Päästöt Tampereen teknillinen yliopisto Sanna Nykänen Ruiskuvalettavissa kappaleissa on lähes aina tarpeellista käyttää päästöjä. Päästökulmat helpottavat kappaleen ulostyöntöä muotista. Jos ruiskuvalukappale valmistetaan käyttäen normaalia muottipesää ja keernoja, on muottipesä yleensä kiinteässä muottipuoliskossa ja keerna liittyneenä liikkuvaan muottipuoliskoon. Yleensä muovikappale jää muotin keernapuolelle muottia avatessa. Tähän on kaksi pääasiallista syytä: Muovimateriaali kutistuu ja aiheuttaa painetta sekä kitkavoimia keernan ja kappaleen välille. Kappale työntyy ulos muottipesästä, johtuen seinämänpaksuuden kutistumisesta. Muotin päästökulmat lisätään yleensä muottipuoliskoon, jossa muottipesä on, koska näin ne helpottavat kappaleen ulostyöntöä muottipesästä muotin avautuessa. Käyttämällä päästökulmia muotissa muottipesän puolella saavutetaan monia etuja. Ne vähentävät vastapäästöjen ja liukukitkan vaikutusta sekä helpottavat ilman liikkumista, joka tasapainottaa tyhjiöilmiötä avattaessa muottia. Päästökulmien suuruus vaihtelee tyypillisesti asteen murto osista useisiin asteisiin. Päästökulmat ovat riippuvaisia kappaleen syvyydestä, käytetyn muovimateriaalin jäykkyydestä, pinnan liukkaudesta sekä muotin pinnan karheudesta. Kuvassa 1. on esitetty, mitä muottipesän päästökulmalla tarkoitetaan. Kuva 1: Muottipesän puolella käytettävät päästökulmat helpottavat kappaleen ulostyöntöä muotista. Perustuu Malloy: Plastic part design for injection moulding, s. 89. On myös mahdollista valmistaa ruiskuvalettuja kappaleita ilman päästöä, mutta tällöin yleensä tarvitaan jonkinlaista erityistä muottitoimintoa, joka vetää muottipesän irti muovikappaleesta muotin auetessa. Esimerkiksi jaetturakenteinen muottipesä on yksi vaihtoehto tähän. Kun muotti avataan ja kappale työnnetään muottipesästä pois, on se tämän jälkeen irrotettava keernasta. Muovimateriaaleille on tyypillistä kutistua ja puristua keernan ympärille. Tämän vuoksi kappaleen ulostyöntämiseen tarvittavat voimat voivat olla hyvinkin suuret. Suurimmat ulostyöntövoimat ovat alkuperäiseen irrotusvastukseen tarvittavat voimat, joihin vaikuttaa mm. materiaalin kutistuma ja moduuli, kitkakerroin, pinnan karheus, kosketuspinnan suuruus sekä käytetty päästökulma. Keernoissa käytettävät päästökulmat vaihtelevat tyypillisesti 0,25 2 välillä. Jos käytetyt päästökulmat ovat edellisessä mainittua suuremmat, ne helpottavat vielä enemmän kappaleen ulostyöntöä, mutta niiden vaikutus ruiskuvalettavan kappaleen muotoon on tällöin huomattava. Syy päästökulmien käyttöön keernoissa on sama kuin niiden käyttöön muottipesän puolella Keernapuolella käytettävät päästökulmat helpottavat kappaleen ulostyöntöä sekä vähentävät tarvittavia ulostyöntövoimia ja näin helpottavat ulostyöntösysteemin suunnittelua. Usein keernapuolella Päästöt 1
käytettyjen päästökulmien suuruus on sama kuin muottipesän puolella käytettyjen päästöjen. Onkin suositeltavaa käyttää rinnakkaisia päästöjä, sillä silloin saavutetaan yhtenäiset seinämänpaksuudet. Kuvassa 2. on esimerkki keernapuolen päästökulmasta. Kuva 2: Keernapuolen päästökulmia tarvitaan kappaleen irrottamiseen keernasta muotin aukaisemisen jälkeen. Perustuu Malloy: Plastic part design for injection molding, s.89. Päästökulman johdosta kappale irtoaa keernasta muotin aukaisun jälkeen ja työntövoimien suuruus pienenee nopeasti. Tällainen yhtäkkinen kosketuspinta alan pienentyminen helpottaa ilman virtausta keernan ympärille. Se puolestaan tasapainottaa muodostunutta tyhjiöilmiötä. Tämä voi johtaa ruiskuvalukappaleen vahingoittumiseen. Ilmanpoistotappeja ja ilmaläppiä voidaan käyttää suurien ja syvien kappaleiden tapauksessa rikkomaan tyhjiö ja puhaltamaan kappale irti keernasta muotin avauksen jälkeen. Esimerkki 1. Kuvassa 3. on esimerkki ulkoisesta päästökulmasta. Se on hyvä esimerkki päästökulman käyttökohteesta. Kun käytetään pientä päästökulman arvoa, ulkopinta (muottipinta, jossa kappale muodostuu) vaatii mittatarkkaa viimeistelyä, jotta kappaleen poisto muotista helpottuu. Kuva 3: Ulkoinen päästökulma. Perustuu Rosato: Injection molding handbook, s. 602. Esimerkki 2. Kuvassa 4. on esitetty sisäinen päästökulma. Kuvassa 4. on erottava sisäseinämä, jonka olisi oltava pohjaa vastaan kohtisuora. Tässä tapauksessa päästökulma muodostuisi matalammalle puolelle. Näin lisämateriaalin tarve on vähäistä, huokoisuudet tyven lähellä vähentyvät ja kappaleen sykliaika ei kasva. Myös tässä tapauksessa pystysuorat muottipinnat tarvitsevat hyvän pinnan viimeistelyn. Kuva 4: Sisäinen päästö. Perustuu Rosato: Injection molding handbook, s. 602. Päästöt 2
Esimerkit 3. ja 4. Kuvassa 5. on esitetty useiden päästökulmien käyttöä ja kuvassa 6. rinnakkaisten päästöjen käyttöä paksuseinämäisten kappaleiden tapauksessa. Päästökulmia käytettäessä ongelmaksi saattaa muodostua paksujen seinämien syntyminen, jota voidaan helpottaa käyttämällä rinnakkaisia päästökulmia. Kuva 5: Useiden päästökulmien käyttö kappaleen ulostyönnön helpottamiseksi. Perustuu Rosato: Injection molding handbook, s. 603. Kuva 6: Rinnakkaisten päästökulmien käyttäminen paksuseinämäisen kappaleen tapauksessa. Perustuu Rosato: Injection molding handbook, s. 603. Taulukko 1. Päästökulmien suuruksia eri muoveille. Muovi Päästökulma ( ) Polykarbonaatti (PC) 1 2 Polystyreeni (PS) > 0,5 Polysulfoni (PSU) 1 2 Polyeetterisulfoni (PES) 1 2 Nestekidemuovit (LCP) > 0,5 Polybuteenitereftelaatti (PBT) 1 1,5 Polyeteenitereftelaatti (PET) 1 1,5 Akryylinitriilibutadieenistyreeni (ABS) > 0,5 Polymetyylimetakrylaatti (PMMA) > 1 2 Polyeteeni (PE) > 0,7 0,8 Polypropeeni (PP) > 0,7 Päästöt 3
Päästökulmilla on melko suuri vaikutus muovituotteen muotoon. Jokaisessa yksittäisessä ulokkeessa, kuten rivoissa, ruuvitorneissa ja reiässä, on käytettävä päästökulmaa. Esimerkkinä rivoissa, päästökulma pitäisi olla molemmin puolin pesää. Hyvänä puolena näissä päästökulmissa on se, että ne helpottavat kappaleen ulostyöntöä. Päästökulmia käytettäessä rivan täyttyminen sulalla on kuitenkin vaikeampaa ja niiden lujittava vaikutus pienenee. Tämän vuoksi käytettyjen päästökulmien suuruuden olisi oltava kompromissi kappaleen helpottuneen ulostyönnön ja lujuuden säilymisen välillä. Jos ruiskuvalettava kappale valmistetaan käyttäen kuvioitua pintaa, tarvitsee se lisää päästöä kappaleen ulostyönnön helpottamiseksi. Muottipesät, joissa on satunnainen kuviointi, tarvitsevat 1 1,5 päästöä/ sivu jokaista 0,025 mm kuvioinnin syvyyttä kohden. Säännölliset muodot, kuten puun syitä jäljittelevä muoto, joka kulkee kohtisuoraan kappaleen ulostyöntösuuntaa vasten, tarvitsevat vielä suurempia päästökulmia. Pintakuvioinnit tehdään yleensä muottipesän puolelle, kappaleen ulkopintaan. Kuvioiduilla keernoilla voidaan tehdä sisäisiä kuviointeja, mutta niiden ulostyöntö on erittäin vaikeaa, sillä muovimateriaali kutistuu tiukasti keernan ympärille. Tässä tapauksessa vieläkin suurempien päästökulmien käyttäminen on välttämätöntä. Vastapäästöllä tarkoitetaan päästöä väärään suuntaan eli suuntaan joka estää ruiskuvaletun kappaleen ulostyöntämistä muotista. Vastapäästö voi olla myös reikä tai syvennys, joka on ainakin osittain yhdensuuntainen muotin jakotason kanssa. Vastapäästöjen käyttöä tulisi harkita tarkkaan ruiskuvalettavissa kappaleissa, sillä niiden käyttäminen on melko vaikeaa. Kappaleet, jotka on valmistettu muovimateriaalista, jonka joustavuus helpottaa suuresti kappaleen ulostyöntöä, ovat vastapäästöjen käytön suhteen poikkeuksia. Vastapäästöjen käyttö nostaa muotin hintaa n. 15 30 %. Vastapäästöjä suunniteltaessa on olemassa muutama perussääntö. Vastapäästön ulkoneva syvyys tulisi olla 2/3 kappaleen seinämän paksuudesta tai vähemmän. Muotin reuna, joka on kappaleessa kiinni, kun kappale työnnetään ulos muotista, on pyöristettävä. Se vähentää leikkausta. Kappaletta ulostyönnettäessä on sen oltava riittävän kuuma, jotta sillä on riittävä venyvyys sekä sen on palauduttava sen alkuperäiseen muotoon sen muotista poistamisen jälkeen. Periaatteessa on mahdotonta vetää ulos kappaleita, joissa on käytetty vastapäästöjä, muottionkalosta muotin auetessa. Tällöin on käytettävä sivuittaissuuntaisia liikkeitä tai jaetturakenteisia pesiä. Kappaleen poistaminen keernan päältä on mahdollista muutaman asteen sisäisellä vastapäästöllä. Tässä vaiheessa muottipesä on sulkeutunut ja kappale voi vääristyä ulospäin sisäisen vastapäästön liukuessa keernan päälle. Sopivan vastapäästön suuruus on riippuvainen mm. vastapäästön muodosta, muovimateriaalin ominaisuuksista ulostyöntölämpötilassa sekä vaadittavista mittatoleransseista. Termoplastiset elastomeerit ovat materiaaliryhmä, joita voidaan ruiskuvalaa käyttäen melko suuriakin vastapäästöjä. Toisaalta jäykistä, lasimaisista polymeereistä valmistettavissa kappaleissa ei voida käyttää suuria vastapäästöjä. Joissain tapauksissa sisäisiä vastapäästöjä tehdään keernaan, jotta varmistetaan ruiskuvaletun kappaleen jääminen keernan päälle muotin avautuessa. Kappaleet, joissa käytetään sisäisiä vastapäästöjä, voidaan valmistaa mittatarkemmiksi. Vastapäästön muoto ja koko eivät rajoitu käytetyn materiaalin elastisuuteen, kun käytetään joitain erikoistoimintoja muotissa vastapäästön irrottamiseksi. Tällaisia ovat mm. kierremekanismit, irrotettavat insertit, nostimet ja luhistuvat keernat. Kappaleet eivät siis aina irtoa muotista normaalilla ulostyönnöllä. Tämän vuoksi on tarpeellista tehdä muottiin osia, jotka mahdollistavat vastapäästettyjen alueiden sivuttaisliikkumisen. Tämä vaikuttaa seuraavilla tavoilla kappaleen ulkonäköön: Muottipuoliskojen välinen raja tulee näkyväksi ruiskuvaletussa kappaleessa Kappaleeseen syntyy purseita Muotin lämmönsäätely on vaikeaa johtuen liikkuvien osien tarvitsemista erillisistä jäähdytysjärjestelmistä. Päästöt 4
Lähteet Järvelä P. et al., Ruiskuvalu, Plastdata, Tampere, 2000. Rosato et al., Injection Molding Handbook, 3 rd ed., Kluwer, 2000. Malloy, Plastic Part Design for Injection Molding, Hanser Publishers, 1994. Päästöt 5