Optimizacija odzračevalnih kanalov oblikovnega dela orodja pri brizganju duroplastičnih izdelkov

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Optimizacija odzračevalnih kanalov oblikovnega dela orodja pri brizganju duroplastičnih izdelkov

Diplomsko delo visokošolskega študijskega programa I. stopnje Strojništvo

Jaka Ribič

Ljubljana, avgust 2021

(2)

(3)

(4)

(5)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Optimizacija odzračevalnih kanalov oblikovnega dela orodja pri brizganju duroplastičnih izdelkov

Diplomsko delo visokošolskega študijskega programa I. stopnje Strojništvo

Jaka Ribič

Mentor: izr. prof. dr. Tomaž Pepelnjak, univ. dipl. inž.

Ljubljana, avgust 2021

(6)

(7)

(8)

(9)

Zahvala

Iskreno se zahvaljujem mentorju Timoteju Mrzelju, ki mi je pomagal s svojimi izkušnjami na področju brizganja duroplastov, ter podjetju Kolektor, ki je s svojimi finančnimi sredstvi omogočil praktično izvedbo eksperimentov, potrebnih za nastanek te diplome. Zahvaljujem se izr. prof. dr. Tomažu Pepelnjaku, da si je vzel čas za mentoriranje naloge. Prav tako se zahvaljujem tudi svoji družini – očetu Tomažu, mami Doris, sestri Maji in bratu Matevžu, ki so me tekom študija podpirali, skrbeli zame in me spodbujali, nonotu Francu, ki me je vpeljal v svet strojništva in me od malih nog učil veščin strojništva, ravnanja z orodji ter napravami, in noni Mariji, ki me je vedno podpirala in skrbela zame. Na koncu gre zahvala še punci Klari, sorodnikom in prijateljem, brez katerih študij ne bi bil tako prijetna izkušnja.

(10)

(11)

(12)

(13)

Izvleček

UDK 621.6.057:678.027.74(043.2) Tek. štev.: VS I/913

Optimizacija odzračevalnih kanalov oblikovnega dela orodja pri brizganju duroplastičnih izdelkov

Jaka Ribič

Ključne besede: odzračevanje orodja duroplasti oblikovni del optimizacija

Pri brizganju duroplastičnih izdelkov iz fenol formaldehidnih smol prihaja pri segrevanju orodja do zamreževanja, ki poteče s polikondenzacijo, pri čemer se voda izloči v obliki vodne pare, izločajo pa se še nekatere druge spojine v plinastem stanju, med katerimi je tudi amonijak. Poleg odvoda zgoraj omenjene vodne pare in plinov je potrebno med polnjenjem orodne votline poskrbeti še za odvod ujetega zraka v njej. Za odvod vseh zgoraj navedenih spojin uporabljamo odzračevalne kanale. Ti ne smejo biti preveliki, da jih masa pri polnjenju ne prelije, pa tudi ne premajhni, saj bi bilo v tem primeru odzračevanje škodljivih spojin nezadostno. Posledica nezadostnega odzračevanja bi bil nastanek »diesel efekta«, na kosih pa bi bile zaradi slednjega vidne ožganine. V tem diplomskem delu smo najprej opravili pregled literature in teorije za področje injekcijskega brizganja plastike in odzračevanje orodij ter analizirali primer slabega in dobrega orodja v proizvodnji. Na koncu smo primerjali predpisana priporočila za izdelavo kanalov z dimenzijami kanalov, izmerjenih iz primera dobrega in slabega orodja, ter naredili analitični preračun, ki je prikazan v literaturi.

Ugotovili smo, da se da s preračunom predvideti dimenzije in zasnovati odzračevanje, ki pa potrebuje optimizacijo s praktičnim pristopom.

(14)

(15)

Abstract

UDC 621.6.057:678.027.74(043.2) No.: VS I/913

Optimization of vent channels of the mould used in moulding of thermoset products

Jaka Ribič

Key words: venting tools thermosets mould optimization

During injection molding of parts made from phenol formaldehyde resin, polycondensation process takes place. When polycondensation occurs, volatiles are produced. In our case byproduct is steam, ammonium and other gases. If they are not allowed to escape through the vents than the product ends up with burn marks or other visual problems on top of dimensional faults and less than expected physical and strength properties. But there is a certain level of caution and expertise required when dimensioning and constructing the vents otherwise we may end up with vents to big which result in spews or with vents too small which prevent volatiles from escaping and we end up with burnt parts as we mentioned above. In this thesis we first checked the available literature for injection molding and venting. Next step was analysis of good and bad tool example. In the end we compared recommendations for venting with vent dimensions on our “good and bad” tool example and conducted a theoretical calculation based on a literature. What we found was that you can foresee vent dimensions and make a venting concept but have also reached the conclusion that the concept will need further optimisation by practical means.

(16)

(17)

Kazalo

Kazalo slik ... xv

Kazalo preglednic ... xvii

Seznam uporabljenih simbolov ... xix

Seznam uporabljenih okrajšav ... xxi

1 Uvod ... 1

1.1 Ozadje problema ... 1

1.2 Cilji ... 2

2 Teoretične osnove in pregled literature ... 3

2.1 Polimeri ... 3

2.2 Brizganje ... 6

2.3 Prešna masa ... 7

2.3.1 Sestava prešne mase ... 8

2.3.2 Izdelava prešne mase ... 10

2.4 Orodje ... 10

2.4.1 Sestavni deli orodja ... 12

2.4.1.1 Dolivna šoba ... 12

2.4.1.2 Fiksna in pomična gravurna plošča ... 13

2.4.1.3 Dolivni sistem ... 13

2.4.1.4 Gravura ... 14

2.4.1.5 Vpenjalna plošča ... 15

2.4.1.6 Izmetalna in temeljna plošča... 15

2.5 Odzračevanje in odzračevalni kanali ... 18

2.5.1 Pomen odzračevanja ... 18

2.5.2 Dimenzioniranje odzračevanja s pomočjo priporočil ... 19

2.5.3 Dimenzioniranje odzračevanja z analitičnim pristopom ... 22

2.5.3.1 PADEC TLAKA ... 23

2.5.3.2 REOLOŠKO OBNAŠANJE ... 24

2.5.3.3 Določitev dimenzij odzračevalnih kanalov ... 30

2.6 Hrapavost površin ... 32

2.6.1 OSNOVNI POJMI ... 33

2.6.2 Parametri hrapavosti površine ... 34

2.6.2.1 Aritmetični parametri ... 35

2.6.2.2 Statistični parametri in naključne funkcije ... 38

(18)

3 Metodologija raziskave ... 41

3.1 Pregled dosedanje izvedbe odzračevalnih kanalov ... 41

3.2 Dimenzioniranje odzračevalnih kanalov ... 50

3.2.1 Določitev širine odzračevalnega kanala ... 51

3.2.2 Določitev višine odzračevalnega kanala ... 51

3.2.2.1 Minimalna višina odzračevalnega kanala ... 51

3.2.2.2 Maksimalna višina odzračevalnega kanala ... 52

3.2.3 Ugotovitve iz preračuna in analize obstoječega orodja ... 53

3.2.3.1 Širina kanala ... 53

3.2.3.2 Višina odzračevalnega kanala ... 54

3.3 Koncept in optimizacija odzračevanja ... 56

4 Rezultati in diskusija ... 59

4.1 Rezultati meritev oblikovnega trna in puše ... 59

4.2 Rezultati meritev širine kanala ... 60

4.3 Rezultati teoretičnega preračuna širine kanala ... 63

4.4 Rezultati preračuna minimalne višine kanala ... 64

4.5 Rezultati preračuna maksimalne višine kanala... 65

5 Zaključki ... 73

Literatura ... 75

Priloga A ... 77

Priloga B ... 79

(19)

Kazalo slik

Slika 1.1: Ožgana površina izdelka ... 1

Slika 1.2: Nalepki na površini izdelka ... 2

Slika 2.1: Na sliki sta prikazani a) delnokristalinična; in b) amorfna struktura termoplastov [1] ... 4

Slika 2.2: Primerjava med molekulsko strukturo termoplastov in duroplastov [1] ... 5

Slika 2.3: Struktura elastomerov ob delovanju sile in po obnovi deformacije [4] ... 6

Slika 2.4: Poenostavljen prikaz procesa brizganja: a) zapiranje orodja in zapolnjevanje z maso; b) naknadni tlak; c) strjevanje mase; d) odprtje orodja in izmet kosa [8] ... 7

Slika 2.5: Primerjava temperatur grelcev v polžu pri termoplastih in duroplastih [9] ... 8

Slika 2.6: Na sliki je prikazan graf (Brabender krivulja), ki ga dobimo po merjenju z Brabender plastikorderjem [10] ... 9

Slika 2.7: Shema poteka izdelave prešne mase [11] ... 11

Slika 2.8: Glavne funkcionalne skupine orodij za brizganje plastike [7] ... 11

Slika 2.9: Glavni deli brizgalnih strojev [12] ... 12

Slika 2.10: Na sliki je prikazan prerez, kjer je viden proces potovanja taline od polža, skozi dolivno šobo vse do gravure [12] ... 13

Slika 2.11: Na sliki sta vidni fiksna in pomična gravurna plošča [12] ... 14

Slika 2.12: Dolivni sistem [12] ... 15

Slika 2.13: Na sliki je vpenjalna plošča izmetalne strani v tlorisnem in narisnem pogledu [12] ... 16

Slika 2.14: Na sliki je prikazana temeljna plošča s podpornimi stebri [12] ... 16

Slika 2.15: Elementi izmetalnega paketa [12] ... 17

Slika 2.16: Na sliki je prikazana enostavna izvedba odzračevanja na delilni ravnini [12] ... 19

Slika 2.17: Enostavna izvedba odzračevanja prek izmetačev [12] ... 19

Slika 2.18: Na sliki so priporočila za izbiro višine odzračevalnega kanala glede na mesto odzračevanja [12] ... 20

Slika 2.19: Priporočila za višino oz. globino odzračevalnih kanalov [14] ... 20

Slika 2.20: Primer razporeditve odzračevalnih kanalov iz literature [12] ... 21

Slika 2.21: Primer odzračevanja na oblikovnem delu orodja ... 22

Slika 2.22: Osnovne veličine, ki se pojavijo pri gibanju zraka skozi odzračevalni kanal. Veličini p na sliki predstavljata tlak, L pa dolžino [13] ... 24

Slika 2.23: Cross-WLF model z logaritemskimi osmi, kjer je na x-osi strižna hitrost, na y-osi pa viskoznost [13] ... 25

Slika 2.24: Cross-WLF model za primer PC polimera pri treh različnih temperaturah [13] ... 25

Slika 2.25: Na sliki je s črtkano črto prikazan newtonski model analize viskoznosti [13] ... 26

Slika 2.26: Na sliki je prikazana primerjava med modelom potenčnega zakona in Cross WLF modelom za polimer PC pri 280 °C [13] ... 29

Slika 2.27: Na sliki so prikazani rezultati preizkusa z materialom PP [13] ... 29

Slika 2.28: Na sliki je prikazan dolivni sistem primera iz literature [13] ... 31

Slika 2.29: Priporočila za višino odzračevalnih kanalov po literaturi [13] ... 32

Slika 2.30: Primer profila površine, dolžin vzorčenja in srednje linije [18] ... 35

(20)

Slika 2.32: Profil površine z označenima razmikoma med elementi profila ter zgornjim in spodnjim

pragom [20] ... 37

Slika 3.1: Princip meritve notranjega premera puše ... 42

Slika 3.2: Princip meritve premera oblikovnega dela oz. trna... 43

Slika 3.3: Slike kanalov dobrega orodja na mestu začetka kanala v orodni votlini, ki so bile posnete z optičnim mikroskopom ... 43

Slika 3.4: Slike kanalov dobrega orodja pri 50-kratni povečavi na mestih, kjer je moč opaziti največ raznih nepravilnosti ... 44

Slika 3.5: 3D profil površine enega od kanalov na dobrem orodju ... 44

Slika 3.6: Merilna veriga za zajem širine odzračevalnega kanala ... 45

Slika 3.7: Princip meritev širin odzračevalnih kanalov na dobrem in slabem orodju. S pomočjo tega podatka smo lahko prek izračuna dobili informacijo o višino oz. globini kanala. Slika je posneta pri 50-kratni povečavi... 46

Slika 3.8: Veličine, s katerimi se preračuna višina kanala ... 47

Slika 3.9: Slike kanalov slabega orodja na mestu začetka kanala v orodni votlini, posnete so bile z optičnim mikroskopom ... 48

Slika 3.10: Slike kanalov slabega orodja na mestu, ki je med brizganjem nameščeno v puši. Posnete so bile z optičnim mikroskopom pri 50-kratni povečavi ... 49

Slika 3.11: Primerjava med odzračevanjem na dobrem a) in slabem b) orodju. Sliki sta posneti s 50- kratno povečavo ... 49

Slika 3.12: Graf naknadnega pritiska na stroju za brizganje plastike ... 53

Slika 3.13: Prvi koncept teoretično optimalnega odzračevanja ... 57

Slika 3.14: Drugi koncept teoretično optimalnega vzdrževanja ... 58

(21)

Kazalo preglednic

Preglednica 2.1: Razvrstitev polimerov ... 3

Preglednica 2.2: Razredi nepravilnosti in indikacije slednjih ... 34

Preglednica 3.1: Viskoznosti zraka pri različnih temperaturah ... 51

Preglednica 4.1: Rezultati meritev notranjega premera puše in prikaz tolerance H7 ... 59

Preglednica 4.2: Rezultati meritev premera trnov in prikaz tolerance h7 ... 60

Preglednica 4.3: Rezultati meritve širine kanalov ... 61

Preglednica 4.4: Rezultati preračuna višine kanala na obstoječih orodjih v podjetju ... 62

Preglednica 4.5: Rezultati teoretičnega preračuna širine kanala za uporabljeno viskoznost zraka pri 20 °C ... 63

Preglednica 4.8: Rezultati teoretičnega preračuna minimalne višine kanala za uporabljeno viskoznost zraka pri 20 °C ... 64

Preglednica 4.9: Rezultati teoretičnega preračuna minimalne višine kanala za uporabljeno viskoznost zraka pri 60°C ... 64

Preglednica 4.10: Rezultati teoretičnega preračuna minimalne višine kanala za uporabljeno viskoznost zraka pri 100 °C ... 65

Preglednica 4.11: Tlak taline pri času prelivanja 0,0003 s ... 65

Preglednica 4.12: Rezultati teoretičnega preračuna maksimalne višine kanala z uporabljenim preračunanim časom strjevanja taline ... 66

Preglednica 4.14: Tlak taline pri času prelivanja 0,003 s ... 67

Preglednica 4.15: Rezultati teoretičnega preračuna maksimalne višine kanala z uporabo časa, povzetega po literaturi [13]... 67

Preglednica 4.16: Rezultati teoretičnega preračuna maksimalne višine kanala z uporabo časa, povzetega po literaturi [13]... 68

(22)

(23)

Seznam uporabljenih simbolov

Oznaka Enota Pomen

D mm Višina oz. globina

E MPa Modul elastičnosti

F N Sila

f(y) / Verjetnostna porazdelitev

h mm Višina

k m²/s Indeks konsistenčnosti toka

L mm Dolžina

m / Število vrhov na analizirano dolžino

n / Indeks potenčnega zakona

n / Število presečišč profila s srednjo linijo

p Pa Tlak

∆p Pa Padec tlaka

R mm Radij

R μm Hrapavost

R / Koeficient

R μm Profil površine

r μm Radij neravnin na površini

R μm Globina

R(λ) / Avtokorelacijska funkcija

R∆ º Naklon profila

RS μm Razmaknjenost

T K, ºC Temperatura

t s Čas

v m/s Hitrost

𝑉̇ m³/s Volumski pretok

𝑣̅ m/s Povprečna linearna hitrost toka

W mm Širina

W μm Valovitost površine

z mm Debelina toka

𝛾̇ s^-1 Strižna hitrost

ζ / Koeficient asimetrije

λ μm Valovna dolžina profila površine

μ Pa s dinamična viskoznost

ξ / Koeficient sploščenosti

τ MPa Strižna napetost

Indeksi

1 Ena

2 Dve

a Aritmetična srednja

(24)

g Steklasti prehod

kanala Kanala

ku Sploščenost

l0 Dolžina po obdelavi

m Srednja

max Sredina toka

max, kanala Maksimalna, kanala min, kanala Minimalna kanala

naknadni Naknadni

no flow Visoka viskoznost

p Zaglajevanje

p Povprečen

pm Povprečna zaglajevanja

prelitja Prelitja

prelivanja Strjevanje taline v odzračevalnem kanalu

∆p Padec tlaka

q Kvadratični

sk Asimetrija

t Maksimalna

t Razdalja najvišje in

najnižje točke profila na analizirani dolžini

taline Taline

ti Razdalja najvišje in

najnižje točke profila na dolžini vzorčenja

v Globina

vm Povprečna globina

z Srednja globina

zraka Zraka

τ Strižna napetost

(25)

Seznam uporabljenih okrajšav

Okrajšava Pomen

ABS Akrilonitril butadien stiren, vrsta polimera ASTM Ameriško združenje za testiranje in materiale EDM Elektroerozija, postopek obdelave materiala GE General electric, ime podjetja

HDPE Polietilen z visoko gostoto, vrsta polimera LDPE Polietilen z nizko gostoto, vrsta polimera MDPI Multidisciplinary, Digital Publishing Institute MFI Indeks tekočnosti polimerne taline

PA Poliamid, vrsta polimera

PC Polikarbonat, vrsta polimera

PET Polietilentereftalat, vrsta polimera

PF Fenol-formaldehid, vrsta smole

PF Fenol-formaldehid

PM Prešne mase

PMMA Polimetilmetaakrilat, vrsta polimera

PP Polipropilen, vrsta polimera

PVC Polivinilklorid, vrsta polimera

(26)

(27)

1 Uvod

1.1 Ozadje problema

Pri brizganju izdelkov iz duroplastičnih mas so ob poteku kemičnih reakcij stranski produkti razni plini, ki jih je potrebno odvesti iz mesta brizganja. Za ta namen se uporablja odzračevalne kanale. Če so odzračevalni kanali nepravilno izdelani, bodo po brizganju na izdelkih razne nepravilnosti, kot so npr. ožganine, fini prah, nehomogena struktura, nalepki ipd. Naštete napake pa vplivajo ne samo na mehanske lastnosti izdelka, ampak tudi na nadaljnji proizvodni proces, kot je recimo avtomatizirana končna kontrola, kjer kamera kos, ki je prašen, obravnava kot izmet. Primer ožgane površine prikazujejo puščice na sliki 1.1, primer površine z vključenimi nalepki pa prikazuje slika 1.2.

Slika 1.1: Ožgana površina izdelka

(28)

Uvod

Slika 1.2: Nalepki na površini izdelka

1.2 Cilji

Cilj zastavljene naloge je raziskati, kako je potrebno odzračevalne kanale dimenzionirati, da se izognemo v ozadju problema naštetim napakam. Raziskava bo potekala s pregledom literature in analizo predpisanih priporočil za izdelavo oz. dimenzioniranje kanala. V načrtu imamo narediti še ovrednotenje dveh orodij, že preverjenih v proizvodnji – enega slabega in enega dobrega, ter s pomočjo raziskave predlagati primerne nove koncepte oz. optimizacijo nepravilno zastavljenega odzračevanja. Zastavili smo si izvedbo teoretičnega izračuna, s katerim bi postavili dimenzijski okvir, v katerem bi bilo ustrezno predvideti dimenzije odzračevalnih kanalov.

(29)

2 Teoretične osnove in pregled literature

2.1 Polimeri

Polimeri so velike molekule, zgrajene iz manjših ponavljajočih se enot. Lastnosti polimera oz. plastike, ki je narejena iz polimerov in raznih dodatkov, so odvisne od vrste molekul, iz katerih so zgrajeni polimeri, načina povezav med molekulami, razvejanosti molekulske strukture ter količine in tipa dodatkov. V preglednici 2.1 je prikazana osnovna razvrstitev in delitev polimerov [1].

Preglednica 2.1: Razvrstitev polimerov

POLIMERI

ORGANSKI ANORGANSKI

NARAVNI SINTETIČNI

ANORGANSKI

‐ sljuda,

‐ azbest,

‐ glina.

ORGANSKI

‐ celuloza,

‐ lignin,

‐ kavčuk,

‐ proteini.

‐ poliamid (PA),

‐ polietilentereftalat (PET),

‐ polikarbonat (PC),

‐ akrilonitril butadien stiren (ABS),

‐ polimetilmetaakrilat (PMMA),

‐ polietilen z visoko gostoto (HDPE),

‐ polietilen z nizkjo gostoto (LDPE),

‐ polivinilklorid (PVC),

‐ epoksi smole,

‐ bakelit,

‐ melaminske smole,

‐ fenolne smole,

‐ poliestrske smole,

‐ urea smole.

(30)

Teoretične osnove in pregled literature

Sintetične polimere lahko razvrstimo glede na različne kriterije, in sicer glede na:

‐ vrsto polimerizacije,

‐ obliko makromolekul,

‐ lastnosti pri povišanih temperaturah,

‐ urejenost polimernih verig,

‐ vrsto ponavljajočih enot.

Za nas in namen te naloge bo zanimiva razvrstitev glede na lastnosti pri povišanih temperaturah. Glede na to razvrstitev opredelimo polimere kot termoplaste, duroplaste in elastomere, pri čemer so njihove osnovne lastnosti naslednje:

‐ Termoplasti so nezamreženi polimeri, sestavljeni iz dolgih delno razvejanih verig, prostorsko povezanih z Van der Waalsovimi vezmi. Na povišano temperaturo niso odporni, saj se jim pri segrevanju pri prečkanju temperature steklastega prehoda (Tg) viskoznost zelo zniža, pri ohlajevanju pa poveča, talina pa v primeru, ko jo usmerimo v kalup oz. gravuro, zadrži obliko, v kolikor jo dovolj časa hladimo na primerni temperaturi. Ker se molekulam termoplastov pri segrevanju in ohlajanju ne pretrgajo kovalentne vezi, lahko cikle ponavljamo brez hujših posledic za mehanske lastnosti polimera, kar je dobra lastnost, še posebej, če gledamo z vidika reciklaže. Za predelavo jih pogosto dobimo v obliki granulata. Poznamo amorfne in delnokristalinične termoplaste. Prvi imajo tako v raztaljenem kot tudi v trdnem stanju molekule v neurejenem stanju, medtem ko pri delnokristaliničnih termoplastih najdemo tako amorfne kot tudi urejene odseke (kristalna struktura), kjer se določeni odseki molekul povežejo med sabo z medmolekulskimi vezmi. Zaradi bolj urejene strukture se delnokristalinični termoplasti pri ohlajanju tudi bolj skrčijo, kar je potrebno upoštevati pri načrtovanju obdelave takih materialov. Slika 2.1 prikazuje amorfno (b) in delnokristalinično strukturo (a) [1], [2].

Slika 2.1: Na sliki sta prikazani a) delnokristalinična; in b) amorfna struktura termoplastov [1]

(31)

‐ Duroplasti so polimeri, pri katerih se molekulske verige med seboj prostorsko vežejo s kovalentnimi vezmi. Zaradi takih povezav so zelo trdni in odporni na povišane temperature. V osnovi so lahko snovi z nižjo viskoznostjo (tekočine), za predelavo pa jih lahko dobimo tudi v obliki prahu, kosmičev, peletov ali granulata, vse navedene oblike lahko združimo pod izrazom prešna masa. Ob prvem stiku s povišano temperaturo snov reagira in se zamreži, po končani reakciji pa se ji zelo poveča trdnost. Togost duroplastov je v večji meri odvisna od razdalje med vozlišči molekulske mreže. Vredno je omeniti, da se pri segrevanju prešne mase duroplasti za kratek čas obnašajo kot termoplasti, zato jih je sploh mogoče brizgati. Ker so zelo odporni na toploto in ker so verige med seboj, kot smo že zgoraj omenili, povezane z močnimi kovalentnimi vezmi, je reciklaža nemogoča. Ob pretiranem poviševanju temperature bi dosegli samo pretrganje kovalentnih vezi, material pa bi bil nato neuporaben. Primerjavo med molekulsko strukturo termoplastov in duroplastov prikazuje slika 2.2 [1], [3].

Slika 2.2: Primerjava med molekulsko strukturo termoplastov in duroplastov [1]

‐ Elastomeri so zgrajeni iz šibko zamreženih polimernih verig, ki so med vozlišči močno zavite. Ob delovanju zunanje sile se verige odvijajo in raztezajo, po razbremenitvi pa se ponovno zvijejo in vrnejo v začetno stanje. To je prikazano na sliki 2.3. Pri tem govorimo o obnovi deformacije, za katero so odgovorna vozlišča, ki pa hkrati preprečujejo, da bi bilo material mogoče reciklirati. S povečevanjem števila vozlišč se elastomerom večata togost in trdnost – lastnosti postajajo vse bolj podobne duroplastom. Čeprav so pri sobni temperaturi mehki in pri temperaturi nižji od Tg toge steklaste snovi, se pri višanju temperature, ko smo že v področju nad Tg,

snov dodatno ne zmehča, ampak začne razpadati. Elastomeri imajo visoko kemijsko in korozijsko odpornost, so pa slabi toplotni in električni prevodniki. Zaradi oksidacije, ki je posledica staranja, se jim poslabšajo oz. spremenijo lastnosti. V elastičnem področju ne velja Hookov zakon, saj se modul elastičnosti E spreminja nelinearno. V literaturi [1] omenjajo več vrst elastomerov, pri čemer se najbolj poznane duroplastične vrste ne dajo reciklirati. Prej omenjena problematika reciklaže je vodila v razvoj termoplastičnih elastomerov, ki se lahko reciklirajo [1].

(32)

Slika 2.3: Struktura elastomerov ob delovanju sile in po obnovi deformacije [4]

Za obdelavo polimerov poznamo veliko različnih tehnik, uporabo le-teh pa določimo glede na vrsto polimera in njegove lastnosti. Iz vidika preoblikovanja se za obdelavo termoplastov uporablja injekcijsko brizganje, ekstrudiranje, termoformiranje, pihanje ipd. Prav tako se lahko brizga duroplaste, se pa postopek nekoliko razlikuje v primerjavi s postopkom brizganja termoplastov. Za preoblikovanje elastomerov se uporablja ekstruzijo, potapljanje v lateks, valjanje, brizganje itd. Za namen te diplomske naloge je zanimiv predvsem postopek injekcijskega brizganja [5], [6].

2.2 Brizganje

Injekcijsko brizganje je proces, ki ga izvajamo s pomočjo brizgalnih strojev. Pri brizganju se masa v cilindru najprej segreje in stali, nato pa jo s pomočjo polža potiskamo v orodje.

Pri tem ima polž dve funkciji, in sicer je prva ta, da maso ob povratku s pomočjo rotirajočega gibanja transportira od lijaka, kjer se granulat dodaja v polž, prek grelcev, kjer se granulat stali, pa vse do konca cilindra. Druga naloga polža je potisk staljene mase v orodno votlino, seveda šele, ko je volumen staljene mase po prednastavljenih parametrih ustrezen. Pri potisku mase se polž giblje kot bat v cilindru. Orodje ima običajno vgrajen še hladilni sistem ali sistem grelcev (pri duroplastih), ki pomaga strditi staljeno plastiko v končni izdelek. Ko je plastika ohlajena, se orodje odpre in izvrže izdelek iz gravure. Postopek se nato ponovi poljubno mnogokrat, odvisno od željenega števila končnih izdelkov oz. naročila. Ker so cikli brizganja relativno kratki, orodja in stroji pa dragi, je postopek primeren predvsem za masovno proizvodnjo. Poenostavljen proces brizganja je prikazan na sliki 2.4, kjer vidimo štiri značilne faze poteka injekcijskega brizganja: a) orodje se zapre, prične se zapolnjevanje orodne votline s staljeno maso; b) faza naknadnega tlaka; c) faza strjevanja plastične mase;

d) odprtje orodja in izmet kosa [7], [8].

Primerjava brizganja termoplastov in duroplastov

(33)

Teoretične osnove in pregled literature parametre (ti so npr. temperatura, tlak, hitrost brizganja …), kot je denimo na voljo za brizganje termoplastov, kar pomeni, da je proces veliko bolj natančen in zahteven. Bistvena razlika se kaže tudi na temperirnem sistemu orodja, kjer imamo v primeru termoplastov hladilni sistem, ki staljeno maso strdi, v primeru duroplastov pa grelni sistem, ki masi zaradi segrevanja na visoke temperature najprej primerno zmanjša viskoznost, nato sledi pospešena kemična reakcija spojin v masi, na koncu pa se masa zamreži in strdi [9].

Slika 2.4: Poenostavljen prikaz procesa brizganja: a) zapiranje orodja in zapolnjevanje z maso; b) naknadni tlak; c) strjevanje mase; d) odprtje orodja in izmet kosa [8]

2.3 Prešna masa

Kot smo že v odstavku 2.1 omenili, se bomo v tej nalogi posvetili postopku brizganja duroplastov. Osnova za brizganje je v našem primeru prešna masa (PM) v kosmičasti obliki (poznamo tudi valjčkasto oz. peletasto). Ker so duroplasti v osnovi navadno tekočine, je za nastanek prešne mase potreben določen proces, ki maso utrdi, hkrati pa zagotovi, da reakcija ne poteče do te mere, da je stopnja polimerizacije oziroma premreženja tako velika, da so strukturne povezave premočne in jih z dovajanjem toplote ne moremo več zrahljati. V takem primeru bi bila prešna masa neuporabna, saj je ne bi mogli predelati v željeno obliko – pri duroplastih je proces polimerizacije namreč ireverzibilen. V ta namen bomo v nadaljevanju popisali postopek pridelave mase, pri katerem se reakcija dejansko prične, vendar se jo na določeni točki umetno prekine. V podjetju uporabljamo fenol-formaldehidno prešno maso, ki nastane v procesu polikondenzacije (dva različna monomera se postopoma spojita in polimerizirata v makromolekulo, pri čemer izstopa voda ali kakšna druga snov, kot je npr.

amonijak, alkohol …) [10], [1].

(34)

Slika 2.5: Primerjava temperatur grelcev v polžu pri termoplastih in duroplastih [9]

2.3.1 Sestava prešne mase

Po podatkih proizvajalca je naša prešna masa (trgovsko ime Bakelit) sestavljena iz [9], [10]:

‐ fenolformaldehidne novolačne smole (za pospešitev reakcije je uporabljen kisel katalizator, take smole pa lahko popolnoma zamrežimo samo pri povišani temperaturi 110–120 °C ter ob prisotnosti zamreževalca),

‐ polnil (steklena vlakna),

‐ barvil,

‐ sredstev za izboljšanje tekočnosti in sredstev za preprečevanje lepljenja mase na dele orodij.

Kombinacija vseh zgoraj navedenih sestavin polimera mora zagotavljati ustrezne lastnosti, kot so [10]:

‐ temperaturna obstojnost;

‐ zadostne mehanske lastnosti, ki so odvisne: (a) kemijsko od dejavnikov, kot so stopnja zamreženosti, strukturna razvejanost, molekulska masa, orientacija polimernih verig ipd.; (b) fizikalno od dejavnikov, kot so temperatura, tlak, amplituda obremenitev, vlaga, termična zgodovina itd.; (c) od orientacije polnil, ki predstavlja zelo velik vpliv na mehanske lastnosti polimerov, pri čemer se mehanske lastnosti izjemno izboljšajo v smeri vlaken, medtem ko se lastnosti pravokotno na smer vlaken izboljšajo zelo malo, boljše so predvsem v primerjavi s čistim polimerom;

(35)

Teoretične osnove in pregled literature uporabi pojma tekočnost oz. predelovalnost je za našo aplikacijo zanimiv predvsem graf, ki ga prikazuje slika 2.6. – ta prikazuje t. i. Brabender krivuljo, ki je rezultat meritev na Brabender plastikorderju, ki popisuje spremembo navora v odvisnosti od časa pri konstantni temperaturi; krivulja nam služi kot pripomoček za zasnovo oz.

optimizacijo procesa predelovanja prešne mase, prav tako se le-te uporablja za primerjavo med šaržami prešne mase, ki dospejo v podjetje; pomembne indikacije na grafu so:

‐ pričetek taljenja mase (točka A);

‐ s povečevanjem temperature mase se masi znižuje viskoznost, ki doseže minimum v točki B;

‐ z nadaljnjim segrevanjem se začne viskoznost povečevati, dokler ne doseže maksimuma (se popolnoma zamreži); popolno zamreženost polimera označuje točka X;

‐ območje med V1 in V2, ki pove, da je znotraj tega okna masa najbolj tekoča in je to najboljši čas za izvedbo brizganja;

‐ območje med A in R prikazuje predelovalni čas; pri A se masa začne taliti, ko doseže minimalno viskoznost, jo potisnemo v orodno votlino, kjer se začne strjevati; R prikazuje čas, ko je masa dovolj strjena oz. ima dovolj visoko viskoznost in zahtevane mehanske lastnosti, da jo lahko izvržemo, ne da bi ji pri tem spremenili obliko, dimenzije in druge pomembne lastnosti;

pri tem je hitrost utrjevanja PM v veliki meri odvisna od temperature in sestave – reaktivnosti smol, ki so v maso vgrajene;

Slika 2.6: Na sliki je prikazan graf (Brabender krivulja), ki ga dobimo po merjenju z Brabender plastikorderjem [10]

‐ površinska trdota – zabrizgan izdelek mora biti površinsko odporen na obrabo mehanske poškodbe;

‐ odpornost na kemikalije – izdelek mora glede na namembnost prenesti stike z določenimi sredstvi; odpornost PM je lahko odvisna od različnih dejavnikov, in sicer:

‐ sestave prešne mase – vrste smole/smol, ki so pristne v prešni masi, količini

(36)

‐ drugih pogojev – temperature, medija, ki mu je masa izpostavljena, in tudi časa izpostavljenosti določeni snovi.

2.3.2 Izdelava prešne mase

Postopki za izdelavo PM so med seboj raznoliki, saj obstaja veliko različnih meril, ki jih mora masa izpolnjevati. Vsak postopek ima določene prednosti in slabosti, ki vplivajo na lastnosti PM po izdelavi. Za naše namene je bakelitna masa narejena iz mešanice fenolne smole, formaldehida, steklenih vlaken in drugih ojačitev. Zaporedje izdelave mase prikazuje slika 2.7. Izdelava mase se prične z odmerjanjem količine snovi, ki bodo v masi vsebovane.

Sledi mešanje posameznih snovi, pri čemer se aditive in polnila najprej zameša ločeno od smole in trdilca. Po prvem mešanju se smoli primeša dodatke in polnila, sledi pa intenzivno mešanje za homogenizacijo mešanice. Zatem se masi doda steklena vlakna, ki se jih v maso vmeša s pomočjo oscilirajočega ekstrudorja. Po vključitvi in zamešanju vseh komponent v maso slednja potuje do ekstrudorja, ki maso v obliki peletkov iztisne skozi matrico. Postopek pridelave mase se zaključi s sejanjem, ohlajevanjem in sušenjem mase. Ohlajevanje mase služi umetni prekinitvi reakcij, ki potekajo v masi, da je ta masa, ko prispe v podjetje, lahko zabrizgana. Pri transportu in skladiščenju mase je potrebno zagotavljati s strani dobavitelja predpisane pogoje, saj kljub upočasnitvi zamreževanja polimera reakcija ni povsem ustavljena. Za procesiranje se temperaturo ustrezno dvigne in reakcija steče naprej z veliko hitrostjo, vse dokler se polimer popolnoma ne zamreži [10], [11].

2.4 Orodje

Pri injekcijskem brizganju se uporablja stroje, ki so sestavljeni iz brizgalnega dela in zapiralnega dela. Zapiralni del stroja nosi orodje, medtem ko je ena najpomembnejših komponent brizgalnega dela stroja cilinder s polžem, ki se lahko giblje rotirajoče in pri tem maso dozira ter plastificira ali pa se giblje v aksialni smeri in pri tem material oz. maso potiska iz cilindra. Če se osredotočimo na orodje, pa poznamo brizgalno in izmetalno polovico orodja. Namen orodij za brizganje plastike je proizvajanje bolj ali manj kompliciranih izdelkov iz izbranega materiala. Naloga orodja je v enem delovnem ciklusu z enim ali več gnezdi oz. gravurami prevzeti, razdeliti, oblikovati, od vrste polimera odvisno material primerno ohladiti ali segreti (termoplasti, duroplasti) in na koncu izdelek iz orodja izvreči. Za izvršitev omenjenih nalog mora orodje vsebovati določene funkcionalne skupine.

Slika 2.8 prikazuje glavne funkcionalne skupine orodij za brizganje plastike, slika 2.9 pa prikazuje glavne dele strojev za brizganje plastike [7].

(37)

Slika 2.7: Shema poteka izdelave prešne mase [11]

Slika 2.8: Glavne funkcionalne skupine orodij za brizganje plastike [7]

(38)

Slika 2.9: Glavni deli brizgalnih strojev [12]

2.4.1 Sestavni deli orodja

Orodje je v bistvu sestav iz kovinskih plošč, zatičev, puš, centrirnih obročev, vodilnih stebrov, distančnih letev, izmetačev, vijakov ipd. V nadaljevanju bomo omenili najpomembnejše elemente obeh polovic orodja in jih malo podrobneje predstavili [12].

Najpomembnejši elementi brizgalne polovice so vpenjalna plošča, dolivna puša, centrirni obroč, fiksna gravurna plošča, dolivni sistem in pomična gravurna plošča [12].

2.4.1.1 Dolivna šoba

(39)

Slika 2.10: Na sliki je prikazan prerez, kjer je viden proces potovanja taline od polža, skozi dolivno šobo vse do gravure [12]

Značilnosti dolivne šobe [12]:

‐ navadno je iz kaljenega orodnega jekla;

‐ za preprečevanje sprijemanja mase z jeklom je polirana;

‐ njene dimenzije so odvisne od volumna in viskoznosti materiala, ki se ga uporablja za brizganje ter debeline plošč na brizgalni strani orodja;

‐ sodi med pogosto zamenljive dele orodja.

2.4.1.2 Fiksna in pomična gravurna plošča

Fiksna in pomična gravurna plošča, ki sta vidni na sliki 2.11, sta ključni za preoblikovanje tekoče mase v končno obliko. Fiksna gravurna plošča je navadno vgrajena na brizgalno stran orodja, v njej pa je nameščena dolivna šoba. Pomična gravurna plošča je ponavadi vgrajena v izmetalno polovico orodja, saj se tako najlažje izkoristi izmetalni sistem za izmet izdelka po odprtju orodja [12].

2.4.1.3 Dolivni sistem

Dolivni sistem, ki je prikazan na sliki 2.12, je element v orodju, ključen za prenos staljene mase med dolivno pušo in posameznim gnezdom, v katerem se oblikuje končni izdelek.

Dolivni sistem sestavljata dolivni kanal in ustje. Dobra praksa je pri načrtovanju dolivnega sistema predvideti lovilec nestaljenih vključkov. Ta poskrbi, da se na začetku brizga morebitne strjene delce mase ujame, da ti niso vključeni v izdelek, saj bi bili lahko poleg lepotnih napak vzrok za slabše mehanske lastnosti ipd. Obliko dolivnega kanala običajno

(40)

postopkom obdelave površine, pri katerem uporabljamo namensko oblikovane elektrode.

Ustje je prehodni del med dolivnim kanalom in gnezdom. Oblikovano mora biti tako, da talina zapolni gnezdo z ustrezno hitrostjo in volumnom. Ustje je na videz enostaven element, vendar je s podrobnejšim preučevanjem dogajanja v dolivnem sistemu moč ugotoviti, da lahko s spretno načrtovanim ustjem poleg zagotovitve ustreznega volumna taline in hitrosti zapolnjevanja gravure s talino posežemo še v temperaturno dogajanje v masi. Slednje manipuliramo s predvideno optimalno zožitvijo, ki v masi ustvari notranje trenje, to pa maso dodatno pregreje, kar ji zniža viskoznost. Zaradi tega masa lažje zapolni gnezdo, zaradi povišanja temperature v tem delu pa se del kalupa še dodatno segreje in upočasni strjevanje ustja, kar omogoča pretočnost mase tudi v času faze naknadnega tlaka [12].

Slika 2.11: Na sliki sta vidni fiksna in pomična gravurna plošča [12]

2.4.1.4 Gravura

Izgled končnega izdelka je odvisen od oblike, ki jo izdelamo v pomični in fiksni gravurni

(41)

Teoretične osnove in pregled literature Pri izmetalni polovici orodja so najpomembnejši elementi vpenjalna plošča, izmetalna plošča, temeljna plošča in izmetalni paket [12].

Slika 2.12: Dolivni sistem [12]

2.4.1.5 Vpenjalna plošča

V literaturi [12] opisujejo vpenjalno ploščo kot kovinsko škatlasto U obliko, ki služi kot osnova oziroma ogrodje, na katerega je postavljen izmetalni paket in mora biti dovolj močna, da brizganju ne pride do večjih deformacij. Vpenjalno ploščo prikazuje slika 2.13.

2.4.1.6 Izmetalna in temeljna plošča

Temeljna plošča je postavljena takoj za pomično gravurno ploščo. V bistvu je poglavitna naloga tega vmesnega elementa preprečevanje krivljenja pomične gravurne plošče zaradi nepodprtega dela na pomični gravurni plošči, ki je posledica U oblike vpenjalne plošče. Za dodatno podporo fiksni gravurni plošči se lahko doda tudi podporne stebre, ki so postavljeni med temeljno ploščo in ohišje, kot je prikazano na sliki 2.14 [12].

(42)

Slika 2.13: Na sliki je vpenjalna plošča izmetalne strani v tlorisnem in narisnem pogledu [12]

(43)

Teoretične osnove in pregled literature Izmetalna plošča je element, na katerega so postavljeni in vpeti izmetalni elementi. Izmetalni paket je sestavljen iz izmetalnih elementov, kot so izmetači, povratniki, vodilne puše za izmetalne stebre, izmetalnih stebrov ter osnovne in nosilne izmetalne plošče, kot prikazuje slika 2.15. V nadaljevanju bomo malo podrobneje opisali glavne izmetalne elemente [12]:

‐ Izmetači so v osnovi jeklene cilindrične palice s konično glavo, ki se jih uporablja za izmetavanje zabrizganega strjenega izdelka skupaj z dolivnim sistemom iz orodja po koncu brizgalnega cikla. Poleg prej navedene oblike so lahko izmetači tudi oblikovni, saj s svojo obliko zagotavljajo izgled oz. geometrijo določenega dela izdelka.

‐ Povratniki so lahko v osnovi iste oblike kot izmetači, razlika je le v funkciji, saj povratniki nimajo stika s površino izdelka, temveč je njihova naloga vračanje izmetalnega paketa v izhodiščno lego preko kontakta pomične gravurne plošče z izmetalno površino ob zaprtju orodja.

‐ Izmetač dolivnega keglja je v bistvu bolj dodelan izmetač, ki ima dve funkciji. Prva funkcija je s pomočjo posebne oblike zadržati dolivni kegelj po odprtju orodja, da ta ne ostane v dolivni puši. Druga funkcija pa je skupna izmetačem, torej izmet izdelka, ko je orodje popolnoma odprto. Dolivni kegelj je mogoče zadržati na več načinov (obratni kegelj, utor, z klin, gobasta glava …).

Slika 2.15: Elementi izmetalnega paketa [12]

(44)

2.5 Odzračevanje in odzračevalni kanali

2.5.1 Pomen odzračevanja

Ob zaprtju orodja se prične ob zapolnjevanju gravure zaradi ujetega zraka in plinov večati tlak. Z večanjem tlaka se mešanica plinov segreva vse do neke točke, ko se zaradi visoke temperature in tlaka vžge. Ta pojav imenujemo tudi »diesel efekt«, kos pa ima zaradi tega po brizganju vidne ožganine. Da se temu izognemo, ujeto mešanico plinov odstranimo s pomočjo odzračevanja. Odzračevanje poleg preprečevanja »diesel efekta« tudi razbremeni stroj, saj ni več odpora ujetih plinov in ni več potreben tako visok tlak za zapolnitev gravure.

Ker je čas polnjenja gravure krajši, z ustreznim odzračevanjem dosežemo tudi krajši cikel brizganja. Poleg razbremenitve stroja lahko z odzračevanjem zmanjšamo tudi obrabo orodja, korozijo orodja, zmanjšamo stroške popravila in vzdrževanja orodij itd. [12], [13], [14].

Navadno ločimo odzračevanje na delilni ravnini orodja in odzračevanje prek izmetačev.

Prvo je izvedeno tako, da je na ploskev zabrušen raven utor ali zaporedje utorov, ki vodijo od gravure do roba orodja oz. do atmosfere. Odzračevanje prek izmetačev je izvedeno tako, da je na njem narejen utor oz. več utorov, razporejenih po obodu. Odzračujemo lahko tudi s pomočjo vakuuma. To je še posebej uporabno, ko med brizganjem iz mase izstopajo škodljivi plini, ali pa je masa tako viskozna, da moramo narediti tako majhen kanal, ki ne omogoča, da bi plini brez pomoči vakuuma sami pravočasno zapustili gravuro. Vakuumsko odzračevanje zagotavlja tudi hitrejši odvod plinov iz gravure in posledično lahko hitreje zapolnimo gravure in pridobimo na času cikla. Pravilno določeno odzračevanje zagotovi izhod ujetega zraka in raznih plinov iz gravure, hkrati pa ne dovoli staljeni masi, da bi zapolnila odzračevalne kanale, zato je pomen pravilnega dimenzioniranj velik, saj imamo v nasprotnem primeru lahko v proces vključenih veliko dodatnih stroškov. Poleg naštetih mest odzračevanja se lahko odzračuje že v dolivnem sistemu, kar poskrbi, da se ujetemu zraku v kaviteti oz. gravuri ne prišteje volumna ujetega zraka v dolivnem sistemu. Skladno z literaturo [13] je dobro odzračevanje tisto, ki ga je potrebno le minimalno vzdrževati, ko pa ga je treba, vzdrževanje ne sme biti zahtevno [12], [13].

Poleg odvajanja plinov ima odzračevanje velik pomen tudi zaradi tega, ker s pravilno zasnovo dosežemo [12]:

‐ do 50 % manjši tlak brizganja,

‐ manjše obremenitve stroja in orodja,

‐ cenejšo pripravo mase za brizganje (ni potrebna tako visoka temperatura mase za zapolnitev gravure, tlak brizganja mase je lahko manjši),

‐ krajši cikel brizganja zaradi hitrejše zapolnitve gravure,

‐ boljšo kvaliteto kosa,

‐ nižji izmet in posledično boljši izkoristek materiala,

(45)

Slika 2.16: Na sliki je prikazana enostavna izvedba odzračevanja na delilni ravnini [12]

Slika 2.17: Enostavna izvedba odzračevanja prek izmetačev [12]

2.5.2 Dimenzioniranje odzračevanja s pomočjo priporočil

Odzračevanje je v grobem razpored poti, ki zrak in ostale pline iz gravure spravi na prosto, oziroma, če se poslužujemo vakuumskega odzračevanja, v hranilno posodo. Osnovne dimenzije, ki določajo odzračevalni kanal, so višina oz. globina, širina in dolžina (D x W x L). Najprej je glede na vrsto materiala potrebno določiti ustrezno višino D. Višino se lahko določi glede na viskoznost staljene mase ali pa se uporabi priporočila, prikazana na sliki 2.18. Višina je izmed vseh parametrov najbolj merodajna, saj prav ona v veliki meri narekuje, ali bo izdelek imel prelitja, ožganine in podobne napake. Glede na to, da se v našem primeru pojavljajo prelitja in vemo, da za brizganje uporabljamo zelo tekočo maso, bi bilo,

(46)

zelo tekoč, pa bo mogoče priporočilo iz gradiva [12] še preslabo ocenilo naše stanje. Ker nimamo podatkov o dejanski viskoznosti taline naše mase, smo si morali pomagati z raznimi članki in raziskavami, ki popisujejo viskoznost fenolnih novolačnih smol. Kot je razvidno iz člankov, je viskoznost odvisna predvsem od temperature in molekulske mase. Če primerjamo viskoznost fenol-formaldehidnih smol (PF smol) iz člankov [11] in [15] z viskoznostjo PA [16], potem vidimo, da so PF smole veliko bolj tekoče kot PA. Iz tega vidika bi bilo bolje uporabiti priporočila po literaturi [14], ki so prikazana na sliki 2.19, na kateri vidimo, da je priporočena višina za zelo tekoče materiale še nekajkrat manjša, kot je denimo priporočena višina za PA materiale.

Slika 2.18: Na sliki so priporočila za izbiro višine odzračevalnega kanala glede na mesto odzračevanja [12]

Slika 2.19: Priporočila za višino oz. globino odzračevalnih kanalov [14]

Polimer Globina odzračevanega kanala [mm]

Delnokristalinični termoplasti 0,015

Amorfni termoplasti 0,03

Zelo tekoči materiali 0,003

(47)

Teoretične osnove in pregled literature Na primeru enostavnega kvadratnega kosa, ki ga prikazuje slika 2.20, bi število kanalov določili takole [12]:

‐ 1. korak: Določitev obsega – glede na to, da je stranica dolga 63,5 mm in je lik na delilni ravnini kvadrat, je obseg enak 254 mm.

‐ 2. korak: Z upoštevanjem priporočila, da je 30 % obsega zračenega, morajo odzračevalni kanali imeti skupno 76,2 mm širine.

‐ 3. korak: Z upoštevanjem priporočene širine 6,4 mm moramo tako izdelati 12 odzračevalnih kanalov.

‐ 4. korak: Razporeditev kanalov je praktično zasnovati tako, da se najprej zagotovi odzračevanje na delih, kjer se pričakuje ujet zrak. Ponavadi se zrak ujame v kotih izdelka oz. gravure, v ploskvi nasproti ustja in na ploskvi, ki obdaja ustje.

‐ Na primeru iz literature so kanali postavljeni tako, da so kanale najprej postavili ob kote gravure, ostale pa razvrstili enakomerno po obodu.

Slika 2.20: Primer razporeditve odzračevalnih kanalov iz literature [12]

Nazadnje moramo določiti še dolžino kanala. Pri določanju dolžine je priporočilo za minimalno vrednost 0,79 mm, maksimalno pa 3,2 mm. Če bi priporočeno vrednost presegli, je zelo verjetno, da bi se zaradi kondenzacije začela v kanalu nabirati vlaga, ki bi ovirala izhod plinov. Slika 2.21 prikazuje primer odzračevanja na našem oblikovnem delu, ki se ga preučuje za namen te naloge [12].

(48)

Slika 2.21: Primer odzračevanja na oblikovnem delu orodja

2.5.3 Dimenzioniranje odzračevanja z analitičnim pristopom

Če se ravnamo po literaturi [13], je pristop za dimenzioniranje odzračevanja nekoliko drugačen kot prej prikazani, in sicer se podlaga za zasnovo odzračevanja nanaša na teoretične modele, ki bodo v nadaljevanju malo podrobneje predstavljeni. Glede na to, da je preračun zasnovan za pravokotne odzračevalne kanale, bomo rezultate po izračunu nekoliko prilagodili za umestitev v naš sistem.

Za namen analize je v gradivu [13] za analizo toka taline uporabljena korelacija med strižno napetostjo, strižno hitrostjo in viskoznostjo. Strižna napetost (τ) podaja silo na enoto površine, ki se v primeru polimerne taline kaže kot napetost, do katere prihaja zaradi razlike v hitrosti taline po preseku. Če vključimo izraz dinamična viskoznost (μ), nam ta predstavlja podatek o tem, kako se tekočina upira tečenju, kar si lahko predstavljamo na primeru tekočine, ki prehaja kanal ali cev in je sestavljena iz »slojev«, ki se gibajo z različnimi hitrostmi glede oddaljenost od stene, pri tem pa se najpočasneje premika sloj ob steni, hitrosti pa naraščajo vse do sredine toka, kjer je hitrost največja. Razlike v hitrosti med temi plastmi

(49)

Teoretične osnove in pregled literature Strižna napetost je z viskoznostjo in strižno hitrostjo povezana s formulo (2.1) [13]:

𝜏 = 𝛾̇ ∙ 𝜇 (2.1)

2.5.3.1 PADEC TLAKA

Padec tlaka, ki je posledica viskoznosti taline in strižne sile, ki se pojavi ob stenah kanala, se lahko analizira s pomočjo prvega Newtonovega zakona, ki pravi, da je vsota vseh sil, ki delujejo na neko telo, ki miruje ali se giblje premo enakomerno, enaka nič. Če se orientiramo na sliko 2.22, je potrebno ravnovesje dveh sil, da bo veljala enačba, (2.2) in sicer sile zaradi padca tlaka ter sile, ki je posledica strižne napetosti [13].

∑ 𝐹 = 0 (2.2)

𝐹_∆𝑝= 𝑝₂∙ (𝑊 ∙ 𝐻) − 𝑝₁(𝑊 ∙ 𝐻) = (𝑝₂− 𝑝₁) ∙ (𝑊 ∙ 𝐻) (2.3)

𝐹𝜏= 2 ∙ 𝜏 ∙ (𝐿2− 𝐿1) ∙ 𝑊 (2.4)

Če po prvem Newtonovem zakonu torej zapišemo ravnovesje teh dveh sil, dobimo enačbo (2.5), ki jo lahko uredimo v enačbo (2.6), iz slednje pa lahko popišemo padec tlaka na enoto dolžine, kot opisuje enačba (2.7) [13]:

𝐹_∆p− 𝐹_τ = (𝑝₂− 𝑝₁) ∙ (𝑊 ∙ 𝐻) − 2 ∙ 𝜏 ∙ (𝐿₂− 𝐿₁) ∙ 𝑊 = 0 (2.5)

(𝑝₂− 𝑝₁) ∙ (𝑊 ∙ 𝐻) = 2 ∙ 𝜏 ∙ (𝐿₂− 𝐿₁) ∙ 𝑊 (2.6)

𝑑𝑝 𝑑𝐿=2 ∙ 𝜏

𝐻 (2.7)

Zadnja enačba torej poda padec tlaka na enoto dolžine [13].

(50)

Slika 2.22: Osnovne veličine, ki se pojavijo pri gibanju zraka skozi odzračevalni kanal. Veličini p na sliki predstavljata tlak, L pa dolžino [13]

2.5.3.2 REOLOŠKO OBNAŠANJE

Reologija se ukvarja z deformacijo materiala in njegovim tokovnim obnašanjem. Če prej omenjeno viskoznost opredelimo še na drugi način, nam ta predstavlja podatek o upiranju tekočine proti strižnim napetostim. Ker je viskoznost polimernih talin odvisna od veliko različnih dejavnikov, kot so strižna hitrost, temperatura in tlak, se v praksi velikokrat govori o indeksu tekočnosti polimerne taline (MFI) (ang. melt flow index), saj ta lažje predstavi tečenje materiala, ne poda pa informacije o obnašanju materiala. MFI je torej veličina, ki na enostavnejši način opredeli, kako teče neka polimerna talina in za razliko od viskoznosti ne poda, kako se nek material pri prej naštetih dejavnikih obnaša. MFI je pogosto podan brez enot, podatek pa predstavlja, koliko gramov polimera steče skozi kapilaro pri določeni obremenitvi v desetih minutah. Opredeljuje ga standard ISO 1133 [13].

Ker pa je za opredelitev procesa MFI podatek o obnašanju materiala preskop, je za namen analize procesa potrebno upoštevati viskoznost. Ker je viskoznost odvisna od več parametrov, je bilo razvitih več modelov, s katerimi si lahko pomagamo pri analizi viskoznosti [13]:

‐ Cross - WLF model podaja viskoznost kot funkcijo strižne hitrosti, temperature in tlaka. Viskoznost in prej omenjene veličine povezuje enačba (2.8). 𝜇₀ v enačbi predstavlja newtonski limit, kjer se pri zelo nizkih strižnih hitrostih vrednost viskoznosti približuje konstantni. 𝜏^∗ je kritična vrednost strižne napetosti, kjer viskoznost preide iz newtonskega režima v režim potenčnega zakona (ang. power law), kjer je n indeks krivulje potenčnega zakona pri visokih strižnih hitrostih (ang.

power law index). Slika 2.23 prikazuje Cross-WLF model, pri katerem je prikazan

(51)

Slika 2.23: Cross-WLF model z logaritemskimi osmi, kjer je na x-osi strižna hitrost, na y-osi pa viskoznost [13]

Slika 2.24: Cross-WLF model za primer PC polimera pri treh različnih temperaturah [13]

Avtor v literaturi [13] navaja, da je Cross-WLF model široko uporabljen in zelo primeren za numerične simulacije, se ga pa težko uporabi pri praktičnem ugotavljanju optimalnih parametrov brizganja (ang. manual filling analysis.) [13].

‐ Newtonski model uporablja za analizo viskoznosti Newtonov zakon viskoznosti, ki pravi, da je strižna napetost τ med vzporednimi sloji toka sorazmerna gradientu strižne hitrosti 𝛾̇, μ je dinamična viskoznost, ki je za Newtonove tekočine konstantna. Newtonov zakon viskoznosti popišemo z enačbo (2.9) [13]:

𝜏 = 𝜇 ∙ 𝛾̇ (2.9)

(52)

Na sliki 2.25 je primerjava med newtonskim in nenewtonskim modelom (Cross- WLF). Ker je za polimerne taline znano, da posedujejo nenewtonske lastnosti, je natančno vrednost viskoznosti taline pri newtonskemu modelu moč odčitati le pri strižni hitrosti 7000 s^-1, saj ta model pri nižjih strižnih hitrostih viskoznost podceni, pri večjih hitrostih pa preceni. Prednost tega modela pa je, da je za uporabo zelo enostaven [13].

Slika 2.25: Na sliki je s črtkano črto prikazan newtonski model analize viskoznosti [13]

Pri newtonskem modelu je hitrostni profil toka parabolična funkcija, ki je odvisna od debeline toka »z«, kot prikazuje enačba (2.10) [13]:

𝑣(𝑧) = 𝑣_max∙ (1 − (2 ∙ 𝑧 𝐻 )

2

) (2.10)

V zgornji enačbi (2.10) predstavlja 𝑣_max hitrost sredine toka, »z« v enačbi pa variira od −^𝐻

2 do ^𝐻

2 [13].

Volumski pretok za tak model popiše integral hitrosti po debelini toka, pomnožen s širino kanala, kot prikazuje enačba (2.11) [13]:

𝑉̇ = 𝑊 ∙ ∫ 𝑣max∙ (1 −2 ∙ 𝑧 𝐻 )

2

𝑑𝑧 = 𝑣max∙ 𝑊 ∙ (𝑧 − 𝐻

2 ∙ 3∙ (2 ∙ 𝑧 𝐻 )

3

) || 𝐻

2

−𝐻

𝐻 2

−𝐻 2

=

(53)

Teoretične osnove in pregled literature Navidezno strižno hitrost lahko nato izračunamo s pomočjo povprečne linearne hitrosti toka 𝑣̅ ali volumskega pretoka z vpeljavo enačbe (2.12) [13]:

𝛾̇ =6 ∙ 𝑣̅

𝐻 = 6 ∙ 𝑉̇

𝑊 ∙ 𝐻² (2.12)

S pomočjo tako dobljene strižne hitrosti lahko nato ocenimo viskoznost in jo uporabimo za oceno padca tlaka v kanalu – ∆𝑝. Padec tlaka dobimo, če združimo enačbe (2.7), (2.9) in (2.12), pri čemer dobimo enačbo (2.13), ki je lahko funkcija linearne hitrosti toka ali volumskega pretoka [13]:

∆𝑝 =12 ∙ 𝜇 ∙ 𝐿 ∙ 𝑣̅

𝐻² =12 ∙ 𝜇 ∙ 𝐿 ∙ 𝑉̇

𝑊 ∙ 𝐻³ (2.13)

‐ Model potenčnega zakona (ang. Power law model) pride v poštev, ko se material ne obnaša po Newtonovem zakonu viskoznosti, ki pravi, da viskoznost ni odvisna od strižne hitrosti. Pri takih materialih pravimo, da posedujejo nenewtonske lastnosti.

Za popis nenewtonskih lastnosti je model potenčnega zakona eden najenostavnejših in najpogosteje uporabljenih modelov in pravi, da je viskoznost eksponentna funkcija strižne hitrosti. Enačba (2.14) popisuje model potenčnega zakona, kjer uporabimo za k viskoznost pri strižni hitrosti 1 s^-1, n pa predstavlja indeks modela potenčnega zakona, ki ga dobimo eksperimentalno z metodo aproksimacijske potenčne krivulje [2], [13]:

𝜇 = 𝑘 ∙ 𝛾̇^𝑛−1 (2.14)

Na sliki 2.26 je prikazana primerjava med modelom Cross-WLF in modelom potenčnega zakona. Na grafu je razvidno, da daje model potenčnega zakona odlične ocene viskoznosti pri višjih hitrostih strižne deformacije, vendar pa preceni viskoznost pri nižjih strižnih hitrostih. Prav tako se lahko pričakuje, da bo model potenčnega zakona dal boljše rezultate kot newtonski model, lahko pa se pričakuje, da bo zaradi prevelike ocene viskoznosti pri nižjih strižnih hitrostih padec tlaka z uporabo tega modela večji [13].

Za tok taline, ki se ga opredeli z modelom potenčnega zakona, je hitrostni profil funkcija indeksa modela potenčnega zakona – n. Te povezave popisuje enačba (2.15) [13]:

𝑣(𝑧) = 𝑣_max∙ (1 − (2 ∙ 𝑧 𝐻 )

1+1

𝑛) (2.15)

Podobno kot hitrost je tudi volumski pretok odvisen od indeksa modela potenčnega zakona – n, kar je razvidno v enačbi (2.16) [13]:

𝑉̇ = 𝑊 ∙ ∫ 𝑣_max∙ (1 − (2 ∙ 𝑧 𝐻 )

1+1 𝑛) 𝑑𝑧

𝐻 2

−𝐻 2

= (2.16)

(54)

= 𝑣_max∙ 𝑊 ∙ (𝑧 − 𝐻 2 ∙ (2 +1

𝑛)

∙ (2 ∙ 𝑧 𝐻 )

2+1 𝑛) ||

𝐻 2

−𝐻 2

=

= 𝑣_max∙ 𝑊 ∙ (𝐻 − 2 ∙ 𝐻 2 ∙ (2 +1

𝑛)

) = 𝑣_max∙ 𝑊 ∙ (𝐻 ∙ (2 +1 𝑛) − 𝐻 (2 +1

𝑛)

) =

= 𝑣_max∙ 𝑊 ∙ (𝐻 ∙ (2 +1 𝑛− 1) (2 +1

𝑛)

) = 𝑣_max∙ 𝑊 ∙ 𝐻 ∙1 +1 𝑛 2 +1 𝑛

Iz enačbe (2.16) je razvidno tudi, da v kolikor je n = 1, postane to enačba za newtonski model (enačba (2.11)) [13].

Strižna hitrost se za talino, ki jo ocenjujemo po modelu potenčnega zakona, lahko izračuna podobno kot pri newtonskem modelu s pomočjo povprečne linearne hitrosti toka ali pa z volumskim pretokom, z upoštevanjem indeksa modela potenčnega zakona (n) in vpeljavo enačbe (2.17) [13]:

𝛾̇ =2 ∙ (2 +1 𝑛) ∙ 𝑣̅

𝐻 =2 ∙ (2 +1 𝑛) ∙ 𝑉̇ 𝑊 ∙ 𝐻²

(2.17)

Enačbe (2.7), (2.14) in (2.17) se nato lahko združi za izračun padca tlaka, in sicer v odvisnosti od povprečne linearne hitrosti toka ali pa volumskega pretoka, kot je prikazano v enačbi (2.18) [13]:

∆𝑝 =2 ∙ 𝑘 ∙ 𝐿

𝐻 ∙ (2 ∙ (2 +1 𝑛) ∙ 𝑣̅

𝐻 )

𝑛

=2 ∙ 𝑘 ∙ 𝐿

𝐻 ∙ (2 ∙ (2 +1 𝑛) ∙ 𝑉̇ 𝑊 ∙ 𝐻² )

𝑛

(2.18)

Za pregled uporabnosti zgoraj opisanih teoretičnih modelov je v literaturi [13] naveden preizkus z večgnezdnim testnim orodjem, narejenim po standardih ameriškega združenja za testiranje in materiale (ASTM), ki je imelo v gravurah pritrjene piezoelektrične senzorje za merjenje tlaka ter termočlene za merjenje temperature. Izdelek je imel obliko kvadra z dimenzijami 126 x 12,6 x 3,2 mm. Izdelke so zabrizgali iz dveh različnih materialov, in sicer ABS (GE Plastics Cycolac MG47) in PP (Dow Inspire 702). Temperirni sistem orodja je bil prednastavljen na srednje vrednosti razpona, ki ga predpisujejo dobavitelji materiala. Kosi so bili zabrizgani pri najvišji in najnižji predpisani temperaturi taline ter pri različnih

(55)

Teoretične osnove in pregled literature za material ABS izpustili in prikazali samo rezultate analize pri uporabi materiala PP, ki ima nižjo viskoznost [13].

Rezultati validacije Cross-WLF modela, modela potenčnega zakona, in newtonskega modela so prikazani na sliki 2.27 za material PP, pri čemer prikazuje graf, ki se nahaja na levi strani slike, brizgalni tlak v odvisnosti od volumskega pretoka, graf, umeščen na desno stran slike, pa prikazuje brizgalni tlak v odvisnosti od temperature [13].

Slika 2.26: Na sliki je prikazana primerjava med modelom potenčnega zakona in Cross WLF modelom za polimer PC pri 280 °C [13]