Úvod

Při plnění dutiny se tavenina současně pohybuje, smykově deformuje a ohřívá. Největší zatížení nemusí vznikat v samotném dílu: často se soustředí do vtokového ústí, ostrého přechodu nebo úzkého žebra. Výsledek se projeví až později jako nedoplněný detail, povrchová stopa nebo snížená odolnost výstřiku. Aby bylo možné tyto jevy vysvětlit, nestačí znát jedinou hodnotu tekutosti materiálu ani samotný maximální tlak stroje.

Tento článek propojuje reologické vlastnosti polymerní taveniny s geometrií tokové cesty, podmínkami vstřikování a interpretací výsledků Moldflow. Ukazuje, kde hledat překročení smykového zatížení, jak ověřovat možné poškození materiálu a proč se simulace může lišit od měření. Závěr se věnuje tryskovému toku (jetting), který může vzniknout jak bezprostředně za vtokovým ústím, tak po průchodu zúženou částí dutiny.

1 Reologie při plnění dutiny

Reologie popisuje deformaci a tok materiálu. Pro vstřikování je zásadní smyková viskozita η, tedy odpor taveniny vůči toku při dané teplotě, smykové rychlosti a tlaku. Smyková rychlost γ̇ vyjadřuje změnu rychlosti proudění napříč tloušťkou proudící vrstvy; její jednotkou je s⁻¹. Smykové napětí τ popisuje tečné zatížení vrstvy a uvádí se v Pa nebo MPa. U jednoduchého smykového toku platí vztah τ = η · γ̇. Ve skutečné dutině se všechny tři veličiny mění s místem i časem.

Polymerní taveniny jsou zpravidla pseudoplastické: s rostoucí smykovou rychlostí jejich zdánlivá viskozita klesá. Rychlejší plnění proto může snížit odpor toku v části dutiny, zároveň však zvýšit lokální smykové namáhání ve vtoku. Vyšší teplota viskozitu obvykle snižuje, kdežto tlak ji může zvyšovat. Míra těchto závislostí se liší mezi konkrétními materiály a jejich obchodními typy. Údaj „PA6“ nebo „PP“ sám o sobě nestačí pro spolehlivý odhad plnění.

Při volbě procesních podmínek je proto nutné sledovat nejen to, zda tavenina doteče, ale také jakou cestou, při jaké rychlosti a za jakého lokálního zatížení. Zvýšení vstřikovací rychlosti může napravit nedoplnění a současně vytvořit nové riziko právě v místě nejmenšího průřezu.

2 Překročení smykové rychlosti a ověření materiálu

Nejvyšší smykové rychlosti obvykle vznikají při průtoku zúženými místy: v tunelovém vtokovém ústí, v úzkém rozváděcím kanálu, v tenkém žebru nebo při náhlém zúžení průřezu. Pozornost vyžaduje i napojení trysky vstřikovacího stroje na vtokovou vložku. Ostrá hrana nebo nesouosost mohou vytvořit lokální špičku, kterou z výsledku pro samotnou dutinu nelze vyčíst.

V příkladu na obrázku 2 níže dosáhla vypočtená smyková rychlost v ústí přibližně 108 000 s⁻¹. Obecný limit smykové rychlosti pro PA6 je 60 000 s⁻¹. Limit je třeba převzít pro přesný materiálový typ a porovnat s lokálním maximem ve zvolené fázi plnění.

Prvními úpravami pro snížení smykové rychlosti jsou obvykle delší čas plnění nebo větší účinný průřez vtokového ústí. Je třeba znovu vyhodnotit celý díl: zpomalení může zvýšit ochlazení čela toku a zhoršit doplnění vzdálené oblasti. Změna geometrie zase ovlivní stopu po vtoku, tlakové ztráty a případně vyjímání výstřiku.

Pokud vznikne podezření na degradaci polymeru během reálného vstřikování, můžeme použít porovnání vstupního granulátu a polymeru, který již prošel celým vstřikovacím cyklem (vzorek z reálného dílu). U vhodných rozpustných materiálů lze použít roztokovou viskozimetrii a stanovit limitní viskozitní číslo podle příslušného postupu. Pokles vůči vstupnímu materiálu může ukazovat na snížení průměrné molekulové hmotnosti. Sám o sobě však neurčí místo ani příčinu poškození: je třeba zohlednit sušení, plastifikaci, zdržnou dobu taveniny, historii teplot i případný podíl recyklátu. Limitní viskozitní číslo je vlastnost měřeného polymeru, nikoli „limit smykové rychlosti“.

3 Smykové napětí na stěně a životnost výstřiku

Na rozhraní taveniny a stěny formy vzniká smykové napětí, jehož lokální maximum může růst při ztenčení stěny, v ostrém přechodu nebo při rychlejším plnění. Simulační výsledek pomáhá odhalit místa, kde je nutné přezkoumat zatížení materiálu. Maximální číselnou hodnotu je ovšem vhodné posuzovat s ohledem na použitý polymer, vstupní data a požadovanou kvalitu dílu. Ke každému dílu je třeba přistupovat individuálně. Černobílé posouzení predikovaných hodnot s obecnými limity může být v některých případech zavádějící.

V příkladech na obrázku 3 vidíme predikci smykového napětí na stěně u dvou různých dílů z odlišných materiálů, kdy každý materiál má své limitní hodnoty. Poučení z obou příkladů je stejné: posuzovat konkrétní materiál a kritické místo u daného dílu.

Vysoké zatížení polymerní taveniny během vstřikování přispívá k orientaci vnitřní struktury a nárůstu zbytkového napětí ve výstřiku, případně ke zhoršení mechanických vlastností. Jestliže je výstřik následně zatěžován mechanicky nebo přichází do styku s agresivním médiem (např. benzín, louh, olej nebo kyselina), mohou se rozvíjet trhliny v důsledku napěťového praskání za působení prostředí (tzv. environmental stress cracking, zkratka ESC). Výskyt ESC však sám nedokazuje, že bylo při plnění překročeno smykové napětí. Dokazuje pouze to, že souběh všech okrajových podmínek, tj. způsobu vstřikování, použitého polymeru a zatížení vstřikovaného dílu, překračuje limity zatížení daného polymeru. V praxi, kdy se snažíme odhalit problém praskajícího dílu, je třeba spojit analýzu toku a namáhání taveniny během vstřikování se zkouškami dílu v podmínkách jeho použití nebo montáže. To znamená odhalit, zda během plnění nebyla tavenina vystavena nadlimitnímu smykovému napětí nebo smykové rychlosti, která snižuje užitné vlastnosti výstřiku.

4 Reologická měření a přesnost analýzy Moldflow

Index toku taveniny MFR (melt flow rate) nebo MVR (melt volume rate) poskytuje srovnávací údaj při definované teplotě a zatížení. Nejde o úplnou viskozitní křivku. Dva materiály se stejným indexem se mohou při smykových rychlostech typických pro plnění chovat rozdílně. Pro simulační model jsou podstatná měření viskozity v širším rozsahu smykových rychlostí a teplot: vyšší oblast pokrývá kapilární reometr, nižší rotační reometr. Viskozitní křivka je grafické znázornění, jak se mění viskozita plastu, Cross-WLF model je matematický aparát, který tyto křivky definuje a mění je v závislosti na teplotě a tlaku a je použitý v softwaru Autodesk Moldflow.

Důležitá může být tlaková závislost viskozity. U tenkostěnného dílu na obr. 5 se predikovaný tlak při použití odlišných tlakových dat změnil zhruba z 65 na 79 MPa. U silnějšího dílu s nižším tlakem byl rozdíl podstatně menší. Při porovnání predikovaného vstřikovacího tlaku s reálným vstřikovacím tlakem stroje je nutné také určit, zda se porovnává tlak taveniny na šneku, tlak v trysce, nebo tlak v dutině. Důležité jsou také vstupní informace do simulace, např. kompletnost vtokového systému.

Geometrie modelu rozhoduje o tom, jaké tlakové ztráty výpočet vůbec zahrne. Pokud model obsahuje jen dutinu a zjednodušený vtok, nelze očekávat shodu s tlakem naměřeným na stroji, který překonává i odpor trysky a celého vtokového systému. Predikovaný rozdíl na obrázku 6 se pohybuje kolem 600 bar mezi variantami bez vtoku a s kompletním vtokem. Při přesném srovnání hraje roli také napojení trysky a geometrie vstupu.

V úzkých místech může disipace mechanické energie zvyšovat místní teplotu taveniny a tím měnit viskozitu. Obr. 7 uvádí u polykarbonátového dílu lokální teplotu přibližně 340 °C při nastavené teplotě taveniny okolo 300 °C. Tyto hodnoty samy nepotvrzují tepelnou degradaci: rozhoduje konkrétní materiál, doba působení a teplotní historie.

Při kalibraci analýzy proto dává smysl postupovat po řetězci: ověřit přesný materiál a jeho reologická data, rozsah geometrie, síť v kritických místech, skutečný teplotní a rychlostní profil a polohu snímače tlaku. Teprve potom je možné rozdíl mezi simulací a výrobou přisuzovat samotnému modelu. Také příliš časné přepnutí z řízení rychlosti na dotlak může změnit průběh plnění a lokální zatížení, i když zdánlivě sníží tlakovou špičku.

5 Tryskový tok a jetting

Jetting vzniká, když proud taveniny vstoupí do volného prostoru dutiny jako úzký paprsek a bez včasného kontaktu se stěnou se nahodile ukládá. Následující tavenina jej zaplaví, ale stopa na pohledové ploše může zůstat viditelná jako hadovitá čára nebo šmouha. Pokud stopa po jettingu není vidět, může být zaplaven taveninou tak, že jetting je zastříknutý uvnitř dílu a vytváří studené spoje s uzavřeným vzduchem a mechanicky oslabuje díl. Riziko roste zejména tam, kde vtok směřuje podélně do otevřené části dutiny a proud se nemůže bezprostředně rozvinout po stěně.

Posouzení začíná u orientace a průřezu vtokového ústí, směru toku a počáteční rychlosti plnění. Možným zásahem je nasměrovat proud na blízkou stěnu či upravit polohu vtoku; jindy pomůže nižší počáteční vstřikovací rychlost. Je nutné současně prověřit, zda úprava nevyvolá předčasné zamrzání, studený spoj nebo nedoplnění, případně další defekty.

Nejkritičtější místo vzniku tryskového toku je vstřikovací bod. Nicméně může vzniknout také až uvnitř dutiny. Na obr. 9 tavenina nejprve prochází zúženým ramenem a poté vstupuje do širší oblasti pohledové plochy. Při nevhodné rychlosti vznikaly viditelné tokové stopy. Možné řešení daného problému je zvětšení tloušťky stěny dílu, nicméně tato úprava je riziková kvůli možnému zhoršení propadlin na pohledové ploše. Další postup může být vzestupný rychlostní profil: přes kritický úsek plnit pomalu a po stabilizaci čela toku rychlost zvýšit. Rozhodující je poloha čela toku, tvar dílu, požadovaná kvalita dílu a případně použitý polymer. Je třeba zvážit, jaký dopad budou mít zvolené úpravy na zbytek dílu.

6 Závěr

Přesnost posouzení plnění nestojí na jedné maximální hodnotě. Smyková rychlost označí kritické místo dutiny nebo vtoku, smykové napětí popíše zatížení u stěny a reologická data určují, jak výpočet převede procesní podmínky na tlak a průběh toku. Smysl mají až ve vztahu ke konkrétnímu polymeru, geometrii dílu a vtoku a očekávanému namáhání výstřiku.

Při řešení vady je rozumné začít v místě jejího vzniku a sledovat celou tokovou cestu zpět ke stroji. Lokální zpomalení, úprava vtoku nebo korekce rychlostního profilu mohou zlepšit povrch či omezit zatížení, každou změnu však musí provázet úvaha, jaký dopad budou mít na doplnění dutiny, teplotu taveniny a tlakové ztráty. Simulace je nejsilnější tehdy, když se její predikované výsledky porovnají s měřením a chováním skutečného výstřiku, případně vstřikovací formy.

Článek Nestability plnění dutiny a přesnost analýzy Moldflow se nejdříve objevil na Smartplast.

Úvod

Plnění dutiny vstřikovací formy je dynamický proces doprovázený řadou jevů, které vycházejí ze samotné podstaty polymerní taveniny a způsobu jejího proudění. Tavenina je tvořena směsí makromolekulárních řetězců různých délek, při průchodu vtokovým systémem a dutinou formy je namáhána smykem a současně intenzivně ochlazována stěnami formy.

V dutině proudí charakteristickým fontánovým tokem. Makromolekulární řetězce se během proudění orientují, přičemž u polymerů s vláknitým plnivem se obdobně orientují také vlákna. Čelo taveniny před sebou současně vytlačuje a stlačuje vzduch přítomný v dutině. Pokud se dva proudy taveniny znovu setkají, vzniká studený spoj.

Tyto jevy nejsou izolované. Vzájemně se ovlivňují a jejich výsledkem mohou být změny vzhledu, struktury i mechanických vlastností výstřiku.

Tento článek vysvětluje, jak tyto děje vznikají, co ovlivňují a jak je lze modelovat a analyzovat pomocí simulačních nástrojů Moldflow.

1. Fontánový tok a jeho nestability

Ve chvíli, kdy se tavenina dostane do vtokového systému a následně do dutiny formy, začne se její proudění formovat do charakteristického fontánového toku.

Teplota stěny tokového kanálu a dutiny formy je nižší než teplota taveniny. Jakmile se tavenina dotkne stěny, začne na ní vznikat vrstva ztuhlého polymeru. Jak tavenina postupuje dutinou nebo studeným vtokovým kanálem, ztuhlá vrstva se zvětšuje a současně zmenšuje efektivní tokový průřez.

Za čelem taveniny je proto rychlost proudění vyšší než přímo na čele. Vektory rychlosti uvnitř toku se na jeho čele stáčejí směrem ke stěně formy. Materiál proudící středem průřezu je tak postupně přiváděn k čelu toku a následně ukládán na povrch dutiny.

Tloušťka ztuhlé vrstvy závisí zejména na třech parametrech:

• vstřikovací rychlosti,
• teplotě taveniny,
• teplotě formy.

Zvýšením těchto parametrů se obecně tloušťka ztuhlé vrstvy snižuje.

Fontánový tok současně vysvětluje, proč se řada nehomogenit taveniny projeví právě na povrchu výstřiku. Materiál z čela taveniny se dostává ke stěně formy, kde je působením smyku rozprostřen po povrchu.

Tak mohou vznikat například šmouhy způsobené změnou koncentrace plniva nebo pigmentu. Vodní páry přivedené na povrch mohou vytvářet stříbření. Tmavé šmouhy mohou být naopak projevem degradace polymeru nebo jeho aditiv.

Jiný charakter mají izolované tečky nebo zrnka. Jejich příčinou obvykle není samotný mechanismus plnění, ale kontaminace materiálu.

Smyková rychlost a smykové namáhání

Pro pochopení nestabilit fontánového toku je důležitá smyková rychlost.

Polymerní tavenina se při běžném vstřikování pohybuje laminárně. Jednotlivé vrstvy taveniny se vůči sobě pohybují rozdílnými rychlostmi. Vrstva v bezprostředním kontaktu se stěnou formy se rychle ochlazuje a tuhne, zatímco sousední vrstvy po ní proudí dále do dutiny.

Smyková rychlost vyjadřuje, jak rychle se mění rychlost proudění mezi jednotlivými vrstvami taveniny přes průřez tokového kanálu nebo dutiny. Nejvyšších hodnot dosahuje v oblasti blízko stěny, zatímco směrem ke středu průřezu se rozdíl rychlostí sousedních vrstev snižuje.

Se smykovou rychlostí souvisí smykové napětí – mechanické namáhání vznikající v proudící tavenině. Smyková viskozita potom vyjadřuje odpor polymerní taveniny proti tečení a je dána vztahem mezi smykovým napětím a smykovou rychlostí.

Polymerní tavenina není kapalina s konstantní viskozitou. Její viskozita je závislá především na teplotě a smykové rychlosti, ale ovlivňuje ji také tlak.

Pokud nevhodná kombinace procesních podmínek, konstrukce dílu a konstrukce vtokového systému vede k překročení limitních hodnot smykové rychlosti nebo smykového napětí, může docházet ke změnám vlastností polymerní taveniny, degradaci polymeru či jeho aditiv a ke vzniku dalších nehomogenit.

Efekt tygří kůže

Jedním z projevů nestability fontánového toku je efekt tygří kůže. Na povrchu výstřiku se objevují pásy orientované přibližně kolmo ke směru toku, které se projevují především střídáním lesklých a matných oblastí.

Příčinou je narušení stabilního fontánového toku. Pokud se v průběhu plnění snižuje rychlost proudění, smyková rychlost, tlak nebo teplota čela taveniny, může se původně stabilní proudění změnit v nestabilní, plazivý tok.

Na povrchu se potom střídají oblasti s rozdílnou orientací polymerní struktury, což se projeví změnou lesku.

Riziko vzniku efektu tygří kůže může zvýšit nevhodně navržené vtokové ústí, dlouhá toková dráha, příliš nízká teplota taveniny nebo formy či výrazný pokles rychlosti proudění během plnění.

Efekt gramofonové desky

Odlišným typem nestability je efekt gramofonové desky. V tomto případě nevznikají pouze optické změny povrchu, ale skutečné drážky.

Při příliš nízké teplotě taveniny nebo formy či při nevhodné rychlosti proudění může být ztuhlá vrstva na čele taveniny příliš silná. Vytvoří se lokální schod, přes který další tavenina přeteče. Vzhledem ke své viskozitě však prostor bezprostředně za tímto schodem dokonale nezaplní.

Opakováním tohoto mechanismu vznikají na povrchu charakteristické drážky připomínající gramofonovou desku.

Stejný problém může vzniknout také při prudkém lokálním zpomalení toku způsobeném změnou tloušťky stěny.

2. Orientace nadmolekulární struktury polymerů

Polymerní makromolekuly nejsou v tavenině uspořádány jako samostatná rovná vlákna. Jejich dlouhé řetězce jsou vzájemně propletené a vytvářejí zapleteniny.

Pokud je tavenina v klidu, jsou tyto řetězce v objemu materiálu různě prostorově uspořádány. Ve chvíli, kdy začne tavenina proudit, působí na ně smykové namáhání a makromolekulární struktura se začíná orientovat.

Nejvýraznější orientace vzniká v oblastech nejvyšší smykové rychlosti, tedy především v blízkosti stěny dutiny nebo tokového kanálu. Se zvyšující se rychlostí proudění se míra orientace zvětšuje.

U semi-krystalických polymerů může v silně orientovaných oblastech vznikat charakteristická struktura shish-kebab. Orientované makromolekulární řetězce tvoří základní podélnou strukturu, na které se následně při krystalizaci vytvářejí další krystalické útvary. Ve střední části stěny výstřiku naopak může vznikat výrazně méně orientovaná sférolitická struktura.

Výsledný výstřik proto není z hlediska své vnitřní struktury homogenní.

K orientaci dochází především během fáze plnění. Směr a intenzita orientace jsou proto zásadně ovlivněny konstrukcí dílu, průběhem toku taveniny a pozicí vtokového ústí.

Orientovaná struktura může následně během životnosti dílu relaxovat nebo rekrystalizovat. Tím se může měnit stav vnitřních napětí, rozměry i deformace výstřiku.

3. Tokové čáry a změny průřezu tokové dráhy

Při proudění taveniny jsou důležité také změny průřezu tokového kanálu nebo dutiny.

Pokud tavenina přechází z většího průřezu do menšího, musí při zachování objemového průtoku zvýšit rychlost. Současně roste smyková rychlost.

Typickým příkladem je přechod z vtokového kanálu do výrazně menšího vtokového ústí. Pokud zde smyková rychlost překročí limitní hodnotu daného polymeru, může dojít k degradaci materiálu nebo jeho aditiv.

Stejný princip platí při lokálním zúžení stěny přímo v dutině formy. Typickými příklady jsou deformační panty (living hinge) nebo zeslabení stěny pod žebry, používané pro omezení vzniku propadlin na pohledové ploše.

Pokud je polymer při průchodu zúženým místem nadměrně smykově namáhán, může dojít ke změně jeho vlastností. U deformačního pantu se tak například může následně objevit praskání, přestože mechanické napětí při používání samo o sobě nepřekračuje dovolenou hodnotu. Příčinou může být degradace materiálu vzniklá již během plnění.

Lokální změny rychlosti, smykové rychlosti a stability fontánového toku se mohou projevit také jako viditelné tokové čáry na povrchu výstřiku. Nejde tedy pouze o kosmetickou vadu, ale o stopu konkrétního průběhu proudění taveniny.

4. Orientace vláknitého plniva

Princip orientace struktury platí také pro polymery modifikované krátkými tuhými vlákny, například krátkými skleněnými vlákny.

V oblastech vysoké smykové rychlosti se vlákna orientují převážně ve směru toku taveniny. Typicky k tomu dochází v povrchových vrstvách výstřiku. Ve střední oblasti průřezu je orientace méně uspořádaná až chaotická.

Orientace vláken má zásadní vliv na vlastnosti kompozitního materiálu. Mechanické vlastnosti i smrštění jsou závislé na směru vláken, a materiál se proto chová anizotropně.

U materiálů plněných skleněnými vlákny se proto rozlišuje například smrštění ve směru orientace vláken a kolmo k jejich orientaci. Rozdíl těchto hodnot může být významný a následně se projevit deformací výstřiku.

Znalost samotných nominálních vlastností materiálu proto nestačí. Pro predikci skutečného chování dílu je nutné znát také orientaci vláken vznikající během plnění konkrétní dutiny.

Simulace vstřikování umožňuje tuto orientaci predikovat a následně ji využít při analýze smrštění, deformace nebo mechanického namáhání plastového dílu.

5. Uzavřený vzduch v dutině

Při každém otevření formy se dutina zaplní vzduchem. Po uzavření formy proto tavenina nevstupuje do prázdného prostoru, ale musí během plnění vzduch před sebou vytlačovat.

Úkolem konstrukce formy je umožnit jeho efektivní odvod.

Pokud vzduch nemůže dostatečně rychle uniknout, začne jej postupující čelo taveniny stlačovat. Vznikající protitlak může zpomalovat plnění a v krajním případě zabránit úplnému zaplnění dutiny.

Při vysoké rychlosti stlačování se vzduch adiabaticky zahřívá. Teplota může vzrůst natolik, že způsobí lokální degradaci polymeru a vznik tmavých až černých spálenin. Tento jev bývá označován jako diesel efekt.

Vzduch se nemusí uzavírat pouze na konci tokové dráhy. Kritická mohou být žebra, nálitky, slepé části dutiny nebo místa soutoku několika proudů taveniny.

Odvzdušnění formy

Riziko uzavřeného vzduchu je nutné řešit již při návrhu formy.

Moderní výrobní technologie umožňují vyrábět stále složitější části dutiny z jednoho kusu. Tím ale mohou zmizet přirozené spáry mezi jednotlivými částmi formy, kterými dříve vzduch unikal.

Odvzdušnění lze realizovat například drážkami v dělicí rovině, odvzdušňovacími kolíky nebo vhodně upravenými vyhazovači.

Odvzdušňovací drážka musí mít dostatečný průřez pro odvedení potřebného množství vzduchu, ale nesmí být natolik hluboká, aby do ní zatékala polymerní tavenina. Její vhodná hloubka proto závisí mimo jiné na viskozitě zpracovávaného materiálu.

Důležitá není pouze hloubka, ale také šířka a návaznost odvzdušňovacího kanálu. Za úzkou částí na hranici dutiny by měl následovat větší průřez, který umožní vzduchu volně odcházet a současně sníží riziko zanášení odvzdušnění.

Simulační analýza umožňuje předpovídat místa uzavírání vzduchu, jeho tlak a při odpovídajícím modelu také vliv konkrétního odvzdušnění.

6. Jak vzniká studený spoj – weld line a melt line

Studený spoj vzniká při opětovném spojení dvou proudů polymerní taveniny.

K této situaci dochází například:

• při plnění více vtokovými ústími,
• při obtékání otvorů nebo tvárníků,
• při nerovnoměrné tloušťce stěny,
• při lokálním zesílení nebo zúžení průřezu,
• u některých boxových geometrií, kde se jednotlivé proudy taveniny rozdělí a následně znovu spojí.

Studené spoje proto nejsou výjimečnou procesní vadou. Jsou přirozeným důsledkem konkrétního průběhu plnění.

Z pohledu vývoje dílu jsou zásadní čtyři otázky: Kde studený spoj vznikne? Jak bude viditelný? Jak je daná oblast mechanicky namáhána? A lze místo účinně odvzdušnit?

Charakter studeného spoje se v průběhu soutoku mění.

Pokud se dvě čela taveniny setkávají přibližně proti sobě, vzniká oblast označovaná jako weld line. Zpravidla jde o nejkritičtější část spoje z hlediska vzhledu i mechanických vlastností.

Jak oba proudy pokračují společným směrem a mění se úhel jejich soutoku, přechází spoj do oblasti označované jako melt line.

Weld line a melt line tedy nepředstavují dva zcela oddělené mechanismy. Popisují rozdílný charakter spojení proudů taveniny v závislosti na úhlu, pod kterým se jejich čela setkávají.

Polohu studeného spoje i charakter soutoku lze predikovat pomocí simulace plnění.

7. Co ovlivňuje problém studeného spoje

Zásadním problémem studeného spoje je lokální snížení mechanických vlastností. Současně může být spoj viditelný na povrchu a představovat vzhledovou vadu.

Kvalitu studeného spoje lze zjednodušeně chápat jako schopnost dvou čel taveniny vytvořit po jejich setkání dostatečně kompaktní materiál.

Na mikroskopické úrovni je spojení založeno na pohybu a vzájemné difuzi makromolekulárních řetězců přes rozhraní obou proudů. Aby mohlo dojít k jejich dostatečnému prolnutí, musí mít makromolekuly dostatečnou pohyblivost.

Rozhodujícími parametry jsou proto především:

• teplota taveniny v místě vzniku spoje,
• teplota formy,
• tlak a jeho působení během dotlaku,
• vstřikovací rychlost a okamžik vzniku spoje,
• odvzdušnění daného místa.

Zjednodušeně řečeno: podmínky musí umožnit, aby se obě čela taveniny dostatečně spojila dříve, než materiál ztuhne.

Pokud mezi čely taveniny zůstane uzavřený vzduch, situace se dále zhoršuje. Na povrchu vzniká vrub, který současně omezuje spojení materiálu a působí jako koncentrátor napětí. Studený spoj se tak může stát místem iniciace trhliny.

Studený spoj u polymerů s vláknitým plnivem

U polymerů plněných krátkými skleněnými vlákny přistupuje další významný faktor – orientace vláken.

Vlákna se na čelech taveniny orientují podle charakteru proudění. Při spojení dvou čel proto mohou být v oblasti studeného spoje orientována nevhodně vzhledem ke směru budoucího mechanického zatížení.

Studený spoj tak může zůstat mechanicky kritickým místem i v případě, že teplota taveniny a působení tlaku byly pro spojení polymerní matrice dostatečné.

Příkladem je mechanicky namáhaný díl z polyfenylensulfidu s vysokým obsahem krátkých skleněných vláken. Analýza ukázala, že v místě studeného spoje byl pokles teploty čela taveniny zanedbatelný a tlak zde působil dostatečně dlouho. Přesto během provozu došlo k prasknutí dílu.

Rozhodující byla orientace skleněných vláken. V oblasti studeného spoje vedla k lokálnímu poklesu tuhosti přibližně o 30 % oproti okolnímu materiálu.

Tento případ ukazuje zásadní rozdíl mezi dvěma problémy. Odvzdušněním lze odstranit uzavřený vzduch ve studeném spoji, nelze jím však změnit nevhodnou orientaci vláken.

Pokud se kritický studený spoj nachází v mechanicky namáhané oblasti a jeho vlastnosti nelze dostatečně ovlivnit procesními parametry, je nutné změnit konstrukční řešení. Jednou z možností je změna polohy vtokového ústí a tím přesunutí studeného spoje do méně namáhané oblasti.

Závěr

Průběh plnění dutiny vstřikovací formy určuje mnohem více než pouze to, zda bude dutina kompletně zaplněna. Proudění taveniny vytváří strukturu materiálu a rozhoduje o řadě vlastností budoucího výstřiku.

Fontánový tok určuje způsob ukládání materiálu ke stěně formy. Jeho nestability se mohou projevit vznikem šmouh, efektem tygří kůže nebo efektem gramofonové desky. Smykové namáhání během proudění současně orientuje makromolekulární strukturu a u kompozitních materiálů také vláknité plnivo.

Orientace vláken vytváří anizotropii mechanických vlastností a smrštění a může být jednou z příčin následné deformace nebo lokálního oslabení dílu.

Postupující tavenina současně vytlačuje vzduch z dutiny. Pokud konstrukce formy neumožní jeho dostatečný odvod, může uzavřený vzduch způsobit nedoplnění dutiny, spáleniny nebo významně zhoršit vlastnosti studeného spoje.

Studený spoj je výsledkem konkrétního průběhu plnění. Jeho pozice je určena především konstrukcí dílu a polohou vtokových ústí, zatímco jeho kvalitu ovlivňují procesní podmínky, odvzdušnění a u kompozitních materiálů také orientace vláken.

Při vývoji vstřikovaného dílu proto nestačí položit otázku, zda studený spoj vznikne. Podstatné je vědět, kde vznikne, za jakých podmínek se vytvoří a jak bude dané místo namáháno během skutečné funkce dílu.

Právě propojení konstrukce plastového dílu, návrhu formy, nastavení vstřikovacího procesu a simulační analýzy umožňuje tato rizika identifikovat a řešit ještě před výrobou formy nebo před vznikem poruch v sériové výrobě.

Článek Nestability vstřikování při plnění dutiny formy: orientace, studené spoje a uzavřený vzduch se nejdříve objevil na Smartplast.

Při hledání příčin vad vstřikovaných dílů bývá pozornost často zaměřena na vstřikovací formu, nastavení vstřikovacího stroje nebo parametry plnění dutiny. Praxe však ukazuje, že značná část problémů vzniká již mnohem dříve – během plastikace polymerní taveniny v plastikační jednotce. Právě zde se vytváří skutečná teplota taveniny, její homogenita, reologické vlastnosti i celková tepelná historie materiálu. Ty následně rozhodují o průběhu plnění dutiny formy i o kvalitě finálního výstřiku. 

Nestability vznikající při plastifikaci se mohou projevit různými způsoby. Patří mezi ně světlé a tmavé šmouhy, změny odstínu, kolísání rozměrů, nestabilní plnění nebo zhoršení mechanických vlastností výrobku. Přestože se tyto vady projeví až na hotovém dílu, jejich příčina často nesouvisí s vlastní formou, ale s podmínkami, kterým byl polymer vystaven ještě před vstříknutím do dutiny. 

Úspěšná optimalizace vstřikovacího procesu proto nezačíná změnou parametrů stroje metodou pokus–omyl. Začíná porozuměním fyzikálním dějům probíhajícím během plastikace. Teprve znalost vztahů mezi teplotou, smykovým namáháním, viskozitou, zdržnou dobou a homogenitou taveniny umožňuje správně interpretovat chování procesu a odstranit skutečnou příčinu jeho nestability.

Reologické vlastnosti polymerní taveniny

Polymerní tavenina se při proudění nechová jako běžná newtonská kapalina. Její viskozita není konstantní, ale mění se zejména v závislosti na teplotě a smykové rychlosti. Změna kteréhokoli z těchto parametrů ovlivňuje odpor proti toku, tlakové ztráty i způsob plnění dutiny formy. Reologické vlastnosti proto představují jeden ze základních faktorů určujících stabilitu vstřikovacího procesu. 

Viskoelastické chování polymerů je důsledkem dlouhých makromolekulárních řetězců. Ty se během proudění orientují ve směru toku a současně se vzájemně proplétají. Výsledné chování taveniny je proto kombinací plastických a elastických vlastností. Na rozdíl od nízkomolekulárních kapalin reaguje polymerní tavenina na změnu podmínek se zpožděním a její okamžitý stav vždy odráží předchozí tepelnou i mechanickou historii.

Po vstupu taveniny do dutiny formy se začíná materiál přiléhající ke stěně okamžitě ochlazovat a vytváří ztuhlou povrchovou vrstvu. Uvnitř toku zůstává ještě horké jádro tekutého polymeru. Mezi oběma oblastmi vzniká výrazný gradient rychlosti proudění, tedy vysoká smyková rychlost. Ta způsobuje orientaci makromolekul i plniv, současně však vede k intenzivní disipaci mechanické energie, která se mění na teplo. Při nadměrném smykovém namáhání může dojít k lokálnímu přehřívání taveniny a následné degradaci polymeru. 

Z technologického hlediska je důležité, že teplota, tlak a smyková rychlost nepůsobí odděleně. Vzájemně se ovlivňují a společně určují skutečné reologické chování polymerní taveniny. Stejné nastavení teplot topných pásem proto nemusí vést ke stejnému průběhu plnění, pokud se změní například otáčky šneku, protitlak nebo průměr šneku.

Reologie tak není pouze materiálovou charakteristikou používanou při laboratorních měřeních nebo simulačních výpočtech. Ve výrobní praxi představuje spojovací článek mezi vlastnostmi polymeru, nastavením vstřikovacího stroje a výslednou kvalitou výstřiku.

Fontánový tok a vznik povrchových vad

Jedním z projevů reologického chování polymerní taveniny je fontánový tok. Tento mechanismus vysvětluje, proč se vady vznikající během plastikace často projeví až na viditelném povrchu výstřiku. 

Při plnění dutiny se materiál přiléhající ke stěně formy rychle ochlazuje a vytváří ztuhlou vrstvu. Horké jádro taveniny pokračuje v proudění středem průřezu až k čelu toku. Zde se proudění stáčí směrem ke stěnám dutiny a materiál z centrální části toku vytváří novou povrchovou vrstvu výstřiku. Tento charakteristický způsob proudění označujeme jako fontánový tok

Praktický význam tohoto jevu spočívá v tom, že částice nacházející se uvnitř taveniny se mohou právě tímto mechanismem dostat až na povrch výrobku. Pokud tavenina obsahuje degradovaný polymer, neroztavené částice, shluky plniva, pigmentů nebo jiné nehomogenity, fontánový tok je transportuje do pohledové vrstvy dílu, kde se projeví jako šmouhy nebo jiné povrchové vady. Viditelné místo vady proto nemusí odpovídat místu jejího vzniku. 

Tato skutečnost má zásadní význam při hledání příčin výrobních problémů. Šmouha pozorovaná na výstřiku nemusí být důsledkem nevhodného plnění dutiny ani konstrukce formy. Často představuje pouze konečný projev nehomogenity nebo degradace vzniklé již během plastikace, případně ve stagnující oblasti plastikační jednotky.

Právě proto je porozumění fontánovému toku důležitým krokem při diagnostice vad vstřikovaných dílů. Umožňuje správně propojit místo, kde se vada projeví, s místem, kde skutečně vznikla.

Teplota taveniny: skutečnost versus nastavení stroje

Jedním z nejrozšířenějších omylů při vstřikování plastů je představa, že teplota zobrazená na ovládacím panelu stroje odpovídá skutečné teplotě polymerní taveniny. Ve skutečnosti řídicí systém měří teplotu válce plastikační jednotky, nikoliv teplotu taveniny. Tyto dvě hodnoty se mohou výrazně lišit. 

Skutečná teplota taveniny vzniká kombinací dvou zdrojů energie. Prvním je teplo dodávané topnými pásmy válce. Druhým je mechanická energie generovaná šnekem během plastikace. Tato energie se vlivem tření, stlačování materiálu a smykového namáhání mění na teplo. U běžných vstřikovacích procesů představuje disipace přibližně 60 až 70 % celkové energie dodané tavenině, zatímco topná pásma zajišťují přibližně 30 až 40 %. Skutečná teplota polymeru proto závisí nejen na nastavených teplotách válce, ale také na otáčkách šneku, protitlaku, geometrii šneku, velikosti dávky i délce cyklu. 

Z toho vyplývá důležitý praktický závěr. Dva vstřikovací stroje mohou mít nastavenou shodnou teplotu válce, přesto bude mít polymerní tavenina při vstupu do formy odlišnou teplotu. Rozdíl nemusí být způsoben materiálem, ale rozdílným mechanickým zatížením během plastikace.

Neméně důležitá je skutečnost, že tavenina nebývá dokonale teplotně homogenní. Lokální rozdíly mohou vznikat vlivem nedostatečného promíchání, různých smykových podmínek nebo rozdílné doby ohřevu jednotlivých částí materiálu. Přestože průměrná teplota odpovídá technologickému předpisu, mohou mít některé oblasti taveniny výrazně nižší nebo naopak vyšší viskozitu. To následně ovlivňuje průběh plnění dutiny, tlakové ztráty i vznik lokálních vad.

Při optimalizaci procesu je proto vhodné považovat nastavenou teplotu válce za řídicí parametr stroje, nikoliv za přímou informaci o stavu polymerní taveniny. Chceme-li porozumět skutečnému chování procesu, musíme znát teplotu materiálu, nikoli pouze nastavení regulátoru.

Zdržná doba taveniny

Každý polymer je při zpracovatelské teplotě vystaven chemickým změnám. Rozhodující není pouze teplota, ale také doba, po kterou je materiál této teplotě vystaven. Tento čas označujeme jako zdržnou dobu taveniny. 

Zdržná doba představuje interval od roztavení materiálu v plastikační jednotce až po jeho vstříknutí do dutiny formy. U systémů s vyhřívanými vtoky je nutné započítat také dobu, po kterou se tavenina nachází ve vyhřívaném rozvodu. Čím déle polymer zůstává při vysoké teplotě, tím větší je pravděpodobnost tepelné nebo termooxidační degradace.

Citlivost na zdržnou dobu není u všech materiálů stejná. Významnou roli hraje chemická struktura polymeru, použitá aditiva i přítomnost plniv. Některé materiály tolerují delší tepelnou expozici bez výrazné změny vlastností, jiné degradují již po několika minutách. Přidaná plniva, barviva nebo retardéry hoření mohou přípustnou zdržnou dobu dále zkracovat. 

Na skutečnou zdržnou dobu má zásadní vliv poměr velikosti dávky k objemu plastikační jednotky. Pokud je dávka příliš malá vzhledem k průměru šneku, část materiálu zůstává ve válci po několik cyklů. Podobný problém vzniká také v mrtvých zónách plastikační jednotky nebo při opotřebení zpětného kroužku, kdy se část taveniny opakovaně vrací zpět a prodlužuje svou tepelnou historii.

Právě zde vznikají vady, které bývají pro technologa obtížně reprodukovatelné. Degradovaný materiál se může po několika cyklech náhodně uvolnit do proudu taveniny a vytvořit tmavou šmouhu pouze na jednom z desítek nebo stovek výstřiků. Hledání příčiny pak často směřuje k formě nebo vstřikovacím parametrům, přestože skutečný problém vznikl mnohem dříve.

Zdržnou dobu lze stanovit výpočtem z parametrů stroje a výrobního cyklu nebo experimentálně. Praktickou metodou je obarvení materiálu a sledování počtu cyklů potřebných k úplné výměně taveniny ve válci. Tato metoda poskytuje rychlou kontrolu skutečného chování plastikační jednotky přímo ve výrobě. 

Nehomogenity vznikající při plastikaci

Cílem plastikace není pouze roztavit polymer. Stejně důležité je vytvořit taveninu s rovnoměrnou teplotou a reologickými vlastnostmi. Pokud se to nepodaří, vstupuje do formy materiál, jehož jednotlivé části se chovají rozdílně. Taková tavenina se stává zdrojem nestabilního procesu.

Nejčastějším projevem nehomogenity jsou světlé a tmavé šmouhy. Přestože se mohou na výstřiku jevit podobně, jejich fyzikální příčina bývá odlišná. 

Tmavé šmouhy jsou obvykle spojeny s degradací polymeru. Lokální přehřátí nebo nadměrná zdržná doba způsobí štěpení makromolekulárních řetězců a změnu chemické struktury materiálu. Degradované částice jsou následně během plnění transportovány fontánovým tokem na povrch výstřiku, kde vytvářejí charakteristické tmavé pruhy nebo tečky. Jejich výskyt bývá často nepravidelný, protože závisí na tom, kdy se degradovaný materiál uvolní ze stagnující oblasti plastikační jednotky.

Světlé šmouhy mají zpravidla jiný původ. Mohou vznikat nedostatečně roztavenými částicemi, nevyhovujícím promícháním pigmentu, nestejnoměrným rozptýlením plniv nebo rozdílnou tepelnou historií jednotlivých částí taveniny. Přestože nedochází k chemické degradaci polymeru, rozdílné reologické vlastnosti jednotlivých oblastí narušují plynulost toku a zhoršují vzhled povrchu.

Významným zdrojem nehomogenity může být také regranulát. Pokud není jeho podíl stabilní nebo není dostatečně promíchán s primárním materiálem, vstupují do procesu částice s odlišnou tepelnou historií a často i jinou viskozitou. Podobně se mohou projevit nevhodně zvolená aditiva nebo nesprávné sušení hygroskopických polymerů.

Z technologického hlediska je důležité si uvědomit, že většina těchto vad nevzniká během plnění dutiny formy. Plnění pouze odhalí stav taveniny vytvořený během plastikace. Hledání příčiny by proto mělo začínat u plastikační jednotky, nikoliv až u formy nebo nastavení vstřikovací rychlosti.

Další zdroje degradace polymerní taveniny

Teplota taveniny a zdržná doba nejsou jedinými příčinami degradace polymeru. Ve výrobní praxi existuje řada dalších faktorů, které mohou materiál lokálně poškodit, přestože jsou základní technologické parametry nastaveny správně. Proto je při hledání příčin vad nutné hodnotit celý systém plastikační jednotky, nikoliv pouze její nastavení. 

Častým zdrojem problémů jsou stagnující oblasti, ve kterých se část taveniny pohybuje podstatně pomaleji než okolní materiál. Polymer zde zůstává při vysoké teplotě déle, než předpokládá technologický cyklus. Po určité době degraduje a při svém uvolnění kontaminuje jinak kvalitní taveninu. Výsledkem jsou nepravidelně se objevující tmavé šmouhy nebo černé částice, jejichž výskyt bývá obtížně reprodukovatelný.

Stejný mechanismus může vzniknout při opotřebení zpětného kroužku. Pokud již nedokáže spolehlivě utěsnit taveninu před šnekem, část materiálu se během vstřikování vrací zpět do plastikační jednotky. Tím se prodlužuje jeho tepelná historie a zvyšuje pravděpodobnost degradace. 

Rizikovým místem bývá také přechod mezi tryskou vstřikovacího stroje a vtokovou vložkou formy. Pokud se průměry obou částí výrazně liší nebo vznikne ostrý přechod, dochází ke zvýšení smykové rychlosti a lokálnímu nárůstu disipace energie. Za určitých podmínek může být právě toto místo příčinou degradace polymeru nebo separace pigmentů a aditiv.

Významnou roli hraje také příprava materiálu. Nedostatečné vysušení hygroskopických polymerů vede k hydrolytické degradaci během zpracování. Naopak příliš vysoká teplota nebo nadměrná doba sušení mohou negativně ovlivnit některé materiály nebo stabilizační přísady. Podobně působí i nevhodně připravený regranulát, který do procesu vstupuje s odlišnou tepelnou historií.

Při analýze vad je proto vhodné uvažovat o degradaci jako o součtu všech tepelných a mechanických vlivů, kterým byl polymer vystaven od okamžiku sušení až po vstup do dutiny formy.

Nastavení plastikační jednotky

Plastikační jednotku nelze nastavovat změnou jednotlivých parametrů izolovaně. Otáčky šneku, protitlak, teplotní profil válce, velikost dávky i doba plastikace se vzájemně ovlivňují a společně určují výsledný stav polymerní taveniny. Cílem není maximalizovat výkon stroje, ale vytvořit stabilní a homogenní taveninu s reprodukovatelnými reologickými vlastnostmi. 

Zvýšení otáček šneku zkracuje dobu plastikace a může zlepšit tavení materiálu. Současně však roste smyková rychlost, mechanické zatížení polymeru i množství energie přeměněné na teplo. Pokud jsou otáčky příliš vysoké, může skutečná teplota taveniny výrazně překročit hodnotu očekávanou podle nastavení topných pásem.

Podobně působí protitlak. Jeho zvýšení zpravidla zlepšuje promíchání materiálu a teplotní homogenitu taveniny. Současně však prodlužuje dobu plastikace a zvyšuje mechanické namáhání polymeru. Příliš vysoký protitlak proto může být příčinou termo-mechanické degradace, přestože homogenita taveniny je velmi dobrá.

Naopak příliš nízké otáčky šneku nebo nízký protitlak mohou vést k nedostatečnému promíchání materiálu. Tavenina pak vykazuje lokální rozdíly teploty a viskozity, které se projeví nestabilním plněním nebo povrchovými vadami výstřiku.

Správné nastavení plastikační jednotky proto představuje hledání procesního okna, ve kterém je tavenina dostatečně homogenní, ale současně není nadměrně tepelně ani mechanicky zatěžována. Právě toto procesní okno je jedním z nejdůležitějších předpokladů dlouhodobě stabilní výroby.

Měření teploty a tlaku při vstřikovacím procesu

Řada technologických rozhodnutí je založena na údajích zobrazovaných řídicím systémem vstřikovacího stroje. Tyto údaje však popisují především stav stroje, nikoliv skutečný stav polymerní taveniny. Chceme-li porozumět fyzikálním dějům probíhajícím během vstřikování, je nutné doplnit je přímým měřením procesních veličin. 

Nejdůležitějšími veličinami jsou skutečná teplota taveniny a tlak v dutině formy. Obě spolu úzce souvisejí. Teplota ovlivňuje viskozitu polymeru, zatímco tlak odráží odpor proti proudění, průběh dotlaku i zaplnění dutiny. Jejich společné vyhodnocení poskytuje podstatně přesnější obraz o procesu než samotné údaje z ovládacího panelu stroje.

Měření není cílem samo o sobě. Je prostředkem k ověření, zda polymer vstupuje do formy ve stavu, který předpokládáme při nastavování procesu nebo při vyhodnocování simulačních výpočtů.

Určení skutečné teploty taveniny při plastikaci

Skutečnou teplotu polymerní taveniny nelze spolehlivě odvodit z nastavení topných pásem ani z teplot zobrazovaných řídicím systémem vstřikovacího stroje. Tyto údaje charakterizují teplotu plastikační jednotky, nikoliv materiálu. Pokud chceme správně posoudit průběh plastikace nebo ověřit vstupní podmínky pro simulační výpočty, je nutné měřit přímo teplotu taveniny. 

Nejpřesnějších výsledků lze dosáhnout měřením bezprostředně před vstupem taveniny do formy. V této části procesu již polymer prošel celou plastikační jednotkou a jeho teplota odpovídá skutečnému stavu, ve kterém vstupuje do dutiny formy.

Význam má nejen průměrná hodnota teploty, ale také její kolísání mezi jednotlivými cykly. Stabilní proces se vyznačuje minimálními rozdíly teploty taveniny. Naopak výraznější kolísání bývá známkou nestabilní plastikace, změn ve smykovém namáhání nebo nedostatečné homogenity materiálu.

Měření skutečné teploty má zásadní význam také při ověřování výsledků simulačních výpočtů. Simulace vstřikování předpokládají přesně definované vstupní podmínky. Pokud je do výpočtu zadána pouze nastavená teplota válce místo skutečné teploty taveniny, mohou se výsledky simulace významně odchylovat od chování reálného procesu.

Z praktického hlediska představuje měření teploty jeden z nejrychlejších způsobů, jak ověřit, zda změna technologických parametrů skutečně ovlivnila stav polymerní taveniny, nebo pouze nastavení vstřikovacího stroje.

Určení teploty dílu při odformování

Významnou informací o průběhu vstřikovacího procesu je také teplota výstřiku při otevření formy. Přestože se může zdát, že tato hodnota souvisí především s chlazením, ve skutečnosti poskytuje cenné informace i o předcházejících fázích procesu.

Teplota při odformování ovlivňuje rozměrovou stabilitu výstřiku, vznik deformací, vnitřního pnutí i kvalitu povrchu. Pokud je díl vyjmut z formy příliš brzy, nemusí být dostatečně mechanicky stabilní. Naopak nadměrně dlouhá doba chlazení sice zvyšuje bezpečnost výroby, ale současně prodlužuje výrobní cyklus bez odpovídajícího přínosu.

Měření skutečné teploty výstřiku umožňuje objektivně posoudit, zda je nastavená doba chlazení přiměřená. Místo jejího stanovování pouze na základě zkušeností lze rozhodnutí opřít o měřitelné údaje.

Tento přístup je zvláště důležitý při zavádění nových výrobků nebo při optimalizaci výrobních cyklů, kdy i malé zkrácení doby chlazení může znamenat významnou úsporu výrobního času, aniž by byla ohrožena kvalita dílu.

Určení tlaku v dutině formy

Zatímco teplota vypovídá o stavu polymerní taveniny, tlak v dutině formy poskytuje přímou informaci o průběhu samotného vstřikování.

Průběh tlaku odráží jednotlivé fáze procesu – plnění dutiny, přepnutí na dotlak, kompenzaci  smrštění i konec dotlaku. Správně umístěné tlakové senzory proto umožňují sledovat skutečné chování procesu přímo ve formě, nikoliv pouze reakci vstřikovacího stroje.

Jednou z největších výhod měření tlaku je možnost odhalit změny procesu ještě dříve, než se projeví na kvalitě výstřiku. Odchylka tlakové křivky může upozornit na změnu viskozity materiálu, kolísání teploty taveniny, opotřebení stroje nebo změny vlastností vstupního materiálu.

Tlaková křivka se tak stává jakýmsi „otiskem“ každého vstřikovacího cyklu. Pokud mají dva cykly téměř shodný průběh tlaku, lze očekávat i velmi podobnou kvalitu výstřiků. Naopak změna tvaru tlakové křivky zpravidla signalizuje změnu podmínek procesu, i když se zatím na výrobku vizuálně neprojevila. 

Měření tlaku v dutině formy je proto jedním z nejúčinnějších nástrojů pro řízení stability vstřikovacího procesu a stále častěji se uplatňuje i při automatickém řízení výroby.

Smykové namáhání u vtoku a určení procesního okna vstřikovacího procesu

Nejvyšší smykové namáhání během vstřikování vzniká zpravidla v oblasti vtoku. Právě zde polymerní tavenina prochází nejmenším průřezem při nejvyšší rychlosti proudění. Kombinace vysoké smykové rychlosti a tlakových ztrát vede k intenzivní disipaci mechanické energie, která se přeměňuje na teplo.

Pokud smykové namáhání překročí mez danou vlastnostmi konkrétního polymeru, může dojít k lokálnímu přehřátí taveniny, degradaci materiálu nebo změně jeho reologických vlastností. Tyto změny se následně projeví například změnou odstínu, vznikem šmouh, zhoršením mechanických vlastností nebo kolísáním rozměrů výstřiku. 

Velikost smykového namáhání závisí nejen na vstřikovací rychlosti, ale také na geometrii vtoku, tloušťce stěny výrobku, viskozitě polymeru a skutečné teplotě taveniny. Proto nelze stanovit univerzální hodnotu, která by byla správná pro všechny materiály a všechny výrobky.

Právě zde se uplatňuje pojem procesní okno. Představuje oblast technologických parametrů, ve které probíhá vstřikování stabilně a opakovatelně, aniž by docházelo k degradaci polymeru nebo vzniku dalších technologických problémů. Cílem technologa není hledat jedinou „správnou“ hodnotu vstřikovací rychlosti nebo teploty, ale určit dostatečně široké procesní okno, které zajistí stabilní výrobu i při běžných výrobních odchylkách.

Určení procesního okna vyžaduje kombinaci znalostí reologie polymerů, měření skutečných procesních veličin a zkušeností s konkrétním výrobkem. Teprve propojením těchto informací lze spolehlivě odlišit stabilní proces od procesu, který je sice funkční, ale pracuje na hranici svých možností.

Simulace Moldflow a porozumění vstřikovacímu procesu

Počítačová simulace vstřikování se během posledních desetiletí stala běžnou součástí vývoje plastových dílů a vstřikovacích forem. Umožňuje predikovat průběh plnění dutiny, tlakové ztráty, potřebnou uzavírací sílu, vznik studených spojů, uzavřeného vzduchu nebo deformací výstřiku. Přesto je třeba mít na paměti, že výsledky simulace jsou vždy závislé na kvalitě vstupních dat. 

Jedním z nejdůležitějších vstupních parametrů je skutečný stav polymerní taveniny při vstupu do formy. Pokud simulace předpokládá homogenní taveninu o určité teplotě a viskozitě, zatímco ve skutečnosti vstupuje do dutiny materiál s lokálními rozdíly teploty nebo částečnou degradací, nelze očekávat úplnou shodu mezi výpočtem a výrobou.

Stejnou pozornost je nutné věnovat i materiálovým datům. Reologické charakteristiky používané v simulačních programech vznikají laboratorním měřením za přesně definovaných podmínek. Skutečný výrobní proces však může probíhat za odlišných teplot, tlaků nebo smykových rychlostí. Čím více se reálné podmínky liší od podmínek použitých při měření materiálových dat, tím větší mohou být rozdíly mezi simulací a výrobní praxí.

To však neznamená, že simulace není spolehlivá. Naopak. Simulace představuje mimořádně účinný nástroj, pokud jsou správně definovány vstupní podmínky a pokud jsou její výsledky interpretovány v souvislosti s reálným výrobním procesem. Nenahrazuje měření ani zkušenosti technologa, ale významně je doplňuje.

Právě propojení simulace, měření procesních veličin a znalosti fyzikálních dějů probíhajících při plastikaci umožňuje pochopit skutečné příčiny technologických problémů. Simulace pak neslouží pouze k ověřování konstrukce výrobku nebo formy, ale stává se nástrojem pro hlubší porozumění celému vstřikovacímu procesu.

Praktická doporučení

Při řešení nestability vstřikovacího procesu bývá přirozenou reakcí změna vstřikovací rychlosti, dotlaku nebo teplotního nastavení stroje. Takový postup může krátkodobě odstranit viditelný projev vady, často však neřeší její skutečnou příčinu.

Před každou změnou technologických parametrů je proto vhodné ověřit několik základních skutečností:

• zda je materiál správně vysušen a odpovídá předepsané specifikaci, 
• zda velikost dávky odpovídá objemu plastikační jednotky, 
• zda nedochází k nadměrné zdržné době taveniny, 
• zda jsou otáčky šneku a protitlak nastaveny tak, aby zajistily dostatečnou homogenitu bez nadměrného smykového zatížení, 
• zda skutečná teplota taveniny odpovídá technologickému záměru, 
• zda průběh tlaku v dutině formy nevykazuje změny signalizující nestabilitu procesu. 

Teprve po vyloučení těchto příčin má smysl upravovat parametry plnění dutiny nebo hledat problém v konstrukci formy.

Závěr

Plastikace představuje mnohem více než pouhou přípravu materiálu pro vstřikování. Právě v této fázi vznikají reologické vlastnosti polymerní taveniny, její skutečná teplota, homogenita i celková tepelná a mechanická historie. Tyto vlastnosti následně určují průběh plnění dutiny formy a významně ovlivňují kvalitu výsledného výstřiku.

Povrchové vady, kolísání rozměrů nebo nestabilita procesu se často projeví až během plnění nebo po odformování dílu. Jejich skutečná příčina však může vzniknout mnohem dříve – v plastikační jednotce. Proto je při analýze technologických problémů nezbytné sledovat celý proces zpracování polymeru, nikoliv pouze jeho závěrečnou část.

Porozumění vztahům mezi reologií, teplotou taveniny, zdržnou dobou, homogenitou materiálu a smykovým namáháním umožňuje správně interpretovat chování vstřikovacího procesu a přijímat rozhodnutí založená na fyzikálních souvislostech, nikoli na metodě pokus–omyl.

Právě proto je plastikace jedním z rozhodujících předpokladů stabilního vstřikovacího procesu. Kvalita taveniny vytvořené v této fázi určuje podmínky, za kterých bude probíhat celý následující proces vstřikování.

Článek Nestability vstřikování vznikající při plastikaci se nejdříve objevil na Smartplast.