Materialele Termoplastice

Materialele termoplastice

Generalitati

Masele plastice sunt produse sintetice de natura organica sau anorganica sau mixtă, care se pot prelucra ușor în diferite forme, la cald sau la rece, cu sau fără presiune.

Primele materiale plastice au fost produse din transformarea materialelor naturale. În anul 1859 au apărut fibrele vulcanizate, în 1869 a aparut celuloidul și în 1897 galitul. Primul material sintetic apărut (1908) a fost rășina fenolformaldehidică numita bachelita. Exista numeroase procedee de fabricare a materialelor plastice. O galeată, o sticlă, o cască de motociclist, o planșă de windsurfing sunt toate fabricate din diferite tipuri de plastic. Pentru fiecare obiect, trebuie ales materialul plastic care are calitățile cele mai potrivite: suplețe, rigidate, rezistență la șoc, elasticitate, transparență, greutate mică. In general, produsul de la care se porneste in fabricarea materialelor plastice este naftul, un produs obtinut in rafinariile de petrol. Naftul este un amestec de diferite molecule de hidrocarburi. Acest amestec este adus la temperaturi inalte in prezenta vaporilor de apa, ceea ce provoaca ruperea moleculelor de hidrocarbura si obtinerea de molecule mai mici, molecule de etilena. Etilena este molecula pe care se bazeaza intreaga industrie a maselor plastice

Exista doua mari familii de materiale plastice: materiale termoplastice si cele termorigide. Prima categorie cuprinde plastice care se topesc daca sunt incalzite, unele chiar de la 70°C, altele inspre 120°C. Atunci cand sunt fierbinti si lichide, aceste materiale pot fi turnate in forme sau extrudate, adica trase in fire sau foi. Racindu-se, materialele termoplastice se solidifica si isi pastreaza noua forma. Aceste materiale plastice sunt folosite in special pentru fabricarea obiectelor in serie, cum ar fi sticle, galeti,etc. În schimb cele termorigide se întăresc la căldură. Astfel, ele sunt mulate la rece pe formele dorite apoi sunt încălzite pentru a se întări. Sau pot fi lăsate să se întărească după ce li se adaugă un produs special. Plasticele termorigide se folosesc la fabricarea obiectelor prelucrate manual sau a celor care necesită o fabricație îngrijită. Așa se fabrică ambarcațiunile, piesele de caroserie, barele de protecție etc. În industrie se utilizează două procedee de tragere în formă a obiectelor din plastic.

Suflarea este folosită pentru fabricarea obiectelor care au interiorul gol, cum sunt mingile, flacoanele, sticlele, popicele. Materia plastică încălzită coboară în formă, în care se injectează apoi aer. Aceasta are ca efect întinderea materialului cald pe pereții interiori ai formei.

Metoda cea mai utilizată este însă injectarea. Este folosită mai ales pentru fabricarea obiectelor cum sunt pieptenii, periuțele de dinți, ustensilele de bucătărie. Materia plastică intră sub forma de granule într-o mașină de injectare. Prin încălzire, ea este transformată într-o pastă mai mult sau mai putin groasă, care este apoi injectata în formă și racită printrun circuit de apa. Masele plastice sunt folosite, cu mici excepții, în toate domeniile de activitate. Această performanță de pătrundere în mai toate sectoarele de activitate se datorează proprietăților lor de neegalat vis-a-vis de celelalte materiale: sunt anticorosive, electroizolante, au greutăți specifice mici, au proprietăți mecanice bune, cost scăzut, aspect exterior plăcut, se pot prelucra atât pe cale mecanică tradițională cât și prin procedee specifice cum ar fi injecția lor, se pot acoperi cu vopsea sau prin galvanizări, permițând în felul acesta să capete aspectul dorit de către proiectant. Există însă și unele proprietăți care fac dezavantajoasă utilizarea maselor plastice, cum ar fi micșorarea rezistenței mecanice cu creșterea temperaturii, coeficientul de dilatare mare, coeficientul de transmiterea căldurii mic, etc.

Clasificare

Materialele plastice utilizate în tehnică se împart în două grupe:

Termoplaste, care prin încălziri repetate trec în stare plastică (polistiren, polimetacrilat,

celuloid, poliamidă, policlorura de vinil). Piesele din aceste materiale se obțin prin presare și turnare, având o mare productivitate.

Termoreactive, care prin încălziri repetate nu mai trec în stare plastică (polistireni nesaturați,rasini, fenolfolmaldehidice, etc.) piesele în acest caz se prelucrează prin presare.

Avantaje

Aceste piese executate din mase plastice prezintă următoarele avantaje:

Nu necesită prelucrări ulterioare și pot avea o formă suficient de complicată.

Permit executarea de găuri și adâncituri în orice secțiune, precum și presarea de filete.

Pot fi metalizate (numai ABS-ul natur), metalizarea fiind o acoperire galvanică și poate fi efectuată în diferite variante de culori, în variantă mată sau lucioasă.

Aspectul piesei este plăcut, designerul reușind să-și impună cu ușurință punctul de vedere, întrucât se poate realiza orice cerință estetică: joc de umbră și lumină prin alternări de suprafețe mate și suprafețe lucioase, suprafețe în relief sau în adâncime, suprafețe striate sau cu rizuri, etc.

Piesele rezultate se pot obține într-o mare varietate de culori, ce pot fi: obișnuite și metalizate. Aceste culori fie că se realizează conform mostrarului de culori transmis de către fabricantul de masă plastică, fie că este creat un mostrar nou de către designer împreună cu tehnologul de masă plastică.

Piesele din mase plastice se pot vopsi (de regulă se preferă ca vopsirea să aibă loc în aceeași culoare ca masa plastică, astfel încât dacă piesa este zgâriată, sau prin frecare se îndepărtează stratul de vopsea, să nu fie vizibil acest defect de discontinuitate a stratului de vopsea).

Se pot efectua injecții de două sau trei mase plastice de diferite culori, în vederea obținerii de diverse efecte estetice sau având ca scop obținerea de piese cu rezistență la uzură mai mare (vezi cazul tastaturii de calculator), sau cu alte scopuri.

Un mare avantaj al maselor plastice constă în faptul că acestea pot fi înfoliate. Această operație constă în acoperirea la cald, prin presare, a suprafețelor în relief (în jurul acestor suprafețe nu trebuie să existe alte porțiuni de suprafețe care să fie la aceeași cotă sau la o cotă peste nivelul celei ce urmează a fi înfoliate, deoarece fie se obține înfolierea unor zone ce nu au fost indicate de către designer, fie se deformează zonele ce depășesc cota respectivă, fie înfolierea nu va fi de calitate). Aceste folii pot fi mate sau lucioase, pot fi albe, negre, imitație furnir, argintii, aurii, sau în diferite alte culori.

Inscripționarea pieselor din mase plastice se poate efectua fie direct din sculă, fie aplicându-se ornamente din metal (aluminiu, oțel laminat, etc.) sau din masă plastică. Inscripționarea din sculă se realizează fie prin efecte speciale (joc de umbră și lumină care se realizează prin porțiuni alternante de suprafețe mate și lucioase, sau prin alternări de suprafețe striate cu porțiuni mate, sau cașerate, etc.) Un alt procedeu de inscripționare este cel rezultat din sculă (deci direct din injecție), aceasta nemaifiind la același nivel, ci în relief sau în adâncime. Inscripționarea este rodul activității creatoare a designerului, el fiind cel care va hotărî caracterul, modul de inscripționare sau dacă aceasta urmează a fi înnobilată prin înfoliere sau nu.

Un alt procedeu de inscripționare a maselor plastice este acela prin serigrafie, după desenul ciocan executat de către designer, cu ajutorul sitelor serigrafice și în varianta de culori serigrafice indicată de designer.

Piesele din mase plastice se pot asambla mecanic cu ajutorul șuruburilor și piulițelor, cu ajutorul șuruburilor autofiletante ( se pot executa în masa plastică bosaje, ce sunt niște găuri normalizate în funcție de dimensiunea șurubului ), cu clicuri elastice, popici elastici, prin presare, prin bercluire, profile conjugate, prin lipire cu ajutorul adezivilor, etc.

Se pot utiliza și în cazul creării de produse din materiale mixte, permițând asamblarea cu: lemnul,sticla,cauciucul,metalul,etc.

Se pot utiliza în situații în care se dorește reducerea frecării, ele comportându-se bine chiar și în absența lubrifiantului. Astfel există situații în care se execută piese ce urmează a efectua mișcări de rotații sau de translații ( roți dințate, lagăre, etc.), fie ca elemente cinematice de interior fie ca elemente de antrenare, de comandă (manete, butoane, volane, pedale).

Acolo unde din motive de rezistență sau în vederea realizării unor contacte electrice se impune utilizarea de piese metalice, se pot executa piese mixte, prin injecție de masă plastică pe reperul din metal.

Defecte posibile

În urma procesului de injecție pot apărea o serie de defecte care se datorează fie unor greșeli de proiectare, fie nerespectării parametrilor regimului de injecție (presiune, temperatură). Aceste defecte pot fi: supturi, retasuri, flori de gheață, injecții incomplete, deformări, etc. Defectele care apar pot fi corectate fie printr-un regim de injecție corect stabilit și aplicat, fie cu ajutorul proiectantului, prin stabilirea unei forme care să prevină apariția defectelor. Dacă aceste defecte nu mai pot fi prevenite, se poate interveni asupra respectivelor repere cu ajutorul designerului. Astfel acesta poate interveni cu finisaje suplimentare în funcție de defect (aceste măsuri se pot lua încă din faza de proiectare, având o experiență a comportării materialului): ornamente, vopsiri, inscripționări, cașerări, etc. În funcție de forma și gabaritul reperului, designerul împreună cu tehnologul vor hotărî asupra caracteristicilor sculei de injecție: locul și modul de injecție (centrală sau punctiformă), poziția planului de separare, dacă sunt necesare bacuri și pozițiile acestora, etc

1.4 Domenii de utilizare

Masele plastice se pot utiliza cu succes: în industria grea, industria constructoare de mașini, aeronautică, industria alimentară (ambalaje, vafe, cutii, etc.),industria ușoară (bunuri de larg consum, jucării, etc.), industria farmaceutică (seringi de unică folosință, capsule și ambalaje, etc.) .

2 Proprietatile materialelor plastice

Caracteristicile materialelor plastice sunt descrise cu ajutorul unor marimi masurabile (proprieteti) din urmatoarele motive:

Cunoasterea comportamentului fundamental al materialelor plastic ;

Necesitatea evaluarii aptitudini unui material da a satisface cerinte legate de o anumita functionalitate;

Necesitatea evaluarii capacitate materialelor de a putea fi transformat intr-un obiectiv cu anumite forme si dimensiuni;

Necesitatea controlului calitatii materialelor si a produselor obtinute din acestea .

Evaluarea capacitatii unui material de a satisface cerintele legate de o anumita functionalitate are in vedere faptul ca proprietatile masurate caracterizeaza performantele in utilizarea al unui material sau obiect.Astfel ,rezistenta la rupere,rezistenta la deformare,durata de viata,prevazute in conditii de temperature si ambient chimic bine determinate sunt utilizate termice ,au un rol determinant in utilizarea unui anumit material intro aplicatie.

Evaluarea aptitudini unui material de a putea fi transformat in obiecte de anumite forme si dimensiuni consta in precizarea proprietatilor care evalueaza comportamentul reologic al materialului in conditii date de fabricatie(temperature,presiuni,viteze).Astfel,in cazul materialelor termoplastice domeniul de temperature disponibil pentru fabricatie se situeaza intre temperature de topire sic ea la care degradarea termica depaseste limitele acceptabile.

Alegerea materialelor pentru fabricarea reperelor are in vedere atat proprietatile lor cat si metodele de masurare a acestor proprietati.Fiecare proprietate este semnificativa si pertinent in raport cu metoda prin care ea se defineste.Avand in vedere ca influeta unor parametric de structura mediu si transformare este relevant pentru proprietatile masurate,metodele de evaluare au fost normalizate,dar,producatori pot dezvolta norme interne sau norme impuse de client(ASTM-AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALES a emis peste 4000 de norme).

2.1 Proprietati fizice

2.1.1 Fractia de goluri

Un ansamblu de particule in stare granular sau pulverulenta cuprinde particulele propriu zise si golurile dintre el.Proprietatile fizice ale ansamblului depend de volumul golurilor.Fractia de goluri depinde de forma particulelor,de spectrul granulometric,de dimensiunile spatiului de lucru ,de presiunea la care este supus ansamblul de particule.

Fractia de goluri nu este o constanta absoluta,chiar pentru acelasi ansamble de particule .ea modificandu-se in functie de asezarea reciproca a pariculelor.Doua dintre aranjamentele posibile reprezinta cele doua limite ale proprietati unui strat de granule asezate ordonat sau intamplator.

-aranjamentul cel mai afanat este cel in care centrele sferelor sunt ajezate in nodurile unei retele cubice,fiecare sefera este in contact cu sase sfere vecine.Fractia de goluri se obtine scazand volumul sferei din volumul cubului circumscris si impartind diferenta la volumul cubului.

-aranjamentul cel mai compact este format din straturi de sfere cu centrele asezate in varfurile unei piramide echilaterale. Fractia de goluri se calculeaza scazand din volumul unui cub cu latura egala cu unitatea ,volumul sferelor din cub.

In practica forma,dimensiunile si volumul granulelor nu sunt constant,ele variaza aleator. Distributia dimensiunilor granulelor influenteaza parametrii regimului termo-mecanic la prelucrarea prin injectare putand determina variatii de presiune si debit.In canalele cu sectiunea dreptunghiulara,densitatea in vrac a granulelor depinde atat de asezarea lor in canal cat si de dimensiunile canalului.

2.1.2 Transmiterea presiunii

In medii discontinue ,granulare sau pulverulente presiunea se transmite altfel decat in fluide. Mediile de granulare sunt anizotrope,presiunea netrasmitandu-se cu aceeasi valoare in toate directiile in jurul unui punct. Daca presiunea exterioara actioneaza pe directia x cu valoare px ,atunci in acelasi punct dar pe directia perpendicular la px se transmite presiunea.

2.1.3 Coeficientul de frecare externa

Frecarea intre granulele sau pulberea de material plastic si suprafetele metalice are importanta in practica,deoarece valoare coeficientului de frecare influenteaza debitul masini de injectare si determina valoarea energiei dissipate prin frecare externa.Valoarea coeficientului de frecare depinde de :viteza,viteza relative,presiune,temperatura,rugozitatea suprafetelor in contact,prezenta sau absenta lubrifiantului pe suprafete de contact. Coeficientul de frecare externa atat pentru pulberi cat si pentru granule se micsoreaza cu presiunea si este practice independent de viteza relativa in raport cu suprafata metalica. Coeficientul de frecare creste cu cresterea adancimi asperitatilor suprafetei metalice si cu numarul microcanalelor de pe suprafata granulelor. Temperatura are efect diferit asupra coeficientului de frecare externa care este dependent de natura materialului. Frecarea externa a materialelor plastice determina acumularea de sarcina electrostatic. De acest fenomen trebuie sa se tina seama la transportul prin conducte al granulelor sau pulberilor de material plastic.

2.1.4 Comportarea reologica

Este important ca materialele pulverulente sau granularea care alimenteaza masinile de injectat sa aiba proprietati de scurgere corespunzatoare, mai ales in cazul alimentari automate a masinilor. Din punct de vedere practice intereseaza curgerea prin palniile de alimentare.

Caracaterizarea capacitatii de curgere a unor medii necoezive se face cu ajutorul duratei de curgere dintr-un buncar cu diametrul D.

Procesul de prelucrare in masina de injectat depinde si de procesul termo-mecanic din zona din care materialul este discontinuu (necoeziv si apoi coeziv).

2.1.5 Modificarea volumului

Modificarile de volum sau de densitate la schimbarile de temperature sunt dependente de marimea fortelor intermoleculare si de stabilitatea retelei cristaline.

La suflarea corpurilor cave sau la extrudarea tevilor cu pereti grosi stratul cu topitura in contact cu scule de calibrare sau cu cabitati interioare ale matritei este intens racit numai pe o singura parte. Partea interioara fiind in contact cu aerul incalzit se raceste mult mai tarziu decat partea exterioara.

Cu cat stratul este mai gros cu atat este mai mare intarzierea racirii. La o asemenea racire unilaterala nu pot aparea goluri.

Piesele si profilele cu pereti subtiri nu dezvolta in general tensiuni interne atat de mari incat sa conduca la aparitia fisurilor chiar atunci cand in fabricatie sunt conditii de racire nefavorabila. In asemenea cazuri tensiunile sunt eliminate usor prin absortie de umiditate sau incalzire.

Piesele cu pereti grosi se detensioneaza numai partial prin incalzire si conditionare. De acea in acest caz procesul de fabricatie trebuie astfel realizat incat, pe cat posibil, sa fie evitata aparitia tensiunilor interne mari.

Un principiu de eliminare a tensiunilor interne consta in incalzirea din nou a piesei sau a profilului imediat dupa intarirea miezului, astfel incat diferenta de temperatura intre suprafata si miez sa se diminueze.

2.1.6 Debitul curgerii din buncare

Deoarece din punct de vedere practice intereseaza curgerea din buncare, au fost determinate teoretic si verificate experimental relatii pentru stabilirea profilului vitezelor la curgerea granulelor precum si pentru determinarea debitului curgerii particulelor prin orificii circulare sau dreptunghiulare.

2.1.7 Durata curgerii din buncare

Caractizarea capacitatii de curgere a unor medii necoezive sa poate face cu ajutorul duratei curgerii acestora dintr-un buncar in functie de diametrul orificiului D0.

Timpul de curgere reprezinta durata in care cantitatea de material granular sau purvelurent curge dintr-un buncar de dimensiuni date. Timpul de curgere creste cu micsorarea sub anumita limita a diametrului dp.

Timpul de curgere din buncare cu pereti neincalziti al materialelor plastice incalzite la temperatur sub temperatura de inmuiere nu difera in comparatie nu difera in comparatie cu valorile timpului de curgere ale materialelor neincalzite.

2.2 Proprietati optice

Proprietatile optice caracterizeaza modul de comportare al materialelor plastic la interactiunea cu radiatile electromagnetice; dintre aceste radiatii o importanta deosebita in folosirea polimerilor o au radiatile din spectrul vizibil. Radiatile care cad asupra unui polimer pot fi un principiu partial reflectate, partial absorbite si partial transmise.

2.3 Proprietati mecanice

Pentru a caracteriza din punct de vedere al rezisentei mecanice un material plastic trebuie sa se tina seama de efectul concentratiei diferitelor material din compozitia sa, de efectul unor factori de mediu (umiditatea, temperatura, presiunea atmosferica, raze ultraviolet), precum si de efectul treceri timpului asupra valorilor caracteristicilor mecanice.

2.3.1 Proprietati mecanice instantanee

2.3.1.1 Rezistenta la tractiune si comportamentul materialelor plastice la tractiune

Incercarea de tractiune la viteza de deformare constanta este probabil metoda cea mai utilizata pentru a caracteriza materialele.

Polimerul orientat poseda un modul de elasticitate si o rezistenta superioara in raport cu polimerii neorientati. Pe ultima parte a palierului cand gatuirea s-a propagat practice pe toata lungimea epruvetei tensiunea creste rapid pana la ruperea acesteia.

In cazul polimerilor amorfi care au o stare vitruoasa la temperaturi joase plasticitatea este dificil de declansat intrucat ruperea se produce practice inaintea atingeri depline a pragului de curgere. Cand apropiem materialul de temperatura de vitrifiere se poate produce deformarea plastica.

Marimea domeniului de temperatura in care un polimer amorf este in acelasi timp vitruos si ductil variaza mult de la un polimer la altul.

Viteza de deformare afecteaza de asemenea comportamentul materialului plastic dar mai putin evident ca temperatura: cresterea vitezei produce cresterea valori pragului de curgere. Dintre factori care pot afecta comportamentul mecanic al polimerilor amorfi mai pot fi amintiti urmatorii:

Aditivi intaritorii

Plastifiantii

Dispersia unui polimer plastifiat intr-un polimer vitruos

Reticularea

Influenta conditiilor de fabricare a pieselor din materiale plastic (conditii de matritare, viteze de racire) au efect masurabil, dar mult mai putin evident asupra gradului de cristalimitate.

2.3.1.2 Rezilienta si comportamentul materialelor plastice la soc

Incercarea la soc este o metoda simpla de incercare. Desi serveste la clasificarea materialelor plastice, utilitatea incercari la soc este totusi limitata prin faptul ca rezultatul este suma mai multor contributii.

Energia necesara pentru amorsarea fisurarii

Energia de propagare a fisurii

Energia elastic acumulata de epruveta care contribuie la proiectarea acestuia

Cuantificarea contributiilor nu este foarte bine realizata si din acest motiv rezultatele numerice ale incercarii la soc nu sunt direct utilizabile in proiectare. Rezilienta este una din proprietatile cele mai importante ale materialelor. Impactul accidental poate determina succesul sau esecul utilizarii unui anumit material la fabricarea unei piese pentru o aplicatie data. Parametri care influenteaza cel mai mult asupra comportamentului la soc a materialelor sunt urmatorii:

Dimensiunea crestaturii

Temperatura

Orientarea

Efectul crescaturii se manifesta asupra rezultatelor la incercarea materialelor plastice la soc efectuate pe epruvete crestate.

2.3.2 Proprietati si comportament pe termen lung

In cele ce urmeaza se vor lua in considerare proprietatile si comportamentul materialelor plastice la solicitarile mecanice prelungite (pe termen lung). Problema degradarii si imbatranirii (fizice, termice si climatice) nu se va lua in considerare.

2.3.2.1 Fluoajul si comportamentul materialelor plastice la fluaj

Incercarea de fluaj consta in impunerea unei tensiuni constant (in general o forta constanta) unei epruvete normalizate si urmarirea evolutiei deformatiei in timp (pana la un an si chiar peste). Incercarea de fluaj se realizeaza cel mai frecvent dezvoltand solicitarea constanta la tractiune dar poate fi in egala masura folosita compresiunea, incovoierea sau torsiunea.

Fluajul secundar este o deformatie permanenta de tip vascuos care este ilustrata in modele de comportare vascoelastica printr-un singur resort.

Fluajul tertiar este acompaniat de obicei de formarea de microfisuri si crapaturi ce se pot observa fie la microscop, fie cu ochiul liber. Prezenta acestor microfisuri indica faptul ca ruperea epruvetei este eminenta. Timpul necesar pentru a provoca ruperea in functie de solicitarea aplicata este o caracteristica folosita in conceptia pieselor supuse la tensiuni pentru perioade de timp prelungite.

Metoda cea mai folosita pentru prezentarea relatiilor intre tensiuni, timp si deformatie intr-un test de fluaj este cea a curbelor izocrome si izometrice.

Fluajul este strans legat de energia termica a materialului astfel incat efectul temperaturii se materializeaza prin scaderea modulului de fluaj la cresterea temperaturii.

2.3.2.2 Oboseala si comportamentul materialelor plastice la oboseala

La o incercare la oboseala epruveta este supuse unei solicitari ciclice si se stabileste durata de viata pentru fiecare conditie a incercarii (temperature mediului ambiant, frecventa si forma solicitarii alternante, geometria epruvetei). Epruveta poate fi solicitata la tractiune, incovoiere sau torsiune.

Caracterul vascoelastic al polimerilor conduce la pierderi de lucru mecanic in interiorul materialului la fiecare ciclu al incercari la oboseala. Aceasta pierdere de lucru mecanic este transformata in caldura si contribuie la incalzirea materialului.

Princiupiul injectarii materialelor plastice

Injectarea, impreuna cu extruderea si caladarea,constituie principalele tehnici de formare a materialelor plastice. Procesul de formare prin injectare consta in adunarea unui compound macromolecular in stare plastic si introducerea acestuia sub presiune intr-o matrita de formare. La o anumita temperatura, materialul plastic se intareste, pastrand forma matritei;aceasta se deschide pentru evacuarea piesei formate si se inchide apoi din nou, putandu-se relua ciclul de formare. Se obtin produse finite sau semifabricate, cu dimenisiuni fixe, imprimate in cavitatea matritei.

La baza formarii stau fie procese pur fizice, fie procese chimice, fie combinatii ale acestora. Astfel, prin injectarea se prelucreaza in primul rand materialele termoplastice si , intr-o mai mica masura, materialele termoreactive.

Importanta formarii prin injectare consta in posibilitatea obtinerii unor obiective cu forme complicate si de marimi diferite. Se fabrica astfel bunuri de larg consum, articole tehnice, jucarii, ambalaje etc. Greutatea produselor variaza de la cateva grame pana la circa 20kg. Durata unui ciclu de injectare este de 1-2 min , la fiecare ciclu purtanduse obtine unul sau mai multe produse

Procesul de injectare al materialelor plastic

Formarea prin injectare poate servi la prelucrarea aproape a tuturor compusilor macromoleculari. In mod curent se prelucreaza: polietilena, polipropilena, polistirenul, policlorura de vinil, poliamidele, polimetacrilatul de metil, policarbonatii, ABS, derivati de celuloza, elastomeric etc.

La prelucrarea prin injectare, pe de o parte, trebuie sa se satisfaca exigentele privind calitatea pieselor, iar pe de alta parte, se impune scurtarea cicilului, spre a reduce costul fabricatiei.Realizarea acestora deziderate devine posibila prin constructia unor masini cu o functionare extrem de rapida. De prima importanta este capacitatea de planificare a materialului in cilindri si capacitatea de racire a topiturii in matrita.

Prelucrarea prin injectare este un process cyclic, in timpul caruia are loc succesiunea urmatoarelor faze :

Dozarea materialului plastic in functie de greutatea piesei injectate;

Incalzirea si topirea materialului plastic in cilindul agregatului de plastifiere;

Inchiderea matritei

Introducerea materialului plastic sub presiune in cavitatea matritei ;

Solidificarea si racirea topiturii;

Deschiderea matritei;

Eliminarea produsului injectat

Materialul sub forma unei topituri vascoase si relative omogene,se injecteaza prin capul de injectare ,duza si reteaua de injectare a matritei,in cavitatea acesteia.In contact cu peretii reci ai matritei,topitura se solidifica brusc ,luand forma peretilor interior ai cavitati matritei. Dupa racirea piesei,matrita se deschide si piesa este eliminate cu ajutorul sistemului de aruncare. In timpul procesului se dezvolta o serie de forte care exercita presiuni importante asupra materialului. Dintre acestea cinci sunt hotaratoare,determinand nivelul calitatii produslui finit si anuma:

-presiunea exteriaoara reprezentand presiunea exercitata asupra materialului termoplastificat,in cilindrul de injectare al masini

-presiunea interioara ,respective presiunea din cavitatea matritei inchise(presiunea interioara este mai mica decat cea exterioara datorita pierderilor de presiune care apar la trecerea materialului prin sectiuni inguste cum sunt:duza,reteaua de injectare,pereti interior din cuibul matritei etc.)

-presiunea ulterioara respective presiunea exercitata de pistonul de injectare asupra materialului injectat in cavitatea matritei(aceasta presiune compenseaza contractia rezultata in urma raciri materialului)

-presiunea de sigilare definite ca presiune exercitata asupra aterialului din cavitatea matritei in domeniul solidificari culeii(acestei presiuni ii corespunde punctual de sigilare)

-presiunea interioara remanenta,respective presiunea care actioneaza asupra piesei injectate in momentul inceperii deschiderii matritei(dupa sigilare,materialul se contracta datorita raciri si in consecinta presiunea scade fara insa a atinge valoarea 0)

În figura 1.1 sunt reprezentate schematic fazele de comprimare a materialului (a), de injectare (b) și de eliminare a produsului după răcire (c). Se observă că granulele de material plastic din pâlnia de alimentare (7) a mașinii de injectat, datorită deplasării pistonului de alimentare (6), cad în cilindrul (5), plasându-se în fața pistonului (8) aflat în poziție retrasă. Când acesta este deplasat cu ajutorul sistemului de acționare a mașinii, materialul este comprimat în zona frontală a cilindrului (5) și obligat să vină în contact cu întreaga suprafață interioară a cilindrului, încălzită de rezistențele electrice (9), fapt care determină trecerea sa în fază vâsco-plastică a acestuia.

a.

b.

c.

Fig. 1.1. Principalele faze ale procesului de injectare a materialelor plastice:

a – comprimarea materialului; b – injectarea; c – eliminarea produsului injectat

La procesul de termoplastifiere contribuie, într-o măsură importantă, torpila (4) amplasată concentric cu cilindrul de injectare, care omogenizează temperatura materialului în curs de topire și micșorează secțiunea de trecere a materialului, mărind frecările interne ale fluidului vâscos. În felul acesta se accelerează procesul de atingere a temperaturii de curgere, respectiv a temperaturii la care poate avea loc injectarea materialului în matriță. Materialul, sub forma unei topituri vâscoase și relativ omogene, se injectează prin capul de injectare (3), duza (2) și rețeaua de injectare a matriței (1), în cavitatea acesteia. În contact cu pereții reci ai matritei,topitura se solidifica brusc luand forma peretilor interior a cavitati matritei. Dupa racirea piesei matrita se deschide si piesa este eliminate cu ajutorul sistemului de aruncare.

În timpul procesului se dezvoltă o serie de forțe care exercită presiuni importante asupra materialului. Dintre acestea, cinci sunt hotărâtoare, determinând nivelul calității produsului finit și anume:

– presiunea exterioară, reprezentând presiunea exercitată asupra materialului termo- plastifiat, în cilindrul de injectare al mașinii;

– presiunea interioară, respectiv presiunea din cavitatea matriței închise (presiunea interioară este mai mică decât cea exterioară datorită pierderilor de presiune care apar la trecerea materialului prin secțiuni înguste cum sunt: duza, rețeaua de injectare, pereții interiori din cuibul matriței etc.);

– presiunea ulterioară, respectiv presiunea exercitată de pistonul de injectare asupra materialului injectat în cavitatea matriței (această presiune compensează contracția rezultată în urma răcirii materialului);

– presiunea de sigilare definită ca presiunea exercitată asupra materialului din cavitatea matriței, în momentul solidificării culeii (acestei presiuni îi corespunde punctul de sigilare);

– presiunea interioară remanentă, respectiv presiunea care acționează asupra piesei injectate în momentul începerii deschiderii matriței (după sigilare, materialul se contractă datorită răcirii și în consecință presiunea scade fără însă a atinge valoarea zero).

Ciclul de injectare cuprinde urmatoarele etape:

– începerea injectării prin înaintarea pistonului și compactizarea materialului, cavitatea matriței fiind încă neumplută;

– creșterea presiunii și umplerea cavității matriței;

– creșterea în continuare a presiunii până la atingerea valorii maxime a acesteia;

– exercitarea presiunii ulterioare care face ca materialul plastifiat din cavitatea matriței să rămână sub presiune continuă în timpul procesului de solidificare;

– începerea solidificării materialului și scăderea presiunii o dată cu sigilarea canalelor de umplere a matriței;

– răcirea piesei injectate;

– deschiderea matriței și eliminarea din matriță a piesei injectate.

În diagrama din figura 1.2 se observă că presiunea interioară la început crește brusc, apoi, după încetarea presiunii ulterioare, respectiv după sigilare, scade treptat la valoarea presiunii remanente [48], [98].

În general, diferența de presiune între presiunea exterioară de injectare și presiunea interioară din cavitatea matriței depinde de proprietățile materialului termoplastic și de temperatura de injectare, precum și de dimensiunile duzei de injectare, canalelor de injectare, culeii, adică de parametrii rețelei de injectare.

Pentru un anumit material termoplastic, raportul între valoarea presiunii exterioare (de injectare) și a presiunii interioare este influențat în mare măsură de temperatură. Astfel, la temperaturi mai ridicate, viscozitatea topiturii este mai mică, căderea de presiune va fi mai mică și în consecință presiunea interioară crește. Cu alte cuvinte, o dată cu creșterea temperaturii de injectare scade presiunea de injectare necesară asigurării aceleiași presiuni interioare.

Presiunea interioară dă naștere la o forță care tinde să deschidă matrița în timpul injectării. Din acest motiv, forța de închidere a mașinii trebuie să fie mai mare decât forța interioară, definită prin produsul dintre presiunea interioară și suprafața cavității matriței în planul de separație. Cu cât viscozitatea topiturii este mai mică, cu atât diferența între forța de închidere și forța interioară trebuie să fie mai mare. În cazul injectării cu duză punctiformă, proces care prezintă avantajul de a nu imprima pe suprafața produsului urme inestetice ale zonei de injectare, raportul între presiunea exterioară și cea interioară joacă un rol foarte important. Astfel, în cazul acestui procedeu, secțiunea mică prin care materialul termoplastic pătrunde în cavitatea matriței, provoacă o supraîncălzire a acestuia și respectiv o scădere a presiunii interioare. În acest caz, matrița se sigilează mai repede decât în cazul sistemelor de injectare cu duză normală. Presiunea interioară mai mică nu poate compensa contracția piesei provocată de răcirea acesteia, având în vedere și încălzirea la o temperatură mai mare a materialului datorită trecerii prin secțiunea redusă a duzei punctiforme. Drept consecință, la injectarea punctiformă, contracția piesei injectate este foarte mare, fenomen de care trebuie să se țină seama la proiectarea zonei active a matrițelor pentru a nu se obține deformări nedorite ale produsului finit, mai ales în cazul în care acesta prezintă secțiuni variabile sau pereți groși.

Datorită contracției în timpul răcirii, pe suprafața pieselor injectate apar adesea retasuri nedorite. Pentru compensarea acestora, prin acțiunea presiunii ulterioare, matrița se mai alimentează cu material plastifiat. Este important ca până la terminarea sigilării matriței, pe durata asigurării presiunii ulterioare, presiunea exterioară de injectare să aibă valoare maximă.

Tot datorită acestui fenomen nedorit, la injectarea pieselor cu pereți groși, trebuie să se aplice în general o temperatură de injectare mai mică și o presiune de injectare mai mare concomitent cu mărimea duratei presiunii ulterioare.

În cazul injectării pieselor cu pereți subțiri, trebuie să se micșoreze atât presiunea de injectare cât și durata de exercitare a presiunii ulterioare, deoarece în acest caz piesa se răcește mai repede, de regulă mai înainte ca presiunea interioară să scadă la valoarea ei minimă. La deschiderea matriței, din această cauză apar tensiuni interne în piesele injectate. La rândul lor, tensiunile interne pot provoca fisurarea pieselor (în cazul materialelor termoplastice mai rigide ca de exemplu a poliesterului) sau deformarea lor (în cazul materialelor mai flexibile cum ar fi polietilena).

Dozarea

Dozarea trebuie să asigure cantitatea corespunzătoare de material plastic pentru umplerea cavității matriței.

Dozarea cât mai exactă este impusă și de restricția ca materialul plastic să fie cât mai puțin solicitat termic, din motive de degradare, ceea ce înseamnă că în volumul cilindrului de plastifiere nu trebuie să rămână material între două cicluri de injectare (la mașinile cu piston).

Concordanța dintre volumul piesei injectate și volumul de material plastic injectat în matriță este un alt argument în favoarea dozării cât mai exacte a materialului.

Plastifierea

În interiorul cilindrului mașinii de injectare materialul plastic este adus din stare solidă în stare de topitură cu aport exterior de caldură și prin transformarea energiei mecanice a pistonului sau a melcului în energie termică (prin fricțiunea materialului plastic).

Temperatura materialului plastic în cilindrul mașinii depinde de natura materialului plastic și de tipul mașinii. În ceea ce privește natura materialului, principalul criteriu de clasificare este comportarea termomecanică a materialului plastic sau deformarea acestuia sub sarcină constantă, în funcție de temperatură.

Pentru un material plastic liniar amorf, în diagrama variației deformație-temperatură

din figura 1.4, a, se disting trei zone (stări fizice) ale materialului plastic:

– starea sticloasă, caracterizată prin deformații elastice foarte mici care cresc liniar o dată cu temperatura; această stare se menține până la punctul de vitrifiere Tv. Stării sticloase îi

este proprie o mișcare de vibrație a atomilor ce formează catena polimerică, în jurul poziției lor de echilibru.

– starea înalt-elastică (intervalul Tv – Tc), care are ca specific creșterea rapidă a deformației la începutul intervalului, după care deformația ramâne constantă, independent de ridicarea temperaturii. Deformațiile dispar la îndepărtarea forței exterioare. În starea înalt elastică apar mișcări vibratorii ale segmentelor de catenă (vibrații torsionale), ceea ce are ca finalitate flexibilitatea catenelor polimerice. Deformațiile înalt-elastice au caracter de deformații întârziate, care descresc lent în timp după ce a încetat solicitarea exterioară;

– starea plastică începe de la punctul corespunzător temperaturii de curgere Tc, iar în cazul materialelor plastice cristaline, de la temperatura de topire. Starea plastică se caracterizează prin deformații permanente ale materialelor plastice; în această stare macromoleculele sunt mobilizate în întregime. Starea plastică poate fi vâscoelastică sau vâscoplastică.

Tranziția de la o stare fizică la alta nu se face la valori finite de temperatură, ci pe un domeniu a cărui valoare medie se numește temperatură de tranziție. Astfel, temperatura de trecere de la starea sticloasă la cea înalt-elastică (și invers) este temperatura de tranziție sticloasă (sau vitroasă) Tv, iar temperatura de tranziție de la starea înalt-elastică la starea vâscoplastică și invers este temperatura de curgere Tc. Substanțele amorfe micromoleculare și

cele macromoleculare cu masă moleculară joasă trec direct din starea sticloasă în stare lichidă,

cele macromoleculare trec însă mai întâi prin starea înalt-elastică și numai după aceea în stare vâscoelastică.

Starea sticloasă reprezintă forma obișnuită a materialelor plastice în stare solidă, ea

fiind determinată de dezordinea catenelor polimerice lungi care reduc capacitatea de trecere a materialelor plastice în stare cristalină, chiar dacă cristalizarea este posibilă termodinamic.

Există pentru fiecare material plastic un interval restrâns de temperatură în care cele mai multe proprietăți fizice suferă variații importante; aceste variații corespund trecerii de la starea sticloasă la starea înalt-elastică, temperatura de tranziție sticloasă fiind unul dintre parametrii cei mai importanți ai unui material plastic amorf. Privită din punct de vedere termodinamic, temperatura de tranziție sticloasă prezintă caracteristicile tranzițiilor de fază de ordinul doi, adică energia internă și volumul specific variază continuu (nu se absoarbe și nu se degajă energie), însă capacitatea calorică, compresibilitatea, coeficientul de degradare termică și modulul de elasticitate variază brusc la punctul de tranziție.

Tranziția sticloasă poate fi explicată prin teoria volumului liber de material plastic, prin teoria echilibrului sau prin teoria de relaxare a golurilor.

Temperatura de tranziție sticloasă determină limita inferioară a folosirii unui elastomer și limita superioară de utilizare a unui material plastic. Valoarea Tv este determinată

de structura materialului plastic și crește odată cu masa moleculară.

În figura 1.4, termenul Tb are semnificația de temperatură de fragilizare și reprezintă temperatura minimă până la care materialul nu este casant. Practic Tb este temperatura la care o epruvetă din material plastic supusă unei solicitări instantanee de o anumită intensitate se

rupe. Valoarea temperaturii de fragilizare depinde de orientarea macromoleculei (Tb este mai mic la un grad de orientare mai mare al materialului plastic) și de condițiile de determinare a

valorii Tb.

Temperatura de curgere reprezintă punctul la care energia cinetică a

macromoleculelor învinge forțele de coeziune moleculară, ceea ce permite mișcarea lor relativă de alunecare. Temperatura Tc nu reprezintă o valoare fixă, ci un interval caracteristic

fiecarui tip de material plastic și se situează la interfața stării înalt-elastice și a stării

vâscoplastice; variația în funcție de temperatură a componentei reversibile a deformației este dată de curba (2) din figura 1.4. Valoarea Tc crește cu gradul de polimerizare, iar pentru materialele plastice care prezintă o dispersie a masei moleculare, Tc se transformă într-un

interval.

Temperatura de topire este caracteristică materialelor plastice cristaline și reprezintă trecerea de la starea cristalină solidă la starea lichidă. Materialele plastice amorfe nu au temperatură de topire bine definită, spre deosebire de cele cristaline; materialele plastice semi- cristaline se caracterizează atât prin temperatură de topire, cât și prin cea de vitrifiere. În cazul

materialelor plastice cristaline, la Tc au loc transformări de fază cu variația bruscă a unor proprietăți termodinamice ca: volumul specific și căldura specifică.

Modificarea volumului specific odată cu temperatura se explică prin dispariția rețelei

cristaline și creșterea distanțelor intermoleculare.

D E F G H

MP

C

P

B

A

Timpul de incalzire

Fig. 1.5. Diagrama stabilității termice aPVC

A – domeniul stării sticloase; B – domeniul stării înalt-elastice; C – domeniul stării de topitură (curgere vâscoasă); D – domeniul optim pentru prelucrare; E, F, G, H – domenii de degradare termică a materialului plastic; MP – domeniul de prelucrare prin injectare cu mașini cu

melc- piston; P – domeniul de prelucrare prin injectare cu mașini cu piston

Plastifierea materialului plastic în mașina de injectare se realizează prin transmiterea căldurii de la pereții cilindrului. Diferența de temperatură dintre cilindru și materialul plastic trebuie să aibă valori mari, justificate de conductibilitatea termică scăzută a materialelor plastice. Topirea este favorizată și de grosimea cât mai mică a stratului de material plastic din cilindrul de injectare.

Regimul de temperaturi în lungul cilindrului de plastifiere, depinde de natura materialelor plastice. Pentru materialele plastice cristaline, căldura specifică variază în funcție de temperatură, ca în figura 1.6; saltul brusc observat la Tt corespunde transformării fazei

solide în fază lichidă, iar această căldură latentă (care la PA 6.6 reprezintă 16% din totalul

căldurii necesare procesului de injectare [98]) nu mai poate fi asigurată numai prin transfer în cilindrul mașinii, ci și cu ajutorul melcului, prin transformarea energiei mecanice în energie termică.

Tt Temperatura, [oC]

Fig. 1.6. Temperatura și căldura specifică a materialelor plastice semicristaline.

La materialele plastice amorfe necesarul de căldură variază mai lent, ceea ce înseamnă că același agregat de plastifiere poate plastifia mai mult material plastic amorf decât material plastic cristalin.

Valorile de temperatură recomandate pentru injectarea unor materiale plastice (vezi Capitolul 2) reprezintă temperatura măsurată în jetul de topitură la ieșirea din duză. Dinamica temperaturii de-a lungul cilindrului include topirea materialului plastic și încălzirea în continuare a acestuia (valoarea Ts), pe seama fricțiunii mecanice a topiturii în ajutaj.

1.2.3. Închiderea matriței

Forța de închidere a matriței trebuie să fie mai mare decât forța de distanțare creată de presiunea topiturii de material plastic din matriță. Relația dintre cele două forțe este

Fînchidere = (1,2 ÷ 1,3) ⋅ Fdistanțare [daN] (1.1)

Forța de distanțare se calculează cu relația:

Fdistanțare = K ⋅ P ⋅A [daN] (1.2)

Unde:

K-este coefficient ce variaza ca valoare in intervalul(0,3-0,5),pentru materialele termoplastice injectate cu agregat de plastifiere cu piston si intre (0,5-0,7),pentru cele injectate cu agregate cu melc-piston.

P – presiunea de injectare a topiturii, în [daN/cm2];

A – aria proiecției piesei pe planul de separație al matriței, în [cm2].

Ca ordin de mărime, presiunea de injectare a topiturii variază între (1÷2)·103 daN/cm2,

valoarea scăzând pe măsură ce jetul de topitură se îndepărtează de punctul de intrare în

matriță. Evoluția presiunii este exponențială cu distanța de măsurare, după relația

Px = P ⋅ e-kx [daN/cm] (1.3)

In care:

Px este presiunea topiturii la distanța x față de orificiul de intrare;

P – presiunea de injectare la cota x = 0 ;

K are valori diferite funcție de temperatură, de exemplu:

k1= 0,035 pentru T=280°C;

k2 = 0,06 pentru T=200°C.

Calcularea corectă a forței de închidere face să nu apară bavuri, pierderi de agent de

expandare și defecte ale suprafeței pieselor injectate (când forța de închidere nu compensează forța de injectare) sau să se consume energie în mod inutil, în cazul supradimensionării forței de închidere. Informativ se indică o forță de închidere de 700 daN pentru fiecare (cm2) de suprafață proiectată pe planul de separare pentru o piesă injectată din PA 6.6.

Introducerea materialului plastic sub presiune în matriță

Sub acțiunea presiunii pistonului sau a melcului piston, materialul plastic topit trece din cilindrul de încălzire, prin duză și canale, în cavitatea matriței. Presiunea topiturii scade pe

circuit de la (1÷2)·103 daN/cm2, până la o presiune apropiată de cea atmosferică (în momentul

deschiderii matriței). Scăderea finală a presiunii se datorează rezistenței hidraulice a traseului

și întăririi materialului plastic. Presiunea maximă în matriță apare la sfârșitul cursei pistonului și depinde de presiunea realizată de acesta, de temperatura materialului și de configurația geometrică a traseului. Alți factori suplimentari sunt: viscozitatea topiturii, rugozitatea suprafețelor prin care circulă materialele plastice, geometria canalelor de curgere.

e

Pr

To Tr i Temperatura

Fig. 1.7. Diagrama ciclului de injectare în coordonate presiune – temperatură

Analitic, dinamica presiunilor se prezintă ca în figura 1.7, în care spațiul marcat de curbele LM și Lm reprezintă timpul maxim și minim de umplere a matriței, stabilit în funcție

de calitatea piesei injectate și de performanțele mașinilor de injectare. Temperatura este

jalonată de linia de sigilare Ls, ce corespunde momentului în care circulația topiturii de material plastic prin canalul de umplere se întrerupe din cauza întăririi materialului,la temperatura matriței T0. Evoluția presiunii este ascendentă în faza de umplere a matriței (zona i – j), rămâne apoi constantă (j – k) în faza de compresie, când cavitatea matriței s-a umplut cu material plastic (care începe apoi să se răcească); presiunea se menține constantă prin introducere continuă de material plastic proaspăt topit. Materialul plastic nou introdus este egal volumetric cu contracția topiturii din cavitatea matriței. Se impune ca punctul j, de

începere a fazei de compresie, să fie situat pe linia Lm. Acesta corespunde punctului de sigilare, când injectarea materialului plastic se întrerupe. Răcirea după sigilare sau faza de

răcire sigilată corespunde zonei (e – m). În final presiunea din matrița închisă are valoarea Pr (presiune remanentă care are pe diagramă un corespondent în temperatura materialului – Tr ) [48], [74], [98]. Dacă se reprezintă presiunea în matriță ca variație în timp, pot fi evidențiate fazele proceselor fizice ce au loc în matriță.

Presiune Matrita inchisa

piston

inainte inapoi

Pm c d

Ps

e

Pr

T0 t1 t2 t3 f t4

a b ts Timp

Fig. 1.8. Diagrama ciclului de injectare în coordonate presiune – timp

Pe diagrama din figura 1.8, se disting patru zone, și anume:

– zona (a – b) (faza de umplere a matriței) în care temperatura este constantă;

– zona (b – c), pe măsură ce cavitatea se umple cu material plastic, presiunea crește, timpul t1 – t0 fiind caracteristic fazei de umplere;

– în zona (c – d) (faza de compresie), similar zonei (k – j) din figura 1.7, presiunea

rămâne constantă, materialul plastic se răcește, volumul scade și densitatea crește. Presiunea se menține constantă pe seama adaosului de material plastic topit din cilindrul sau acumulatorul mașinii, iar temperatura scade în intervalul (t2 – t1), când se elimină o mare

cantitate de căldură.

După cum se observă din diagrama Cp – T (fig. 1.9), întreaga cantitate de căldură preluată de materialul plastic în timpul procesului de plastifiere corespunde suprafeței hașurate.

Căldura ce se pierde în matriță (preluată în timpul procesului de formare) reprezintă

suprafața delimitată de conturul punctele (Tf – Tt – b – c – d).

În faza de compresie, corespunzătoare intervalului (t2 – t1) din figura 1.8, se preia de către agentul de răcire căldura din zona (Tf – Tt) și (c – d). Punctul Tt din diagrama Cp – T (fig.

1.9) corespunde punctului t3 din diagrama 1.8. Tt este punctul de sigilare, iar palierul (c – d), reprezintă faza de sigilare. În acest moment presiunea scade accentuat, deoarece se întrerupe introducerea materialului plastic în matriță; din punct de vedere termodinamic sistemul se situează la echilibru între fazele lichidă și solidă.

c d Necesarul de caldura

Caldura specifica

Caldura care trebuie evacuta din matrita

a b

To Tc Tt Tf T

Temperatura

Fig. 1.9. Căldura evacuată din matriță:

Tc – temperatura de cristalizare; Tt – temperatura de topire;

T0, Tf – temperatura inițială și finală a materialului plastic.

Pentru situația în care se consideră debitul volumetric de topitură constant iar presiunea variabilă în timp, geometria curgerii este reprezentată în figura 1.13, matrița este

sub formă de disc, cu H << R 1 .

Fig. 1.13. Geometria curgerii topiturii într-un cuib cilin

Solidificarea și răcirea topiturii

În faza următoare de răcire sigilată (în intervalul t3 – t4, vezi fig. 1.8) se elimină căldura simbolizată prin suprafața (T – Tt – b – c) din figura 1.9, căldura corespunzatoare solidificării materialului plastic. Are loc creșterea densității și atingerea unei temperaturi care să permită scoaterea obiectului din matriță fără să fie deteriorat (deci să aibă stabilitate dimensională). Presiunea finală în matriță (punctul f – corespunzator presiunii Pr) denumită și presiune reziduală, trebuie să fie puțin mai mare decât presiunea atmosferică, pentru a exista garanția că obiectul injectat va reproduce dimensiunile cavității matriței.

Revenind la figura 2.9, căldura depozitată în zona (Tc – T0 – a – b) rămâne să fie preluată în interiorul matriței după ejectarea piesei, deoarece răcirea în continuare în matriță nu mai este economică. Răcirea în această etapă se face cu aer sau apă.

Tr corespunde temperaturii de cristalizare pentru materialele plastice cristaline și este unul din parametrii ce caracterizează procesul de injectare. Între acești parametri se include și

punctul Ps , important pentru calitatea produsului finit. La materialele plastice cu viscozitate foarte mică, presiunea de sigilare are valori mici, ceea ce ar duce la scăderea presiunii în matriță și o calitate slabă a pieselor injectate. De aceea, pe canalul de alimentare al matriței se amplasează un ventil de reținere, astfel încât curgerea topiturii are un singur sens, spre matriță și, în acest caz (fig. 1.8), punctul de sigilare e va coincide cu punctul d, faza răcirii sigilate fiind în acest caz dreapta (d – f).

Se consideră reprezentativ pentru această fază conducția căldurii la suprafața rece, până la completa solidificare a fazei lichide și răcirea acesteia în continuare până la o temperatură finală acceptabilă. Variația presiunii corespunzătoare fazei de răcire în funcție de timp este reprezentată în figura 1.18. Se constată variația aproximativ liniară a presiunii în raport cu timpul [114], [129].

2,0

1,8

1,6

1,4

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0 1 2 3 4 5 6 7

Timp [s]

Fig. 1.18. Variația presiunii în timpul fazei de răcire

Capacitatea de injectare a unui material plastic

Injectabilitatea exprimă capacitatea unui material plastic de a fi prelucrat la anumiți parametri prin injectare. Parametrii specifici trebuie înțeleși sub forma unor criterii de acceptabilitate stabilite în funcție de tipul de material și de mașină.

Criteriile de acceptabilitate ar putea fi:

– rigiditatea;

– capacitatea de demulare;

– calitatea suprafeței piesei;

– compatibilitatea cu geometria cavității matriței;

– inducerea de tensiuni mecanice minime în materialul plastic solidificat.

În cadrul parametrilor de proces, durata ciclului de injectare stabilește atât productivitatea operației de injectare cât și corelarea unor caracteristici de temperatură și presiune din sistem, cu geometria canalelor de curgere a materialelor plastice

Masini de injectat mase plastice

La prelucrarea prin injectare trebuie sa se indeplineasca exigente privind calitatea pieselor precum si preocuparea de reducere a costurilor de fabricatie. Realizarea acestor deziderate este in mod hotarator influentata de masina de injectat.

Pentru prelucrarea materialelor termoplastice au fost realizate o mare varietate

de tipuri constructive de masini de injectat.

Imbunatatirile aduse permanent masinilor de injectat vizeaza cresterea preciziei, cresterea fiabilitatii, economicitatea constructiva si posibilitati sporite de automatizare.

Masinile de injectare cuprind sistemul de alimentare cu material, sistemul de plastifiere si sistemul de injectare ( fig.1.6)

Fig. 1.6 Partile principale ale unei masini de injectie cu un singur melc:

1- batiu; 2- unitate de inchidere; 3- unitate de injectare;

4- tablou de comenzi electice; 5- bloc hidraulic de comanda

Unitatea de injectare cuprinde sistemul de alimentare cu material, sistemul de plastifiere si sistemul de injectare.

Unitatea de inchidere realizeaza miscarile de deschidere si inchidere a matritei de injectat

Cele mai raspandite sunt masinile de injectat cu un singur cilindru de injectare.

Masinile de injectat se pot clasifica dupa mai multe criterii:

1. Dupa sistemul de actionare masinile pot fi:

– manuale – Acestea sunt utilizate in general in laborator

– pneumatice – Sunt masini de capacitate mica la care pistonul de injectare este actionat pneumatic.

– electromecanice – Sunt considerate depasite tehnic

– electrohidraulice – Sunt cele mai raspandite masini, la care actionarea, atat a injectarii cat si inchiderii, este hidrostatica.

2. Dupa directia de lucru, masinile de injectat se pot clasifica in:

– orizontale – Sunt masini la care axele unitatii de injectare si de inchidere sunt orizontale

– verticale – Sunt masini avand unitatea de injectare si de inchidere cu

axul vertical

– masini cu unitatea de inchidere orizontala si unitatea de injectare verticala

– masini cu unitatea de inchidere verticala si unitatea de injectare orizontala

– masini cu unitatea de inchidere orizontala si unitatea de injectare orizontala asezata in unghi de 90°

3. Dupa tipul unitatii de plastifiere- injectare, masinile pot fi:

– cu piston

– cu melc piston

– cu piston si extruder auxiliar de plastifiere.

4. Dupa numarul matritelor , masinile se clasifica in:

– masini normale cu o singura matrita

– masini cu mai multe matrite, asezate pe un carusel care le aduce pe rand in fata unitatii de injectare.

Injectarea materialelor plastice este conditionata, in afara de caracteristicile masinii de injectat si caracteristicile materialului plastic, si de caracteristicile matritei de injectat.

Matrita este subansamblu mecanic care are rolul de a imprima materialului plastic o anumita forma cu

dimensiuni bine determinate. Ele sunt constituite in principiu din 2 parti principale:

– semimatrita din partea duzei de injectare

– semimatrita din partea aruncarii (fig.1.7)

Fig. 1.7 Matrita de injectat cu doua cuiburi

1- tija de aruncare; 2- bucse de conducere; 3- surub; 4- placa de prindere; 5- placa aruncatoare;

6- placa portaruncatoare; 7- surub; 8- placa distantiera; 9- placa support; 10-, 11- placa de formare;

12- bucsa de ghidare; 13- placa de prindere; 14- coloana de ghidare; 15-,16- pastila; 17- poanson;

18- duza de injectie; 19- inel de centrare; 20- bucsa centrala; 21- stift; 22- stift tampon; 23- surub;

24- stift readucator; 25- aruncator central; 26- aruncator; 27- surub; 28- inel de cenrare

Datorita varietatii foarte mari a formelor pieselor injectate, a seriilor de fabricatie largi, a sistemelor constructive dezvoltate pentru injectare, aruncare, etc., clasificarea matritelor se face dupa mai multe criterii:

– Dupa nr. de cuiburi matritele se clasifica in:

– matrite cu un singur cuib

– matrite cu 2 cuiburi

– matrite cu mai multe cuiburi

– Dupa sistemul de injectare :

– cu injectare directa prin culee

– cu injectare punctiforma

– cu injectare cu canale de distributie

– cu injectare cu canale incalzite

– cu injectare cu canal tunel ( camera de acumulare)etc.

– Dupa modalitatea de actionare a sistemului de aruncare:

– cu aruncare mecanica

– cu aruncare pneumatica

– cu aruncare hidraulica

– Dupa modalitatea constructiva de realizare a matritei, in functie de forma

piesei:

– simple

– cu bacuri

– cu desurubare

– cu mai multe planuri de separate

Pentru realizarea unei piese injectate in conditii optime de calitate si eficienta

pe langa o masina de injectie performanta si o matrita corespunzatoare, este necesara si o alegere buna a materialului termoplastic care sa tina seama de comportarea acestuia in conditiile de prelucrare, precum si de conditiile impuse piesei injectate.

Factorii care tin de tehnologie impun materialului termoplastic mai multe conditii printre care semnalam:

– uniformitatea granulelor in vederea unei dozari uniforme in cilindrul masinii

de injectat

– continutul de apa redus in granule, prezenta apei determinand evaporari in cilindrul masinii, ceea ce produce perturbari in procesul de injectie.

– stabilitatea termica si chimica

In timpul procesului de prelucrare in cilindrul masinii si din matrita, materialul plastic este supus unor presiuni si temperaturi inalte , intr-o perioada mai lunga de timp. Materialul trebuie sa ramana stabil, sa nu se degradeze termic si sa nu se descompuna in timp. Un material plastic degradat in cilindru si injectat in matrita face sa se obtina piese injectate cu defecte si cu rezistenta mecanica slaba. Un material

plastic instabil termic se descompune in componenti volatili, de foarte multe ori agresivi chimic, atat in cilindrul masinii, cat si in matrita.

Prezenta agentilor volatili, cu miros greu si agresivitate, pot ridica probleme la deservirea masinii de injectat.

– contractii mici – pentru a realiza o precizie dimensionala si de forma a piesei injectate.

Pentru realizarea prin injectare a unei piese se alege materialul termoplastic in functie de urmatorii factori:

– durata de viata a piesei injectate

– configuratia piesei

– calitati optice si de transparenta

– solicitari termice in exploatare

– solicitari mecanice

– solicitari de natura electrica

– solicitari de natura chimica

– costul materialului.

Masini de injectat mase plastice

Masini de injectat mase plastice sunt compuse din doua unitati de baza: unitatea de injectare si unitatea de inchidere

Actionarea celor doua unitati poate fi: manuala, mecanica, hidraulica, hodromecanica, pneumatic, electrica.

Comanda manuala la masinile moderne se utilizeaza numai pentru incarcari si reglaje.In cazul comenzii semiautomate operatorul poate regal dozarea, cursa pistonului sau melcului, presiunea de injectare, temperatura de plastifiere, forta de inchidere, presiunea ulterioara, deschiderea matritei, aruncarea produsului si inchiderea matritei. Odata ce aceste operatii sunt slabilite masina functioneaza in ciclul automat in baza unui program.

Unitatea de injectare

Are rolul de a asigura transformarea granulelor de material plastic intr-un mediu continuu.preincalzit si plastificat, care sa fie injectabil intr-o matrita.

Materialul plstic sub forma de granule cade liber in canalul melcului. Cilindrul de plstifiere este incalzit cu rezistentele. Prin rotirea melcului materialul este transportat spre capatul cilindrului. Materialul stocat in fata melcului determina impingerea si retragerea axiala a melcului. In faza urmatoare unitatea de injectare,prin intermediul duzei este pusa in contact cu matrita(aceasta fiind inchisa). Melcul avanseaza cu ajutorul pistonului si injecteaza materialul topit,dispozitivul de oprire a fluxului invers inchizandu-se automat.

Duza

Duza de la extremitatea cilindrului de plastifiere este reductia ce ajuta la transportarea materialului topit din cilindrul catre matrita.

Duza se gaseste, pentru o perioada scurta de timp, in contact cu matrita rece, dupa care se retrage, pentru a evita solidificarea materialului in ajutaj, precum si formarea unui fir de material. Este foarte important sa se evite pierderile de presiune in duza,iar temperature materialului sa fie uniforma.

Exista mai multe tipuri de duze in functie de materialul de prelucrat, de forma produsului si de tipul constructive al matritei.

-Duza deschisa de tip standard se utlizeaza cel mai des in procesul de productie. Lungimea duzei se dimensioneaza la valori minime, pentru reducerea rezistentei hidraulice si a pierderilor de caldura. In cazul in care duza are lungimea mare este necesara incalzirea exterioara. Canalul interior al duzei trebuie sa se racordeze la canalul de incalzire al cilindrului, astfel incat sa nu se formeze zone de strangulare a materialului topit.

-Duza pentru antecamera se recomanda pentru realizarea produselor cu pereti si pentru injectarea punctiforma.

In cazul in care materialul injectat se raceste pe duza, se recomanda confectionarea varfului duzei din aliaj Cu-Be, care este unmaterial bun conducator de caldura.

-Duza cu inchidere comandata de matrita

Dupa indepartarea duzei dematrita, materialul topit sub presiune determina inchiderea canalului de injectare a tijei. Prin tamponarea de duza matritei a duzei aceata impreuna cu tija se deplaseaza fata de corpul duzei, se descide canalul de injectare al tijei si matrerialul plastic patrunde in matrita. Acest tip de duza permite purjarea materialului plastic din cilindrul de plastifiere.

-Duza cu inchidere cu supapa este comandata de presiunea materialului topit. Se recomanda pentru prelucrarea polimerilor cu vascozitate mica. Aceasta duza impiedica formarea unui fir si curgerea libera a materialului topit din cilindrul de injectare

– Duza cu inchidere cu actiune hidraulica

Dupa injectarea materialului duza este inchisa cu ajutorul acului cu actionare hidrauliza prin pranghie.

-Duza cu autoinchidere este comandata de matrita, prin tamponarea duzei, care deschide canalul de curgere a materialului plastifiat.

Acest tip de duza nu permite golirea libera a cilindrului de injectare. Injectarea materialului are loc numai in contact cu matrita.

Dispozitivul de oprire a fluxului invers

Acest dispozitiv indeplineste o functie extrem de importanta, deoarece prin etanseitatea sa trebuie sa opreasca fluxul invers al materialului si sa asigure presiunea ulterioara in interiorul cuibului matritei. Un efect imediat al curgerii inverse este scaderea presiunii de injectare.

O alta varianta constructive a dispozitivului de oprire a fluxului invers se foloseste o supapa de inchidere cu bila care nu permite curgerea inversa a materialului.

In cazul materialelor cu varscozitate mica dispozitivul de oprire a fluxului invers se inlocuieste cu un cap de injectare.

Melcul de plastifiere

Sarcina melcului de plastifiere este ca transporta polimerul din palnia de alimentare catre zona de injectare a masinii, sa-l compactizeze, sa-l plastifieze sis a-l pompeze catre capatul melcului.

Melcul de plastifiere este conceput cu trei zone:

Zona de alimentare de lungime La;

Zona de compresie de lunhime Lc;

Zona de pompare de lungime Lp;

De-a lungul melcului deplasarea materialului prezinta urmatoarele particularitatii:

In zona de alimentare granulele de material plastic sunt transportate de la orificiul de alimentare la zona de compresie. Materialul solid ce umple canalul melcului este compactat si deplasat in lungul acestuia;

Deplasarea in zona de compresie se desfasoara in mai multe faze. In aceasta zona are loc incalzirea si topirea transformarea energiei mecanice in energie termica. Prin transformarea materialului solid in topitura se obtin densificarea polimerului si reducerea volumului de material, deoarece aerulprovenit din granule se evacueaza prin palnia de alimentare. Pentru a usura evacuarea aerului(gazului), melcul se construieste cu o anumita geometrie proprie fiecarui tip de material. Materialului are drept caracteristica raportul de compresie. Aceasta este o masura a variatiei suprafetei sectiunii tranversale acanalului prin care curge materialul.

Raportul de compresie rc este raportul dintre densitatea aparenta a granulelor si densitatea topiturii, astfel:

rc=

Unde: 1 -este densitatea aparenta a granulelor;

2 – densitatea topiturii

Curgerea in zona de pompare (injectare) trebuie sa asigure o concordanta intre debitul si capacitatea de plastifiere a zonei de compresie cu zona de pompare.

La priectarea melcului se tine de urmatorii parametrii:

-lungimea melcului: L=(18…20)

-pasul melcului: L=(0,8…1)

-retragerea maxima a melcului: (2,5…3)

-jocul melcului fata de cilindru: j=(0,1…0,2)

Antrenarea melcului se realizeaza prin cuplarea la un motor electric cu turatie variabila sau cu redactor de viteza. De asemenea, se poate cupla la un motor hydraulic, actionat de o pompa hidraulica.

Unitatea de inchidere

Unitatea de inchidere cuprinde elementele de inchidere si deschidere ale matritei, dispozitivul de aruncare a piesei injectate si sistemul de protective.

Acestea utlizeaza in mare masura mecanisme cu parghii articulate actionate de cilindrii hidraulici.

In unele cazuri se folosesc mecanisme cu actionare manuala. Actionarea elctro-mecanica, hidraulica,pneumatic.

Tipuri constructive si caracteristicile tehnici ale masinii de injectat

Dupa directia unitatilor de inchidere si injectare (plastifiere) masinile de injectat se clasifica in:

Masini orizontale, la care unitatea de inchidere si cea de injectare sunt dispuse orizontal;

Masini verticale, la care ambele unitati sunt dispuse vertical;

Masini cu unitate de inchidere verticala si unitate de injectare orizontal

Masini cu unitate de inchidere orizontal si unitate de injectare vertical

Alegerea masinilor de injectare se face pe baza prezizarii urmatoarelor caracteristici:

Volumul maxim de injectare [cm3];

Capacitatea de plastifiere [kg/h];

Presiunea de injectare [bar];

Forta de inchidere [kN];

Distanta dintre coloane [mm];

Distant dintre platouri max/min [mm];

Cursa platoului mobil [mm];

Felul sistemului de aruncare si cursa de aruncare;

Puterea instalata [Kw];

II Matrite de injectat mase plastice

Introducere

O dată cu dezvoltarea și diversificarea continuă a producției bunurilor de consum din materiale plastice, industria producătoare de materiale plastice a fost confruntată cu probleme noi în ceea ce privește creșterea productivității muncii și ridicarea nivelului calitativ al producției. O parte importantă a acestei probleme o constituie proiectarea și construcția corectă a matrițelor de injectat, factor hotărâtor în obținerea unor piese din materiale plastice de calitate corespunzătoare.

Varietatea deosebit de mare a produselor injectate din materiale plastice a condus la elaborarea unor soluții constructive și tehnologice specifice atât în domeniul proiectării cât și în cel al execuției matrițelor de injectat. Acestea sunt, în general, scule foarte scumpe și pretențioase care necesită, pentru confecționare, oțeluri speciale, prelucrări cu mașini-unelte de precizie, ajustări foarte fine, cu consum mare de manoperă și în cele mai numeroase cazuri, forță de muncă de înaltă calificare.

Matritele sunt unelte ce contin o cavitate ce reprezinta negativul piesei ce se produce. Termenul provine din cuvantul german Matrize. Matritele pentru formarea pieselor din mase plastice se folosesc la obtinerea acestora prin mentinerea in forma dorita a topiturii pana la solidificarea acesteia. Matritele sunt componente ale unor sisteme complexe de producere a pieselor din mase plastice sau compozite avand la randul lor o structura complexa. In general matritele sunt montate pe masinile de termoformare care executa ciclurile de productie specifice. Masinile de termoformare au rolul de inchidere/deschidere matrite, aplicarea de presiune pe durata umplerii cavitatii cu materialul polimeric in stare topita; mentinerea presiunii pana la solidificarea topiturii urmata de extragerea piesei din cavitate. Inchidere si deschiderea precum si mentinerea sub presiune pe parcursul injectiei si racirii se realizeaza pin sisteme hidraulice. In functie de tipul materialului injectat poate fi necesara preincalzirea matritei iar pentru o solidificare mai rapida se efectueaza racirea acesteia. Incalzirea se poate realiza electric, cu ulei incalzit sau gaze fierbiniti iar racirea se poate efectua cu apa sau alte solutii refrigeratoare.

Clasificarea matritelor

Din punct de vedere al sistemului de injectat, matrițele se pot clasifica în următoarele categorii:

– cu injectare directă, cu culee normală (pentru matrițele de injectat cu un cuib);

– cu injectare folosind culee normală, cu canale de distribuție (pentru matrițele de injectat cu mai multe cuiburi);

– cu injectare punctiformă directă;

– cu injectare punctiformă și cu canale de distribuție încălzite (pentru matrițe de injectat cu mai multe cuiburi) ;

– cu sisteme de injectare speciale ca, de exemplu: cu injectare inelară, cu canal tunel,cu injectare peliculară, cu injectare în mai multe puncte, cu canale izolate etc.

Clasificarea matrițelor de injectat în raport cu sistemul de aruncare ține seama în general de configurația piesei, distingându-se în principal trei forme de bază:

– piese de formă geometrică simplă, fără părți umbrite (conicități inverse), ca, de exemplu:castroane,galeti,tevi etc.

-piese cu parti umbrite ca,de exemplu:suruburi,dopuri filetate,capace cu filet exterior,butoane cu forme special etc.

-piese cu parti umbrite interioare ca,de exemplu:capace cu filet interior,corpuri si carcase pentru jucarii,piese pentru articole tehnice si de uz gospodaresc.

Din punct de vedere al sistemului de aruncare adoptat,matritele pentru injectarea materialelor termoplaste se clasifica in: matrite de injectat

-cu auncare mecanica

-cu aruncare pneumatic

-cu aruncare hidraulica

-cu sisteme combinate

La randul lor matritele de injectat cu aruncare mecanica pot fi:

cu stifturi de aruncare

-cu aruncatoare tubular

-cu deschidere normal

-cu bacuri

-cu desurubare

-cu mai multe planuri de separatie

Matritele de injectat material termoplastice pot lucre pe masini orizontale (cazul cel mai frecvent),verticale sau pe masini cu unitate de injectare rabatabila la 90 grade.In principal se deosebesc doua tipuri de matrite de injectat (fig 1.1. a si b) si anume:

-matrite de injecatat cu orificiu de umplere a cavitatii perpendicular pe planul de separatie (fig. a)

-matrite de injecatat cu orificiu de umplere a cavitatii in planul de separatie (fig. b)

Fig.1.1 Tipuri de matrite de injectat

1-capul de injectare al masini;2-matrita de injectare

Forma si elementele matriței de injectat

Matrița de injecție poate fi impărțită in două semimatrițe: superioara si inferioara.

Fig. 1.2. Elementele componente ale matriței de injectat

-partea de sus (de culoare galbena) este partea superioara iar partea de jos si cea din mijloc (verde si rosu este partea inferioara a matritei.

Construcția și funcționarea matritei de injectat

În funcție de forma geometrică a piesei, de natura și caracteristicile materialului plastic,de tipul mașinii de injectat, etc. există o mare varietate constructivă de matrițe de injectat.

În fig. 1.2. este prezentată o matriță de injectat cu un singur cuib care cuprinde elemente constructive caracteristice acestui ansamblu.

Matrita are o parte fixa asezata spre agregatul de injectie si o parte mobila actionata de mecanismul de inchidere-deschidere. Cele doua semimatrite se mentin in pozitiile impuse de procesul tehnologic (fetele paralele, miscare de translatie verticala sau orizontala in functie de pozitia agregatului de injectie) prin intermediul unor piese de ghidare si deplasare. Piesele de ghidare sunt formate din coloanele de ghidaj, locasurile acestora si bucsile interschimbabile in caz de uzura. Extragerea pieselor din matrita se face manual.

Matrita descrisa mai jos in figura 1.3. si 1.4. este o matrita simpla. Cu cat forma piesei de injectat este mai complexa cu atat si constructia matritei se complica devenind mai dificil de construit si mai costisitoare.

Traseul de curgere a polimerului in corpul matritei incepe cu duza si continua prin canalul principal cu cavitatea matritei care este partea principala a traseului de curgere a polimerului.

Cavitatile sunt dimensional mai mari decat dimensiunea piesei astfel incat dupa contractia la racire, aceasta sa ajunga la dimensiunile proiectate.

Matrița de injectat se montează pe platourile de prindere ale mașinii de injectat prin

intermediul a două plăci de prindere care se fixează cu ajutorul unor bride sau șuruburi de fixare.

Fixarea matriței pe platourile mașinii de injectat mase plastice se realizează cu ajutorul degajarilor 4 si 13 practicate in semimatrita superioara, respectiv semimatrita inferioara.

Centrarea se face cu ajutorul unui inel de centrare 14 practicat in semimatrita superioara.

Fig. 1.3. Matriță din aluminiu pentru injectat materiale plastice(pagina urmatoare)

Matrita din aluminiu are urmatoarele component:

-1-semimatrita superioara;

– 2-duza;

– 3-canal conic;

– 4-degajare

-5,6-semimatrita inferioara;

– 7-garnitura de cauciuc;

– 8-circuit de racire;

– 9-canal;

-10-distribuitor;

-11-piesa injectata;

– 12-epruvete;

-13-degajare

1 2 14 3 4 5

6 7 8 9 10 11 12 13

Materialul plastic topit din duza mașinii de injectat ajunge în duza 2 a matriței de

injectat și apoi prin intermediul canalului conic 3 de injectare la cuibul matriței.

Piesa injectată 11 se formează în cuibul format de semimatrita superioara 1 și partea

superioara a semimatritei inferioare. După întărirea materialului plastic în matriță, ca urmare a

răcirii plăcilor matriței, prin intermediul circuitului de răcire 8 alimentat prin stuturile 16, prin

canalul 9 si distribuitorul 10, matrița se deschide. Piesa injectată, întărită ca urmare a

contracției pe semimatrita superioara 1, rămâne solidară cu partea mobilă a semimatriței

superioare împreună cu canalul de injectare de unde se indeparteaza manual.

Fig. 1.4. Desen de ansamblu matrita aluminiu

1-semimatrita superioara; 2-duza; 3-canal conic; 4-degajare; 5, 6-semimatrita inferioara; 7-garnitura de cauciuc; 8-circuit de racire; 9-canal; 10-distribuitor; 11-piesa injectata; 12-epruvete; 13-degajare; 14-inel de centrare; 15-surub de strangere; 16-stut-uri alimentare, evacuare lichid de racire.

Semimatrita inferioara este compusa din doua corpuri, 5 si 6, intre ele circuland un lichid

de racire sub presiune, lichid ce asigura o racire rapida si uniforma pe toata suprafata de contact a

semimatritei inferioare cu piesa injectata din plastic, rezultand o crestere a randamentului

procesului de turnare prin scurtarea timpului de racire si deasemeni cresterea calitatii produsului

injectat caracterizata de o structura uniforma rezultata in urma acestei raciri uniforme. In figura

1.5. sunt prezentate cele doua corpuri ce formeaza semimatrita inferioara. Etansarea intre cele

doua corpuri ale semimatritei inferioare se face cu ajutorul garniturii de cauciuc 7, existand un

canal de garnitura practicat in corpul inferior. Fixarea celor doua corpuri se face cu ajutorul a

patru suruburi 15.

Cuibul format intre cele doua semimatrite contine pe langa spatiul de formare a piesei

injectate si doua cavitati suplimentare 12, pentru obtinerea a doua epruvete necesare ulterior

studierii proprietatilor si caracteristicilor pieselor turnate fara ca acestea sa fie distruse. Practic

aceste epruvete contin acelasi material injectat si sunt elaborate in aceleasi conditii ca si piesa

propriu-zisa. In figura 1.6. se prezinta o imagine a acestei piese si a epruvetelor atasate.

Fig. 1.5. Semimatrita inferioara alcatuita din doua corpuri.

In subansamblul de inchidere al matritei , una din semimatrite este fixata de batiu, iar cea

de-a doua este mobila si se deplaseaza in sensul de inchidere sau deschidere al matritei. Forta de

inchidere a matritei trebuie sa fie mai mare cu 10-30% decat forta de distantiere exercitata de

presiunea topiturii din matrita. Inchiderea se face cu mecanisme actionate mecanic, hidromecanic

sau hidraulic.

Fig 1.6. Piesa injectata de care sunt atasate cele doua epruvete.

Mecanismele de inchidere actionate mecanic sunt folosite, mai ales, la masinile de

injectie de capacitate mica si medie. Mecanismele hidromecanice de actionare sunt indicate la

matritele cu cursa platanului relativ mica. Mecanismul de inchidere actionat hidraulic este

caracteristic fortelor de inchidere mari si platanelor mobile cu curse mari. In circuitul hidraulic se

gasesc doua sisteme de presiune: unul de joasa presiune, folosit la deplasarea platanelor si altul

de inalta presiune utilizat la inchiderea matritelor.

În vederea asigurării poziției corecte ale celor două jumătăți în așa fel încât, la montarea

lor pe platourile de prindere ale mașinii de injectat, duza matriței să fie perfect centrică cu duza

capului de injectare a mașinii, matrițele se prevăd cu flanșe sau inele de centrare fixate în plăcile

de prindere ale matriței de injectat.

În cazul nostru, inelul de centrare se practică numai în placa de prindere din partea duzei.

Inelul de centrare din placa de prindere a părții mobile formează un ajustaj cu joc cu platoul de

prindere al mașinii de injectat, întrucât centrarea matriței este asigurată de inelul de centrare

montat în placa de prindere din partea duzei.

Pe parcursul desfășurării ciclului de injectare conducerea matriței de injectat centrată se

asigură de către coloanele de ghidare ale mașinii pe care se deplasează, prin intermediul bucșelor

de ghidare, platoul de prindere mobil.

Centrarea și conducerea interioară a matrițelor de injectat asigură obținerea pieselor cu o

precizie corespunzătoare, realizându-se, cu ajutorul coloanelor montate în partea fixă și a

bucșelor de ghidare, fixate în partea mobilă a matriței.

În raport cu mărimea (greutatea) și forma geometrică a matrițelor de injectat, se practică

două, trei sau patru coloane, respectiv bucșe de ghidare. În toate cazurile, una dintre coloane se

execută cu un diametru diferit de al celorlalte, astfel încât cele două părți ale matriței să poată fi

montate numai într-o singură poziție evitându-se deteriorarea lor din cauza montării greșite pe

platourile de prindere ale mașinii de injectat.

Răcirea matritelor de injectat

Calitatea pieselor injectate din materiale termoplastice depinde de o serie de

parametri tehnologici, printre care temperatura matriței la injectare este unul dintre cei mai

importanți. Practica a dovedit că procesul de injectare poate să se desfășoare în condiții

optime numai atunci când temperatura matriței este staționară și controlată. Aceasta

presupune existența în matriță a unei rețele prin care să circule un mediu de încălzire-răcire

destinat reglării temperaturii matriței.

Fig. 1.8. Semimatrita superioara.

Curgerea acestor materiale depinde, în mare măsură, de temperatura matriței. În schimb, răcirea corespunzătoare a matrițelor de injectare trebuie asigurată în toate cazurile pentru obținerea unor piese injectate cu contracții minime și pentru scurtarea duratei ciclului de injectare. Răcirea pieselor injectate se realizează prin răcirea matriței de injectat cu ajutorul unui sistem de canale de răcire, folosind un lichid de răcire. Reglarea temperaturii de răcire a matriței se realizează prin modificarea corespunzătoare a debitului sau vitezei lichidului de răcire, fie manual, prin manevrarea robineților la intrarea lichidului, fie automat,cu ajutorul sistemului de reglare a debitului de lichid, cu care sunt dotate mașinile de injectat moderne. Pentru injectarea corectă a pieselor de formă geometrică diferită, din material termoplastice având căldură specifică diferită, temperatura matriței de injectat trebuie corelată cu o serie de alți factori, ca de exemplu: temperatura de injectare, presiunea de injectare, sistemul de injectare, secțiunea rețelei de injectare etc. Din cauza numărului mare de factori variabili și a complexității procesului, trebuie facute calcule exacte la dimensionarea sistemului de răcire al matriței de injectat.

Se pot stabili de asemenii principia generale de care trebuie sa se tina cont la proiectarea sistemelor de racire a matritelor:

-sectiunea canalelor de circulatie a mediului de racire trebuie sa fie proportional cu grosimea peretilor piesei injectate

-canalele de circulatie trebuie plasate cat mai aproape de piesa (de cuibul matritei)

-in cazul pieselor cu grosimea peretilor constanta,canalele de circulatie trebuie amplasate la distante egale fata de suprafata piesei injectate iar in cazul pieselor cu grosime de perete variabila distantele dintre canalele de circulatie si suprafetele respective ale piesei trebuie sa fie in raport invers cu grosimile peretilor piesei.

-distanța dintre canalele de circulație trebuie stabilită în așa fel încât să se realizeze o temperatură uniformă pe toate suprafețele active ale matriței;

-lungimea circuitului de răcire a matriței trebuie să fie cât mai mică pentru ca diferența de temperatură între ieșirea și intrarea apei de răcire să nu depășească 3 … 5°C;

-numărul schimbărilor de direcție ale circuitului de răcire trebuie să fie cât mai mic posibil pentru a asigura curgerea cât mai ușoară a lichidului de răcire;

-soluțiile constructive adoptate la proiectarea sistemelor de răcire ale matrițelor de injectare trebuie să asigure etanșarea perfectă a circuitului de răcire.

La sistemul de incalzire si de reglare a temperaturii , caldura consumata pentru topirea polimerului este preluata de agentul de racire care circula in matrita si scade temperatura topituri.

Acest principiu ajuta la intocmirea bilantului energetic si la stabilirea consumului de agenti de

incalzire si de racire.

Matrita are un regim de temperatura deosebit de important, deoarece:

-temperatura medie a matritei determina viteza de racire a topiturii;

-temperatura matritei stabileste durata ciclului de injective, o temperature mai scazuta mareste productivitatea masinii dar sub o anumita valoare,calitatea pieselor devine necorespunzatoare

-constanta parametrilor de temperatura ai matritei asigura o calitate uniforma a produselor injectate.

Prin reglajul temperaturilor matritei se intelege mentinerea temperaturii in cavitatea ei la doua paliere: unul corespunzand stadiului de injectie (temperatura mai ridicata, apropiata de cea a topiturii) si altul corespunzator stadiului de racire (temperatura scazuta pentru extragerea piesei din matrita fara deformarea acesteia). Asa cum am mai precizat, semimatrita inferiora este

alcatuita din doua corpuri, intre ele existand o retea de canale prin care circula lichidul de racire,

figura 1.9.

Fig. 1.9. Semimatrita inferioara alcatuita din doua corpuri intre care circula lichidul de racire.

Materiale utilizate pentru confectionarea matritelor de injectie a maselor plastice

Alegerea materialelor pentru confectionarea matritelor este un criteriu esential in asigurarea calitatii pieslor produse prin injectie. Este binecunoscut faptul ca matritele sunt sculesupuse intens uzurii atat prin efectul conjugat al presiunii la injectie/impachetare si a ciclurilor termice repetate, cat si al coroziunii.

Cateva din cele mai importante criterii de selectie a materialelor pentru confectionarea matritelor de injectie sunt:

– asiguarea unui grad ridicat de repetabilitate a geometriei pieselor injectate precum si incadrarea in campul de tolerante specificat;

– dimensiunea pieselor de injectat;

– posibilitatile tehnice de masinare a materialului respective efectuarea de tratamente termice/termochimice pre respectiv postmasinare;

– costurile de material si manopera.

Se vor prezenta cateva din cele mai uzuale materiale precum si cele mai importante proprietati fizico-mecanice ala acestora:

Marcile P20 / W1.2311 / W1.2312 / W1.2738 fac parte din familia de oteluri utilizate frecvent pentru constructia de matrite de injectie si au duritati tipice in intervalul 29-33 HRC distribuite in mod uniform in sectiune. Prezinta o sudabilitate foarte buna ceea ce permite reconditionarea usoara sau dupa caz repararea unui defect prin incarcare prin sudarea respectivmasinare. Se preteaza foarte bine la lustruire ceea ce permite obtinerea unei calitati foarte bune a pieselor cu suprafete de clasa A. Acestor oteluri li se poate aplica suplimentar pentru imbunatatirea duritatii suprafetei un tratament termochimic de nitrocarburare.

Din aceste materiale se pot confectiona matrite de injectie cu dimensiuni variabile pana la dimensiuni mari si foarte mari.

Compozitia chimica tipica a otelurilor utilizate in constructia matritelor este data in tabelul 1.1.

Tab. 1.1. Compozitia chimica tipica a otelurilor utilizate in constructia matritelor.

Rezistenta la rupere Rt = 965-1030 MPa

Rezistenta la Alungire Rm = 827-862 MPa

Alungirea la rupere A = 20.0%

Modulul de eleasticitate = 205GPa

Rezilienta KCU = 27.1-33.9 J

Fig 1.10. Transformarea austenitei la racire continua

Marcile de otel W1.2711 / W1.2714 au duritati de pana la 400 HB. Acestea se preteaza

foarte bine pentru confectionarea de matrite de dimensiuni mari care implica presiuni ridicate de

injectie si de impachetare a structurii polimerice. Sunt recomandate pentru serii marii de piese

injectate respectiv pentru geometrii complexe cu pereti subtiri in cavitate. Geometria cavitatii

ramane in campul de tolerante specificat pentru serii mari chiar si in cazul injectarii de materiale

compozite (polimeri armati cu fibre) gradul de abraziune este mult ridicat fata de injectia cu

topituri formate doar din materiale polimerice.

In mod normal nu sunt necesare tratamente termice pre sau post prelucrare prin aschiere a

cavitatii in materialul de baza. Data fiind compozitia si proprietatile fizico mecanice a acestor

marci de otel ele se pot utiliza si in aplicatii de matritare piese metalice. In cazul in care in timpul

exploatarii se ating temperaturi de pana la 550°C proprietatile mecanice pot fi alterate. In acest

caz se recomanda efectuarea unui tratament termic de calire urmata de o revenire dupa cum

urmeaza:

– austenitizare peste punctul critic AC3 la aproximativ 900°C cu mentinere de 1 ora/ 25

mm de sectiune;

– racire in apa, ulei sau aer in functie de grosimea si geometria matritei;

– efectuarea unei reveniri inalte in functie de duritatea dorita.

Ca materiale neferoase pentru confectionarea de matrite se utilizeaza duraluminiul:

– laminat in placi de grosimi standardizate ( 40-220mm) de calitate, calit, revenit,

imbatranit : EN AW 2017 T451; EN AW 6061 T651, EN AW 6082 T651, EN AW 7019 T66,

EN AW 7022 T651, EN AW 7075 T651, ;

– aluminiu forjat pentru matrite: – 1050A, 6061 / HE20, 6063 / HE9, 6063A, 6082 / E30,

7020 / HE17, ALUMEC 79 si 89.

– aluminiu turnat: – LM6, LM25, LM5.

Printr-o tehnologie precisa de elaborare, cu respectarea stricta a standardelor, s-au obtinut

aliaje ce satisfac cerintele utilizatorilor atat din punct de vedere calitativ cat si al carateristicilor

excelente a materialelor. Aceste caracteristici ale aliajelor de duraluminiu sunt prezentate in

graficele ce urmeaza.

In cazul nostru se foloseste aliajul CERTAL EN AW – 7022 / Al Zn5 Mg3 Cu. Aliajul de

aluminiu tip CERTAL a fost creat pentru a asigura, stabilitate în forma si forta superioara

placilor de aluminiu, de aceea este recomandat pentru masini unelte / aplicatii industriale ce

includ matrite de injectie pentru flacoane din plastic, mase plastice, talpi de încaltaminte etc, cât

si piese de rezistenta pentru masini unelte (mecanisme de ghidare, suporturi pentru scule etc.

O scadere a rezistentei mecanice se poate constata în zona sudata; nu este recomandat

pentru sudarea elementelor supuse la tensiuni mecanice foarte mari, ce necesita o rezistenta

mecanica ridicata. In tabelul 1.2. sunt date metodele de prelucrare ale acestui aliaj.

Tab. 1.2. Caracteristici tehnologice.

Compozitia chimica si caracteristicile mecanice sunt date in tabelele 1.3. si 1.4.

Tab. 1.3. Compozitia chimica a aliajului EN AW 7022.

Tab. 1.4. Caracteristicile mecanice ale aliajului EN AW 7022

Datorita caracteristicilor excelente de prelucrabilitate prin aschiere, si a caracteristicilor

mecanice, se obtine o economie la prelucrare de 40 % din acest aliaj (comparativ cu un otel de

acelasi dimensiuni).

In tabelul 1.5. sunt enumerate caracteristicile mecanice ale unor aliaje de aluminiu

obtinute prin laminare, pentru comparatie cu caracteristicile mecanice ale aliajului de aluminiu

ales.

Uzura matritelor de injectat mase plastice

Procesul de frecare dintre suprafețele de contact a pieselor metalice are ca efect pierderea

de energie (manifestată prin pierderea de căldură) și uzura fizică (manifestată prin desprinderi de

material și modificări ale stării inițiale a acestor suprafețe). Pierderile de material au consecință

în modificarea dimensiunilor și formei geometrice a suprafeței de contact. Pentru anumite

condiții de temperatură pot interveni simultan și modificări structurale ale straturilor superficiale.

Toate acestea influențează direct, sau indirect, capacitatea portantă a organelor de mașini,

precizia de lucru a mașinilor și utilajelor, cinematica funcțională, regimurile de lucru, ducând

astfel la o funcționare necorespunzătoare a mașinilor și utilajelor și în ultimă instanță la scoaterea

din uz a acestora.

Uzura suprafețelor metalice este un fenomen complex determinat de un număr mare de

factori și condiții. Intervenția concomitentă a compoziției sau naturii materialelor în contact, a

proprietăților mecanice, a calității suprafețelor, a parametrilor funcționali (sarcină, viteză,

temperatură), a calității ungerii și lubrifiantului fac ca uzura suprafețelor metalice să apară ca o

consecință a unor mecanisme diferite a căror acțiune se suprapun.

Matrita este subansamblul cel mai supus uzurii datorita vitezelor mari a curgerii topiturii

prin canalele de alimentare cuiburi, a regimurilor ciclice de incalzire-racire, a presiunilor foarte

mari (de ordinul zecilor de bari), a socurilor mecanice si termice repetate etc. In timpul

functionarii unei matrite, partile active (placile de formare, poansonul) pot fi inlocuite sau

rectificate pe masura uzurii lor si a iesirii din tolerantele dimensionale impuse.

Metalele si aliajele din care se construiesc matritele au rezistente mecanice mari iar

suprafetele de lucru sunt uzinate astfel incat sa prezinte o rezistenta maxima la corodare, erodare

obtinuta prin nitrurare, carburare, carbonitrurare, cromare dura etc.

Matritele sunt piese costisitoare ( in functie de dimensiuni si complexitate). In practica se

urmareste realizarea unui numar cat mai mare de cicluri de functionare pentru seriile mari pe

aceiasi matrita. Astfel, se creeaza conditia amortizarii investitiei in costurile de material si

fabricare ale matritei si repartizarea unei cote de amortizare cat mai mici pe piesa injectata.

In tabelul 1.6. este prezentata durata de viata a unor matrite, stabilita in functie de

greutatea pieselor injectate si de calitatea materialelor de constructie ale matritei.

Tabelul 1.6. Durabilitatea matritelor de formare prin injectie.

Prin durata de timp se intelege numarul de piese injectate intre doua rectificari succesive

ale placilor de formare. Lungirea perioade de functionare a matritei depinde si de intretinerea

acesteia in timpul functionarii precum si de evitarea aparitiei defectiunilor fatorate operarii

necorespunzatoare a masinii de injectie.

In tabelul 1.7. sunt enumerate cateva din cele mai des intalnite defectiuni mecanice in

practica.

Tabelul 1.7. Defectiuni curente ale matritelor de injectie si remedierea acestora.

Aplicatii ale matritei de injective

Constructia matritelor pentru producerea de mase plastice se realizeaza in ateliere

specializate care au in dotare o serie de echipamente de prelucrari mecanice si electrochimice

specifice. Dat fiind faptul ca materialele pentru confectionarea matritelor sunt aliaje de aluminiu

sau oteluri de scule tratate termic ce prezinta o duritate ridicata sunt necesare o serie de operatii

complexe pentru realizarea unor matrite de calitate. Unele ateliere executa si livreaza intreg

ansamblul matritei, fara insa a prelucra cavitatile.

Principalele metode de prelucare a metalelor in constructia matritelor sunt urmatoarele:

– Debitarea;

– Deformarea plastica / Stantarea;

– Electroplacarea;

– Eroziunea chimica sau fotogravura;

– Electroeroziune;

– Prelucrari mecanice;

– Lustruirea.

Matrițele utilizate pentru deformări plastice la cald sunt scule intens solicitate mecanic și

termic, având parametrii severi de exploatare ca:

– sarcini dinamice repetate, care pot produce în materialul matriței tensiunii cu valori egale până la 200 daN/mm2.

– variații alternative de temperatură la suprafața activă a matriței care poate atinge valori egale cu 0,5 … 0,6 din temperatura de matrițare.

– o intensă frecare abrazivă la cald între suprafețele matriței și semifabricat, care crește în decursul exploatării datorită măririi rugozității superficiale a matriței.

Având în vedere importanța durabilității matrițelor care influențează calitatea și costul pieselor produse se recomandă ca materialul din care se execută matrițele să asigure anumite proprietăți, printre care cele mai importante sunt :

– tenacitate ridicată la cald, deformabilitate cât mai scăzută și rezistență ridicată la uzură și oxidare pentru păstrarea stabilității dimensionale a cavităților matriței;

– rezistență crescută la oboseală și la șocuri termice, pentru evitarea fisurărilor superficiale sau chiar a ruperilor de material în timpul exploatării;

– valorile punctelor critice ale transformărilor de fază cât mai mari pentru microstructura

suprafeței matriței, în contact cu piesa caldă sau să nu fie influențată termic;

– prelucrabilitate prin așchiere și călibilitate bună iar materialul să fie cât mai ieftin, pentru

ca prețul de cost al unei matrițe să fie minim;

În realitate încă nu s-au elaborat materiale care să întrunească toate aceste calități. Firmele

producătoare au obținut materiale noi, la care predomină anumite proprietăți având performanțe

maxime în detrimentul celorlalte proprietăți.

Proiectarea matritei pentru reperul “pestisor”

Pentru aceasta piesa s-a ales o matrita clasica cu duza de injectare la rece. Piesa este un reper din plastic care este alcatuit din doua jumatati din plastic care se doresc a fi injectate simultan in scopul compactizarii matritei. Cuiburile matritei sunt dispuse radial. Ele sunt in numar de sase,printr-un cuib intelegandu-se locul din dreapta cat si jumatatea din stanga. Practice intr-un cuib se injecateaza ambele jumatati ale piesei.

Materialul din care este confectionata piesa este ABS. ca si material de executie a matritei a fost ales aluminiul. Acest material a fost ales deoarece prezinta o buna prelucrabilitate mecanica,implica uzura mica a sculelorsi exista aliaje a caror rezistenta mecanica si proprietati fizice sunt adecvate scopului propus.

Forma piesei permite constructia unei matrite de injecatat cu o singura suprafata de separate pentru evacuarea piesei.pentru aceasta fiindsuficienta miscarea de deschidere a matritei.

Complexitatea nu foarte ridicata a modelului piesei permite alegerea unei retele de alimentare radiale cu injectarea in cuib in planul de separate.

Componentele tipizate ale matritei s-au achizitionat de la un furnizor de component pentru matrite de injecatat mase plastice(in cazul de fata pentru achizitionarea componentelor necesare s-a ales firma austriaca MEUS-BURGER).Alte firme pentru achizitionarea comonentelor de matrite:HASCO,RABOURDIN).

Pentru proiectarea din cazul de fata s-a ales firma austriaca MEUS-BURGER datorita raportului calitate prêt acceptabila.

Componentele tipizate achizitionate au fost:bucsa,coloana de ghidare,duza de injectare,inel de centrare si toate tijele utilizate pentru extragerea produsului din matrita.