O co chodzi z tym skurczem?

Jedną z głównych przyczyn bezsenności konstruktorów form wtryskowych jest skurcz. On to najczęściej powoduje niezgodności wymiarowe, deformacje i wypaczenia wyprasek, i późniejsze trudne rozmowy z klientami. Z kolei wśród klientów narzędziowni, późniejszych użytkowników form, zdarza się nierzadko niezrozumienie dla faktu, że coś takiego, jak skurcz, istnieje i może być przyczyną poważnych problemów w uruchomieniu produkcji. Często mamy do czynienia z sytuacją, gdy klient ma pretensje do konstruktora, że ten nie przewidział prawidłowo skurczu, bo przecież: „on tu jest fachowcem...” Skąd zatem bierze się skurcz, jak go przewidywać, jak ograniczać, czy można go kontrolować i nim sterować? I dlaczego jest to czasem tak trudne?

Czynniki wpływające na skurcz 

Jak widać jest to zjawisko zależne od wielu czynników, w  dodatku zmienia się w  czasie wraz z  nimi (rys.1) . Największy jest skurcz objętościowy, ale ponieważ jest on uzupełniany w trakcie fazy docisku, nie będziemy się tutaj na nim skupiać. Z  punktu widzenia formy, dominujące znaczenie ma skurcz liniowy (lub przetwórczy), który następuje po usunięciu wypraski z  gniazda. Wyróżniamy dwa jego rodzaje: po pierwsze pierwotny – przyjmuje się, że zachodzi w trakcie pierwszych 24 h po wtrysku; a po drugie wtórny – może trwać nawet do kilku tygodni. Producenci tworzyw podają wartości skurczu pierwotnego. Skurcz wtórny przeważnie jest pomijalny, jednak w niektórych tworzywach częściowo krystalicznych może sięgnąć 0,3% i wtedy już nie może być ignorowany.

Dla zrekompensowania ubytku objętości wypraski, konieczna jest korekta wymiarów gniazd formujących. 

Zjawisko skurczu nie zachodzi w wyprasce jednakowo. Oprócz wspominanych czynników zewnętrznych, wpływ ma również geometria gniazda i  budowa formy: inaczej skurcz przebiega w miejscach o grubszych przekrojach ścianek, inaczej w miejscach o różnej odległości od przewężki, zależy od orientacji przepływu strumienia tworzywa, temperatury formy w danym miejscu itd. 

Wszystko te powoduje spadek i zróżnicowanie ciśnienia na drodze przepływu, a co za tym idzie różnorodność skurczu. Skutkiem są zmiany wymiarowe wypraski, jej deformacje i odkształcenia. Jest to zjawisko bardzo złożone i aby prawidłowo wykonać formę, konieczne jest pełne zrozumienie tego procesu.

Podstawowym atrybutem wpływającym na kurczenie się wypraski jest sam materiał, z jakiego ją wykonano. Teoretyczne, średnie wartości skurczu dla różnych rodzajów tworzyw są znane. Typowe wartości podano na rys. 3. 

Jednak może być to pułapką, ponieważ, jak wspomniano, skurcz nie jest jednorodny. Producenci najczęściej podają dwie wartości skurczu: prostopadły i równoległy do kierunku płynięcia. 

Należy pamiętać, że są to tylko wskazówki, bowiem wartości te wyznaczono na znormalizowanych próbkach, w określonych, standardowych warunkach. Wygląd takiej próbki pokazano na rys. 5. 

W rzeczywistej wyprasce warunki płynięcia, wypełniania i stygnięcia są znacznie bardziej skomplikowane niż w takiej próbce. Ponadto wartość skurczu podawana jest w pewnych, często szerokich, przedziałach. Bywa przez to, że to producenci tworzyw są czasem oskarżani o  to, że wypraska nie spełniła założeń, pomimo kierowania się ich wytycznymi. 

Dostawcy materiałów nie mogą być jednak posądzani o wprowadzanie w błąd za niewłaściwe określenie współczynnika skurczu. Istnieje zbyt wiele zmiennych, nad którymi nie mają kontroli. Oprócz wspomnianych już grubości ścianek, długości przepływu i orientacji strumienia, są jeszcze: wielkości kanałów doprowadzających i przewężki oraz parametry procesu: temperatura uplastyczniania, temperatura formy, czas wtrysku, czas i ciśnienie docisku, czas chłodzenia i przeciwciśnienie. Wszystko to wpływa na to końcową wartość skurczu. Na rys. 6 zaprezentowany został przykład wypraski, w której zmianie uległ tylko jeden parametr – czas chłodzenia. Rezultatem była zmiana długości całkowitej wypraski o 4 mm.

 Istnieje duża różnica skurczu między tworzywami amorficznymi a częściowo krystalicznymi. Te drugie, ze względu na fakt, że tworzą częściowo strukturę uporządkowaną, kurczą się znacznie bardziej. Kolejny ważny czynnik wpływający na skurcz to grubość ścianek formowanego elementu. Ogólnie wraz z jej wzrostem skurcz rośnie.

Temperatura formy również ma duży wpływ na wymiary wypraski. Współczynnik skurczu zmienia się w zależności od temperatury powierzchni gniazda. Generalnie skurcz jest duży, gdy temperatura jest wysoka. 

Ciśnienie i  czas docisku to kolejne paramenty, za pomocą których można sterować skurczem. Wysokie ciśnienie i długi czas wpływają na zredukowanie skurczu. 

Kształt przewężki jest także istotny. Ogólnie rzecz biorąc, istnieje tendencja do zmniejszania się skurczu w miarę zwiększania się pola przekroju poprzecznego przewężki. Również w przypadku przewężki krawędziowej, skurcz jest mniejszy niż w przypadku przewężki tunelowej czy punktowej.

Jaką wartość skurczu należy podać? 

Przy wypraskach prostych, gdzie nie ma wymiarów krytycznych, przyjęcie skurczu średniego zwykle wystarcza. Jednak wtedy, gdy mamy do czynienia z  wypraskami technicznymi, o wysokich wymaganiach wymiarowych, wskazane jest bardziej kompleksowe podejście. 

W praktyce najczęściej narzędziownie żądają od wtryskowni podania wartości skurczu. Ma to pewne uzasadnienie, ponieważ wtryskownie zwykle mają kontakt ze znacznie większą ilością form niż narzędziownie, przede wszystkim od strony technologicznej. Często mogą się wzorować na istniejących, podobnych wyrobach. Narzędziownia nie ma poza tym kontroli nad parametrami procesu. 

Z kolei wtryskownie, mając kontakt z konstruktorem wyrobu mogą, już na etapie powstawania projektu, zadbać o to, aby wyrób był technologiczny. Nieocenione usługi oddaje tu symulacja wtrysku, która w ostatnich latach poczyniła duże postępy i umożliwia przewidzenie z dużą dokładnością procesów zachodzących podczas wtrysku, łącznie ze skurczem i deformacjami. 

Jak wspominano wcześniej, ilość zmiennych jest tak duża, że zrzucanie całej odpowiedzialności na jedną czy druga stronę, jakkolwiek wygodne, jest ślepą uliczką i prędzej czy później się zemści. W końcu celem jest bezproblemowe uruchomienie produkcji, a nie spychanie problemu na innych. Dlatego najbardziej pożądaną sytuacją jest ścisła współpraca narzędziowni i  wtryskowni. Wszelkie wątpliwości, ewentualne problemy należy szczerze przedyskutować na początku, gdyż zmiany i modyfikacje w gotowym narzędziu to scenariusz, w którym nikt nie wygrywa.

Podsumowanie 

Temat skurczu jest zbyt rozległy, aby należycie go opisać w ramach pojedynczego artykułu. Liczę jednak, że udało mi się zasygnalizować złożoność tego zjawiska i zachęcić konstruktorów, i technologów do dalszego jego zgłębiania.

Rysunki >>

Ireneusz Bukszyński