Katedra konstruování stroj

Fakulta strojní

K 5 PLASTOVÉ

STUDENÉ A ŽIVÉ VTOKOVÉ SYSTÉMY

doc. Ing. Martin Hynek, Ph.D. a kolektiv

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem

a státním rozpo tem eské republiky

verze - 1.0

Hledáte kvalitní studium?

Nabízíme vám jej na Kated e konstruování stroj

Katedra konstruování stroj je jednou ze šesti kateder Fakulty strojní na Západo eské univerzit v

Plzni a pat í na fakult k nejv tším. Fakulta strojní je moderní otev enou vzd lávací institucí

uznávanou i v oblasti v dy a výzkumu uplat ovaného v praxi.

Katedra konstruování stroj disponuje modern vybavenými laborato emi s po íta ovou technikou,

na které jsou nap . student m pro studijní ú ely neomezen k dispozici nové verze p edních CAD

(Pro/Engineer, Catia, NX ) a CAE (MSC Marc, Ansys) systém . Laborato e katedry jsou ve všední dny

student m pln k dispozici nap . pro práci na semestrálních, bakalá ských i diplomových pracích, i

na dalších projektech v rámci univerzity apod.

Kvalita výuky na kated e je úzce propojena s celouniverzitním systémem hodnocení kvality výuky, na

kterém se pr b žn , zejména po absolvování jednotlivých semestr , podílejí všichni studenti.

V sou asné dob probíhá na kated e konstruování stroj významná komplexní inovace výuky, v rámci

které mj. vznikají i nové kvalitní u ební materiály, které budou v nadcházejících letech využívány pro

podporu výuky. Jeden z výsledk této snahy máte nyní ve svých rukou.

V rámci výuky i mimo ni mají studenti možnost zapojit se na kated e také do spolupráce s p edními

strojírenskými podniky v plze ském regionu i mimo n j. ada student rovn ž vyjíždí na studijní stáže

a praxe do zahrani í.

Nabídka studia na kated e konstruování stroj :

Bakalá ské studium (3roky, titul Bc.)

Studijní program B2301: strojní inženýrství

(„zam ený univerzitn “)

B2341: strojírenství

(zam ený „profesn “)

Zam eníStavba výrobních stroj a za ízení

Dopravní a manipula ní technika

Design pr myslové techniky

Diagnostika a servis silni ních vozidel

Servis zdravotnické techniky

Magisterské studium (2roky, titul Ing.)

Studijní program N2301: Strojní inženýrství

Zam eníStavba výrobních stroj a za ízení

Dopravní a manipula ní technika

Více informací naleznete na webech www.kks.zcu.cz a www.fst.zcu.cz

Západo eská univerzita v Plzni, 2013

ISBN

© doc. Ing. Martin Hynek, Ph.D.

Ing. Eduard Müller Ing. Štěpán Heller

STUDENÉ VTOKOVÉ SYSTÉMY

POPIS A HLAVNÍ ČÁSTI

Studené vtokové systémy se skládají z několika základních částí, které zajišťují dopravení taveniny plastu do tvarové dutiny formy. Hlavní části studeného vtokového systému

- hlavní vtokový kanál (vtoková vložka)

- rozváděcí kanál

- vtokové ústí

Princip

Při vstříknutí taveniny plastu do studeného vtokového systému začíná tavenina okamžitě na jeho stěnách tuhnout.

Vytvoří se tak izolační vrstva ztuhlého plastu a tavenina proudí horkým jádrem. Z tohoto důvodu je důležité odstupňování velikosti rozváděcích kanálů, při jejich větší délce u mnohonásobných forem. Tím se zajistí rovnoměrné zaplnění všech dutin. Tavenina vstupuje do dutiny přes vtokové ústí, které může být řešeno několika způsoby dle konstrukce formy a vstřikovaného dílu. Po zaplnění dutin nastává dotlak. Při dotlaku je, pomocí udržování taveniny pod definovaným tlakem, do dutiny doplňována tavenina, nahrazující ztrátu objemu způsobenou smrštěním chladnoucího plastu. Tím je omezeno objemové smrštění výlisku, omezeny propady, viditelnost propadů apod. Proto je důležité, aby byla tavenina v jádru výlisku vždy propojena s vtokem, jehož okolí má tuhnout až jako poslední

Zdroj: H. Krahn, D. Eh a H. Vogel, 1000 Konstruktionsbeispiele für den Werkzeug- und Formenbau beim Spritzgießen

Obrázek 1 Schéma studeného vtoku

VSTŘIKOVANÝ DÍL

VTOKOVÁ VLOŽKA

HLAVNÍ VTOKOVÝ KANÁL

VSTŘIKOVANÝ DÍL VYHAZOVAČ

VTOKOVÉ ÚSTÍ

ROZVÁDĚCÍ KANÁL

VYHAZOVAČ VTOKU

VTOKOVÉ ÚSTÍ

VYHAZOVAČ

Obrázek 2 Vtoková soustava

HLAVNÍ VTOK

ROZVÁDĚCÍ KANÁL

ZACHYCOVAČ CHLADNÉHO ČELA TAVENINY PLASTU

VTOKOVÉ ÚSTÍ

VSTŘIKOVANÝ DÍL

POŽADOVANÉ VLASTNOSTI

• Odstranit oblasti, kde by se mohl hromadit plast – snížení tlakových ztrát, rovnoměrnější chladnutí • Zaoblení hran – zabránění turbulentnímu proudění taveniny • Zachycení čela proudící taveniny, které je chladnější než zbytek • Krátký vtokový systém – menší zbytek vtoků, méně odpadu, menší tlakové ztráty • Rovnoměrnost plnění dutin (všechny dutiny zaplněny v jeden okamžik) • Malý povrch kanálů vtokového systému – malé tepelné a tlakové ztráty • Dostatečný průřez pro vytvoření plastického jádra a umožnění působení dotlaku • Vtokové ústí se zanecháním minimálních stop na vstřikovaném díle • Snadné vyjmutí zbytků plastu ve vtokových kanálech

Zdroj: H. Krahn, D. Eh a H. Vogel, 1000 Konstruktionsbeispiele für den Werkzeug- und Formenbau beim Spritzgießen Výhody studených vtokových systémů

- levnější a jednodušší provedení formy než jsou horké vtoky - komponenty (vtoková vložka) jsou dodávány jako normálie (standardizované díly) - nepotřebují energetické připojení - jednoduché provedení vícenásobné formy

Nevýhody studených vtokových systémů

- větší spotřeba plastu než u horkého vtoku (zbytek vtoku) - zajistit oddělování zbytků vtokového systému - nutnost přidržování (po otevření formy musí vtokový zbytek zůstat na pohyblivé části formy) a vyhazování

vtokového zbytku

KONSTRUKCE VTOKOVÝCH KANÁLŮ

Tvar průřezu vtokového kanálu by měl zajistit co nejmenší tepelné a tlakové ztráty. Tvar kanálu určuje hodnotu smáčivého čísla as, které vyjadřuje poměr průtočného průřezu ke smáčenému povrchu. Čím je smáčivé číslo vyšší, tím je průřez vhodnější. Geometricky nejvýhodnější je průřez kruhový, který je však náročnější na přesnost výroby obou polovin kruhového průřezu.

Obrázek 3 Příklady rozmístění rozváděcích kanálů

Obrázek 4 Znázornění kanálu s kruhovým průřezem

�� =�

� [�]

SMÁČENÝ OBVOD KANÁLU – O

VTOKOVÝ KANÁL

PRŮTOČNÝ PRŮŘEZ – S

OSMI NÁSOBNÉ ŠESTI NÁSOBNÉ OSMI NÁSOBNÉ OSMI NÁSOBNÉ

Zdroj: H. Krahn, D. Eh a H. Vogel, 1000 Konstruktionsbeispiele für den Werkzeug- und Formenbau beim Spritzgießen

HLAVNÍ VTOKOVÝ KANÁL (VTOKOVÁ VLOŽKA)

Do hlavního vtokového kanálu je vstřikována tavenina plastu přímo z trysky stroje. Tryska stroje je centrována středícím kroužkem na vtokovou vložku formy, do níž je vyroben hlavní vtokový kanál. Průměr v nejužším místě hlavního vtokového kanálu je o 0,5 až 1 mm větší než průměr trysky stroje. Pro dosažení správné funkce je vtokový kanál rozšiřován pod úhlem 0,5° až 1,5° směrem k dělící rovině, aby bylo možné jednoduše zajistit vyhození zbytek vtoku. Vtokový kanál může ústit buď přímo do dutiny formy, nebo do rozváděcího kanálu. Průměr na konci hlavního vtokového kanálu je závislý na velikosti vstřikovaného dílu nebo na průměru rozváděcích kanálů. Vtoková vložka

Vtoková vložka je dodávána jako normálie. Ve formě na ni dosedá tryska stroje, která je vystředěna středícím kroužkem. Vtoková vložka je tepelně a mechanicky namáhána, výrobci ji proto vyrábí z houževnatého materiálu s tepelným zpracováním. Dle jednotlivých dodavatelů normálií pro vstřikovací formy se vtoková tryska dodává z materiálů W. Nr. 1.2823, W. Nr. 1.2826. Na vtokové vložce jsou předpřipravené otvory pro ustavení ve správné poloze ve formě pomocí kolíků.

Obrázek 5 Možnosti řešení vtokových kanálů

NEJVÝHODNĚJŠÍ VÝHODNĚJŠÍ

VÝHODNĚJŠÍ

NEVÝHODNÉ

NEVÝHODNÉ NEVÝHODNÉ

Obrázek 6 Vtoková vložka

ROZVÁDĚCÍ KANÁLY

Do rozváděcího kanálu ústí hlavní vtokový kanál. Velikost rozváděcího kanálu je závislá na velikosti vstřikovaného dílu a určuje se nejčastěji z empirických vztahů, nebo lépe pomocí moldflow analýzy. Délka a počet rozváděcích kanálů je závislá na typu a násobnosti formy. Rozváděcí kanály musejí dopravit taveninu plastu od hlavního vtokového kanálu k ústí do dutiny. Rozváděcí kanály by měly být konstruovány co nejkratší. Průřez rozváděcích kanálů musí být u sdružených nástrojů balancován tak, aby došlo k zatečení všech dutin ve stejný okamžik. Kanály je vhodné na začátek osadit brzdícími přepážkami, které jsou následně při optimalizaci formy odbrušovány, podle skutečného zatékání materiálu. U víceotiskových výlisků s vysokými nároky na přesnost je důležité, aby byla každá dutina nejen plněna stejně rychle, ale i pod stejným tlakem a stejně teplou taveninou. Dělení kanálů by proto mělo být symetrické k toku taveniny Teplota taveniny je v průřezu rozváděcího kanálu rozdílná – blízko stěn je díky smykové rychlosti teplejší. Pokud není v dělení kanálu zabezpečeno promíchání, nebo rovnoměrné rozdělení taveniny, hrozí u víceotiskových forem (4 a více), že každá kavita bude plněna rozdílně teplou taveninou. U jednodušších aplikací se dá rovnoměrnosti dosáhnout vertikálním rozvětvením, nebo zavířením taveniny v zachycovači studeného čela taveniny. Ve složitějších formách je vhodné použít některého speciálně dodávaného mísiče taveniny.

2 1

Obrázek 7 Nevhodné řešení - dutina 1 se plní lépe než dutina 2

Obrázek 8 Vhodnější řešení

Obrázek 9 Důsledek rozdílná teploty taveniny v jádru a u stěn kanálu

Zdroj.: J.P. Beaumont, Runner and gating handbook ISBN 1-56990-347-6

Obrázek 10 Vertikální dělení – každý kanál zahlouben v jiné desce

VTOKOVÉ ÚSTÍ

Tavenina je z rozváděcího kanálu do dutiny přiváděna přes zúžené místo, kterému se říká vtokové ústí. Vtokové ústí by mělo být co nejmenší, aby stopy na vstřikovaném díle byly co nejméně patrné. Vtokové ústí se umisťuje pokud možno:

• Do nejtlustšího místa stěny výstřiku – tavenina má téct vždy z většího prostoru dutiny k menšímu • Do geometrického středu dutiny – aby tavenina zatekla do všech míst rovnoměrně • Při požadavku na větší přesnost výstřiku se musí vzít v úvahu rozdíly podélného a příčného smrštění –

u semikrystalických a plněných plastů • Ve směru orientace žeber – dobré zatečení do všech míst • Mimo více namáhaných nebo pohledových ploch – nesmí ovlivnit pevnost nebo estetiku pohledové plochy • U obdélníkových tvarů ve směru delší strany – lepší zatečení • Tak, aby umožnil únik vzduchu z dutiny – nevznikají bubliny a další vady ve vstřikovaném díle • Aby studené spoje vznikaly mimo pohledová a mechanicky namáhaná místa • Aby se zamezilo volnému toku taveniny, která by způsobovala turbulentní proudění při plnění dutiny • Tak aby byla dráha taveniny v dutině co nejkratší

Plný kuželový vtok Vtok do dutiny přímo z hlavního vtokového kanálu. Vhodný pro jednoduché symetrické výrobky s tlustšími stěnami a při použití plastů s horší tekutostí s nutností použití delšího dotlaku. Nevýhodou tohoto provedení je pracné odstranění zbytků vtokového kanálu. Naopak výhodou je jednoduché provedení a snadná výroba. Zdroj: H. Krahn, D. Eh a H. Vogel, 1000 Konstruktionsbeispiele für den Werkzeug- und Formenbau beim Spritzgießen Bodový vtok Vhodný pro tenkostěnné výrobky, průměr ústí vtoku je nejčastěji 1mm. Směrem k výrobku je vtok kuželovitě rozšířen, aby se ztuhlý plast v ústí odtrhl a byl vytažen společně se vstřikovaným dílem. V předkomůrce zůstává tavenina, která je při dalším cyklu vstříknuta do dutiny. Nevýhodou je větší stopa po vtoku na vstřikovaném díle a nutnost dodržení výrobního cyklu – nebezpečí zatuhnutí taveniny v předkomůrce. Využití rozváděcích kanálů vyžaduje třídeskový systém formy (viz Chyba! Nenalezen zdroj odkazů.13). Výhodou je oddělení vtokového systému od dílu při vyhození z formy a větší volnost ve výběru umístění vtoku než u tunelových vtoků.

Obrázek 11 Řez dutinou, řez vstřikovaným dílem, izometrický pohled

Deštníkový, talířový a prstencový vtok Používá se pro rotační vstřikované díly. Nevýhodou těchto vtoků je větší spotřeba vstřikovaného materiálu, protože vtoky do dutin jsou objemnější. Výhodou je rovnoměrně plnění rotačních dutin. Zdroj: H. Krahn, D. Eh a H. Vogel, 1000 Konstruktionsbeispiele für den Werkzeug- und Formenbau beim Spritzgießen

Obrázek 13 Bodový vtok z rozváděcího kanálu

Obrázek 12 Bodový vtok přímo do dutiny

TRYSKA STROJE

VTOKOVÁ VLOŽKA

PŘEDKOMŮRKA

BODOVÝ VTOK

VSTŘIKOVANÝ DÍL

Obrázek 14 Deštníkový Obrázek 15 Prstencový Obrázek 16 Talířový

Obrázek 18 Řez deštníkovým vtokem Obrázek 17 Řez Prstencovým vtokem

Filmový (štěrbinový) vtok U obdélníkového tvaru je vtok umisťován do kratší hrany, hlavně u semikrystalických a plněných plastů, aby bylo dosaženo požadované pevnosti vstřikovaného dílu. Nevýhodou filmového vtoku je oddělování vtokového systému až po vyhození dílu mimo formu. Výhodou je vhodnost použití pro plasty plněné například skelnými vlákny a použití pro tenké ploché díly. Zdroj: H. Krahn, D. Eh a H. Vogel, 1000 Konstruktionsbeispiele für den Werkzeug- und Formenbau beim Spritzgießen Tunelový vtok Zajišťuje automatické oddělení vtokového systému od vstřikovaného dílu. Není vhodný pro plasty, které jsou vyztužené vláknitým plnivem – je nutné zvětšovat průměr ústí vtoku min. 2mm. Nevýhodou těchto vtoků je náročný způsob výroby pomocí elektroerozivního hloubení a omezené použití v závislosti na druhu vstřikovaného materiálu. Výhodou je automatické oddělení vtokového systému při vyhození vstřikovaného dílu bez nutnosti použití třetí vložené desky. Zdroj: H. Krahn, D. Eh a H. Vogel, 1000 Konstruktionsbeispiele für den Werkzeug- und Formenbau beim Spritzgießen

Obrázek 19 Řez filmovým vtokem

Obrázek 20 Ukázka filmového vtoku

Obrázek 22 Řez tunelovým vtokem Obrázek 21 Řez tunelovým vtokem

TUNELOVÝ VTOK

Banánový (prohnutý) vtok (obloukový tunelový) Stejné použití jako u tunelového vtoku, avšak pokud není možné zaústění vtoku do boku vstřikovaného dílu. Nevýhodou je náročná výroba pomocí elektroerozivního obrábění, větší prostorová náročnost a použití dalšího komponentu v podobě vložené části s banánovým vtokem. Výhodu tohoto vtoku je možnost umístění vtokového ústí do spodní části dílu a zamezení stop po vtoku na pohledové straně. Zdroj: H. Krahn, D. Eh a H. Vogel, 1000 Konstruktionsbeispiele für den Werkzeug- und Formenbau beim Spritzgießen

PŘIDRŽOVAČE A VYHAZOVAČE VTOKU

Po vychladnutí plastu ve formě je nutné, aby při otevírání formy zůstaly všechny části ztuhlého plastu na straně formy, ze které je budou moci vyhodit vyhazovače (většinou pohyblivá část formy). U studených vtoků zchladne značná část vtokového systému právě ve vtokové vložce. Aby nezůstala tato část po otevření formy uvnitř vtokové vložky, je důležité použít přidržovač (vytrhávač vtoku). Přidržovač vtoku tvoří záměrně vyrobený podkos, může být vyroben i na upraveném vyhazovači proti hlavnímu vtokovému kanálu. Díky tvaru drží při otevření formy ztuhlý plast na správné části formy a je následně vyhozen vyhazovačem. U delšího systému rozváděcích kanálů je potřeba osadit vyhazovače i pod tyto kanály.

Obrázek 24 Schéma postupu odtržení a vyhození

Obrázek 23 Řez banánovým vtokem

BANÁNOVÝ VTOK

VLOŽENÁ ČÁST

Obrázek 75 Schéma přidržovače vtoku

VYHAZOVAČ VTOKU

VLOŽENÝ DÍL S PODKOSEM

PODKOS - PŘIDRŽOVAČ

HLAVNÍ VTOKOVÝ KANÁL

VTOKOVÁ VLOŽKA

DĚLÍCÍ ROVINA

Zdroj: H. Krahn, D. Eh a H. Vogel, 1000 Konstruktionsbeispiele für den Werkzeug- und Formenbau beim Spritzgießen

Obrázek 86 Další možnosti řešení přidržovače vtoku

STRHOVAČ VTOKU VYHAZOVAČ VYTRHÁVAČ

ŽIVÉ VTOKY – STUDENÝ VTOKOVÝ SYSTÉM

POPIS A HLAVNÍ ČÁSTI

Ve vtokovém systému zůstává tavenina plastu i po ukončení cyklu. Vtokový systém je tepelně izolován a tavenina chladne pouze na stěnách kanálů, čímž je tvořena další izolace. V ústí vtoku do dutiny formy vzniká při každém vstřikovacím cyklu ztuhnutím taveniny tenká blanka, která je při každém dalším vstřikovacím cyklu taveninou protržena, aby mohlo proběhnout plnění dutiny. Tato blanka zaručuje při otevření formy uzavřený vtokový systém. Výhodami živých vtoků jsou menší spotřebu vstřikovaného plastu, jsou bez vtokových zbytků. Není nutné vtokové zbytky odstraňovat po každém vstřikovacím cyklu. Kratší vstřikovací cyklus z důvodu menšího množství plastikovaného materiálu. Nevýhodou je podmínka krátkého vstřikovacího cyklu. Vyšší cena forem (třídeskové řešení). Náročnější opravy a údržba vstřikovacích forem. Zdroj: H. Krahn, D. Eh a H. Vogel, 1000 Konstruktionsbeispiele für den Werkzeug- und Formenbau beim Spritzgießen

TRYSKA STROJE

TAVENINA

IZOLAČNÍ VRSTVA – ZTUHLÝ PLAST

VSTŘIKOVANÝ DÍL

Obrázek 1 Řez živým vtokem bez vytápění

IZOLOVANÝ ROZVÁDĚCÍ KANÁL

TOPNÉ TĚLESO

POUZDRO TOPENÍ

Obrázek 2 Řez živým vtokem s vytápěním

Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky v rámci projektu

č. CZ.1.07/2.2.00/ .0 „

“.

doc. Ing. Martin Hynek Ph.D., Ing. Štěpán Heller

Ing. Eduard Müller