BEARBETNING FRÅN A TILL Ö A Ö Detta avslutande kapitel i avdelningen om traditionell formsprutning, beskriver vad som händer då formen fylls och hur plasten krymper. I nästa kapitel berör vi speciella formsprutningsmetoder. Materialorienteringar och formgodsets krympning SPA NNANDE SPA NNINGAR En termoplast består av jättemolekyler, som i smält form bildar ett trassligt nystan. Vid formsprutning orienterar sig jättemolekylerna i plastmassans flödesriktning men molekylerna hakar också i varandra vilket har en hämmande effekt på flödet. Orienteringen fryser inne då plastdetaljen stelnar och det uppstår spänningar. Plasten tenderar emellertid till att återgå till sin avspända form genom relaxation, särskilt då temperaturen höjs. Vanligen är relaxationen inte särskilt stor utan det kvarstår en restspänning, som utgör skillnaden mellan orienteringsspänningen och relaxationen. Molekylorienteringen ger en hög draghållfasthet hos den stelnade plasten i flödesriktningen, vilket huvudsakligen beror på molekylernas interatomära krafter samt den fjädrande effekt, som uppstår då den sicksackformade molekylkedjan sträcks vid belastning i dragriktningen. Materialets styrka i tvärriktningen är emellertid svag och beror huvudsakligen på de inter- molekylära bindningarna. I en typisk termoplast är nämligen de intermolekylära bindningarna styrka endast 10 procent av de interatomära. De svaga intermolekylära bindningarna gör att molekylerna kan glida i förhållande till varandra, vilket ger smältan en viskös karaktär. Även slagsegheten påverkas av molekylorienteringen. I vidstående figur ser vi en formsprutad rektangulär skiva som formsprutats med ett intag i mitten. Ur skivan har man skurit ur provbitar, som skårats. Slagprovning av den vänstra biten ger ett högre slagseghetsvärde än den högra på grund av molekylorienteringen. Sträckning av polymernystan och makromolekyler Slagsegheten beroende på molekylorientering Lars-Erik Edshammar Experimentella studier av formfyllningsförloppet Naturligtvis är det svårt att analysera vad som verkligen händer i ett formrum vid formsprutning. Man har emellertid tagit fram metoder för att direkt eller indirekt undersöka hur fyllningen av formen går till. Man har exempelvis använt formar tillverkade av glas, som har parallella väggar. Formfyllningsförloppet i glasformen har följts med en höghastighetskamera. Med denna metod har man studerat vad som sker i en cirkulär PLASTFORUM Nr 12 2004 skiva med punktintag i kanten och jämfört resultatet med förloppet i en cirkulär skiva med centralintag. Man har även undersökt vad som händer i en rektangulär platta av glas med punktintag i kanten. Man ser att smältans flytfront omedelbart vid inträdet i formrummet bildar ett tunt fryst skikt vid kontakt med den kalla glasväggen. Enligt mikroskopiska undersökningar förekommer ingen molekylorientering i detta skikt. Det lager av smält plast, som står i omedelbar kontakt med det stelnade kalla skiktet har en hög viskositet på Molekylorienteringar vid fyllning av formrummet 45
BEARBETNING FRÅN A TILL Ö A Ö Polymerens flytningsförlopp genom fördelningskanal, intag och formrum Treskiktlaminat i formsprutgods Molekylrelaxtion och dimensionsändringar vid värmebehandling av en opak skiva grund av låg temperatur och utsätts för höga skjuvkrafter under inverkan av den mer lättflytande plastmassan i centrum. Molekylerna i detta lager sträcks därför ut och orienteras i flytriktningen en bit från formväggen medan plastmassan i kärnan är anisotrop. I princip erhåller man således ett laminat med tre skikt enligt vidstående figur. Då formsprutningen går mot sitt slut fryser intaget och de krafter, som orsakat skjuvningar och orienteringar upphör. Orienteringseffekter har också studerats genom att spruta in plast stegvis i en vanlig stålform varefter man analyserat var och en av de allt större bitarna. Då en testplatta av en amorf plast formsprutas i en glasform kan orienteringarna studeras med hjälp av två korslagda polariserade filter, som genomlyses med vitt ljus. Man åstadkommer på detta sätt dubbelbrytning, som ger ett fotoelastiskt mönster vars färgspektra och densiteter avslöjar både orienteringar och inre spänningar i den formsprutade anisotropa skivan. När det gäller enkla former går det att bestämma spänningar och orienteringar kvantitativt med hjälp av ett transmissionsmikroskop. För formgods av komplexa former kan man endast göra kvalitativa uppskattningar för att belysa hur processen påverkat materialet. Ytterligare en provmetod utförs med ultraljud och tillämpas vid oförstörande provning av formsprutade produkter. Optiska metoder kan inte användas vid spänningsanalyser av opaka och delkristallina material. Man kan i stället använda en enkel metod, som innebär att man inför markeringar av cirkulära fält i ytan av en formsprutad rektangulär skiva. Då skivan värmebehandlas och spänningarna upplöses genom relaxation deformeras skivan och fälten blir ellipsformade enligt vidstående figur. Metoden är således indirekt och visar hur de orienterade molekylerna mer eller mindre återgår till sin tidigare avspända form. Om värmebehandlingen är tillräcklig återstår inga restspänningar. Provet kallas på engelska reversion test och värmebehandlingen sker i en ugn eller genom att doppa skivan i en inert varm vätska som silikonolja. Restspänningar kan konstateras om den formsprutade produkten sänks ned i en vätska, som utlöser spänningssprickor. Ofta används ett lösningsmedel men i vissa fall kan spänningssprickor t o m uppstå i kontakt med vatten. Provet fungerar inte vid låga dragspänningar eller vid höga tryckspänningar eftersom sprickorna trycks ihop. Provet har praktisk betydelse då man kontrollerar om att formsprutgods är spänningsfritt innan det förs ned i sura bad vid metallisering. Stelningsförloppet i formrummet Vi har i tidigare kapitel beskrivit hur plastsmältan flyter genom fördelningskanaler och hur molekylerna orienteras i strömningsriktningen. Smältan har låg hastighet närmast kanalens vägg på grund av vidhäftning mot metallen. Plasten stelnar vid väggen om kanalen är kall men om man använder en ett varmkanalsystem kan plasten hålla sig flytande. Då smältan passerar intaget, som har en mindre diameter än fördelningskanalen blir smältan varmare och mer lättflytande och bildar en flytfront med hög hastighet i mitten. I denna form träder smältan in i formrummet och smältan kyls snabbt i ett skikt närmast den kalla formväggen. Den flytande plasten skrider fram mellan formrummets väggar under det att ytterligare plast stelnar mot formväggen. Enligt bifogade figur bildar smältan en flytfront, som brukar beskrivas som fontänliknande. Analyser av formgodset visar att det material, som stelnar närmast formväggen stort sett saknar orientering i likhet med experimenten ovan. Smältan i ett lager närmast det stelnade skiktet har hög viskositet på grund av det stelnade skiktets låga temperatur. I detta lager uppstår därför en kraftig orientering av molekylerna på grund av de skjuvkrafter, som uppstår då den lättflytande smältan i mitten släpar med sig material i sin rörelse framåt mellan formväggarna (den stelnade plastens värmekonduktiviteten är lägre än plastsmältans, vilket leder till att värmeledningen till formväggen är låg). 46 PLASTFORUM Nr 12 2004
Molekylorienteringar Vi har konstaterat att då formrummet börjar fyllas klibbar plastmassan omedelbart fast och stelnar mot den kalla formväggen. Under det stelnade skiktet bildas ett lager av starkt orienterad plast med molekylerna utsträckta i flytriktningen. Då plastmassan stelnar i formrummet blir molekylernas orienteringar infrysta och det uppstår spänningar i godset. Molekylerna strävar emellertid till att återgå till sin tidigare form genom relaxation. Relaxationen kan vara mer eller mindre utvecklad och ofta kvarstår restorienteringar. Restorienteringen blir hög om den aktuella polymeren har en hög medelmolmassa och formfyllningen sker med högt tryck. Man utformar därför formrummet så att det helst fylls under så lågt tryck som möjligt. Man fyller således formen från tjocka sektioner till tunna. Dessutom kan man anpassa processparametrarna så att det totala trycket blir lågt. Relaxationen ökar med temperaturen eftersom molekylerna då har högre rörlighet. En varm formvägg ökar således relaxationen. En varm formvägg betyder emellertid en längre kyltid och därmed högre bearbetningskostnader. Man har försökt införa termiskt isolerande skikt av keramiskt material eller en högtemperaturlack på verktygsstålet för att minska formväggens kylande effekt. Formväggen får då ett lägre värmeövergångstal och temperaturen ökar i ytskikten, vilket betyder minskade molekylorienteringar och hög relaxation. Teoretiskt är resonemanget riktigt men cykeltiderna blir för långa, vilket försämrar ekonomin. Det är dessutom svårt att få tag i beläggningar, som är tillräckligt nötningsoch värmebeständiga för att klara normala seriestorlekar. Materialorienteringen styrs huvudsakligen på följande sätt: 1. Hög temperatur hos smältan och formen minskar viskositeten, underlättar fyllningen av formen och ökar relaxationen. 2. En hög insprutningshastighet leder till att det isolerande frusna skinnet närmast formväggen blir tunt. Underliggande lager av plastsmälta kyls mindre, skjuvkrafterna och därmed orienteringen i lagret minskar och fyllningen av formen underlättas. Intaget fryser snabbt, orienteringen upphör och relaxationen börjar göra sig gällande. För hög insprutningshastighet kan emellertid ge orienteringar i ytan, som ökar risken för spänningskorrosion. 3. Trycket skall hållas lågt i formrummet eftersom en hög kompression (överpackning) minskar relaxationen. 4. En mindre diameter hos intaget minskar orienteringen eftersom friktionen i intaget ger ökad värmebildning och därmed ökad relaxation. Ett stort intag bidrar till sen frysning, vilket ökar graden av orientering. Orienteringar kan öka lokalt om smältfronten stöter på ett hinder i formrummet. Smältans hastighet minskar, viskositeten ökar och därmed minskar också relaxationen. Desamma gäller då smältan når slutet av formen och intaget inte är rätt dimensionerat. Trycket i formrummet Analyser av formsprutningsprocessen har lett till förfiningar av processkontrollen. Trycket i formrummet har en central roll i dessa analyser. Metoder för att mäta trycket sker numera med avancerade tryckgivare vanligtvis baserade på piezokristaller. Mätningarna är möjliga även under besvärliga temperatur- och tryckförhållanden. En typisk tryckkurva ges i figuren nedan och man kan urskilja tre faser i förloppet: insprutning av plast i formrummet, sammantryckning av plastsmältan (packning, kompression) samt eftertryck då smältan stelnar under tryck. Hur de olika stegen påverkar formsprutgodsets egenskaper framgår av texten i figuren. Insprutningsfasen påverkar huvudsakligen Schematisk beskrivning av trycket i formrummet formgodsets utseende och eftertrycket dess dimensioner. De tillstånd som råder vid formsprutning kan beskrivas med hjälp av ett PVT-diagram I ett sådant diagram avsätts den specifika volymen (1/ρ) mot temperaturen vid olika tryck från atmosfärstryck och uppåt. Diagram av detta slag illustrerar den stora skillnaden mellan amorfa och delkristallina plaster men utgör också ett hjälpmedel för att optimera processparametrarna vid formsprutning. PVT-diagrammet Vid formsprutning beror plastens krympning på två motsatta effekter: den naturliga termiska sammandragningen då smältan kyls och eftertrycket som håller smältan tryckt mot formväggarna tills det moment då plasten stelnar i intaget. Eftertrycket fungerar eftersom smältan är hoptryckbar. Volymminskningen för en amorf polymer som polystyren är ca 7 procent vid avsvalning från smälta till rumstemperatur (från 195ºC till 23ºC). Volymminskningen för en delkristallin polymer som PA 66 är 14 procent vid avsvalning (från 285ºC till 23ºC) medan volymminskningen är 18 procent för PE- LD (0,916 g/cm 3 ) vid avsvalning (från 195ºC till 23ºC). Vid det höga tryck, som råder vid formsprutning blir plastsmältans densitet betydligt högre än vid atmosfärstryck och det sker en volymminskning. Vid 160ºC intar en smälta av 1 kg av PE-LD volymen 1,3 dm 3 vid atmosfärstryck (10 5 Pa) men vid 1000 gånger högre tryck sjunker volymen till ca 1,2 dm 3. PLASTFORUM Nr 12 2004 47
BEARBETNING FRÅN A TILL Ö A Ö Schematiskt PVT-program med tryckkurvan under en formsprutningscykel Typiska PVT-kurvor för amorfa och delkristallina polymerer Volymskillnader hos en plast på grund av tryck och temperatur måste vägas mot varandra för att minimera insjukningar, porer och skevningar hos ett formsprutgods och framför allt om detaljen besår av en delkristallin plast som PE- LD. Om formrummet fylls med smälta, som får svalna utan pålagt tryck blir resultatet kraftiga insjunkningar, porer och inbyggda spänningar hos formgodset. Sker formfyllningen under tryck kan 7-8 procent mer plast pressas in i formrummet och volymminskningen blir mindre. Genom att bibehålla trycket under en del av kyltiden införs ytterligare smälta för att minska insjunkningar och kvarvarande spänningar. Volymen hos plastmassan ändras således genom inverkan av både temperatur och tryck. Den naturliga volymminskningen vid kylning kan relateras kvantitativt till den specifika volymen, som är det reciproka värdet av densiteten (1/ρ). Den specifika volymen är dessutom relaterad till både polymerens tryck och temperatur, vilket har uttryckts i tillståndsekvationer, som påminner om gasernas allmänna tillståndslag: pv=nrt Spencer och Gilmore föreslog en sådan ekvation 1950, som kunde användas för att beskriva expansionen och kontraktionen av polystyren enligt följande allmänna uttryck: (P + a)(v b) = RT/M där P är det hydrostatiska trycket, v är den specifika volymen (1/ρ), R är den universella gaskonstanten och M är molmassan, T är absoluta temperaturen hos polymeren och a och b är materialkonstanter. Uttrycket säger helt enkelt att Schematiskt beskrivning av formsprutningscykeln tryck, temperatur och specifik volym är relaterade till varandra så att varje angivelse av temperatur och tryck motsvaras av en specifik volym. Sambandet mellan tryck, temperatur och specifik volym kan bestämmas experimentellt. Tryck, volym och temperaturdata presenteras i ett PVT-diagram som ger specifika volymen som funktion av temperaturen vid olika konstanta tryck (isobarer). (PVT skrivs ofta P- v-t och även pvt). I teorin är det möjligt att följa den specifik volymens förändring under en formsprutningscykel och exakt förutse den slutliga volymen och volymkrympningen. Tillgängliga dataprogram är baserade på ovanstående eller liknande formler. PVT-kurvor för amorfa och delkristallina termoplaster skiljer sig åt, vilket framgår av bifogade figur. Båda plasttyperna visar att den specifika volymen är linjärt beroende av temperaturen så länge de är i smält form och således är amorfa. Pilen i diagrammet indikerar att trycket ökar då den specifika volymen minskar. I fast fas är kurvorna olika beroende på och de delkristallina polymererna får en exponentiell lutning i det temperaturområde där kristalliterna upplöses eller bildas. Vi låg temperatur är det delkristallina materialet tätt packat och har hög densitet (låg specifik volym) men övergår då kristalliterna upplöses till en amorf smälta med hög specifik volym. Omvänt är fasomvandlingen från amorf smälta till delkristallin fas förenat med en krympning, som saknar motsvarighet hos den amorfa polymeren. PVT-diagrammen beskriver i detta fall skillnaden mellan amorfa och delkristallina plaster. PVT-diagrammet är även användbart för att studera formfyllningsförloppet: formfyllningsfasen, kompressionsfasen (packningsfasen) och eftertrycksfasen. (Eftertrycket 48 PLASTFORUM Nr 12 2004
får inte börja verka för tidigt eller för sent och skall verka fullt ut). Formfyllningen utförd med ett korrekt verkande eftertryck kan följas i vidstående PVT-diagram. Hur de olika faserna ingår i formsprutningscykel beskrivs också längs en annan figurs tidsaxel (se föregående sida). Enligt figuren är kylningen av detaljen det mest tidsödande momentet i cykeln. Processen inleds med insprutning av en het smälta i en relativt kall form och trycket stiger succesivt från atmosfärstryck. Vid 1 har formrummet fyllts med smälta. Mellan 1 och 2 komprimeras plastsmältan och når ett högt tryck medan den specifika volymen minskar och avkylningen är måttlig. Plastsmältan stelnar vid den kalla formväggen under det att den krymper. Mellan 2 till 3 fungerar skruven som en kolv och trycker in ytterligare material in i formrummet för att kompensera för krympningen tills intaget fryser (eftertryck). Den specifika volymen avtar men blir konstant när plastsmältan stelnar i intaget (3). Vid denna punkt är detaljens kärna fortfarande flytande och fortsätter att krympa inne i kärnan utan kompensation. Trycket och temperaturen sjunker mellan 3 och 4. Vid 4 råder atmosfärstryck och temperaturen sjunker ytterligare under det att formsprutgodset krymper (4-5). Formgodset kan avformas först då temperaturen är så låg (5) att godset inte deformeras varefter det krymper ytterligare under det att det kyls till rumstemperatur. Plastens linjära krympning PVT-diagrammet visar hur en plastdetalj volymkrymper då den kyls från smälta till fast fas och volymkrympen går att beräkna. Emellertid är det den linjära krympen som är av intresse för konstruktören och tillverkaren av formverktyget. Riktvärden för den linjära formkrympningen i procent och mätt efter avkylning ges för några vanliga plaster i följande tabell: Krympförhållanden för acetalplast-sampolymerer (KÄLLA HOECHST) Dimensionsförändringar-tid De flesta amorfa plasterna har således en låg krymp vanligen mellan 0,5 procent till 0,8 procent (ofta skrivs 0,005 0,008 mm/mm). Eftersom delkristallina plaster får en högre densitet vid avkylning är krympen i storleksordningen 1 2 procent (0,010 0,020 mm/mm). Det är mycket lättare att förutse och kontrollera krympen hos en amorf plast än en delkristallin. Därför tillverkas kameror och CD-skivor i den amorfa plasten polykarbonat. En plast som dessutom är slagseg och tål relativt hög temperatur. AMORFA PLASTER DELKRISTALLINA PLASTER Akrylplast, PMMA 0,3 0,6 Acetalplast 1,5 2,5 ABS 0,4 0,6 PA 6 0,8 1,4 Cellulosaacetat, CA 0,5 0,7 PA 66 1,3 1,5 Hård PVC 0,3 0,5 PA 12 0,8 2,0 Styrenplast 0,5 0,7 PE-LD 1,5 4,0 Karbonatplast 0,6 0,8 PE-HD 2,0 4,0 Sulfonplast 0,5 0,7 Propenplast 1,2 2,0 Polymerer som innehåller fyllmedel krymper vanligen mindre än ofyllda polymerer eftersom fyllmedlen har låga termiska utvidgningskoefficienter. Amorf ABS med 30 procent glasfiber har en krymp i flödesriktningen som är 0,1 procent och tvärs flödet är krympen 0,2 procent. Acetalplast som är delkristallin ger utan glas en krymp upp till 2,5 procent längs men 2 procent tvärs flödesriktningen. Acetalplast med 30 procent glas krymper däremot 0,3 längs och 1,6 procent tvärs flödesriktningen. Observera att krympningen är beroende av glasfibrernas orientering. Blandningar av glasfibrer och glassfärer tenderar till att ge likartad krymp i alla riktningar. En ojämn krymp fås om formsprutgodset har en ojämn väggtjocklek, skarpa hörn och tillverkas med långa flytvägar Krympningen i formen kompenseras med en ökning av formens PLASTFORUM Nr 12 2004 49
BEARBETNING FRÅN A TILL Ö A Ö mått. Vid formtillverkningen riktar man in sig på detaljens minsta tillåtna mått för att ge möjligheter till justeringar under provtillverkningen. För delkristallina plaster blir andelen kristalliserat material större om formen håller hög temperatur. Hög formtemperatur betyder emellertid långa cykeltider och dålig ekonomi. Normalt sker därför ej fullständig kristallisation utan den fortsätter sedan formgodset lämnat formrummet och godset kan fortsätta att krympa i dagar. Denna s k efterkrymp definieras som skillnaden mellan detaljens mått en viss tid efter utstötningen och det mått detaljen intagit efter stabilisering. Efterkrympen kan påskyndas genom att detaljen värmebehandlas. Kylhastigheten är således relativt hög vid formsprutning men är högre i detaljens yta än i dess inre. För vissa delkristallin plaster kan kylhastigheten ge dramatiska resultat. PET är en sådan plast. Ämnen för tillverkning av PET-flaskor formsprutas i en så kall form att de är glasklara. När ämnet sträckblåses är materialet fortfarande glasklart. Det går inte att tillverka PBT-flaskor på detta sätt. PBT kristalliserar mycket snabbare än PET och kristallisationen reduceras endast i ett mycket tunt ytskikt. Betrakta krympförhållanden för acetalplast (sampolymer) i vidstående figur. Om formtemperaturen är hög (120ºC) så är efterkrympen endast 0,1 procent. Om formtemperaturen är låg (60ºC) blir efterkrympen betydligt högre och 0,65 procent, vilket leder till en okontrollerad krymp hos plastdetaljen. Den kan vara frestande för en formsprutare att använda en låg formtemperatur eftersom cykeltiden blir kortare och tycks ge bättre ekonomi. Det är inte bara efterkrympen som ställer till problem när det gäller måtten. En komplikation tillkommer för hygroskopiska material som PA 66 och PBT, vilka sväller genom vattenupptagning (se figur). Granulat av dessa plaster torkas innan de formsprutas. Det avformade godset är varmt och torrt när det lämnar formsprutan. Inledningsvis krymper godset på grund av kristallisation men därefter sväller det och tar åter upp vatten. Processen kan ta dagar i Dimensioner vid formsprutning av PA 66 anspråk såvida inte detaljen konditioneras i vatten för att påskynda vattenupptagningen. Krympdata för delkristallina plaster ges efter 48 timmar, 23ºC och 50 procent relativ fuktighet Amorfa plaster krymper snabbt i takt med sin termiska utvidgningskoefficient. Inre spänningar utjämnas och en dimensionsstabilitet inställer sig efter ca 30 minuter. För polykarbonat, som har låg fuktupptagning behövs dessutom ingen fuktkonditionering. Toleranser och måttspridning Vid formsprutning tillverkas plastdetaljer med sämre måttnoggrannhet än vad som i allmänhet åstadkoms vid tillverkning av ståldetaljer. Diskussioner kring toleranser undviks ofta i facklitteraturen, eftersom de är svåra att ange på grund av ovannämnda förhållanden. Stor värmeutvidgning, svällning i fukt och tidsrelaterade formförändringar gör att alltför snäva toleranser ter sig meningslösa. I vidstående figur ges variationer av måtten vid formsprutning av en detalj av PA 66, vilka belyser en del av problemen. Vid formsprutning av delkristallina plaster under normala förhållanden kan man ej nå ISO-toleranserna IT5, IT6 eller IT7. Normalt når man IT10 om man håller sig inom ramen för normala kostnader. IT9 innebär högre kostnader och IT8 väsenligt högre (vid spånskärande bearbetning av plasthalvfabrikat når man IT7). Formsprutgodsets mått bestäms av formens måttnoggranhet, som varierar något under processens gång på grund av nötning. Formen sväller då den varma smältan sprutas in i formrummet och den kan deformeras om trycket i formrummet blir för stort. Man har därför infört begreppet måttspridning, som avser skillnaden mellan största och minsta värde för ett bestämt mått hos en detalj under processens gång. Måttspridningen anger således det mått man kan förvänta sig hos detaljer tillverkade i en normal serie formsprutgods. I en svensk standard indelas varje plastmaterial i tre måttspridningsklasser och man har gett dem kodbeteckningar. Med hjälp av tabeller tar man fram måttspridningen. Man skiljer mellan formbundna mått och icke formbundna mått. De formbundna bestäms av de båda formhalvornas mått och det icke formbunda beror på att formhalvorna förskjuts något under processens gång på grund av gradbildning i delningsplanet. Måttspridningsberäkningar är för omfattande för att genomgås här. Av ekonomiska skäl ligger det i både kundens och bearbetarens intresse att inte välja snävare måttspridning (toleranser) än vad funktionen kräver eller som tysken uttrycker det: nicht so genau wie möglich, sondern so genau wie nötig. Konstruktören måste också ta hänsyn till vad som händer med plastdetaljen under dess användning t ex påverkan av fukt, temperatur, miljö och olika typer av belastningar. Man skiljer därför på tillverkningstoleranser och användningstoleranser, som uttrycker dimensionsförändringar under detaljens livstid. 50 PLASTFORUM Nr 12 2004