Wpływ czasu wtrysku i docisku na stan naprężeń własnych w

Wpływ czasu wtrysku i docisku na stan naprężeń własnych w

POLIMERY 2013, 58, nr 7—8
587
TOMASZ JARUGA, KATARZYNA MAZIK*)
Politechnika Czêstochowska
Instytut Technologii Mechanicznych
Zak³ad Przetwórstwa Polimerów
Al. Armii Krajowej 19 C, 42-201 Czêstochowa
Wp³yw czasu wtrysku i docisku na stan naprê¿eñ w³asnych
w wypraskach wtryskowych
Streszczenie — Przedstawiono wymogi, jakie stawia siê procesowi wytwarzania wyprasek przeŸroczystych metod¹ wtryskiwania. Zwrócono szczególn¹ uwagê na takie parametry procesu jak:
czas wtrysku i docisku, które warunkuj¹ uzyskanie odpowiedniej jakoœci wyprasek. Metod¹ elastooptyczn¹ zbadano wp³yw tych parametrów na stan naprê¿eñ w³asnych wyprasek z tworzywa
(metakrylan metylu)-akrylonitryl-butadien-styren (MABS).
S³owa kluczowe: wtryskiwanie, naprê¿enia w³asne, badania elastoplastyczne, czas wtrysku, czas
docisku.
THE INFLUENCE OF INJECTION TIME AND HOLDING TIME ON THE RESIDUAL STRESS
STATE IN INJECTION MOULDED PARTS
Summary — The requirements for the manufacturing process of transparent parts by injection
moulding were described. Special attention was paid to such processing parameters like injection
time and holding time, which are essential for the production of good quality parts. The effect of
these parameters on the residual stress in (methyl methacrylate)-acrylonitrile-butadiene-styrene
plastic (MABS) injection moulded parts was investigated using photoelastic analysis.
Keywords: injection moulding, residual stress, photoelastic investigation, injection time, holding
time.
WPROWADZENIE
Wypraski wtryskowe z tworzyw polimerowych przeŸroczystych, takich jak polistyren (PS), poli(metakrylan
metylu) (PMMA) lub poliwêglan (PC) wymagaj¹ szczególnie starannego doboru warunków przetwórstwa.
Efektem nieodpowiednio dobranych warunków procesu
wtryskiwania mo¿e byæ wystêpowanie wysokiego stanu
naprê¿eñ w³asnych, co w przypadku materia³ów przeŸroczystych, a zw³aszcza wyrobów do zastosowañ optycznych, mo¿e dyskwalifikowaæ takie wypraski [1—4].
Naprê¿enia w³asne s¹ jednymi z niedoskona³oœci
wytworów otrzymywanych z tworzyw polimerowych.
S¹ one superpozycj¹ naprê¿eñ w³asnych cieplnych i naprê¿eñ w³asnych reologiczno-technologicznych. Naprê¿enia w³asne cieplne s¹ spowodowane zró¿nicowan¹
szybkoœci¹ och³adzania wytworów z tworzyw polimerowych, ale równie¿ czynnikami konstrukcyjnymi wypraski, takimi jak gruboœæ œcianek czy te¿ okreœlona konstrukcja uk³adu ch³odzenia formy. Natomiast naprê¿enia
w³asne reologiczno-technologiczne s¹ spowodowane
*)
Autor do korespondencji; e-mail: [email protected]
wieloma czynnikami, takimi jak przep³yw tworzywa czy
warunki przetwórstwa [1, 2, 5—13].
Metoda elastooptyczna jest jedn¹ z metod badania
stanu naprê¿eñ w³asnych polegaj¹cych na doœwiadczalnym badaniu naprê¿eñ wystêpuj¹cych w modelach wykonanych z przeŸroczystych, optycznie czu³ych materia³ów, do których zaliczamy przeŸroczyste tworzywa polimerowe. Tworzywa te w stanie wolnym od naprê¿eñ s¹
optycznie izotropowe, natomiast w stanie naprê¿onym
wykazuj¹ dwój³omnoœæ wymuszon¹, która umo¿liwia
badanie tego stanu naprê¿eñ i odkszta³ceñ w œwietle spolaryzowanym [2, 13, 14].
Metoda elastooptyczna ma szczególne zastosowanie
do badania modeli konstrukcji p³askich. Dziêki walorom
elastooptycznym materia³u z jakiego wykonany jest badany element, mo¿liwa jest wizualizacja naprê¿eñ w tym
elemencie [15]. Pomaga to w okreœleniu takich warunków przetwórstwa, przy których wartoœæ ró¿nicy naprê¿eñ g³ównych bêdzie jak najmniejsza, a ich rozk³ad równomierny.
Wektor œwiat³a mo¿e byæ przedstawiony jako jego
dwie sk³adowe, co pokazano na rys. 1. Widaæ, ¿e obie
sk³adowe przechodz¹ przez model z ró¿n¹ prêdkoœci¹ —
pierwsza sk³adowa, równoleg³a do osi „szybkiej” mode-
POLIMERY 2013, 58, nr 7—8
588
oœ „wolna” modelu
dwie sk³adowe
promienia
Ÿród³o
œwiat³a
oœ „szybka” modelu
przesuniêcie liniowe
sk³adowych
model
d
Rys. 1. Przechodzenie promienia œwiat³a przez materia³ dwój³omny (wed³ug [16])
Fig. 1. Scheme of light transmission through a birefringent
material (according to [16])
lu przechodzi z wiêksz¹ prêdkoœci¹ ni¿ druga, równoleg³a do osi „wolnej”. Czasy, jakie s¹ potrzebne do przejœcia
sk³adowych promienia œwietlnego s¹ ró¿ne, st¹d istnieje
ró¿nica czasu przejœcia (Dt), która opisana jest wzorem:
æ 1 1ö
Dt = d × çç - ÷÷
è n1 n 2 ø
(2)
gdzie: C — sta³a elastooptyczna materia³u, s1, s2 — naprê¿enia g³ówne.
Przesuniêcie wzglêdne sk³adowych promienia jest zatem proporcjonalne do ró¿nicy naprê¿eñ g³ównych [17].
Przesuniêcie wzglêdne (m), mo¿na wyraziæ za pomoc¹
d³ugoœci fali œwiat³a (l) u¿ytego do badania:
m=
d d×C
=
× (s1 - s2 )
l
l
(3)
Zale¿noœæ (3) zapisuje siê najczêœciej w postaci:
(s - s ) = m d l× C = m × K
1
2
2
1
(1)
gdzie: v1, v2 — prêdkoœci sk³adowych promienia œwietlnego,
d — gruboœæ analizowanego modelu.
Wzajemne przesuniêcie liniowe sk³adowych promienia jest proporcjonalne do prêdkoœci œwiat³a w powietrzu, a tym samym do ró¿nicy wspó³czynników za³amania œwiat³a. Wed³ug Maxwella wspó³czynniki za³amania
œwiat³a mo¿na przedstawiaæ jako liniow¹ kombinacjê
naprê¿eñ g³ównych. Wielkoœæ przesuniêcia wzglêdnego
(d) obu rozszczepionych promieni wyznaczamy z podstawowej zale¿noœci:
d = d · C · (s1 – s2)
¿eñ w³asnych w wypraskach maj¹ zw³aszcza temperatura wtryskiwanego tworzywa oraz ciœnienie docisku
[19, 20].
Podczas wytwarzania wyrobów z tworzyw przeŸroczystych metod¹ wtryskiwania szczególnie wa¿ne jest
skuteczne zapewnienie odpowietrzenia gniazd formuj¹cych. Je¿eli na skutek zamkniêcia gazów w tworzywie
dojdzie do powstania pêcherza w œrodku wypraski, to
czêsto taki wyrób nie jest dopuszczany do u¿ytku. Podczas wytwarzania soczewek lub filtrów optycznych odpowietrzaæ nale¿y nie tylko gniazda, ale równie¿ kana³y
doprowadzaj¹ce tworzywo [7]. Schemat rozk³adu gniazd
i kana³ów doprowadzaj¹cych w czterogniazdowej formie
do wytwarzania filtrów optycznych z PMMA przedstawiono na rys. 2. Oprócz odpowietrzania zaleca siê stosowanie nadlewów, które dodatkowo zmniejszaj¹ ryzyko
powstawania zamkniêtych pêcherzy gazów w samej wyprasce. Po zakoñczeniu formowania wyrobów nadlewy
nale¿y usun¹æ.
(4)
gdzie: K — elastooptyczna sta³a modelowa.
Równanie (4) jest podstawowym równaniem w elastooptyce [18].
Badaj¹c wypraski otrzymane w ró¿nych warunkach
przetwórstwa mo¿na okreœliæ wp³yw tych warunków na
poziom naprê¿eñ w wypraskach. Jak wykazano w pracach [5, 6], gdzie badaniom poddano wypraski z polistyrenu i poliwêglanu, du¿y wp³yw na koncentracjê naprê-
Rys. 2. Uk³ad odpowietrzania w formie czterogniazdowej stosowanej do wytwarzania elementów optycznych z PMMA: 1 —
kana³ pierœcieniowy odpowietrzaj¹cy gniazda, 2 — kana³ odpowietrzaj¹cy kana³y doprowadzaj¹ce (wed³ug [7])
Fig. 2. Scheme of venting channels in four-cavity mould for the
production of optical elements from PMMA: 1 — ring channel
for degassing the cavities. 2 — runner venting channel (according to [7])
Wykonywanie wyprasek wykorzystywanych w optyce wymaga ustalenia w³aœciwego czasu docisku, poniewa¿ jego wartoœæ znacz¹co wp³ywa na wartoœæ pozostaj¹cych w wyprasce naprê¿eñ, które mog¹ prowadziæ do
zjawiska dwój³omnoœci wymuszonej, bardzo niekorzystnego w tego typu wypraskach. Ró¿ne wartoœci temperatury czêœci formy wtryskowej, skutkuj¹ce odkszta³ceniami wyprasek, mog¹ byæ wykorzystane do produkcji
wyprasek, których ostateczny kszta³t jest otrzymywany
w³aœnie po tym odkszta³ceniu, np. soczewek [21].
Naprê¿enia w³asne s¹ jednym z czynników decyduj¹cych o jakoœci wyprasek precyzyjnych [22]. Do wypra-
POLIMERY 2013, 58, nr 7—8
CZÊŒÆ DOŒWIADCZALNA
Materia³y
Do badañ u¿yto kopolimeru (metakrylan metylu)-akrylonitryl-butadien-styren (MABS) o nazwie handlowej
Terlux 2812 TR, którego producentem jest firma BASF.
Jest to tworzywo przeŸroczyste, a wypraski z niego
otrzymane charakteryzuj¹ siê du¿¹ sztywnoœci¹, wysok¹
udarnoœci¹ i b³yszcz¹c¹ powierzchni¹. MABS szeroko
stosowany jest w przemyœle farmaceutyczno-medycznym (np. do wytwarzania elementów diagnostycznych),
kosmetycznym (szczególnie na opakowania kremów,
szminek itp.), w wyrobach z bran¿y AGD (np. podœwietlacze do maszynek elektrycznych), a tak¿e do produkcji
wyrobów takich jak: obudowy sprzêtu elektrotechnicznego, elementy sprzêtu sportowego, biurowego i higienicznego [26, 27].
Przygotowanie próbek
Próbki w kszta³cie beleczek o wymiarach 150 × 23 ×
4 mm, wytwarzano w formie dwugniazdowej, której matrycowa czêœæ formuj¹ca w postaci wk³adki umieszczanej
w obudowie, przedstawiona jest schematycznie na rys. 3.
Druga czêœæ formuj¹ca sk³ada siê z p³yty p³askiej, w któ-
rej w jednym z gniazd, w miejscu zaznaczonym na rys. 3
umieszczona jest tuleja wtryskowa oraz czujnik ciœnienia
tworzywa. Do wykonania wyprasek u¿yto wtryskarki
KraussMaffei KM 65/160/C4.
140
60
4
23
wypychacz
150
miejsce
umieszczenia
czujnika ciœnienia
246
sek precyzyjnych zalicza siê elementy optyczne, którym
stawiane s¹ wysokie wymagania odnoœnie dok³adnoœci
kszta³tu i wymiaru, co mo¿liwe jest do uzyskania dziêki
zastosowaniu ma³ych wartoœci ciœnienia wtryskiwania
[23], lecz nie wp³ywa korzystnie na w³aœciwoœci optyczne
wyrobu. Ciœnienie tworzywa w gnieŸdzie w fazie docisku jest czynnikiem decyduj¹cym o wielkoœci skurczu wypraski. Jak dowiedziono w pracy [24], wypraski z przeŸroczystego PS charakteryzuj¹ siê mniejszym skurczem,
gdy zastosowane jest ciœnienie docisku o wiêkszej wartoœci, co ma jednak negatywny wp³yw na rozk³ad naprê¿eñ w³asnych, jaki obserwowaæ mo¿na w wypraskach
stosuj¹c metodê elastooptyczn¹ [10]. Czas ch³odzenia
wypraski w formie, zw³aszcza w ma³ych zakresach jego
wartoœci, ma wp³yw na wartoœæ skurczu wyprasek. Po
przekroczeniu pewnej wartoœci czasu ch³odzenia skurcz
wyprasek wykonanych z kopolimeru akrylonitryl-butadien-styren (ABS) stabilizuje siê, co wykazali autorzy
pracy [25], udowadniaj¹c jednoczeœnie, ¿e wartoœæ naprê¿eñ w³asnych zwi¹zana jest w wystêpowaniem w wypraskach otworów, które formowane s¹ za pomoc¹
przeszkód (rdzeni) w formie.
Celem tej pracy by³o zbadanie wp³ywu czasu wtrysku
i czasu docisku na jakoœæ wyprasek z wybranego tworzywa przeŸroczystego. Jakoœæ tê okreœlano na podstawie
koncentracji naprê¿eñ w³asnych, które badano metod¹
elastooptyczn¹ z uwzglêdnieniem wp³ywu warunków
takich jak: czas opóŸnienia uplastycznienia, czas ch³odzenia, ciœnienie docisku, prêdkoœæ wtryskiwania oraz
temperatura formy.
589
gniazdo
formuj¹ce
przewê¿ka
kana³
doprowadzaj¹cy
wtyk
szybkoz³¹cza
Rys. 3. Forma wtryskowa u¿yta do badañ — schemat wk³adki
formuj¹cej
Fig. 3. Injection mould used in the study — scheme of the
mould insert
Warunki procesu wtryskiwania zestawiono w tabeli
1. Zmiennymi warunkami procesu by³y: czas fazy wtrysku (tw) oraz czas fazy docisku (td). Stosuj¹c metodê krótkich wtrysków ustalono najpierw doœwiadczalnie czas
fazy tw, przy którym gniazdo zostaje wype³nione. Ze
wzglêdu na wyposa¿enie uk³adu uplastyczniaj¹cego
wtryskarki w otwart¹ dyszê wtryskow¹, nale¿a³o zapewniæ odpowiednio d³ugi czas opóŸnienia uplastyczniania
(tou), aby po zakoñczeniu fazy wtrysku unikn¹æ wt³aczania do formy ciek³ego tworzywa sprê¿anego przed œlimakiem podczas uplastyczniania, co spowodowa³oby
dalszy przep³yw i zmianê po³o¿enia frontu tworzywa.
Nastêpnie wtryskiwano próbki zmieniaj¹c parametry tw
i td. Stosowano trzy wartoœci tw równe 0,5, 0,9 lub 2,5 s
oraz trzy wartoœci td wynosz¹ce 8, 10 lub 20 s. Ciœnienie
tworzywa w formie monitorowano poprzez obserwacjê
jego zmian w czasie (na panelu sterowniczym maszyny).
Próbki wytwarzano stosuj¹c dwie ró¿ne wartoœci czasu
opóŸnienia uplastyczniania (tou). Pierwszy z czasów wynosi³ 3 s i stosowano wówczas czas ch³odzenia tc = 10 s,
a drugi 60 s by³ bardzo d³ugi i wymaga³ t c = 70 s.
POLIMERY 2013, 58, nr 7—8
590
Metody badañ
Wypraski poddano badaniom elastooptycznym. Badania prowadzono w œwietle spolaryzowanym za pomoc¹ polaryskopu liniowego SV-1000 firmy Strainoptics.
Widok ogólny urz¹dzenia oraz sposób umieszczania
próbek przedstawiony jest na rys. 4. Próbkê umieszczano
pomiêdzy analizatorem i polaryzatorem. Obraz w postaci ró¿nokolorowych pr¹¿ków i pól jest widoczny na ana-
wadzono stosuj¹c tylko du¿e wartoœci czasu opóŸnienia
uplastycznienia, tj. tou = 60 s. W takich warunkach uplastycznienia tworzywa nie ma ju¿ wp³ywu na procesy
zachodz¹ce w tworzywie znajduj¹cym siê w gnieŸdzie
formuj¹cym.
WYNIKI BADAÑ I ICH OMÓWIENIE
Ustalono odpowiedni czas wtrysku, stosuj¹c metodê
krótkich wtrysków. Z badañ wynika, ¿e przy okreœlonych pozosta³ych warunkach procesu (tabela 1) tw powinien wynosiæ 0,9 s. Po takim czasie front przep³ywaj¹cego tworzywa znajduje siê tu¿ przed œciank¹ koñcow¹
gniazda formuj¹cego, co przedstawiono w tabeli 2. Dopiero wówczas mo¿na rozpocz¹æ fazê docisku.
T a b e l a 1. Warunki wtryskiwania zastosowane do wytwarzania próbek
T a b l e 1. Injection conditions used for manufacturing the samples
WielkoϾ
Temperatura wtryskiwanego tworzywa (Tw), °C
Czas wtrysku (tw), s
Prêdkoœæ wtryskiwania (v), m/s
Rys. 4. Stanowisko do badañ elastooptycznych — polaryskop
liniowy SV-1000
Fig. 4. Test stand for photoelastic investigations — linear polariscope SV-1000
lizatorze urz¹dzenia. Ka¿da z barw izochromy okreœla
konkretn¹ wartoœæ ró¿nicy naprê¿eñ g³ównych (s1 – s2),
podan¹ w MPa. W uk³adzie izochrom purpurowy pr¹¿ek
okreœlany jest jako kolor przejœcia odpowiadaj¹cy kolejnemu ca³kowitemu rzêdowi izochromy. Kolor czarny odpowiada zerowej ró¿nicy naprê¿eñ g³ównych [28].
Wtryskiwano po 10 próbek przy okreœlonym zestawie
ustalonych warunków procesu. Podczas obserwacji nie
stwierdzono wyraŸnych ró¿nic w obrazie naprê¿eñ dla
wyprasek uzyskanych w tych samych warunkach, dlatego przyjêto, ¿e przedstawione obrazy z badañ elastooptycznych s¹ reprezentatywne dla ca³ej serii.
WartoϾ
260
0,5, 0,9 lub 2,5
0,085
& cm3/s
Objêtoœciowe natê¿enie przep³ywu (V),
60
Ciœnienie docisku (pd), MPa
70
Czas docisku (td), s
8, 10 lub 20
Czas ch³odzenia (tc), s
10 lub 70
Czas opóŸnienia uplastyczniania (tou), s
3 lub 60
Na rys. 5 przedstawiono fotografie wyprasek uzyskanych przy zbyt krótkim czasie tw = 0,5 s. Wype³nianie
gniazda zachodzi wówczas pod wp³ywem ciœnienia docisku. W przypadku jednej z przedstawionych wyprasek
tou = 3 s (rys. 5a), a drugiej tou = 60 s (rys. 5b).
Zastosowanie zbyt krótkiego czasu fazy wtrysku powoduje zbyt powolne wype³nianie gniazda w fazie docisku. Powstaj¹ wówczas znaczne ró¿nice ciœnienia i temperatury tworzywa pomiêdzy tworzywem w pobli¿u
a)
Symulacje komputerowe
b)
Przeprowadzono symulacje komputerowe z wykorzystaniem programu Autodesk Moldflow 2013 pozwalaj¹ce na okreœlenie skurczu objêtoœciowego wyprasek
oraz rozk³adu naprê¿eñ. W symulacji zastosowano warunki wtryskiwania, odpowiadaj¹ce tym u¿ytym podczas wtryskiwania wyprasek. Jednak ze wzglêdu na to,
¿e program nie uwzglêdnia wp³ywu uplastyczniania na
wzrost ciœnienia w gnieŸdzie formy, symulacje przepro-
Rys. 5. Obraz stanu naprê¿eñ w wypraskach uzyskanych z zastosowaniem czasów tw = 0,5 s i td = 8 s oraz: a) tou = 3 s, b) tou =
60 s
Fig. 5. Stress state in the parts manufactured at the processing
times tw = 0.5 s, td = 8 s and: a) tou = 3 s; b) tou = 60 s
POLIMERY 2013, 58, nr 7—8
591
ciœnienie w gnieŸdzie formy, MPa
koñcowej œcianki gniazda — na koñcu drogi przep³ywu,
a tworzywem na pocz¹tku gniazda — w pobli¿u przewê¿ki. Stan naprê¿eñ jest niski w koñcowej czêœci gniazda, natomiast znaczn¹ koncentracjê naprê¿eñ mo¿na zaobserwowaæ w pobli¿u przewê¿ki. Z powodu powolnego wype³niania gniazda dochodzi do stosunkowo równomiernego roz³o¿enia naprê¿eñ w wyprasce. W samej
przewê¿ce i tu¿ za ni¹ w gnieŸdzie, gdzie nastêpuje intensywne œcinanie tworzywa, naprê¿enia w³asne utrwalaj¹ siê (rys. 5a).
Po zastosowaniu zbyt krótkiego czasu td, decyduj¹ce
znaczenie na rozk³ad naprê¿eñ w wypraskach ma czas
tou. Je¿eli proces uplastyczniania tworzywa rozpocznie
siê w stosunkowo krótkim czasie, wtedy gdy jest jeszcze
mo¿liwy przep³yw tworzywa do gniazda przez przewê¿kê, to w efekcie w obszarze wypraski za przewê¿k¹
wtrysk
80
docisk
powstan¹ znaczne naprê¿enia (rys. 5a). Przyk³adowy
wykres ukazuj¹cy wp³yw uplastyczniania na zmiany ciœnienia w gnieŸdzie na skutek zastosowania zbyt krótkiego czasu docisku pokazano na rys. 6. Widoczny jest
wzrost ciœnienia zwi¹zany z rozpoczêtym procesem
uplastyczniania, co nastêpuje po pewnym czasie od zakoñczenia zbyt krótkiej fazy docisku — tym szybciej, im
krótszy jest ustawiony czas tou [19].
Wiêksz¹ ró¿nicê w koncentracji naprê¿eñ zaobserwowano w wypraskach, które wtryskiwano ze zbyt d³ugim
czasem tw = 2,5 s, ale zbyt krótkim czasem td = 8 s, co pokazano na rys. 7. Po zastosowaniu krótkiego czasu tou = 3 s
w po³owie d³ugoœci wypraski utrwali³y siê du¿e naprê¿enia w³asne, co pokazano na rys. 7a. W chwili zakoñczenia
fazy docisku tworzywo w przewê¿ce nie by³o jeszcze zestalone i nast¹pi³ przep³yw wsteczny do kana³ów wtryskowych. Tworzywo znajduj¹ce siê bli¿ej koñca wypraski
by³o ju¿ na tyle zestalone, ¿e nie podlega³o w du¿ym
stopniu dzia³aniu docisku, st¹d równomierny rozk³ad
naprê¿eñ w³asnych w tej czêœci wypraski. Dla porównania, gdy zastosowano d³ugi czas tou = 60 s, naprê¿enia
60
40
a)
uplastycznianie
20
0
b)
0
5
10
15
20
czas, s
25
30
35
Rys. 6. Wykres ciœnienia w gnieŸdzie formy otrzymany z zastosowaniem zbyt krótkiego czasu docisku i szybkim rozpoczêciu
uplastyczniania w przypadku zastosowania otwartej dyszy
wtryskowej
Fig. 6. Plot of the pressure in the mould cavity at too short holding time and fast start of plasticization using an open nozzle
Rys. 7. Obraz stanu naprê¿eñ w wypraskach uzyskanych z zastosowaniem parametrów tw = 2,5 s i td = 8 s oraz: a) tou = 3 s,
b) tou = 60 s
Fig. 7. Stress state in the parts manufactured using the parameters: tw = 2.5 s and td = 8 s; a) tou = 3 s, b) tou = 60 s
592
POLIMERY 2013, 58, nr 7—8
POLIMERY 2013, 58, nr 7—8
w wyprasce by³y ma³e i jak widaæ na rys. 7b, nie wykazywa³y ró¿nic na ca³ej d³ugoœci wypraski. Naprê¿enia powsta³e w wyprasce s¹ zatem nie tyle efektem przep³ywu
wstecznego przez przewê¿kê, co spowodowane s¹ przez
ponowne sprê¿anie tworzywa w fazie uplastyczniania.
Po ustawieniu d³ugiego czasu tou = 60 s, w celu unikniêcia wp³ywu tej fazy cyklu na stan naprê¿eñ w wypraskach, porównano nastêpnie oddzia³ywanie czasów td i tw
na te naprê¿enia. Otrzymane obrazy elastoplastyczne
poszczególnych wyprasek zestawiono w tabeli 3. Obrazy
naprê¿eñ w wypraskach otrzymanych z zastosowaniem
sta³ego czasu tw = 2,5 s, ale ró¿nych wartoœci td = 8 lub 10 s
(wypraski 7 i 8) ró¿ni¹ siê. Jest to zwi¹zane z tym, ¿e przy
niewielkich wartoœciach td, nawet ich niewielkie zmiany
powoduj¹ du¿e ró¿nice w masie wyprasek [19] i ich w³aœciwoœciach. Wykresy zmian ciœnienia w gnieŸdzie podczas wytwarzania dwu wyprasek, otrzymanych z zastosowaniem td = 8s i td = 20 s, przedstawiono na rys. 8. Okazuje siê, ¿e zastosowanie czasu wtrysku tw = 0,9 s (czas
potrzebny do wype³nienia gniazda formuj¹cego) nie zapobiega powstawaniu znacznych naprê¿eñ w gnieŸdzie
ciœnienie w gnieŸdzie formy, MPa
faza wtrysku faza docisku 1
faza docisku 2
tw = 0,9 s
td = 8 s
td = 20 s
80
1
60
2
40
20
0
5
0
0
10
5
10
15
20
czas, s
15
20
td, s
25
25
30
35
30
Rys. 8. Wykres zmian ciœnienia w gnieŸdzie formy podczas
wtryskiwania w warunkach tw = 0,9 s, tou = 60 s oraz td = 8 s (1)
i td = 20 s (2)
Fig. 8. Plot of changes in the pressure in the mould cavity during injection under the conditions: tw = 0,9 s, tou = 60 s oraz
td = 8 s (1) i td = 20 s (2)
ciœnienie w gnieŸdzie formy, MPa
593
80
tw = 2,5 s
60
tw = 0,9 s
40
20
0
0
5
10
15
20
czas, s
25
30
35
Rys. 9. Wykresy ciœnienia tworzywa w gnieŸdzie formuj¹cym
podczas wtryskiwania w warunkach td = 20 s i tou = 60 s oraz
tw = 0,9 i 2,5 s (wypraski, odpowiednio, 6 i 9 w tabeli 3)
Fig. 9. Plot of the plastic pressure in the mould cavity during
injection under the conditions: td = 20 s and tou = 60 s; tw = 0,9
and 2,5 s (moulded parts 6 and 9, respectively, in Table 3)
Idealny stan, z punktu widzenia rozk³adu naprê¿eñ,
uzyskano dopiero wtedy, gdy zastosowano zarówno odpowiednie wartoœci czasu tw jak i td. Do uzyskania korzystnego rozk³adu naprê¿eñ wymagany jest d³ugi czas
tw = 2,5 s, powoduj¹cy sprê¿anie tworzywa w gnieŸdzie.
Wówczas ciœnienie w gnieŸdzie formuj¹cym jest wyraŸnie wy¿sze, co przedstawiono na rys. 9 porównuj¹c wykresy zmian ciœnienia podczas wytwarzania wyprasek 6
i 9 (wg tabeli 3). Do wytwarzania tych wyprasek zastosowano czas td = 20 s, ustalony jako optymalny na podstawie wyników badañ pokazanych na rys. 8. Optymaln¹
pod wzglêdem naprê¿eñ w³asnych jest wypraska 9.
W tym przypadku gniazdo zosta³o wype³nione odpowiednio szybko w fazie wtrysku i nie dosz³o podczas wype³niania gniazda do zró¿nicowania ciœnienia i temperatury w tworzywie (co zaobserwowano w przypadku wypraski 6), a dodatkowo dzia³anie docisku by³o na tyle
d³ugie, ¿e zanim zakoñczono oddzia³ywanie ciœnienia
docisku, dosz³o do zestalenia tworzywa w przewê¿ce.
Na skutek tego zestalenia niemo¿liwy by³ przep³yw
wsteczny tworzywa przez przewê¿kê. Jednoczeœnie two-
a)
b)
za przewê¿k¹, co widoczne jest na wyprasce nr 6 w tabeli
3. Na przyk³adzie wypraski 4 widaæ, ¿e przep³yw
wsteczny tworzywa, jaki nastêpuje przez przewê¿kê
przy td = 8 s, nie wp³ywa na powstawanie du¿ych naprê¿eñ, a pojawiaj¹ siê one za przewê¿k¹ dopiero wtedy, gdy
zastosuje siê odpowiednio d³ugi czas docisku. Œwiadczy
to o tym, ¿e w fazie wtrysku nie nastêpuje wyrównanie
ciœnienia tworzywa w ca³ym gnieŸdzie, co nie jest korygowane równie¿ w czasie trwania fazy docisku.
Rys. 10. Obraz stanu naprê¿eñ w wypraskach uzyskanych
z zastosowaniem tw = 2,5 s, td = 20 s oraz: a) tou = 3 s, b) tou = 60 s
(wypraska 9 w tabeli 3)
Fig. 10. Stress state in the parts manufactured using the processing conditions: tw = 2.5 s, td = 20 s and a) tou = 3 s, b) tou =
60 s (sample 9 in Table 3)
POLIMERY 2013, 58, nr 7—8
594
tw = 0,9 s, td = 10 s
a)
MPa
45
32
19
b)
tw = 0,9 s, td = 20 s
6
-7
c)
tw = 2,5 s, td = 10 s
d)
tw = 2,5 s, td = 20 s
Rys. 11. Wyniki symulacji komputerowej obrazuj¹cej stan naprê¿eñ w wypraskach (okreœlony w kierunku d³ugoœci wypraski
— oœ x) uzyskanych w warunkach wtryskiwania opisanych
parametrami: a) tw = 0,9 s, td = 10 s, b) tw = 0,9 s, td = 20 s, c) tw =
2,5 s, td =10 s, d) tw = 2,5 s, td = 20 s
Fig. 11. Results of computer simulation illustrating the stress
state in the moulded parts (determined along the length of the
part — x axis) manufactured using the injection parameters:
a) tw = 0.9 s, td = 10 s, b) tw = 0.9 s, td = 20 s, c) tw = 2.5 s, td =
10 s, d) tw = 2.5 s, td = 20 s.
a) 40
rzywo w ca³ym gnieŸdzie zestala³o siê w zbli¿onych warunkach — podobne wartoœci ciœnienia tworzywa. Takie
wartoœci parametrów tw i td procesu s¹ optymalne i tou nie
ma ju¿ widocznego wp³ywu na naprê¿enia, co udokumentowano na rys. 10, porównuj¹c wypraski wytworzone przy optymalnych, pod wzglêdem uzyskanych naprê¿eñ, wartoœciach tw i td, ale przy ró¿nych wartoœciach czasu opóŸnienia uplastyczniania.
Wyniki symulacji komputerowych przeprowadzonych z u¿yciem programu Autodesk Moldflow 2013
obrazuj¹ce naprê¿enia w³asne w wypraskach przedstawiono na rys. 11. Potwierdzaj¹ one wyniki uzyskane z
doœwiadczeñ tzn. fakt, ¿e w wypraskach, które uzyskano
przy td = 20 s wystêpuj¹ najmniejsze naprê¿enia oraz najmniej zró¿nicowane na ca³ej d³ugoœci wypraski. Najmniejsze ró¿nice naprê¿eñ w symulacjach uzyskano w
przypadku wypraski otrzymanej w warunkach tw = 2,5 s
oraz td = 20 s (rys. 11d). Przedstawione wyniki z symulacji
obrazuj¹ naprê¿enia w momencie usuwania wypraski
z formy. D³u¿szy czas docisku sprawia, ¿e wypraska
opuszczaj¹ca formê ma mniejsze naprê¿enia, które na
koñcu wypraski nawet zmieniaj¹ znak, co uwidoczniono
na wykresach na rys. 12.
Skurcz wyprasek jest bardzo wa¿nym czynnikiem
z punktu widzenia praktycznego i jest on jednoczeœnie
zale¿ny od naprê¿eñ. Wraz z rozk³adem naprê¿eñ przyjmuje on ró¿ne wartoœci w ró¿nych miejscach wypraski,
dlatego w symulacjach komputerowych przedstawia siê
skurcz objêtoœciowy, który jest oko³o trzykrotnie wiêkszy
od liniowego.
D³ugi czas td = 20 s zapewnia uzyskanie ma³ego skurczu, co widaæ na rys. 13 i 14. Pomimo d³u¿szego przebywania w formie spowodowanego d³u¿szym czasem cyklu, tworzywo poddane d³ugiemu czasowi docisku wykazuje mniejszy skurcz, co jest korzystne z punktu widzenia wytwarzania wyrobów do zastosowañ optycznych,
ze wzglêdu na lepsz¹ stabilnoœæ wymiarow¹ i mniejsz¹
tendencjê do powstawania wad wyprasek na skutek odkszta³ceñ spowodowanych skurczem.
b)
30
td = 8 s
20
td = 10 s
20
10
td = 8 s
td = 10 s
0
0
-10
naprê¿enie, MPa
naprê¿enie, MPa
30
10
40
td = 20 s
0
75
37,5
150
112,5
wspó³rzêdna wzd³u¿ d³ugoœci wypraski, mm
-10
td = 20 s
0
75
37,5
150
112,5
wspó³rzêdna wzd³u¿ d³ugoœci wypraski, mm
Rys. 12. Zmiana naprê¿enia okreœlona w kierunku d³ugoœci wyprasek wytworzonych z zastosowaniem: a) tw = 0,9 s, b) tw = 2,5 s
Fig. 12. Change in stress determined along the length of the parts manufactured using the processing conditions: a) tw = 0,9 s,
b) tw = 2,5 s
POLIMERY 2013, 58, nr 7—8
595
tw = 0,9 s, td = 10 s
%
8,35
6,62
4,90
3,18
1,46
b)
tw = 0,9 s, td = 20 s
%
5,68
2,5/10
2,5/8
0,9/20
0,9/10
0,9/8
0,5/20
0,5/10
0,5/8
4,32
2,92
5
7
6
8
4
3
skurcz objêtoœciowy, %
Rys. 14. Wartoœæ skurczu objêtoœciowego w wypraskach wytworzonych z zastosowaniem ró¿nych warunków wtryskiwania okreœlonych jako tw / td
Fig. 14. Volumetric shrinkage values in the parts manufactured
under different injection conditions described as tw / td
0
1,61
0,25
c)
2,5/20
czas wtrysku / czas docisku
a)
tw = 2,5 s, td = 10 s
%
8,46
1
2
6,71
4,97
3,23
1,48
d)
tw = 2,5 s, td = 20 s
%
8,09
6,39
4,67
2,99
1,28
Rys. 13. Zmiana skurczu objêtoœciowego okreœlona w kierunku
d³ugoœci wyprasek wytworzonych w ró¿nych warunkach
wtryskiwania opisanych parametrami: a) tw = 0,9 s, td = 10 s, b)
tw = 0,9 s, td = 20 s, c) tw = 2,5 s, td = 10 s, d) tw = 2,5 s, td = 20 s,
Fig. 13. Change in the volumetric shrinkage determined along
the length of the parts manufactured under different injection
conditions described by the parameters: a) tw = 0,9 s, td = 10 s,
b) tw = 0,9 s, td = 20 s, c) tw = 2,5 s, td = 10 s, d) tw = 2,5 s, td = 20 s
PODSUMOWANIE
Uzyskane w procesie wtryskiwania wypraski z tworzyw transparentnych powinny cechowaæ siê niskim stanem naprê¿eñ w³asnych oraz równomiernym ich rozk³adem, co mo¿na sprawdziæ badaj¹c gotowe wyroby metod¹ elastooptyczn¹, która pozwala na ocenê rozk³adu ró¿nicy naprê¿eñ normalnych.
Podczas wytwarzania metod¹ wtryskiwania elementów z tworzywa MABS proces nale¿y prowadziæ z zachowaniem odpowiednich warunków, zw³aszcza czasu
wtrysku i czasu docisku. Ju¿ w fazie wtrysku tworzywo
w gnieŸdzie powinno byæ odpowiednio skompresowane, aby uzyskaæ po procesie równomierny rozk³ad naprê-
¿eñ w³asnych. W tym celu nale¿y zastosowaæ odpowiednio d³ugi czas wtrysku — nawet przekraczaj¹cy czas
wystarczaj¹cy do wype³nienia gniazda. Proces wtryskiwania powinien byæ prowadzony tak¿e z odpowiednio
d³ugim czasem fazy docisku — takim, aby dosz³o do zakrzepniêcia tworzywa w przewê¿ce. Pozwala to zapobiec
ewentualnemu przep³ywowi tworzywa przez przewê¿kê i powstaniu du¿ych naprê¿eñ w obszarze za przewê¿k¹. Podobny efekt, wystêpowania znacznych naprê¿eñ,
jest spowodowany przez sprê¿anie tworzywa w fazie
uplastyczniania i jego przep³yw do gniazda, gdy tworzywo w przewê¿ce jest jeszcze niezestalone, czyli przy zbyt
krótkim czasie docisku. Zastosowanie odpowiednich
warunków procesu pozwala równie¿ na zminimalizowanie skurczu wyprasek.
Ze wzglêdu na zastosowanie okreœlonych, sta³ych
warunków wtryskiwania oraz jednej, wybranej formy
wtryskowej o okreœlonych wymiarach gniazda formuj¹cego i konstrukcji uk³adu doprowadzania tworzywa
oraz uk³adu ch³odzenia, wyniki nie powinny byæ traktowane jako wytyczne dla ogólnego przypadku procesu
wtryskiwania dla tego rodzaju tworzywa. Wyniki badañ
wytworów z tworzywa MABS nie mog¹ byæ równie¿
przeniesione na inne tworzywa, poniewa¿ ka¿de tworzywo ma charakterystyczne w³aœciwoœci optyczne i jest
w ró¿nym stopniu podatne na zjawisko powstawania
naprê¿eñ w³asnych w trakcie procesu przetwórstwa.
LITERATURA
1. Sikora R.: „Podstawy przetwórstwa tworzyw wielkocz¹steczkowych”, Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, Lublin 1992.
2. Sikora R.: „Przetwórstwo tworzyw polimerowych. Podstawy logiczne, formalne i terminologiczne”, Wydawnictwo
Politechniki Lubelskiej, Lublin 2006.
POLIMERY 2013, 58, nr 7—8
596
3. Bachmacz W., Werner K.: „Wytrzyma³oœæ materia³ów: studium doœwiadczalne”, Wydawnictwo Politechniki Czêstochowskiej, Czêstochowa 2000.
4. Greener J., Wimberger-Friedl R.: „Processing Injection Molding. Process, Materials and Applications”, Hanser Publisher, Munich 2006.
5. Postawa P., Lubczyñska K., Stachowiak T.: „Impact of processing conditions and shape of moldings on residual stress
in injection molded parts”, The Polymer Processing Society,
Europe/Africa Regional Meeting, Larnaca, Cyprus 2009.
6. Postawa P., Koszkul J.: „Warunki przetwórstwa a naprê¿enia w³asne w wypraskach wtryskowych wytworzonych
z polistyrenu”, Zeszyty naukowe nr 246 — Chemia i technologia chemiczna, 2006, 11, Akademia Techniczno-Rolnicza,
Bydgoszcz, str. 115.
7. Zawistowski H., Frenkler D.: „Konstrukcja form wtryskowych do tworzyw termoplastycznych”, WNT, Warszawa
1984.
8. Adamski M.: „Naprê¿enia w³asne, Przyk³ad pomiarów ultradŸwiêkowych”, Biuro Gamma, Warszawa 1999.
9. Ysayew A. I., Shyu D., Li C. T.: J. Polym. Sci. 2006, 44, 622.
10. Postawa P., Kwiatkowski D.: J. Achiev. Mater. Manuf. Eng.
2006, 18, 171.
11. Smorawiñski A.: „Technologia wtrysku”, WNT, Warszawa
1989.
12. Turnbull A., Maxwell A. S., Pillai S.: J. Mater. Sci. 1999, 34,
451.
13. Bachmacz W., Werner K.: „Wytrzyma³oœæ materia³ów: studium doœwiadczalne”, Wydawnictwo Politechniki Czêstochowskiej, Czêstochowa 2000.
14. Doroszkiewicz R. S.: „Elastooptyka, Stan i rozwój polaryzacyjnooptycznych metod doœwiadczalnej analizy naprê¿eñ”.
PWN, Warszawa 1975.
15. Timoshenko S., Goodier J. N.: „Teoria sprê¿ystoœci”, Arkady, Warszawa 1962.
16. http://limba.wil.pk.edu.pl/~az/lab/ela_podst.pdf
17. Dyl¹g Z., Jakubowicz A., Or³oœ Z.: „Wytrzyma³oœæ materia³ów”, t. II, WNT, Warszawa 1997.
18. Wolny A.: „Wytrzyma³oœæ materia³ów”, t. IV, Wydawnictwo
AGH, Kraków 2005.
19. Jaruga T.: „Ustalanie czasu docisku w procesie wtryskiwania” w „Postêp w przetwórstwie materia³ów polimerowych” (red. Koszkul J., Boci¹ga E.), Czêstochowskie
Wydawnictwo Archidiecezjalne REGINA POLONIAE, Czêstochowa 2006, 100.
20. Radner A. S., Hoffman B.: „Residual stress testing for transparent polymers” w „Medical device and diagnostic industry”, March 1999.
21. Weng T. H., Young W. B., Jiang B. Y.: Int. Commun. Heat Mass
2009, 36, 213.
22. Boci¹ga E., Jaruga T.: Polimery 2009, 54, 342.
23. Boci¹ga E., Jaruga T., Sikora R.: Polimery 2009, 54, 522.
24. Postawa P.: Polimery 2005, 50, 201.
25. Azdast T., Behravesh A. H., Mazaheri K., Darvishi M. M.:
Polimery 2008, 53, 304.
26. www.basf.pl
27. www.packaging.basf.com
28. Piechnik S.: „Laboratorium wytrzyma³oœci materia³ów”,
Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków 2002.
Otrzymano 6 VII 2012 r.
W kolejnym zeszycie uka¿¹ siê m.in. nastêpuj¹ce artyku³y:
— A. Dworak, S. Slomkowski, T. Basinska, M. Gosecka, W. Walach, B. Trzebicka — Poliglicydol — synteza i zastosowanie (j. ang.)
— K. Jelonek, J. Kasperczyk — Poliestry i poliestrowêglany w systemach kontrolowanego uwalniania leków.
Cz. I. Kontrola uwalniania leków (j. ang.)
— K. Kurzepa, K. Ró¿ycki, M. Bochyñska, M. Konop, Z. Urbanczyk-Lipkowska, A.W. Lipkowski — Molekularne
uk³ady szkieletowe do trójwymiarowych hodowli komórek i tkanek (j. ang.)
— K. Jaszcz, J. £ukaszczyk, M. Œmiga-Matuszowicz — Nowe biodegradowalne polimery biomedyczne na bazie
kwasu bursztynowego
— J. Kuciñska-Lipka, I. Gubañska, H. Janik — Poliuretany modyfikowane polimerami naturalnymi do zastosowañ medycznych. Cz. I. Poliuretan/chitozan i poliuretan/kolagen (j. ang.)
— A. Utrata-Weso³ek — Powierzchnie przeciwdzia³aj¹ce osadzaniu siê zwi¹zków biologicznie aktywnych
w zastosowaniach medycznych (j. ang.)
— M. Motyl, D. Drozd, K. Kamiñski, D. Bielska, A. Karewicz, K. Szczubia³ka, M. Nowakowska — Hydroksypropyloceluloza-graft-poli(n-izopropyloacryloamid) — nowy rozpuszczalny w wodzie kopolimer wykazuj¹cy
podwójn¹ termoczu³oœæ (j. ang.)
— C. Diehl, H. Schlaad — Oddzia³ywania glikopolioksazolina-lektyna: wp³yw struktury ligandu na kinetykê
powstawania klastrów (j. ang.)
— I. D. Simonov-Emelianov, A. V. Markov, N. I. Prokopov, I. A. Gritskova, N. I. Munkin, L. Hexel — Wp³yw samonagrzewania podczas przetwarzania sztywnego i uplastycznionego poli(chlorku winylu) na jego stabilnoœæ termiczn¹ (j. ang.)