Lubomír Zeman: Vstrekovanie plastov a kvalita povrchov, 2. časť

Meranie drsnosti povrchu

Meranie drsnosti povrchov možno rozdeliť do štyroch základných skupín:

• kvalitatívne meranie – vizuálne – využíva ľudské zmysly – hmat a zrak. Porovnáva sa kontrolovaný povrch materiálu so vzorovými plochami, ktoré majú stanovenú drsnosť, zrak možno podporiť lupou alebo mikroskopom
• metóda porovnávaním – na vyhodnocovanie povrchov sa používajú etalóny s definovanou drsnosťou – obrázok 15, porovnávanie sa vykonáva na viacerých miestach hodnoteného povrchu

Obrázok 15: Komparátor (porovnávač) drsnosti povrchu

• dotykové merania – pri meraní sa využíva rovnomerný pohyb meracieho dotyku po ploche kontrolovanej vzorky, prítlačná sila snímacieho diamantového hrotu je 0,00075 N – ČSN EN 3274, obrázok 16

Obrázok 16: Zhora – dotykové meranie drsnosti na CNC obrábacom stroji – vľavo; dotykový merací prístroj – vpravo/schéma dotykového merania drsnosti/schéma indukčného snímača/snímací dotykový hrot – jeho rádius je elektronicky korigovaný

• bezdotykové merania – opis priestorového plošného povrchu, jeho drsnosti, na rozdiel od dotykovej metódy merania, ktoré je profilové – meria sa v jednom profile – sa tu skladá plocha z mnohých profilov, z nameraných dát sa odvodzujú aj profilové parametre Ra,Rz,Rmax; prístroje na bezdotykové meranie drsnosti zvyčajne používajú metódu svetelného rezu – metóda využíva zväzok rovnobežných lúčov, ktoré sú usmernené tenkou medzerou (štrbinou) do tvaru tenkej roviny, lúče svetla dopadajú na meraný povrch pod uhlom 45° cez definovaný optický systém šošoviek alebo metódu laserového profilovania – metóda využíva triangulačný princíp – laserový lúč je premietaný na meraný povrch,obraz laserového lúča na meranom povrchu sa sníma pod daným uhlom CCD kamerou, senzorom zo snímaného obrazu vyhodnocujeme profil objektu v reze danom laserovým lúčom. Na najpresnejšie hodnotenie drsnosti povrchov sa používajú konfokálne mikroskopy – laserový riadkovací mikroskop, pri ktorom je zdrojom svetla laserový lúč alebo konfokálny mikroskop s rotujúcim diskom bieleho svetla – obrázok 17

1 – Osvetľovacie teleso, 2 – Farebný filter, 3 – Kondenzor, 4 – Štrbina, 5 – Osvetľovací objektív, 6 – Pozorovací objektív, 7 – Posuvná doštička so značkou, 8 – Šošovka, 9 – Meraná plocha

Obrázok 17: Zhora – schéma optiky pre metódu svetelného rezu/meranie mikronerovností – drsnosti pomocou laserového lúča – priemer lúča 0,04 µm = 0,00004 mm/vľavo – schéma laserového konfokálneho riadkovacieho mikroskopu (hodnotenú plochu riadkuje, sníma bod po bode), vpravo – schéma konfokálneho mikroskopu s rotujúcim diskom

• okrem vyššie uvedených bezdotykových techník merania kvality povrchov sa veľmi často používajú prístroje so snímačmi typu CLA – Chromatik Lenght Aberration – biele svetlo sa rozkladá a optikou sa smeruje na kontrolovaný povrch. Optika rozloží svetlo podľa vlnových dĺžok a v každom bode povrchu je zaostrená len určitá vlnová dĺžka . Svetlo odrazené z povrchu prechádza otvorom, ktorý prepustí len svetlo zaostrenej vlnovej dĺžky. Spektrometer vychýli svetlo na maticový senzor, kde je každému bodu pripravená priestorová poloha, ktorá je následne počítačovo spracovaná a vyhodnotená. Namiesto CLA snímačov je možné použiť aj laserové snímače. Tie však nie sú také presné ako snímače CLA. Nasnímané priestorové polohy sú potom spracované špeciálnymi programami, ktoré umožnia 3D spracovanie dát, vrátane 3D vizualizácie, schéma CLA snímača je na obrázku 18  

Obrázok 18: Schéma CLA snímača drsnosti povrchu

Meranie lesku a dezénov

Lesk – vnímanie lesku – lesk je vizuálne vnímanie,dojem, ktorý vzniká pri pozorovaní povrchu daného objektu a výrazne závisí od stavu kvality povrchu hodnoteného dielu, spôsobu jeho osvetlenia a uhla, pod ktorým sa na povrch pozeráme. Čím viac sa priame svetlo od povrchu odráža, tým jasnejší, lesklejší sa povrch bude javiť. Inak povedané – lesk je fyzikálna veličina, hodnotiaca schopnosť povrchu predmetu z daného materiálu, za určitých geometrických podmienok s rôznymi smerovými odrazovými vlastnosťami,odrážať svetlo.

Tu znovu zdôrazním – koncept „hladkosti“ alebo „drsnosti“ v oblasti hodnotenia lesku a v oblasti obrábania je úplne odlišný – drsnosť je pokračovaním malých povrchových nepravidelností v materiáloch vzniknutých po obrábaní. 

Vysoký lesk zodpovedá vysokému odrazu svetla dopadajúceho na objekt, čo znamená, že dopadajúce svetlo sa odráža v jednom hlavnom smere odrazu, uhol odrazu sa rovná uhlu dopadu.

Vnímanie pololesku a matu – toto vnímanie zodpovedá miernejšiemu odrazu svetla dopadajúceho na objekt a to znamená,že dopadajúce svetlo sa odráža rozptylovo. Povrch je tvorený mikrodrsnosťou, ktorá dopadajúce svetlo difúzne rozptyľuje do všetkých odrazových smerov, čím viac je svetlo rozptýlené, tým je menšia intenzita odrazu v hlavnom smere a povrch sa bude javiť matnejší.

Opísané vzťahy medzi leskom a matom ukazuje obrázok 19.

Obrázok 19: Vnímanie lesku – surface,povrch 01 – zrkadlový lesk cez vysoký lesk – povrch 02, technický lesk – povrch 03 až po povrch 04 – mat Modrá šípka – dopadajúci lúč Červená šípka – zrkadlový odraz od povrchu v danom mieste

Meraním lesku sa zaoberá norma ČSN EN ISO 2813:2016 Náterové látky – Stanovenie čísla lesku pri uhle 20°, 60° a 85°. Intenzita odrazeného svetla sa meria v malom uhle odrazu,svetelný zdroj,ktorý simuluje CIE (Medzinárodná komisia pre osvetlenie – Commision Internationale de l´ Éclairage) zdroj C je umiestnený v ohnisku kolimačných šošoviek (tieto šošovky sú navrhnuté tak, aby zachytávali rozbiehavé alebo konvergujúce svetelné lúče a transformovali ich na paralelné, rovnobežné lúče). Výsledky merania sa porovnávajú s etalónom,s množstvom svetla odrazeného čiernym telesom s definovaným indexom lomu np = 1,567 – meraná hodnota lesku pre etalón má hodnotu 100 jednotiek lesku – 100 GU (Gloss Unit).

Na diferenciáciu (rozlíšenie) lesku v celom rozsahu merania – od vysokého lesku po matný povrch, sú štandardizované (normované) tri meracie geometrie – 20°, 60°, 85°. Tri sú z toho dôvodu, že pri porovnávaní rôznych úrovní lesku nemusí jedna meracia geometria, napríklad 60°, poskytnúť výsledok korelujúci (korelácia = vzájomný vzťah medzi veličinami, dejmi, znakmi) s vizuálnym pozorovaním. Každá z troch geometrií používa rovnakú clonu pre zdroj svetla, ale inú clonu pre snímač.

Voľba geometrie závisí od toho, či chceme vykonávať všeobecné hodnotenie lesku alebo porovnávať povrchy s vysokým leskom alebo hodnotiť diely s nízkym leskom. Geometria 60° sa používa pre väčšinu meraní lesku a na určenie, či je lepšie použiť geometriu 20°alebo 85°. Geometria 20° sa s výhodou používa vtedy, keď geometria 60° ukazuje hodnoty vyššie než 70 GU – vysoký lesk. Naopak geometria 85° sa používa na porovnávanie vzoriek s leskom v blízkosti sivosti – keď geometria 60° nameria hodnoty lesku nižšie než 10 GU.  

Na meranie reflexného spektra sa používajú reflexné spektrofotometre, ktoré na zistenie intenzity odrazeného svetla, pre jednotlivé vlnové dĺžky, používajú difrakčné (ohybové) mriežky. Na difrakčnej mriežke rozložené svetlo dopadá na rad fotodetektorov, ktoré premenia dopadajúce svetlo na elektrický signál.

Spektrofotometer sa najskôr sám skalibruje na absolútnu bielu, ktorá žiadne svetlo nepohlcuje a následne dá do pomeru intenzitu odrazeného svetla od meraného objektu k intenzite dopadajúceho svetla a to pre všetky vlnové dĺžky a tak sa získa reflexné spektrum daného objektu.   

Pri ručných spektrofotometroch je difrakčná mriežka fixná (v jednej polohe) a prístroje majú rad fotodetektorov na meranie s odstupom 10 nm. Laboratórne prístroje majú jeden detektor a difrakčná mriežka je otočná, čo umožňuje nastaviť citlivosť intervalu merania na jednotky nm. Ako zdroj svetla pri ručných spektrometroch sa používajú halogénové výbojky alebo LED zdroje. Stolové, laboratórne spektrofotometre sú osadzované xenónovými výbojkami. Merajú sa tak neštruktúrované, leštené, ako aj štruktúrované, dezénované povrchy

Možné príčiny nezhôd pri meraní lesku rovnakého výstreku

Vo všeobecnosti možno uviesť, že v prípade technologických parametrov optimalizovaných vo vzťahu k požiadavkám na kvalitu konkrétneho výstreku sú tieto parametre zvyčajne platné aj pre výrobu výstrekov s požadovaným leskom a kvalitou povrchu - dezénu. Najväčší vplyv na nepriame ovplyvnenie uvedených kvalitatívnych parametrov majú teplotné parametre:

• teplota formy, jej zvýšenie – je výhodnejšie pre lepšiu reprodukciu povrchu tvarovej dutiny formy – lesk, mat, dezén – vyššia teplota = vyšší lesk. Pri čiastočne kryštalických materiáloch zvyšuje kryštalinitu a vytvára rovnomernejšiu štruktúru, znižuje orientáciu plnív, najmä pri PA znižuje absorpciu vody
• teplota taveniny, jej zvýšenie – znižuje orientačné javy, zvyšuje obsah kryštalického podielu a znižuje dokryštalizáciu
• doba trvania cyklu – stredný vplyv na lesk – predĺženie doby cyklu, má obdobný vplyv ako zvýšenie teploty taveniny 
• otáčky závitovky – nízky vplyv na lesk
• rýchlosť vstrekovania – zvýšenie vstrekovacej rýchlosti nevýrazne zvyšuje lesk povrchu a to aj pri dezénovaných, štruktúrovaných povrchoch
• vplyv dotlakovej fázy na kvalitu povrchu výstreku – vykopírovanie dezénu – v závislosti od ústia vtoku ukazuje obrázok 20 

Obrázok 20:  Vzťah medzi leskom x matom povrchu výstreku v závislosti od vzdialenosti povrchu od ústia vtoku v dotlakovej fáze vstrekovacieho procesu

K – povrch tvarového dielu vstrekovacej formy
L – povrch výstreku
A – miesta povrchu v blízkosti ústia vtoku – vysoká tlaková odozva v polymérnej tavenine vo fáze plnenia a následne v chladnúcom výstreku vo fáze dotlaku – povrch tvarových dielov formy je dobre prekopírovaný na povrch výstreku – povrch výstreku s dezénom je matný
B – miesta povrchu ďalej od ústia vtoku – nižšia tlaková odozva v tavenine vo fáze plnenia, respektíve vo výstreku vo fáze dotlaku – horšie vykopírovanie povrchu – dezén má nižší lesk
C – miesta v najväčšej vzdialenosti od ústia vtoku – nízka tlaková odozva v polymérnej tavenine,fáza plnenia,vo výstreku vo fáze dotlaku – najmenej vykopírovaný povrch – povrch výstreku bude mať najvyššiu hodnotu lesku

Možné príčiny nezhôd pri meraní kvality povrchu – lesku – rovnakého výstreku možno nájsť v týchto dôvodoch:

• spektrofotometer – pri meraní lesku rovnakého výstreku viacerými hodnotiteľmi musia títo pracovníci vždy použiť rovnaké prístroje – rovnaký výrobca, rovnaký typ prístroja, rovnakú geometriu merania
• miesto merania na výstreku – pre meranie je vždy bezpodmienečne nutné určiť presné miesto merania povrchu na výstreku – zdôvodnenie tejto požiadavky je na obrázku 20
• zákaznícky merací štandard – na hodnotenie lesku, respektíve dezénu musí zákazník odovzdať ich štandard, t. j. doštičku z rovnakého materiálu ako je hodnotený výstrek s požadovaným leskom alebo dezénom, obe strany musia mať zhodný štandard, ktorým sa ich prístroje budú kalibrovať
• spôsoby merania – pri meraní je nutné postupovať presne podľa odporúčania výrobcu
• vplyv prostredia – na výsledok merania povrchu výstreku môže mať vplyv prostredie, v ktorom sa výstrek hodnotí – teplota, relatívna vlhkosť, UV žiarenie, typ osvetlenia atď., ďalej
• navĺhavosť materiálov výstrekov, starnutie výstrekov, zmena obsahu kryštalického podielu pri čiastočne kryštalických polyméroch, distribúcia plniva vo výstrekoch z kompozitov s termoplastickou matricou. Vplyv prostredia sa môže prejaviť najmä pri výstrekoch vyrábaných z čiastočne kryštalických materiálov a to najviac pri polyamidoch, ktoré sú najviac náchylné na vplyv nasiakavosti a navĺhavosti. Najmä pri PA v závislosti od teploty,času a relatívnej vlhkosti pracovného prostredia výstreku dochádza k navĺhaniu predovšetkým povrchovej vrstvy výstreku, čo je hodnotený povrch, pričom opäť v závislosti od teploty a času, môže tu dochádzať k zmene kryštalického podielu. Oba javy – navĺhavosť a zmena obsahu kryštalického podielu – môžu ovplyvniť lesk aj dezén. Pri kompozitných materiáloch s termoplastickou matricou sa pri meraní môže prejaviť aj distribúcia plniva v povrchových vrstvách a aj orientácia plniva. 

Koniec druhej časti.

Prvú časť nájdete tu.
Tretiu časť nájdete tu.

Titulná fotografia: R & D MOLD MACHINING s. r. o.