• Úvod
  • Odborné články
  • FREMACH TRNAVA, s.r.o. - Vplyv viskozity na plnenie dutiny formy počas procesu vstrekovania

FREMACH TRNAVA, s.r.o. - Vplyv viskozity na plnenie dutiny formy počas procesu vstrekovania

  • 20.06.2019
  • Vstrekovacie formy
FREMACH TRNAVA, s.r.o. - Vplyv viskozity na plnenie dutiny formy počas procesu vstrekovania

Hlavným cieľom je priblížiť reologické vlastnosti plastov a ich vplyv na technológiu vstrekovania plastov v spracovateľskom priemysle. Hlavným sledovaným faktorom je vplyv viskozity materiálu na plnenie dutiny formy. Sledované a vyhodnocované budú 4 testované materiály s rovnakým nastavením parametrov procesu s rôznou viskozitou. Pomocou simulačného softvéru Moldex3D môžeme vidieť, aký vplyv má zmena viskozity materiálu, na plnenie dutiny vstrekovacej formy.

Reológia je veda, ktorá sa zaoberá deformáciou materiálu, na ktorý sa aplikuje sila. Tento termín sa najčastejšie používa pri štúdiu kvapalín a materiálov podobných kvapalinám, t.j. všetky materiály, ktoré tečú. Reológia však tiež zahŕňa štúdium deformácie tuhých látok, ako napríklad pri spracovaní kovov alebo gumy. Dve kľúčové slová sú reologická deformácia a pevnosť. Na to, aby sme zistili niečo o reologických vlastnostiach materiálu, musíme buď zmerať deformáciu vyplývajúcu zo síl, alebo zmerať silu potrebnú na dosiahnutie pozorovanej deformácie. Pre lineárny elastický materiál alebo Newtonovskú tekutinu je jednoduché pozorovanie dostatočné na to, aby sme dokázali zostaviť jednoduchú všeobecnú rovnicu, ktorá opisuje, ako materiály reagujú na akýkoľvek typ deformácie. Takáto rovnica sa nazýva konštitutívna alebo reologická rovnica. Avšak pre zložitejšie materiály, ako je roztavená plastická hmota, je vytvorenie konštitutívnych rovníc oveľa zložitejšou úlohou, ktorá môže vyžadovať výsledky mnohých typov experimentov. Druhým aspektom je vývoj reologických vzťahov, ktoré ukazujú, ako reologické správanie ovplyvnenej štruktúry, materiálového zloženia a teploty a tlaku. V prípade zložitejších materiálov môže vzniknúť vzťah, ktorý ukazuje, ako špecifické reologické vlastnosti, ako napríklad viskozitný a relaxačný modul je ovplyvňovaný molekulovou štruktúrou, zložením, teplotou a tlakom. Všeobecná konštitutívna rovnica bola vyvinutá primárne pre tieto materiály a súčasný stav poznania ich reologického správania je vo veľkej miere založený na empirickom výskume. Táto skutočnosť na jednej strane komplikuje opis a meranie reologických vlastností, ale na druhej strane robí reológiu plastov relatívne novou a zaujímavou vedou (1).

Reologické vlastnosti plastov

Reologické charakteristiky materiálových vlastností, ktoré významne ovplyvňujú tvar a prietok materiálu sa nazývajú aj tokové vlastnosti. Matematická reprezentácia je toková krivka prúdenia, ktorá vyjadruje závislosť šmykového napätia a šmykovom namáhania (deformácia)  materiálu. Prúdenie polymérnych materiálov počas ich spracovania je pseudoplastické a do značnej miery sa odlišuje od prúdenia kvapalín s nízkou molekulovou hmotnosťou (2). Jedným z hlavných rozdielov medzi kvapalinami s nízkou molekulovou hmotnosťou, ktoré sa tiež nazývajú Newtonovské, a vysokomolekulárnymi zlúčeninami, ktoré sa označujú ako neNewtonské, je viskozita. Oxfordským slovníkom je definovaná hodnota viskozity vyjadrujúca veľkosť vnútorného trenia v kvapaline, meraná ako množstvo sily pôsobiacej na jednotku plochy (3). Všeobecnejšie, viskozita je materiálová vlastnosť, ktorá opisuje jej odolnosť voči tečeniu. Kvapalina odoláva pohybu vrstiev častíc s rôznymi rýchlosťami. Je to tiež najbežnejšie reologické meranie a identifikačná hodnota, ale je kvalitatívne odlišná pre Newtonovské a neNewtonské tekutiny. Matematicky môže byť viskozita definovaná ako pomer šmykového napätia a šmykovej rýchlosti (4).

Z pohľadu reológie rozdeľujeme kvapaliny nasledovne:

• Newtonovské - z pravidla nízka molekulová hmotnosť, na opísanie reologického správania počas šmyku sa používa Newtonov zákon. Viskozita materiálových konštánt Newtonovských látok je nezávislá od času a rýchlosti šmykovej deformácie závisí len od teploty, tlaku a molekulových vlastností testovanej látky (5).

• ne-Newtonovské - vysokomolekulárna kvapalina, ktorej tok je nezávislý od času. Ich viskozita nie je konštantná, ale závisí od šmykovej rýchlosti. Závislosť šmykového napätia od šmykovej rýchlosti nie je priamková. Prietokové vlastnosti neNewtonovských kvapalín sú opísané pomocou reogramu.

• Správanie sa neNewtonovských kvapalín počas toku je možno rozdeliť na:

- Pseudoplastické,

- Dilatantné,

NeNewtonovské správanie tekutín môže byť spôsobené niekoľkými faktormi, z ktorých všetky súvisia so štrukturálnou reorganizáciou molekúl tekutiny v dôsledku prúdenia. V polymérnych taveninách a roztokoch je to usporiadanie vysoko anizotropných reťazcov, čo vedie k zníženej viskozite (7).

Faktory ovplyvňujúce reologické vlastnosti

• Šmykové napätie – predstavuje pomer šmykovej sily pôsobiacej na jednotku plochy,

• Šmyková rýchlosť – zmena šmykového namáhania v závislosti od času,

• Teplota – významne ovplyvňuje viskozitu,

• Tlak – ovplyvňuje voľný objem medzi časticami,

• Molekulová hmotnosť a štruktúra – od usporiadania makromolekúl závisí správanie sa plastu,

• Aditíva - chemické zloženie materiálu ovplyvňuje jeho správanie pri spracovaní (4).

Význam reologických vlastností pri simulácii vstrekovania plastov

Prvému vstrekovaniu plastu do formy vždy predchádza simulácia, ktorá by mala identifikovať možné problémy a nedostatky spôsobené vybranými parametrami, ako aj výberom materiálu. Parametre zo simulácie sú rovnako dôležité, ako vstrekovanie zvoleného materiálu, a preto pri čo najpresnejších výstupov simulácii je potrebné zvoliť hodnoty, vrátane reologických vlastností, aby sa dosiahla najlepšia kvalita a čo najpresnejší konečný tvar výrobku.

Na účely stanovenia reologického vplyvu a ich vlastností na výsledný tvar daného vstrekovaného dielu porovnáme výsledky simulácie pre štyri rôzne polymérne materiály použité na vstrekovanie za rovnakých podmienok v dutine formy rovnakého tvaru.

Návrh modelu dielu

Pre účely simulácie bol ako model vstrekovaného dielu navrhnutý plochý obdĺžnikový tvar s otvormi, pričom otvory sú pravouhlé. Tieto otvory sú dôležité na vyhodnotenie a porovnanie stupňa plnenia vstrekovacej formy. Model dielu bude vytvorený v SolidWorks metódou CSG. Najskôr sa vytvorí skica s obdĺžnikovým pôdorisom150x46 mm. Potom sa skicav tvare obdĺžniku vytiahne do priestoru 4mm a tak sa vytvorí objemový prvok. Obdĺžnikové otvory sú vytvárané za pomoci Booleanovských operácií. Vytvorenie vstrekovaného dielu je zobrazené na obrázku 1. Hotový model dielu bol exportovaný vo formáte STEP.

FREMACH 

Obrázok 1: Vytvorenie 3D modelu dielu v prostredí SolidWorks

 


Výber dielu a parametre materiálu

Tab. 1 Základná charakteristika vybraného materiálu

Materiál

Hustota [g.c-3]

Modul pružnosti [MPa]

Pevnosť v ťahu [MPa]

Teplota taveniny [°C]

Bod tavenia [°C]

PA66 Ultramid 1003-2

1,14

3000

85

280-305

252

PC ST5201V

1,20

2400

66

280-320

163

PC XQ83619

1,32

2800

65

280-300

160

POM Ultraform E3320

1,40

2700

64

180-220

170


FREMACH

 

Obrázok 2: Grafické zobrazenie viskozity materiálu

 


Výber vstrekovacieho lisu a vstrekovacie parametre

Ako stroj vhodný na výrobu súčiastok bol navrhnutý na základe zvolených vstrekovacích parametrov vstrekovací lis Engel ES 200/65. V programe SolidWorks bolo zistené, že objem vstrekovaného dielu je 8,8 cm3, rozmery sú 150x46 mm a výška 4 mm. Porovnaním týchto hodnôt s hodnotami v tabuľke 2 vidíme, že v prípade jednonásobnej formy  jasne spĺňa tento vstrekovací lis špecifikácie požadované na výrobu navrhovaného dielu.

Tab. 2 Základné parametre vybraného vstrekovacieho lisu

Parameter

Hodnota

Jednotky

Uzatváracia sila

650

KN

Priemer skrutkovice

25

mm

Maximálny objem vstreku

68

cm3

Priemer centračného krúžku

125

mm

Dráha vyhadzovačov

100

mm

Rozmer upínacej dosky

570x552

mm

Maximálne otvorenie vstrekolisu

430

mm

Výška formy

150

mm


Simulácia vstrekovania v prostredí Moldex 3D

Simulácia vstrekovania do formy bola spracovaná v prostredí Moldex 3D R13.0. Softvér Moldex 3D CAE je určený na vykonávanie simulácie vstrekovania. Ponúka širokú škálu analýz pre rôzne druhy kvapalných plastov. Simulácia prebieha na modeli konečných prvkov, ktorý môže byť vytvorený priamo v prostredí Moldex-in, alebo môže byť použitý model exportovaný z ľubovoľného CAD softvéru vo formáte STEP.

Najprv sa importoval model, ktorý bol predtým vytvorený v SolidWorks. Potom bol vybraný vhodný riešiteľ pre 3D model a taktiež zvolený správny spôsob technológie vstrekovania. Potom sa zadefinovalo vstrekovanie materiálu a procesných parametrov. V strede kratšej bočnej steny bol umiestnený vstupný bod malého priemeru. Nakoniec bola spustená analýza. Tento proces sa opakoval štyrikrát na skutočnosť, že model a parametre simulácie boli rovnaké pre každý z vybraných materiálov.

Vyhodnotenie simulácie

Porovnáme vybraný materiál na konci času vstreku približne po 4 sekundách. Po tejto dobe začne pôsobenie konštantného tlaku 50bar čeliť odporu voči stuhnutiu a ústie vtoku zamrzne, takže predĺženie času vstrekovania nie je relevantné. Skutočné časy vstrekovacích cyklov sa mierne líšia, rádovo stotiny sekundy. Vzhľadom k zjednoteniu hodnotenia výsledkov sme zvolili rovnaký čas pre všetky materiály.

Najprv skontrolujeme hodnotu šmykovej rýchlosti a hodnotu šmykového napätia.

FREMACH 

Obrázok 3: Šmyková rýchlosť a šmykové napätie v priečnom reze pre materiál Ultramid10032

 


Ultramid 1003-2 dosahuje maximálnu šmykovú rýchlosť 65381,1 s-1, ktorá je na okraji ústia vtoku a šmykové napätie v tomto mieste je  0,8MPa. To zodpovedá viskozite približne 12Pas.

FREMACH 

Obrázok 4: Šmyková rýchlosť a šmykové napätie v priečnom reze pre materiál PC ST5201V

 


PC ST5201V dosahuje maximálnu šmykovú rýchlosť 60634,3 s-1, ktorá je na okraji ústia vtoku a šmykové napätie v tomto mieste je 3,87MPa. To zodpovedá viskozite približne 64Pas.

FREMACH 

Obrázok 5: Šmyková rýchlosť a šmykové napätie v priečnom reze pre materiál PC XQ83619

 


PC XQ83619 dosahuje maximálnu šmykovú rýchlosť 63550,7 s-1, ktorá je na okraji ústia vtoku a šmykové napätie v tomto mieste je 2,175MPa. To zodpovedá viskozite približne 34Pas.

FREMACH 

Obrázok 6: Šmyková rýchlosť a šmykové napätie v priečnom reze pre materiál POM UltramidE3320

 


POM UltramidE3320 dosahuje maximálnu šmykovú rýchlosť 86457,6 s-1, ktorá je na okraji ústia vtoku a šmykové napätie v tomto mieste je 3,387 MPa. To zodpovedá viskozite približne 39Pas.

Najväčšiu viskozitu má materiál PC_ST5201V a vo vybranej oblasti približne 64Pas. Preto má najvyšší predpoklad naplniť diel najmenej a za ním nasleduje materiál POM UltramidE3320, ktorý má v danom bode viskozitu 39Pas. Materiál PC_XQ83619 s viskozitou 34 Pas mohol byť naplnený viac. Z uvedených materiálov v danej oblasti má najnižšiu viskozitu plast Ultramid 1003-2 približne 12Pas. Preto má najvyšší predpoklad naplniť diel najviac.

Simulácia plnenia ukázala ako boli v skutočnosti diely naplnené.

FREMACHFREMACH

Obrázok 7: Status taveniny PA66 Ultramid 1003-2 v dutine formy na konci času  vstrekovania

Obrázok 8: Status taveniny PC ST5201V v dutine formy na konci času  vstrekovania


Na obrázku 7 vidíme, že diel je naplnený skoro na 66% objemu dutiny formy. Zo štyroch vybraných materiálov je najnižšej viskozity je PA66 Ultramid 1003-2 sa preto dá očakávať, že vyplní formu v podstatne väčšom rozsahu ako ostatné tri plasty. Simulácia tento predpoklad potvrdila. Obrázok 8 zobrazuje stav plnenia formy materiálom ST5201V PC, ktorý dosiahol približne 30% celkového objemu formy. Vzhľadom k tomu, že tento materiál má podstatne vyššiu viskozitu ako Ultramid PA66 1003-2 predpokladali sme, že vyplní dutinu formy v dolnom rozsahu.

FREMACHFREMACH

Obrázok 9: Status taveniny PC XQ83619 v dutine formy na konci času  vstrekovania

Obrázok 10: Status taveniny POM Ultraform E3320  v dutine formy na konci času  vstrekovania


Obrázok 9 zobrazuje plnenie dielu materiálom XQ83619 PC, ktorý vyplnilo formu asi na 33%, čo je len o niečo viac ako ST5201V PC, čo je vzhľadom na porovnateľnú hodnotu stredne viskóznych materiálov očakávané. Môžeme dospieť k záveru, že napriek rozdielnej povahe dvoch polykarbonátov so strednou viskozitou je rozdiel v toku a naplnení dutiny formy minimálny. Rýchlosť plnenia formy POM Ultraform E3320 je znázornená na obrázku 10 kde vidíme, že výsledok výrazne vyššej viskozity v porovnaní s ostatnými materiálmi, ktoré sa používajú na naplnenie formy pri nižšej  rýchlosti, je len asi 23%. V porovnaní materiálov PC XQ83619 a PC ST5201V nie je tak rapídny pokles  ako v prípade polykarbonátu a polyamidu PA66, aj keď hodnoty rozdielu strednej viskozity sú porovnateľné.

Simulácia plnenia potvrdila predpoklad, že najviac je naplnený diel je s materiálom Ultramid 1003-2. Taktiež bolo potvrdené, že materiály POM UltramidE3320 a PC ST5201V naplnia diel najmenej.

FREMACH 

Obrázok 11: Teplota vstrekovacieho bodu na konci času cyklu

 


Na obrázku 11 môžeme vidieť priemernú teplotu vo vstrekovacom bode pre všetky 4 materiály na konci vstrekovacej fázy. Na odčítanie približných hodnôt teploty porovnávame farebnú škálu stupnice s farebným odtieňom v sledovanej oblasti a za porovnania hodnôt uvedených v tabuľke 1 môžeme konštatovať, že vo všetkých štyroch prípadoch je materiál pod teplotou tavenia. Vzhľadom k tomu nie je možný sekundárny tlak (dotlak) a stav naplnenia formy materiálom je konečný. Pri porovnaní predchádzajúcich obrázkov a ich stavu vo vzťahu k viskozite každého materiálu môžeme povedať, že viskozita ako najdôležitejšia reologická vlastnosť plastovej taveniny počas procesu vstrekovania má významný vplyv na tok materiálu, ako aj na stupeň naplnenia formy. Úplné naplnenie formy sme nedosiahli so žiadnym sledovaným materiálom. Riešením by mohla byť zmena tvaru dielov, zmena vstrekovacích parametrov alebo výber vhodných materiálov s nižšou viskozitou. Odhadujeme, že materiál s približne polovičnou veľkosťou strednej hodnoty viskozity ako materiál Ultramid PA66 1003-2 by bol schopný zaplniť formu bez toho, aby bol zmenený tvar formy alebo sa zmenili parametre vstrekovania.

Záver

Na základe tejto simulácie možno vidieť, ako ovplyvňujú reologické vlastnosti zo štyroch rôznych druhov plastov s použitím rovnakej vstrekovacej formy a vstrekovacích parametrov na finálnych vstrekovaných dieloch. Zistili sme, že materiál Ultramid PA66 1003-2, ktorý mal najnižšiu viskozitu, dosiahol najvyššiu rýchlosť toku taveniny a naplnil formu v najvyššej miere. POM Ultraform E3320, ktorý mal približne dvakrát vyššiu viskozitu ako je stredná viskozita PA66, bol najpomalší. Ak zahrnieme do porovnania aj ďalšie zdroje ako XQ83619 PC a PC ST5201V, môžeme konštatovať, že pomer viskozít a stupňa naplnenia foriem nie je priamo úmerný a na určenie ich vzťahu by bolo potrebné veľké množstvo simulácií z rôznych materiálov. Výsledky uskutočnených simulácií však jasne ukazujú, že viskozita roztaveného materiálu významne ovplyvňuje vstrekovanie finálneho produktu a je dôležitým parametrom, ktorý by sa mal brať do úvahy pri výbere materiálu na vstrekovanie.


Zdroje:

  1. DEALY J., WISSBRUN K. Melt rheology and its role in plastics processing. New York: Van Nostrand Reinhold, 1990. 665 s. ISBN  13-978-1-4615-9740-7
  2. ZEMAN L. Vstřikováni plastů.  BEN - technická literatura, Praha, 2009. 238 s. ISBN 978-80-7300-250
  3. OXFORD DICTIONARIES. Definition of viscosity. [online] 2016. [cit. 2016-4-3]. available on internet: https://www.oxforddictionaries.com/definition/english/viscosity
  4. JAHNÁTEK Ľ., GROM J., NÁPLAVA A. Teória a technológia spracovania plastov. Bratislava: Slovenská technická univerzita, 2005. 188 s. ISBN 80-227-2256-1
  5. UNIVERZITA TOMÁŠA BAŤU V ZLÍNE. Tokové chování polymerních tavenin – reologické modely. Ústav fyziky a materiálového inženýrství UTB. [online] 2010. [cit. 2015-29-11]. Dostupné na internete: http://ufmi.ft.utb.cz/texty/fyzika_pol/FP_02.pdf
  6. VAVRO K., PECIAR M. Procesné strojníctvo I. Vydavateľstvo STU, Bratislava, 1998. ISBN 80-227-1030-X
  7. RHEOSENSE. Viscosity of Newtonian and non-Newtonian Fluids. [online] 2016. [cit. 2016-5-2]. Available on internet:http://www.rheosense.com/applications/viscosity/newtonian-non-newtonian
  • autor:
  • Ing. Lukáš SATIN, PhD.
  • FREMACH TRNAVA, s.r.o.

    FREMACH TRNAVA, s.r.o.

    FREMACH TRNAVA, s.r.o. je dodávateľom vysoko kvalitných precíznych plastických, kovových, mechanických produktov pre automobilový priemysel.



Mohlo by vás tiež zaujímať