PORADNIK

Deformacje kształtu wyprasek

-przyczyny i zapobieganie

Ogólnie znane są przyczyny powstawania odkształceń wyprasek. Wiemy dlaczego powstają wytwory, które zamiast zaplanowanych prostych płaszczyzn i krawędzi mają je powyginane w kierunkach, które szczególnie nam nie odpowiadają. Deformacje powstają na skutek skurczu przetwórczego, który nie przebiega w sposób jednorodny we wszystkich ściankach i fragmentach wypraski oraz nie zachodzi równomiernie w przekrojach ścianek. Powody są dwa: ciepło nie jest równomiernie odprowadzane na skutek zmieniającej się temperatury powierzchni formy oraz ciepło odprowadzane jest z różną prędkością z natury rzeczy różnej grubości ścianek i węzłów konstrukcyjnych wyrobu. Mimo tego, że znając te proste i łatwe do wyobrażenia zjawiska każdy przetwórca ma od czasu do czasu poważne z tym problemy. Przypomnijmy sobie i rozważmy zasady i sposoby, które mogą nam w tym pomóc.

Zniekształcenia powstają na skutek zmniejszania objętości wewnątrz wypraski podczas przejścia stopu tworzywa sztucznego w postać o trwałym kształcie. Skurcz przetwórczy może być albo tylko wynikiem zmniejszenia objętości związanym z rozszerzalnością termiczną (tutaj ujemną) lub dodatkowo jeszcze na skutek przemiany fazowej, charakterystycznej dla tworzyw częściowo krystalicznych. Każda przemiana fazowa, w trakcie której następuje zmniejszenie temperatury, a więc obniżenie energii, polega na wzroście stopnia uporządkowania, czyli upakowania, a więc zwiększeniu skurczu. O tym zjawisku trzeba zawsze pamiętać. Im w polimerze, w gotowym wyrobie, jest więcej fazy krystalicznej, tym większy będzie skurcz przetwórczy. Natomiast faza semikrystaliczna jest postacią stabilną, nie zmieniającą się po procesie wtryskiwania (nie występuje skurcz wtórny), i tym samym bardzo pożądaną . Powstaje ona z większą wydajnością przy małej szybkości chłodzenia.

Jeżeli krzepnie stopione tworzywo sztuczne i jednocześnie zmniejsza swoją objętość to wewnątrz gniazda formującego wytwarza się obszar o zmniejszającym się ciśnieniu. Ta przestrzeń może być uzupełniana ciśnieniem, które właśnie w tym celu tworzy się w fazie docisku. Jednak nie jest możliwe takie oddziaływanie wszędzie i do całkowitego zastygnięcia stopu tworzywa sztucznego, mimo, że przewężkę lokalizujemy w pobliżu najgrubszego fragmentu wypraski.

Gdyby opisany wyżej proces przebiegał symetrycznie w stosunku do ścianek elementu formowanego, można by było mieć nadzieję, że wytworzone naprężenia wewnątrz wypraski zneutralizują się i kształt wyrobu będzie odpowiadał zaprojektowanej formie. Niestety tak zwykle nie jest. Z bardzo wielu powodów szybkość odprowadzania ciepła nie jest jednakowa.

Przy wystąpieniu różnej temperatury powierzchni formy zmienia się położenie warstwy tworzywa wewnątrz ścianki która krzepnie na samym końcu. Oczywiste jest więc, że naprężenia wewnątrz ścianki, stykającej się z powierzchnią formy o wyższej temperaturze (a więc bliżej tej ścianki powstają obszary o niskim ciśnieniu) będą zawijały powierzchnię wypraski do wewnątrz. Bardzo mocno widać ten problem na krawędziach wszystkich stempli. Np. pudełka mają, w mniejszym lub większym stopniu, zawsze kształt poduszki. Jeśli stempel jest wysoki, zjawisko się zaostrza mimo intensywnego chłodzenia.

Wiemy też, że oddziaływanie ciśnienia docisku zmniejsza się do zera w chwili, gdy przewężka ulega zestaleniu. Ciśnienie docisku ma także tym mniejszy wpływ im dalej znajduje się przewężka. Dla grubszych fragmentów większe jest zmniejszenie objętości na skutek skurczu. Jeszcze gorzej jest gdy gniazdo jest niesymetryczne (a tak zwykle bywa). Nawet wtrysk w środek okrągłej płytki wymaga zmiany docisku w funkcji czasu, a wynik nie zawsze jest zadawalający.

Znając zjawisko można poczynić szereg starań, by skutki występowania deformacji mieć pod kontrolą. Są trzy obszary działania, które to umożliwiają: konstrukcja wypraski, konstrukcja formy oraz sam proces formowania.

Projektant elementu, które ma być produkowane metodą wtryskiwania musi zdawać sobie sprawę z wystąpienia naprężeń prowadzących do deformacji. Należy, w oparciu o teorię (ma to uświadomić niniejszy artykuł) oraz doświadczenie, wytypować miejsca i kierunki w których prawdopodobnie pojawią się deformacje. Następnie modyfikować bryłę w kierunku przeciwdziałania zjawisku deformacji, zmniejszenia wpływu czynników jego wywołujących lub nawet jego wykorzystania w pożądanym kierunku (np. wzmocnienie zamknięć, działania zatrzasków, kasowania luzów itp.).

· Zastosowanie tworzywa sztucznego o mniejszym skurczu; amorficznego zamiast częściowo krystalicznego lub z wypełniaczem (sposób dla obu wcześniej wymienionych rodzajów). Jednak napełniane polimery są bardziej sztywne (zwykle jest to zaleta) ale pogarszają się warunki płynięcia w formie. Najistotniejszy jest wpływ (jeśli w ogóle występuje) orientacji wypełniacza podczas płynięcia w formie, co zmienia wielkość skurczu w stosunku do kierunku poprzecznego. Może to spowodować dużą deformację. Taki wpływ mają wypełniacze, które ukierunkowują się w trakcie płynięcia np. włókna. Wypełniacze anizotropowe np. mikrosfery nie mają tego efektu, ale ich efekt wzmacniający jest mniejszy.

· Tworzywo sztuczne o możliwie największym wskaźniku płynięcia lepiej uzupełni stratę objętości powstałą w wyniku skurczu.

· Cieńsze ścianki zastygają wcześniej, będą więc dłuższe. Grubsze natomiast będą krótsze i pociągną do siebie płaszczyzny do nich prostopadłe. Zasadę tą najlepiej przedstawia rysunek:

· Jeżeli wprowadzone żeberka usztywniające są wysokie i cienkie efekt pokazany uwypukli się bardziej. Jeżeli przebiegają one w jednym kierunku ( nie krzyżują się) to zjawisko będzie wyraźne i nie do uniknięcia. Lepiej zastosować więcej niskich żeberek niż tylko kilka wysokich. Należy najpierw przewidzieć użycie cieńszych usztywnień, by następnie w trakcie prób pogrubiając je, uzyskać wypraskę o pożądanym kształcie. Należy jednak pamiętać, że pod grubym żebrem może być widoczne wklęśnięcie.

· Nie należy wprowadzać dużych promieni przy przejściu żeberka w podstawę. Zwiększa to masę tworzywa w węźle konstrukcyjnym i oprócz wklęśnięcia większą deformację, na skutek trudności w odprowadzaniu ciepła. Na rysunku pokazano złe rozwiązanie, poprawne oraz inne często zalecane jako optymalne:

· Jeżeli ze względu na wymagania estetyczne potrzebna jest idealna płaszczyzna a podejrzewamy, że wystąpi jej deformacja, można od razu zrobić ją wypukłą (będzie nawet usztywniała wyrób).

1. Zapewnić równomierne i efektywne odprowadzanie ciepła przy założonej temperaturze z każdego miejsca powierzchni formującej.

2. Doprowadzić stopione tworzywo z możliwie małymi stratami ciśnienia do każdego miejsca gniazda formy. Stworzyć warunki, poprzez takie umiejscowienie odpowiednich co do kształtu i ilości przewężek, by ciśnienie w fazie docisku efektywnie uzupełniało występujący skurcz przetwórczy, w możliwie całej przestrzeni, w jak najdłuższym czasie. W pewnych szczególnych przypadkach można wykorzystać uginanie sprężyste formy pod wpływem ciśnienia. Lekkie przeładowanie formy w punkcie przełączania na docisk i szybkie odcięcie przewężki zbliży nas do technologii stosowanej do formowania soczewek (wtrysk z doprasowaniem). Rezultaty dla prostych płaskich elementów mogą być obiecujące.

3. Umożliwiać ewentualne konieczne poprawy, wynikłe po pierwszych próbach, w celu eliminowania przyczyn powstałych, przewidywanych lub niespodziewanych, deformacji. Ten ostatni warunek, jest oczywisty i nie będziemy wchodzić w jego szczegóły.

Pierwszy warunek jest tak samo prosty jak i w pełnym zakresie niewykonalny. Rozpatrzymy więc, co można zrobić, by uzyskać najlepszy efekt, z kosztem możliwym do przyjęcia:

· Należy stosować efektywne systemy termostatowania, możliwie dużo kanałów w całym obszarze powierzchni formujących, w którym będzie płynął czynnik chłodzący. Nie powinno być obwodów, które się rozwidlają (równoległych). Najlepiej by każdy obwód był sterowany i monitorowany rotametrem.

· Bardzo istotne jest zastosowanie wielu niezależnych obwodów termostatujących tak, by była możliwość zmieniania temperatury nawet w małych fragmentach formy. Oczywiste, że zasadą jest, by w stemplach płynął czynnik chłodzący o dużo niższej temperaturze niż w części matrycowej.

· W miejscach większej koncentracji tworzywa (narożniki i krawędzie) oraz w stemplach układy chłodzące muszą być sprawniejsze.

· Poprawę efektywności odprowadzania ciepła z miejsc krytycznych mogą zapewnić ciepłowody -specjalne elementy o kształcie prętów posiadające właściwości szybkiego przenoszenia ciepła. Jeden koniec tego elementu można osadzać w pobliżu rogu lub krawędzi (szczególnie gdy stemple są wysokie lub stosunkowo cienkie) a drugi w kanale chłodzącym. Pewną namiastką tego rozwiązania będzie zastosowanie w roli ciepłowodu pręta miedzianego.

· Brąz berylowy charakteryzuje się dobrym przewodnictwem ciepła przy dużej twardości (porównywalnej do stali). Wykonuje się z niego wkładki w gniazdach formy w miejscach, w których chcemy zwiększyć transport ciepła (np. naroża stempli w formach na maskownice telewizorów). Ze względu na toksyczność berylu nie można form z takimi wkładkami stosować do wyprasek stykających się z żywnością.

Bardzo często się zdarza, że konieczność ratowania wypraski przed deformacjami spada na proces wtryskiwania. Często po prostu forma jest wykonana bez uwzględnienia uwag przedstawionych wyżej, a ewentualne wykonanie modyfikacji oprzyrządowana nie spełni naszych wymagań. Możliwe są następujące kroki:

· Najprostszym sposobem jest różnicowanie temperatury powierzchni formy. Wyższa temperatura powoduję tendencje do wklęsłości tego fragmentu. Przy skomplikowanych kształtach zwykle nie mamy tu możliwości manewru.

· Bardzo dobre rezultaty może dać wprowadzenie wtrysku wspomaganego gazem. Ciśnienie w gnieździe formy w miejscach, gdzie dociera kanał gazowy jest utrzymywane i regulowane do całkowitego zastygnięcia tworzywa sztucznego. Także gaz można zwykle łatwo rozprowadzić do wymaganych miejsc.

· Docisk ma bardzo duży wpływ na deformację. Zwykle w pierwszej kolejności ustawia się wyższe ciśnienie docisku a następnie niższe (by nie „zamrozić” dodatkowych naprężeń). Bywa jednak właśnie, że odwrotne ustawienie profilu fazy docisku jest najlepsze. Należy w pełni wykorzystywać możliwości sterowania współczesnych maszyn. Niestety często fazę docisku obsługa ustawia tylko na jednym poziomie.

· Deformacje będą mniejsze jeżeli fazę wtrysku czyli napełniania gniazda formy będziemy prowadzili z możliwie małą szybkością. Czasem doprowadzić może to do tego, że proste wypraski uzyskamy gdy np. cienkie żeberka nie będą całkowicie wypełnione ( niedolewy) lub pojawią się wady estetyczne np. ślady płynięcia, zimne łączenia lub „zabielenia” w miejscach zmiany grubości ścianek. Często jest to do zaakceptowania lub do „ukrycia” np. po wprowadzeniu faktury maskującej.

· Także warunki chłodzenia po wyjęciu wypraski z formy mogą poprawić lub raczej ukierunkować deformację . Jeżeli płaski element zaraz po wyjęciu z gorącej formy położymy na izolatorze termicznym (styropian, pianka PUR) to odkształci się on w tym właśnie kierunku. Odkładanie w pozycji pionowej z równomiernym chłodzeniem po obu stronach spowoduje, że deformacje nie wystąpią. To zjawisko najlepiej wykorzystywać tylko do płaskich wyprasek.