cap. 2. principiul injectarii.ff

7/29/2019 Cap. 2. Principiul Injectarii.ff

1/19

Capitolul 2. Principiul injectrii materialelor plastice

22

CAPITOLUL 2

PRINCIPIUL INJECTRII MATERIALELOR PLASTICE2.1. Generaliti

Injectarea, mpreun cu extruderea i calandrarea, constituie principalele tehnici deformare a materialelor plastice. Procesul de formare prin injectare const n aducerea unuicompound macromolecular n stare plastic i introducerea acestuia sub presiune ntr-omatri de formare. La o anumit temperatur, materialul plastic se ntrete, pstrnd formamatriei; aceasta se deschide pentru evacuarea piesei formate i se nchide apoi din nou,

putndu-se relua ciclul de formare. Se obin produse finite sau semifabricate, cu dimensiunifixe, imprimate n cavitatea matriei.

La baza formrii stau fie procese pur fizice, fie procese chimice, fie combinaii aleacestora. Astfel, prin injectare se prelucreaz n primul rnd materialele termoplastice i, ntr-o mai mic msur, materialele termoreactive.

Importana formrii prin injectare const n posibilitatea obinerii unor obiecte cuforme complicate i de mrimi diferite. Se fabric astfel bunuri de larg consum, articoletehnice, jucrii, ambalaje etc. Greutatea produselor variaz de la cteva grame pn la circa

kg20 . Durata unui ciclu de injectare este de (12) min, la fiecare ciclu putndu-se obineunul sau mai multe produse.

Formarea prin injectare poate servi la prelucrarea aproape a tuturor compuilormacromoleculari. n mod curent se prelucreaz: polietilena, polipropilena, polistirenul,

policlorura de vinil, poliamidele, polimetacrilatul de metil, policarbonaii, ABS, derivai deceluloz, elastomeri etc.

La prelucrarea prin injectare, pe de o parte, trebuie s se satisfac exigenele privindcalitatea pieselor, iar pe de alt parte, se impune scurtarea ciclului, spre a reduce costulfabricaiei. Realizarea acestor deziderate devine posibil prin construcia unor maini cu ofuncionare extrem de rapid. De prim importan este capacitatea de plastifiere amaterialului n cilindri i capacitatea de rcire a topiturii n matri.

2.2. Principiul de realizare a operaiei. Bazele procesului

Prelucrarea prin injectare este un proces ciclic, n timpul cruia are loc succesiuneaurmtoarelor faze:

- dozarea materialului plastic n funcie de greutatea piesei injectate;- nclzirea i topirea materialului plastic n cilindrul agregatului de plastifiere;- nchiderea matriei;- introducerea materialului plastic sub presiune n cavitatea matriei;- solidificarea i rcirea topiturii;- deschiderea matriei;- eliminarea produsului injectat.

n figura 2.1 sunt reprezentate schematic fazele de comprimare a materialului (a), deinjectare (b) i de eliminare a produsului dup rcire (c). Se observ c granulele de material

plastic din plnia de alimentare (6) a mainii de injectat cad n cilindrul (4). Cnd melcul (7)este deplasat cu ajutorul sistemului de acionare a mainii, materialul este comprimat n zona

frontal a cilindrului (4) i obligat s vin n contact cu ntreaga suprafa interioar a


2/19

Injectarea materialelor plastice

23

cilindrului, nclzit de rezistenele electrice (5), fapt care determin trecerea sa n faz vsco-plastic.

Materialul, sub forma unei topituri vscoase i relativ omogene, se injecteaz princapul de injectare (3), duza (2) i reeaua de injectare a matriei (1), n cavitatea acesteia. ncontact cu pereii reci ai matriei, topitura se solidific brusc, lund forma pereilor interiori aicavitii matriei. Dup rcirea piesei, matria se deschide i piesa (8) este eliminat cuajutorul sistemului de aruncare.

n timpul procesului se dezvolt o serie de fore care exercit presiuni importanteasupra materialului. Dintre acestea, cinci sunt hotrtoare, determinnd nivelul calitii

produsului finit i anume:- presiunea exterioar, reprezentnd presiunea exercitat asupra materialului termo-

plastifiat, n cilindrul de injectare al mainii;

1 2 3 4 6

7

5

8

b .

a .

c .

Fig. 2.1. Principalele faze ale procesului de injectare a materialelor plastice:a - comprimarea materialului; b - injectarea; c - eliminarea produsului injectat.


3/19


24

- presiunea interioar, respectiv presiunea din cavitatea matriei nchise (presiuneainterioar este mai mic dect cea exterioar datorit pierderilor de presiune care apar latrecerea materialului prin seciuni nguste cum sunt: duza, reeaua de injectare, pereii interioridin cuibul matriei etc.);

- presiunea ulterioar, respectiv presiunea exercitat de pistonul de injectare asupra

materialului injectat n cavitatea matriei (aceast presiune compenseaz contracia rezultatn urma rcirii materialului);- presiunea de sigilare definit ca presiunea exercitat asupra materialului din cavitatea

matriei, n momentul solidificrii culeii (acestei presiuni i corespunde punctul de sigilare);- presiunea interioar remanent, respectiv presiunea care acioneaz asupra piesei

injectate n momentul nceperii deschiderii matriei (dup sigilare, materialul se contractdatorit rcirii i n consecin presiunea scade fr ns a atinge valoarea zero).

Variaia presiunii interioare n decursul ciclului de injectare poate fi studiat cuajutorul diagramei presiune-timp, reprezentat n figura 2.2. Conform diagramei, ciclul deinjectare cuprinde urmtoarele etape mai importante:

- nceperea injectrii prin naintarea pistonului i compactizarea materialului, cavitateamatriei fiind nc neumplut;

- creterea presiunii i umplerea cavitii matriei;- creterea n continuare a presiunii pn la atingerea valorii maxime a acesteia;

nchisa deschisa

a b c d

Presiuneinterioara

1

2

Timp deumplere

Presiuneulterioara

Piston nainte

Punct de

Presiuneremanenta

e f

sigilare

Timpg

de racire Deschidere

Piston napoi

Timp

Matrita:

Fig. 2.2. Variaia presiunii interioare n timpul ciclului de injectare:

1 - deplasarea matriei; 2 - deplasarea pistonului.


4/19


25

- exercitarea presiunii ulterioare care face ca materialul plastifiat din cavitatea matri eis rmn sub presiune continu n timpul procesului de solidificare;

- nceperea solidificrii materialului i scderea presiunii o dat cu sigilarea canalelorde umplere a matriei;

- rcirea piesei injectate;

- deschiderea matriei i eliminarea din matri a piesei injectate.n diagrama din figura 2.2 se observ c presiunea interioar la nceput crete brusc,apoi, dup ncetarea presiunii ulterioare, respectiv dup sigilare, scade treptat la valoarea

presiunii remanente [6, 11].n general, diferena de presiune ntre presiunea exterioar de injectare i presiunea

interioar din cavitatea matriei depinde de proprietile materialului termoplastic i detemperatura de injectare, precum i de dimensiunile duzei de injectare, canalelor de injectare,culeii, adic de parametrii reelei de injectare.

Pentru un anumit material termoplastic, raportul ntre valoarea presiunii exterioare (deinjectare) i a presiunii interioare este influenat n mare msur de temperatur. Astfel, latemperaturi mai ridicate, viscozitatea topiturii este mai mic, cderea de presiune va fi mai

mic i n consecin presiunea interioar crete. Cu alte cuvinte, o dat cu cretereatemperaturii de injectare scade presiunea de injectare necesar asigurrii aceleiai presiuniinterioare.

Relaia ntre presiunea de injectare i presiunea interioar n funcie de temperatura deinjectare n cazul polistirenului, este reprezentat n figura 2.3.

Presiunea interioar d natere la o for care tinde s deschid matria n timpulinjectrii. Din acest motiv, fora de nchidere a mainii trebuie s fie mai mare dect forainterioar, definit prin produsul dintre presiunea interioar i suprafaa cavitii matriei n

planul de separaie. Cu ct viscozitatea topiturii este mai mic, cu att diferena ntre fora denchidere i fora interioar trebuie s fie mai mare. n cazul injectrii cu duz punctiform,

proces care prezint avantajul de a nu imprima pe suprafaa produsului urme inestetice alezonei de injectare, raportul ntre presiunea exterioar i cea interioar joac un rol foarteimportant. Astfel, n cazul acestui procedeu, seciunea mic prin care materialul termoplastic

ptrunde n cavitatea matriei, provoac o supranclzire a acestuia i respectiv o scdere apresiunii interioare. n acest caz, matria se sigileaz mai repede dect n cazul sistemelor de

210 C

60 80 100 120 140 160

225 C

Presiuneainterioar,

[MPa]

25

50

100

o255 C

75

oo 205 C

Presiunea de injectare, [MPa]

POLISTIREN

o

125

Fig. 2.3. Presiunea de injectare i interioar la diferite temperaturi


5/19


26

injectare cu duz normal. Presiunea interioar mai mic nu poate compensa contracia pieseiprovocat de rcirea acesteia, avnd n vedere i nclzirea la o temperatur mai mare amaterialului datorit trecerii prin seciunea redus a duzei punctiforme. Drept consecin, lainjectarea punctiform, contracia piesei injectate este foarte mare, fenomen de care trebuie sse in seama la proiectarea zonei active a matrielor pentru a nu se obine deformri nedorite

ale produsului finit, mai ales n cazul n care acesta prezint seciuni variabile sau perei groi.Datorit contraciei n timpul rcirii, pe suprafaa pieselor injectate apar adesea retasurinedorite. Pentru compensarea acestora, prin aciunea presiunii ulterioare, matria se maialimenteaz cu material plastifiat. Este important ca pn la terminarea sigilrii matriei, pedurata asigurrii presiunii ulterioare, presiunea exterioar de injectare s aib valoare maxim.

Tot datorit acestui fenomen nedorit, la injectarea pieselor cu perei groi, trebuie s seaplice n general o temperatur de injectare mai mic i o presiune de injectare mai mareconcomitent cu mrimea duratei presiunii ulterioare.

n cazul injectrii pieselor cu perei subiri, trebuie s se micoreze att presiunea deinjectare ct i durata de exercitare a presiunii ulterioare, deoarece n acest caz piesa se rcetemai repede, de regul mai nainte ca presiunea interioar s scad la valoarea ei minim. La

deschiderea matriei, din aceast cauz apar tensiuni interne n piesele injectate. La rndul lor,tensiunile interne pot provoca fisurarea pieselor (n cazul materialelor termoplastice mairigide ca de exemplu a poliesterului) sau deformarea lor (n cazul materialelor mai flexibilecum ar fi polietilena).

2.2.1. Dozarea

Dozarea trebuie s asigure cantitatea corespunztoare de material plastic pentruumplerea cavitii matriei.

Dozarea ct mai exact este impusi de restricia ca materialul plastic s fie ct maipuin solicitat termic, din motive de degradare, ceea ce nseamn c n volumul cilindrului deplastifiere nu trebuie s rmn material ntre dou cicluri de injectare (la mainile cu piston).

Concordana dintre volumul piesei injectate i volumul de material plastic injectat nmatri este un alt argument n favoarea dozrii ct mai exacte a materialului.

2.2.2. Plastifierea

n interiorul cilindrului mainii de injectare materialul plastic este adus din stare solidn stare de topitur cu aport exterior de caldur i prin transformarea energiei mecanice a

pistonului sau a melcului n energie termic (prin friciunea materialului plastic).Temperatura materialului plastic n cilindrul mainii depinde de natura materialului

plastic i de tipul mainii. n ceea ce privete natura materialului, principalul criteriu de

clasificare este comportarea termomecanic a materialului plastic sau deformarea acestuia subsarcin constant, n funcie de temperatur.

Pentru un material plastic liniar amorf, n diagrama variaiei deformaie-temperaturdin figura 2.4, a, se disting trei zone (stri fizice) ale materialului plastic:

- starea sticloas, caracterizat prin deformaii elastice foarte mici care cresc liniar odat cu temperatura; aceast stare se menine pn la punctul de vitrifiere Tv. Strii sticloase ieste proprie o micare de vibraie a atomilor ce formeaz catena polimeric, n jurul poziieilor de echilibru;

- starea nalt-elastic (intervalul Tv - Tc), care are ca specific creterea rapid adeformaiei la nceputul intervalului, dup care deformaia ramne constant, independent de

ridicarea temperaturii. Deformaiile dispar la ndeprtarea forei exterioare. n starea naltelastic apar micri vibratorii ale segmentelor de caten (vibraii torsionale), ceea ce are ca


6/19


27

finalitate flexibilitatea catenelor polimerice. Deformaiile nalt-elastice au caracter dedeformaii ntrziate, care descresc lent n timp dup ce a ncetat solicitarea exterioar;

- starea plastic ncepe de la punctul corespunztor temperaturii de curgere Tc, iar ncazul materialelor plastice cristaline, de la temperatura de topire. Starea plastic secaracterizeaz prin deformaii permanente ale materialelor plastice; n aceast stare

macromoleculele sunt mobilizate n ntregime. Starea plastic poate fi vscoelastic sauvscoplastic.

Tranziia de la o stare fizic la alta nu se face la valori finite de temperatur, ci pe undomeniu a crui valoare medie se numete temperatur de tranziie. Astfel, temperatura detrecere de la starea sticloas la cea nalt-elastic (i invers) este temperatura de tranziiesticloas (sau vitroas) Tv, iar temperatura de tranziie de la starea nalt-elastic la stareavscoplastici invers este temperatura de curgere Tc. Substanele amorfe micromoleculare icele macromoleculare cu mas molecular joas trec direct din starea sticloas n stare lichid,cele macromoleculare trec ns mai nti prin starea nalt-elastici numai dup aceea n starevscoelastic.

n figura 2.4, Td este temperatura de degradare termic a materialului plastic,reprezentnd valoarea maxim la care poate funciona maina de injectat.

Starea sticloas reprezint forma obinuit a materialelor plastice n stare solid, eafiind determinat de dezordinea catenelor polimerice lungi care reduc capacitatea de trecere amaterialelor plastice n stare cristalin, chiar dac cristalizarea este posibil termodinamic.

Exist pentru fiecare material plastic un interval restrns de temperatur n care cele

mai multe proprieti fizice sufer variaii importante; aceste variaii corespund trecerii de lastarea sticloas la starea nalt-elastic, temperatura de tranziie sticloas fiind unul dintreparametrii cei mai importani ai unui material plastic amorf. Privit din punct de vederetermodinamic, temperatura de tranziie sticloas prezint caracteristicile tranziiilor de faz deordinul doi, adic energia interni volumul specific variaz continuu (nu se absoarbe i nu sedegaj energie), ns capacitatea caloric, compresibilitatea, coeficientul de degradare termici modulul de elasticitate variaz brusc la punctul de tranziie.

Tranziia sticloas poate fi explicat prin teoria volumului liber de material plastic,prin teoria echilibrului sau prin teoria de relaxare a golurilor [11, 20].

Temperatura de tranziie sticloas determin limita inferioar a folosirii unuielastomeri limita superioar de utilizare a unui material plastic. Valoarea Tv este determinatde structura materialului plastic i crete odat cu masa molecular.

Aschiere Formare la cald

A

T T T Tb v c d

=

Temperatura, T

B

Injectare, extrudere,presare, sudare

C

1

2Deformatiaspecifica,

Stare solida Stare nalt-elastica Stare vscoplastica

Fig. 2.4. Diagrama de stare termomecanic a unui material termoplastic


7/19


28

n figura 2.4, termenul Tb are semnificaia de temperatur de fragilizare i reprezinttemperatura minim pn la care materialul nu este casant. Practic Tb este temperatura la careo epruvet din material plastic supus unei solicitri instantanee de o anumit intensitate serupe. Valoarea temperaturii de fragilizare depinde de orientarea macromoleculei (Tb este maimic la un grad de orientare mai mare al materialului plastic) i de condiiile de determinare avalorii Tb.

Temperatura de curgere reprezint punctul la care energia cinetic amacromoleculelor nvinge forele de coeziune molecular, ceea ce permite micarea lorrelativ de alunecare. Temperatura Tc nu reprezint o valoare fix, ci un interval caracteristicfiecarui tip de material plastic i se situeaz la interfaa strii nalt-elastice i a striivscoplastice; variaia n funcie de temperatur a componentei reversibile a deformaiei estedat de curba (2) din figura 2.4. Valoarea Tc crete cu gradul de polimerizare, iar pentrumaterialele plastice care prezint o dispersie a masei moleculare, Tc se transform ntr-uninterval.

Temperatura de topire este caracteristic materialelor plastice cristaline i reprezinttrecerea de la starea cristalin solid la starea lichid. Materialele plastice amorfe nu autemperatur de topire bine definit, spre deosebire de cele cristaline; materialele plastice semi-cristaline se caracterizeaz att prin temperatur de topire, ct i prin cea de vitrifiere. n cazulmaterialelor plastice cristaline, la Tc au loc transformri de faz cu variaia brusc a unor

proprieti termodinamice ca: volumul specific i cldura specific.Modificarea volumului specific odat cu temperatura se explic prin dispariia reelei

cristaline i creterea distanelor intermoleculare.

La temperatura de degradare termicTd, ncepe descompunerea materialului plasticsub influena cldurii. Tddepinde de durata solicitrii termice, de gradul de polimerizare i destructura materialului plastic. n figura 2.5, se prezint un exemplu de alegere a tehnologiei deinjectare n funcie de caracteristicile de degradare termic a PVC.

Plastifierea materialului plastic n maina de injectare se realizeaz prin transmitereacldurii de la pereii cilindrului. Diferena de temperatur dintre cilindru i materialul plastictrebuie s aib valori mari, justificate de conductibilitatea termic sczut a materialelor

MP

D E F G H

Temperatura

A

B

C P

Timpul de ncalzire

Fig. 2.5. Diagrama stabilitii termice a PVCA - domeniul strii sticloase; B - domeniul strii nalt-elastice; C - domeniul strii de topitur(curgere vscoas); D - domeniul optim pentru prelucrare; E, F, G, H - domenii de degradare

termic a materialului plastic; MP - domeniul de prelucrare prin injectare cu maini cumelc- piston; P - domeniul de prelucrare prin injectare cu maini cu piston.


8/19


29

plastice. Topirea este favorizati de grosimea ct mai mic a stratului de material plastic dincilindrul de injectare.

Regimul de temperaturi n lungul cilindrului de plastifiere, depinde de naturamaterialelor plastice. Pentru materialele plastice cristaline, cldura specific variaz n funciede temperatur, ca n figura 2.6; saltul brusc observat la Tt corespunde transformrii fazei

solide n faz lichid, iar aceast cldur latent (care la PA 6.6 reprezint 16% din totalulcldurii necesare procesului de injectare [11]) nu mai poate fi asigurat numai prin transfer ncilindrul mainii, ci i cu ajutorul melcului, prin transformarea energiei mecanice n energietermic.

La materialele plastice amorfe necesarul de cldur variaz mai lent, ceea ce nseamn

c acelai agregat de plastifiere poate plastifia mai mult material plastic amorf dect materialplastic cristalin.Valorile de temperatur recomandate pentru injectarea unor materiale plastice (vezi

Capitolul 3) reprezint temperatura msurat n jetul de topitur la ieirea din duz. Dinamicatemperaturii de-a lungul cilindrului include topirea materialului plastic i nclzirea ncontinuare a acestuia (valoarea Ts), pe seama friciunii mecanice a topiturii n ajutaj.

2.2.3. nchiderea matriei

Fora de nchidere a matriei trebuie s fie mai mare dect fora de distanare creat depresiunea topiturii de material plastic din matri. Relaia dintre cele dou fore este

distanareF)3,12,1(Fnchidere = [daN]. (2.1)

Fora de distanare se calculeaz cu relaia

APKF =distanare [daN], (2.2)

unde:K este coeficient ce variaz ca valoare n intervalul (0,30,5), pentru materialele

termoplastice injectate cu agregat de plastifiere cu piston i ntre (0,50,7), pentru celeinjectate cu agregate cu melc - piston;

P - presiunea de injectare a topiturii, n [daN/cm2];A - aria proieciei piesei pe planul de separaie al matriei, n [cm2].

T

Solid Lichid

Calduraspecifica,

[cal/gC]o

Temperatura, [ C]t o Fig. 2.6. Temperatura i cldura specific a materialelor plastice

semicristaline


9/19


30

Ca ordin de mrime, presiunea de injectare a topiturii variaz ntre (12)103 daN/cm2,valoarea scznd pe msur ce jetul de topitur se ndeprteaz de punctul de intrare nmatri. Evoluia presiunii este exponenial cu distana de msurare, dup relaia

Px = P e-kx [daN/cm2], (2.3)

n care:Px este presiunea topiturii la distanax fa de orificiul de intrare;P - presiunea de injectare la cota 0x = ;K are valori diferite funcie de temperatur, de exemplu:

k1= 0,035 pentru T=280C;k2= 0,06 pentru T=200C.

Calcularea corect a forei de nchidere face s nu apar bavuri, pierderi de agent deexpandare i defecte ale suprafeei pieselor injectate (cnd fora de nchidere nu compenseazfora de injectare) sau s se consume energie n mod inutil, n cazul supradimensionrii foreide nchidere. Informativ se indic o for de nchidere de 700 daN pentru fiecare (cm2) de

suprafa proiectat pe planul de separare pentru o pies injectat din PA 6.6.2.2.4. Introducerea materialului plastic sub presiune n matri

Sub aciunea presiunii pistonului sau a melcului piston, materialul plastic topit trecedin cilindrul de nclzire, prin duzi canale, n cavitatea matriei. Presiunea topiturii scade pecircuit de la (12)103 daN/cm2, pn la o presiune apropiat de cea atmosferic (n momentuldeschiderii matriei). Scderea final a presiunii se datoreaz rezistenei hidraulice a traseuluii ntririi materialului plastic. Presiunea maxim n matri apare la sfritul cursei pistonuluii depinde de presiunea realizat de acesta, de temperatura materialului i de configuraiageometric a traseului. Ali factori suplimentari sunt: viscozitatea topiturii, rugozitateasuprafeelor prin care circul materialele plastice, geometria canalelor de curgere.

Analitic, dinamica presiunilor se prezint ca n figura 2.7, n care spaiul marcat decurbeleLMiLm reprezint timpul maxim i minim de umplere a matriei, stabilit n funciede calitatea piesei injectate i de performanele mainilor de injectare. Temperatura este

jalonat de linia de sigilare Ls, ce corespunde momentului n care circulaia topiturii dematerial plastic prin canalul de umplere se ntrerupe din cauza ntririi materialului, latemperatura matriei T0. Evoluia presiunii este ascendent n faza de umplere a matriei (zonai - j), rmne apoi constant (j - k) n faza de compresie, cnd cavitatea matriei s-a umplut cu

T

P m

T i

e

ksL

LM

j

mL

r

r

Presiunea

Temperatura0 Fig. 2.7. Diagrama ciclului de injectare n coordonate presiune - temperatur


10/19


31

material plastic (care ncepe apoi s se rceasc); presiunea se menine constant prinintroducere continu de material plastic proaspt topit. Materialul plastic nou introdus esteegal volumetric cu contracia topiturii din cavitatea matriei. Se impune ca punctul j, dencepere a fazei de compresie, s fie situat pe linia Lm. Acesta corespunde punctului desigilare, cnd injectarea materialului plastic se ntrerupe. Rcirea dup sigilare sau faza de

rcire sigilat corespunde zonei (e - m). n final presiunea din matria nchis are valoareaPr(presiune remanent care are pe diagram un corespondent n temperatura materialului - Tr)[6, 7, 8, 11]. Dac se reprezint presiunea n matri ca variaie n timp, pot fi evideniatefazele proceselor fizice ce au loc n matri.

Pe diagrama din figura 2.8, se disting patru zone, i anume:- zona (a - b) (faza de umplere a matriei) n care temperatura este constant;- zona (b - c), pe msur ce cavitatea se umple cu material plastic, presiunea crete,

timpul t1- t0 fiind caracteristic fazei de umplere;- n zona (c - d) (faza de compresie), similar zonei (k - j) din figura 2.7, presiunea

rmne constant, materialul plastic se rcete, volumul scade i densitatea crete. Presiunease menine constant pe seama adaosului de material plastic topit din cilindrul sauacumulatorul mainii, iar temperatura scade n intervalul (t2 - t1), cnd se elimin o mare

cantitate de cldur.Dup cum se observ din diagrama Cp - T (fig. 2.9), ntreaga cantitate de cldur

preluat de materialul plastic n timpul procesului de plastifiere corespunde suprafeeihaurate.

Cldura ce se pierde n matri (preluat n timpul procesului de formare) reprezintsuprafaa delimitat de conturul punctele(Tf - Tt- b - c - d).

n faza de compresie, corespunztoare intervalului (t2- t1) din figura 2.8, se preia dectre agentul de rcire cldura din zona (Tf - Tt) i (c - d). Punctul Ttdin diagrama Cp- T(fig.2.9) corespunde punctului t3 din diagrama 2.8. Tt este punctul de sigilare, iar palierul (c - d),reprezint faza de sigilare. n acest moment presiunea scade accentuat, deoarece se ntrerupe

introducerea materialului plastic n matri; din punct de vedere termodinamic sistemul sesitueaz la echilibru ntre fazele lichidi solid.

a b t

Piston

nainte

P

P

0t 1t

PM c

e

32t tf t4

napoi

d

S

r

S

Presiune

Timp

Matrita nchisa

Fig. 2.8. Diagrama ciclului de injectare n coordonate presiune - timp


11/19


32

Considernd c faza de umplere a matriei se face izoterm iar faza de compresiencepe dup ce umplerea s-a terminat, se poate analiza att umplerea la presiune constantidebit variabil, ct i umplerea la presiune variabili debit constant.

Analiznd umplerea la presiune constantse poate calcula poziia frontului de topituri debitul volumetric n funcie de timp. Se presupune c fluidul este incompresibil inenewtonian, de tip Ostwald de Waele. Umplerea are loc la presiunea constantPuf [11].Pentru o matri de forma unui canal cilindric circular cu seciune liber, a crui geometrieeste reprezentat n figura 2.10, debitul volumetric este dat de relaia [11]

+

=)t(Zm2

PR

3

R)t(D uf

3

v , (2.4)

unde poziia frontului de topitur la momentul teste

a b

T T T T0 c t f T

c d

Caldura care trebuieevacuata din matrita

Necesarul de caldura

Caldu

raspecifica

Temperatura Fig. 2.9. Cldura evacuat din matri:

Tc- temperatura de cristalizare; Tt- temperatura de topire;T0, T - temperatura iniiali final a materialului plastic.

Frontul de topitura

z

2R

L

r

Fig. 2.10. Zona activ a unei matrie de injectare


12/19


33

( )( )

2

t

0v

R

dttD

curgeredectiunease

topituradevolumtZ

== , (2.5)

- inversul numrului de curgere, n;m- indicele de consisten.Dac se deriveaz ecuaia (2.5) n raport cu timpul, se obine viteza de curgere [7, 8,

11]

( )( ) ( )

2v

zR

tD

dt

tdZtv

== . (2.6)

Se substituie ecuaia (2.4) n (2.6) i se integreaz cu urmtoarele condiii la limit:C.L.1 - 0=t , ( ) 0=tZ , la momentul iniial matria nu conine topitur de material

plastic;C.L.2 - tt= , ( )tZZ = , la timpul curent t poziia frontului de topitur este la ( )tZ , i

se obine lungimea de ptrundere a frontului de topitur [9, 11]

( )1

1

1uf1

1

m2

PR

3

1tZ

++

+

+

++

= . (2.7)

Conform ecuaiei (2.7), rezult c lungimea de ptrundere a frontului de topitur esteproporional cu raza cuibului R. Expresia debitului volumetric se obine nlocuind relaia(2.7) n (2.4)

( )1)1(uf1

13

v

m2

P

3

1

1

RtD

+

+

+

+

+

+

= . (2.8)

Analiznd ecuaia (2.7) rezult c raportul lungimilor de ptrundere pentru aceeaitopitur n dou matrie cu raze diferite 2121 R/RZ/Z = este dependent numai de geometriamatriei i nu de comportarea reologic a topiturii [1, 4, 11].

L = 0,05 mm;R = 0,002 mm.

PEJD

00

0,01

0,01

0,02

0,03

0,030,02 0,04

PVC

0,04

0,05

Z(t),[m]

PEID

POLISTIREN

0,060,05 0,07 t, [s] Fig. 2.11. Variaia lungimii de ptrundere a frontului de topitur n timp


13/19


34

n figurile 2.11 i 2.12 se prezint variaia lungimii de ptrundere a frontului detopituri a debitului volumetric n timp pentru cteva materiale plastice [4].

Pentru situaia n care se consider debitul volumetric de topitur constant iarpresiunea variabil n timp, geometria curgerii este reprezentat n figura 2.13, matria estesub form de disc, cu 1RH


14/19


35

Se integreaz ecuaia (2.9) n raport cuz deoarece ( )rpp = astfel nct

1zr Czdr

dp+

= , (2.11)

unde C1 este constant de integrare care se determin din condiia la limit C.L.3: 0z = ;0zr = n axa canalului, tensiunea de forfecare fiind nul din considerente de simetrie acurgerii, i se obine

zdr

dpzr

= . (2.12)

Se cupleaz ecuaiile (2.11) i (2.12) i se expliciteaz gradientul vitezei de curgere

=m

z

dr

dp

dz

dv r . (2.13)

Prin integrare, ntre axa i peretele canalului se obine viteza maxim de curgere

1

0 2

H

dr

dp

m

1

1n

nv

+

+

= , (2.14)

iar profilul vitezei de curgere este de forma [12]

=+ 1

r H

z21)z(v . (2.15)

Utiliznd expresia vitezei de curgere se calculeaz debitul volumetric

( ) 0R

0

2/H

0rv vHR2

12dzdr2zv2D

++

= = . (2.16)

Se substituie expresia vitezei maxime (2.14) n ecuaia (2.16) i se expliciteazgradientul de presiune

1n2n

v

H

2m

R4

2D

dr

dp+

+= . (2.17)

Profilul presiunii n funcie de razaR se obine prin integrarea ecuaiei (2.17)

n1

R

H

2m

4

2Ddr

dr

dpP

n11n2n

v

R

0

+=

=+

. (2.18)

Variaia razei frontului de topitur n timp determin viteza de curgere

( ) HR2D

vdt

dRvRrr == = . (2.19)


15/19


36

Prin integrarea ecuaiei (2.19), innd seama de faptul c debitul volumetric esteconstant, c la momentul iniial matria nu conine topitur de material plastic i de condiia lalimit C.L.4: 0t = ; 0R= , se obine

2/1v tH

D)t(R

= . (2.20)

Din ecuaiile (2.16) i (2.20) se obine variaia presiunii n timp

( )( ) ( )

2

n1

2

1n3

2

1n

v2

n1n1n

tH)D(n2

1n2

n1

2mtP

++++

+

= . (2.21)

n figurile 2.14 i 2.15 se prezint variaia presiunii i razei frontului de topitur ntimp pentru cteva materiale plastice.

0,1

00

0,2

0,3

0,20,1 0,3

0,6

0,4

0,5

[Pa]

tP

PEJD

PEID

0,50,4 0,6

PVC

t, [s]0,7

-5Dv = 7,1 10 m s .H = 0,002 mm;R = 0,09 mm;

. 3 -1

Fig. 2.14. Variaia presiunii n timp

0,02

H = 0,002 mm;

0,005

0,003

00 0,01 0,015

0,006

0,005

0,004

Rt

0,0350,025 0,03 t, [s]

POLISTIREN

[m],

PEJD PEID

PVC

Fig. 2.15. Variaia razei frontului de topitur n timp


16/19


37

Faza de compactare (compresie) are loc la presiune constant. Materialul plastic aretendina de solidificare cu scderea volumului i creterea densitii. Pentru a menine

presiunea constant se mai introduce topitur n matri.Cavitatea matriei se consider plin cu topitur de material plastic i se pune

problema studiului procesului de solidificare a materialului plastic. Formarea crustei de

material plastic solid la contactul cu suprafaa matriei este reprezentat n figura 2.16. Oreprezentare real a procesului este ilustrat n figura 2.17 i este cunoscut sub numele deefectul Fountain [4, 11, 13].

Polimer topit

Tp

H

h

Tt

Polimer solid

T(y)

Matrit

Fig. 2.16. Formarea crustei de material plastic solid n cuibul matriei

Intrare topiturade polimer

Frontul detopitura

Profilulvitezei

Polimer

Matrita

solidificat

Fig. 2.17. Efectul Fountain


17/19


38

Ecuaia de conservare a energiei corespunztoare acestui proces n care se consider ctransferul de cldur prin crusta de material plastic se realizeaz printr-un mecanismconductiv n regim nestaionar are forma

2

2

p

y

T

t

Tc

=

. (2.22)

Ecuaia se aplic att pentru stratul de topitur ct i pentru cel de crust, utilizndproprietile fizice pentru fiecare caz n parte. Dificultatea rezolvrii ecuaiei const n faptulc trebuie cunoscut profilul iniial al temperaturii n topitur. Dac se presupune c topitura seafl la momentul iniial la temperatura de topire Tt, ecuaia (2.22) este aproximativ satisfcutde urmtorul profil al temperaturii n zona de material plastic solid

( ) ( ) ,h

yTTTyT ptp

+= (2.23)

unde:

Tp este temperatura peretelui matriei;H - grosimea crustei solide de material plastic la un moment dat t.Deoarece condiia la limit este o problem de frontier mobil, se scrie ecuaia de

bilan de cldur la interfaa topitur - solid impunnd condiia limit C.L.1: ;hy =

sr = /T y ; la interfaa topitur - solid, fluxul de cldur cedat prin solidificare este egal

cu cel transferat prin mecanisme conductive prin crusta de material plastic, unde reprezintdebitul de topitur care se solidific pe unitatea de arie; r- cldura latent de solidificare i

s - conductivitatea termic a materialului plastic solid.

Debitul de topitur ce se solidific pe unitatea de arie este dat de relaia

dtdhs= , (2.24)

unde s reprezint densitatea materialului plastic solid.

Conform ecuaiei (2.23) i relaiilor de mai sus, condiia la limit C.L.1 devine

( )dtTTr

dhh pts

s

= , (2.25)

care prin integrare i innd seama de condiia iniial ( )0h;0t == determin variaiagrosimii crustei de material plastic n timp

( )2/1

pts

s tTTr

2h

= (2.26)

2.2.5. Solidificarea i rcirea topiturii

n faza urmtoare de rcire sigilat (n intervalul t3 t4, vezi fig. 2.8) se elimincldura simbolizat prin suprafaa (T - Tt - b - c) din figura 2.9, cldura corespunzatoaresolidificrii materialului plastic. Are loc creterea densitii i atingerea unei temperaturi cares permit scoaterea obiectului din matri fr s fie deteriorat (deci s aib stabilitatedimensional). Presiunea final n matri (punctulf- corespunzator presiuniiPr) denumiti

presiune rezidual, trebuie s fie puin mai mare dect presiunea atmosferic, pentru a existagarania c obiectul injectat va reproduce dimensiunile cavitii matriei.


18/19


39

Revenind la figura 2.9, cldura depozitat n zona (Tc - T0 - a - b) rmne s fiepreluat n interiorul matriei dup ejectarea piesei, deoarece rcirea n continuare n matrinu mai este economic. Rcirea n aceast etap se face cu aer sau ap.

Tr corespunde temperaturii de cristalizare pentru materialele plastice cristaline i esteunul din parametrii ce caracterizeaz procesul de injectare. ntre aceti parametri se include i

punctulPs , important pentru calitatea produsului finit. La materialele plastice cu viscozitatefoarte mic, presiunea de sigilare are valori mici, ceea ce ar duce la scderea presiunii nmatrii o calitate slab a pieselor injectate. De aceea, pe canalul de alimentare al matriei seamplaseaz un ventil de reinere, astfel nct curgerea topiturii are un singur sens, spre matrii, n acest caz (fig. 2.8), punctul de sigilare e va coincide cu punctul d, faza rcirii sigilatefiind n acest caz dreapta (d - f).

Se consider reprezentativ pentru aceast faz conducia cldurii la suprafaa rece,pn la completa solidificare a fazei lichide i rcirea acesteia n continuare pn la otemperatur final acceptabil. Variaia presiunii corespunztoare fazei de rcire n funcie detimp este reprezentat n figura 2.18. Se constat variaia aproximativ liniar a presiunii n

raport cu timpul [11, 20, 21].

2.3. Capacitatea de injectare a unui material plastic

Injectabilitatea exprim capacitatea unui material plastic de a fi prelucrat la anumiiparametri prin injectare. Parametrii specifici trebuie nelei sub forma unor criterii deacceptabilitate stabilite n funcie de tipul de material i de main.

Criteriile de acceptabilitate ar putea fi [1, 3, 11, 20, 21]:- rigiditatea;- capacitatea de demulare;- calitatea suprafeei piesei;- compatibilitatea cu geometria cavitii matriei;- inducerea de tensiuni mecanice minime n materialul plastic solidificat.Primele dou criterii se regsesc n diagrama presiune - temperatur a ciclului de

injectare (vezi fig. 2.7) iar urmtoarele dou se stabilesc prin proiectarea produsului imatriei.

n cadrul parametrilor de proces, durata ciclului de injectare stabilete att

productivitatea operaiei de injectare ct i corelarea unor caracteristici de temperatur ipresiune din sistem, cu geometria canalelor de curgere a materialelor plastice.

0 1 2 3 4 5 6 7

0,8Presiune,p10[Pa]

0,2

0,40,6

-7

1,6

1,21,0

1,4

2,0

1,8

Timp, [s]

Fig. 2.18. Variaia presiunii n timpul fazei de rcire


19/19


Bibliografie

[1] Agassant, J., F.La mise en forme de matieres plastiques. Technique et documentation, Paris, 1989.[2] Alfredo, E., C. The complete part design handbook. For injection molding of thermoplastics , HanserPublishers, Munich, 2006.[3] Duncan, A., J.Bulk Sampling: Problems and Lines of Attack, Tehnometrics, Vol. 4, 1962, pag. 319-334.

[4] Fetecu, C.Aspecte reologice la prelucrarea materialelor plastice prin injectare. Faza de umplere. RevistaMateriale Plastice, Bucureti, vol.42, nr.4, 2005, pag. 291-293.[5] Herbert, R.Mold engineering 2nd edition, Hanser Publishers, Munich, 2002.[6] Iclnzan, T.Plasturgie. Universitatea Tehnic Timioara, 1995.[7] Kamal, M. R., Kenig, S. The Injection Molding of Thermoplastics Part. I. Theoretical Model. Polymersengineering Science, 12, nr. 4, 1976, pag. 294-301.[8] Kamal, M. R., Kenig, S. The Injection Molding of Thermoplastics Part. II. Experimental Test of The Model.Polymers engineering Science, 12, nr. 4, 1976, pag. 302-308.[9] Kuo, Y., Kamal, M., R. The Fluid Mechanicsand The Heat Transfer of Injection Mold Filling ofThermoplastics Materials. Chemical Engineering Science, 22, nr. 4, 1976, pag. 661-669.[10] Manea, G.Materiale plastice poliamidice. Editura Tehnic, Bucureti, 1988.[11] Mihai, I., R., tefan, A. Simularea proceselor de prelucrare a polimerilor. Editura Tehnic, Bucureti,1989.

[12] Punoiu, V. Tehnologia pieselor sinterizate vol. II, Editura OIDICM, Bucureti, 2002.[13] Peter, U. Gastrow injection molds 4th edition, Hanser publishers, Munich, 2006.[14] Pinto, G., Tadmor, Z. Mixing and Residence Time Distribution in Melt Screw extruders. PolymersEngineering Science, 10, nr. 5, 1970, pag. 279-284.[15] Popa, V. Cooling options for superconducting magnets used for high performance detectors . The 34ndInternational Scientific Symposium of the Defence Research Agenty, Section Radioelectronics, Lasers andOptoelectronics Systems, Bucharest, May 29-30, 2003, pag. 209-214.[16] Robert, A., M.Plastic part design for injection molding, Hanser publisher, Munich, 1994.[17] Shapiro, J., Halmos, A., L., Pearson, J., R., A. Melting in single screwextruder. Part I. The Mathematicalmodel. Polymer, 17, nr. 10, 1976, pag. 905-911.[18] ere, I. Materiale termoplaste pentru injectare. Tehnologie. ncercri. Editura Imprimeriei de Vest,Oradea, 2001.[19] ere, I.Matrie de injectat. Editura Imprimeriei de Vest, Oradea, 1999.

[20] ere, I.Injectarea materialelor termoplastice. Editura Imprimeriei de Vest, Oradea, 1996.[21] ***Injection Molding Handbook. Hanser Publisher, Munich, 2002.

cap. 2. principiul injectarii.ff

Documents