy teoretyczne wtryskiwania tworzyw sztucznych
Przemysł i produkcja związana z przetwórstwem tworzyw sztucznych stanowi duży wkład w tworzeniu globalnego wzrostu gospodarczego [112]. Świadczy o tym intensywne wprowadzanie innowacji w takich sektorach gospodarki jak budownictwo, motoryzacja, medycyna, przemysł elektrotechniczny i elektroniczny, lotnictwo i aeronautyka. W najbliższych latach prognozowany jest 4
% wzrost zużycia tworzyw sztucznych „per capita” [111].
Wynikiem ciągłego wzrostu zapotrzebowania na produkty wykonane z tworzyw sztucznych jest dynamiczny rozwój technologii ich przetwórstwa. Dąży się do poprawy jakości wyrobów przy równoczesnym ograniczeniu kosztów produkcji. Ważne jest utrzymanie wysokiej stabilności procesu, niskiego wskaźnika brakowości i skracanie czasu cyklu. Od lat wymagania te najlepiej spełnia technologia wtryskiwania, która dodatkowo umożliwia produkcję wyrobów o wysokim stopniu skomplikowania oraz nieosiągalnej dla innych metod powtarzalności.
Wtryskiwanie tworzyw sztucznych to cykliczny proces, w którego skład wchodzą następujące fazy [90]:
zamknięcie formy,
dosunięcie układu plastyfikującego wtryskarki do matrycy,
wypełnienie gniazda formującego roztopionym tworzywem,
docisk,
plastyfikacja granulatu (odsunięcie ślimaka wtryskarki pod wpływem uplastycznionego tworzywa gromadzącego się przed jego czołem), proces chłodzenia powierzchni formujących,
odsunięcie układu plastyfikującego,
otwarcie formy,
usunięcie wypraski z wnęki formującej.
Na końcowy efekt procesu wpływają: wyjściowe parametry wypraski (geometria, materiał, kolor), konstrukcja formy wtryskowej oraz parametry wtryskiwania (czas, temperatura wtryskiwanego tworzywa, ciśnienie, temperatura formy) [7, 19, 57, 67] (rys. 2.1).
Rys. 2.1. Wybrane etapy powstawania wypraski w procesie wtryskiwania
Temperatura tworzywa oraz ciśnienie muszą być na tyle wysokie, aby spadek jego lepkości umożliwił całkowite wypełnienie wnęki formującej. Temperatura formy, w zależności od technologii produkcji, ustawiana jest na stałym poziomie lub dynamicznie zmienia się zgodnie z założonym przez
Dobór tworzywa
- Warunki brzegowe - Właściwości fizyczne
tworzywa Konstruktor
Technolog
Wtryskarka Forma wtryskowa Ustawienie
procesu wtrysku
Proces wtrysku
Wyrób końcowy
12
technologa profilem. Przebieg jej wartości w trakcie procesu produkcyjnego determinuje powstawanie rezydualnych naprężeń i deformacji (wypaczeń, ugięć, skręceń, jam skurczowych itp.) [34].
Zakłada się, że najważniejszy element cyklu produkcyjnego stanowi forma wtryskowa, ponieważ bezpośrednio wpływa na estetykę i właściwości użytkowe wypraski [36]. Wpływ parametrów konstrukcyjnych formy na proces wtryskiwania został szeroko opisany w pracach [34, 53, 54, 66, 67].
Rys. 2.2. Etapy formowania wypraski, wybrane elementy budowy formy wtryskowej: 1 – wyrzutnik, 2 – stemplowa płyta mocująca, 3 – płyty wypychaczy, 4 – słup prowadzący płyty wypychaczy, 5 – stemplowa
płyta formująca, 6 – słup prowadzący, 7 – matrycowa płyta formująca, 8 – matrycowa płyta mocująca, 9 – wypychacz, 10 – stemplowy wkład formujący, 11 – matrycowy wkład formujący, 12 – tuleja wtryskowa,
13 – płynąca struga tworzywa, 14 – wypraska
2.1.1. Wtryskiwanie ze stałą temperaturą formy
Termostatowanie formy jest kompromisem między łatwością wypełnienia gniazda, co wymaga wysokiej temperatury ścian formujących, a krótkim czasem chłodzenia stanowiącym o długości czasu cyklu produkcyjnego [48, 69]. W trakcie procesu wtryskiwania, przy użyciu pracy mechanicznej i energii termicznej, granulat przekształca się w zespole uplastyczniającym w stop, który następnie
1. Forma otwarta 2. Zamknięcie formy 3. Wtryśnięcie roztopionego
tworzywa
4. Docisk, formowanie, chłodzenie 5. Otwarcie formy 6. Uwolnienie (wypchnięcie) wypraski
1 2 3 4 5 6 7 8
10 11
9 12
13
14
13
wtłaczany jest pod dużym ciśnieniem przez końcówkę dyszy do gniazda (wlewka, kanałów rozdzielających oraz gniazda właściwego). W momencie zetknięcia się strugi tworzywa z relatywnie zimną ścianą formującą, tworzywo przekazuje ciepło do formy, a następnie przez kanały chłodzące odprowadza się je poza układ formowania [7]. W konwencjonalnym przebiegu procesu stop tworzywa ma dużo wyższą temperaturę niż ściany gniazda formującego (rys. 2.3a).
Rys. 2.3. Przebieg izotermicznego procesu formowania: a) przebieg zmian temperatury na powierzchniach formujących, b) odwzorowanie kształtów formujących, c) łączenie płynących strug tworzywa
Różnica temperatur między płynącą strugą tworzywa a powierzchnią formującą powoduje, że wraz z przebytą drogą stop wychładza się i wzrasta jego lepkość. Powstawanie przymarzniętych warstw redukuje przekrój gniazda, co uniemożliwia wypełnienie najbardziej oddalonych od punktu wtrysku obszarów formowania. Problemy związane z niecałkowitym wypełnieniem gniazda formującego pojawiają się w szczególności podczas przetwórstwa tworzyw o podwyższonej lepkości lub uzupełnionych o różnego rodzaju środki wypełniające (uniepalniacze, włókna wzmacniające, proszki magnetyczne itp.) [86]. Bardzo często temu zjawisku towarzyszą błędy odwzorowania mikrostruktur (rys. 2.3b) oraz wady związane z niewłaściwym ukształtowaniem linii łączenia płynących strug tworzywa (rys. 2.3c) [25].
Wady będące efektem zastosowania zbyt niskiej temperatury formy oraz podwyższonego ciśnienia wtrysku mogą zostać usunięte w dodatkowych procesach technologicznych. Należy jednak wziąć pod uwagę, że z punktu widzenia ekonomii oraz ekologii wytwarzania, korzystniejsze jest prowadzenie produkcji kompleksowej zawartej w jednej operacji wtryskiwania.
2.1.2. Wpływ dynamicznej zmiany temperatury formy na jakość wyprasek
W przypadku technologii dynamicznych zmian temperatury formy gniazdo formujące nie ma jednej stałej temperatury pracy. Temperatura w formie zmieniana jest celowo w sposób zsynchronizowany z pracą wtryskarki, zgodnie z założonym przez technologa profilem. W momencie wtrysku powierzchnie formujące są nagrzane do temperatury bliskiej wartościom wtryskiwanego stopu tworzywa. Po wtrysku rozpoczyna się proces intensywnego schładzania formy (rys. 2.5a). Dzięki temu możliwa jest produkcja części o wysokim stopniu połysku pozbawionych deformacji i widocznych linii płynięcia tworzywa [82].
Reologia tworzyw sztucznych, z powodu ich nienewtonowskiego charakteru, bezpośrednio wiąże się z temperaturą przetwórstwa [89]. W przeciwieństwie do płynów newtonowskich, lepkość płynącego stopu nie jest wartością stałą w warunkach izobarycznych, lecz zmienia się wraz ze zmianą prędkości ścinania i naprężenia ścinającego [93]:
𝜂 = 𝜏
𝛾̇ . (2.1)
Ts
Tw
tc
t [s] ściany formujące stop tworzywa zastygnięte tworzywo
b) c)
a) T [°C]
Tf
Tf << Ts
Tf << Ts
Tf << Ts
Tf << Ts
Ts
Tw
tc
t ściany formujące stop tworzywa zastygnięte tworzywo
b) c)
a) T
Tf
Tf << Ts
Tf ≈ Ts
Tf << Ts
Tf ≈ Ts tn tch
14
Jeżeli wziąć pod uwagę zależność logarytmiczną lepkości dynamicznej i prędkości ścinania przy stałej temperaturze, wówczas jej przebieg dla polimerów można przedstawić nastepująco (rys. 2.4) [42]:
Rys. 2.4. Uogólniony przebieg dynamicznej lepkości w zależności od prędkości ścinania dla polimerów [42]
Taką charakterystykę o zbliżonej do przebiegu stałej lepkości dla zakresu niskich prędkości ścinania można wyznaczyć przy pomocy modelu Carreau-Yasuda [91]:
𝜂 − 𝜂∞
𝜂0 − 𝜂∞ = 𝜂0(1 + (𝜆𝛾̇)𝛼)𝑛−1𝛼 (2.2) lub jego wybranej wersji uogólnionej [65], gdzie α, n, λ to parametry wyznaczane doświadczalnie (stałe materiałowe). Model Carreau-Yasuda to jedna z najdokładniejszych metod wyznaczania lepkości polimerów [18]. Należy zwrócić uwagę, że lepkość dynamiczna zależy nie tylko od wartości prędkości ścinania, ale od:
𝜂(𝛾̇, 𝑇, 𝑝) . (2.3) Prędkość ścinania 𝛾̇ jest uzależniona od prędkości wtrysku i może być regulowana przez technologa lub operatora maszyny. W celu zwiększenia wpływu na lepkość płynącej strugi tworzywa wykorzystuje się dynamiczną zmianę temperatury formy [25]. Wzrost temperatury powierzchni formujących redukuje lepkość i zwiększa lejność materiału [93].
Rys. 2.5. Przesunięcie przebiegu dynamicznej lepkości dla polimerów w zależności od zmiany temperatury [42]
Poprzez zwiększoną temperaturę ścian formujących zatrzymuje się proces przedwczesnego wychładzania tworzywa, co umożliwia całkowite wypełnienie gniazda (rys. 2.6c) oraz zapewnia wysoką jakość odwzorowania mikrostruktur (rys. 2.6b) [29, 68, 81]. Dzięki temu uzyskuje się w procesie wtrysku lepsze odwzorowanie powierzchni (poprawa estetyki) przy znacząco niższym oporze
log η
log γ.
η0 log η0(T)
1 𝜆
log η
log γ.
log η0(T1)
1 𝜆
log η0(T2)
T1 < T2
η0(T2) η0(T1)
log η
log γ.
η0 log η0(T)
1 𝜆
log η
log γ.
log η0(T1)
1 𝜆
log η0(T2)
T1 < T2
η0(T2) η0(T1)
15
wypełniania formy tworzywem [71]. Z kolei podczas fazy docisku występuje lepsza propagacja ciśnienia w całej objętości wypraski. Występują więc mniejsze gradienty ciśnienia pomiędzy punktem wtrysku i najdalej oddalonymi od niego miejscami na drodze płynięcia tworzywa. Przekłada się to na obniżenie zamrożonych w wyprasce naprężeń oraz mniejsze wartości, a także różnice orientacji skurczu. Korzyść ta staje się widoczna szczególnie wtedy, gdy cyklicznym sterowaniem temperaturą gniazd formujących objęte są obie połówki formy.
Rys. 2.6. Przebieg procesu formowania z zastosowaniem dynamicznych zmian temperatury formy: a) przebieg zmian temperatur na powierzchniach formujących, b) odwzorowanie kształtów formujących, c) proces łączenia
płynących strug tworzywa
Techniki cyklicznej regulacji temperatury ścian gniazda formy dają wytwórcy możliwość świadomego wpływania na przebieg i rozkład temperatur w gnieździe. Dzięki wysokim temperaturom ścianek formy podczas fazy wtrysku przepływ fontannowy tworzywa nie ulega zaburzeniu. Możliwe staje się uniknięcie immanentnych wad wyprasek oraz uzyskanie właściwości do tej pory nieosiągalnych w konwencjonalnym przebiegu procesu wtrysku.
2.1.3. Klasyfikacja wad wyprasek pod kątem implementacji nagrzewania indukcyjnego wkładów formujących
Wady wyprasek cienkościennych
Obecnie dąży się do miniaturyzacji, a co za tym idzie, redukcji masy produkowanych wyrobów.
Wynika to z tendencji do minimalizacji zużycia materiałów i energii potrzebnej do ich przetworzenia (czynniki ekonomiczne i ekologiczne). Przy zachowaniu stałych wymiarów gabarytowych wypraski, redukcja masy odbywa się poprzez zmniejszenie grubości ścianek. Jednak, z przyczyn technologicznych, ma to swoje granice. Zmniejszenie przekroju gniazda na drodze płynięcia tworzywa generuje takie wady wyprasek jak:
niedolewy, kontury wypraski nie są w pełni wykształcone, płynące tworzywo zastyga przed wypełnieniem wnęki formującej;
przypalenia, efekt diesla, na powierzchni wypraski widoczne są nadpalenia tworzywa wynikające z gwałtownego przyrostu ciśnienia;
smugi, przebarwienia, powstają podczas zakłóceń parametrów wtrysku związanych z niewłaściwą geometrią wypraski;
widoczne linie łączenia strug płynącego tworzywa, powstają na skutek łączenia się dwóch lub więcej przechłodzonych strug płynącego tworzywa, mogą stanowić widoczne karby redukujące wytrzymałość mechaniczną wypraski;
Ts
Tw
tc
t [s] ściany formujące stop tworzywa zastygnięte tworzywo
b) c)
a) T [°C]
Tf
Tf << Ts
Tf << Ts
Tf << Ts
Tf << Ts
Ts
Tw
tc
t [s] ściany formujące stop tworzywa zastygnięte tworzywo
b) c)
a) T [°C]
Tf
Tf << Ts
Tf ≈ Ts
Tf << Ts
Tf ≈ Ts
tn tch
16
ukryte karby, niewidoczne, nie w pełni wykształcone połączenia płynących strug tworzywa;
wypaczenia, odstępstwo kształtu wypraski od kształtu zadanego wynikające z nadmiernych naprężeń wewnętrznych.
Rys. 2.7. Wypraska o masie 1 g i grubości ścianki 0,45 mm: a) obszary występowania wad, b) widoczne wady w postaci niedolewu oraz linii łączenia strug tworzywa, c) widoczne linie łączenia strug tworzywa oraz przypalenia
powstałe w wyniku efektu diesla
W pewnym stopniu możliwa jest eliminacja wad wyprasek cienkościennych poprzez zwiększenie ciśnienia wtrysku oraz podwyższenie temperatury formy [54, 64, 87]. Ułatwia to wypełnienie gniazda. Ograniczenie w podnoszeniu temperatury gniazda stanowi medium chłodzące – najczęściej wykorzystuje się wodę lub olej. Należy podkreślić, że taki zabieg wpływa na wydłużenie czasu cyklu, wzrost stopnia krystaliczności wyrobu i wzrost skurczu - nie zawsze pożądane.
Wady elastycznych zawiasów filmowych
Zawias filmowy to cienka (0,15 - 0,5 mm) błona pomiędzy przynajmniej dwiema częściami jednej wypraski. Przepływ stopionego tworzywa przez tak cienki obszar powoduje orientację cząsteczek polimeru wzdłuż drogi płynięcia. Orientacja ta zostaje zachowana w wyrobie w wyniku szybkiego ochłodzenia. Dla tworzyw częściowo krystalicznych wzrost orientacji cząsteczek powoduje powstanie obszaru o wysokim stopniu krystaliczności i bardzo dużej wytrzymałości. Warunkiem prawidłowego działania zawiasu jest jego odpowiednia geometria. Zawias nie może być zbyt gruby, długi ani szeroki – tworzywo powinno przepływać przez obszar zawiasu prostopadle do jego osi działania. Ponieważ zawias filmowy redukuje przekrój, przez który przepływa tworzywo, a prędkość przepływu jest uwarunkowana wytrzymałością termiczną tworzywa, łącznie ogranicza to objętość gniazda formy za zawiasem. Przy łączeniu zawiasem części o większej objętości rozwiązaniem jest zastosowanie dodatkowych punktów wtrysku. W tym przypadku linia łączenia strug tworzywa z różnych punktów wtrysku nie może przebiegać w obszarze formowania zawiasu filmowego.
Trwałość zawiasów filmowych (rys. 2.8a) zależy od użytego tworzywa, kształtu wypraski, konstrukcji formy oraz parametrów procesu wtrysku zadanych przez technologa [5]. Dla tworzyw częściowo krystalicznych może być bardzo wysoka (dla PP sięga 1mln cykli), dla tworzyw amorficznych bardzo niska – zawiasy są jednorazowe, stosowane tylko na potrzeby montażu (zamknięcie obu połówek wypraski).
Obserwowana w wyrobach niska trwałość zawiasów stanowi duży problem jakościowy.
Wypaczenia, osłabiona struktura w obszarze łączenia strug tworzywa, pękanie zawiasów (rys. 2.8b) oraz smugi i przypalenia (rys. 2.8c) to podstawowe wady spotykane w wypraskach o różnej charakterystyce geometrycznej.
b) c)
b) c)
a)
17
Rys. 2.8. Wypraska wyposażona w zawiasy błonowe o grubości 0,5 mm: a) obszary występowania wad, b) pęknięcia zawiasu w trakcie procesu montażu, c) smugi i przypalenia wynikające ze wzrostu ciśnienia wtrysku Wypraski wielofunkcyjne
Głównym celem wdrażania wyprasek wielofunkcyjnych jest ograniczenie komponentów montażowych wchodzących w skład budowy gotowego wyrobu. Integracja funkcji spełnianych uprzednio przez kilka podzespołów pozwala na zredukowanie liczby operacji (w szczególności podczas procesu montażu). Podstawowe cechy konstrukcyjne spotykane w wypraskach wielofunkcyjnych to:
elastyczne zawiasy filmowe,
obszary podatne sprężyście,
zatrzaski i zamki.
Typowym rozwiązaniem stosowanym w przemyśle są wypraski wyposażone w zawiasy filmowe. Poszczególne części wypraski są zorientowane względem siebie, co znacząco usprawnia proces montażu oraz umożliwia jego automatyzację.
Właściwości mechaniczne tworzyw sztucznych pozwalają na wykonanie z nich elementów sprężystych. Części takie mogą stanowić jedną całość z przedmiotem typu przycisk, zamek, obudowa, itp. Należy przy tym pamiętać, że elementy z tworzyw sztucznych nie mogą pracować pod naprężeniem ciągłym z uwagi na relaksację naprężeń i procesy zmęczeniowe. Połączenia za pomocą zatrzasków można projektować zarówno jako rozłączne jak i nierozłączne. Integracja sprężyn i zatrzasków w jednym przedmiocie, poprzez zmniejszenie liczby podzespołów, ułatwia logistykę i montaż wyrobów. Ponadto, odpowiednia konstrukcja wyprasek eliminuje konieczność używania dodatkowych elementów złącznych i narzędzi do ich montażu.
Na rysunku 2.9 przedstawiono proces montażu (rys. 2.9a) oraz demontażu złącza elektrycznego na szynie. Obudowa złącza została wyposażona w zamknięty zaczep elastyczno-sprężysty, który powszechnie wykorzystywany jest w przemyśle elektrotechnicznym. Dociśnięcie obudowy do szyny powoduje chwilowe odkształcenie sprężyste stopy. Demontaż odbywa się poprzez odciągnięcie zaczepu śrubokrętem lub innym narzędziem. Jak można zaobserwować (rys. 2.9c) największe naprężenia gromadzą się w obszarze stopy. Problem stanowi fakt, iż miejscem koncentracji naprężeń staje się obszar łączenia płynących strug tworzywa. W przypadku, gdy czoła płynącego stopu są zbyt przechłodzone, wytworzenie wystarczająco mocnych wiązań polimerowych jest niemożliwe. Skutkuje to pękaniem stopy, co w efekcie dyskwalifikuje wyrób z dalszego użytku.
b) c)
a)
b)
c)
18
Rys. 2.9. Wypraska wielofunkcyjna wyposażona w zaczep elastyczny: a) montaż wypraski na szynie, b) proces demontażu wyrobu przy użyciu śrubokręta, c) koncentracja naprężeń w stopie montażowej w trakcie
procesu demontażu, d) zjawisko pękania stopy montażowej podczas deformacji zaczepu
Poza ujętymi wadami wyprasek można rozpatrywać również takie parametry jak: ciężar cząsteczkowy, naprężenia wewnętrzne, orientacja wewnętrzna i powierzchniowa łańcuchów polimerowych itp., które również wpływają na cechy jakościowe wyrobu i mogą mieć istotny wpływ na jego użytkowanie.
Należy pamiętać, że w trakcie procesu produkcyjnego bardzo ważne jest spełnienie tolerancji wymiarowych i wagowych wypraski. Stabilizacja pewnych właściwości geometrycznych poprzez zmianę ciśnienia wtrysku, prędkości płynięcia lub siły docisku może skutkować pojawieniem się innych wad. Jedynym parametrem, który poprzez zwiększenie swojej wartości pozytywnie wpływa na jakość wyrobu, jest temperatura formy.
2.2. Przegląd literatury
2.2.1. Charakterystyka metod dynamicznego nagrzewania form wtryskowych
Obecnie znanych jest wiele sposobów nagrzewania form wtryskowych pracujących w cyklu dynamicznych zmian temperatury [29]. Wbrew informacjom marketingowym, nie ma jednej uniwersalnej technologii spełniającej wymagania wszystkich producentów wyprasek. Powoduje to, że wiele komercyjnych ośrodków badawczo-rozwojowych oraz jednostek naukowych na całym świecie intensywnie pracuje nad rozwojem nowych metod dynamicznego nagrzewania powierzchni formujących [77].
Nagrzewanie z wykorzystaniem kanałów chłodzących
Sieć kanałów wykonanych wewnątrz formy wtryskowej zwykło się nazywać układem chłodzenia [36]. Dzieje się tak, ponieważ przez kanały przepływa medium (najczęściej woda lub olej) o temperaturze znacząco niższej niż temperatura wtryskiwanego stopu tworzywa. Zanim jednak rozpocznie się proces wtrysku, dotyczy to również form pracujących w technologii izotermicznej, konieczne jest podgrzanie formy do zadanej przez technologa temperatury [34, 69]. W przypadku wtryskiwania ze zmienną temperaturą przez obieg chłodzenia przepuszcza się na przemian płyn o wysokiej i niskiej temperaturze (2.10).
a) b)
c)
d)
19
Rys. 2.10. Rozkład kanałów wewnątrz formy: a) klasyczny kanał wiercony, b) kanał uzupełniony w dodatkowe obejście, 1 – powierzchnia formująca, 2 – kanał chłodzący, 3 – dodatkowy kanał o zwiększonej średnicy,
4 - przegroda
W celu poprawy efektywności działania układu często wykorzystuje się dodatkowe otwory z przegrodami kierunkowymi (rys. 2.10b) o przekroju prostokątnym, pierścieniowym lub śrubowym (omywającym kanał poprzeczny) [48]. W takim rozwiązaniu należy jednak zwrócić uwagę, aby średnica otworu poprzecznego umożliwiła uzyskanie stałej wartości przepływu (2.4):
𝐷 = √2𝑑𝜋2+ 8𝑎𝑏𝜋 . (2.4) Badania w zakresie efektywności działania tej metody przeprowadził G. Wang i inni [70, 71]. W ramach prac autorzy skupili się nad optymalnym rozkładem kanałów grzejnych/chłodzących. Jako zmienne przyjęto średnicę kanałów, odległość powierzchni nagrzewania/chłodzenia od powierzchni formującej oraz odległość między poszczególnymi kanałami. Autorzy, poprzez wykorzystanie eksperymentu Box-Behnkena oraz zastosowanie badań symulacyjnych udowodnili, że rozkład kanałów ma znaczący wpływ na efektywność i równomierność procesu nagrzewania. W ramach pracy przedstawili również koncepcję systemu nagrzewania form, którego głównym atutem jest niski koszt wykonania. Otrzymane wyniki pokazują jednak, że analizowana metoda nie należy do najbardziej efektywnych rozwiązań, które wykorzystywane są obecnie w przemyśle.
Podobne zagadnienie, o charakterze aplikacyjnym, zostało szeroko opisane przez C. L. Xiao i H. X. Huanga [79]. W ramach pracy autorzy podjęli się optymalizacji układu nagrzewania formy wtryskowej z wykorzystaniem narzędzi PSO (Particle Swarm Optimization) oraz FEM (Finite Element Method). Celem badań było uzyskanie maksymalnej efektywności procesu nagrzewania powierzchni formujących spoiler samochodowy, co miało wyeliminować wady oraz poprawić jakość powierzchni wyrobu. Wyniki analiz symulacyjnych zweryfikowano badaniami eksperymentalnymi przeprowadzonymi na zbudowanej formie wtryskowej.
Otrzymane wyniki pokazały, że dynamiczna zmiana temperatury pozwoliła na eliminację wad oraz znacząco poprawiła jakość powierzchni spoilera. Wyższa temperatura gniazda formującego przyczyniła się do redukcji występowania wciągów oraz linii łączenia. Wykorzystanie technologii przełożyło się na spadek chropowatości powierzchni wyrobu, co w efekcie umożliwiło uzyskanie połysku.
We wnioskach autorzy wskazują jednak, że przedstawiona metoda wymaga stosowania długiego czasu nagrzewania, co bezpośrednio wpływa na długość cyklu produkcyjnego. Potwierdzają to wyniki przedstawione w pracach [70, 71]. Równocześnie, w pracy pojawia się stwierdzenie, że zastosowanie kanałów konformalnych umożliwia znaczącą poprawę efektywności procesu nagrzewania.
domena 1 ściana domenowa domena 2
1 2
3 4
b) a)
d d
ab
D
1 2
a)
d1
b) d
2
3
d1 > d2
20
Rys. 2.13. Przebieg kanałów grzejnych/chłodzących: a) klasyczne rozwiązanie wykorzystujące technologię wiercenia, b) kanał konformalny poprowadzony zgodnie z powierzchnią formowania, 1 – powierzchnia
formująca, 2 – kanał wiercony o klasycznym kształcie, 3 – kanał konformalny
Kanały konformalne charakteryzują się tym, że swoim przebiegiem odpowiadają kształtom powierzchni formujących [19]. Prowadzi się je blisko konturu, skracając przy tym drogę przepływu strumienia ciepła [3] (rys. 2.13). Przebieg odwzorowujący kształt powierzchni formujących pozwala na równomierny transfer ciepła do lub z całego gniazda (w zależności od procesu grzania lub chłodzenia), zapewniając przy tym zbliżone parametry temperaturowe w poszczególnych obszarach formowania. Bardzo często zwiększa się liczbę kanałów kosztem redukcji ich średnicy celem zwiększenia równomierności procesu nagrzewania i chłodzenia.
Rys. 2.14. Przykładowe zastosowanie kanałów konformalnych do chłodzenia rdzenia formującego: a) model 3D wygenerowany na potrzeby procesu technologicznego DLMS (Direct Laser Metal Sintering), b) przecięty rdzeń
formujący z widocznymi kanałami konformalnymi [3]
Wadą metody jest wciąż wysoki koszt wykonania i eksploatacji wkładów formujących. Ich produkcja wymaga zastosowania nowych technologii formowania przyrostowego (np. spiekanie proszków metali) [20]. Metoda wytwarzania elementów formujących wyposażonych w kanały konformalne, mimo iż badana i wdrażana od końca ubiegłego wieku [62], nadal stanowi obszar innowacyjny, czego dowodem są najnowsze publikacje [1, 3]. Badania w obszarze wdrażania technologii nagrzewania i chłodzenia konformalnego są również prowadzone przez czołowe instytuty niemieckie [21, 27, 35].
W celu zrównoważenia warunków cieplnych w całej objętości formowania wypraski w praktyce często wykorzystuje się kilka niezależnych układów nagrzewania lub chłodzenia. W obszarach formowania pogrubionych ścianek wyrobu, tam gdzie nie występują problemy z procesem płynięcia
domena 1 ściana domenowa domena 2
1 2
3 4
b) a)
d d
ab
D
1 2
a)
d1
b) d2
3
d1 > d2
1 2
3
t1
t1 t2
t1 < t2
a) b)
21
strugi roztopionego tworzywa, temperaturę wody obniża się. Natomiast pocienione ściany wypraski utrudniające wypełnienie gniazda wymagają wyższej temperatury ścian formujących (rys. 2.15).
Chen i inni w swojej pracy [14]
zaproponowali ograniczenie zakresu dynamicznych zmian temperaturowych do 15 °C dla wyprasek produkowanych w technologii mikro-wtrysku, przez co udało się poprawić właściwości produkowanego wyrobu przy równoczesnym skróceniu czasu cyklu o 12 %.
Otrzymane wyniki to efekt technologii pulsacyjnego chłodzenia polegającego na wyłączaniu obiegu chłodziwa w momencie wtryskiwania tworzywa (uwzględniono bezwładność układu). Autorzy nie potwierdzają jednak efektywności metody dla wytwarzania wyprasek o większych gabarytach, co wynika z innej specyfiki produkcji. Yao i Kim w swojej publikacji [85] mówią o znaczących różnicach występujących podczas mikro-wtryskiwania. W innej pracy autorzy przedstawili wpływ grubości ścianki wypraski na czas cyklu (rys. 2.16), który jest nieodzownym parametrem określającym przydatność ekonomiczną danego rozwiązania [84].
Rys. 2.16. Wpływ grubości ścianki na czas cyklu [85]
Z uwagi na zróżnicowanie parametrów produkowanych obecnie wyrobów niemal każda nowopowstała forma wtryskowa stanowi prototyp. Wiąże się to również z indywidualnym podejściem do każdego projektowanego układu nagrzewania/chłodzenia. W związku z tym naukowcy i inżynierowie skupiają się na opracowaniu uniwersalnej metody, algorytmu lub narzędzia, które generować będzie rozkład kanałów na podstawie wskazanych powierzchni formujących. Autorzy K. M. Au oraz K. M. Yu w swoim opracowaniu [4] przedstawili metodę wektorową rozmieszczenia kanałów chłodzących (rys. 2.17).
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0 1 2 3 4 5
tc[s]
g [mm]
Wartość krytyczna dla Frianyl A63 RV0 Frisetta
Technologia konwencjonalna Technologia RTC
Rys. 2.15. Przebieg kanałów konformalnych o różnych temperaturach chłodziwa odpowiadającym
grubościom ścianki wypraski, 1 – matryca, 2 - wypraska o zróżnicowanej grubości ścianki, 3 – kanał o zwiększonej temperaturze chłodziwa,
4 – kanał o niższej temperaturze chłodziwa, 5- stempel
2 3
4
t1
t1 t2
t1 < t2
a) b)
1
5
22
Według ich założeń odległość osi kanałów konformalnych od powierzchni formujących może być wartością zmienną, co stanowi nowe podejście do procesu kształtowania tego typu układów. Jako argument w metodzie iteracyjnej uwzględniono gradient temperatury chłodziwa na końcu przewodu względem jego wartości początkowej. W ramach opracowania przedstawiono metodologię obliczeń rozmieszczenia kanałów chłodzących oraz zaprezentowano wyniki symulacji procesu wtrysku wykonanych w programie Autodesk Moldflow Insight. Otrzymane wyniki potwierdzają założenia autorów. Metoda pozwoliła na poprawę efektywności działania układu. Wadą rozwiązania jest wysoki stopień skomplikowania modelu obliczeniowego. Zastosowanie modelu w praktycznym rozwiązaniu wymagałoby dużego nakładu pracy oraz szerokiej wiedzy analitycznej od konstruktora.
Chcąc poprawić dynamikę procesu nagrzewania zwiększa się temperaturę ośrodka grzejnego.
W procesie dynamicznego nagrzewania formy ośrodkiem grzejnym nie zawsze jest woda. W celu uzyskania wyższych temperatur wykorzystuje się olej, parę wodną lub gaz. W publikacji [33]
zaproponowano technologię szybkiego nagrzewania formy wtryskowej przy użyciu pary wodnej oraz jej mieszanki z powietrzem i wodą. Cały cykl wtryskiwania podzielono na pięć etapów, którym odpowiada przepływ odpowiedniego medium:
forma otwarta – mieszanka powietrza i pary,
forma otwarta/zamykanie formy – 100% rozgrzanej pary,
wtryskiwanie/dopakowanie – mieszanka pary i wody,
chłodzenie – 100% wody,
otwieranie formy – mieszanka wody i powietrza.
Rys. 2.18. Wyniki porównawcze procesu nagrzewania i chłodzenia formy wtryskowej przy użyciu wody oraz pary wodnej [33]
50 55 60 65 70 75 80 85 90
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34
T [°C]
t [s]
Eksperyment – nagrzewanie parą / chłodzenie wodą Eksperyment – nagrzewanie wodą / chłodzenie wodą Symulacja – nagrzewanie parą / chłodzenie wodą Symulacja – nagrzewanie wodą / chłodzenie wodą
Rys. 2.17. Sposób wyznaczania przebiegu kanału konformalnego na zadanej powierzchni przekroju:
1 – powierzchnia formująca, 2 – styczna do powierzchni formującej, 3 – zadana odległość osi
kanału od powierzchni formującej, 4 – obliczona ścieżka przebiegu osi kanału konformalnego [4]
1 2 3 4
Powietrze Woda 1.2343
powietrze
Stal narzędziowa 1.2343 woda
Cu Fluxtrol A
23
W programie ANSYS opracowano model badawczy wkładu formującego o płaskiej powierzchni formującej oraz klasycznym układzie kanałów grzejnych o średnicy 10 mm. Wykonano szereg symulacji, które potwierdziły założenia autorów. Zastosowanie pary wodnej przyczyniło się do poprawy efektywności procesu nagrzewania.
W celu weryfikacji wyników symulacyjnych zbudowano formę wtryskową i wykonano szereg badań eksperymentalnych. Wyniki przedstawiono na rysunku 2.18.
Problem nagrzewania form wtryskowych poprzez zastosowanie pary wodnej został kompleksowo przedstawiony przez Wanga i innych [72]. Autorzy prócz efektywności nagrzewania uwzględnili również gradient temperatury na powierzchni formującej, a także określili wpływ dynamicznej zmiany temperatury i ciśnienia w kanałach grzejnych na naprężenia występujące wewnątrz płyt formujących. W ramach pracy przedstawili metodologię wyznaczania optymalnego rozkładu kanałów nagrzewających tak, aby uzyskać maksymalną efektywność przy minimalizacji gradientu temperatury podczas formowania wypraski (rys. 2.19).
Rys. 2.19. Wyniki porównawcze procesu nagrzewania i chłodzenia formy wtryskowej przy użyciu wody oraz pary wodnej [72]
Nagrzewanie powierzchni formujących przy użyciu gazu
Z przeglądu literatury znana jest również technologia GMTC (Gas-assisted Mold Temperature Control). Chen i inni w swoich publikacjach [15, 17] skupili się na efektywności nagrzewania powierzchni formujących przy użyciu gazu przepuszczanego przez wnękę formującą. Autorzy wzięli pod uwagę szerokość szczeliny między stemplem i matrycą oraz wartość przepływu gazu jako parametry zmienne w procesie nagrzewania. Przeprowadzone badania symulacyjne zostały zweryfikowane serią badań eksperymentalnych. Zgodnie z założeniami otrzymane wyniki pokazują, że wartość przepływu gazu ma duży wpływ na efektywność procesu nagrzewania (rys. 2.20a). Bardzo ciekawe zjawisko zaobserwowano podczas zmiany szerokości szczeliny między połówkami formy.
Otóż, zwiększenie odległości między powierzchnią matrycową i stemplową znacząco wpłynęło na poprawę równomierności procesu nagrzewania przy nieznacznym spadku efektywności (rys. 2.20b).
Nastąpiła redukcja gradientu temperatury w dwóch oddalonych od siebie punktach pomiarowych umieszczonych na powierzchniach formujących. Niewątpliwie zależności te są ściśle uwarunkowane kształtem powierzchni formujących, które mają kluczowy wpływ na sposób przepływu gazu przez wnękę formującą [46].
80 90 100 110 120 130 140 150 160 T [°C]
Przekrój przez formę wtryskową [m]
Tmax= 150,9 °C
Tmin= 86,4 °C Tmax= 132,3 °C
Tmin= 120 °C
Przebieg zoptymalizowany, czas nagrzewania: 10,4 s Przebieg wyjściowy, czas nagrzewania: 27,2 s
24
Rys. 2.20. Wyniki porównawcze procesu nagrzewania: a) efektywność procesu nagrzewania w zależności od wartości przepływu gazu, b) gradient temperatury w zależności od wartości szczeliny między matrycą a
stemplem [15]
Nagrzewanie oporowe
Jedną z najczęściej wykorzystywanych technologii w procesie wtryskiwania z dynamiczną zmianą temperatur jest metoda elektrycznego nagrzewania oporowego [80]. Polega ona na rozmieszczeniu przewodów grzejnych na przemian z kanałami chłodzącymi w pobliżu powierzchni formujących. Przed wypełnieniem gniazda przez przewody przepuszcza się prąd o wysokim natężeniu celem wytworzenia możliwie dużej ilości ciepła. Seria publikacji popełnionych przez Wanga i innych [74, 75, 76, 92] w sposób holistyczny przedstawia problematykę nagrzewania elektrycznego form wtryskowych. Autorzy podzielili prace badawcze na cztery etapy. W opracowaniu [74] przedstawiono porównanie efektywności procesu nagrzewania z wykorzystaniem pary wodnej oraz grzałki elektrycznej dla stopów AMPCO 940 oraz AISI P20 (rys. 2.21).
Rys. 2.21. Wyniki porównawcze procesu nagrzewania i chłodzenia formy wtryskowej przy użyciu wody oraz pary wodnej [74]
0 50 100 150 200 250 300
0 2 4 6 8
0 50 100 150 200 250 300
0 1 2 3 4 5 6
T [°C]
t [s]
Temperatura wyjściowa: 60 °C Czas nagrzewania: 4 s Technologia konwencjonalna
Technologia RTC
100l / min - symulacja 100l / min - eksperyment 200l / min - symulacja 200l / min - eksperyment 300l / min - symulacja 300l / min - eksperyment
T [°C]
l [mm]
Punkt pomiarowy 1 - symulacja Punkt pomiarowy 1 - eksperyment Punkt pomiarowy 2 - symulacja Punkt pomiarowy 2 - eksperyment
a) b)
0 100 200 300 400 500
0 20 40 60 80 100
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
0 20 40 60 80 100
T [°C]
t [s]
T [°C]
t [s]
a) b)
AMPCO 940 bez izolacji AISI P20 bez izolacji AMPCO 940 z izolacją AISI P20 z izolacją
AMPCO 940 z izolacją AISI P20 z izolacją AMPCO 940 bez izolacji AISI P20 bez izolacji
25
Wykresy przedstawione na rysunku 2.21 pokazują różnice charakterystyk obu przebiegów.
Zastosowanie pary wodnej pozwala na dynamiczne nagrzewanie tylko do temperatury granicznej (asymptotycznej). Wartość ta ściśle zależy od parametrów fizycznych badanej próbki. Nagrzewanie elektryczne ma charakter zbliżony do przebiegu liniowego, szczególnie po zastosowaniu dodatkowej izolacji za kanałami grzejnymi. Taki trend utrzymuje się do temperatur znacznie przekraczających 500 °C.
Autorzy w ramach pracy wyznaczyli również wydatek energetyczny obu metod nagrzewania (tabela 2.1). Wyniki wyraźnie wskazują na zastosowanie pary wodnej jako rozwiązania bardziej efektywnego i ekonomicznego. Aplikacja nagrzewania elektrycznego jest uzasadniona jedynie w przypadkach, gdy istnieje konieczność nagrzania formy wtryskowej do temperatur przekraczających wartość 180 °C, a więc w wyrobach o wysokim połysku (przemysł RTV, AGD, motoryzacja i inne).
Tabela 2.1 Zużycie energii w zależności od wykorzystanej metody nagrzewania, konstrukcji i materiału formy wtryskowej
Temperatura formy [°C]
Zużyta energia [kJ]
Para wodna AISI P20
bez izolatora
Para wodna AMPCO 940 z izolatorem
Para wodna AISI P20
bez izolatora
Para wodna AMPCO 940 z izolatorem
Elektrycznie AISI P20
bez izolatora
Elektrycznie AMPCO 940 z izolatorem
Elektrycznie AISI P20
bez izolatora
Elektrycznie AMPCO 940 z izolatorem
120 2,01 1,69 1,92 1,2 46,8 70,5 46,2 51,3
140 3,08 3,08 2,68 1,75 58,5 93,6 57,6 63,6
160 6,55 7,4 4,08 2,72 71,7 117,9 69,6 75,9
Dalsze publikacje wspomnianych autorów [75, 76, 92] skupiają się wokół badań eksperymentalnych i aplikacyjnych. W tym celu opracowano dwie niezależne konstrukcje form wtryskowych do produkcji obudowy telewizora. Pierwsza z nich oparta jest na standardowych przewodach grzejnych i kanałach chłodzących rozmieszczonych naprzemiennie w matrycowym wkładzie formującym. W drugim przypadku wkład formujący pozbawiono kanałów chłodzących i umieszczono na słupach prowadzących ze sprężynami. Układ chłodzenia w formie niezależnego wkładu osadzono na płycie formującej. Gdy forma jest otwarta, rozpoczyna się proces nagrzewania wkładu. Po osiągnięciu zadanej temperatury forma zamyka się i następuje zetknięcie się wkładu formującego z obiegiem chłodzącym. Rozwiązanie to znacząco poprawia wydajność układu grzejnego, jednakże wymaga dużej dokładności powierzchni stykowych wkładu formującego i chłodzącego.
Nad efektywnością elektrycznego nagrzewania form wtryskowych pracował również Jansen i Flaman [30, 31, 32]. Autorzy przedstawili koncepcję podziału wkładu formującego na część nośną (korpus) oraz termoprzewodzącą (powłokę bezpośrednio stykającą się z płynącym tworzywem).
Model teoretyczny przedstawiony przez Jansena zakładał warstwową budowę powłoki nagrzewanej elektrodą miedzianą. Redukcja objętości materiału nagrzewanego poprzez ograniczenie grubości warstwy wierzchniej wkładu formującego miała przynieść wysoką efektywność dynamicznych zmian temperaturowych. Otrzymane wyniki odbiegają jednak od oczekiwań stawianych przez producentów wyrobów z tworzyw sztucznych. Idea polegająca na selektywnym nagrzewaniu przedstawiona przez autorów jest poprawna, ale bariery technologiczne i ekonomiczne spowodowały, że nie znalazła ona zastosowania w przemyśle.
Nagrzewanie przy pomocy promieniowania podczerwonego
Ze źródeł literaturowych znana jest również metoda nagrzewania powierzchni form wtryskowych z wykorzystaniem promieniowania podczerwonego. Badania eksperymentalne procesu mikro-wtrysku opierające się na tej technologii przeprowadzili Yu M. C. i inni [88]. Autorzy skupili się
26
na mikro-formowaniu wyrobów z polimetakrylanu metylu w cyklu dynamicznej zmiany temperatury powierzchni formujących. W tym celu, w technologii fotolitografii wykonano wkłady formujące mające wyżłobienia o szerokości 2,7 i wysokości 2,5 μm. Dwugniazdową formę podłączono do układu regulacji o temperaturze 70 °C. Promiennik podczerwieni umieszczono na ramieniu manipulatora pneumatycznego, co umożliwiło automatyczne pozycjonowanie go w pobliżu powierzchni formującej przed rozpoczęciem wtrysku tworzywa. Wypraski o wymiarach 20 x 20 x 0,65 mm, w celach porównawczych, wykonano w technologii klasycznej (izotermicznej) oraz z wykorzystaniem nagrzewania podczerwonego. Wykonano szczegółową analizę kształtu żeberek w obu grupach wyprasek. Wyniki jednoznacznie wskazują na poprawę jakości uzyskanych powierzchni po zastosowaniu nowej technologii. Eksperyment pokazał, że promieniowanie podczerwone nie pozwala na dynamiczne nagrzewanie powierzchni formujących. Obecnie w praktyce stosowane są metody o znacznie lepszej wydajności. W tym przypadku, nagrzewając powierzchnię o podanych wymiarach, średni przyrost temperatury wyniósł 4 °C/s. Po zwiększeniu mocy nagrzewania do 4 kW dynamika wzrosła do 7,5 °C/s.
Zagadnienie nagrzewania powierzchni formujących przy użyciu promieniowania podczerwonego zostało również opisane przez Changa i Shenga [8]. Autorzy wykonali badania symulacyjne nagrzewania powierzchni o wymiarach 100 x 80 mm z wykorzystaniem programów TracePro i ANSYS oraz przeprowadzili badania eksperymentalne przy użyciu kamery termowizyjnej.
Uzyskane wartości przyrostu oraz rozkład temperatury niewiele różnią się dla modeli symulacyjnych oraz wyników eksperymentalnych. W czasie 20 s temperatura na powierzchni formującej wzrosła z 83 do 220 °C, co w przybliżeniu daje przyrost wynoszący 7 °C/s.
W obu przypadkach dynamika procesu nagrzewania z wykorzystaniem promieniowania podczerwonego nie spełnia obecnych oczekiwań. Autorzy nie podjęli się analizy wdrożenia technologii do zastosowań praktycznych oraz nie przedstawili aspektów technologicznych.
Nagrzewanie laserowe
Badania nad opracowaniem nowej technologii dynamicznego i energooszczędnego nagrzewania form wtryskowych prowadzone były również w Instytucie Technologicznym w Aachen [45]. Autorzy wykorzystali diodę laserową o mocy 2,7 kW do nagrzewania powierzchni formującej.
Źródło światła zostało przesłane do formy za pomocą przewodu światłowodowego o długości 10 m oraz skolimowane do wiązki o średnicy 23 mm. Do kolimatora podłączono pirometr o częstotliwości pomiaru wynoszącej 10 kHz w celu rejestracji temperatury na powierzchni nagrzewanej.
Równocześnie forma wtryskowa była podłączona do układu regulacji o temperaturze 80 °C.
Eksperyment pokazał, że światło laserowe pozwala na dynamiczne nagrzewanie powierzchni formujących (300 °C/s w osi wiązki nagrzewającej). Ponadto autorzy zaznaczyli, że technologia umożliwia bardzo precyzyjne kontrolowanie osiąganych temperatur poprzez wykorzystanie sprzężenia zwrotnego sygnału pomiarowego. Co więcej, zakładając, że wkłady formujące zostałyby wykonane ze szkła kwarcowego, możliwe byłoby nagrzewanie stacjonarne. Wówczas zredukowano by czas cyklu. Niewątpliwą wadą metody jest szybka utrata temperatury po wyłączeniu promiennika.
Wynika to z faktu, iż nagrzewanie odbywa się jedynie na powierzchni wkładu formującego [107].
Zauważalny jest również duży gradient temperatury, który na średnicy 23 mm wynosi ponad 100 °C.
