Primerjava klasičnega in konformnega hlajenja orodja za brizganje termoplastov

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Primerjava klasičnega in konformnega hlajenja orodja za brizganje termoplastov

Magistrsko delo magistrskega študijskega programa II. stopnje Strojništvo

Uroš Simonič

Ljubljana, september 2021

(2)

(3)

(4)

(5)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Primerjava klasičnega in konformnega hlajenja orodja za brizganje termoplastov

Magistrsko delo magistrskega študijskega programa II. stopnje Strojništvo

Uroš Simonič

Mentor: izr. prof. dr. Tomaž Pepelnjak Somentorica: doc. dr. Lidija Slemenik Perše

Ljubljana, september 2021

(6)

(7)

(8)

(9)

Zahvala

Za pomoč pri izbiri teme magistrske naloge in pri pridobivanju potrebnih praktičnih znanj se zahvaljujem podjetju Polycom Škofja Loka d.o.o. Za vodenje in pomoč pri pisanju magistrske naloge se zahvaljujem tudi mentorju in somentorici na Fakulteti za strojništvo, izr. prof. dr. Tomažu Pepelnjaku ter doc. dr. Lidiji Slemenik Perše. Prav tako se za pomoč pri izvedbi eksperimentalnega dela naloge zahvaljujem tudi Centru za eksperimentalno mehaniko Fakultete za Strojništvo.

Posebej se zahvaljujem svoji družini, ki mi je tekom študija stala ob strani ter me podpirala.

(10)

(11)

(12)

(13)

Izvleček

UDK 678.027.74:621.56/.59(043.2) Tek. štev.: MAG II/937

Primerjava klasičnega in konformnega hlajenja orodja za brizganje termoplastov

Uroš Simonič

Ključne besede: injekcijsko brizganje hlajenje orodja

konformni hladilni kanali polifenilen sulfid

diferenčna dinamična kalorimetrija

V magistrskem delu je predstavljeno hlajenje orodja za injekcijsko brizganje izdelka iz polifenilen sulfida. Primerjali smo preprosto izvedbo hlajenja obravnavanega predela gravure z ravnimi izvrtinami na neenakomerni razdalji od gravure ter konformno izvedbo hlajenja, kjer hladilni kanali sledijo obliki gravure na enakomerni razdalji. Učinkovitost obeh metod smo primerjali z merjenjem temperature orodja po koncu brizga. Hlajenje orodja smo obravnavali tudi s teoretičnega vidika s preračunom toplotne bilance orodja ter simulacijo hlajenja prereza stene izdelka pri različnih temperaturah orodja. Z metodo diferenčne dinamične kalorimetrije, smo na podlagi entalpij taljenja kristalne strukture določili stopnje kristalizacije vzorcev, izdelanih pri različnih pogojih hlajenja.

(14)

(15)

Abstract

UDC 678.027.74:621.56/.59(043.2) No.: MAG II/937

Comparison of classical and conformal cooling of molding tool for thermoplasts

Uroš Simonič

Key words: injection moulding mould cooling conformal cooling polyphenylene sulfide

differential dynamic calorimetry

In the following master's thesis, we discussed cooling of the mould for injection molding of a part made from polyphenylene sulfide. We compared simple cooling channels design with straight drilled holes at an uneven distance from the mould core and conformal cooling design, where the cooling channels follow the shape of the mould core at the almost uniform distance. The effectiveness of both cooling methods was compared by measuring the core temperature at the end of injection cycle. Mould cooling was also considered from a theoretical point of view by calculating the heat balance of the mould and simulating the cooling of the cross section of molded part's wall at the different mould temperatures. Using differential dynamic calorimetry, we determined the degree of crystallization of samples produced under different cooling conditions based on the melting enthalpies of the crystal structures.

(16)

(17)

Kazalo

Kazalo slik ... xvii

Kazalo preglednic ... xix

Seznam uporabljenih simbolov ... xxi

Seznam uporabljenih okrajšav ... xxiii

1 Uvod ... 1

1.1 Ozadje problema ... 1

1.2 Cilji ... 1

2 Teoretične osnove in pregled literature ... 3

2.1 Osnove procesa IBT ... 3

2.1.1 Brizgalni stroj ... 4

2.1.1.1 Brizgalni agregat ... 5

2.1.1.2 Zapiralna enota ... 6

2.1.2 Kalup za IBT ... 6

2.1.3 Temperirni sistem ... 8

2.1.4 Material ... 8

2.1.5 Vhodi in izhodi sistema za injekcijsko brizganje ... 9

2.1.5.1 Vhodi v brizgalni stroj ... 10

2.1.5.2 Vhodi v orodje ... 10

2.1.5.3 Funkcija temperirnega sistema ... 11

2.1.5.4 Izhodi iz orodja ... 11

2.1.5.5 Toplotna bilanca temperiranja orodja ... 11

2.1.6 Brizgalni cikel ... 12

2.2 Polimerni materiali ... 15

2.2.1 Splošne značilnosti termoplastičnih materialov ... 16

2.2.1.1 Amorfni termoplasti ... 16

2.2.1.2 Delno kristalinični termoplasti ... 16

2.2.1.3 Fazne spremembe in pvT diagram ... 17

2.2.1.4 Toplotna prevodnost ... 18

2.2.1.5 Specifična toplotna kapacitivnost ... 19

2.2.1.6 Toplotna difuzivnost ... 19

2.2.2 Polifenilen sulfid ... 20

2.2.2.1 PvT diagram polifenilen sulfida ... 21

2.2.2.2 Specifična toplotna kapacitivnost polifenilen sulfida ... 22

2.2.2.3 Toplotna prevodnost PPS GF40 ... 23

2.2.2.4 Stopnja kristalizacije ... 24

2.3 Temperiranje orodja za IBT ... 27

(18)

2.3.1 Pogoji za optimalno izvedbo hlajenja orodja ... 28

2.3.2 Temperatura orodja ... 29

2.3.2.1 Temperaturni profil površine orodne votline ... 30

2.3.3 Prenos toplote s površine orodja na medij za temperiranje ... 31

2.3.3.1 Položaj hladilnih kanalov glede na steno orodne votline ... 32

2.3.3.2 Izvedbe hladilnih kanalov ... 34

2.3.4 Vpliv materiala orodja na izmenjavo toplote ... 35

2.3.5 Medij za temperiranje ... 37

2.3.6 Naprave za temperiranje ... 38

2.3.7 Konformno hlajenje ... 40

2.3.8 Čas hlajenja ... 42

3 Metodologija raziskave ... 45

3.1 Analiza procesa ... 45

3.1.1 Izdelek ... 45

3.1.2 Material... 45

3.1.3 Orodje ... 46

3.1.4 Temperiranje orodja ... 47

3.1.4.1 Naprave in medij za temperiranje orodja ... 50

3.1.4.2 Temperatura temperiranja orodja ... 52

3.1.5 Proces brizganja... 52

3.2 Izračun potrebne moči temperiranja ... 52

3.2.1 Toplota izmenjana z okolico ... 53

3.2.1.1 Temperatura stranic orodja ... 53

3.2.1.2 Toplota, izmenjana s konvekcijo ... 53

3.2.1.3 Toplota, izmenjana s sevanjem ... 54

3.2.1.4 Toplota, izmenjana s prevajanjem ... 55

3.2.1.5 Toplota odvedena v okolico ... 55

3.2.2 Toplota polimera ... 56

3.2.3 Toplotna bilanca in potrebna moč temperiranja ... 57

3.3 Temperatura stene orodne votline ... 57

3.3.1 Kontaktna temperatura ... 57

(19)

4 Rezultati in diskusija ... 67

4.1 Toplotna bilanca in potrebna moč temperiranja orodja ... 67

4.2 Vpliv izvedbe hladilnih kanalov na temperaturo gravure ... 68

4.3 Simulacija hlajenja polimera ... 71

4.3.1 Temperatura orodja 160°C ... 71

4.3.2 Primerjava hitrosti ohlajanja pri različnih temperaturah orodja ... 72

4.3.3 Spremenljiva temperatura orodja ... 73

4.4 Stopnja kristalizacije polimernega materiala ... 74

5 Zaključki ... 77

Literatura ... 81

Priloga A ... 83

(20)

(21)

Kazalo slik

Slika 2.1: Shematski prikaz elementov stroja za IBT [2]. ... 4

Slika 2.2: Cone plastificirnega cilindra [4]. ... 5

Slika 2.3 Shema dvoploščnega orodja z hladnim razvodom taline [4]. ... 7

Slika 2.4: Hladen in toplo-kanalni razvod taline [6]. ... 7

Slika 2.5 Shematski prikaz vhodov in izhodov iz sistema za IBT. ... 9

Slika 2.6: Toplotni tokovi v in iz orodja za IBT [8]. ... 12

Slika 2.7: Prikaz faz ciklusa IBT v časovnem zaporedju [1]. ... 13

Slika 2.8: Splošna pvT diagrama za amorfne in delno kristalinične termoplaste [10]. ... 17

Slika 2.9: Kemijska formula polifenilen sulfida [12]. ... 20

Slika 2.10 Ortorombična struktura kristala PPS [13]. ... 20

Slika 2.11: Fazne spremembe delno kristaliničnih termoplastov. ... 25

Slika 2.12: Razlika med dobro in slabo izvedenim hlajenjem orodja za IBT [15]. ... 27

Slika 2.13: Shematski prikaz tipičnega temperirnega sistema pri IBT [15]. ... 28

Slika 2.14: Periodično nihanje temperature orodja znotraj cikla IBT [8]. ... 31

Slika 2.15: Prenos toplote na temperirni medij. ... 32

Slika 2.16: Idealna oblika hladilnega kanala [8]. ... 33

Slika 2.17: Primer uporabe okroglih hladilnih kanalov. ... 33

Slika 2.18: Neenakomeren odvod toplote glede na lego hladilnih kanalov. ... 34

Slika 2.19: Izvedbe hlajenja težje dostopnih delov orodja. [16]. ... 34

Slika 2.20: Shematski prikaz delovanja temperirne naprave za visoke temperature. Sestavni deli so popisani v tabeli 2.1 [20]. ... 38

Slika 2.21:Delovna območja tlak - pretok za 3 različne črpalke proizvajalca Wittmann [20]. ... 40

Slika 2.22: Rast temperature ob klasični in konformni izvedbi hladilnih kanalov [21]. ... 41

Slika 3.1: 3D model in gabariti orodja. ... 47

Slika 3.2: Enostavna izvedba hladilnih kanalov. ... 48

Slika 3.3: Prikaz izvrtine hladilnih kanalov pri enostavnem hlajenju. ... 49

Slika 3.4: Izvedba hlajenja po obliki. ... 49

Slika 3.5: Hladilni kanali, izdelani za hlajenje gravure po obliki. ... 50

Slika 3.6: Pomerjene temperature orodnega vložka pred in med proizvodnjo. ... 58

Slika 3.7: Tehtnica za tehtanje posodic z materialom (levo) ter naprava za DSC analizo (desno). . 63

Slika 4.1: Nihanje temperature povratne vode iz orodja pri konformnem hlajenju. ... 70

Slika 4.2: Vhodni podatki v simulacijo. ... 71

(22)

(23)

Kazalo preglednic

Tabela 2.1: Popis sestavnih delov naprave za temperiranje [20]. ... 39 Tabela 3.1: Lastnosti materiala PPS GF40. ... 46 Tabela 3.2: Lastnosti materiala orodja pri temperaturi orodja. ... 47 Tabela 3.3: Lastnosti vode pri temperaturi 160°C in tlaku 0,8 MPa [22]. ... 50 Tabela 3.4: Parametri izdelave vzorcev za DSC analizo. ... 62 Tabela 3.5: Entalpije taljenja in rekristalizacije za posamezne vzorce. ... 66 Tabela 4.1: Izgube toplote iz orodja za IBT z in brez uporabe izolacijskih plošč... 67 Tabela 4.2: Izmerjene in izračunane temperature obeh izvedb orodnih jeder. ... 69 Tabela 4.3: Stopnje kristalizacije obravnavanih vzorcev PPS GF40. ... 74 Tabela 4.4: Normalizirane vrednosti deleža kristalne strukture glede na pogoje hlajenja. ... 75

(24)

(25)

Seznam uporabljenih simbolov

Oznaka Enota Pomen

A m² površina

b Ws^1/2/m²K toplotna prodornost (angl. heat permeativity) c J/kgK specifična toplotna kapacitivnost

D mm premer

h W/m²K koeficient toplotne prestopnosti

H J/kg specifična entalpija

L m višina orodja

m kg masa

p Pa tlak

P W moč

𝑄 J količina toplote

𝑞̇ W toplotni tok

s mm debelina ploskve

T °C, K temperatura

t s čas

𝑉̇ l/min volumski pretok

v m³/kg specifični volumen

v m/s hitrost

X % delež

α m²/s toplotna difuzivnost 𝛽 W/m²K koeficient prevoda toplote

θ / stopnja hlajenja

λ W/mK toplotna prevodnost

υ m²/s kinetična viskoznost

ρ kg/m³ gostota

Indeksi

B brizg

bi brez izolacije

c cikel

DR delilna ravnina

ef efektivno

f tok (angl. flow) g steklast (angl. glassy) GF steklena vlakna

h hlajenje

hk hladilni kanal

I izmetavanje

i izmerjeno

iz izolacija

(26)

j jeklo

K konvekcija

k kristalna struktura

M medij

m taljenje (angl. melting) n naknadni tlak

n normaliziran

o orodje

odp odprto

Ok okolica

P polimer

p izobarno

Pr prevod

prt izdelek

r referenčno

S sevanje

s stična

T toplo-kanalni sistem

t teoretično

tal taljenje

VP vpenjalna plošča ZS zunanja stranica

(27)

Seznam uporabljenih okrajšav

Okrajšava Pomen

ABS akrilonitril butadien stiren

DSC diferenčna dinamična kalorimetrija (angl. differential scanning calorimetry)

GF steklena vlakna (angl. glass fibre)

HTC koeficient toplotne prestopnosti (angl. heat transfer coefficient) IBT injekcijsko brizganje termoplastov

PA poliamid

PBT polibutilen tereftalat

PC polikarbonat

PE polietilen

PEEK polieter eter keton

PMMA polimetil metakrilat

POM polioksimetilen

PP polipropilen

PPS polifenilen sulfid

PS polistiren

pvT diagram diagram medsebojne odvisnosti tlaka, specifičnega volumna in temperature

SFF izdelava trdnin prostih oblik (angl. solid freeform fabrication) TCR toplotna upornost kontakta (angl. thermal contact resistance)

(28)

(29)

1 Uvod

1.1 Ozadje problema

Orodja oz. kalupi za injekcijsko brizganje termoplastov (v nadaljevanju IBT) so ena od gonil sodobne serijske proizvodnje izdelkov iz polimernih mas. Služijo tako proizvodnji milijonskih serij preprostih izdelkov iz cenenih polimerov kot tudi kompleksnejših izdelkov iz visoko kakovostnih inženirskih polimerov za uporabo v visokotehnoloških aplikacijah. Globalni trendi zamenjave kovinskih tehničnih izdelkov s polimernimi ter nižanja cen komponent se izražajo kot povečan pritisk na razvoj orodij za IBT v smislu sposobnosti zagotavljanja ožjih proizvodnih toleranc, boljše dimenzijske stabilnosti ter seveda povečane produktivnosti. Za dosego teh zahtev, je potrebno zagotoviti enakomeren, ponovljiv in hiter odvod toplote, dovedene s talino polimera, z gravure. Ustrezna izvedba hladilnih oz. temperirnih tokokrogov v orodju je zato bistvenega pomena in predstavlja odločilni dejavnik pri nadaljnji kakovosti izdelkov ter produktivnosti.

Izvedbe temperirnih tokokrogov v orodjih so bile dolgo omejene na konvencionalne tehnike izdelave in niso omogočale zahtevnih oblik, ki bi, na enakomerni razdalji od gravure, sledile kompleksni obliki izdelka ter zagotavljale enakomeren in učinkovit prenos toplote. S pojavom aditivnih izdelovalnih tehnologij pa je mogoče ustvariti zapletene oblike temperirnih kanalov, ki natančno sledijo obliki gravure ter zagotavljajo hiter odziv na spremembo temperature gravure, kot posledice dovedene toplote taline polimera.

Takšen način izvedbe hladilnih kanalov imenujemo hlajenje po obliki oz. konformno hlajenje.

1.2 Cilji

V prvem delu bomo na kratko predstavili proces IBT, pri čemer se bomo, poleg osnov procesa ter poteka brizgalnega cikla, osredotočili predvsem na energijske oz. toplotne tokove v orodju in toplotno bilanco sistema IBT. Nato bomo posvetili poglavje polimernim materialom, ki jih bomo obravnavali predvsem z vidika njihovih termičnih lastnosti ter njihovega pomena za odvod toplote pri hlajenju v orodju. Posebej bomo spoznali tudi tehnični polimer polifenilen sulfid (PPS) in njegove termične lastnosti. Teoretični del bomo zaključili s pregledom osnov hlajenja orodij za IBT, pri čemer bomo pregledali vpliv temperature orodja na izdelek, osnovne zakonitosti prenosa toplote z gravure na temperirni

(30)

Uvod

medij, izvedbe hladilnih kanalov, vpliv temperirnega medija in materiala gravure na prenos toplote ter spoznali razliko med klasičnim in konformnim hlajenjem.

S pridobljenimi teoretičnimi osnovami se bomo lotili primerjave klasičnega in konformnega hlajenja realnega orodnega vložka v industriji. Začeli bomo s pregledom samega procesa in orodja ter strukturne razlike med obema tipoma hlajenja, nato pa nadaljevali s spremljanjem učinkovitosti odvoda toplote s posameznega oblikovnega vložka s pomočjo merjenja temperature po koncu brizgalnega cikla, ter primerjali rezultate.

S pomočjo metode končnih razlik bomo simulirali potek ohlajanja prereza stene ulitka v orodju in s pomočjo grafov odvisnosti temperature polimera in preteklega časa hlajenja ocenili vpliv temperature orodja na potreben čas hlajenja. Za konec bomo s pomočjo metode diferenčne dinamične kalorimetrije in merjenja entalpij taljenja vzorcev, vzetih iz izdelkov, ki bodo nabrizgani pri različnih pogojih hlajenja, primerjali vpliv pogojev hlajenja na stopnjo kristalizacije izbranega materiala.

Cilj je torej preko poznavanja procesov prenosa toplote v orodju preučiti vpliv izvedbe hladilnih kanalov na učinkovitost in kakovost izdelave končnih izdelkov. Pričakujemo, da bo zaradi učinkovitejšega odvoda toplote pri uvedbi konformnega hlajenja, temperatura gravure orodja veliko bolj konstantna, kar bo imelo pomemben vpliv na kakovost izdelkov.

Doseči nameravamo pogoje, pri katerih bo nihanje temperature gravure med posameznimi cikli IBT manjše kot 2°C.

(31)

2 Teoretične osnove in pregled literature

2.1 Osnove procesa IBT

Injekcijsko brizganje termoplastov je daleč najbolj razširjen proces predelave termoplastičnih polimerov. Pri tem gre za tlačno zapolnjevanje kalupa, ki predstavlja negativ končnega izdelka. Termoplastičnemu polimeru je potrebno pri tem dovesti dovolj toplotne energije, da dosežemo njegovo nizko viskozno stanje, pri katerem ima polimer sposobnost toka. Takšnega lahko nato vbrizgamo v hlajen kalup, kjer se ohladi in po strditvi obdrži željeno obliko.

V sedanjih časih so stroji in orodja za IBT visoko tehnološki sistemi, ki omogočajo izdelavo kompleksnih izdelkov z maso od 1 mg do več 10 kg, pri čemer so sposobni zagotavljati ozke dimenzijske tolerance ter visoko ponovljivost proizvodnje [1]. Proces je načeloma primeren za večje serijske proizvodnje, kar je povezano predvsem s stroški razvoja orodij za IBT, ki zahtevajo visoko natančnost izdelave, običajno pa vsako orodje služi le izdelavi enega tipa izdelkov.

Čeprav ima tehnologija IBT že zelo dolgo zgodovino in je visoko tehnološko razvita, še vedno obstajajo možnosti za izboljšave, pri čemer gre razvoj predvsem v smeri energetsko učinkovitejše proizvodnje ter samoadaptivnih procesov, pri čemer stroj v realnem času nadzira proces brizganja in kompenzira vplive sprememb vhodnih parametrov v proces. S stališča produktivnosti in kakovosti izdelkov pa je mogoče pomembnejši razvoj brizgalnih orodij oz. kalupov. Tu je izrednega pomena, poleg same zasnove in natančnosti izdelave orodja, odvod toplote iz orodja, ki ima direkten vpliv na produktivnost in kakovost izdelkov. V nalogi bomo podrobneje raziskali prav ta del procesa IBT in analizirali vpliv kakovosti hlajenja na čas brizgalnega cikla in kakovost izdelka.

Nepogrešljivi elementi modernega sistema za injekcijsko brizganje polimerov so brizgalni stroj, kalup oz. orodje, temperirni sistem ter seveda polimerni material. Vsak element bomo na kratko predstavili, nato naredili pregled materialnih, energijskih in informacijskih vhodov in izhodov iz brizgalnega sistema ter predstavili brizgalni cikel.

(32)

Teoretične osnove in pregled literature

2.1.1 Brizgalni stroj

Osnovni sestavni del sistema za IBT je brizgalni stroj s pripadajočimi sklopi. Na sliki 2.1 je shematsko predstavljena sestava stroja, kjer je stroj funkcionalno ločen na brizgalno in zapiralno stran. Prikazan stroj ima hidravlično izvedbo premikanja gibljive vpenjalne plošče ter zagotavljanja zapiralne sile, poznamo pa še drugačne izvedbe, pri katerih se vse pogosteje namesto hidravlike uporabljajo elektromotorji in mehanski zaklepi. Pod sliko so posamezni sklopi tudi poimenovani.

Slika 2.1: Shematski prikaz elementov stroja za IBT [2].

1. Hidravlični cilinder

2. Zapiralni cilinder / cilinder za vodenje izmetalnega paketa 3. Vodila vpenjalnih plošč

4. Gibljiva vpenjalna plošča 5. Dvodelno orodje

6. Mirujoča vpenjalna plošča

7. Greta šoba plastificirnega cilindra 8. Plastificirni vijak oz. polž

9. Plastificirni cilinder

10. Conski grelci plastificirnega cilindra 11. Vstopni lijak granulata

12. Konica polža s proti povratno zaporo

(33)

2.1.1.1 Brizgalni agregat

Brizgalni agregat je sestavljen iz vstopnega lijaka za granulat, selektivno consko ogrevanega plastificirnega cilindra, brizgalnega polža ter vodil in pogona za primik plastificirnega cilindra do vstopne šobe orodja.

Material, običajno v obliki granul, vstopa v plastificirni cilinder skozi lijak, kjer pride v kontakt s plastificirnim vijakom, pogosteje imenovanim plastificirni polž. Slednji z rotiranjem ter hkrati aksialnim gibanjem nazaj po cilindru služi za plastificiranje in homogenizacijo taline ter omogoča izločanje zraka nazaj skozi vstopni lijak. Ob tem se pripravljena masa nabira pred glavo polža in ga potiska nazaj po cilindru. Pri vbrizgavanju pripravljene mase v kalup polž z aksialnim gibom naprej po cilindru služi za potisk taline v orodno votlino ter, preko hidravličnega cilindra, zagotavlja tlak v fazi naknadnega tlaka.

Specifični tlak na batnico polža mora biti dovolj visok, da premaga tlačni upor šobe, razvoda taline v orodju, ustja gravure ter samega polnjena. Rotirajoče gibanje polža pri plastificiranju običajno zagotavlja hidravlični ali elektro motor, aksialno gibanje pa hidravlični pogon. Da talina pri brizgu ne zleze nazaj v cilinder, je takoj za konico polža nameščena proti povratna zapora. Slednja je običajno v obliki drsnega obročka, ki pri plastificiranju oz. doziranju prepušča maso pred konico, pri samem brizganju pa se zapre in tako prepreči iztekanje mase nazaj na vijačnico polža.

Plastificirni cilinder je ključen element za kakovostno pripravo taline. Prostornina cilindra naj bi ustrezala prostornini materiala, ki ga porabimo v 10-20 brizgih, kar je tudi ena od smernic za izbiro primerne velikosti stroja in brizgalnega agregata. Običajno se premer cilindra označuje z D, standardna dolžina cilindra pa je 20 ± 2D. Hod polža po cilindru je 2,5D do 4D, priporočena masa posameznega brizga pa od 1D do največ 3D. Ob dozirnem hodu manjšem od 1D lahko zaradi predolgega zadrževanja taline pride do termične degradacije materiala, kar ima za posledico poslabšanje mehanskih lastnosti in temnejšo barvo materiala. V primeru dozirnega hoda večjega od 3D pa obstaja možnost vdora zračnih vključkov v sprednji del cilindra in posledično napak, kot so lise, žarki, mehurčki itd. [3].

Kot smo že omenili, je plastificirni cilinder selektivno consko ogrevan. Razlog je v zasnovi brizgalnega polža - standardni polž ima tri cone, ki imajo različne premere cevi in višine vijačnic. Posamezne cone polža so prikazane na sliki 2.2.

Slika 2.2: Cone plastificirnega cilindra [4].

(34)

Vstopna cona oz. cona doziranja je namenjena vstopu granulata na vijačnico polža. Višina vijačnice je v tem delu najvišja, temperatura pa ne sme biti previsoka, da se material še ne sprijema in onemogoča izstop zraka iz materiala.

Naslednja je kompresijska cona, kjer je polž oblikovan tako, da višina vijačnice postopno pada, premer cevi pa raste – posledično se pri vrtenju polža material stiska in topi pod vplivom grelcev cilindra ter trenja. Razmerje najvišjega in najnižjega dela vijačnice imenujemo kompresijsko razmerje in je običajno med 2,5 in 3,5. Približno 60% toplote dovedene v tej coni je posledica trenja materiala na polžu ob vrtenju, le 40% pa iz prevoda od grelcev [5]. V tej fazi material prehaja v nizko viskozno stanje in se sprijema. Iz

»taline« se izločajo zračni mehurčki in vlaga, ki se izločajo skozi predhodno cono.

V zadnji, plastifikacijski, coni polža je višina vijačnice zopet enakomerna in zelo nizka. Tu se talina pod vplivom dodatne energije trenja in prevoda iz grelcev dokončno segreje in pod vplivom protitlaka, tj. tlaka na batnico brizgalnega polža, ki nasprotuje gibanju polža nazaj po cilindru, dokončno homogenizira ter steče skozi proti-povratno zaporo v prostor pred konico polža. Tako dobimo homogeno nizko-viskozno maso, pripravljeno za vbrizg v kalup.

2.1.1.2 Zapiralna enota

Zapiralna enota je, kot že rečeno, sestavljena iz mirujoče in gibljive vpenjalne plošče, vodil ter sistema za zagotavljanje gibanja in zadrževanja. Vpenjalni plošči služita vpenjanju kalupov oz. orodij za injekcijsko brizganje. Pri hidravličnih strojih sta povezani z vodili, ki služijo tudi kot batnice cilindrov za premikanje gibljive zapiralne plošče, kar pomeni zapiranje ali odpiranje orodja. Vzpostavitev zapiralne sile, ki kljubuje tlaku mase v orodju pri brizganju, običajno dosežemo s hidravličnim cilindrom, z mehanskim zapiranjem na

»škarje« ali s pomočjo vijaka, ki ga poganja elektromotor.

V sklopu gibljive vpenjalne plošče je običajno še cilinder ali vijak za vodenje izmetalnega paketa orodja, ki služi krmiljenemu razkalupljenju oz. izmetavanju izdelkov iz orodja.

Gibljivo vpenjalno ploščo zato imenujemo tudi izmetalna stran zapiralne enote, mirujočo, na katero je vpet del orodja, na katerega se prisloni šoba plastificirnega cilindra pri vbrizgavanju taline, pa imenujemo dolivna stran zapiralne enote.

(35)

stroja, izmetalna polovica pa na gibljivo vpenjalno ploščo. Orodje se odpre po delilni ravnini, kjer je v oblikovni votlini (tudi gravura oz. gnezdo) definirana oblika končnega izdelka. Orodje ima lahko eno ali več gnezd, kjer lahko proizvajamo enake ali različne izdelke. Pri tem je potrebno paziti na uravnoteženost sil pri brizganju in enakomernost zalivanja posameznih gnezd. Oblikovni plošči orodja, ki nosita oblikovno gnezdo in predstavljata delilno ravnino, označujemo tudi kot A in B ploščo. Z A označujemo oblikovno ploščo na dolivni, z B pa na izmetalni strani orodja, kakor je prikazano na sliki 2.3.

Slika 2.3 Shema dvoploščnega orodja z hladnim razvodom taline [4].

Za zagotovitev polnosti kalupa med brizganjem, mora imeti orodje ustrezen dolivni sistem.

Na sliki 2.4 sta prikazana načina za hladni in topli razvod mase do oblikovnega gnezda, velikokrat pa se uporablja tudi kombinirani dolivni sistemi. Pri hladnem razvodu se talini, po tem ko zapusti brizgalni cilinder, ne dovaja dodatne toplotne energije in v razvodnih kanalih zamrzne. V tem primeru predstavlja celotna masa, ki zamrzne v dolivnih kanalih pred ustjem kalupa, odpadek, ki ga imenujemo dolivek.

Slika 2.4: Hladen in toplo-kanalni razvod taline [6].

(36)

V drugem primeru na sliki 2.4 ima orodje vgrajen toplo-kanalni sistem z grelci, ki z dovajanjem toplote talini vzdržujejo njeno nizko viskozno (tekoče) stanje vse do ustja gravure. V tem primeru odpadka ni, potrebni so nižji brizgalni tlaki za vbrizg mase na gravuro, mogoč je boljši nadzor nad procesom, a je višji začetni vložek ter strošek vzdrževanja [6]. Kombiniran sistem vsebuje toplo-kanalni razvod do neke točke, od koder masa dalje teče po hladnih razvodnih kanalih. Večinoma gre v teh primerih za to, da maso skozi orodje pripeljemo preko toplih kanalov, na delilni ravnini pa nato s hladnim razvodom talino pripeljemo do oblikovnih gnezd. S tem naredimo kompromis med kompleksnostjo orodja in količino odpadnega materiala pri brizgu. Klasičen toplo-kanalni sistem je sestavljen iz predgrelca, ki sprejema talino iz brizgalnega cilindra, bloka, ki služi razvodu taline znotraj orodja ter šobe, ki služi vbrizgu taline v oblikovno gnezdo ali hladen razvod do ustja gnezda.

Običajno je na izmetalni strani orodja prisoten tudi izmetalni paket. Slednji je sestavljen iz izmetalnih delnih vložkov oz. ti. izmetačev, ki so običajno del oblike, vodilne plošče in vodil. Pri izmetavanju oz. razkalupljenju ohlajenega nabrizganega izdelka se celoten izmetalni paket pomakne naprej, pri čemer izmetači odstranijo izdelek iz gravure.

Poleg tega za zahtevnejše oblike, izvrtine, navoje, negative in podobno velikokrat uporabljamo stranska jedra. Slednja se vpeljejo ob zaprtju orodja in tako predstavljajo del oblike orodne votline ter izpeljejo ob odpiranju orodja, da lahko izdelek razkalupimo.

Izvedb je veliko, prav tako načinov njihovega vodenja.

Izredno pomemben sestavni del orodja pa predstavljajo tudi temperirni kanali. Ti služijo prenosu hladilnega medija po posameznih delih orodja ter s tem omogočajo dovod oz.

odvod toplote iz orodja. Več o hladilnih kanalih pa v nadaljevanju, saj jim bomo posvetili celotno poglavje.

2.1.3 Temperirni sistem

Temperirni sistem je sestavljen iz temperirne naprave, temperirnega oz. hladilnega medija in cevi s priključki. Skupaj s temperirnimi kanali v orodju je temperirni sistem izrednega pomena za končni izhod iz procesa, tj. brizgani izdelek. Ustrezno izvedeno temperiranje orodja ima velik vpliv tako na ustrezno zapolnitev oblikovnega gnezda, čas hlajenja in posledično čas cikla, močan vpliv na vizualni izgled površine kosa, zaostale napetosti, skrček, na stopnjo kristalizacije delno kristaliničnih materialov ter na mehanske lastnosti

(37)

Poleg osnovne matrice termoplastičnega polimera, granule pogosto vsebujejo določene ojačitve in polnila, pri čemer so najpogosteje uporabljena steklena vlakna (GF). Slednja občutno povečajo trdnostne lastnosti izdelkov, vplivajo pa tudi na predelovalne lastnosti teh materialov. Materiali z GF delujejo bolj abrazivno na sistem plastificirnega cilindra in orodja in zahtevajo višje temperature predelave. Vlakna vplivajo tudi na skrček polimera pri ohlajanju, ki je v smeri orientiranosti steklenih vlaken veliko manjši od prečnega skrčka [5].

Za predelavo polimerov je pomembna ustrezno nizka stopnja vlažnosti materiala. Nekateri materiali so po naravi bolj higroskopični in hitro vežejo vlago iz okolice, zato jih je potrebno pred predelavo sušiti, polimera PE in PP pa sta značilna nehigroskopična materiala, ki ju običajno ni potrebno sušiti. Prevelika vsebnost vlage ima za posledico težave pri predelavi (uhajanje vlage pri plastificiranju odriva plastificirni polž), žarkasto in zrnasto površino, mehurčke ter krhkost izdelka (posebno pri PBT in PC) [5].

2.1.5 Vhodi in izhodi sistema za injekcijsko brizganje

Na sliki 2.5 so, povzeto po [7], shematsko prikazani materialni, energijski in informacijski vhodi in izhodi procesa za IBT. Brizgalni sistem lahko smatramo kot samostojen sistem, ki je z vhodi in izhodi povezan z okolico. V nadaljevanju nas bodo vhodi in izhodi zanimali predvsem s stališča prenosa toplote.

Slika 2.5 Shematski prikaz vhodov in izhodov iz sistema za IBT.

(38)

Materialni vhod v sistem predstavlja polimerna (termoplastična) masa, izhod iz procesa pa nabrizgan izdelek in morebiten odpadek pri hladnem razvodu taline. Energijske vhode in izhode predstavljajo energija predelave polimera in temperiranja orodja oziroma izgube na brizgalnem agregatu ter skozi orodje. Posebnega pomena so seveda informacijski vhodi:

sprememba pogojev predelave in oblika ter kompleksnost izdelka. Skupaj z izhodi omogočajo optimiranje izdelovalnega procesa [7].

2.1.5.1 Vhodi v brizgalni stroj

Povzeto po delu I. Čatića [7] lahko vhode v sistem IBT razčlenimo na 3 skupine, predstavljene spodaj.

Material

Vrsta polimerne mase direktno vpliva na viskoznost in posledično na predelovalne lastnosti materiala za IBT. Struktura polimera, ki je lahko amorfna ali delno kristalinična, vpliva na količino toplote, ki jo moramo polimeru dovesti, da se segreje na potrebno temperaturo predelave ter na hitrost odvajanja toplote pri ohlajanju.

Energija predelave

Energija potrebna za segrevanje polimera do nizko-viskoznega stanja ter za njegovo vbrizganje v orodno votlino, je sestavljena iz dveh delov: energija potrebna, da se material segreje na temperaturo predelave, ter energija za pogon elementov brizgalnega stroja med ciklom. Slednja je zelo odvisna od tipa in velikosti stroja in jo je težko določiti v splošnem.

Parametri predelave

Parametri predelave so informacijski vhodi v sistem, ki določajo uspešnost brizgalnega cikla. Nekateri služijo direktni kontroli stroja, kot so na primer hitrost pomika brizgalnega polža, ki posredno vpliva na trajanje brizga ter brizgalni tlak, drugi pa so kontrolni in varnostni informacijski vhodi, ki omejujejo posledice kontrolnih parametrov, nihanja lastnosti stroja ter nihanja predelovalnih lastnosti materiala. Nastavljamo tudi temperature cilindra ter toplokanalnega sistema, čase posameznih faz, velikost naknadnega tlak ipd.

(39)

odvisna predvsem od razmerja mase izdelka in površine, ki aktivno oddaja toploto. V delu [7] to značilnost izdelka avtor imenuje kompleksna masivnost izdelka.

2.1.5.3 Funkcija temperirnega sistema

Zelo pomemben s stališča produktivnosti in kakovosti proizvoda je sistem za vzdrževanje konstantne temperature orodja oz. temperirni sistem. Ima dve nalogi: pred pričetkom proizvodnega procesa služi segrevanju orodja na delovno temperaturo, torej dovodu toplotne energije, med samo proizvodnjo pa iz orodja odvaja toplotno energijo, ki jo v orodje vnese talina polimera. Učinkovitost vzdrževanja konstantne temperature je odvisna predvsem od razporeditve hladilnih kanalov v orodju ter pretoka medija za temperiranje.

2.1.5.4 Izhodi iz orodja

Glavni materialni izhod iz orodja je končni produkt, nabrizgan izdelek. Videz in dimenzije izdelka posredujejo tudi informacijski izhod o primerni pripravi materiala, orodja in primernih procesnih parametrih. Velikokrat pa izdelek ni edini materialni izhod, saj je lahko orodje zasnovano tako, da ima hladen razvod taline od šobe brizgalnega agregata ali šobe toplokanalnega sistema do ustja gravure. V tem primeru moramo maso, ki se strdi v tem, ti. dolivnem kanalu izvreči iz orodja po koncu cikla. Tako je izhod iz procesa tudi tako imenovani dolivek, ki predstavlja odpadek.

Energijski izhod iz orodja predstavlja izguba energije v okolico s konvekcijo in sevanjem preko stranic orodja ter prevodom na vpenjalni plošči brizgalnega stroja.

2.1.5.5 Toplotna bilanca temperiranja orodja

Energijske vhode in izhode iz orodja za IBT lahko popišemo s pomočjo toplotne bilance orodja, ki je obenem tudi osnova za določitev potrebne moči hlajenja orodja. Toplotna bilanca orodja je sestavljena iz toplotnih tokov v orodje ter toplotnih tokov iz orodja v okolico ter na medij za temperiranje.

Na sliki 2.6, povzeti po [8], so predstavljeni toplotni vhodi in izhodi v orodje. Enačba (2.1) predstavlja toplotno bilanco toplotnih tokov v orodju za IBT, kjer so toplotni tokovi v orodje pozitivno predznačeni, toplotni tokovi iz orodja pa negativno.

(40)

Slika 2.6: Toplotni tokovi v in iz orodja za IBT [8].

𝑞̇_M = toplotni tok temperirnega medija 𝑞̇_P = toplotni tok, doveden s talino polimera

𝑞̇_T = toplotni tok iz drugih virov, najpogosteje grelcev toplokanalnega sistema 𝑞̇_S = toplotni tok v okolico s sevanjem s stranic orodja na okoliške površine 𝑞̇_K = toplotni tok v okolico s konvekcijo s stranic orodja na okoliški zrak 𝑞̇_Pr = toplotni tok v okolico s prevodom skozi stranice orodja na brizgalni stroj 𝑞̇_Ok = skupni toplotni tok v okolico

𝑞̇_M = 𝑞̇_P+ 𝑞̇_T− (𝑞̇_S+ 𝑞̇_K+ 𝑞̇_Pr) (2.1)

V primeru, da je toplotni tok v okolico večji od toplotnega toka v orodje, bo toplotni tok temperirnega medija, 𝑞̇_M, pozitivno predznačen, saj bo dovajal potrebno toplotno energijo za vzdrževanje toplotne bilance, v nasprotnem primeru pa bo služil za odvod odvečne toplote in bo negativno predznačen. Količino toplote 𝑄 posameznega toplotnega toka v času enega cikla izračunamo kot zmnožek toplotnega toka 𝑞 in časa cikla.

(41)

Slika 2.7: Prikaz faz ciklusa IBT v časovnem zaporedju [1].

Pred pričetkom brizganja morajo biti izpolnjeni naslednji pogoji:

- Material za brizganje mora biti ustrezno pripravljen – predvsem bolj higroskopične tipe materialov je potrebno pred predelavo posušiti na ustrezno nizko stopnjo vlage.

- Posamezne cone plastificirnega cilindra morajo biti ogrete na primerno temperaturo za uporabljen material.

- Orodje mora biti ogreto na ustrezno začetno temperaturo orodja za izbrani material.

- Toplokanalni sistem v orodju mora biti ogret na primerno temperaturo za izbrani material.

Zapiranje orodja

Prva faza brizgalnega cikla je primik gibljive vpenjalne plošče z vpeto izmetalno polovico orodja k dolivni polovici orodja. Pri tem pride do vpeljevanja morebitnih stranskih jeder, ki imajo lahko ločen sistem za krmiljenje (hidravlika, pnevmatika, elektromotor) ali pa so krmiljena s pomočjo vodil – pri približevanju izmetalne polovice se vodila, postavljena pod določenim kotom, na dolivni strani vpeljejo v izvrtine na jedrih na izmetalni strani in vpeljejo jedra na končno pozicijo. Med zapiranjem nadzorujemo hitrost po poti in silo, ki služi kot varovalka pred lomom orodja zaradi tujkov ali ostankov materiala na poti zapiranja – ob morebitnem dosegu najvišje nastavljene sile zapiranja se gibanje prekine.

Ob koncu poti zapiranja se vklopi vzpostavljanje zapiralne sile. Slednja dokončno zapre orodje in predstavlja silo, ki kljubuje sili odpiranja orodja med brizganjem zaradi tlaka v orodni votlini. Pri določanju višine zapiralne sile je potrebno upoštevati projekcijsko površino vseh gnezd in dolivnih kanalov na izmetalno stran orodja ter najvišji tlak mase znotraj orodne votline [5].

(42)

Približevanje cilindra

Približevanje cilindra je velikokrat faza, ki je izvedena le pri prvem ciklu, nato pa cilinder ostane prislonjen na vstopno šobo orodja. Ali bomo cilinder odmikali pri vsakem ciklu je odvisno od izvedbe šobe na cilindru, razvoda taline v orodju, prisotnosti samozaporne šobe v orodju ali na cilindru, predvsem pa od vrste materiala. Željeno je, da je izvedba komponent orodja in cilindra takšna, da odpravi potrebo po primikanju in odmikanju cilindra znotraj vsakega cikla.

Vbrizgavanje

V fazi vbrizgavanja pride do vbrizganja taline v orodno votlino. Vbrizg nadzorujemo s hitrostjo pomika brizgalnega polža in omejujemo s tlakom, ki ga potrebujemo za aksialni pomik brizgalnega polža. Hitrostne profile brizganja določimo glede na material, obliko izdelka ter glede na tlak, ki je potreben za zagotovitev izbrane hitrosti zaradi upora mase pri toku skozi šobo cilindra, dolivni sistem orodja, ustje orodne votline in po gravuri. Pri zalivanju gravure so problem predvsem tanke stene in dolge poti toka taline ter ozki prehodi.

Ob dosegu določene stopnje zapolnitve orodne votline (običajno 80-98%) [1], preklopimo na fazo naknadnega tlaka. Ob prepoznem preklopu lahko, zaradi nenadnega porasta tlaka pri zaustavitvi toka taline in nezmanjšanem aksialnem pomiku brizgalnega polža, pride do tlačnega udara. Slednji lahko povzroči prelitje delov orodja ali celo poškodbo orodja ali stroja [1].

Naknadni tlak

Preklop na naknadni tlak je lahko odvisen od časa brizga, doseženega nastavljenega tlaka na brizgalni polž, največkrat pa je preklop izveden po poti brizganja – ko brizgalni polž doseže nastavljeno pot pomika. Ob preklopu se na batnico polža vzpostavi nastavljen tlak, ki z nenadzorovano hitrostjo polža polni preostali del orodne votline in kompenzira spremembo volumna zaradi skrčka. Vrednost in trajanje naknadnega tlaka se določa glede na vrsto materiala, obliko izdelka in temperaturo orodja, trajati pa mora do zamrznitve ustja orodne votline. Običajno je zaželeno, da naj bi bila blazina preostalega materiala v cilindru, po koncu delovanja naknadnega tlaka, debela vsaj 1/10 premera cilindra [5].

(43)

vrtenja polža – višje hitrosti vrtenja oz. radialne hitrosti polža pomenijo krajši čas priprave taline, a povzročijo višje trenje med molekulami polimera ter s tem več dovedene toplote za plastificiranje. Pri previsokih hitrostih lahko zato pride do termične degradacije materiala, pri prenizkih pa se podaljša čas plastificiranja in zniža temperatura taline [5].

Dodatni čas hlajenja

Hlajenje polimera se prične že v fazi vbrizgavanja v kalup, kjer se v kontaktu s hladnejšimi stenami orodja, polimer prične strjevati ob stenah. Čas ohlajanja se torej prične z vstopom taline v orodje ter traja skozi fazo naknadnega tlaka, fazo priprave taline in fazo dodatnega časa ohlajanja. Čas slednje faze je odvisen od vrste materiala, temperaturne razlike med talino in orodjem, temperature držanja konstantne oblike ulitka, debeline sten izdelka in od dolžine predhodnih dveh faz, v katerih že poteka ohlajanje.

Odpiranje orodja in izmetavanje izdelka

Odpiranje orodja poteka podobno kot zapiranje, le v obratnem vrstnem redu. Po končanem odpiranju orodja, iz njega izmečemo izdelek in morebitne dolivke. Izmetavanje izvedemo s pomočjo izmetalnih igel in delnih vložkov, povezanih v izmetalni paket. Po razkalupljenju izdelka je cikel IBT zaključen.

2.2 Polimerni materiali

Polimeri so naravni ali sintetični materiali, sestavljeni iz dolgih, bolj ali manj razvejanih, molekul, katerih gradniki so majhne enote, monomeri. Monomeri so molekule na osnovi vodika in ogljika z dodatki ostalih elementov, ki, skupaj z načinom vezave, definirajo lastnosti polimera. Kemični proces medsebojne vezave molekul monomerov v verigo, makromolekulo, imenujemo polimerizacija. Število monomernih molekul v makromolekuli je nekje do 10⁶, njihova dolžina pa 10^-6 do 10^-3 mm. Število monomernih molekul v verigi predstavlja stopnjo polimerizacije. Slednjo pri procesu izdelave polimernih materialov skrbno nadzorujemo s parametri procesa in katalizatorji, saj je od nje odvisna tudi molekularna masa makromolekule, ki ima, skupaj z njeno obliko in zgradbo, odločilen vpliv na lastnosti materiala [9].

Glede na način medsebojnega povezovanja makromolekul v polimerno strukturo delimo polimere na termoplaste, duroplaste in elastomere. Vse tri vrste so tehnično pomembni polimeri, ki imajo ogromno podtipov in so uporabni za najrazličnejše namene. Za njihovo predelavo v izdelek se uporabljajo različne metode, med katerimi je verjetno najširše uporabljeno injekcijsko brizganje. Ker pa se procesi za injekcijsko brizganje posamezne vrste polimerov razlikujejo, se bomo v nalogi osredotočili samo na termoplaste, torej na injekcijsko brizganje termoplastov.

V nadaljevanju bomo obdelali termoplastične polimere z vidika njihove strukture ter predstavili nekaj lastnosti teh materialov, predvsem termičnih. Podrobneje bomo spoznali

(44)

material polifenilen sulfid (PPS), katerega ohlajanje v orodju ter stopnjo kristalizacije bomo analizirali v tem delu.

2.2.1 Splošne značilnosti termoplastičnih materialov

Glavna značilnost termoplastičnih materialov je njihova sposobnost večkratnega preoblikovanja, saj lahko teoretično, cikel taljenja z ogrevanjem in strjevanja z ohlajanjem, ponavljamo neštetokrat. Slednje pri duroplastih in elastomerih ni mogoče. Termoplastične polimere delimo glede na njihovo strukturo na dve skupini, amorfne in delno kristalinične.

2.2.1.1 Amorfni termoplasti

Za amorfne termoplaste so značilne dolge in močno razvejane makromolekule, ki se pri ohlajanju medsebojno prepletajo in tvorijo neurejen klobčič. Zaradi razvejanosti, ki onemogoča urejanje in tvorbo kristalinične strukture, so te molekule medsebojno relativno oddaljene, kar je razlog, da so amorfni materiali v osnovi transparentni. Ker so molekule prepletene in ne tvorijo kristalov, se tudi ne usmerjajo v določeno smer – za amorfne materiale je značilna visoka izotropija, kar pomeni da so trdnostne lastnosti materiala v vse smeri enake [9].

Primeri amorfnih materialov so polistiren (PS), polimetil metakrilat (PMMA), polikarbonat (PC) in akrilonitril butadien stiren (ABS). Za amorfne materiale je značilen nizek skrček ter visoka dimenzijska stabilnost do temperature steklastega prehoda Tg. V splošnem imajo dobro odpornost na lezenje in tlačne obremenitve, vendar imajo slabšo kemično odpornost ter slabšo natezno trdnost in udarno žilavost kot delno kristalinični termoplasti [9].

2.2.1.2 Delno kristalinični termoplasti

Pri termoplastih s simetrično zgradbo makromolekul, ki imajo majhno medsebojno razdaljo, so sekundarne medmolekulske sile močne in je možnost urejenega zlaganja oziroma kristalizacije pri ohlajevanju taline velika, ni pa možna 100% kristalizacija. Tako imenovani delno kristalinični materiali so tako sestavljeni iz urejene, kristalinične strukture ter neurejene amorfne matrice.

Kristalinična struktura izboljša trdnost in žilavost, zmanjša pa se togost in trdota polimera.

(45)

V nadaljevanju se bomo posvetili predvsem delno kristaliničnim polimerom, amorfne pa komentirali predvsem v smislu prikazovanja razlik v lastnostih enih in drugih.

2.2.1.3 Fazne spremembe in pvT diagram

Za IBT je ključno, da poznamo tri termodinamske veličine stanja polimera: tlak (p), specifični volumen (v) in temperaturo (T). Vse tri veličine za posamezen material povezuje ti. pvT diagram. PvT diagrama za amorfne in delno kristalinične termoplaste sta prikazana na sliki 2.8.

Slika 2.8: Splošna pvT diagrama za amorfne in delno kristalinične termoplaste [10].

Specifični volumen v je direktno povezan z gostoto materiala ρ preko povezave v=1/ρ.

Odvisen je od temperature in tlaka in se zato tekom predelave s postopkom injekcijskega brizganja spreminja. Poznavanje odvisnosti v-p-T je tako bistveno za uspešno določitev končnega volumna ter s tem dimenzij izdelka [7].

S povečevanjem toplotne energije polimera oziroma višanjem njegove temperature, njegov specifični volumen raste – posledično se gostota polimera zniža. To je posledica povečane energije molekul polimera, zaradi katere se poveča gibljivosti makromolekul. Obratno, povečanje tlaka zaviralno vpliva na njihovo mobilnost in se tako specifični volumen zmanjša. PvT diagram je zato sestavljen iz izobar, ki prikazujejo odvisnost v-T pri posameznem tlaku.

Kot že rečeno ločimo termoplastične materiale na amorfne in delno kristalinične - zgradba amorfnih je v 100% deležu neurejen skupek makromolekul, medtem ko je pri delno kristaliničnih materialih prisoten določen odstotek (20-80% [5]) urejene, kristalne strukture. Struktura ima velik vpliv na potek pvT diagrama, saj pri segrevanju potekajo različni mehanizmi. Pri polimerih poznamo dva toplotna prehoda: temperaturo steklastega prehoda Tg pri amorfnih in delno kristaliničnih termoplastih ter temperaturo taljenja Tm, ki je značilna le za kristalinični del delno kristaliničnih polimerov. Pri obeh prehodih pride do spremembe v specifičnem volumnu in specifični toploti materiala, ki jo bomo predstavili v

(46)

nadaljevanju. Spremenijo se tudi mehanske lastnosti polimera in tako omenjena prehoda pogojujeta območje uporabe in predelave polimera.

V območju steklastega prehoda amorfnega dela prehaja polimer iz steklastega (trdega, krhkega) stanja v visko-elastično (gumijasto) stanje. Pri tem se s povečevanjem notranje energije molekul spreminja način in amplituda nihanja samih molekulskih verig. V steklastem stanju lahko nihajo in rotirajo le posamezni kratki odseki polimernih verig, medtem ko po prehodu v visko-elastično stanje, nihajo in rotirajo celotne makromolekule ali njihovi odseki in se orientirajo v smeri delovanja zunanje sile. Temperatura Tf, pri kateri amorfni del steče, je običajno nekje za 100°C višja od Tg in predstavlja točko, kjer se sprosti translatorno gibanje polimernih verig in je viskoznost polimera dovolj nizka, da lahko le-ta teče [9].

Pri taljenju kristaliničnega dela polimera, ta prehaja iz urejenega, trdnega stanja, v viskozno (tekoče) stanje. Vendar gre v tem primeru za dejanski fizikalni pomen taljenja.

Vezi med molekulami se pretrgajo, zato se ob delovanju zunanje sile celotne polimerne verige premikajo v smeri delovanja sile. Gibljivost makromolekul in njihovih segmentov je velika. Pri ponovnem ohlajanju polimerov, ki so nagnjeni k kristalizaciji, se kristalna struktura prične vzpostavljati pod temperaturo kristalizacije [9]. Hitrost ohlajanja v tistem področju pomembno vpliva na stopnjo kristalizacije polimera, kar bomo obravnavali v nadaljevanju.

2.2.1.4 Toplotna prevodnost

Med predelavo polimerov je temperaturno polje izrazito nestacionarno. Za preračun toplotnih tokov je zato pomembno poznavanje toplotne prevodnosti λ. To je lastnost materiala, ki definira količino toplote, ki jo je mogoče prevesti skozi presek materiala v določenem času [7]. Na vrednost toplotne prevodnosti izrazito vplivata temperatura polimera ter njegova struktura.

V literaturi [7] je navedeno, da so vrednosti toplotne prevodnosti za amorfne materiale med 0,125 do 0,21 W/mK in se relativno malo spreminjajo s temperaturo. Toplotna prevodnost blago raste do Tg zaradi višanja specifične toplotne kapacitivnosti materiala, nato pa zaradi večanja razdalj med molekulami in zato zmanjšanja intenzivnosti medmolekulskih trkov, toplotna prevodnost pade.

Za delno kristalinične polimere Čatić v [7] navaja, da imajo pri nižjih temperaturah

(47)

2.2.1.5 Specifična toplotna kapacitivnost

Specifična toplotna kapacitivnost 𝑐_𝑝 predstavlja količino toplote, ki jo je potrebno dovesti enoti mase m pri izobarnem segrevanju, da temperatura mase naraste za 1 K. Slednjo odvisnost prikazuje enačba 2.2.

𝑐_𝑝 = ∂𝑄

𝑚 ∂𝑇 [ J

kgK] (2.2)

Specifična toplotna kapacitivnost je močno odvisna od temperature in v splošnem raste z dvigom temperature. Pri polimerih je odvisna tudi od strukture, kar pomeni da je potrebno amorfne in delno kristalinične materiale obravnavati posebej. Za amorfne materiale je značilen skok vrednosti cp pri temperaturi Tg, ki pa je veliko manj izrazit kot skok vrednosti v področju taljenja pri delno kristaliničnih materialih. Pod temperaturo Tg imata obe skupini polimerov primerljivi vrednosti cp [7].

Poznavanje toplotne kapacitivnosti materiala pri določeni temperaturi in v področju faznih sprememb je pomembno z vidika zanesljivosti določanja časa in kakovosti hlajenja polimera.

2.2.1.6 Toplotna difuzivnost

Čatić v delu [7] hitrost spremembe temperature polimernega telesa oz. potek širjenja toplote imenuje temperaturna prevodnost, pogosteje pa to lastnost materiala označujemo kot toplotno difuzivnost.

Toplotna difuzivnost materiala je toplotna vztrajnost tega materiala. Lahko se razume kot sposobnost materiala, da prevaja toploto, glede na toploto, ki je shranjena na enoto prostornine. Difuzivnost α(T) je odvisna od toplotne prevodnosti λ(T), gostote polimera ρ(T) in specifične toplote polimera cp(T), pri določeni temperaturi. Odvisnost prikazuje enačba 2.3.

𝛼 = 𝜆

𝜌𝑐_𝑝 [m²

s ] (2.3)

Glede na [7] je vrednost toplotne difuzivnosti skoraj neodvisna od tlaka polimera. Pri preračunih prenosa toplote v procesih se zaradi kompleksnosti običajno uporablja srednja vrednost toplotne difuzivnosti. Glede na [7] izračunavanje vrednosti temperaturne prevodnosti iz vrednosti toplotne prevodnosti, gostote in specifične toplote ni najbolj zanesljivo, sploh pri delno kristaliničnih polimerih, kjer je odvisnost vrednosti od temperature nezanemarljiva. Pri slednjih je vrednost toplotne difuzivnosti močno odvisna od stopnje kristalizacije in je njena vrednost, predvsem v območju kristalizacije materiala, težko določljiva.

(48)

Sposobnost odvoda toplote iz polimera je bistvenega pomena za čas hlajenja, zato je poznavanje vrednosti toplotne difuzivnosti pomembno.

2.2.2 Polifenilen sulfid

Polifenilen je tehnični termoplast z visokim modulom elastičnosti, dobro natezno trdnostjo in dobro dimenzijsko stabilnostjo. Posebno je cenjen zaradi visoke temperature mehčanja (>220°C), negorljivosti in, pod temperaturo 200°C, odlične odpornosti na vsa organska topila. Je delno kristaliničen polimer, kar pomeni, da je delno sestavljen iz urejene, kristalne, strukture ter delno iz neurejene, amorfne, strukture. Delež urejene strukture je definiran s stopnjo kristalizacije polimera in je lahko nekje do 65% [11].

Slika 2.9: Kemijska formula polifenilen sulfida [12].

Makromolekula PPS-a je produkt polimerizacije monomerov v makromolekulo. Osnovni monomer je fenilni obroč z atomom žvepla, kot je prikazan na sliki 2.9. Kristalna struktura PPS-a ima ortorombično ureditev. Dimenzije kristala a=0,867 nm, b=0,561 nm in c=1,026 nm so prikazane na sliki 2.10. Posamezni monomeri oz. molekule se povezujejo v cik-cak ravninsko strukturo. Obroči fenilena so glede na osnovo nagnjeni za 40-45°. Za takšne zgradbe, pri kateri fenilna skupina močno omejuje gibanje polimernih verig, je značilna visoka temperatura faznega prehoda.

(49)

2.2.2.1 PvT diagram polifenilen sulfida

Za razumevanje nadaljnjega dela bomo preučili pvT diagram polifenilen sulfida, ojačanega s 40% steklenih vlaken - PPS GF40. Diagram je povzet po bazi materialov programa MoldFlow in sicer gre za material Fortron 1141L4 proizvajalca Celanese.

Graf 2.1 prikazuje obnašanje, značilno za delno kristalinične materiale. Če opazujemo izobaro pri tlaku okolice, 0 MPa, opazimo da specifični volumen raste enakomerno s temperaturo, vse do začetka taljenja kristalinične strukture. Ta fazna sprememba poteka med temperaturama 260 in 280°C, kjer opazimo tudi strm porast specifičnega volumna. Pri temperaturi višji od 280°C, je rast specifičnega volumna zopet linearna. Z višjim tlakom se temperaturno območje taljena kristalne strukture premika navzgor, specifični volumen polimera pa je zaradi tlačno omejenega gibanja molekul, nižji.

Graf 2.1: PvT diagram PPS-a s 40% steklenih vlaken.

Na grafu 2.2 je prikazan potek specifičnega volumna s tlakom in temperaturo pri vbrizgavanju in hlajenju polimera PPS GF40 v orodju, pri čemer v orodno votlino ne vbrizgamo vse mase naenkrat. Prvi del mase, z višjim specifičnim volumnom, vbrizgamo hitro in tako zapolnimo orodno votlino, ostali del pa vbrizgavamo počasi, da zapolnimo prazen prostor, ki nastane zaradi nižanja specifičnega volumna mase pri hlajenju. Ta faza se imenuje faza naknadnega tlaka, kjer s konstantnim tlakom [5] dovajamo material do zamrznitve ustja orodne votline.

0,6 0,62 0,64 0,66 0,68 0,7 0,72 0,74 0,76

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Specifični volumen [m3/kg]

Temperatura [°C]

0 MPa 50 MPa 100 MPa 150 MPa

(50)

Graf 2.2: Vpliv izobare hlajenja PPS-a s 40% GF na skrček.

Pri zapolnjevanju orodne votline tlak mase izotermno naraste, kakor prikazuje linija A-B, pri čemer se talina močno stisne. V fazi naknadnega tlaka se masa izobarno ohlaja po liniji B-C. V tej fazi se specifični volumen mase znižuje linearno do začetka rekristalizacije – upočasnjuje se gibanje makromolekul polimera. Nagel padec specifičnega volumna označuje začetek kristalizacije polimera. Skrček kompenziramo s konstantnim naknadnim tlakom, do zamrznitve ustja v bližini točke C. Zaradi strjevanja taline in prenehanja prenosa tlaka skozi talino pade tlak v orodni votlini na atmosferski tlak, kar prikazuje linija C-D. Masa se v orodju še naprej krči po liniji D-E, do temperature okolice, tudi ko izdelek razkalupimo. Razlika v specifičnem volumnu ∆𝑣 predstavlja volumski skrček izdelka pri ohlajanju.

Linija A-B' pa prikazuje brizganje z višjim tlakom – 100 MPa. Masa se pod vplivom višjega tlaka močneje stisne, kar pri ohlajanju po izobari B'-C' in dalje po izohori C'-D', pomeni manjše naknadno volumsko krčenje, ∆𝑣′. Visok tlak mase torej ugodno vpliva na dimenzijsko stabilnost zaradi manjšega skrčka, pomeni pa določene tehnološke težave kot so večje zaostale napetosti, pokanje pri razkalupljenju (izdelek nakrčen na gravuro), poškodbe orodja in prelivanje. V praksi je torej primernejša uporaba zmernih tlakov in upoštevanje skrčka pri izdelavi orodja.

(51)

obravnavanega materiala in prikazuje potek vrednosti 𝑐_𝑝(𝑇), kjer je lepo viden drastičen skok vrednosti 𝑐_𝑝 v območju rekristalizacije polimera pri ohlajanju – toplotna energija potrebna za taljenje kristalov polimera, je višja in zato je potrebno za dvig temperature za 1 K dovesti veliko višjo količino energije.

Graf 2.3: Specifična toplotna kapacitivnost PPS GF40 v odvisnosti od temperature.

2.2.2.3 Toplotna prevodnost PPS GF40

Modra krivulja na grafu 2.4, povzetem po podatkovni bazi programa MoldFlow (Fortron 1141L4), prikazuje gibanje toplotne prevodnosti s steklenimi vlakni ojačanega polimernega materiala PPS GF40, kjer opazimo, da se z višanjem temperature polimera blago dviguje tudi toplotna prevodnost λ. Glede na to, da gre za delno kristaliničen material, je takšen potek toplotne prevodnosti v nasprotju s teorijo, opisano v poglavju 2.2.1.4. Rdeča krivulja na grafu 2.4, prav tako povzeta po bazi programa MoldFlow (testirano 10.4.2014 po standardu ASTM D 5930), prikazuje odvisnost toplotne prevodnosti materiala PPS brez polnil, kjer je potek vrednosti toplotne prevodnosti λ v skladu s teorijo in z rastjo temperature močno pada iz vrednosti 0,3 W/mK pri 60°C na vrednost 0,1 W/mK pri 320°C.

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

50 100 150 200 250 300 350

Cp [J/gK]

T [°C]

Cp(T)

(52)

Graf 2.4: Primerjava odvisnosti koeficienta toplotne prevodnosti od temperature za čisti PPS in PPS ojačan s 40% GF.

Glede na primerjavo obeh krivulj na grafu 2.4 lahko zaključimo, da so bistvenega pomena za potek λ(T) tudi polnila – v našem primeru 40% masnega deleža predstavljajo steklena vlakna, ki vplivajo na dejansko rast toplotne prevodnosti s temperaturo. Ker je absolutna rast prevodnosti v našem primeru minimalna, ne naredimo prevelike napake, če vrednost λ vzamemo kot konstanto in ker nas zanima predvsem območje temperatur med 200 in 330°C, bomo za vrednost λ predpostavili, da ni odvisna od temperature in jo aproksimirali z vrednostjo λ=0,29 W/mK, kar je na grafu 2.4 prikazano z rjavo črto.

2.2.2.4 Stopnja kristalizacije

Lastnosti delno kristaliničnih polimerov, kakršen je PPS, so močno odvisne od stopnje kristalizacije in morfološke zgradbe polimerne strukture. Za polimere z aromatskimi skupinami (PEEK, PPS) je značilna počasnejša kristalizacija kot pri ostalih, npr. PE ali POM. V delu [14] je raziskava pokazala, da se z dvigom stopnje kristalizacije PPS materiala, ojačanega s karbonskimi vlakni, iz 51% na 62% izboljšajo kompleksni elastični modul (modul akumulacije energije) za 9,8%, Young-ov modul za 9,2% in strižna trdnost

λ= 0,2927

0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35

0 50 100 150 200 250 300 350

Toplotna prevodnost [W/(mK)]

Temperatura polimera [°C]

PPS GF40 PPS

(53)

Pri delno kristaliničnih polimerih, kakršen je PPS, lahko s pomočjo DSC meritev ugotovimo temperaturo steklastega prehoda Tg in temperaturo kristalizacije. Kot prikazuje shema na sliki 2.11, pride ob segrevanju pri Tg do mehčanja amorfne strukture, segrevanje polimera nad Tm pa povzroči taljenje kristalne strukture – sekundarne medmolekularne sile se pretrgajo. Pri ponovnem ohlajanju se medmolekulske vezi v območju podhlajene taline, pod temperaturo rekristalizacije, zopet vzpostavijo in ponovno uredijo v kristalno zgradbo.

Stopnja kristaliničnosti oziroma odstotek urejene kristalne zgradbe v ponovno ohlajenem polimeru pa ne bo enak kot je bil pred taljenjem – pri hitrem ohlajanju polimerne verige nimajo časa, da se formirajo v kristalno strukturo in bo delež kristaliničnosti majhen.

Nasprotno bo ta delež pri počasnem ohlajanju višji, nikakor pa ne moremo doseči 100%

kristalizacije [14].

Slika 2.11: Fazne spremembe delno kristaliničnih termoplastov.

Za dosego visoke stopnje kristalizacije skozi celoten prerez izdelka pri hlajenju delno kristaliničnih termoplastov v orodju za IBT, je pomembno, da ima stena kalupne votline dovolj visoko temperaturo. Če je temperatura prenizka, pride do podhladitve polimera v stiku s hladnejšo steno, kar onemogoči ali omeji kristalizacijo. Struktura površinskega sloja izdelka bo zato ostala amorfna, kar znatno vpliva na trdnostne lastnosti izdelka. Višja kot bo temperatura orodja, tanjša bo plast amorfne strukture.

Informacijo o stopnji kristalizacije lahko dobimo s pomočjo DSC krivulje, kakršna je na grafu 2.5, kjer eksotermni vrh krivulje prikazuje območje kristalizacije, endotermna vrhova pa taljenja kristalnih struktur v dveh meritvah. DSC meritev na spodnjem grafu se prične s 5 minutno toplotno stabilizacijo vzorca na začetni temperaturi 50°C. Nato se prične gretje s hitrostjo 10 °C/min do temperature 350°C, kar prikazuje zelena krivulja. Pri tem merimo toplotni tok, potreben da se vzorec segreje. Vrh, ki se začne pri temperaturi cca. 266°C, predstavlja pričetek fazne spremembe, ko je potrebno za dvig temperature vzorca dovesti več energije, saj se ta porablja za taljenje kristalne strukture. Integriranje površine vrha poda količino energije, potrebno za celotno fazno spremembo v J na gram polimera.

(54)

Graf 2.5: Krivulje, pridobljene z DSC meritvami vzorca PPS GF40.

Po izotermnem temperiranju vzorca na 350°C se prične ohlajanje vzorca z enako hitrostjo 10°C/min, kar prikazuje temno rdeča krivulja. Pričetek kristalizacije polimera je bil določen pri temperaturi 240°C. V tem primeru merimo odvedeno energijo in vrh predstavlja energijo, ki jo je potrebno odvesti za vnovično kristalizacijo taline.

Vsak material ima svojo temperaturno zgodovino, ki je odvisna od pogojev hlajenja in kasnejših mehanskih in toplotnih obremenitev. Prvo segrevanje vzorca je zato namenjeno brisanju zgodovine in zagotavljanju kontroliranih pogojev za določitev kalorimetričnih lastnosti materiala. Drugo segrevanje, predstavljeno na grafu 2.5 z oranžno krivuljo, ima enak potek kot prvo, a nam poda podatke o nastopu fazne spremembe in potrebni količini energije taljenja pri poznanih in nadzorovanih pogojih ohlajanja.

Za določitev stopnje kristaliničnosti obravnavanega vzorca potrebujemo prvo krivuljo segrevanja, saj nas zanima temperaturna in strukturna zgodovina vzorca. Iz dobljene