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

- 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.


- 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.


- 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.


- 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


- 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).


- 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.


- 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.


- 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


- 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.


- 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,


- 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.


- 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.


- 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.


- 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


- 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


- 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.


- 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.


- 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.


- 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.


- 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.


- 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.


- 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.


- 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.


- 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


- 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


- 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.


- 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.


- 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


- 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


- 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


- 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


- 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


- 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


Vpenjalna plošča IS


- 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.


- 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


- 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


- 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


- 38 -

Slika 4.10: Postavitev snemalnih elementov v položaju brizganja

Izmetalna plošča


Zadrževalni izmetač

Povratni izmetač

Izmetači


- 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


- 40 -

Slika 5.2: Orodje in postavitev senzorjev v orodju

Slika 5.3: Direktni senzor Tip 6157BA


- 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.


- 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


- 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


- 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


- 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.


- 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

analize orodij in obratovalnih razmer pri …• finomehanika: vse bolj uporablja brizgane visoko...

Documents