ANALIZE ORODIJ IN OBRATOVALNIH RAZMER PRI …• Finomehanika: vse bolj uporablja brizgane visoko...
Transcript of ANALIZE ORODIJ IN OBRATOVALNIH RAZMER PRI …• Finomehanika: vse bolj uporablja brizgane visoko...
-
UNIVERZA V MARIBORU
FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
Tomaž BERGANT
ANALIZE ORODIJ IN OBRATOVALNIH RAZMER
PRI BRIZGANJU POLIMEROV
(PLASTIČNIH MAS)
Diplomsko delo
visokošolskega strokovnega študijskega programa
Strojništvo
Maribor, junij 2011
-
ANALIZE ORODIJ IN OBRATOVALNIH RAZMER
PRI BRIZGANJU POLIMEROV
(PLASTIČNIH MAS) Diplomsko delo
Študent: Tomaž BERGANT
Študijski program: Visokošolski strokovni študijski program Strojništvo
Smer: Proizvodno strojništvo
Mentor: red. prof. dr. Jože Balič
Somentor: izr. prof. dr. Ivo Pahole
Maribor, junij 2011
-
- I -
-
- II -
I Z J A V A
Podpisani Tomaž Bergant izjavljam, da:
• je bilo predloženo diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom red. prof.
dr. Jožeta Baliča in somentorstvom izr. prof. dr. Iva Paholeta;
• predloženo diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev
kakršnekoli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi;
• soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet
Univerze v Mariboru.
Maribor, ______________________ Podpis: _____________________________
-
- III -
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju red. prof. dr. Jožetu Baliču
in somentorju izr. prof. dr. Ivu Paholetu za pomoč in
vodenje pri opravljanju diplomskega dela.
Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili študij.
-
- IV -
ANALIZE ORODIJ IN OBRATOVALNIH RAZMER PRI BRIZGANJU
POLIMEROV (PLASTI ČNIH MAS)
Klju čne besede:
• proces injekcijskega brizganja
• konstrukcija orodja
• procesni parametri
• tlačni senzor - KISTLER
• uporabnost opisane metode v praksi
UDK: 621. 767. 07. : 678 (043.2)
POVZETEK:
Diplomska naloga obravnava konstrukcijo orodij za injekcijsko brizganje polimerov.
Vse večja zahtevanost po kvaliteti in natančnosti izdelkov nam narekuje izvedbo vse bolj
kompleksnih konstrukcij orodij in pri tem tudi uporabo piezo - električnih senzorjev.
Merilo kakovostnega brizganja je potek krivulje notranjih tlakov, pravočasnega preklopa iz
brizgalnega na naknadni tlak in čas delovanja naknadnega tlaka.
Takšne zasnove konstrukcije orodij omogočajo optimalno nastavitev parametrov za
injekcijsko brizganje in s tem tudi kakovost izdelkov.
-
- V -
ANALYSIS OF TOOLS AND WORKING CONDITIONS BY POLYMER FORMING
Key words:
• injection moulding of polymers
• construction of mould
• process parameters
• pressure sensor - KISTLER
• usability in practis
UDK: 621. 767. 07. : 678 (043.2)
ABSTRACT:
The diploma thesis deals with the measurements of the inside pressures in the tool for the
injection moulding of polymers.
The increasing demands for high quality and precision of products require the use of piezo-
electric sensors.
The quality of the injection moulding depends on the curve line of the inside pressures, the
timely switch from the injection to the hold pressure and finally on the operation time of the
hold pressure.
-
- VI -
KAZALO
1. UVOD .................................................................................................................................. 1
1.1 Opis procesa injekcijskega brizganja ................................................................................ 2
1.2 Polimerni materiali ............................................................................................................ 2
1.3 Področja uporabe .............................................................................................................. 3
1.4 Orodja za predelavo polimernih materialov ...................................................................... 4
1.5 Delitev orodij..................................................................................................................... 5
2. KVALITATIVNI IN KVANTITATIVNI PRERA ČUN POSTOPKA POLNJENJA
FORME (MODELI SIMULACIJ) ......................................................................................... 6
2.1 Slika polnjenja in njen pomen ........................................................................................... 7
2.2 Osnovni primer konstruiranja slike polnjenja ................................................................... 7
2.3 Reološko konstruiranje orodij ........................................................................................... 9
2.4 Kriteriji za zapolnjevanje ................................................................................................ 12
2.5 Geometrični vhodni podatki ............................................................................................ 13
2.6 Segmentiranje .................................................................................................................. 17
2.7 Strukturiranje ................................................................................................................... 18
2.8 Preračun ........................................................................................................................... 18
3. RAČUNALNIŠKO PODPRTA IZDELAVA KONCEPTA ORODJA ........ ................. 20
3.1 Metoda polnjenja je pokazala pot.................................................................................... 20
3.2 Priprava geometrije kot ključ za uspeh ........................................................................... 21
3.3 Kompleksni algoritmi so obvladljivi ............................................................................... 21
3.4 Simulacijske tehnike se premalo uporabljajo .................................................................. 22
3.5 Enostavneje in ceneje ...................................................................................................... 22
3.6 Nadaljnji razvoj simulacij ............................................................................................... 23
4. DOLOČANJE ORODJA ZA BRIZGANJE POLIMEROV ................ .......................... 24
4.1 Osnove za določanje orodja ............................................................................................ 25
4.2 Zahteve stroja .................................................................................................................. 26
4.3 Sistem ohišja ................................................................................................................... 28
4.4 Sistem vodenja in centriranja .......................................................................................... 30
4.5 Sistem temperiranja orodja.............................................................................................. 34
4.6 Sistem izmetavanja .......................................................................................................... 37
-
- VII -
5. STROJI ZA INJEKCIJSKO BRIZGANJE POLIMEROV IN VGR ADNJA
SENZORJEV V ORODJE ..................................................................................................... 39
5.1 Merjenje notranjih tlakov v orodju s piezo-električnim senzorjem ................................ 41
6. SKLEP ................................................................................................................................. 45
7. SEZNAM UPORABLJENIH VIROV .............................................................................. 46
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 1 -
1. UVOD
Polimerni materiali so danes naši neprestani spremljevalci in se nahajajo v vseh področjih
našega življenja. Zaradi zelo dobrih in specifičnih fizikalnih lastnosti so nepogrešljivi v
elektroindustriji, gradbeništvu, avtomobilski industriji, proizvodnji embalaže, v prostem času,
zabavi in športu. Tako je hitro naraščanje proizvodnje izdelkov iz polimernih materialov ena
izmed glavnih značilnosti industrijskega razvoja v sodobnem času. Tendenca uporabe je
naraščajoča, saj je vse več vprašanj oziroma zahtev glede gospodarnosti, zmanjšanja teže in s
tem povezanim varčevanjem energije.
Razvoj pridobivanja polimerov, izdelave orodij in procesov brizganja je omogočil, da je
veliko vsakdanje uporabnih izdelkov nadomestil izdelek, ki je narejen s postopkom
injekcijskega brizganja iz polimernih materialov, saj ti izdelki izpolnjujejo vse zahteve
(mehanske, fizikalne, funkcijske, oblikovne, ...). Izdelki iz polimernih materialov so odporni
proti koroziji, kemikalijam, so termični in električni izolatorji, mehanske lastnosti se lahko
primerjajo z lastnostmi kovin. Prav tako je mogoče doseči zelo dobro oblikovane dele.
Izdelke, polizdelke, dolivke pa lahko recikliramo in jih ponovno dodajamo k osnovnemu
materialu v določenih količinah.
V fazi razvoja izdelka se najprej odločamo na kakšen način in iz katerega materiala bo izdelek
narejen (les, jeklo, pločevina ali umetna masa). Izdelek, ki je narejen s postopkom
injekcijskega brizganja, dopušča bolj kompleksno obliko. Pri načrtovanju izdelka pa izhajamo
iz funkcije in oblike. Na koncu sledi še optimiranje izdelka glede na material. Predvideti
moramo možnosti zalitja, vpadna mesta in nastanek hladnih zvarov. Na osnovi tega naredimo
prototipni izdelek. Nato sledijo izboljšave in spremembe izdelka glede na doseženo funkcijo
in obliko.
Ustrezno izbran material bistveno vpliva na kvaliteto in možnost oblike izdelka, zato mora
konstrukter zaradi odločitve o uporabi ustreznega materiala poznati tudi nekaj
najpomembnejših podatkov o materialih, njihovih lastnostih in namenu uporabe.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 2 -
1.1 Opis procesa injekcijskega brizganja
Zelo velik spekter polimernih materialov spremlja več načinov (postopkov) predelave teh
materialov. Med različnimi postopki predelave materialov prevladuje postopek injekcijskega
brizganja. Osnova tega postopka ja injeciranje umetne mase (polimera) v željeno obliko
oziroma v za to namenjeno orodje. Injekcijsko brizganje poteka na strojih, kjer sta glavni
enoti zapiralni in brizgalni del.
V brizgalnem delu je polž, ki z rotacijo opravlja funkcijo doziranja in plastificiranja materiala,
z aksialnim pomikom pa funkcijo injeciranja materiala v orodje. Na začetku brizgalne enote je
lijak z odprtino, kjer material vstopa v dozirno cono polža. Polž s svojo vijačnico pri rotaciji
dozira material in ga s tem potiska v prvi del brizgalne enote. Pri tem procesu se material
zaradi določene temperature plastificira (stali) in preide v tekoče stanje. Z aksialnim pomikom
polža pa material, ki je v tekočem stanju, injeciramo v določeno obliko - orodje, kjer se ohladi
in s tem dobimo željeni izdelek.
Zapiralna enota izvaja operacije zapiranja in odpiranja orodja, posredno pa tudi izmetavanje
izdelka. Med procesom injekcijskega brizganja ima zapiralna enota nalogo, da zagotavlja
zadostno silo, ki ne dopušča razpiranja orodja. Željena zapiralna sila se ustvarja preko
hidravličnih komponent in različnih pogonskih sistemov.
1.2 Polimerni materiali
Pod besedo polimerni materiali razumemo obsežno skupino organskih snovi z
makromolekularno strukturo. Dobimo jih lahko s kemijsko modifikacijo naravnih
makromolekularnih snovi ali s sintezo nizkomolekularnih spojin, dobljenih iz nafte,
zemeljskega plina ali premoga.
Prve umetne mase so bile izdelane iz naravnih makromolekularnih snovi. Že v sredini
devetnajstega stoletja je bila narejena vulkanizacija naravne gume z žveplom. Prva sintetsko
dobljena umetna masa je bila bakelit, to je duroplastična masa na osnovi fenola in
formaldehida. Sledila je sintetična guma. Razvoj na področju polimernih materialov je tekel
in še vedno teče s pospešeno hitrostjo dalje. Vsako leto smo priče novim sintetskim
makromolekularnim materialom, ki se uspešno uveljavljajo na najrazličnejših področjih.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 3 -
Vsem umetnim masam (polimerom) je skupna makromolekularna zgradba. Makromolekule,
kar v prevodu pomeni velike molekule, si lahko poenostavljeno predstavljamo kot dolge
verige, sestavljene iz velikega števila med seboj povezanih členov, nizkomolekularnih spojin,
imenovanih monomeri. Iz besede monomer je izpeljana beseda polimer, ki se povsem
enakovredno uporablja za označevanje umetnih mas.
Kemijske postopke, iz katerih se iz monomerov tvorijo polimeri, imenujemo polimerizacija,
polikondenzacija in poliadicija. Termoplasti nastajajo predvsem s polimerizacijo, duroplasti
pa s poliadicijo in polikondenzacijo, ki imata stopenjski značaj: reakcijo lahko na poljubni
stopnji prekinemo in jo kasneje zopet nadaljujemo.
Makromolekule imajo, odvisno od monomerov in kemijske reakcije pri kateri so nastale,
različne oblike.
Osnovni obliki sta:
• vlaknata ali linearna makromolekula
• zamrežena oblika
1.3 Področja uporabe
• Avtomobilska industrija: je ena izmed najpomembnejših področij uporabe tehničnih
materialov. Veliko se uporabljajo za izdelavo odbijačev, mask, letev, pokrove motorjev.
Uporabljajo se tudi v notranjosti, kjer pa gre predvsem za varnost in udobje. Z leti se delež
plastičnih delov v avtomobilih zelo povečuje.
• Elektrotehnika: zahteva višje temperaturne odpornosti, od 150°C do 200°C, trajno
uporabnost, odpornost na plazilne tokove, vremenske razmere in ogenj. Velik delež
predstavljajo ohišja in funkcionalni deli gospodinjskih strojev in ročnega orodja.
• Proizvodnja embalaže: Na tem področju prevladujejo predvsem polistiroli in poliolefini.
Vse več se uporabljajo PP folije in PET plastenke. Ti izdelki nadomeščajo stekleno in
kovinsko embalažo.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 4 -
• Gradbeništvo: je po uporabi plastike z 20% do 30% deležem na prvem mestu. Največ se
uporablja PVC za obloge oken, cevi, fasadnih elementov, kot nadomestek kovin pa PA in
kompoziti.
• Elektronika: z uvedbo mikroprocesorjev zahteva materiale z veliko natančnostjo,
odpornostjo proti temperaturi in dobrim električnimi lastnostmi.
• Finomehanika: vse bolj uporablja brizgane visoko precizne dele, pogone, ki delujejo brez
obrabe in hrupa, ležaje, zobnike.
• Medicina: uporablja najrazličnejše visokokvalitetne plastične izdelke, sterilne in
fiziološko neoporečne, npr. za transfuzijo in infuzijo, proteze, določene pregibne sklope.
• Zabava in šport: z vse večjim razmahom industrije prostega časa narašča tudi uporaba
tehničnih polimerov na tem področju.
1.4 Orodja za predelavo polimernih materialov
Orodja za brizganje so namenjena za proizvodnjo bolj ali manj komplicirano oblikovanih
izdelkov iz plastike ali kovine. V enem samem delovnem ciklusu mora orodje z enim ali
večim oblikovnimi gnezdi prevzeti talino, jo razdeliti, oblikovati, ohladiti, strditi in izdelek
izvreči. Zato mora biti v orodju pravilno oblikovano gnezdo, ustrezno rešen dolivni sistem,
odzračevanje orodja, temperiranje, krčenje, izmetavanje in vodenje.
Večina orodij za brizganje je iz dveh polovic; ena je pritrjena na vpenjalno ploščo na brizgalni
strani, druga pa na fiksno vpenjalno ploščo na zaporno izmetalni strani brizgalnega stroja. Ena
stran ima patrični del, druga matrični del (gnezdo) gravure. Po vbrizgavanju in hlajenju mase
se orodje odpre na delilni površini, izdelek z dolivkom pa ostane na zaporni strani. Pri
nadalnjem odpiranju zadane izbijalni steber na fiksirani steber na stroju in potisne naprej
preko izmetalne plošče vse izmetalce in izmeče izdelek. Izmetalni sistem se pri zapiranju
orodja vrne v prvotni položaj.
Zapiralni del stroja je ležeča preša, brizgalni del stroja pa agregat z grelnim cilindrom ter
polžem z batom, ki ima med plastificiranjem rotacijsko, med vbrizgavanjem pa translatorno
gibanje. Po zapiranju orodja se brizgalna enota s šobo nasloni na dolivno pušo orodja in
vbrizgne plastificiran material pod določenim tlakom v orodje. Po napolnitvi orodne votline
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 5 -
zmanjšamo brizgalni tlak na naknadni tlak, ki dodatno dozira primankljaj mase, ki je potrebna
zaradi krčenja pri strjevanju. Istočasno se orodje temperira. Temperiranje orodja je odvisno od
količine mase in vrste polimera brizganca. Pri predelavi termoplastičnih polimerov orodje
ohlajamo, ker s tem toploto odvajamo.
Po času polnjenja sledi čas ohlajevanja izdelka v orodju. Ko postane izdelek stabilen, se
orodje odpre in izdelek se izvrže iz orodja. Celoten ciklus traja od nekaj sekund do več minut,
odvisno od debeline izdelka.
Podoben je postopek brizganja duroplastov in elastomerov, le da gre tu za utrjevanje zaradi
zamreženja, namesto hlajenja pa orodje segrevamo.
1.5 Delitev orodij
Delitev orodij glede na predelovalni material:
• orodja za brizganje termoplastov
• orodja za brizganje duroplastov
• orodja za brizganje gum
• orodja za brizganje pen (TSG)
• orodja za tlačno litje kovin.
Delitev orodij glede na konstrukcijo, ki jo pogojujejo posamezni izdelki:
• število delilnih ravnin (dvoploščno orodje, triploščno orodje, snemalna plošča, glavna in
pomožna ravnina)
• vrsta snemanja (poševni drsniki, čeljusti, odvijalni sistem)
• vrsta dolivka in temperiranje (vročekanalni razdelilec, izolirnokanalni razdelilec)
• vrsta prenosa moči (čeljusti, cilindrično vodenje, steberno vodenje).
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 6 -
2. KVALITATIVNI IN KVANTITATIVNI PRERA ČUN
POSTOPKA POLNJENJA FORME (MODELI SIMULACIJ)
Pogosto je potrebno, da sliko polnjenja v orodju izdelamo med izdelavo koncepta izdelka in
orodja. Raziskave te vrste, ki omogočajo kvalitativno in kvantitativno analizo kasneje
nastopajočih procesov tečenja so poznane pod pojmom reološka analiza.
Kot kvalitativno analizo razumemo izdelavo slike polnjenja, ki nam podaja naslednje
informacije:
• ugodni vrsti in mestu dolivka
• ali je možno napolniti posamezne odseke tečenja
• mesta hladnih zvarov
• mesta možnih vključkov zraka
• glavne smeri orientacije taline.
Drugi korak, kvantitativno analizo pa predstavljajo preračuni, ki omogočajo ob upoštevanju
materialnih lastnosti in predelovalnih pogojih sledeče vrednosti:
• brizgalni in naknadni tlaki
• temperature
• strižne hitrosti.
S pomočjo teh preračunov lahko ocenimo kakšni bodo učinki ukrepov na:
• lastnosti izdelkov
• trdnost hladnih zvarov
• kvaliteto površine
• poškodbo materiala
• izbiro materiala in stroja
• ugodno področje predelave.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 7 -
2.1 Slika polnjenja in njen pomen
Pri izdelavi slike polnjenja lahko teoretično določimo potek front tečenja taline v različnih
časovnih trenutkih polnjenja forme. Ekvivalent temu je, če z narejenim orodjem naredimo le
delne polnitve orodja tako, da zmanšujemo pot doziranja (volumen brizganja).
Osnove slike polnjenja
Izhajamo iz izračuna potrebnih tlakov za steno laminarnega toka. Po Hagen – Poiseuille se
lahko dokaže teoretično razmerje pot tečenja / debelina stene: L 1/L2 = S1/S2
Pri izvajanju te enačbe se vzame, da razmerje proizvedene toplote trenja in odvoda toplote čez
ohlajeno steno pri različnih prerezih kanalov ostane enako in s tem podobne temperaturne
razmere. Zgornja enačba je dobljena empirično (testiranja na praktičnih primerih). Pri
običajnih praktičnih volumskih tokovih to sovpada z meritvami. Razlike so ugotovljene zgolj
pri zelo majhnih hitrostih brizganja in to zaradi efekta zamrznitve.
Predstavitev modela za tečenje taline od točke vbrizgavanja v orodno votlino se izpelje iz
teorije razširjanja valov. Po tej teoriji se lahko vsaka točka valovne fronte ponovno izbere kot
povzročitelj novega, tako imenovanega elementarnega vala, pri čemer se nove valovne fronte
pokažejo kot ovite okrog vseh teh elementarnih valov. V votlini orodja ustreza valovna fronta
tečenja fronti tečenja tekoči talini.
2.2 Osnovni primer konstruiranja slike polnjenja
Konstruktivna vnaprejšna določitev poteka front tečenja bazira na znanju vseh vedno
ponavljajočih se osnovnih primerih. Tudi pri kompleksno oblikovanih delih se lahko potek
front tečenja izvede s pravilno uporabo osnovnih primerov. Osnovno načelo konstruiranja
slike polnjenja je, da se valovi front širijo v obliki koncentričnih krogov okrog izvora tečenja.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 8 -
Pri plošči s konstantno debelino stene in pravokotno luknjo se fronte tečenja konstruirajo po
sliki 2.1. Okrog pripetja se vlečejo koncentrični krogi s poljubnim radiem. Ti krogi
predstavljajo v določenem časovnem trenutku potek fronte tečenja. Če je tečenje taline
naravnost čez luknjo ovirano, je to treba upoštevati z nadalnjimi odseki krožnice.
Slika 2.1: Konstrukcija slike polnjenja na plošči s pravokotno luknjo
Pri okroglih luknjah je to podobno, vendar je postopek konstruiranja nekoliko zahtevnejši.
Slika 2.2 kaže primer, v katerem talina v tretjem koraku obteče jedro. Ker talina pri tem teče
po ukrivljeni poti, zaostaja ta fronta tečenja za fronto v področju, kjer ni ovire luknje. Lahko
izhajamo iz tega, da so dolžine poti taline približno enake. Temelj za to je dejstvo, da mora od
pripetja dolivka do vsake točke na fronti tečenja biti enak padec tlaka.
Slika 2.2: Konstrukcija slike polnjenja na plošči z okroglo luknjo
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 9 -
Slika 2.3 kaže konstrukcijski postopek pri ploščah z dvema različnima debelinama sten,
brizgano z debelejše strani. Če fronta napreduje za 20mm, potem na polovico tako debeli steni
samo še za 10mm (odgovarjajoče razmerje dolžina tečenja / debelina stene). S tem so
določene tri nove točke fronte tečenja, ki se lahko približno opišejo s krogom.
Slika 2.3: Konstrukcija slike polnjenja na plošči z dvema različnima debelinama sten
Če se vbrizgava na tanjši steni, izgleda konstrukcija kot na sliki 2.3. Izhajajoč iz pripetja
dolivka se narišejo pomožni žarki. Če sedaj opazujemo npr. korak 3, je talina porabila vzdolž
teh pomožnih žarkov do dosega debelejšega območja določen del poti tečenja – pri 2mm
debeli steni maksimalno možno. Preostanek se preračuna za debelino 4mm ponovno z
razmerjem dolžina tečenja / debelina stene. S tem preračunanim »ostankom poti tečenja« se
sedaj okrog presečišča od pomožnega žarka s preskokom debeline stene nariše krog. Krog, ki
je najbolj napredoval je dejanska fronta tečenja. Kakor kažeta koraka 4 in 5 teče talina
izhajajoč od tanjše strani v debelejšo in od tam spet delno nazaj. Tudi to lahko skonstruiramo
kot kaže slika 2.3.
2.3 Reološko konstruiranje orodij
S pomočjo postopka brizganja lahko izdelujemo izdelke, ki jih naknadno nič ne obdelujemo,
zato moramo pri konstruiranju in izdelavi upoštevati sledeče pogoje:
• izdelek mora biti oblikovan v skladu s svojo bodočo funkcijo in materialom izdelka
• potrebna je pravilna izbira materiala
• orodje mora biti pravilno oblikovano, usrezno materialu in izdelavi
• izbrati je potrebno primeren stroj za brizganje
• nastavitveni parametri stroja morajo biti v skladu z materialom, ki ga predelujemo.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 10 -
Čas polnjenja oblikovnega gnezda je kratek, vendar odločilnega pomena za uspešnost
brizganja polimernih materialov. Pri tem je ta faza istočasno deležna reoloških in toplotnih
dogodkov in strjevanja zunanjega (robnega) sloja.
Zgodovinski razvoj kaže, da se pred leti ni bilo možno ukvarjati z računalniškimi postopki pri
predelavi polimerov in predvidevanju tečenja taline v orodju. Nastali tehnološki problemi so
se reševali s poizkušanjem na osnovi izkušenj in s prilagajanjem orodja toliko časa, da se je
dobil ustrezen izdelek. To se je bistveno spremenilo s pojavom prvih programiranih
računalnikov in kasneje z grafičnimi simulacijami.
Osnove reološkega konstruiranja
Za povišanje kvalitete pri predelavi polimerov, se izbirajo kombinacije tem, ki obsegajo:
• konstruiranje slike polnjenja
• optimiranje predelovalnih parametrov za odpravljanje napak izdelka
• mehansko analizo orodja.
Izkušnje kažejo, da veliko stališč odloča o tem kako dobro se rezultati simulacij približajo
realnemu primeru:
• natančnost s katero se definirajo osnovne fizikalne enačbe
• način, s katerim se obnašanju polimera računsko in programsko približamo
• korekturni faktorji, ki vpletejo rezultate prakse
• modeliranje, katerega konstrukter pri opisu objekta uporablja.
Znano je, da je opazovanje reoloških procesov v orodjih za brizganje podobno hidravličnim
procesom v cevovodnih sistemih.
Po enačbi gibalne količine, tlačne sile skušajo premakniti element volumna, vendar
viskoznost nasprotuje gibanju. V nasprotju s hidravličnim tekočinam, polimerne taline kažejo
strukturno viskozno obnašanje. To pomeni, da strižna viskoznost polimerne taline ni
konstantna ampak pada z večanjem hitrosti gibanja oz. s povečanjem strižne hitrosti.
Energijska enačba zajema razliko vsebovane toplote volumskega elementa na vhodu in izhodu
iz kontrolnega volumna. Opazovani izsek sistema se ohlaja, medtem ko se istočasno ustvarja
energuja s trenjem. Bilanco teh vplivov določa strižna viskoznost taline in v tem opazovanju
najpomembnejši, temperaturni profil, ko se začne tečenje taline skozi presek kontrolnega
volumna in povzroči strjevanje robnega sloja. Strjeni robni sloj ne sodeluje več pri toku,
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 11 -
zaradi česar se v tem odseku močno poveča padec tlaka. Za proučevanje teh procesov so
potrebni podatki o materialu, ki opisujejo fizikalno in reološko obnašanje taline. Poleg vpliva
tlaka in temperature na te vrednosti nastajajo velike razlike glede na to, ali uporabljamo
amorfne oz. delno kristalične materiale.
Za izvedbo simulacije je potrebno uporabiti sledeče podatke o materialu: toplotna prevodnost,
specifična toplota, gostota, temperatura tališča, temperatura strjevanja, strižna viskoznost,
konstanta viskoznosti, konstanta vpliva striga in konstanta vpliva temperature.
V materialnih podatkih je potrebno razlikovati:
Reloške podatke: za opis razmer tečenja, ki zajema vpliv strižih hitrosti na tečenje taline.
Fizikalne podatke: toplotna prevodnost, gostota in specifična toplota se posredujejo preko
temperaturnega območja med predelovalno temperaturo in temperaturo izmetavanja in se
združijo v neko temperaturno število, s pomočjo katerega izvedemo energijsko bilanco na
volumski element.
Termične podatke: temperatura izmetavanja in temperatura prenehanja tečenja (no flow) se
morajo pri preračunu procesa brizganja dodatno podati, da bi določili časovno točko
izmetavanja in debelino zamrznjenega robnega sloja.
3D – tehnika: tu se ohrani prostorska razporeditev geometrične konfiguracije. V posameznih
primerih izvedene domneve pri definiciji poti tečenja je naloga konstrukterja, da ima poleg
izkušenj pri delu z računalniškimi programi predvsem znanje o obravnavi obstoječega
predelovalnega postopka, ki računske rezultate praviloma uredi in iz tega lahko potegne
pravilne sklepe za praktično uporabo.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 12 -
2.4 Kriteriji za zapolnjevanje
Kvantitativna analiza temelji na postopku optimizacije. S spreminjanjem predelovalnih
parametrov, geometrije in tudi materiala dosežemo optimalno rešitev tako za orodje kot tudi
za izdelek. Takšen primer je določitev optimalnega časa brizganja. Program računa z
različnimi časi brizganja in tako dobimo vrednosti za tlak, temperaturo in strižno napetost, ki
se nanašajo na čas brizganja. Iz dobljenih rezultatov izberemo območje optimalnega časa
brizganja, kjer so dobljeni parametri najugodnejši. Iz slike lahko razberemo, da ugodno
območje časa brizganja izberemo pri nižjih vrednostih strižne napetosti in potrebnega tlaka,
ter ustrezni predelovalni temperaturi polimernega materiala.
Fizikalne osnove
Fizikalno ozadje programa tvorijo poznane osnovne enačbe za kontinuiteto, gibalno količino
in energijo. Pri tem se upošteva vrsta poenostavljenih predpostavk, kot so:
• nestisljivost
• enodimenzionalni delovni tok
• zanemarjanje pospeševalnih in gravitacijskih sil
• neupoštevanja prevajanja toplote v smeri tečenja
• neupoštevanja razteznih vplivov.
Podatki o postopku predelave
Osnovni podatki so:
• srednja začetna temperatura mase
• srednja temperatura sten orodja
• konstanten volumen toka ali čas polnjenja.
Predelovalni parameter mase in temperatura sten sta podatka, ki se dobita s strani
proizvajalcev materiala.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 13 -
2.5 Geometrični vhodni podatki
V računalniški program moramo vstaviti mere izdelkov oz. oblikovnih gnezd. Ti podatki
morajo vsebovati tako informacije o čistih geometričnih podatkih in dolžinah tečenja kot tudi
o načinu polnjenja forme.
Glede zahteve po točnosti ali cilju preračuna lahko vnašamo geometrične podatke v štirih
stopnjah:
• posamezne osnovne geometrije
• zaporedno pripete osnovne geometrije v smeri tečenja
• fizikalno segmentiranje slik polnjenja (zaporedna in istočasna zapolnitev delov tečenja)
• nefizikalno izvedeno segmentiranje in nadalnje balansiranje.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 14 -
Osnovne geometrije
Za poenostavljen primer, kjer lahko približno ocenimo npr. potreben pritisk brizganja,
tvorimo kompleksne izdelke iz osnovnih geometrij.
Pogosto je mogoče enostavna oblikovna gnezda ali dele dolivkov neposredno popisati z
vsakokratnimi osnovnimi oblikami tokov in jih s tem direktno preračunati. Primer prikazuje
slika 2.4.
Slika 2.4: Enostavni primeri osnovnih geometrij
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 15 -
Razdelitev na osnovne geometrične elemente in smeri tečenja
Drugo možnjo stopnjo pa predstavljajo oblikovna gnezda, ki so narejena tako enostavno, da
tako osnovne segmente same kakor tudi potek polnjenja hitro prepoznamo
Ta način izvajamo z razdelitvijo v osnovno geometrijo. Za boljše razumevanje osnovnih
segmentov si lahko predstavljamo, da izdelek razbijemo na segmente in razvijemo v ravnino,
kot prikazuje slika 2.5 na primeru čaše z ročajem in stožčastim dolivkom.
Slika 2.5: Razdelitev na osnovne geom. elemente in razvitje čaše v ravnino
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 16 -
Obravnavanje zahtevnih izdelkov
Pogosto pri praktičnih primerih ni mogoča prej opisana razdelitev izdelka na osnovno
geometrijo. Za določitev geometrijskih podatkov moramo opraviti naslednje korake:
• razvitje izdelka v ravnino
• izdelava slik polnjenja
• segmentiranje
• struktuiranje.
Razvitje izdelka v ravnino
Za postopek razvitja izdelka v ravnino potrebujemo v principu tri geometrijske operacije:
• razrez površine
• zasuk površin okoli fiksne osi
• raztegnitev (razvitje) krive površine.
Posebno krive površine je potrebno preizkusiti na razvitje po sledečem kriteriju:
Površino je možno razviti, če se jo lahko pregiba v ravnino brez deformacij. Pogoj pri tem je,
da se da površina predstaviti z ravnimi odseki površin.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 17 -
Slika 2.6: Primer postopnega polnjenja izdelka
2.6 Segmentiranje
Cilj segmentiranja je, podobno kot pri razdelitvi v osnovno geometrijo, da izdelek razdelimo
v osnovna telesa, ki se lahko računsko obravnavajo.
Razlikujemo med fizikalnim in nefizikalnim segmentiranjem, po katerem se nato obravnava
izbrana računska metoda.
Druga vrsta segmentiranja je možna, če v oblikovnem gnezdu ne nastopa preskok debeline
stene, saj pri večini praktičnih primerov strmimo k temu, ali s ciljem balansiranja dolivnega
sistema v opazovanje vključiti dolivni sistem.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 18 -
2.7 Strukturiranje
Poleg čistih geometričnih robnih pogojev mora računalnik prejeti informacije o strukturi
tečenja. Mora se določiti v kakšnem zaporedju se zapolnijo določeni odseki tečenja, istočasno
ali drug za drugim.
Uporabi se predlagano kodiranje, označeno z drevesno strukturo. Vsak segment prejme
odvisno od njegove lege v toku taline numerično kodo, ki je lahko zgrajena iz enomestnega
števila, črke ali kombinacije obeh. Število numerične kode simbolizira časovno zaporedje
polnjenja odgovarjajoče konstrukcije slike polnjenja, to pomeni, da se segmenti z enako
dolžino numerične kode istočasno zapolnijo.
Številke same podajajo razvejitev (razcep). Če leži točka (vozlišče), od katerega se tok taline
razveja v različna območja izdelka, dobi tako vsak vozlišču sledeč segment drugo novo
zadnjo številko. Tako dobijo kot primer pri treh odcepih za segmentom 111 razvejani
segmenti kode 1111, 1112 in 1113.
Smotrno je oštevilčenje tako nastalih smeri tečenja. S tem se dialog in vložen trud zmanjša in
izboljša se preglednost.
2.8 Preračun
Na osnovi v prejšnjih poglavjih opisanih vhodnih podatkih izračuna program sledeče
vrednosti:
1. Potreben tlak vbrizgavanja za zapolnitev do podanih segmentov na pripadajoči poti
tečenja.
2. Potreben tlak vbrizgavanja za zapolnjevanje segmentov.
3. Srednja temperatura taline materiala na fronti tečenja k podani časovni točki na koncu
polnjenja vsakokratnega segmenta.
4. Skupno povišanje temperature vzdolž poti tečenja zaradi disipacije vsakokratnega
segmenta.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 19 -
5. Povišanje temperature na podlagi disipacije v segmentih
6. Viskoznost
7. Srednja strižna hitrost
8. Nastopajoča strižna napetost v segmentu
Prav tako pa se izračuna skupni čas polnjenja, volumen izdelka, ki je seštevek volumna
segmenta in čas polnjenja izdelka do aktualne pozicije fronte tečenja.
Metoda preračuna
Preračun temelji na metodi nivojskih volumnov. Računalnik izhaja iz tega, da vsaki časovni
točki pripada konstanten volumski tok ter, da linije tečenja na istem nivoju in s tem meje
segmentov pomenijo enak čas polnjenja. Ko podamo skupni čas polnjenja se najprej določi s
pomočjo celotnega volumna volumski tok.
Ta izračun upošteva robne pogoje pri določevanju slike polnjenja in omogoča fizikalno
pravilno obravnavo koncev dolivnih poti, ki so na koncu polnjenja izdelka zapolnjenje s
povišanim volumskim tokom, medtem ko so ostala področja že napolnjena.
Končno je potrebno na tem mestu vedeti, da pri vseh teh pokazanih možnostih tako posebni
efekti (zakasnitev), ki se lahko dobi na osnovi kontinuitete, kot tudi posebni efekti stiskanja
(npr. izguba tlaka pri toku skozi prerez – pripetje), v tem programu niso upoštevani. Vedno se
v posebnih primerih rezultat izračuna glede na poenostavitev pregleda in interpretira.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 20 -
3. RAČUNALNIŠKO PODPRTA IZDELAVA KONCEPTA
ORODJA
Sredi sedemdesetih let (1975) so se pričele razvijati simulacije brizganja. Nastali so prvi
enostavni programi za računalnike, ki se jih je dalo programirati, za izračun tlačnih izgub pri
podanih dolivnih kanalih. Možne geometrijske variante so bile: cilinder – valj za dolivni
sistem, ter ploščice in krožni segmenti za izdelke, odvisno od tega ali je talina pritekla skozi
konstanten ali spreminjajoči se dolivni kanal.
3.1 Metoda polnjenja je pokazala pot
Že pred dvajsetimi leti so imeli operaterji na strojih in orodjarji enake probleme kot danes,
namreč kje in kolikokrat je smiselno postaviti dolivek, kje so lahko hladni zvari ali celo zračni
vključki. Na nemškem inštitutu za predelavo plastike (IKV) na tehniški fakulteti RWTH –
Achen, je bila takrat razvita tako imenovana metoda polnjenja s katero je bilo možno
simulirati polnjenje gnezda s pomočjo razvitja izdelka s šestilom in svinčnikom. Po izdelavi
slike polnjenja se je ta razviti izdelek izrezal in zlepil v obliko izdelka.
Za vsak nov položaj dolivka je bilo potrebno skonstruirati neko novo sliko polnjenja kar je
bilo časovno zelo zamudno. Na osnovi tega je inštitut IKV sprožil raziskovalni projekt z
imenom Cadmould. Cilj je bil razviti računalniški model s katerim bi bilo možno orodje za
brizganje koncepirati reološko, termično in mehansko. Člani tega skupnega projekta so bili
izdelovalci materialov, brizgalnih strojev, brigalnice in proizvajalci normalij. Sočasno je bil v
Avstraliji pri firmi Moldflow razvit sistem za reološke simulacije. Ti prvi sistemi so kot
rezultat podali tabele s tlačnimi izgubami, viskoznostjo, strižnimi hitrostmi in temperaturami.
Toda pomembno je, da je bil s tem narejen prvi korak v računalniško podprti simulaciji
tehnike brizganja. Sredi osemdesetih let je bilo možno s pomočjo računalnika izračunati sliko
polnjenja. Nato se je razvoj simulacijskih programov zelo pospešil in že kmalu je bilo možno
poleg faze polnjenja preračunati fazo naknadnega tlaka, orjentacijo steklenih vlaken, skrček in
deformacije.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 21 -
3.2 Priprava geometrije kot ključ za uspeh
Brizgani deli so praviloma geometrijske oblike, kjer je debelina izdelka veliko manjša kot
ostale dimenzije (dimenzija lupine). Iz tega razloga lahko simulacije brizganja izvajamo s
pomočjo 3D modela lupine. V 3D modelu se geometrija izdelka prikaže tridimenzionalno,
razen debeline izdelka.
Ta model ima že od prvih računalniško podprtih slik polnjenja svojo uporabno vrednost za
mnoge probleme in se še danes uporablja. Za pripravo geometrije izdelka za 3D model so bile
včasih na razpolago le 2D risbe. Torej so potrebovali predprocesor s katerim je bilo možno
ustrezno pripraviti geometrijo in jo pomrežiti (oblikovati v linearne ravne trikotnike), tako
imenovano mrežo končnih elementov (FEM-mreža).
Tako je bilo na začetku potrebno za pripravo geometrije enako časa kot za razvoj izdelka na
papir. Ker pa je geometrijo izdelka, ki je enkrat izdelana računalniško možno vedno znova
uporabiti za različne variante pripetij dolivkov, je bilo s tem prihranjenega veliko časa pri
optimiranju.
Z razvojem CAD sistemov in geometrijskih vmesnikov za izmenjavo geometrije (npr. IGES
ali VDA-FS) pa je prišlo do nadalnjega poenostavljanja geometrije izdelka.
3.3 Kompleksni algoritmi so obvladljivi
Medtem, ko je popis geometrije do danes ostal enak, se je pri internih algoritmih za preračun
storilo zelo veliko, ne da bi to uporabnik opazil. Časi preračunov za najnovejšo in najtočnejšo
metodo preračuna se v primerjavi s prejšnimi metodami niso bistveno spremenili. Vendar pa
danes potekajo preračuni z upoštevanjem strukturnih viskoznosti, temperatur in slojev po
preseku izdelka, kar nepozorni opazovalec v začetku ne opazi. Z najnovejšimi metodami
kažejo rezultati preračunov zelo dobro ujemanje s prakso. Če pa uporabimo obstoječe
preračunske metode (stari softwere) in moderni hardwere dobimo rezultate preračunov
kompleksnih geometrij v nekaj sekundah.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 22 -
3.4 Simulacijske tehnike se premalo uporabljajo
Danes so simulacije brizganja postale standardno orodje. Proces brizganja je možno
preračunati od polnjenja forme, naknadnega tlaka do deformacij izdelka po ohladitvi na sobno
temperaturo. Možno je simulirati tudi posebne postopke kot so 2K brizganje ali pa plinsko
brizganje. Tudi elastomere, duroplaste in RIM materiale je možno danes simulirati. Kljub
obsežnim možnostim simulacij pa obstaja še velik potencial za nadalnji razvoj simulacij teh
procesov in postopkov.
Žal se simulacije brizganja kljub nespornim prednostim ne uporabljajo množično. Statistika
kaže, da je možno z uporabo simulacij skrajšati čas ciklusa za do 15% in stroške spremembe
orodja do 50%. Približno 90% trga teh možnosti še ne uporablja. Vse več firm pa uporablja
simulacije tako, da jih kupuje kot storitve. Problem je, da je ta programska oprema zelo draga.
3.5 Enostavneje in ceneje
Ceneni osnovni programi za simulacijo brizganja obstajajo že dalj časa. Da jih večina
brizgalnic in orodjarjev ne uporablja ni vzrok v investiciji, ampak v zahtevni pripravi
geometrije. Še posebno v malih in srednje velikih podjetjih je pritisk na stroške tako velik, da
ni na razpolago ustrezno kvalificiranega kadra. Šele pred nekaj leti so se pojavili programski
paketi različnih proizvajalcev (Moldflow; MPA-Adviser, CADMould), ki niso samo cenejši,
temveč so tudi zelo poenostavili pripravo geometrije. S tem lahko v principu simulacijo
izvede vsak. To je postalo možno z drugačnim načinom popisa geometrije, ki prihaja s
področja Rapid prototyping (STL-file). Ta tip datoteke lahko izdelamo v vseh 3D CAD
sistemih. S pomočjo STL datoteke lahko geometrijo pripravimo avtomatsko. Izberemo mesto
postavitve dolivka in izračunamo sliko polnjenja, polnilni tlak, čas ohlajanja izdelka v orodju
in zapiralno silo v odvisnosti od polnilnega tlaka. Trenutno je simulacija na osnovi tega
modela omejena na fazo polnjenja.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 23 -
3.6 Nadaljnji razvoj simulacij
Prednost 3D simulacij je v tem, da ni potrebno nobenega poenostavljanja geometrije izdelka
in so s tem vsi fizikalni elementi popisljivi. Primer za to je izračun tvorbe prostega curka.
Debele izdelke in izdelke z mesti z velikimi debelinami je možno s to metodo korektno
popisati. Naslednja prednost je uporaba CV-FDM metode ( Control Volumen – Finite
Diference Methode), ki omogoča enostaven prevzem CAD geometrije in popolnoma
avtomatsko pomreženje. Tako vsebuje model vedno celotno obliko orodja. S tem je možno
upoštevati vpliv orodja na čas hlajenja izdelka v orodju ali pa na vogalne deformacije.
Simulacije brizganja se bodo razvijale še naprej. Pred pogoj je še izboljšati prijaznost do
uporabnika (še lažja priprava geometrije). Za vsak primer mora biti na razpolago ustrezen
postopek izračuna. Poleg tega bodo morali imeti ti programi ustrezno podporo pri
interpretaciji rezultatov in avtomatsko strategijo optimiranja.
Rešitve simulacij morajo pokrivati tako enostavne rešitve (npr. Part Adviser), simulacije
srednjega ranga (model lupine) kot tudi visoko tehnološko področje z volumsko orjentiranim
softwerom-3D. Enostavne rešitve se v podjetju uporabljajo na več mestih (nabava, razvoj,
prodaja), srednji in visoki rang sistemov pa v inžinirskih odelkih.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 24 -
4. DOLOČANJE ORODJA ZA BRIZGANJE POLIMEROV
Orodje je pomemben del procesa oblikovanje oziroma predelave termoplasta. Glavna naloga
orodja za brizganje je sprejem in razvod raztaljene plastične mase, zapolnitev kalupne votline,
ohladitev brizganega izdelka ter razkalupljanje in izmetavanje izdelka iz orodja. Na sliki 4.1
je preprost shematski prikaz orodja in zapiralne enote stroja.
Slika 4.1: Shematski prikaz orodja in zapiralne enote stroja
V brizgalni enoti se termoplastični material raztali in pod visokim tlakom približno 1000
barov vbrizga preko dolivnih kanalov v kalupno votlino orodja, ki ima točno obliko želenega
izdelka. Po ohladitvi izdelka se orodje na delilni ravnini odpre in izdelek s pomočjo
izmetalnega sistema pade iz kalupne votline.
Naloge orodja so veliko kompleksnejše, kot je to razloženo ob sliki 1. Pri zasnovi orodja
moramo upoštevati množico vplivnih dejavnikov, ki pogojujejo izvedbo le-tega. Ti dejavniki,
zbrani v naslednjih poglavjih, predstavljajo korake za določanje konstrukcije orodja.
Pri zasnovi in izdelavi orodja si moramo prizadevati za čim temeljitejši in z računalniškimi
orodji podprt izbor posameznih funkcijskih sistemov orodja.
Fiksna vpenjalna plošča
Glavni vodilni stebri
Orodje Hidravlični cilinder
Podporna plošča
Pomična vpenjalna plošča
Klecni vzvod
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 25 -
4.1 Osnove za določanje orodja
Določanje orodja glede na izdelek
Izdelki so raznovrstni in imajo zelo raznovrstne zahteve. Orodja za brizganje termoplastičnih
izdelkov morajo biti narejena tako, da dobimo izdelke pričakovane kvalitete glede na merske,
oblikovne in vizualne zahteve ter glede na mehanske, optične in druge karakteristike.
Predpogoj pa je, da je izdelek pravilno zasnovan v skladu z zahtevami tehnike brizganja. Če
to ni izpolnjeno, potem s postopkom brizganja ne moremo pridobiti dobrega izdelka tudi z
najbolj kvalitetno izdelanim orodjem. Zato moramo pri določiti izdelka upoštevati naslednje
kriterije:
• obliko in velikost izdelka,
• material izdelka,
• mesto in obliko dolivanja: oblika in material izdelka ter mesto dolivanja neposredno
vplivajo na mere izdelka,
• izvedbo izdelka (enokomponenten, večkomponenten),
• naknadno obdelavo izdelka,
• uporabne zahteve kupca (mehanske, termične, optične, vizualne in druge zahteve, ki
so predpisane v zahtevniku),
• ekonomičnost.
Določitev delovanja orodja
• Prototipno ali produkcijsko orodje: pred definiranjem orodja se je potrebno
dogovoriti, ali naj se izdela prototipno orodje za izdelavo manjšega števila izdelkov ali
pa naj se izdela visoko zmogljivo produkcijsko orodje.
• Tehnične možnosti izdelave: pri prevzemanju naročila izdelave orodja je potrebno
upoštevati tehnične zmožnosti orodjarne. Nekatere izvedbe orodij zahtevajo visoko
stopnjo usposobljenosti orodjarne in veliko praktičnega znanja, posebno v primeru
specialnih izvedb izdelka, kot so večkomponentni izdelki.
• Način dela: jasno mora biti dogovorjeno, za kakšen način dela je orodje predvideno -
avtomatsko, polavtomatsko ali ročno delo - in kakšna opravila sledijo po izmetavanju
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 26 -
izdelka iz orodja - odstranjevanje dolivkov, obdelava dolivnega mesta - to ima velik
pomen pri oblikovanje dolivnega mesta.
• Življenjska doba orodja, čas ciklusa, število kosov: to so ekonomski kriteriji, ki pa
tudi odločajo o izvedbi orodja (število gnezd, izbor materialov …).
4.2 Zahteve stroja
Pri zasnovi orodja moramo vedeti, na katerem stroju bo delovalo (vertikalni, horizontalni,
večkomponentni stroj …).
Točno moramo poznati priključne mere za orodje, način centriranja in možnosti izmetavanja.
Definirani morajo biti tudi vsi priključki za temperiranje orodja, priključke za hidravlične in
pnevmatske pomike, ter priključki za nadzor in regulacijo orodja.
Tehnično-prevzemne zahteve za orodje
V teh zahtevah morajo biti navedeni osnovni kriteriji za izdelavo in prevzem orodja. Pri
definiranju teh zahtev moramo biti zelo jasni, da kasneje ne pride do pravnih in tehničnih
zapletov pri določanju končne cene in funkcionalnosti orodja.
Zahteve za orodje so predvsem naslednje:
• Splošni podatki: stroj, material, teoretični skrček, orientacijski snemalni koti, čas
ciklusa, število izdelanih kosov, zahtevane napisne plošče (za splošne podatke,
hladilne tokokroge, za toplokanalne sisteme), obdelovalna površina gnezda, izvedba
orodja, način odvzemanja kosov (avtomatsko, polavtomatsko, z robotom, ročno …),
način vpenjanja, premer centrirne plošče, vrsta dolivne puše, vrsta snemalnega droga
…
• Ogrodje orodja: tip ogrodja, dobavitelj …
• Materiali za glavne sestavne dele orodja: vrsta in tip materiala, termične in
površinske zahteve.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 27 -
• Dolivni sistem:
hladnokanalni - izvedba razvodnih kanalov, izvedba dolivnih odprtin;
toplokanalni - izvedba in dobavitelj;
mesto dolivanja.
• Sistem snemanja: izvedba snemalnega sistema, oblika snemalcev, pozicije
snemalcev.
• Stranski pomiki: mehanski, hidravlični, pnevmatski, vrste in izvedba hidravličnih in
pnevmatskih priključkov in razvodov.
• Hladilni sistem: vrsta hladilnih priključkov, mesto priključkov, število tokokrogov,
izvedba hlajenja (zaporedno, paralelno, spiralno …), označitev tokokrogov, število in
tip kontrolnih termočlenov …
• Sistem nadzora in regulacije: fotocelice, mikrostikala za nadzor pozicij gibljivih
delov.
• Potrditev osnutka orodja: datum.
• Vzorčenje: datum, število izdelanih kosov za potrditev delovanja orodja, merski
protokol izdelkov iz vseh gnezd.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 28 -
4.3 Sistem ohišja
Orodja so zelo različna, vendar pa jih, glede na izvedbo in funkcijo, delimo na nekaj značilnih
skupin, ki se med seboj lahko kombinirajo:
• osnovno orodje,
• orodje za prisilno snemanje,
• orodje s stranskimi pogoni,
• orodje z več delilnimi ravninami,
• toplokanalno orodje,
• etažno orodje,
• orodje za dvokomponentno brizganje.
Najpogosteje uporabljena so osnovna orodja, ki so sestavljena iz dveh polovic. Prva je
pritrjena na vpenjalno ploščo dolivne strani stroja, druga pa na vpenjalno ploščo izmetalne
strani stroja. Na dolivni strani je na vpenjalno ploščo pritrjena oblikovna plošča, v kateri so
vstavljeni gravurni vložki dolivne strani. Na izmetalni strani pa sta na vpenjalno ploščo
pritrjeni običajno dve distančni letvi, med letvi pa je nameščen izmetalni paket. Oblikovna
plošča je preko distančnih letev pritrjena na vpenjalno ploščo. V njej so gravurni vložki
izmetalne strani.
Za naš primer ne ustreza osnovno orodje, ampak orodje s stranskimi pogoni, ki, zaradi čim
manjše poti do dolivnega mesta na dolivni strani, ne vsebuje vpenjalne plošče, ampak
funkcijo prenosa sile na stroj opravlja oblikovna plošča. Kot smo že predhodno omenili, ima
orodje vgrajena dva drsniška stranska pogona. Velikost ohišja je določena glede na velikost
kosa in zahtevnost konstrukcije ter pri nekaterih primerih tudi glede na ceno.
V našem primeru sem, kot osnovo za velikost (višina, dolžina) orodnih plošč, uporabil
standarde podjetja HASCO, vendar orodne plošče niso naročene pri standardnem proizvajalcu,
ampak so izdelane pri izdelovalcu orodja.
Debelina orodnih plošč je v osnovi izbrana med vrednostmi, ki jih ponuja proizvajalec
standardnih elementov, vendar pa debelino oblikovnih plošč določim glede na velikost
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 29 -
oblikovnih vložkov. Kljub vsemu pa morajo vse plošče zadostiti vsem trdnostnim zahtevam,
ki so potrebne za varno in kvalitetno delovanje orodja.
Da zagotovimo vse trdnostne zahteve, pa si v zahtevnih primerih pomagamo z modulom
Pro/Mechanica, ki je del CAD sistema Pro/ENGINEER
Slika 4.2: Ohišje orodja z osnovnimi dimenzijami in deli
Oblikovna plošča
Oblikovna plošča
Distančna letev
Vpenjalna plošča
Nosilna izmetalna plošča
Pomožna izmetalna plošča Izolacijska plošča
Izolacijska plošča
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 30 -
4.4 Sistem vodenja in centriranja
Centrirni sistem za vpetje orodja na stroj
Orodje se na stroj lahko pozicionira na več načinov, vendar je najpogosteje uporabljen
centrirni obroč. Centrirni obroč je običajno nameščen samo na dolivni strani orodja, pri večji
orodjih in pri orodjih, kjer so zahteve po točnosti večje, je lahko centrirni obroč nameščen tudi
na izmetalni strani. Poznamo še sisteme za hitro vpenjanje orodij, pri katerih centrirni obroči
niso potrebni, vendar so ti sistemi zelo dragi in se uporabljajo le pri strojih, kjer imamo
pogoste menjave orodij.
V našem primeru je centrirni obroč nameščen na dolivni in izmetalni strani in opravlja
funkcijo centriranja soosnosti dolivne šobe na stroju in dolivne puše v orodju, hkrati pa
pritrjuje dolivno pušo. Na sliki 4.3 vidimo vgradnjo centrirnega obroča dolivne strani za
orodje .
Slika 4.3: Prerez centrirnega obroča v oblikovni plošči
Ø90H7/h6 Ø125f8
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 31 -
Glavno vodenje in centriranje izmetalne in dolivne strani orodja
Glavno vodenje obeh polovic orodja je potrebno zaradi možnosti zamikanja delov orodja
oziroma zamika gravur. Za manjša orodja so za vodenje in centriranje dovolj štirje kompleti
vodilnih stebrov in puš (pri zelo majhnih orodjih lahko tudi dva para vodilnih elementov). Za
večja in globoka orodja pa je potrebno dodatno centriranje gravurnih vložkov. Zaradi boljšega
centriranja in čim manjšega zasedanja prostora, so kompleti vodilnih elementov nameščeni
čim bolj na rob orodja, kolikor dopuščajo izračunane obremenitve.
Pri konstrukciji sem vodenje in centriranje zagotovil s štirimi kompleti vodilno-centrirnih
elementov podjetja HASCO, kot je prikazano na sliki 4.4. V izmetalni strani orodja so
vgrajene štiri vodilne puše, ki z vodilnimi stebri v izmetalni strani orodja vodijo obe polovici
orodja pri odpiranju in zapiranju. Vodilne puše imajo hkrati nalogo centriranja distančne
letve. Centrirna puša pa zagotavlja centriranje vpenjalne plošče na izmetalni strani orodja.
Slika 4.4: Glavni vodilno-centrirni sistem orodja z oznakami
Vodilni steber Z03/116/32x185
Centrirna puša Z20/42x40
Vodilna puša Z10/136/32
Distančna letev
Vpenjalna plošča
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 32 -
Vodenje stranskih jeder
Pri obravnavanem orodji imamo dve drsniški stranski jedri. Vodenje drsniških jeder sem
zagotovil z vodilnimi in podložnimi letvami, ki vodijo jedro s strani in od spodaj. Vgrajene
vodilne in podložne letve niso standardne in so prilagojene posameznemu drsniškemu jedru.
Ker med vodilnimi letvami in stranskimi jedri prihaja do drsenja, je nevarnost ribanja, zato so
vodilne in podložne letve običajno iz materialov, ki imajo dobre drsne lastnosti, drsniška jedra
pa lahko tudi nitriramo.
Obe stranski drsniški jedri sta vodeni na enak način, kar je prikazano na sliki 4.5 in sicer:
bočno drsnik vodita vodilni letvi od zgoraj in podložni letvi od spodaj. Vodoravno pa jedro na
spodnji strani drsi po podložnih letvah, zgoraj pa po posebno izdelani stopnici. Vse letve so
pritrjene z vijaki in pozicionirane s centrirnimi zatiči. Vsi elementi morajo biti izdelani v
predpisanih tolerancah.
Slika 4.5: Vodenje stranskih drsniških jeder
Vodilne letve
Podložne letve Centrirni zatič
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 33 -
Vodenje in centriranje izmetalnega paketa
Za vodenje in centriranje izmetalnega sistema se uporabljajo enaki elementi, kot za glavno
vodenje orodja, le da je velikost posameznih elementov manjša. Vodenje mora biti tudi v tem
primeru kvalitetno, da ne pride do zagozditve izmetalnih plošč, zaradi morebitnih
nesimetričnih obremenitev pri snemanju.
Za konstrukcijo sem izbral štiri komplete krogličnih vodil proizvajalca HASCO, ki
zagotavljajo zelo točno in lahko vodenje, vendar ne omogočajo dolgih poti izmetavanja. Kot
je razvidno s slike 4.6, je vodilni steber s tesnim ujemom fiksiran v vpenjalno ploščo,
centrirna puša pa skupaj s kroglično kletko vodi in hkrati centrira obe izmetalni plošči.
Slika: 4.6: Vodenje in centriranje izmetalnega paketa
Centrirna puša s kletko Z12/18x65
Vodilni steber Z01/18x180
Izmetalna plošča
Nosilna izmetalna plošča
Vpenjalna plošča IS
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 34 -
4.5 Sistem temperiranja orodja
Naloga sistema temperiranja orodja je prvenstveno ta, da odvede tisto količino toplote, ki
pride v orodje z raztopljeno plastično maso, izdelek se pri tem ohladi na temperaturo, pri
kateri je možno izdelek izvleči iz orodja, ne da bi se trajno deformiral. V nekaterih primerih je
z maso dovedene toplote celo manj, kot pa je orodje odda v okolico. V takih primerih je
orodje potrebno dogrevati. Naloga temperirnega sistema je torej ta, da vzdržuje tako
temperaturo v orodju, ki najbolj ustreza plastični masi, ki jo predelujemo, in zagotoviti mora
čim bolj enakomerno temperaturo po celi kalupni votlini. Podatke za optimalno temperaturo
orodja pri točno določeni plastični masi dobimo v raznih tehničnih priročnikih, vendar pa je ta
temperatura odvisna predvsem od izdelka.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 35 -
Sistem temperiranja dolivne strani orodja
V oblikovnem vložku v dolivnem delu orodja sem predvidel hlajenje s temperirnimi kanali, ki
potekajo tako, kot je prikazano na sliki 4.7. V tem delu orodja je tudi dolivna puša, ki jo je
posredno preko oblikovne plošče in oblikovnega vložka potrebno hladiti. Temperirni kanali
so iz oblikovnega vložka preko tesnilk vodeni v oblikovno ploščo, kjer so priključki za dovod
in odvod temperirnega medija. Izvrtine so v oblikovnem vložku zaprte z zamaški
standardnega proizvajalca HASCO.
Slika: 4.7: Temperirni sistem dolivne strani orodja
Temperirni kanali v oblikovni plošči
Priključka za dovod in odvod vode
Tesnilke
Temperirni kanali v oblikovnem vložku
Zaporni čepi
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 36 -
Sistem temperiranja izmetalne strani orodja
Izmetalna stran orodja, poleg gravurnega vložka izmetalne strani, vključuje tudi dve stranski
jedri, ki prevzemata večji del zunanje oblikovne površine, zato je potrebno temperirati tudi
drsniški jedri. Obe drsniški stranski jedri imata izveden vsak svoj temperirni tokokrog.
Temperiranje oblikovnega vložka pa je izvedeno s pomočjo HASCO standardnega hladilnega
jedra. Koncept temperiranja v tem delu orodja je prikazan na sliki 4.8.
Slika 4.8: Temperirni sistem izmetalne strani orodja
Temperirni kanali v oblikovni plošči
Hladilno jedro HASCO v oblikovnem vložku
Temperirni kanali v stranskem drsniškem jedru2
Temperirni kanali v stranskem drsniškem jedru1
Tesnilki
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 37 -
4.6 Sistem izmetavanja
Izmetalni sistemi v orodju so sistemi, ki brez oviranja ostalih elementov orodja izvržejo
izdelek iz orodja, čim se izdelek dovolj ohladi in postane toliko čvrst, da brez trajnih
deformacij prenese obremenitve, ki nastopajo pri snemanju izdelka. Snemanje se vrši z
izmetači oz. snemalnimi iglami, ploščatimi in okroglimi snemalci, snemalnimi pušami,
snemalnimi letvami in snemalnimi ploščami. Število snemalcev mora biti zadostno, da je
snemanje zanesljivo in da ne povzroča loma ali deformacije izdelka. Snemalci vedno puščajo
sled na izdelku, zato jih po možnosti namestimo na manj opazna mesta. Najobičajnejši sistemi
izmetavanja so v izmetalni plošči pritrjeni izmetači.
Kot je razvidno s slike 4.9, sem v našem primeru določil deset snemalnih mest z okroglimi
izmetači ø4 proizvajalca HASCO.
Slika 4.9: Postavitev izmetačev na izdelku
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 38 -
Slika 4.10: Postavitev snemalnih elementov v položaju brizganja
Izmetalna plošča
Nosilna izmetalna plošča
Zadrževalni izmetač
Povratni izmetač
Izmetači
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 39 -
5. STROJI ZA INJEKCIJSKO BRIZGANJE POLIMEROV IN
VGRADNJA SENZORJEV V ORODJE
Zelo velik spekter polimernih materialov spremlja več načinov (postopkov) predelave teh
materialov. Med različnimi postopki predelave materialov prevladuje postopek injekcijskega
brizganja. Osnova tega postopka ja injeciranje umetne mase (polimera) v željeno obliko
oziroma v za to namenjeno orodje. Injekcijsko brizganje poteka na strojih, kjer sta glavni
enoti zapiralni in brizgalni del.
V brizgalnem delu je polž, ki z rotacijo opravlja funkcijo doziranja in plastificiranja materiala,
z aksialnim pomikom pa funkcijo injeciranja materiala v orodje. Na začetku brizgalne enote je
lijak z odprtino, kjer material vstopa v dozirno cono polža. Polž s svojo vijačnico pri rotaciji
dozira material in ga s tem potiska v prvi del brizgalne enote. Pri tem procesu se material
zaradi določene temperature plastificira (stali) in preide v tekoče stanje. Z aksialnim pomikom
polža pa material, ki je v tekočem stanju, injeciramo v določeno obliko - orodje, kjer se ohladi
in s tem dobimo željeni izdelek.
Zapiralna enota izvaja operacije zapiranja in odpiranja orodja, posredno pa tudi izmetavanje
izdelka. Med procesom injekcijskega brizganja ima zapiralna enota nalogo, da zagotavlja
zadostno silo, ki ne dopušča razpiranja orodja. Željena zapiralna sila se ustvarja preko
hidravličnih komponent in različnih pogonskih sistemov.
Slika 5.1: Glavni sestavni deli stroja skupaj z orodjem
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 40 -
Slika 5.2: Orodje in postavitev senzorjev v orodju
Slika 5.3: Direktni senzor Tip 6157BA
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 41 -
5.1 Merjenje notranjih tlakov v orodju s piezo-elektri čnim senzorjem
Fizikalne osnove procesa injekcijskega brizganja:
• enostavno in visoko precizno
• neodvisno od stroja
• optimalno merjenje za kontrolo, optimiranje in dokumentacija procesa
Čas (s)
Tlak vorodju
Slika 5.4: Prikaz poteka notranjega tlaka v odvisnosti od časa v posameznih točkah
Točka 1: S pričetkom procesa brizganja, torej med tem, ko se polž giblje naprej, prične
naraščati hidravlični tlak v brizgalnem cilindru (ni vrisano).
Točka 2: Glede na pozicijo senzorja v oblikovnem vložku orodja traja nekaj časa, da talina
doseže senzor in da tudi tam naraste notranji tlak v orodju.
Točka 3: Ko je oblika skoraj zapolnjena je dosežena točka, ko naj pride do preklop
iz brizgalnega na polnilni tlak.
Točka 4: Zaradi ohlajanja taline v orodju se spremeni njen volumen, kar se izravna s
kompresijo oziroma z naknadnim polnjenjem.
Točka 5: Talina v dolivku je strjena tako, da noben material ne more več izteči iz orodja.
Čas polnilnega (naknadnega) tlaka naj bi se minimiral na to vrednost (točka
strjevanja).
Točka 6: Dosežen je atmosferski tlak, izdelek pa se krči še naprej, dokler se ne ohladi na
sobno temperaturo.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 42 -
Pri amorfnih polimerih kot so ABS, PS, PC, PMMA pada tlak med ohlajanjem stalno
(linearno). Radius pri točki A zavisi od geometrije (oblike) izdelka in nastavljenih parametrov
predelave (slika 5.5).
A
Čas (s)
Tlak vorodju
Slika 5.5: Potek krivulje notranjega tlaka v orodju pri amorfnih polimerih
Potek tlaka pri delnokristaličnih polimerih kot so POM, PA, PE, PP običajno poteka v širšem
območju. Pri točki B pride do strjevanja kristalov taline. Radius pri točki A je zopet odvisen
od geometrije izdelka in nastavljenih parametrov brizganja (slika 5.6).
A B
Čas (s)
Tlak vorodju
Slika 5.6: Potek krivulje notranjega tlaka v orodju pri delnokristaličnih polimerih
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 43 -
AB
Čas (s)
Tlak vorodju
Slika 5.7: Potek krivulje notranjega tlaka v odvisnosti od mesta postavitve
tlačnega tipala (senzorja)
Krivulja A - notranji tlak v orodju v bližini dolivka
Krivulja B - notranji tlak v orodju na odaljenem mestu od dolivka
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 44 -
Slika 5.8: Kompleksno orodje v avtomobilski industriji
Slika 5.8: Orodje s tlačnim senzorjem Slika 5.9: Kontrolni sistem Kistler
Slika 5.10: Stroj za brizganje - DEMAG Slika 5.11: Krivulja tlaka v orodju
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 45 -
6. SKLEP
Orodja so namenjena za proizvodnjo bolj ali manj kompliciranih izdelkov. Za enak izdelek je
možnih več različnih rešitev, vendar pa vedno obstaja konstrukcija, ki najbolje izpolnjuje
tehnično-tehnološke zahteve in je najbolj racionalna. Zasnovi konstrukcije moramo nameniti
posebno pozornost, saj dobra zasnova orodja zagotavlja največjo prednost pri konstruiranju.
Povprečni poznavalec razvojnega procesa si predstavlja konstrukcijski proces kot risanje
tehnične dokumentacije, ki v papirnati obliki služi kot osnova za tehnološki proces. Vendar se
je s pojavom numerično krmiljenih strojev izkazalo, da z 2D risbo in z ročno obdelavo
informacij ne moremo več slediti sodobnemu tehnološkemu procesu. Zaradi teh dejstev so
sodobna podjetja v konstrukcijsko oblikovalni proces vpeljala računalniško in informacijsko
tehnologijo. V orodjarstvu je bil razvoj CAD/CAM sistemov namenjen predvsem
konstruiranju in izdelavi oblikovnih delov orodja. To je bilo nujno potrebno, ker je trg
zahteval izdelke, katerih obliko je bilo z ravninsko geometrijo praktično nemogoče popisati.
Posebno so se pokazale prednosti 3D CAD sistemov, kjer prostorski model predstavlja
standardni podatkovni zapis.
Današnji trg zahteva od proizvajalcev orodij tudi krajši razvojni cikel in visoko odzivnost na
spremembe ter prilagodljivost. Temu so se prilagodili tudi razvijalci CAD/CAM sistemov in
izdelali programske module, ki omogočajo konstruiranje celotnih orodij v prostoru s
tipiziranimi gradniki. Rezultat takšnega konstruiranja so modeli vseh elementov orodja, za
katere se lahko izdelajo tehnološke risbe ali pa v proizvodnjo vstopajo kot modeli, ki se
prenašajo na obdelovalne stroje.
Vse večja zahtevanost po kvaliteti in natančnosti izdelkov nam narekuje izvedbo vse bolj
kompleksnih konstrukcij orodij in pri tem tudi uporabo piezo - električnih senzorjev. Merilo
kakovostnega brizganja je potek krivulje notranjih tlakov, pravočasnega preklopa iz
brizgalnega na naknadni tlak in čas delovanja naknadnega tlaka.
Takšne zasnove konstrukcije orodij omogočajo optimalno nastavitev parametrov za
injekcijsko brizganje in s tem tudi kakovost izdelkov.
-
Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo
- 46 -
7. SEZNAM UPORABLJENIH VIROV
[1] J. NAVODNIK: Plastik - orodjar, Narodna in univerzitetna knjižnica, Ljubljana 1990
[2] B. KRAUT: Strojniški priročnik, Dvanajsta slovenska izdaja, Ljubljana 1997
[3] KISTLER AG: Time is money, Seminar, Celje 2008
[4] KISTLER AG: Kistler Piezo-Instrumentation, Winterthur 2005
[5] INA - PROJEKT: Kalup - Središnji element proizvodne linije za preradu polimera,
Zagreb 1986
[6] International Standard ISO 3167-2: Plastics - Preparation and use multipurpose test
specimens, Brussels 1995
[7] DEUTSCHES KUNSTSTOFF - INSTITUT: Werkzeugbau für Normprüfkörper aus
Thermoplasten und Duroplasten, Darmstadt 1989
[8] MPA - Staatliche Materialprüfungsanstalt, Darmstadt 2002
[9] J. BALIČ: CAD/CAM postopki, Fakulteta za strojništvo, Maribor 2002