Odvzdušnění Nr1

Proč přemýšlet nad odvzdušněním?

"Vždycky jsme to dělali jako vždycky.." (Asterix a Kleopatra)

Dutina vstřikovací formy se zdá být na začátku vstřikovacího cyklu prázdná, v realitě je však plná vzduchu. Abychom mohli vyrobit kvalitní díl, musí uzavřený vzduch během plnění odejít z dutiny formy a to rychle a bez problémů. Odvzdušnění formy tedy musí zajistit odvod vzduchu, ale nesmí do odvzdušňovací štěrbiny pustit roztavený plast.

Zkuste si to představit na příkladu: Když přiškrtíte konec zahradní hadice palcem a otočíte kohoutkem, můžete "brzdit" postup vody. Pokud hadici úplně ucpete, natlakuje se vzduch na hodnotu tlaku vody. Jakmile povolíte, uslyšíte syčivý zvuk, jak vzduch utíká z hadice před čelem natlakované vody. Něco podobného se děje i ve vstřikovací formě. Jenom na rozdíl od vody má plast vysokou viskozitu (nízkou tekutost) a do úzké odvzdušňovací štěrbiny nezateče. Štěrbina má zpravidla tloušťku 0,015-0,03 mm, přesnou hodnotu získáte od dodavatele materiálu a někdy ji najdete v technickém listu.

Pro správnou konstrukci odvzdušnění formy musíme znát tyto vstupní hodnoty:

• objemový tok taveniny plastu

• druh a typ materiálu

• technologické podmínky vstřikování

Plast je vstřikován do formy za určité objemové (vstřikovací) rychlosti [cm3/sec]. Vstřikovací rychlost vypočteme jako násobek plochy šneku a rychlosti pohybu šneku při vstřiku. Velký šnek krát velká rychlost tak představuje velkou objemovou rychlost.

Objemová rychlost je nejdůležitější faktor pro odvzdušnění formy!

Při výrobě krátkých tlustostěnných výlisků velmi pomalou vstřikovací rychlostí (eliminace lunkrů a bublin) si pravděpodobně vystačíme s jedním pruhem odvzdušnění na konci dráhy tečení. Raději uděláme odvzdušnění o něco širší, jelikož konec tečení může trochu cestovat a musíme ho odvzdušněním vždycky chytit. Jinak vznikne defekt i milimetr od účinného odvzdušnění .

Abychom nastříkli a dotlačili tenkostěnný výlisek s dlouhou dráhou tečení, musíme plnit velmi vysokou vstřikovací rychlostí. Při těchto parametrech budeme potřebovat opravdu účinné odvzdušnění s vekou odvzdušňovací schopností.

Pro tekuté viskózní krystalické materiály jako je polyamid, polyethylen nebo polypropylen se doporučená hloubka odvzdušnění pohybuje od dvou do tří setin milimetru. Více viskózní amorfní materiály jako je polykarbonát, ABS můžou mít doporučenou hloubku odvzdušnění od tří do šesti setin milimetru. Možná jste se už s takovými tabulkami setkali (tab. 1.), berte je pouze jako doporučení. Příměsi, aditiva, plniva mohou bezpečnou hloubku odvzdušnění velmi významně ovlivnit.

Nevyužívat pro odvzdušnění maximální dovolenou bezpečnou hloubku je neefektivní a vyžaduje provádět odvzdušnění četnější. Někdy ve formě pro takové množství odvzdušnění ani není místo.

Tab.1: Doporučená hloubka odvzdušňovací štěrbiny

0dvzdušňovací štěrbinu je nutné zkontrolovat a změřit ve stavu, kdy je forma zavřená zavírací silou. Je třeba zjistit, zda se časem, ale i třeba hned jako nová, pružným prohnutím/deformací nezavírá. Toto zavírání pozná zkušený nástrojař pouhým okem prohlídkou dosedacích ploch podle tlakové rzi a omačkání. 

Funkční otevření štěrbiny lze měřit pomocí užitečné pomůcky a metody Plastic Gauge. Staří formaři k tomuto účelu používali speciální hustší tušírku v injekční stříkačce s jehlou.

Viskozita materiálu závisí na technologických podmínkách vstřikování, obzvláště na teplotě taveniny a smykovém namáhání. Při tečení plastu tenčí stěnou se zvyšuje smykové namáhání, to vede k orientaci molekul a prohřátí materiálu s následkem snížení viskozity. Materiál s nižší viskozitou snadněji zastříkne i do tenčí odvzdušňovací štěrbiny. Snížená viskozita navíc způsobí menší tlakové ztráty, které mohou na konci toku přispět ke vzniku zástřiku. Z uvedených důvodů je třeba na konci tečení zvolit bezpečnou tloušťku štěrbiny. Ke vzniku zástřiku přispívá i fakt, že tavenina na konci výlisku nemá zamrzlou vrstvičku a konec výlisku je vystaven tlakovému rázu po zaplnění kavity plastem.

Nedostatečné odvzdušnění se projevuje známými zjevnými problémy:

• množství vadných dílů,
• vidíme známky spalování,
• povrchové vady,
• spáleniny na konci toku,
• zbytky materiálu se lepí na nástroj, problém při vyhození,
• neúplné výstřiky,
• nedostatečně dotlačené kusy,
• špatně prokopírovaný dezén,
• nerovnoměrné plnění tvarových dutin,
• deformace dílů,

ale i problémy, které nejsou hned vidět:

• neproduktivní čas,
• delší cyklus,
• vyšší energetická náročnost,
• díly s vnitřním pnutím,
• pomalejší doby plnění,
• vyšší dotlak,
• větší vnitřní pnutí,
• delší chladicí časy.

Pokud vzduch opouští kavitu pomaleji než postupuje čelo taveniny, začíná se stlačovat. Při stlačování dochází k adiabatickém ohřevu (molekuly se přiblíží víc k sobě a častěji do sebe naráží) ohřátý plyn potřebuje ještě víc expandovat, což dále zvyšuje tlak. Jak se vzduch při plnění formy stlačuje, stoupá jeho teplota a při styku s plastem dochází ke spálení a zčernání plastu známé jako Dieselefekt.

 Pro snazší indikaci Dieselefektu je výhodné stříknout světlý plast, na kterém jsou jisté chyby a spáleniny lépe patrné.

Jakmile na výlisku uvidíte spálená či zuhelnatělá místa, nebo ucítíte spálený materiál, okamžitě se problému věnujte a snažte se problém eliminovat. Pokud to neuděláte a forma nějaký čas poběží s dieselefektem, hrozí nevratné poškození formy. V místě pálení dojde k erozi oceli a během relativně krátké doby se mohou tvarové části poškodit. Jemné dezény a vysoce leštěné plochy poškodí dieselefekt okamžitě.

Jediný pozitivní efekt na stlačování vzduchu je, že stlačováním se vzduch stává hustším a tedy rychleji odchází. Pozor však, pokud se vzduch stlačí víc než 10 barů vznikají vady už jen vlivem lokálního přehřátí.

Akutní řešení papírkovou metodou zná z praxe každý technolog. Do míst, která zlobí kvůli odvzdušnění vlepíme papírovou nálepku. Papír má tloušťku právě několik setin milimetru a zmáčknutý v dělící rovině rozepře v okolí obě plochy o setinu milimetru. Jako ověření, že daný problém má příčinu v odvzdušnění, je tato metoda ideální. Rozhodně to ale není dobré řešení problému, protože nánosy rozmačkaných papírků poškozují formu a snižují její životnost (ne každá forma je vyrobená z kalené oceli).

Je na obrázcích realita z praxe, nebo odstrašující příklad?

Konstrukce odvzdušnění

Délka odvzdušňovací štěrbiny - Vent land

Zkuste si malý experiment. Vezměte si brčko na pití limonády a zkuste si do něj ze všech sil fouknout. Pak vezměte nůžky a ustřihněte si brčko jen kousek od pusy a zkuste do něj fouknout znovu. Pokud si to opravdu vyzkoušíte, okamžitě poznáte, jak důležitá je krátká "délka" odvzdušnění a jaký má tento parametr vliv na tlakové ztráty a účinnost. Nejenže s délkou odvzdušnění narůstají tlakové ztráty, delší odvzdušňovací dráha, kterou musí ještě stlačený vzduch vykonat, způsobí, že se odvzdušňovací cesty mnohem častěji zanesou a zablokují nečistotami a kondenzáty. Pokud je to možné, snažíme se délku odvzdušňovací štěrbiny Vent Land držet v rozmezí někde mezi 0,75-1,5mm, přičemž na hraně směrem do primární drážky srážíme hranu a necháváme rádius, který snižuje turbulentní proudění v odvzdušnění.

Žádný design odvzdušňovacích drážek nezaručí samočistící efekt, ale některé typy odvzdušnění se mnohem méně zanášejí a ucpávají a vydrží mnohem déle průchozí než jiné.

Primární a sekundární odvzdušňovací drážky

Pro srozumitelnost označujeme první drážku hned za odvzdušňovací štěrbinou jako primární drážku a všem dalším napojením říkáme sekundární a terciální atd...

Lidé si často pletou a zaměňují odvzdušňovací drážky se samotným odvzdušněním. Pokud na formě není odvzdušňovací štěrbina a je okolo výlisku, nebo okolo části provedena pouze odvzdušňovací primární a sekundární drážka, výlisek samozřejmě není odvzdušněný, protože se do drážky nemá vzduch kudy dostat. Když je forma nová odvzdušnění možná trochu funguje, ale postupem času a někdy i velmi rychle, jak si forma takzvaně "sedne" a dojde k zamačkání výrobních nepřesností a nedolícovaných detailů a forma začne mít problémy s odvzdušněním. V praxi to je naprosto běžná věc.

Odvzdušňovací drážky musí být navrženy tak, aby bez tlakových ztrát dopravily vzduch od štěrbiny pryč z formy, co nejdál od výlisků. Je třeba si uvědomit, že každá zatáčka, ostrá hrana stavící se plynům do cesty, každé zúžení, každá křižovatka a dlouhé úseky, zvyšují tlakové ztráty a způsobují městnání plynu a tím pádem pomalejší odvod. Když se odvzdušněné a stlačené plyny dostanou do míst, kde se mohou rozpínat, zapůsobí na ně adiabatická přeměna. To znamená, že jak klesá tlak, klesá i teplota plynu a dochází ke kondenzaci látek rozpuštěných v plynu. Z naší zkušenosti víme, že pokud se provede odvzdušnění dostatečně kapacitně a vzduch z kavit odchází bez velkého odporu, nedochází téměř k zanášení odvzdušňovací štěrbiny a výrazně se to projevuje na kvalitě výroby a intervalech nutné údržby. Stěrbinu, rádius i primární a sekundární kanál je vhodné přeleštit kamenem zrnitosti 400. Snažit se o jemnější povrch podle našeho názoru nemá ekonomicky smysl (výhoda nevyváží vynaložené úsilí). Rozhodně je dobré zbavit povrch stop po frézování, kde by se usazovaly nečistoty a hrubý povrch by zvyšoval odpor odcházení plynů.

Průřez odvzdušňovacích kanálů jak jdou za sebou by měl být vždycky alespoň o 20 - 30 % větší, aby nedocházelo k tlakovým ztrátám.

Odvzdušňovací drážka by měla odvádět vzduch co nejdál od hrany výlisku. Kondenzáty, které se tvoří v blízkosti vyústění, se vlivem sání a průvanu při prudkém otevření formy, mohou nasát zpět dovnitř do kavity, kde nám způsobí vzhledové vady. Pokud to nelze vyřešit jinak, je potřeba nastavit na stroji pomalé otevírání formy prvních cca 10 milimetrů dráhy a zabránit tak vzniku sacího efektu.

Odbitá odlehčená forma si naopak neustále "sedá" a tím pádem velice rychle dotěsní jakékoli odvzdušnění v dělící rovině. Tlakové příložky už zpravidla problém nevyřeší, i kdybyste je zvedli o desetiny milimetru. Dalším problém je, že se neomačkávají jenom odvzdušňovací drážky, ale i hrany dělící roviny, což způsobuje škrábání výlisku. Této vadě, které někde říkají "čárový kód", musí nástrojař začistit namačkaný otřep v dělící rovině tvárnice.

Při psaní jsme se trochu inspirovali:

Lubomír Zeman: Vstřikování plastů

Randy Kerstra, Steve Brammer: Injection Molding Advanced Troubleshooting Guide

Jim Fattori: Plastic technology.

Typ z praxe na závěr: Bruska s pravítkem (hmatadlem) pro snazší a čistější broušení primárních drážek blízko kontury výlisku.

Martin Marek a HELixPin team