POLITECHNIKA WARSZAWSKA

PRZETWÓRSTWO TWORZYW SZTUCZNYCH

PROJEKT

TYTUŁ: FORMA WTRYSKOWA
DO PRODUKCJI NOŻY JEDNORAZOWYCH

Prowadzący: dr inż. Adrian Lewandowski

Projekt wykonała: Małgorzata Szydło

Grupa: ID-IP-51

1. CEL PROJEKTU

Celem pracy było wykonanie projektu formy wtryskowej służącej do wyrobu noży jednorazowych. Projekt uwzględnia wszystkie niezbędne czynniki, takie jak zadana wielkość produkcji czy termin realizacji zamówienie. Obejmuje także dobór wtryskarki, z którą forma będzie współpracować.

1. DANE WYJŚCIOWE

Parametr	Oznaczenie	Wartość
Objętość wypraski	V	5,04 cm^3
Ciężar właściwy tworzywa	ρ	1,05 $\frac{g}{\text{cm}^{3}}$
Masa wypraski	g	4,8 g
Rzut wypraski na powierzchnię podziału formy	A	2320 mm^2
Największa grubość ścianki wypraski	s	1,5 mm
Rodzaj tworzywa	PS	Polistyren

1. CHARAKTERYSTYKA WTRYSKIWANEGO TWORZYWA

POLISTYREN - (-[CH2CH(C6H5)]n-) − polimer z grupy poliolefin otrzymywany jest
w procesie polimeryzacji styrenu, pochodzącego zwykle z procesu katalitycznego odwodornienia etylobenzenu bądź z procesu Halcon-Oxirane lub z rafinacji ropy naftowej.

Czysty polistyren jest bezbarwnym, twardym, kruchym termoplastem o bardzo ograniczonej elastyczności. Jako tworzywo sztuczne, polistyren może być bezbarwny, słabo przezroczysty, lub może być barwiony na dowolne, żywe kolory. Jego zaletą w stosunku do polietylenu i polipropylenu jest niższa temperatura mięknięcia i mniejsza lepkość stopu, dzięki czemu łatwiej jest z niego otrzymywać w procesie formowania wtryskowego niewielkie przedmioty o złożonych kształtach.

Polistyren jako tworzywo lite jest stosowane do produkcji sztucznej biżuterii, szczoteczek do zębów, pudełek do płyt CD, elementów zabawek. Posiada jednak znacznie mniejszą odporność chemiczną od polietylenu i dlatego nie stosuje się go raczej do produkcji opakowań produktów żywnościowych zawierających tłuszcze. Najbardziej masowym zastosowaniem polistyrenu jest produkcja jego formy spienionej, nazywanej styropianem.

1. ZAŁOŻENIA PRODUKCYJNE

Zadana wielkość produkcji: Z = 7 000 000 sztuk

Termin realizacji zamówienia: 6 miesięcy

1. CZAS CHŁODZENIA (t_ch)

   1. Obliczamy wstępnie czas chłodzenia z uproszczonego wzoru

t_ch = k*s²

gdzie dla Polistyrenu k =2,8

s=1,5mm², czyli

t_ch = 2,8*1,5² = 6,3 [s]

1. Obliczamy czas chłodzenia z poniższego wzoru

$$\mathbf{t}_{\mathbf{\text{ch}}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{s}^{\mathbf{2}}}{\mathbf{\pi}^{\mathbf{2}}\mathbf{a}}\mathbf{ln}\mathbf{(}\frac{\mathbf{8}}{\mathbf{\pi}^{\mathbf{2}}}\mathbf{*}\frac{\mathbf{T}_{\mathbf{w}}\mathbf{-}\mathbf{T}_{\mathbf{f}}}{\mathbf{T}_{\mathbf{u}}\mathbf{-}\mathbf{T}_{\mathbf{f}}}\mathbf{)}$$

Wartości temperatur zostały dobrane na podstawie tablicy 2.1. z pozycji „Wybrane zagadnienia przetwórstwa tworzyw sztucznych” pod redakcją Krzysztofa Wilczyńskiego (strona 103). Poniższa tabela prezentuje wartości niezbędnych parametrów do obliczenia czasu chłodzenia dla Polistyrenu.

Oznaczenie	Parametr	Wartość
Tu	Temperatura usuwania wypraski	max.80ᵒC
Tf	Temperatura formy	10ᵒ - 60ᵒC
Tw	Temperatura wtrysku	190ᵒ - 280ᵒC
a	Przewodność cieplna	0,086 $\frac{\text{mm}^{2}}{s}$

$$\mathbf{t}_{\mathbf{\text{ch}}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{(1,5)}^{\mathbf{2}}}{\mathbf{\pi}^{\mathbf{2}}\mathbf{*0,086}}\mathbf{l}\operatorname{n}\left( \frac{\mathbf{8}}{\mathbf{\pi}^{\mathbf{2}}}\mathbf{*}\frac{\mathbf{200C - 50C}}{\mathbf{80C - 50C}} \right)\mathbf{= 3,71\ \lbrack s\rbrack}$$

Do dalszych obliczeń wykorzystujemy czas chłodzenia obliczony z drugiego wzoru.

1. CZAS CYKLU WTRYSKU (t_c)

Czas cyklu obliczany jest ze wzoru:

$$\mathbf{t}_{\mathbf{c}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{t}_{\mathbf{\text{ch}}}}{\mathbf{0,7}}\mathbf{=}\frac{\mathbf{3,71}}{\mathbf{0,7}}\mathbf{= 5,3\ \lbrack s\rbrack}$$

1. DYSPONOWANY CZAS PRACY (t_p)

Ze względu na koszty związane z wdrażaniem nowych projektów i wykonania form oraz konieczność amortyzacji maszyn został zastosowany system pracy trzyzmianowej bez przerw ze współczynnikiem wykorzystania wynoszącym 0,9.

t_p = 0,9 * 30 dni * 6 miesięcy = 0,9 * 720 h/mies. * 6 miesięcy = 0,9 * 4320 h

t_p = 5832 [h]

1. WSTĘPNY DOBÓR KROTNOŚCI FORMY (n_p)

$$\mathbf{n}_{\mathbf{p}}\mathbf{= Z*}\frac{\mathbf{t}_{\mathbf{c}}}{\mathbf{t}_{\mathbf{p}}\mathbf{*3600}}\mathbf{= 7000000*}\frac{\mathbf{5,3}}{\mathbf{5832*3600}}\mathbf{= 1,76 \approx 2}$$

1. DOBÓR WTRYSKARKI

Obliczamy niezbędną objętość wtrysku V_{w obl} oraz niezbędną siłę zamykania formy P_s obl
z założeniem, że ciśnienie w gnieździe p_f wynosi 500 barów (50MPa). Aby tego dokonać należy określić wymiary i obliczyć parametry poszczególnych części kanałów wtryskowych formy.

Uwaga: Ponieważ po wykonaniu obliczeń dla n_p = 2 (które nie zostały zamieszczone
w projekcie) nie udało dobrać się wtryskarki, obliczenia zostały wykonane ponownie tym razem dla n_p = 4.

1. Kanał wlewowy

d₁ = 8 mm, d₂ = 3mm

H₁ = 20 mm, H₂ = 7 mm

$$V_{01} = \frac{1}{3}*\pi*((({\frac{d_{1}}{2})}^{2}*H_{1}) - (({\frac{d_{2}}{2})}^{2}*H_{2})) = \ \frac{1}{3}*\pi*((\left( {\frac{8}{2})}^{2}*20 \right) - \left( \left( {\frac{3}{2})}^{2}*7 \right) \right) = = 318,5\ \lbrack\text{mm}^{2}\rbrack = 0,3185\ \lbrack\text{cm}^{3}\rbrack$$

1. Kanał doprowadzający

l₁ = 10 mm, l₂ = 24 mm, l₃ = 10 mm

d₁ = 4 mm, d₂ = 4 mm, d₃ = 10 mm

$V_{02} = \pi\left( \left( \frac{d_{1}}{2} \right)^{2}*l_{1} + \frac{1}{2}\left( \frac{d_{2}}{2} \right)^{2}*l_{2} + \frac{1}{4}\left( \frac{d_{3}}{2} \right)^{2}*l_{3} \right) = \ \pi\left( \left( \frac{4}{2} \right)^{2}*10 + \frac{1}{2}\left( \frac{4}{2} \right)^{2}*24 + \frac{1}{4}\left( \frac{10}{2} \right)^{2}*10 \right) = 3,14*\left( 40 + 48 + 62,5 \right) = 472,57\ \left\lbrack \text{mm}^{3} \right\rbrack = 0,47257\ \lbrack\text{cm}^{3}\rbrack$

$$A_{02} = \ l_{1}*d_{1} + \frac{1}{2}*l_{2}*d_{2} + \frac{1}{4}*l_{3}*d_{3} =$$

$= 10*4*\frac{1}{2}*24*4 + \frac{1}{4}*10*10$ =

=40 + 48 + 25 = 113 [mm²]

1. Przewężka

l = 1 mm

d = 1 mm

$$\ V_{03} = \pi{(\frac{d}{2})}^{2}*l = \ \pi\left( \frac{1}{2} \right)^{2}*1 = 0,785\ \left\lbrack \text{mm}^{3} \right\rbrack = 0,000785\ \lbrack\text{cm}^{3}\rbrack$$

A₀₃ =  l * d = 1 * 1 = 1 [mm²]

• Niezbędna objętość wtrysku V_{w obl} :

V_{w obl} = n(V+V₀) [cm³]

gdzie V₀ jest założoną objętością zimnego wlewka przypadająca na jedno gniazdo

V_{w obl} = n(V+V₀) = 4*(5,04+0,791855) = 23,33 [cm³]

V_{w obl} = 23,33 [cm³]

• Niezbędna siła zamykania formy P_{s obl}:

P_{s obl} > [n(A+A₀)]p_f*10^-3 [kN]

gdzie A₀ to powierzchnia rzutu fragmentu kanału wlewowego przypadającego na jedno gniazdo

P_{s obl} > [n(A+A₀)]*p_f*10^-3 = [4*(2320+114)]*50*10^-3 = 486,8 [kN]

P_{s obl} > 486,8 [kN]

Uwzględniając współczynnik bezpieczeństwa (0,8): Ps nom = 608,5 [kN]

• Parametry wtryskarki

- typ wtryskarki: Battenfeld 600/125 CDC UB4

- producent: Battenfeld

- nominalna objętość wtrysku: 59 cm³

- średnica ślimaka: φ25

- nominalna siła zamykania: 600 kN (60 ton)

- rozstaw kolumn: 320x320 mm

- wymiary stołu: 540x540 mm

1. OKREŚLENIE ZAKRESÓW KROTNOŚCI FORMY WYNIKAJĄCYCH
   Z MOŻLIWOŚCI WYBRANEJ WTRYSKARKI

• Najmniejsza krotność ze względu na dolną granicę objętości wtrysku

$$\mathbf{n}_{\mathbf{w}\mathbf{1\ min}}\mathbf{\geq}\frac{\mathbf{0,25}\mathbf{\text{\ V}}_{\mathbf{\text{w\ nom}}}}{\mathbf{V +}\mathbf{V}_{\mathbf{0}}}$$

$$\mathbf{n}_{\mathbf{w}\mathbf{1\ min}}\mathbf{\geq}\frac{\mathbf{0,25*59}}{\mathbf{5,83185}\mathbf{5}}$$

n_w1 min≥2, 53

• Największa krotność ze względu na górną granicę objętości wtrysku

$$\mathbf{n}_{\mathbf{w}\mathbf{1\ max}}\mathbf{\leq}\frac{\mathbf{0,9\ }\mathbf{V}_{\mathbf{\text{w\ nom}}}}{\mathbf{V +}\mathbf{V}_{\mathbf{0}}}$$

$$\mathbf{n}_{\mathbf{w}\mathbf{1\ max}}\mathbf{\leq}\frac{\mathbf{0,9*59}}{\mathbf{5,831855}}$$

n_w1 max≤9, 11

• Największa dopuszczalna krotność ze względu na siłę zamykania

$$\mathbf{n}_{\mathbf{w}\mathbf{2}}\mathbf{\leq}\frac{\mathbf{P}_{\mathbf{\text{s\ nom}}}}{\mathbf{p}_{\mathbf{f}}\mathbf{(A +}\mathbf{A}_{\mathbf{0}}\mathbf{)}}$$

$$\mathbf{n}_{\mathbf{w}\mathbf{2}}\mathbf{\leq}\frac{\mathbf{600\ 000}}{\mathbf{50*2434}}$$

n_w2≤4, 93

• Najmniejsza krotność zalecana ze względu na ekonomiczne (umowne) wykorzystanie wtryskarki

$$\mathbf{n}_{\mathbf{w}\mathbf{1\ ek}}\mathbf{\geq}\frac{\mathbf{0,5\ }\mathbf{V}_{\mathbf{\text{w\ n}}\mathbf{\text{om}}}}{\mathbf{V +}\mathbf{V}_{\mathbf{0}}}$$

$$\mathbf{n}_{\mathbf{w}\mathbf{1\ ek}}\mathbf{\geq}\frac{\mathbf{0,5*59}}{\mathbf{5,831855}}$$

n_w1 ek≥5

Do wykonania rocznego zamówienia konieczna jest krotność n_p > 1. Ze względów technicznych można przyjąć krotność n_t = 2, 4, 8. Prawidłowe wykorzystanie wtryskarki zapewnia krotność n_w1 w zakresie od 3 do 9 gniazd, przy czym powyżej 4 gniazd zostanie przekroczona dopuszczalna siła zamykania. Po uwzględnieniu tych warunków została przyjęta krotność formy wynosząca n = 4. Zakładamy przy tym niestety nieekonomiczne wykorzystanie wtryskarki ze względu na trudności z dobraniem mniejszej wtryskarki.