Oster rob, dobro viden prehod
Gladka površina
a)
b)
Grobe raze, prehod ni viden
Metodologija raziskave
3.2 Dimenzioniranje odzračevalnih kanalov
V tem poglavju se bomo ukvarjali s preračunom, ki bo pomagal pri analizi odzračevanja.
Upoštevali bomo preračun iz literature [13] in se ravnali po že naštetih korakih za zasnovo odzračevanja. Dodatno bo preračun upošteval tudi primer, ko predpostavimo, da se volumski pretok zraka enakomerno porazdeli na predpostavljeno število kanalov. Po prvem koraku je za naš primer volumen ujetega zraka približno (ker se zrak segreva in ohlaja) enak 7,4 ∗ 103 mm3. Ker je orodje šestgnezdno, bo volumen ujetega zraka v vsakem gnezdu enak 1,23 ∗ 103 mm3. Podobno kot v gradivu [13] bo za preračun uporabljena predpostavka, da gre na vsak odzračevalni kanal isti tlak, ker pa imamo v našem primeru odzračevanje le na koncu in se gravura konča polniti prav na strani odzračevanja, bomo upoštevali tudi, da se zračni tlak in volumski pretok zraka enakomerno razporedita po kanalih, torej gre na vsak kanal volumski pretok, ki gre v gnezdo razdeljen s številom kanalov. Preračun volumskega pretoka zraka v vsako gnezdo prikazuje enačba (3.4), izračun volumskega pretoka skozi vsak kanal pa enačba (3.5).
V nadaljnjih korakih bomo prikazali dimenzioniranje kanalov glede na predpostavljeno število le-teh, pri čemer se bomo zaradi stroškovnega vidika izdelave in zahtevnosti izdelave večjega števila kanalov omejili na preračun za primer, ko so na izmetaču maksimalno štiri kanali.
Pri dimenzioniranju našega primera odzračevanja moramo določiti dve meri, in sicer širino ter višino kanala. Preračun bo izveden po vzoru literature [13], dodatno pa bomo preračunali dimenzije še z uporabo podatkov za viskoznost pri višjih temperaturah zraka ter z uporabo širine, ki je bila izdelana na dobrem orodju. Rezultate bomo prikazali za več različnih viskoznosti, ki se spreminjajo v odvisnosti od temperature. V preračun bomo vključili tudi priporočila iz gradiva [13], ki priporočajo vrednosti višine za nizkoviskozne in srednjeviskozne materiale. Za padec tlaka bomo privzeli vrednost iz literature [13], ki pravi, da je ∆p = 0,1 MPa. Za namen analize bomo za viskoznost zraka, kot je bilo že prej omenjeno, uporabili podatke pri treh različnih temperaturah, in sicer pri sobni temperaturi,
Metodologija raziskave Preglednica 3.1: Viskoznosti zraka pri različnih temperaturah
Temperatura [ °C] Viskoznost zraka [mPa s]
20 0,01813
60 0,01999
100 0,02174
3.2.1 Določitev širine odzračevalnega kanala
Za preračun širine odzračevalnega kanala moramo samo preurediti enačbo (2.19), da pridemo do željene enačbe (3.6). Da lahko širino sploh določimo, moramo v izraz vnesti vrednosti za viskoznost zraka, volumski pretok zraka, dolžino kanala ter padec tlaka čez odzračevalni kanal – prikazano pod enačbo (3.6). Kot je bilo že prej omenjeno, bomo viskoznost vstavili za tri različne temperature, kot višino pa bomo uporabili priporočila iz gradiva [13], in sicer enkrat za srednje-, nato pa za nizkoviskozne materiale [13]. Rezultati preračuna so zbrani v preglednicah 4.5, 4.6 in 4.7 .
∆𝑝 =12 ∙ 𝜇zraka∙ 𝐿kanala∙ 𝑉̇zraka,n
𝑊kanala∙ ℎkanala3 → 𝑊kanala =12 ∙ 𝜇zraka∙ 𝐿kanala∙ 𝑉̇zraka,n
∆𝑝 ∙ ℎkanala3 (3.6)
𝑊kanala =12 ∙ 0,01813 ∙ 10−3Pa s ∙ 40 mm ∙ 123 mm3/s
1 ∙ 0,1 ∙ 106Pa ∙ 0,033mm3 = 0,398 mm
3.2.2 Določitev višine odzračevalnega kanala 3.2.2.1 Minimalna višina odzračevalnega kanala
Minimalno višino kanala se izračuna upoštevaje dolžino in širino kanala, slednja bo za naš preračun pridobljena iz meritev dimenzij izmetačev na dobrem orodju. Pri tem velja opomniti, kot je bilo že prej povedano, da smo za lažje preračunavanje uporabili širini 1,4 mm in 1,5 mm. Podobno kot pri preračunu širine bo tudi tu uporabljena viskoznost pri različnih temperaturah. Celotni volumski pretok zraka iz šobe bo, kot je bilo že v uvodnem poglavju preračuna nakazano, enakomerno porazdeljen s številom gnezd in kanalov v vsakem gnezdu. Po enačbi (2.13) oz. (2.19) se bo minimalna višina izračunala na naslednji način – (3.7) [13]. Preračun minimalne višine kanala je nakazan pod enačbo (3.7), rezultate preračuna pa prikazujejo preglednice 4.8, 4.9 in 4.10.
∆𝑝 =12 ∙ 𝜇zraka∙ 𝐿kanala∙ 𝑉̇zraka, n
𝑊kanala∙ ℎkanala3 → (3.7)
Metodologija raziskave
3.2.2.2 Maksimalna višina odzračevalnega kanala
Preračun zgornje oz. maksimalne višine odzračevalnega kanala zajema omejitev prelivanja, ki si ga bodisi postavimo sami ali pa ga v odkupnih pogojih oz. naročilu postavi naročnik.
Dovoljena velikost oz. dolžina prelitja za izdelek, katerega orodje smo označili kot dobro, znaša do 0,1 mm, kar bomo upoštevali v preračunu. Pri tem bomo prikazali dva izračuna – enega za velikost prelitja 0,05 mm, kar predstavlja že skoraj idealno stanje, ko prelitja sploh ni, drugega pa za maksimalno dovoljeno vrednost prelitja – 0,1 mm. Maksimalno višino kanala se izračuna s pomočjo enačbe (2.22) [13].
Omeniti je potrebno še, da zahteva izračun omejitve višine kanala malo bolj kompleksne podatke o materialu, ki širši množici ljudi oz. javnosti navadno niso dostopni. To se pozna tudi v našem primeru, saj podjetje podatka o najnižji možni viskoznosti taline ni imelo, prav tako nismo imeli podatka o termični difuzivnosti materiala, ki je potreben za preračun časa strjevanja mase v odzračevalnem kanalu. Za okvirni preračun smo zato uporabili vrednosti, povzete po literaturi [11]. Preračun smo torej izvedli z uporabo časa strjevanja taline, ki je bil povzet po gradivu [13], ter s preračunom časa strjevanja taline z uporabo podatkov iz literature [11].
Preračun časa strjevanja taline smo izvedli za različne tlake taline, do katerih smo prišli z različnimi časi za prehod na naknadni tlak, ti pa so znašali od 0,5 s do 1 s, s korakom po 0,05 s.
Iz slike 3.12 sledi, da je tlak taline na enoto časa na enak 114 MPa
s . Preračun za dobljeno
Tlak taline se glede na čas strjevanja taline izračuna s pomočjo prej ugotovljenega
Metodologija raziskave
ℎmax, kanala= √12 ∙ 1,69 ∙ 10−6Pa s ∙ 0,12mm2
0,03 ∙ 106Pa ∙ 0,0003 s = 0,1435 mm
Rezultate preračuna prikazujejo preglednice 4.12, 4.13, 4.15 in 4.16, pri čemer p_taline1 označuje tlak, izračunan s časom prehoda na naknadni tlak 0,5 s, p_taline2 tlak, izračunan s časom prehoda na naknadni tlak 0,55 s ipd. z istim korakom časa vse do tlaka, izračunanega s časom prehoda na naknadni tlak 1 s, kot je bilo omenjeno nekaj odstavkov višje in kot prikazujeta preglednici 4.11 in 4.14.
Tlak taline izračunamo s pomočjo podatkov, odčitanih z brizgalnega stroja, kar prikazuje slika 3.12:
Slika 3.12: Graf naknadnega pritiska na stroju za brizganje plastike
3.2.3 Ugotovitve iz preračuna in analize obstoječega orodja 3.2.3.1 Širina kanala
‐ Če analiziramo preračun širine kanala, lahko kar se da hitro potrdimo, da bi bila za naš primer smiselna uporaba priporočil višine za nizkoviskozne materiale po literaturi [13]. Če pogledamo stolpec za srednjeviskozne, vidimo približno 10-krat nižje vrednosti za širino, kar pa za nas ni aktualno tako iz vidika izdelave in stroškov izdelave, kot tudi zaradi priporočil, ki jih navaja literatura [13], po katerih se ravnamo, kjer je napisano, da naj bi bila širina kanalov čim večja. Prav tako je doseganje manjših mer že tako zahtevno, če pa želimo na podlagi analize izvesti tudi primerno praktično testiranje o uporabnosti izračuna, lahko hitro ugotovimo, da bi bile že same tolerance na tako manjših dimenzijah primerno zahtevnejše, kar podaljša tako čas, kot tudi zahtevnost izdelave poleg že prej omenjenih spremljajočih
Metodologija raziskave
‐ Iz izračuna širine kanala je potrebno izbrati ustrezno število kanalov tako, da bo zagotovljeno primerno odzračevanje. Kot vidimo iz preračuna, zadostuje za naš primer (vsaj v teoriji) že en kanal, medtem ko bi bilo maksimalno število kanalov zaradi naše omejitve štiri. Kar se tiče razpona vrednosti, vidimo, da se pri izvedbi odzračevanja z enim kanalom širina začne pri 3,180 mm in se s številom kanalov primerno zmanjšuje vse do 0,8 mm širine pri 4-kanalni izvedbi odzračevanja. Iz preračuna vidimo še, da se vrednosti širine pri različnih uporabljenih viskoznostih razlikujejo za kar nekaj desetink milimetra, kar moramo pri nadaljnji analizi in zasnovi vzeti v zakup.
‐ Če primerjamo vrednosti iz preračuna z izvedenim odzračevanjem, vidimo, da se izračunane vrednosti pri 4-kanalni izvedbi odzračevanja razlikujejo v širinah v rangu od 0,5 do 0,7 mm, torej so razlike ogromne, kar nedvomno vpliva na sistem odzračevanja. Po preračunu smo denimo ugotovili tudi, da je uporaba širine 1,4 mm oz. 1,5 mm smiselna pri izvedbi odzračevanja z le dvema kanaloma.
‐ Za natančnejši izračun bi potrebovali podatek o temperaturi zraka, saj bi le tako lahko še bolj natančno predvideli širino. Iz te ugotovitve sledi, da lahko, čeprav na videz morda enostaven preračun, ob vključitvi natančnejših podatkov, ki jih je tudi težje pridobiti (npr. temperatura zraka v orodju, podatki o viskoznosti materiala …), poda zelo kakovosten približek za uporabo v praksi.
‐ Širina kanala je pri valjasti obliki pri zelo majhnih vrednostih višine odvisna od te veličine. Tako na primer ne moremo zagotoviti željene širine 1,5 mm za našo ugotovljeno višino pri štirih kanalih.
3.2.3.2 Višina odzračevalnega kanala
‐ Višina odzračevalnega kanala ni enolično določena, kar je lepo razvidno že, če pogledamo literaturo [13], kjer izračun zajema vrednotenje minimalne in maksimalne višine kanala.
‐ Izmed obeh veličin (Hmax, Hmin) je (vsaj na začetku) najbolj merodajna minimalna višina kanala, s katero postavimo temelj za kasnejšo praktično zasnovo, to pa zato, ker se ob nezadostnem odzračevanju, ki se najbolj pokaže kot ožganina na kosu, kanal enostavno poglobi. V primeru, da se pri izdelavi opremo na maksimalno vrednost, pa ob prelivanju kanalov ne moremo več popraviti in je treba del orodja, na katerem je postavljeno odzračevanje, zamenjati (v našem primeru so to izmetači), kar ni dobro niti iz časovnega niti iz cenovnega vidika. Mogoče je to še bolj izrazito pri odzračevanju na delilni ravnini, kjer imamo odzračevanje narejeno pri gravuri. V
Metodologija raziskave našim pričakovanjem zadostijo vse vrednosti višin, neodvisno od uporabljene
»izkustvene« širine kanala.
‐ Glede na razlike v višinah kanala, ki so neposredno posledica uporabljene viskoznosti v odvisnosti od določene temperature, je bolj smiselno uporabiti najmanjšo vrednost, ki jo vrne preračun, saj se lahko premajhen kanal naknadno poglobi.
‐ V gradivu [13] je preračun narejen na primeru pravokotnega izdelka. Glede na to, da je naš izmetač valjaste oblike in so odzračevalni kanali razdeljeni po obodu, je zračenje na premeru v bistvu dvakratnik višine nasprotnih si kanalov oz. seštevek višin dveh nasprotnih si kanalov. Iz tega vidika bi bilo za praktično izvedbo preračunane vrednosti dobro razpoloviti in ugotoviti, ali bi taka polovična višina kanala že zagotavljala zadostno odzračevanje.
‐ Stroške izdelave odzračevanja lahko znatno zmanjšamo tako, da se naredi manjše število kanalov, bi pa bilo za namen optimizacije stroškov potrebno preizkusiti, ali ugotovljeno minimalno število kanalov (za naš primer 1) zadostno odzračuje razne pline iz orodne votline.
‐ Kar se tiče maksimalne višine, so bile za izračun uporabljene osnovne vrednosti, vzete iz literature [21], kar bi bilo za natančen izračun seveda preveč posplošeno.
Viskoznost, ki je bila uporabljena v preračunu, je bila dobljena kot povprečje iz štirih izmerjenih vrednosti viskoznosti za PF smole, povzetih po literaturi [11]. Termična difuzivnost je bila pridobljena iz literature [21]. Za preračun časa strjevanja prelitja so bile uporabljene realne temperature iz nastavitev stroja, medtem ko je bila za Tno flow uporabljena temperatura steklastega prehoda PF smole, kot jo podaja literatura [21].
‐ Čeprav je preračun izveden s pomočjo veliko predpostavk ali širše uporabljenih splošnih vrednosti, ki niso natančen podatek, ki velja za naš material, pa so dobljene vrednosti pri željeni omejitvi prelivanja znotraj predpostavljenih vrednosti, kar lahko uporabimo kot dovolj dobro oceno maksimalne višine za naš primer.
‐ Pri izračunu maksimalne višine kanala vidimo, da ima čas strjevanja taline velik vpliv na končni rezultat. Tu je za bolj natančen izračun pomembno podrobno poznavanje lastnosti materiala, s katerim se dela. Če primerjamo naš izračun z izračunom, ki uporablja vrednosti iz literature [13], vidimo, da prelitje za to, da se strdi, po naših izračunih potrebuje 10-krat manj časa kot denimo prelitje, računano s podatki iz gradiva [13].
‐ Zgolj za primerjavo je bil izveden še en izračun, s katerim smo ugotavljali, kako dimenzijsko veliko bi bilo prelitje pri našem izračunanem času strjevanja taline, da bi maksimalna višina prišla bližje minimalni vrednosti višine kanala. Rezultate preračuna prikazuje preglednica 4.17. Ugotovili smo, da bi bilo to pri prelitju dolžine 0,02 mm ali manj.
‐ Glede na do sedaj predpisan ujem med pušo in oblikovnim izmetačem, bi bilo morda
Metodologija raziskave
dovoljeno zračnost in hkrati poskrbimo, da najnižja ne more doseči 0 mm. To poskrbi, da bo izmetač enostavno zdrsnil v odprtino v puši in ga ne bo treba natikati s silo, kar poleg nepoškodovanih razmejitev med površino kanalov in oblikovnega trna lahko poskrbi za časovni prihranek pa tudi enostavno razstavitev sklopa ob testiranju optimalnih konceptov odzračevanja.
3.3 Koncept in optimizacija odzračevanja
Po analizi preračuna vidimo, da je tako na dobrem kot na slabem orodju odzračevanje izvedeno z večjimi dimenzijami, kot to veleva preračun. Za doseganje po preračunu optimalnega odzračevanja bi bilo zato potrebno odzračevanje izdelati na novo. Ker so se pri brizganju na obeh orodjih pojavile napake, ki so značilne za dimenzijsko prevelike in premajhne kanale, priporočamo, da se kanale pregleda in odzračevanje primerno prilagodi.
To velja tudi za orodja, pri katerih se bo v prihodnosti prilagajalo odzračevanje:
‐ kjer so kanali preveliki, se mora izdelati nove izmetače z dimenzijami, kot jih narekuje preračun, ter jih po potrebi optimizirati;
‐ kjer ugotovimo premajhne kanale, pa te samo ustrezno popravimo in optimiziramo za dosego ustreznega odzračevanja.
Načrt oz. zasnova za novo odzračevanje predstavlja izziv predvsem z vidika izbire dimenzij, saj imamo, kot lahko vidimo po preračunu (rezultati so podani v preglednicah 4.5, 4.6, 4.7, 4.8, 4.9, 4.12, 4.13, 4.15, 4.16 in 4.17), na voljo veliko dimenzij, izbiramo pa lahko tudi med različnim številom kanalov, ki jih je za odzračevanje potrebno izdelati. Glede na priporočila, ki so podana s strani proizvajalca prešne mase iz literature [9], bi bilo smiselno najprej poizkusiti s štirimi kanali in dimenzijami, ki smo jih ugotovili po preračunu. Skladno s preračunom imamo na voljo kanal širine 1,4 mm oz. 1,5 mm in višino 0,0121 mm oz. 0,0124 mm. Žal smo zaradi okrogle površine pri izdelavi kanalov s pomočjo finega brušenja in poliranja pri dimenzijah širine omejeni z višino kanala (ta je odvisna od premera in globine utora). Pri ugotovljeni globini 0,0121 mm bi bila namreč širina največ 0,556 mm, kar je z vidika preračuna neustrezno in premalo, v praksi pa se lahko preizkusi, ali bi morebiti manjša širina še vedno zagotavljala primerno odzračevanje. Prva poenostavitev na naš primer bo torej kanal z višino 0,0121 mm in širino največ 0,556 mm. Druga možna pretvorba oz.
prilagoditev preračuna na naš primer bi bila, da vzamemo dimenzije, ugotovljene za izvedbo odzračevanja z dvema kanaloma – torej 0,0153 mm globok kanal pri širini 1,5 mm. Tu sicer podobno kot pri prvem primeru ne moremo doseči željene širine. Lahko pa naredimo štiri kanale višine 0,0153 mm, kar bi pomenilo, da bi bil vsak širok 0,626 mm, skupno pa bi odzračevali 2,504 mm širine po obodu, kar je za 0,496 mm manj, kot to predvideva izračun v primeru dveh kanalov. Na prvi pogled je primanjkljaj širine velik. Če gledamo na
Metodologija raziskave prilagoditvah ne bi dosegli željenega učinka, se lahko nato preizkusi kanale z višinami, kot jih priporočata preglednici na slikah 2.19 in 2.29, ali pa raznimi izvedbami z različnimi višinami in številom kanalov, kot prikazujejo preglednice 4.8, 4.9 in 4.10. Izvedbo prvega omenjenega koncepta (prve poenostavitve) prikazuje slika 3.13 (celotna delavniška risba je priložena v Prilogi A), izvedbo najdražje – tretje prilagoditve pa prikazuje slika 3.14 (celotna delavniška risba je priložena v Prilogi B).
Slika 3.13: Prvi koncept teoretično optimalnega odzračevanja
Metodologija raziskave
Slika 3.14: Drugi koncept teoretično optimalnega vzdrževanja
4 Rezultati in diskusija
V tem diplomskem delu smo ugotavljali, kako je potrebno odzračevalne kanale dimenzionirati, da se izognemo raznim problemom, kot so prelitja, ožganine, prah in podobno. S pregledom literature smo dobili na voljo različna priporočila za izbiro velikosti kanalov. Ugotovili smo, da je za pravilno uporabo priporočil zelo pomemben podatek viskoznost materiala. Za ovrednotenje odzračevanja, ki se ga uporablja v podjetju, smo uporabili dve orodji, na katerih se je že izdelovalo kose. Prav zaradi izdelave kosov smo lahko zaznali napake, ki smo jih v tej nalogi povezali s slabo zastavljenim odzračevanjem.
Pri tem je treba poudariti, da se je orodji ločilo na dobro in slabo, pri čemer so bila na dobrem problematična le prelitja, ki so bila večja, kot bi želeli, na slabem pa se je pojavljala vrsta težav, kot so ožganine, fini prah in še večja prelitja kot na prvem.
4.1 Rezultati meritev oblikovnega trna in puše
Za popis odzračevanja smo oblikovne trne iz obeh orodij premerili na optičnem mikroskopu, medtem ko smo z uporabo mikrometrov premerili še notranji premer puše in zunanji premer trna. Rezultate meritev prikazujeta preglednici 4.1 in 4.2.
Preglednica 4.1: Rezultati meritev notranjega premera puše in prikaz tolerance H7
Premer puše dobro orodje
[mm] Premer puše slabo orodje [mm]
1 12,795 12,790
2 12,791 12,789
3 12,799 12,786
4 12,789 12,786
5 12,790 12,787
6 12,790 12,786
Povprečje 12,792 12,787
12,8H7 0,018
Rezultati in diskusija
Preglednica 4.2: Rezultati meritev premera trnov in prikaz tolerance h7
Premer trna dobro orodje [mm] Premer trna slabo orodje [mm]
1 12,761 12,763
Iz meritev notranjega premera puše je vidno, da so meritve konsistentne, se pa vse mere nahajajo izven tolerančnega območja. Meritve premera trnov so podobno konsistentne, tudi tu pa so mere izven območja predpisane tolerance. Če primerjamo povprečne vrednosti in preračunamo zračnost med pušo in trnom, ta znaša 0,022 mm za dobro in 0,018 mm za slabo orodje. Sicer sta dobljeni povprečni zračnosti na premer dokaj majhni z vidika največje možne, kot jo narekuje ujem H7/h7 (ta znaša 0,036 mm), ju pa z vidika načrtovanja optimalnega odzračevanja ne gre zanemariti, saj denimo teoretična analiza skladno z literaturo [13] ne predvideva zračnosti, ker popisuje odzračevanje na delilni ravnini, kjer zračnosti praviloma ni.
4.2 Rezultati meritev širine kanala
Že med merjenjem na optičnem mikroskopu je bilo moč opaziti velike razlike v profilu in hrapavosti med kanali. Zaradi tega smo dognali, da bi bilo smiselno določiti parameter hrapavosti, ki bi ga bilo poleg dimenzij potrebno pred izdelavo kanalov ustrezno izbrati, predpisati na načrt in nato na izdelanih kosih prekontrolirati.
V preglednici 4.3 so prikazani rezultati meritev širine kanalov. Rezultati meritev pri dobrem orodju nakazujejo na konsistenco pri izdelavi, saj je rang izmerjenih vrednosti nekje med 1,4 mm in 1,5 mm. Po dogovoru v podjetju smo zaradi poenostavitve preračuna pri dimenzioniranju kanalov uporabili širini 1,4 mm in 1,5 mm. Če opredelimo še rezultate, ki so jih pokazale meritve pri pregledu slabega orodja, vidimo, da so vrednosti manj konsistentne, kot pri dobrem orodju. Točnih razlogov, zakaj so vrednosti tako različne, ne
Rezultati in diskusija vidni na sliki 3.7, služita postavitvi meje za zajem širine, na kos pa sta umeščeni ročno.
Nedvomno lahko zaključimo, da so nepravilno izdelani kanali zelo verjetno razlog za kasnejše napake na kosih.
Preglednica 4.3: Rezultati meritve širine kanalov
GNEZDO_KANAL ŠIRINA KANALA_DOBRO
Povprečna višina kanala 1449,77 1382,72
Rezultate preračuna višine kanala na dobrem in slabem orodju prikazuje preglednica 4.4.
Vidimo, da je povprečna višina kanala na dobrem orodju 0,041 mm, kar je za dobro stotinko več kot priporoča proizvajalec prešne mase. Vrednosti višine kanala slabega orodja pa so v
Vidimo, da je povprečna višina kanala na dobrem orodju 0,041 mm, kar je za dobro stotinko več kot priporoča proizvajalec prešne mase. Vrednosti višine kanala slabega orodja pa so v