Uneven filling of injection mold cavities and how to adjust the filling

1. Nerovnom�rné pln�ní dutin nebo dutiny formy

Co si pod pojmem nerovnom�rné pln�ní m��eme p�edstavit? Nap�íklad nestejnom�rné pln�ní vyvá�ené vtokové soustavy. Vyvá�ená vtoková soustava je taková soustava, kde toková dráha k jednotlivým dutinám má stejnou vzdálenost od vstupu do formy a jednotlivé kanály a vtoková ústí mají stejný pr��ez – vyvá�ení délkou kanálu. Dutiny mohou mít také r�znou vzdálenost od vstupu do formy, ale pak musí být vtoková soustava vyvá�ena odstup�ováním pr��ez� kanál� a vtokových ústí – vyvá�ení geometrií kanálu. (Obr.1)

Obr.1: Nerovnom�rné pln�ní vyvá�ené soustavy                                         Obr.2: Nerovnom�rné pln�ní rota�ní dutiny [1]

Nerovnom�rné pln�ní dutiny se m��e také projevit u rota�ní dutiny, pln�né v ose rotace, kde bychom o�ekávali rovnom�rné pln�ní od st�edu dna k okraj�m. (Obr. 2) Podobný p�ípad m��e být pln�ní dutiny plošného, pravidelného tvaru, kde bychom o�ekávali rovnom�rné pln�ní od vstupu po opa�nou st�nu. (Obr.3) Na obrázku 1 se plní nerovnom�rn� nejen vtoková soustava, ale také samotné dutiny. Pravá �ást dutiny se plní rychleji ne� levá.

Obr. 3: Nerovnom�rné pln�ní plošného tvaru [1]                                          Obr. 4: Smyková rychlost

2. �ím je nerovnom�rné pln�ní zp�sobeno

Abychom mohli vysv�tlit p�í�inu výše uvedeného nerovnom�rného pln�ní, musíme nahlédnout na reologické chování tavenin polymerních materiál�. Reologie se zabývá deformací a tokem materiál�.

Název oboru reologie je odvozen od �eckého slova rheos (tok, proud). Ka�dý materiál p�i p�sobení síly podléhá deformaci. Pokud se deformace zv�tšuje s dobou p�sobení síly, materiál te�e. Úm�ru mezi p�sobící silou (te�ným nap�tím) a rychlostí zm�ny deformace (smykovou rychlostí) udává materiálová vlastnost viskozita. Viskozita nám �íká, jak velké má kapalina vnit�ní t�ení. [2]

V p�ípad� vst�ikování p�sobí �elo šneku silou na sloupec taveniny ve válci a tavenina proudí do dutiny formy. Rychlost proud�ní je dána rychlostí pohybu šneku. Rychlosti proud�ní je p�ímo úm�rná smyková rychlost, která ukazuje gradient zm�ny rychlosti p�es pr��ez kanálu (Obr. 4). Viskozita potom popisuje odpor taveniny proti te�ení. Tedy polymer s vysokou viskozitou te�e špatn�, polymer s nízkou viskozitou te�e lépe. (ni�ší vst�ikovací tlak, lepší pln�ní dutiny formy).

Polymery jsou tvo�eny makromolekulárními �et�zci o r�zných délkách, které v tavenin� vytvá�í zapleteniny. Stavba �et�zc�, typy atom� v �et�zci a také délka �et�zc� ur�ují vlastnosti polymeru. My se zde zam��íme na viskozitu-odpor proti te�ení. Viskozita u polymerních tavenin závisí na teplot� taveniny. S rostoucí teplotou se viskozita sni�uje (Obr. 5), polymer lépe te�e. Viskozita také závisí na smykové rychlosti (Obr. 5), a tedy také na vst�ikovací rychlosti. S rostoucí smykovou rychlostí se bude v podmínkách vst�ikovacího procesu viskozita také sni�ovat. Tedy zjednodušen� �e�eno, kdy� zvýšíme teplotu na válci šneku a vst�ikovací rychlost, tavenina lépe pote�e.

Obr. 5: Závislost viskozity na teplot� a smykové rychlosti. Vliv zvýšení teploty o 40°C a smykové rychlosti 100x na viskozitu.

2.1. Vliv teploty a smykové rychlosti na chování taveniny ve vtokovém systému.

Co se d�je s taveninou v kanálu vtokové soustavy formy p�i pln�ní dutiny? Pr�b�h rychlosti proud�ní ukazuje (Obr. 4), �e u st�ny kanálu je rychlost nejni�ší, zatímco v ose kanálu je rychlost maximální (p�edpokládáme stejnou teplotu po obvodu kanálu). Tedy k nejv�tším zm�nám rychlosti proud�ní dochází práv� oblasti st�ny kanálu. Jak bylo �e�eno v p�edchozí kapitole, smyková rychlost je dána zm�nami velikostí rychlosti proud�ní. Tedy u st�n kanálu jsou maximální hodnoty smykové rychlosti (Obr.4). Vysoká smyková rychlost a také vysoké smykové namáhání taveniny díky vnit�nímu t�ení vedou k nár�stu teploty taveniny u st�ny kanálu.

Jak u� bylo �e�eno, viskozita závisí na teplot� taveniny a smykové rychlosti nep�ímo. V blízkosti st�n kanálu jsou maximální hodnoty teploty taveniny a smykové rychlosti, pak je tam také nejni�ší hodnota viskozity, polymer výborn� te�e. Ve st�edu kanálu, kde jsou naopak hodnoty teploty a smykové rychlosti nejni�ší, je hodnota viskozity nejvyšší a polymer te�e špatn�.

Na obrázku 5 je závislost viskozity na teplot� a smykové rychlosti. Jednotlivé k�ivky jsou pro teploty 260, 273, 286 a 300°C. S rostoucí teplotou viskozita klesá. Ka�dá k�ivka pak ukazuje, jak se sní�í viskozita s nar�stající smykovou, resp. vst�ikovací rychlostí. Jak je vid�t na obrázku 5 a 6, uprost�ed kanálu je teplota a smyková rychlost nejni�ší a viskozita je nejvyšší (modrá barva). Naopak u st�n kanálu je teplota a smyková rychlost nejvyšší a viskozita nebo také odpor proti te�ení (�ervená barva) je zde 100x ni�ší ne� uprost�ed kanálu. Samoz�ejm�, co platí pro vtokový kanál, platí také pro dutinu formy.

2.2. Vliv rozlo�ení viskozity na nerovnom�rné pln�ní dutiny formy

Co se stane, kdy� se kanál za�ne v�tvit a proudí v n�m tavenina s rozlo�ením viskozity, jak bylo popsáno v p�edchozí kapitole? V rozv�tvení kanálu bude na pravé stran� proudit tavenina s nízkou viskozitou a na levé stran� tavenina s vysokou viskozitou. (Obr. 7) Tedy na levé stran� pote�e tavenina 100x lépe ne� na stran� pravé.

Obr. 6: Rozlo�ení viskozity v pr��ezu kanálu.                                          Obr. 7: Rozd�lení taveniny v kanálu podle vrstev

Kdy� bude rozv�tvený kanál ukon�en dutinou formy, i kdy� bude symetrická, pak levá strana dutiny se bude plnit 100x lépe ne� pravá strana dutiny. Kdy� se bude kanál dále v�tvit do vice dutin (Obr. 8), pak dutina na levé stran� v�tve se bude plnit 100x lépe ne� dutina na pravé stran� v�tve (Obr. 8). Násobek 100 platí pouze pro náš p�íklad. Rozdíly v pln�ní se m�ní podle polymeru a teplotních a rychlostních podmínek v kanálu �i dutin�. Z toho, co zde bylo �e�eno, tedy vyplývá, �e a�koliv máme vyvá�enou vtokovou soustavu nebo symetrickou dutinu, pln�ní v d�sledku nerovnom�rného rozlo�ení viskozity v kanálu vede k rozdílným proud�ním a nerovnom�rnému pln�ní dutiny. Na obrázku 9 je vid�t plnící studie vyvá�ené vtokové soustavy, kde se rychleji plní dutiny blí� st�edu formy, proto�e v t�chto v�tvích je menší odpor proti te�ení (menší viskozita). Zárove� dutina ve tvaru písmene U se plní také nerovnom�rn�, proto�e do levého pásku (zakrou�kovaná dvojice dutin) proudí tavenina s ni�ší viskozitou lépe ne� do pravého pásku. (Obr.9)

Obr. 8: Pln�ní dutiny a dvou dutin                                                             Obr. 9: Pln�ní vyvá�ené vtokové soustavy

3. Odstran�ní nerovnom�rného pln�ní dutiny

Jak odstranit nerovnom�rné pln�ní dutin forem zp�sobené rozd�lením viskozity taveniny v dutin� kanálu? V podstat� se nabízí nejjednodušší mo�nost, a to promíchání taveniny p�ed vstupem do rozv�tvení kanálu a p�ed vstupem do dutiny. Promíchání taveniny musí být takové, aby rozd�lení viskozit v pr��ezu bylo stále soum�rné podle osy kanál� nebo podle osy dutiny formy.

Pou�ijme patentovaný systém MeltFlipper® od firmy Beaumont, který �eší promíchání taveniny p�echodem kanálu z jedné poloviny d�lící roviny do druhé a zp�t. (Obr. 10) Tento systém je na první pohled velmi jednoduchý a elegantní, ale jeho dokonalá funk�nost závisí na správném návrhu p�echod� kanál� Obr.11).

Obr.10: Promíchání taveniny pomocí patentovaného systému MeltFlipper

P�echody se dají �ešit p�ímo v desce formy, nebo pomocí vlo�ek (Obr.11). Systém MeltFlipper lze pou�ít jak pro úpravu rovnom�rného pln�ní vtokové soustavy, tak také pro rovnom�rné pln�ní dutiny formy.

Obr.11: Porovnání pln�ní dutin vyvá�enou vtokovou soustavou a systémem MeltFlipper

4. Analýza nerovnom�rného pln�ní pomocí Moldflow

P�ed provedením zásahu do formy je velmi d�le�ité analyzovat p�í�inu nerovnom�rného pln�ní vtokové soustavy nebo dutiny formy. Pomocí Moldfllow lze velmi dob�e analyzovat odchylky v pln�ní formy, zm�ny teploty a viskozity v kanálech v�etn� teploty �ela taveniny a smykových nap�tí. Na obr. 12 je analýza pln�ní formy a porovnání s realitou pro vyvá�enou vtokovou soustavu a vyvá�ení pln�ní pomocí MeltFlipper. Na Obr. 13 je Moldfllow analýza úpravy pln�ní vyvá�ené vtokové soustavy.

Obr.12: Porovnání Moldflow analýzy pln�ní dutiny formy a reality

Obr. 13: Moldflow analýza pln�ní vyvá�ené vtokové soustavy a MeltFlipper

5. Záv�r

Smartplast s.r.o. nabízí �ešení rovnom�rného pln�ní vtokového systému a dutin. Provedeme Moldflow analýzu p�í�in nerovnom�rného pln�ní a navrhneme �ešení. Pokud bude vhodným �ešením Meltflipper, seznámíme vás s podmínkami jeho vyu�ití a zajistíme vám jeho dodání spole�ností Beaumont a aplikaci u vás.

Zveme vás na webiná� �ešení nerovnom�rného pln�ní dutin vst�ikovacích forem, kde se dozvíte víc o problému samotném a p�íkladech jeho �ešení. Další informace na www.smartplast.cz

[1] Beaumont, J: Connect! 2019, Hoechst, 4.-5. 6. 2019
[2] http://www.icpf.cas.cz/cs/reologie