Ustawienie temperatury cylindra wtryskarki w sposób znaczący wpływa na cały proces przetwórstwa tworzyw sztucznych. Na czym polega i jakie są jego zalety? Jak w sposób prawidłowo dobrać temperaturę? Czym jest badanie termoanalityczne? W poniższym artykule znajdziesz odpowiedzi na te pytania. Zapraszamy do lektury!

Wpływ temperatury przetwórczej na proces wtryskowy

Poddając analizie procesy przetwórcze tworzyw termoplastycznych, należy zauważyć, iż jednym z kluczowych elementów produkcji detali z tworzyw sztucznych jest dostarczenie energii do masy polimerowej celem jej uplastycznienia, a następnie odbiór tej energii w kroku chłodzenia cyklu wtryskowego. Wpływ temperatury na proces wtryskowy jest zatem ogromny. Dzięki niemu jesteśmy w stanie skutecznie produkować detale, zmieniając stan skupienia materiału, lepkość stopu i parametry przetwórcze tworzywa.

Poprawne ustawienie temperatury wtryskarki i innych przetwórczych urządzeń biorących udział w procesie wtryskowym zapewnia stabilną, powtarzalną produkcję. Dobór odpowiedniej temperatury masy stopu poprzez nastawę temperatur cylindra plastyfikatora zapewni lepszą jakość powierzchni produkowanego detalu, odpowiednią orientację wypełniaczy (izotropia wypełniaczy włóknistych) czy wyższy udział fazy krystalicznej podczas przetwórstwa tworzyw krystalicznych.

Warto zwrócić uwagę także na wpływ temperatury przetwórczej gniazd oraz połówek formy podczas stabilnej, automatycznej pracy przetwórczej – aby zapewnić odpowiednią drogę płynięcia tworzywa oraz zmniejszyć naprężenia wewnętrzne detalu. Problemy z akumulacją ciepła wewnątrz gniazd formy mogą prowadzić do odkształceń geometrycznych detalu po wyformowaniu – paczenia wypraski.

 

Dobór temperatury przetwórczej

Tworzywami sztucznymi używanymi w przemyśle do produkcji detali nazywamy zwykle materiały kompozytowe składające się z osnowy polimerowej – pełniącej funkcję bazy materiałowej dla danego tworzywa oraz z wielu napełniaczy nadających materiałowi kompozytowemu specjalnych właściwości.

Podstawowym narzędziem podczas ustawiania temperatury procesu do przetwórstwa tworzyw sztucznych jest dostarczona przez producenta danego tworzywa karta danych technicznych (z ang. Technical Data Sheet – TDS). Określa ona zakres temperatur przetwórczych, zalecane temperatury narzędzia, sposób przetwórstwa, właściwości materiałowe tworzywa takie jak wytrzymałość na rozciąganie, ścinanie, procentowy skurcz przetwórczy, dodatkowe właściwości tworzywa jak odporność na promieniowanie UV czy własności niepalne. Karta TDS opisuje dane tworzywo sztuczne na podstawie przeprowadzonych badań laboratoryjnych.”>maszyny do przetwórstwa tworzyw sztucznych jest dostarczona przez producenta danego tworzywa karta danych technicznych (z ang. Technical Data Sheet – TDS). Określa ona zakres temperatur przetwórczych, zalecane temperatury narzędzia, sposób przetwórstwa, właściwości materiałowe tworzywa takie jak wytrzymałość na rozciąganie, ścinanie, procentowy skurcz przetwórczy, dodatkowe właściwości tworzywa jak odporność na promieniowanie UV czy własności niepalne. Karta TDS opisuje dane tworzywo sztuczne na podstawie przeprowadzonych badań laboratoryjnych.

Badania termoanalityczne

Karta danych technicznych tworzywa określa zwykle przedziały temperatur przetwórczych, jednak w tych zakresach tworzywo sztuczne może posiadać zupełnie różne właściwości procesowe podczas przetwórstwa. Partie tego samego surowca w zależności od sposobu przygotowania, produkcji, zakładu produkcyjnego czy parametrów technologicznych również mogą posiadać różne właściwości przetwórcze.

By zapobiec brakowości produkcji ze względu na różnice w lepkości tworzywa będące wynikiem problemów z temperaturą przetwórczą bądź zmiany parametrów procesowych związanych z nową partią tworzywa należy cyklicznie przeprowadzać badania termoanalityczne wskaźników prędkości płynięcia tworzywa. Wykonuje się je przy użyciu plastometru obciążnikowego. Metodyka badań współczynników płynięcia tworzywa jest opisana normami takimi jak PN-EN ISO 1133 czy ASTM D1236. Współczynniki MFR/MFI (masowy współczynnik płynięcia) oraz MVR (objętościowy współczynnik płynięcia) to główne czynniki zapewniające te same właściwości procesowe w aspekcie płynności i lepkości tworzywa w danej temperaturze.

Rys. 1. Schemat plastometru

m [kg] T [stC] nr próbki MFR [g/10min] MFR śr. [g/10min] MVR [g/10min] MVR śr. [g/10min]
10 270 1 5,39 5,80 4,60 4,96
2 5,47 4,69
3 5,50 4,71
4 5,71 4,89
5 6,93 5,90
10 280 1 8,67 10,07 7,45 8,66
2 9,82 8,49
3 10,45 9,01
4 10,49 9,03
5 10,94 9,33
10 290 1 12,48 14,67 10,84 12,59
2 13,67 11,83
3 14,62 12,57
4 14,87 12,75
5 17,71 14,96
10 300 1 19,01 21,67 16,55 18,82
2 19,96 17,40
3 21,76 18,89
4 22,63 19,56
5 24,99 21,68

Rys. 2. Wpływ zmiany temperatury na współczynniki płynięcia (badania własne)

Kompletnym badaniem termoanalitycznym danego tworzywa sztucznego jest przeprowadzenie analizy przy użyciu kalorymetru różnicowego. Badanie skaningowej kalorymetrii różnicowej (DSC) polega na analizie termicznej strumienia cieplnego dostarczanego do dwóch komór urządzenia – komory pomiarowej, w której znajduje się próbka materiału, oraz komory odniesienia (referencyjnej). W ten sposób zaobserwować można zmiany temperaturowe (pochłanianie bądź wydzielanie ciepła) przez próbkę pomiarową wskutek przemiany fazowej, bądź reakcji chemicznej. Wykorzystując tę metodę, do analizy polimerów możemy precyzyjnie określić temperaturę zeszklenia, punkty przemiany fazowej materiału, moment przejścia stopu ze stanu stałego w stan ciekły oraz temperaturę degradacji tworzywa. Wyniki badania DSC pozwolą na określenie temperatur procesowania danego tworzywa.

Zalety doboru właściwej temperatury przetwórczej dla danego procesu

Odpowiednie ustawienie temperatury wtryskarki zapewnia niską brakowość procesu ze względu na jego stabilizacje. Zmniejsza się ilość energii mechanicznej potrzebnej do plastyfikacji masy, ponieważ tworzywo rzadziej ulega ścieraniu na ściankach cylindra i ślimaka. Wpływa na właściwości fizyczne detalu po wyprodukowaniu. Temperatura stopu jest też bezpośrednio związana z ciśnieniem masy oraz współczynnikami tarcia tworzywa o stalowe ściany narzędzia podczas wtrysku. Wzrost temperatury cylindra powoduje zmniejszenie lepkości stopu, co przekłada się na wyższe współczynniki płynięcia i niższe ciśnienia w procesie. W ten sposób można spróbować zmniejszyć widoczność linii łączenia na powierzchni detalu, zmieniając między innymi parametry prędkości wypełnienia.

Wzrost temperatur gniazda formy wpłynie na drogę i charakter płynięcia tworzywa, znacząco poprawiając izotropię (jednokierunkowość ułożenia) wypełniaczy włóknistych materiału. Zwiększając temperaturę termostatowania formy można poprawić jakość wizualną powierzchni detali. Dodatkowo pozwalając detalom krystalicznym na dłuższy czas chłodzenia w wyższych temperaturach, uzyskać można większy udział fazy krystalicznej – co bezpośrednio przekładać się będzie na właściwości mechaniczne produktu.

Wzrost temperatury przetwórczej wpływa znacząco na zużycie energii elektrycznej przez układ grzewczy cylindra oraz urządzenia peryferyjne (takie jak termostaty wodne). Zbyt wysoka temperatura może powodować defekty detalu w postaci nadlewów bądź przypaleń wynikających z degradacji tworzywa. Zwiększone temperatury masy i formy spowodują dłuższy czas zastygania tworzywa w przewężkach dolotowych gniazd narzędzia, co wpłynie na dłuższy czas docisku i wyższą wagę detalu. Zwiększanie temperatur celem zwiększenia prędkości wtrysku może doprowadzić do pojawienia się niewidocznych na powierzchni detali jam powietrza bądź powstawania niebezpiecznego efektu Diesla. Zwiększony udział fazy krystalicznej tworzyw krystalicznych może spowodować zwiększony skurcz przetwórczy.

Podsumowanie

Ustawienie optymalnych temperatur przetwórczych w procesie wtryskowym jest elementem niezbędnym w każdym przedsiębiorstwie skupionym na produkcji detali z tworzyw sztucznych. Warto zadbać także o same urządzenia wykorzystywane podczas prac przemysłowych, których nieprawidłowe działanie może wpłynąć na brakowość produkcji i przyczynić się do powstawania niepożądanych kosztów. W tym celu niezbędny jest cykliczny serwis i naprawa wtryskarek oraz części do wtryskarek. Zapewnienie odpowiednich temperatur wody oraz właściwie dobrane urządzenia peryferyjne pozwolą na skuteczną i efektywną pracę tych maszyn. Dzięki temu pod kontrolą będziemy mieli nie tylko temperaturę przetwórczą, ale cały proces formowania wtryskowego.