Plast Teknologi. Udvalgt sektion

Transkript

1 Plast Teknologi Udvalgt sektion

2 Sprøjtestøbbeproces og procesberegninger Før en sprøjtestøbeopgave kan iværksættes, er der en del beregninger, der skal foretages. Disse beregninger kan opdeles i kalkulationsberegninger og de rent procestekniske beregninger. For at kunne foretage en kalkulationsberegning er en beregning af cyklustiden naturligvis vigtig, men valg af sprøjtestøbemaskine er ikke mindre vigtig, hvorfor kalkulations- og procestekniske beregninger ikke kan holdes adskilt, men vil lappe over hinanden. Det er imidlertid vigtigt at opstille en planlægning af beregningsforløbet inden produktionsstart, hvorfor det er vigtigt at have det fulde kendskab til sprøjtestøbeprocessens deltider. Sprøjtestøbeprocessen er ideelt set en cyklisk proces, dvs. en proces bestå ende af en række delprocesser, der gennemløbes i en given rækkefølge, og hvor hver delproces udfylder en given del af den totale cyklustid (de ti hovedpunkter med underpunkter). Sprøtestøbeprocessen i hovedtræk Indsprøjtning Sprøtestøbeprocessen i hovedtræk Eftertryk 2

3 Sprøtestøbeprocessen i hovedtræk Afformning Beregninger af deltider i et cyklusforløb For at kunne udføre en god og fornuftig forkalkulation er det vigtigt at kunne forudsige eller beregne processens cyklustid og de enkelte delprocestider. Deltider i et cyklusforløb kan groft opdeles i tre blokke: Indsprøjtningstid Køletid Bevægelsestider Den største og væsentligste af blokkene er køletiden, som består af eftertrykstid og restkøletid. Da de forskellige deltider i et cyklusforløb er vanskelige at beregne korrekt, vil en sådan forkalkulation ofte bygge på erfaringsværdier og iagttagelser. 3

4 Deltider i et cyklusforløb Summen af de enkelte delproces-tider er lig med cyklustiden. (ti + tk + tb = den totale cyklustid) Procestidernes benævnelser ti = Indsprøjtningstid te =eftertrykstid trk = restkøletid te + trk = total køletid tpl = doseringstid (plastificeringstid) tb = bevægelsestider to = den totale cyklustid ti + tk + tb = to = den totale cyklustid Køling og beregning af restkøletid Afkølingsfasen begynder, så snart formen er fyldt, og varer indtil afformningstidspunktet. Eftertrykket og eftertrykstiden er to væsentlige faktorer for afkøling af emnet, idet hurtig og effektiv 4

5 køling opnås ved god kontakt med den kølende værktøjsoverflade. Køletiden er afhængig af: Emnets godstykkelse Formoverfladetemperatur (værktøjstemperatur) Massetemperatur Kølekanalernes effektivitet Formens varmeledningsevne Effektivt eftertryk, så god kontakt til formoverfladen er til stede Hvis man fokuserer på køletiden for at opnå ideel, høj produktionshas tighed og høj emnekvalitet, vil man opleve, at der er visse modstridende parametre til stede. Kort køletid vil kræve lav værktøjs- og massetemperatur, som kan be-virke forskellige emnefejl fx mat emneoverflade og indre spændinger. For at undgå denne type fejl må værktøjs- og massetemperaturen hæves, hvorved køletiden og dermed den samlede cyklustid forlænges. Køletid og godstykkelse En faktor, der har stor indflydelse på et sprøjtestøbt emnes køletid, er gods tykkelsen. Ved sammenligning mellem em ner af samme materiale vil køletiden ændres med kvadratet på godstykkelsesforholdet. Denne sammenhæng bygger på erfaringsværdier og er derfor kun vejledende. Beregningen tager ikke hensyn til, at de forskellige plast materialer ikke kræver samme køletid. 5

6 Eksempel tk = S^2 2 S = godstykkelse tk = eftertrykstid og restkøletid i sekunder Eksempel 1: Godstykkelse: 2 mm tk = 2^2 2 = 8 sekunder Eksempel 2: Godstykkelse: 3 mm tk = 3^2 2 = 18 sekunder Køletidsdiagram Køletidsdiagrammet er fremstillet ved forsøg og beregninger, men med specifikke værdier for værktøjstemperatur og massetemperatur. Køletidsdiagrammet er således kun vejledende. 6

7 Køletidsdiagram Køletidsformel Vi har nu set på simple køletidsberegninger, som kan være noget usikre, men i det daglige normalt anvendelige. Der findes også mere avancerede beregningsmodeller, hvor nøjagtigheden øges, ved at kølekanalernes evne til at bortlede varme fra værktøjskaviteterne tages med i beregningen, ligesom materialets varmeledningsevne medtages. Ud over kølekanalernes placering og evne til at bortlede varme er der også usikkerhed vedrørende plastmaterialernes varmeledningsevne, idet effektværdierne opgives meget varierende i litteraturen. 7

8 Køletidsberegning Ud over disse køletidsberegninger findes der forskellige nomogrammer, der let lader sig aflæse ved relativt enkle beregninger. Beregning af nødvendigt lukketryk 8

9 Formel til udregning af middel fyldetryk: Formel til udregning af middel fyldetryk Hvis Pm bliver mindre end 12 MPa eller 120 bar, anvendes 12 MPa eller 120 bar. Formel til beregning af lukkekraft 9

10 Forkortelser fs godstykkelsesfaktor (uden benævnelse) ff flydetalsfaktor (materialeafhængig) s godstykkelse i mm L flydevej i mm A areal i mm^2 Pm middel fyldetryk i MPa P lukkekraft i kn 10

11 11

12 12

13 13

14 14

15 15

16

17

18 18

19 19

20 20

21 21

22 22

23 23

24 Godstykkelsen (s) og den tilhørende godstykkelsesfaktor (fs) s (mm) fs 0, ,6 70 0,7 57 0,8 45 0,9 35 1,0 30 1,1 26 1,2 21 1,3 18 1,4 15 1,5 13 1,6 11 1,7 10 1,8 9 1, ,0 7

25 Udvalgte materialers flydetalsfaktor (ff) Materiale ff PE, PS, PP 1,0 PA 1,2-1,4 CA 1,3-1,5 ABS, SAN 1,3-1,4 PMMA 1,5-1,7 POM 1,6-1,8 PC 1,7-2,0 Tabelværdierne er kun vejleden-de og er afhængige af forhold som: 1. Emneudformning 2. Indløbstype 3. Massetemperatur 4. Indsprøjtningshastighed 5. Indsprøjtningstryk 6. Eftertryk 7. Smelteindeks Beregningseksempel Efter ovenstående formler be regnes det nødvendig lukketryk af emnet på tegningen Eksempel 1. 25

26 Eksempel 1. Materialet er ABS. 26

27 Flydevejen beregnes som den længste vej, materialet kan flyde fra lukkefladen til det fjerneste hjørne i værktøjskaviteten. Bemærk, at der kun tages hensyn til ét emne ved beregning af flydevej. Flydevejen beregnes ved at følge den røde opmærkning på tegningen i Eksempel 1 og sammenlægge målene. Beregning af flydevej: Fordelerstreng = 0,5 32,4 mm Emnehøjde = 2 30 mm Emnediameter = 60 mm I alt 16, = 136,2 mm Middel fyldetryk kan nu beregnes: Pm = fs L/100 Pm = ,2/100 = 17,7 MPa» 18 MPa Hvis Pm bliver under 12 MPa, anvendes Pm = 12 MPa Det tryk, der påvirker formen til åbning, svarer til middel fyldetryk, som udgør 18 MPa for emnet i Eksempel 1. Derudover afhænger den nødvendige lukkekraft af maskinens og værktøjets stivhed, emnets udformning, den tilladte ånding (udluftning) for værktøjet og naturligvis materiale- og forarbejdningsparametrene. Projiceret emneareal Princippet for beregning af det projicerede emneareal er vist på principskitse Eksempel 2. Ved at anvende samme princip til to- eller fler-kavitetsværktøjer fås, at det projicerede emneareal er lig med summen af alle de overflader, der er udsat for tryk. Det projicerede emneareal projiceres over på bevægelig formplan/opspændingsplan. 27

28 Eksempel 2. Keglestubformet skive med midterhul. Det beregnede areal skal omfatte alle kaviteter i det her tilfælde to samt fordelerstrengen. Indløbstappen indgår i det projicerede areal og regnes derfor ikke med. I Eksempel 1 er emnets diameter 70 mm. Fordelerstrengen er 32,4 mm lang og har en bredde på 6 mm. Areal af et emne = 702 π/4 = 3.848,5 mm2 28

29 Areal af to emner = ,5 = 7.696,9 mm2 + areal af fordelerstreng = 32,4 6 = 194,4 mm2 Projiceret areal i alt = 7.696, ,4 = 7.891,3 mm2 Da alle faktorer er kendt (ff = 1,4 (ABS), Pm = 18 MPa og A = 7.891,3 mm2), kan lukkekraften nu beregnes efter føromtalte formel for lukkekraft, så resultatet bliver: Beregning af lukkekraft Efter beregning lægges der 15 % til lukkekraften, så den indstillede værdi på maskinen bliver 200 kn + 15 % = 230 kn. Beregning af lukkekraftbehov er en teoretisk forkalkulation, som ikke tager hensyn til formens tilstand og opbygning, forskellige godstykkelser, indløbstyper, materialets temperatur, smelteindeks eller indsprøjtningshastighed. Derfor hæves lukkekraften med 15 % i forhold til den beregnede lukkekraft. Mange maskinleverandører foreslår desuden, at min. 25 % af den maksimale lukkekraft udnyttes for at være sikker på at få en stabil lukning. 29

30 Værktøjs-indertryk De forskellige råvareleverandører opgiver ofte en vejledende værdi for værktøjs-indertryk (åbningstryk) for deres materialer. Værdierne kan angives ud fra praktiske erfaringer eller ud fra reologiske beregninger. Reologi Læren om flyde- og deformationsegenskaber ved materialer under påvirkning af mekaniske kræfter Lukketryk i procent Hvis en sprøjtestøbemaskine har et maksimalt lukketryk på 600 kn, er 600 kn lig med 100 % lukketryk. 30

31 Når der ønskes at lukke med 250 kn, beregnes lukketrykket i procent således: Lukketryk i procent Diagram for lukketryk Leverandørerne af sprøjtestøbemaskiner leverer sammen med maskinerne en manual med forskellige maskinkort deriblandt et diagram for lukke-tryk. Ud af dette diagrams Y-akse kan lukketrykket aflæses i kn. 10 kn er lig med 1 MPa. På X-aksen, der angiver maskinens systemtryk (manometertryk), kan trykket aflæses i bar eller MPa svarende til det tryk, der aflæses på sprøjtestøbemaskinens manometer. Derudover er systemtrykket opgivet i procent, således at det ikke er nødvendigt selv at beregne denne enhed. Diagrammet kan aflæses på følgende måde: Find det ønskede systemtryk på X-aksen og træk en lodret linje. Hvor den skærer kurven, trækkes en vandret linje mod venstre. Hvor denne linje skærer Y-aksen, kan lukke trykket aflæses. Såfremt lukketrykket er fastlagt, eventuelt fra en tidligere produktion på en anden maskine, anvendes diagrammet modsat. Det vil sige, såfremt et værktøj skal flyttes fra en maskine til en anden, kan samme lukketryk let bibeholdes uden beregninger, idet lukketrykket umiddelbart blot kan over føres via diagrammet og ved aflæsning af mano metertrykket, som så indstilles på den nye maskine. 31

32 Diagram for lukketryk Beregning af lukketryk for fire-søjlede knæledsmaskiner Den foregående beskrivelse af lukketryksberegninger er kun gældende for fuldhydrauliske 32

33 sprøjtestøbemaskiner. På knæledsmaskiner aflæses lukke trykket gennem søjlestræk. Når knæleddet strækkes under formlukningen, strækkes de fire søjler. Denne forlængelse af søjlerne er proportional med den opnåede lukkekraft eller med andre ord: fordobles forlængelsen af søjlerne, opnås den dobbelte lukkekraft. Forholdet mellem kraft og forlængelse giver følgende formel: Eksempel på beregning af lukketryk 33

34 Beregning af lukketryk Her ses de betydningen af de anviste dimensioner til beregning af lukketryk På nyere sprøjtestøbemaskiner er der indbygget et måleur, således at søjlestrækket automatisk kan omsættes til et af læseligt lukketryk, eller lukketrykket kan aflæses på maski nens skærm. Doseringsberegning 34

35 Formel for den specifikke dosering (g/cm): Formel for den specifikke dosering (g/cm) Da ρ er mindre ved forarbejdningstemperatur end ved 23 C, må der indføres en omreg nings faktor α, der ligger mellem 0,8 og 0,9. For amorfe materialer er α = 0,85-0,9. For delkrystallinske materialer er α = 0,8-0,85. 35

36 Formel for doserings- beregning Anvendte begreber i doseringsberegning Ved fyldeskudsserien: Bemærk, at omkoblingspunkt og pude ikke er det samme sted, idet snekken oftest kører forbi omkoblingspunktet. For at kunne nå at aflæse puden i fyldeskudsserien skal der indsættes en værdi for forsinket opsnekning på ca. 6 sekunder. Husk at ændre denne forsinkelse til en passende tid i eftertryksserien (eventuelt 0 sekunder). 36

37 Beregningseksempel Snekkediameter = 30 mm, materiale = ABS, der er amorf og med ρ = 1.060: Spec.d = (15² π 0, )/ = 6,74 g/cm Beregningseksempel Skudvægt på 32,8 gram: Bd = 32,8 / 6,74 10 = 48,67 mm eller Bd = 32,8/(15² π 0, / ) 10 = 48,63» 48,6 mm* * årsagen til afvigelsen er antallet af decimaler, der udelades i først udregning Specifikt volumen Når et emnes vægt skal beregnes fx ud fra en emnetegning findes først dets volumen. Efter beregning af emnets volumen findes emnevægten ud fra formlen: Beregning af emnets volumen Beregning af emnets volumen 37

38 Alle mål på en emnetegning er opgivet i mm, såfremt andet ikke er be mær ket. Når volumen ønskes opgivet i cm3, svarende til vægtenheden gram, må tegningsmålene ændres til cm ved at divedere med 10. Massefylden benævnes ofte med det græske bogstav ρ (rho) og opgives altid sammen med dens enhed g/cm3, kg/m3 eller kg/l. I stedet for massefylden kan det specifikke volumen anvendes. Det specifikke volumen er pr. definition: Definition på det specifikke volumen Eksempel på beregning af specifikt volumen Når skudvægten er 30 gram, og v er 1,05 cm3/g, er volumenet = 30 1,05 = 31,5 cm3. Volumenændringen fra 23 C til forarbejdningstemperatur kan beregnes som forholdet: v23 C / v forarbejdningstemperatur = 0,95 / 1,05 = 0,90 Som alternativ til den almindelige doserings-beregning kan denne faktor indgå i doseringsberegningen som en gangefaktor. Det specifikke volumen er altså den omvendte (reciprokke) vær di af ρ og betegnes ofte med v. Det specifikke volumen v opgives ofte i kurveform med v afhængig af temperaturen ved forskellige tryk. Man går ind på den valgte forarbejdningstemperatur, går lodret op til kurven for 1 bar, går derefter til venstre og aflæser det specifikke volumen v målt i cm3/g. Den beregnede skudvægt ganges nu med den aflæste v-værdi, og man har det volumen, som skuddet fylder ved forarbejdningstemperatur. 38

39 Specifikt volumen 39