Ruiskuvlukppleen vlettvuus Käännökset: Snn Nykänen, Tuul Höök Tmpereen teknillinen yliopisto Seinämänpksuus Yordnk Atnsov Technicl University of Gbrovo Seinämänpksuus vikutt huomttvsti ruiskuvletun kppleen mteriliominisuuksiin sekä kppleen ominisuuksiin yleisesti. Vikutus kohdistuu esimerkiksi kppleen sisäisiin jännityksiin j mitttrkkuuteen. Pksuseinämäinen kpple pidetään muotiss pineistettun pitempään kuin ohutseinämäinen kpple, jolloin siitä tulee mteriliominisuuksiltn erilinen kuin ohutseinämäisestä kppleest. Ruiskuvlettu kpple kutistuu usein epätsisesti myös siinä tpuksess, että sen seinämänpksuus on tsinen. Kppleess ei välttämättä trvitse oll epäjtkuvuuskohti, kuten jyrkkiä mutki seinämissä. Syy on prosessin luonteess: sul ei virt tsisesti kikkille muottiin eikä kpple jäähdy tsisesti muotiss ti edes muotist poistmisen jälkeen. Jos kppleen seinämänpksuus vihtelee huomttvsti, epätsinen kutistuminen lk iheutt säröjä j muodonmuutoksi kppleeseen. Suuri seinämänpksuus joht suureen kutistumn, jok puolestn iheutt ksuonteloit j suuri muodonmuutoksi kppleess. Pksut seinämät voivt ksvtt kppleen sisäisiä jännityksiä jop niin, että kpple rikkoontuu. Smnkltinen ilmiö on hvittviss eriikisen jähmettymisen lisäksi tpuksiss, joiss polymeroituminen ei ole tphtunut kunnoll. Polymeroituminen onnistuu prhiten kohtuullisill seinämänpksuuksill. Kppleen seinämien j pohjn optimipksuuden määrittäminen on siis tärkeää. Seinämänpksuuden olless optimipksuutt suurempi, ei kppleen lujuus juurikn prne. Ylimääräinen mitt ksvtt ruiskuvlun jksonik, jolloin kppleen ohuisiin kohtiin muodostuu ylimääräisiä lämpöjännityksiä. Suuri seinämänpksuus lisää myös mterilin kulutust. Kppleen seinämien optimipksuus on riippuvinen: käytetystä muovist; kppleen koost, muodost j käyttötrkoituksest; muotoilust; lujuusvtimuksist; mterilinkulutuksest jne. Seinämänpksuus määritetään kppleen mittojen perusteell (Tulukko 1). Minimiseinämänpksuus riippuu pääsääntöisesti käytetyn muovin virtvuudest j lujuudest. Muovivlmistjilt s tieto seinämänpksuuden () j suln virtusmtkn pituuden (l) suhteest (Kuv 1 j Kuv 2). Ruiskuvlettujen kppleiden seinämänpksuus on yleensä 0,8 3 mm, isommill kppleill jop 6 mm. Modernit koneet mhdollistvt seinämänpksuudeltn luokk 0,3 0,8 mm olevien kppleiden vlmistmisen. Tällöin mterilill on oltv tsiset ominisuudet. Kppleen pohjn pksuus j piklliset pksunnokset eivät s oll yli kksinkertisi verrttun kppleen sivuseinämien pksuuteen. Tulukoss 2 on esitetty erityyppisten kppleiden oikein vlittuj seinämänpksuuksi. Yhtenäinen seinämänpksuus voidn svutt poistmll ti jkmll pksumpi kohti. Tämä on erityisen tärkeää korvttess metllikppleit muovisill. Y. Atnsov, T. Höök, S. Nykänen, G Rshev Ruiskuvlukppleen vlettvuus 1
Tulukko 1 Seinämänpksuuden riippuvuus kppleen mitoist. Suorkulmiomisen kppleen mitt, (mm) Sylinterimäisen kppleen mitt, (mm) 20 х 20 х 20 Ø20 х 20 0,5 50 х 50 х 50 Ø 50 х 50 1,0 80 х 80 х 80 Ø 80 х 80 1,5 150 х 150 х 150 Ø 150 х 150 2,0 180 х 180 х 180 Ø 180 х 180 2,5 250 х 250 х 250 Ø 250 х 250 3,0 300 х 300 х 300 Ø 300 х 300 3,5 400 х 400 х 400 Ø 400 х 400 4,0 Seinämänpksuus, (mm), mm 6 5 I 4 3 II 2 1 III 0 0 100 200 300 400 500 l, mm Kuv 1 Seinämänpksuus muovin virtvuuden mukn; I mtln virtvuuden muovit (PC, PVC), II keskivirtvuuden muovit (ABS, PMMA), III korken virtvuuden muovit (PE, PE HD, PE LD). l, mm 200 150 100 50 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5, mm Kuv 2 Minimiseinämänpksuuden() riippuvuus virtusmtkst muotiss (l). Y. Atnsov, T. Höök, S. Nykänen, G Rshev Ruiskuvlukppleen vlettvuus 2
Tulukko 2 Seinämien muotoilu. Väärin Oikein Huom. Seinämänpksuuden pikllisi pksumpi kohti on vältettävä. Reunn on oltv smn pksuinen kuin seinämän. Pksuseinämäisistä kppleist on vähennettävä mterili. Muuten kppleisiin muodostuu kutistumi j ksuonkloit sekä sykliik pitenee. 1,1 1,1 1,2 1,2 Y. Atnsov, T. Höök, S. Nykänen, G Rshev Ruiskuvlukppleen vlettvuus 3
Joidenkin muovimterilien kutistum on erisuuruinen suhteess niiden sulvirrn suuntn. Jott tältä poikittiselt kutistumlt vältyttäisiin, on suositeltv esim. levymäisten kppleiden ruiskuvluss ksvtt reunn suuntist pksuutt n. 25 %. Suuriss säiliömäisissä kppleiss vältytään muodon vääristymiltä, kun seinämien pksuutt ksvtetn 25 % reunoist kppleen keskust kohden. Pohjn pksuutt keskikohdst reunoj kohti tulee ksvtt myös luokk 25 % (Kuv 3). Myös seinämien ulospäin suuntminen on eräs vihtoehto (Kuv 3b). Pksuntminen tekee seinämistä vähemmän tipuisi j osittin tsoitt kutistum. Eräs keino välttää muodon vääristymisiä on vlit eri lämpötilt muotin keern j pesäpuolille. Kuv 4 esittää lämpötilerojen vikutuksen. b Kuv 3 Suurten, säiliömäisten kppleiden suunnittelu. t 1 t 1 t 2 t 1 >t 2 2 2 r 2 r 2 r 1 1 > 2 2 r 1 H 2 Kuv 4 Lämpötiln vikutus tuotteen muotoon j suunnitteluun: jäähtyminen j vääristyminen. b keinoj vääristymisen välttämiseksi. Ltikkomisiss kppleiss esiintyy seinämien vääristymistä pohjn nähden. Tämä voi johtu lämmön pkkutumisest nurkkiin, jolloin kutistuminen lisääntyy ti sulvirrn siirtymisestä pienempää pyöristyssädettä kohti, jolloin sisäseinistä poistuu enemmän lämpöä. Ilmiö voidn välttää korjmll pohjn j seinämien välinen pksuusero ti muuttmll käytettyjä päästökulmi. Jos seinämänpksuuden täytyy ksv, muutoksen on oltv tsinen j tphduttv steittin. Y. Atnsov, T. Höök, S. Nykänen, G Rshev Ruiskuvlukppleen vlettvuus 4
Ainepksuuserot Snn Nykänen Tmpereen teknillinen yliopisto Ruiskuvlettvss kppleess ei sisi oll suuri eroj seinämien pksuuksiss. Jos kppleess on jossin koht mterili enemmän kuin muull, syntyy pksumpiin kohtiin helposti imuj, pintvikoj j kutistumonkloit. Suuret inepksuudet vikuttvt negtiivisesti ruiskuvluprosessiin. Jyrkät seinämänpksuusvihtelut iheuttvt jännityksiä, jotk voivt joht säröjen muodostumiseen ti rikko kppleen kuormitustilnteiss. Ainepksuuserot j kppleen pksut kohdt yhdessä lisäävät vääntyilyä j sisäisiä jännityksiä sekä heikentävät kppleen mitttrkkuutt. Jos kppleen poikkileikkuksen pksuuserojen muodostumist ei void välttää, esimerkiksi lujuussyiden vuoksi, on kppleen seinämänpksuuden muutoksen tphduttv steittisesti (Kuv 5). Rkennett voidn jäykistää ripojen, kevennysten, jäähdytyksen säätämisen j pinnn kuvioimisen vull. Kevennyksillä voidn tsoitt ineenpksuuseroj esimerkiksi tekemällä kppleest ontto ti vlmistmll pohjllisi ti pohjttomi reikiä. Kuv 5 Rk inepksuuserojen suunnittelu. Sul virt tspksujen seinämien kulmiss hyvin. Pksu kulm jäähtyy viimeisenä j muodost kulmvikoj. Kulmvikoj syntyy myös seinämiin. Onkin suositeltv käyttää ripoj tukevss reunss sekä muotoill reunpinnt pyöristetyiksi. Nurkt (pyöristykset) Georgi Rshev Technicl University of Gbrovo Suunniteltess ruiskuvlettv kpplett on tärkeää muist käyttää pyöristyksiä nurkiss j reunoiss. Pyöristysten vull voidn prnt ruiskuvletun kppleen ltu. Nurkt on pyöristettävä, jott: suln virtukselle muodostuu otollisemmt olosuhteet; hydrulinen vstus lskee j muotin täyttyminen sulll helpottuu; kppleen vlmistuksess syntyvät sisäiset jännitykset pienenevät; nurkkpyöristykset vähentävät sisäisiä jännityksiä muodostvi tekijöitä; vlmiiden kppleiden käsittelyssä syntyvät jännityskonsentrtiot häviävät; kppleen mekniset ominisuudet prntuvt; syklisten kuormitusten kesto prnee; kppleen muodonmuutokset vähenevät; mitttrkkuus j ulkonäkö prntuvt; ltikkomisist kppleist tulee jäykempiä; muottipesän vlmistus helpottuu; muotin kuluminen vähenee j käyttöikä ksv Y. Atnsov, T. Höök, S. Nykänen, G Rshev Ruiskuvlukppleen vlettvuus 5
Pyöristyksiä voidn peritteess käyttää sekä sisä että ulkonurkiss, mutt kikki nurkki ei voi in pyöristää. Jkotsoll olevt nurkt täytyy jättää pyöristämättömiksi, smoin erillisistä kppleit vlmistettujen keernojen juuret, jos tällinen keern päätetään muottiin ott. Muitkin muotin suunnittelemiseen liittyviä yksityiskohti on. Joissin tpuksiss vlmiin kppleen käyttöolosuhteisiin liittyvät yksityiskohdt estävät joidenkin nurkkien pyöristämisen. Nurkn pyöristyssäteen suuruus riippuu vlmiin kppleen muodost j mitoist, käytetystä mterilist, käytetyistä täyteineist j niiden määrästä sekä pyöristyksen sijinnist. Pyöristykset voidn jk eri luokkiin niiden geometrisen sijinnin perusteell (Kuv 6). 1 3 2 Kuv 6 Tuotteess käytettäviä pyöristyksiä. 1. sisäpuolisten reunojen pyöristykset (suppenevt kulmt), 2. sisäpuolisten reunojen pyöristykset (ei suppenevt kulmt) sekä 3. kppleen ulkopuolisten sivujen j nurkkien pyöristykset. Seurvss tulukoss (Tulukko 3) on esitetty suositeltvi pyöristyssäteen rvoj eri muoveist vlmistetuille kppleille. Tulukko 3 Suositeltvi minimipyöristyssäteitä Muovilji Täyteine Sisäpuolisten nurkkien minimipyöristyssäde Kokov kulm Ei kokov kulm PVC, PP, PA, PPO, PEHD, PELD, ABS, SAN, PETP 0.6 0.4 PS, PC, PMMA 0.6 1.0 0.4 0.6 PP, PA, PC, ABS, SAN, PETP, PBTP, POM Klkki, lsikuitu 1.5 2.0 1.5 2.0 Sisä j ulkopuolisten nurkkien kulmsäteen suuruus voidn määrittää seurvn kvn vull: R r + (mm), Missä R = ulkopuolisen seinän kulmsäde, r = sisäpuolisen seinän kulmsäde = seinämän pksuus (Kuv 7) r r R Kuv 7 Kulmsäde Y. Atnsov, T. Höök, S. Nykänen, G Rshev Ruiskuvlukppleen vlettvuus 6
Kppleen syvien sisä j ulkopuolisten nurkkien pyöristykset tehdään nurkss joko vkio ti muuttuvll säteellä. Suositeltuj minimirvoj sisäpuolisten nurkkien säteille on nnettu seurvss tulukoss (Tulukko 4). Tulukko 4 Syvien kppleiden sisäpuolisten nurkkien kulmsäteiden minimirvoj. Kppleen syvyys, mm Alle 50 50 100 100 150 150 200 200 250 250 300 300 400 400 500 Sisäpuolinen säde, r, mm 1.5 2.5 4 5 6 8 12 20 Seinämän pksuutt voidn ksvtt tivutussäteen lueell, jos se on välttämätöntä. Kppleille, joiden seinämänpksuus on 2 4 mm, suositelln vähintään 1 mm kulmn vhvikkeen pksuutt. Tsomiset pinnt Snn Nykänen, Tuul Höök Tmpereen teknillinen yliopisto Ruiskuvlettvt kppleet ovt hyvin ohutseinämäisiä kokoons nähden. Ominisuus johtuu ruiskuvluprosessist. Muoveill on melko pieni kimmomoduuli verrttun esimerkiksi lumiiniseoksiin j muihin vlumetlleihin. Kimmomoduuli kuv kuink jäykkää mterili on. Näistä khdest ominisuudest johtuen ruiskuvlettu muovikpple ei ole rkenteeltn jäykkä ilmn erityisiä konstruktiivisi toimenpiteitä. Ruiskuvlukppleen pksuimmt kohdt jäähtyvät hitimmin iheutten erilisi muotovirheitä, esimerkiksi kreutumist j kieroutumist. Kppleess olevt suuret tsomiset pinnt kreutuvt jäähtymisen ikn sisäisten jännitysten vikutuksest. Suurimpi syitä kreutumiseen on, että kpple ei jäähdy kikkilt smn ikn ti smll nopeudell. Yhtä suuri vikutus on sillä, että peritteess tslämpöisenä muottipesiin ruiskutettu sul ei päädy pesien eri osiin smss lämpötilss. Jos kppleess on ljoj tsopintoj, on suositeltv suunnitell muotin jäähdytys huolellisesti siten, että suunnittelun yhteydessä tehdään jäähtymisnlyysej simuloimll. Kppleen koon ksvess ljojen pintojen tsomisuutt on vike hllit. Ruiskuvletut kppleet kutistuvt jäähtymisen ikn j muuttvt muoton, jos ne eivät ole rkenteellisesti trpeeksi jäykkiä. Useimmiten kppleet kierotutuvt j kreutuvt ensimmäisissä koejoiss. Muovikppleen rkenne tulee suunnitell jäykäksi, jott eriliset kutistumisilmiöt eivät pysty muuttmn sen muotoj. On esimerkiksi suositeltv muotoill tsomiset pinnt hiemn kreviksi, kosk kuper ti kover pint ei lommhd yhtä helposti kuin tso. Muit hyviä tpoj luod jäykkyyttä ruiskuvlettvn kppleeseen on rivoitus tsopinnn ll ti vhvistus sen reunss. Y. Atnsov, T. Höök, S. Nykänen, G Rshev Ruiskuvlukppleen vlettvuus 7
Tulukko 5 Esimerkkejä tsopintojen jäykistämisestä. Ruiskuvletuss kppleess on lj tsominen pohj. Pohj on jäykistetty rivoituksell. Sivuseinämät on muotoiltu suurisäteisillä krill. Reun on jäykistetty kuluksell. ) Ruiskuvlettu levymäinen kpple on jäykistetty reunvhvikkeell. b) c) Ruiskuvletun kppleen sivuseinät on jäykistetty muotoilemll ne suurisäteisillä ympyränkrill sen sijn, että seinämät olisivt tsoj. Yläreun on vhvistettu kpell kuluksell. Ruiskuvletun kppleen sivuseinämät on jäykistetty muotoilemll ne kreviksi. Kppleess ei ole muit jäykistäviä elementtejä. d) Sisäiset jännitykset Snn Nykänen Tmpereen teknillinen yliopisto Ruiskuvletuill muovikppleill voi esiintyä meknisi jännityksiä ilmn niitä iheuttv ulkopuolist kuormitust. Jännitykset iheutuvt kppleen epätsisest jäähtymisestä j polymeeriketjujen orienttiost. Ruiskuvletun kppleen sisällä olev jännitys on veto j reunlueill olev jännitys puristust. Jännitykset vikuttvt suuresti kppleen käytettävyyteen: sen mitttrkkuuteen sekä mekniseen j kemilliseen kestävyyteen. Kppleen kyky kestää kuormituksi vähenee sisäisten jännitysten vikutuksest, sillä ne iheuttvt kppleeseen esikuormitust. Joissin tpuksiss jännitykset voivt ksv niin suuriksi, että kpple hjo ilmn ulkoist kuormitust. Myös joillin kemikleill voi oll smnlinen vikutus ruiskuvlukppleeseen. Y. Atnsov, T. Höök, S. Nykänen, G Rshev Ruiskuvlukppleen vlettvuus 8
Sisäisiä jännityksiä syntyy, kun kppleen eri mterilikerrokset jäähtyvät eriikn. Uloimmt kerrokset jäähtyvät keskellä olevi mterilikerroksi nopemmin. Jos nämä mterilikerrokset pääsisivät liikkumn vpsti toistens suhteen, ei sisäisiä jännityksiä syntyisi. Mssn virtminen muotiss sekä käytetty jälkipine vikuttvt sisäisten jännitysten syntymiseen. Jos käytetään liin suurt jälkipinett, pienenee keskellä olevien kohtien terminen kutistuminen j kppleen ulostyönnön jälkeen sisemmät kohdt ovt vielä pineen lisen. Kpple ljenee ulostyönnön jälkeen, kunnes tspino sen poikkileikkuksess on svutettu. Muottiontelon suihkulähdemäisen virtuksen vuoksi mss virt lähellä muotin seinämää hyvin j venyy puristettess muotin seinämään kiinni. Mss myös jähmettyy nopesti. Jännityssäröily Snn Nykänen Tmpereen teknillinen yliopisto Jännityssäröily on muovikppleille hyvin omininen ilmiö. Jännityssäröilyllä trkoitetn termoplstisten mterilien säröilyä kemillisen kuormituksen j jännityksen vikutuksest. Kuormitus, jok iheutt jännityssäröilyn, voi oll esim. jäähdytyksen yhteydessä syntyneet jännitykset. Muovin rkenne vikutt sen jännityssäröilyherkkyyteen. Osittin kiteiset muovit kestävät jännityssäröilyä morfisi muovej premmin. Jännityssäröily on erittäin omininen ilmiö ruiskuvletuille muovikppleille. Kppleen hjominen tphtuu kohdist, joiss sisäiset jännitykset ovt suurimmt. Tällisi kohti muovikppleess ovt usein: syöttöpisteen ympäristö kohdt, joiss on suuri seinämänpksuusvihteluj terävät nurkt Jännityssäröilyn mhdollisuus on huomioitv vlittess kppleen vlmistusmterili. On myös huomttv, että jännityssäröily vähenee ti loppuu kokonn, jos sisäiset jännitykset ti ulkoinen jännityksen iheuttj pystytään poistmn. Jännityssäröilyä esiintyy myös hyvin mtliss lämpötiloiss. Yhtymäsumt Georgi Rshev Technicl University of Gbrovo Yhtymäsumt ovt kpeit, V kirjimen muotoisi j pljin silmin erottuvi sumkohti. Ne ovt hitt kppleen ulkonäölle, trkkuudelle j pinnn sileydelle. Yhtymäsumt lentvt kppleen lujuutt 10 20 %. Mitä suurempi osuus sumst on morfist inett, sitä enemmän lujuus heikkenee. Yhtymäsumoj syntyy, kun kksi sulrintm koht toisens muotiss. Muotin muoto ntvien osien tulee oll siten seteltu, että muottipesät täyttyvät esteettä. Muotin täyttyminen vikutt osltn kppleen lujuuteen eri suunniss, mittojen trkkuuteen, pinnn tsisuuteen, kppleen ulkonäköön sekä vluvikojen esiintymiseen. Kun sul virt sisäänvluportin kutt muottipesään, se lk muovntu pesän muotojen mukisesti j muodost pesän läpi etenevän virtusrintmn. Muotin seinämät hidstvt sulvirrn liikettä. Seinämien lämpötil on mtl verrttun muovisuln lämpötiln, jolloin sul jäähtyy j sen pintkerrosten viskositeetti ksv. Suln pintkerroksen virtusnopeus pienenee suhteess keskikerroksen nopeuteen. Tilnne vikutt sulvirrn eturintmn muotoon j virtuksen luonteeseen. Y. Atnsov, T. Höök, S. Nykänen, G Rshev Ruiskuvlukppleen vlettvuus 9
Jos sulvirrn virtusviivojen kikki etummiset pisteet yhdistetään, niistä muodostuu virtuksen eturintm. Jos sul ei koht esteitä virrtessn, syntyy muodoltn prbolinen eturintm (Kuv 8). Kuv 8 Suln eturintmn muoto (ylhäällä vsemmll), sulss olevien polymeerimolekyylien orientoituminen (ylhäällä oikell), yhtymäsumn lue (lhll). Suln mkromolekyylit joutuvt jännitystiln suln pint j keskikerroksen nopeuseroist johtuen. Jännitystil s molekyylit suuntutumn virtuksen suuntisesti (Kuv 8 ylhäällä oikell). Jos suln eturintmn kulku häiriintyy jollin tp, sen muoto muuttuu. Häiriötekijä voi oll esimerkiksi se, että virtus osuu keerntppiin, pesän keskellä olevn ulokkeeseen ti ripmuotoon. Virtus voi myös kohdt pesän muodon ljenemn ti supistumn ti sen kulku voi hidstu muottipesässä olevn ilmn iheuttmn vstpineen vuoksi. Sulvirt voi häiriön sttuess hroittu. Kun jkntunut virtus on kiertänyt esteen ti voittnut häiriötekijän se liittyy ts yhdeksi virrksi. Sulvirt menettää kuitenkin jtkuvsti lämpöä muotin seinämien kutt j sen viskositeetti ksv. Eturintmn voi muodostu osin kiteytynyttäkin inett. Kun hroittuneet sulrintmt törmäävät jäähtyneinä, syntyy yhtymäsumoj (Kuv 9 vsemmll). Toisin vsten virtvt sulrintmt muodostuvt myös siinä tpuksess, että pesä täytetään usemmst portist (Kuv 9 oikell). Kuv 9 Yhtymäsumn muodostuminen khden sulrintmn kohdtess. Vsemmll olevss kuvss sulrintm on kohdnnut esteen. Oikell olevss kuvss muottipesää täytetään khdest portist. Edellä olevss kuvss (Kuv 9) vsemmll yhtymäsum muodostuu, kun sulvirtus hlke khteen osn metllisen esteen vuoksi. Oikell on puolestn esitetty yhtymäsumn syntyminen, kun ruiskuvluss käytetään kht portti. Yhtymäsumn pituus, l, on riippuvinen sulrintmn kohtmn esteen muodost j koost, suln polymeerin ldust sekä ruiskuvlun Y. Atnsov, T. Höök, S. Nykänen, G Rshev Ruiskuvlukppleen vlettvuus 10
olosuhteist. On todettu, että jos eturintmien tngenttien välinen kulm (kulm β, Kuv 9) on suurempi kuin 120, yhtymäsum ei muodostu. Osittin kiteiset muovit muodostvt lyhyempiä yhtymäsumoj kuin morfiset muovit. Yhtymäsum lyhenee kiteisen ineen määrän ksvess. Kiteinen ine sitoo morfist inett enemmän lämpöä, jolloin suln lämpötil pysyy korken pitempään, vikk toislt sulttminen kulutt enemmän energi. Lähteet Järvelä P. et l., Ruiskuvlu, Plstdt, Tmpere, 2000. Mlloy, Plstic Prt Design for Injection Molding, Hnser Publishers, 1994. Muovimterilit j niiden tekniset sovellukset kurssin kurssimterili, Tmpereen teknillinen yliopisto, Muovi j elstomeeritekniikn lbortorio. Y. Atnsov, T. Höök, S. Nykänen, G Rshev Ruiskuvlukppleen vlettvuus 11