Siła zamykania formy - trudności związane z określeniem potrzebnej wartości.

Określenie wymaganej siły zamykania potrzebne jest już na etapie projektowania. Jednym z pierwszych pytań  jakie stawia sobie konstruktor jest: czy siła zamykania posiadanej wtryskarki jest wystarczająca dla projektowanej formy? Także w czasie uruchamiania produkcji pojawia się czasami pytanie: co można zrobić, żeby zmniejszyć potrzebną siłę zamykania formy do wartości jaką dysponuje posiadana wtryskarka? Od kilku lat łatwiej jest odpowiedzieć na tak postawione pytania. Rozwój i dostęp do programów symulacji wtryskiwania ułatwia wykonanie dokładniejszej analizy problemu.

I.                     Sposoby wyznaczania siły zamykania formy.

Z pośród licznych parametrów procesu wtryskiwania do najważniejszych zalicza się szybkość wtryskiwania, do realizacji której potrzebne jest określone ciśnienie hydrauliczne. Ciśnienie to przekłada się na ciśnienie tworzywa wewnątrz formy, różniące się wartością w różnych miejscach wypraski. Największe ciśnienia panują w końcowej fazie wtryskiwania blisko punktu wtrysku, najmniejsze w najdalszych i w najcieńszych miejscach. Aby to ciśnienie nie powodowało uchylenia się połówek formy, potrzebna jest przeciwstawna siła nazywana siłą zamykania.

Konstruktorzy i technolodzy od lat stosują wzór ( nr 1) na obliczenie potrzebnej siły zamykania:

Korzystanie ze wzoru nie daje jednoznacznej odpowiedzi o potrzebnej sile zamykania gdyż nie jeden raz okazało się, że przyjęto złe założenia.

Dlaczego tak się dzieje?

II. Omówienie przyczyn rozbieżności między obliczoną a rzeczywistą siłą zamykania.

Podstawowym problemem jest określenie średniego ciśnienia wewnątrz formy w czasie wtryskiwania. Ciśnienia tego nie można prostymi metodami matematycznymi, w miarę dokładnie określić.

Rzeczywista wielkość ciśnienia wewnątrz formy zależy od szeregu czynników, a w szczególności od:

1.        Kształtu, długości drogi płynięcia, wielkości wypraski i wlewka.

Rys 1. Zależność drogi płynięcia od ciśnienia wtryskiwania dla PA 66 Zytel 101 przy różnych grubościach.

Dla otrzymania wyprasek o mniejszej grubości ścianek, dłuższych drogach płynięcia, przewężkach o mniejszym przekroju potrzebne jest większe ciśnienie, stąd potrzebna większa siła zamykania. Zależności długości dróg płynięcia od ciśnienia wtryskiwania dla detali o różnych grubościach ścianki oraz długości dróg płynięcia od grubości ścianki dla tworzyw o różnym MFI pokazano odpowiednio na rys.1 i 2.

Rys 2. Zależność długości drogi płynięcia od grubości ścianki dla tworzyw o różnym MFI.

2.        Rodzaju tworzywa, barwników, dodatków i wypełniaczy.

Jednym z podstawowych parametrów reologicznych każdego tworzywa jest MFI - wskaźnik lepkości. Określa on w standardowych warunkach, zgodnie z normą ISO 1133:1997 (m.in. w określonej temperaturze roztopionego tworzywa i odpowiednim obciążeniu tłoka) masę wypływającego roztopionego tworzywa z dyszy cylindra o średnicy Ø2 w czasie 10 minut. Wskaźnik ten dlatego samego typu tworzywa w zależności m.in. od średniej masy cząsteczkowej i rozgałęzień łańcuchów może wynosić od  dziesiątych części do ponad 70 g/10 min. Dla tworzyw o małym wskaźniku płynięcia potrzebne jest stosowanie zdecydowanie większych ciśnień wtrysku, a zatem większych sił zamykania.

Stosowanie barwników ma istotny wpływ na zmianę lepkości tworzywa. Płynność ulega na ogół poprawie przy zastosowaniu barwników organicznych, a pogorszeniu przy barwnikach nieorganicznych. Tworzywa mogą zawierać środki poślizgowe, wpływające na wzrost płynności, czyli na zmniejszenie ciśnienia wewnątrz formy. Włókna szklane, węglowe i wypełniacze mineralne powodują wzrost lepkości roztopionego tworzywa, co wymaga większego ciśnienia wtrysku.

3.        Szybkości wtryskiwania.

Do zrealizowania większej szybkości wtryskiwania potrzebne jest z reguły większe ciśnienie wtrysku. Większe ciśnienie wewnątrz formy to zapotrzebowanie na większą siłę zamykania.

4.        Temperatury masy i powierzchni gniazd.

Wyższa temperatura masy i gniazd wpływa na obniżenie ciśnienia wtrysku potrzebnego do osiągnięcia założonej szybkości wtrysku,  w konsekwencji tego potrzebna jest mniejsza siła zamykania.

Wszystkie czynniki opisane powyżej są wzajemnie ze sobą powiązane i otrzymanie końcowej odpowiedzi odnośnie wymaganej siły zamykania nie jest proste.

III.                 Zastosowanie symulacji wtryskiwania do określenia siły zamykania.

W ostatnich latach rozwinęły się programy komputerowe symulacji wtryskiwania. Po wprowadzeniu danych takich jak rysunek wypraski w 3D, rodzaj i typ tworzywa, projektowane parametry przetwarzania, rodzaj i punkt wtrysku, temperatura formy, otrzymujemy potrzebną siłę zamykania.

Autor artykułu skorzystał z programu symulacyjnego Moldflow Mold Adviser 5,00 Demo, do dokładnego obliczenia potrzebnej siły zamykania i  zobrazowania  wpływu niektórych parametrów na jej zmianę.

Do analizy użyto:

1.       

Wyrób icetray (pojemnik do kostek lodu) o wymiarach 301x76 mm (rzut powierzchni 234,41 cm²), wtrysk centralny zimnokanałowy.

2.        Trzy typy PP (różne MFI) i jeden PE przy różnej temperaturze masy i różnej temperaturze formy.

Program na podstawie tych danych wejściowych oblicza m.in. ciśnienie wtryskiwania oraz potrzebną siłę zamykania.

W wyniku przeprowadzonej analizy uzyskano następujące rezultaty.

Tabela 1

Nazwa tworzywa	MFI (230/2,16) g/10 min	Temp. Masy ^0C	Temp. Formy ^0C	Ciśnienie wtryskiwania Bar	Siła zamykania kN	Parametry sugerowane przez program
PP Novolen 1102 K	3,5	220	20	283,0	261,8
				240	40	254,1	234,6	X
				260	60	226,8	209,5
		PP Novolen 1100 N	12	220	20	235,0	215,1
				240	40	205,1()	187,4	X
				260	60	177,8	162,2
		PP Novolen 1100 T	50	220	20	182,3	161,2
				240	40	154,1	134,8	X
				260	60	123,1	108,6
HDPE Lupolen 5031 L	6,5(*)	225	40	428,8	374,2	X

(*) - MFI (190/2,16)

Zastosowanie wzoru nr1 dla wyrobu icetray przy użyciu PP Novolen 1100 N i temperaturze masy 240⁰C oraz formy 40⁰C daje następujący wynik:

Wartość p_w () przyjęto z tabeli jako najbardziej wiarygodną. Inne metody określenia tej wartości są bardzo niepewne i zawodne.

Otrzymane wyniki pokazują jak duży może być rozrzut potrzebnej siły zamykania w zależności od przyjętych parametrów procesu wtryskiwania. Do wyprodukowania tego samego detalu w zależności od rodzaju tworzywa i wartości MFI oraz temperatury masy i formy potrzebna jest siła zamykania od 267,0 do 110,8 kN. Wynik obliczeń wg wzoru nr 1 nie potwierdza tej wartości. Zmiana tworzywa z PP na HDPE o przybliżonym MFI i podobnych warunkach przetwarzania zwiększa zapotrzebowanie na siłę zamykania do 381,7 kN.

 IV.                Praktyczne sposoby zmniejszenia potrzebnej siły zamykania.

Bywają przypadki, że posiadana wtryskarka ma za małą siłę zamykania do produkcji określonego detalu.

Poniżej przedstawiono propozycję kolejności podejmowania kroków, które mogą poprawić sytuację:

1.        Zmniejszenie szybkości wtryskiwania (obowiązuje przy dużych prędkościach).

2.        Zwiększenie temperatury masy.

3.        Zwiększenie temperatury formy.

4.        Zmiana tego samego typu tworzywa na tworzywo o większym wskaźniku płynięcia MFI.

5.        Zmiana konstrukcji wypraski i formy:

         pogrubienie ścianek detalu

         wykonanie zamiast jednego, kilku punktów wtrysku

         przejście na system gorącokanałowy

V.                  Podsumowanie.

Tradycyjny sposób określenia potrzebnej siły zamykania może spowodować bardzo duże błędy. Program do symulacji wtryskiwania pokazuje jak zmieniając niektóre parametry, zmienia się w dużym przedziale potrzebna siła zamykania.

Ogólny wniosek jest następujący: bez programu symulacji wtryskiwania nie jesteśmy w stanie określić dokładnie potrzebnej siły zamykania.

Przy opracowaniu artykułu korzystano z materiałów firm: Bayer AG, BASF Aktiengesellschaft, Du Pont Engineering Polymers oraz Moldflow Corporation.    

---