TIM - Matrita de injectie corp carcasa

TIM

Matrita de injectie

corp carcasa

Materialul piesei

Polipropilena

Definitii, simboluri si clasificari

Criteriile de clasificare, definitiile, simbolurile si abrevierile folosite in acest document sunt urmatoarele:

rezistenta chimica

abilitatea (capacitatea) unui material (plastic) de a rezista (modifica la un nivel minim caracteristicile initiale) dupa expunere intr-un fluid sau contact direct cu o anumita substanta (cum ar fi acizi, baze, uleiuri, grasimi etc); rezistenta chimica este apreciata prin determinarea unor caracteristici mecanice determinante pentru conditiile de utilizare: pierdere de masa, grad de umflare, caracteristici efort-deformare la tractiune etc

rezistent

PP nu este afectata sau efectul este minor si greu de cuantificat; stabila pe termen lung.

rezistenta limitata: 0

mediul poate umfla PP sau poate induce modificari chimice limitate. Utilizarea este restictionata in termeni de presiune si temperatura iar scurtarea duratei de viata in exploatare trebuie luata in considerare

nerecomandat

efectul produs este sever si utilizarea PP in contact cu acest fluid NU este recomandata

Sat.

solutie apoasa saturata, obtinuta la 20 oC

Sol

solutie apoasa la o concentratie ≥10% dar nesaturata

Sol. dil.

solutie diluata la o concentratie ≤10%

Sol. ind.

solutie apoasa la concentratie uzuala pentru utilizare industriala

Despre PP

Polipropilena este unul dintre cei mai raspanditi si versatili polimeri cunoscuti, fiind folosit atat sub forma de "plastic" cat si ca fibra.

Structural este un polimer vinilic, similar cu polietilena, in care fiecare un atom de carbon din etilena este substituit cu o grupare metil.

Sinteza

Ca si ceilalti momoneri vinilici, polipropilena nu este sintetizata printr-o polimerizare radicalica - materialul rezultat, denumit atactic, are grupele metil aranjate aleator. Lipsa oricarei ordonari moleculare scade gradul de cristalinitate conducand la un material amorf, cu

putine aplicatii practice.

PP comercial este obtinut printr-o sinteza Ziegler-Natta care permite sinteza de polimeri orientati in spatiu, si cu grad de cristalinitate controlat.

O noua generatie de catalizatori, cunoscuti sub numele de "metaloceni", ofera un control marit asupra reactiei, permitand sinteza de catalizatori isotactici, sindiotactici sau atactici sau chiar o combinatie a acestora. Dincolo de aspectul steric permit un control cantitativ mai exact al nivelului de tacticitata si o valoare marita a masei moleculare.

Descriere chimica

Caracteristici fizico-mecanice

Sorturile disponibile comercial au un nivel de cristalinitate si modul de elasticitate intre LLDPE si HDPE. PP este mai rigida decat HDPE dar si mai casanta. PP este deasemenea mai rugoasa si mai rigida

decat alte materiale plastice, rezonabila ca pret, poate fi translucida (dar nu complet transparenta) sau colorata cu usurinta si poate inlocui materiale plastice industriale (de ex. ABS) in unele aplicatii.

PP are rezistenta buna la oboseala si de aceea capacele basculante pentru ambalaje din industria alimentara sau cosmetica sunt facute din acest materiale. Filmele foarte subtiri (cu sau fara orientare - BOPP) sunt folosite ca ambalaj in folii multistrat datorita rezistentei la strapungere foarte buna. Deasemenea PP este folosit ca dielectric in electronica datorita caracteristicilor electrice bune si tensiunii mari de strapungere.

Datorita punctului de topire ridicat (160 oC), multe piese din plastic cu utilizare in laborator sau medicina pot fi facute din PP datorita rezistentei la sterilizare prin autoclavare. Ambalajele alimentare nu se topesc in masina de spalat si nici pe liniile de dozare si umplere

automata din industrie.

PP este sintetizata si sub forma de copolimer, care-i imbunatateste rigiditatea (rezistenta la soc) iar copolimerii random (PP-R) cresc transparenta.

Copolimerii au pretul mai ridicat decat homopolimerul iar copolimerii random sunt si mai scumpi.

Factori tehnico functionali

Durata de viata a produsului injectat: 5 ani;

Configuratia piesei: complexa;

Calitati optice si de transparenta: albastru opac;

Solicitari termice in exploatare: cuprinsa intre 5°C÷40°C;

Solicitari mecanice: forte de 10N;

Solicitari de natura electrica: nu exista;

Solicitari de natura chimica: nu exista;

Costul materialului: 1 Lei.

Factori tehnologoci

Uniformitatea granulelor;

Continutul de apa redus in granule;

Stabilitate termica si chimica;

Contractii mici la injectare.

Analiza tehnologicitati piesei

Forma si dimensiunile pieselor injectate se concep in corelatie cu natura materialului, caracteristicile matritei si tipul masinii de injectat.

Se recomanda ca:

- piesa injectata sa aiba o configuratie cat mai simpla;

- dimensiunile si masa piesei sa fie mentinute la minim;

- configuratia piesei sa permita extragerea acesteia din matrita;

- sa se evite muchiile ascutite.

b) Punctul de injectare determina, de asemenea, aparitia pe piesa a unei bavuri, ingusta de aceasta data. De aceea, punctul de injectare nu se plaseaza pe suprafetele functionale si nici pe cele care vin in contact vizual sau tactil cu utilizatorul.

De obicei, punctul de injectie se plaseaza pe axa de simetrie a piesei, in partea cu o cantitate de material mai mare.

Punctul de injectare trebuie pozitionat astfel incat sa permita umplerea completa a cuibului si fara a se naste turbulente in masa vascoasa.

Punctul de injectare nu trebuie sa determine curgerea materialului direct spre poansoanele subtiri, astfel riscand deformarea lor. De asemenea, punctul de injectie trebuie astfel ales incat sa nu determine schimbari bruste de directie ale materialului semilichid in cuibul de injectie. Aceasta cerinta trebuie respectata mai ales in cazul materialelor termorigide, care astfel ar ajunge sa polimerizeze prematur.

c) Grosimea peretilor este determinata de conditiile de rezistenta impuse piesei in exploatare si de necesitatile reologice impuse de tehnologie. Grosimea peretilor trebuie sa fie constanta, mai ales in cazul materialelor plastice cu tendinta mare de cristalizare. Se vor evita ingrosarile nejustificate ale peretilor, deoarece, in aceste zone, cantitatea de material este mai mare si, la racire, vor aparea retasuri si goluri, cu influente negative asupra calitatii piesei injectate.

Se recomanda urmatoarele domenii ale grosimii peretilor:

 g = 0,5 - 5 mm (pentru materiale nearmate);

 g = 0,75 - 3 mm (pentru materiale armate).

d) Razele de racordare "r" trebuie sa fie r > 0,6g, unde g este grosimea peretelui racordat Pentru conditii generale de exploatare, razele minime de racordare sunt in intervalul (1 - 1,5) mm. Absenta razelor de racordare conduce la producerea de turbulente la injectare, cu scaderea semnificativa a rezistentei in zona de trecere.

e) Bordul superior al pieselor de mari dimensiuni are o constructie speciala pentru a preveni deformarea peretilor in urma contractiilor puternice la racire.

O alta solutie pentru evitarea deformarii peretilor este nervurarea acestora.

f) Baza pieselor injectate este supusa puternic deformarii datorita contractiei la racire. Pentru a reduce acest efect, baza primeste o forma lenticulara sau o constructie cu treapta.

g) Gaurile din peretii piesei ridica probleme deosebite prin faptul ca poansoanele care le materializeaza stanjenesc curgerea materialului semilichid in matrita, iar in zona din spatele poansoanelor apar linii de sudura caracterizate de scaderea rezistentei. În cazul gaurilor lungi, poansoanele care le materializeaza sunt supuse deformarii si, de aceea, inaltimea lor trebuie limitata.

În cazul materialelor plastice, si mai ales termorigide, gaurile filetate nu trebuie sa aiba pasul sub 1 mm.

h) Înclinarea peretilor piesei se recomanda pentru extragerea de pe poansoane, pe care piesele se strang in urma contractiei la racire. Unghiurile de inclinare variaza intre 30' si 3°

i) Nervurile au rolul de a rigidiza piesa injectata, atat pentru marirea rezistentei mecanice in functionare, dar si pentru a preveni deformarea piesei datorita contractiei post-injectie. Trebuie evitate acumularile de material de la intersectia nervurilor. Exista doua solutii propuse, respectiv prevederea de gauri la intersectii sau decalarea nervurilor .

j) Insertiile din materiale metalice sunt prevazute pentru ca anumite zone ale piesei injectate sa prezinte proprietati mecanice, electrice etc. diferite de ale materialului de baza.

Constructia si plasarea insertiei in piesa trebuie sa previna desprinderea acesteia din piesa si, de asemenea, sa previna umplerea acesteia cu material plastic in caz ca insertia prezinta cavitati. Pentru ca insertia sa fie inglobata eficient in materialul plastic, se recomanda respectarea dimensiunilor din figura 10 si randalinarea suprafetelor exterioare ale piesei metalice.

k) Suprafetele lucioase nu se obtin la injectia prin compresie sau transfer, deoarece suprafetele lucioase ale matritei nu permit distributia uniforma a aerului ramas in cuib si apar defecte de suprafata.

Analiza tehnologica a tipologiilor matritelor

de injectie materiale polimerice

În functie de tipodimensiunea piesei, caracteristicile materialului de injectat, de tipul masinii de injectat etc. exista o mare varietate constructiva de matrite. O deosebita importanta o prezinta conditiile impuse pentru matritele de injectat utilizate pentru obtinerea produselor din materiale polimerice, in conditii tehnico-economice optime, dintre care cele mai importante sunt urmatoarele:

- sa permita obtinerea de produse injectate pentru care pierderile de

incat, sa nu produsul sa nu mai fie supus unor prelucrari suplimentare;

- sa corespunda masinii de injectat pentru care a fost proiectata;

- sa permita realizarea unui numar cat mai mare de piesei fara reparatii sau inlocuiri ale elementelor active;

- la realizarea matritei sa se utilizeze cat mai multe componente tipizate interschimbabile;

- sa aiba un pret cat mai scazut.

Tehnologia de injectie in matrita

Elementele de baza privind caracterizarea tehnologiei de injectie in matrita a materialelor polimerice

Formarea prin injectie in matrita a produselor din materiale plastice ingineresti, reprezinta procedeul de prelucrare prin care un material macromolecular, adus in stare vascoelastica sub actiunea caldurii, este injectat sub presiune ridicata in cavitatea unei matrite (cuibul matritei), unde are loc racirea si solidificarea lui. Odata cu incercarea fortei de presare, materialul racit pastreaza forma cavitatii interioare a matritei in care a fost injectat si din care, dupa un anumit timp, produsul final este indepartat.

În conditii industriale, procesul se repeta in cadrul unui ciclu de injectare, care incepe in pozitia inchisa a matritei si care contine urmatoarele faze mai importante:

1. alimentarea cu material (granule sau pulbere)

2. comprimarea (compactizarea) materialului

3. termoplastifierea materialului

4. injectarea materialului in stare topita

5. racirea piesei injectate

6. deschiderea matritei si evacuarea piesei injectate

7. inchiderea matritei si inceperea unui nou ciclu

În timpul procesului se dezvolta o serie de forte care exercita presiuni importante asupra materialului. Dintre acestea, cinci sunt hotaratoare determinand nivelul calitatii produsului finit: presiunea exterioara, presiunea interioara, presiunea ulterioara, presiunea de sigilare, presiunea interioara remanenta.

Ciclul de injectare al materialului sub forma unei topituri vascoase si relativ omogene cuprinde urmatoarele faze:

1. inceperea injectarii prin inaintarea pistonului si compactizarea materialului, cavitatea matritei fiind inca neumpluta

2. cresterea presiunii si umplerea cavitatii matritei

3. cresterea in continuare a presiunii pana la atingerea valorii maxime a acesteia

4. exercitarea presiunii ulterioare care face ca materialul plastifiat din cavitatea matritei sa ramana sub presiune continua in timpul procesului de solidificare

5. inceperea solidificarii materialului si scaderea presiunii o data cu sigilarea canalelor de umplere a matritei

6. racirea piesei injectate

7. deschiderea matritei si eliminarea din matrita a piesei injectate

Factorii semnificativi care permit utilizarea capacitatii unui material plastic ingineresc de a fi folosit pentru diverse aplicatii sunt:

- rezistenta la tractiune

- alungirea la rupere prin tractiune

- modulul de elasticitate

- rezistenta la soc

- duritatea.

Acesti factori sunt determinati nu numai de natura polimerului respectiv ci si de actiunea chimica a unor substante, radiatii, aditivi, etc.

Tehnologia produselor din materiale polimerice injectate in matrita

În timpul procesului de injectie se dezvolta o serie de forte care exercita presiuni importante asupra materialului. Dintre acestea, cinci sunt hotaratoare, determinand nivelul calitatii produsului finit:

1) presiunea exterioara, reprezentand presiunea exercitata asupra materialului termoplastifiat in cilindrul de injectare al masinii;

2) presiunea interioara, respectiv 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 injectie, peretii interiori din cuibul matritei, etc.); valori medii experimentale: ABS-polistiren-Copolimer-acrilonitril-butadien-stiren-250-350 barr, PC-policarbonat-300-500 barr, PA-poliamide-250-700 barr, poliester-PBT-polibutilentereftalat-250-700 barr; valorile maxime sunt la materiale termoplastice semi-cristaline cu caracteristici bune de curgere si pentru prevenirea bavurilor.

3) presiunea ulterioara, respectiv presiunea exercitata de pistonul de injectare asupra materialului injectat in cavitatea matritei (aceasta presiune compenseaza contractia rezultata in urma racirii materialului);

4) presiunea de sigilare definita prin presiunea exercitata asupra materialului din cavitatea matritei in momentul solidificarii materialului piesei din starea vascoelastica in stare solida (acestei presiuni ii corespunde punctul de sigilare);

5) presiune interioara remanenta, respectiv presiunea care actioneaza asupra piesei injectate in momentul inceperii deschiderii matritei (dupa sigilare, materialul se contracta datorita racirii si presiunea scade fara a atinge insa valoarea zero).

Conform etapelor componente ciclului de injectare, la inceput presiunea interioara creste brusc, apoi dupa incetarea presiunii ulterioare, respectiv dupa sigilare, scade treptat la valoarea presiunii remanente. Diferenta de presiune intre presiunea exterioara de injectare si presiunea interioara din cavitatea matritei depinde de proprietatile materialului plastic, de temperatura de injectare, de parametrii retelei de injectare (dimensiunile duzei de injectare, canalelor de injectare si a cavitatii piesei de injectat). Astfel, la temperaturi ridicate, vascozitatea topiturii este mai mica, caderea de presiune va fi mai mica, presiunea interioara creste, scazand presiunea de injectare necesara asigurarii aceleasi presiuni interioare. Presiunea interioara da nastere la o forta care tinde sa deschida matrita in timpul injectarii. Ca urmare, forta de inchidere a masinii de injectat trebuie sa fie mai mare decat forta interioara, definita prin produsul dintre presiunea interioara si suprafata cavitatii matritei in planul de separatie. Cu cat vascozitatea topiturii este mai mica, cu atat diferenta dintre forta de inchidere si forta interioara trebuie sa fie mai mare.

În cazul injectarii cu duza punctiforma, sectiunea mica prin care materialul plastic patrunde in cavitatea matritei, provoaca o supraincalzire a acestuia cu scaderea presiunii interioare. Ca urmare, matrita se sigileaza mai repede decat in cazul sistemelor de injectare cu duza normala. Presiunea interioara mai mica nu poate compensa contractia piesei provocata de racirea acesteia avand in vedere incalzirea la o temperatura mai mare a materialului datorita trecerii prin sectiunea redusa a duzei punctiforme. Ca urmare, contractia piesei este mare, lucru de care trebuie sa se tina seama la proiectarea matritei pentru a nu se obtine deformari nedorite ale produsului.

Datorita contractiei in timpul racirii, pe suprafata piesei pot aparea retasuri. Pentru compensarea acestora, prin actiunea presiunii ulterioare matrita se mai alimenteaza cu material plastifiat. Pana la terminarea sigilarii matritei, pe durata presiunii ulterioare, presiunea exterioara de injectare trebuie sa aiba valoarea maxima. La injectarea pieselor cu pereti grosi, datorita fenomenului de aparitie a retasurilor, trebuie sa se aplice o temperatura de injectare mai mica si o presiune de injectare mai mare, concomitent cu marirea duratei presiunii ulterioare. La injectarea pieselor cu pereti subtiri, trebuie sa se micsoreze atat presiunea de injectare, cat si durata presiunii ulterioare, deoarece in acest caz piesa se raceste mai repede, de regula mai inainte ca presiunea interioara sa scada la valoarea ei minima. La deschiderea matritei, din aceasta cauza apar tensiuni interne in piesele injectate, care pot provoca fisurarea pieselor (in cazul materialelor termoplastice amorfe mai rigide precum PAS-polistirenul rezistent la soc) sau deformarea lor (in cazul materialelor termoplastice semi-cristaline mai flexibile precum PE-polietilena.

Trepte de proces

Întregul proces de injectare poate fi cuprins in urmatoarele trepte de proces [S2]:

1. plastifierea - cuprinde, pentru masa injectata necesara unui reper, intregul timp de retinere in masina de injectare, care are o durata de mai multe cicluri de injectare in cadrul caruia au loc mai multe rotatii si stationari ale melcului.

Pentru plastifiere se definesc urmatoarele limite:

- inceput: intrarea materialului plastic din palnia de alimentare in canalul melcului;

- sfarsit: injectarea materialului plastic topit din spatiu de acumulare o data cu inceputul miscarii de avansare a melcului-piston la umplerea matritei.

Durata procesului de plastifiere se caracterizeaza prin timpul de retinere tR

2. umplerea matritei cuprinde transportul materialului plastic din spatiul de acumulare al masinii de injectat in cavitatea matritei.

Pentru umplerea matritei se stabilesc urmatoarele limite:

- inceput: startul miscarii de translatie a melcului in directia duzei. Simultan se sfarseste treapta de proces plastifiere.

- sfarsit: momentul umplerii volumetrice (materialul de formare ajunge in punctul cel mai indepartat fata de punctul de injectare). Simultan este inceputul treptelor de compactare si racire.

Durata treptei de umplere a matritei este timpul de umplere tu al matritei.

3. compactizarea este acea parte a procesului de injectare in timpul careia in cavitatea matritei exista o presiune aproape hidrostatica care este influentata de melcul piston al masinii de injectare.

Pentru compactizarea materialului se stabilesc urmatoarele stadii:

- inceput: momentul umplerii volumetrice (masa de formare atinge punctul cel mai indepartat de la locul de injectare). Simultan se sfarseste umplerea matritei, exprimat prin expirarea timpului de umplere tu si inceputul treptei de racire;

- sfarsit: punctul de sigilare.

Durata treptei de compactizare rezulta in esenta din varianta constructiva a matritei de injectare utilizata, sistemul de injectare, temperatura materialului plastic topit si a matritei. Ea este stabilita prin determinarea timpului de sigilare. In durata treptei de compactizare se deosebeste timpul presiunii ulterioare tul. Începutul acestui timp coincide cu cel al timpului de compactizare, insa sfarsitul poate sa se afle, in functie de reglaj, inainte sau dupa aparitia punctului de sigilare.

4. racirea este considerata partea procesului de racire care are loc in matrita. Din modelul structurii procesului de injectare pentru durata treptei de proces racire, si prin aceasta si a timpului de racire tr, se definesc urmatoarele limite:

- inceput: momentul incheierii procesului de umplere volumetrica a matritei (masa de formare ajunge in punctul cel mai indepartat de locul de injectare din matrita). Fenomenul se petrece simultan cu sfarsitul treptei de proces umplere matrita, exprimat prin sfarsitul timpului de umplere tu

- sfarsit: inceperea procesului de deschidere a matritei simultan cu inceputul treptei de proces demulare.

Timpul de racire tr nu se poate regla direct pe masinile de injectat. În majoritatea cazurilor este reglabil un timp partial de ciclu, numit timp de stationare, care incepe la sfarsitul timpului de presiune ulterioara si se termina odata cu timpul de racire la inceputul procesului de deschidere a matritei.

Alegerea tipului de masina de injectie

Pentru realizarea pieselor injectate in conditii tehnico - economice optime, o importanta deosebita o are alegerea celei mai adecvate masini de injectat.

Criteriul de baza in alegerea masinii de injectat trebuie sa il constituie concordanta cat mai buna a performantelor masinii cu caracteristicile piesei care urmeaza a fi obtinuta

Pentru realizarea piesei prin injectie in matrita din materiale polimerice se va alege o masina de injectie pentru care se vor prezenta urmatorii parametrii tehnici:

Unitatea de inchidere

Echipament de control

Sistem de  Echipament de comanda hidraulic pentru ejectori

senzori pentru protectia matritei

Unitatea de injectare

Unitatea de injectare - serveste la plastifierea materialului, introducerea acestuia sub presiune in matrita si mentinerea presiunii in stadiul de compresie.

Duza - este ajustajul din capul cilindrului de injectare prin care materialul plastic trece din cilindru in matrita de injectat.

Melcul - este organul activ al masinii de injectat si este construit in mai multe variante. Melcul unei masini de injectat se compune din: cap, corp si coada melcului.

Corpul melcului se caracterizeaza prin urmatoarele marimi [S2]:

 diametrul melcului D, dependent de tipul masinii;

 lungimea relativa Lr, se defineste ca raport intre lungimea activa L a melcului si diametrul melcului D;

 numarul zonelor functionale si lungimea lor. Se disting urmatoarele zone functionale:

 zona de alimentare care are lungimea La;

 zona de tranzitie care are lungimea Lt;

 zona de dozare care are lungimea Ld.

 raportul de compresie rc, se defineste ca raport intre volumul cuprins in primul pas din zona de alimentare si cel cuprins in ultimul pas al zonei de pompare:

rc=Vi/Ve=Si/Se

unde:

Si - sectiunea la iesire;

Se- sectiunea la intrare.

 geometria canalului melcului se adapteaza proprietarilor materialelor prelucrate:

 capul melcului are un rol important in procesul de injectare:

- orienteaza materialul dozat spre centrul cilindrului de injectare;

- omogenizeaza temperatura materialului topit iesit din zona de dozare a melcului;

- impiedica materialul plastic ramas in cilindru sa fie antrenat in miscare de rotatie la o noua cursa de dozare, ceea ce ar conduce la degradarea sa termica.

 coada melcului este partea constructiva a melcului care se pune in legatura cu sistemele de actionare, care determina miscarile melcului. Coada melcului indeplineste mai multe functii :

- preia miscarea de rotatie de la sistemul de actionare;

- preia miscarea de translatie de la sistemul de actionare;

- serveste la rezemarea melcului.

Cilindrul - impreuna cu melcul cilindrul formeaza cuplul activ al masinii de injectat. El trebuie sa asigure incalzirea si omogenizarea materialului, precum si generarea presiunii necesare.

Palnia de alimentare - a unei masini de injectat este asezata pe cilindrul masinii de injectat in zona gaurii de alimentare a melcului.

Masa masinii de injectat este un ansamblu mecanic pe care se monteaza unitatea de injectare, palnia de alimentare, aparatura de masura si control, etc. Masa masinii are ca rol principal punerea in legatura a cilindrului de injectare cu matrita de injectare astfel incat materialul plastic topit din cilindru sa ajunga, ca urmare a presiunii de injectare, in matrita de injectat.

Unitatea de inchidere - deschidere

Unitatea de inchidere - deschidere a unei masini de injectat indeplineste urmatoarele functii:

 realizeaza inchiderea celor doua parti ale matritei;

 asigura forta de inchidere a matritei in timpul injectarii cu presiune ridicata a materialului plastic in matrita;

 realizeaza deschiderea matritei dupa solidificarea piesei in matrita;

 asigura eliminarea piesei injectate din matrita.

Partile principale ale unei unitati de inchidere deschidere sunt:

- sistemul de inchidere;

- sistemul de reglare a cursei de inchidere;

- coloanele de ghidare;

- platourile de prindere;

- sistemul de aruncare a piesei din matrita.

Sistemul de inchidere poate fi un sistem cu actionare hidromecanica. La aceste sisteme actionarea este hidraulica, iar inchiderea si deschiderea matritei se realizeaza prin elemente constructive mecanice. Aceste sisteme se aplica atat la masinile mici cat si la masinile mari atunci cand nu este necesara o cursa mare a platoului mobil.

Sistemul de reglare a cursei de inchidere. La o masina de injectat este strict necesara reglarea distantei intre platoul mobil si platoul fix ca urmare a folosirii matritelor de injectat care au inaltime diferita.

Coloanele de ghidare si platourile de prindere. O mare importanta asupra calitatii constructive a unei masini de injectat o au coloanele de ghidare si platourile de prindere. Ele transmit forte de inchidere intre platouri fiind solicitate in principal la intindere datorita fortei de inchidere maxime.

Platoul fix al masinii este asezat in partea cilindrului de injectare. În platou se fixeaza cele patru coloane de ghidare cu ajutorul unor piulite filetate.

Platoul mobil al masinii se misca in coloanele de ghidare fiind actionat de mecanismul de inchidere. În zona centrala, platoul este prevazut cu o gaura de centrare pentru inelul partii mobile a matritei de injectat.

Platoul de capat al masinii este sprijinit pe batiul masinii, pe ghidaje, pe care poate sa se miste actionat de sistemul de reglare al cursei de inchidere. Miscarea platoului pe coloane se face pe bucse de ghidare confectionate din bronz.

Sistemul de aruncare. În timpul cursei de inchidere trebuie realizata si aruncare piesei injectate din matrita. Sistemul de aruncare cu actionare hidraulica prezinta o serie de avantaje:

 permite executarea cursei de aruncare dupa deschiderea completa a matritei;

 permite executarea unor miscari programate suplimentar;

 asigura functionarea in ciclu automat a masinii de injectat.

Batiul masinii

Batiul masinii este constructia mecanica care serveste ca suport subansamblurilor componente ale masinii. Batiul sustine sistemul de injectare, sistemul de inchidere, sistemul de actionare hidrostatic, bazinul de ulei, sistemul de actionare electric, sistemul de comanda electric, aparatura de masura si control.

Elemente auxiliare ale masinii de injectat

În arara de partile principale ale masinii de injectat, masina necesita si ale instalatii , dispozitive necesare procesului tehnologic: sistemul de protectie, dispozitivele de prindere a matritei, dispozitive de transport si uscare a granulelor.

Alegerea tipului de matrita de injectie

În functie de tipodimensiunea piesei si volumul de productie se alege sistemul de amplasare a cuiburilor in matrita, planul de separatie al matritei, numarul de placi cu poansoane, numarul de planuri de separatie, tipul deschiderii, modul de prindere pe masina de injectat

Proiectarea sistemului de injectare

În functie de tipodimensiunea piesei si a tipului de matrita se proiecteaza:

 modul de injectare cu dimensionarea retelelor de injectare;

 calculul numarului de cuiburi;

 dimensionarea cuiburilor functie de contractia materialului plastic utilizat;

 calculul deformarilor prin contractie ale piesei matritate prin injectie;

 calculul de referinta al placilor de formare a matritei de injectie;

 verificarea suprafetelor de inchidere ale placilor de formare;

 verificarea placilor de formare la rigiditate.

Modul de injectare cu dimensionarea retelelor de injectare:

În vederea unui proces optim de injectie trebuie sa se respecte urmatoarele reguli:

 drumul de curgere al materialului plastic prin canalele de distributie trebuie sa fie cat mai scurt posibil;

 injectarea trebuie sa fie echilibrata astfel incat sa nu apara forte reactive in matrita care ar putea determina ruperea acesteia.

Dimensionarea canalelor de distributie este influentata de anumitii factori care depind de:

 configuratia matritei;

 masina de injectat;

 materialul injectat;

 modalitatea de lucru.

Cele mai cunoscute sisteme de injectare sunt:

- injectarea directa;

- injectarea prin canale de distributie;

- injectarea punctiforma;

- injectarea peliculara;

- injectarea de tip umbrela;

- injectarea inelara;

- injectarea cu canal tunel;injectarea cu canale izolate;

- injectarea cu canale incalzite.

Dimensionarea retelelor de injectare

O importanta deosebita o are dimensionarea corecta a retelei de injectare, dimensionarea incorecta conducand la nerespectarea conditiilor tehnice impuse piesei.

Pentru dimensionarea retelei de injectare se parcurg urmatoarele etape:

Pentru determinarea diametrului D al canalului de distributie se procedeaza astfel:

 se determina masa neta si grosimea peretelui piesei injectate. Masa neta a piesei poate fi determinata in urma modelarii tridimensionale a piesei prin determinarea volumului acesteia. Prin inmultirea cu densitatea materialului polimeric folosit pentru realizarea piesei , se determina masa neta a piesei:

M=ρ x V [Kg]

Se multiplica masa neta a piesei cu un coeficient de corectie indicat in tabelul

Coeficientii de corectie pentru calculul masei piesei injectate [C1].

Din desenul de executie al piesei rezulta grosimea g peretelui piesei injectate.

 se alege diametrul duzei de injectat in raport cu masa pieselor injectate si in functie de materialul polimeric injectat.

 se determina lungimea culeei de injectare. Se recomanda respectarea relatiei:

5÷9

unde:

l - reprezinta lungimea culeei;

d - diametrul ei la contactul cu piesa injectata.

 se stabileste modul de amplasare a cuiburilor in placile de formare ale matritei astfel incat sa fie satisfacuta conditia de umplere simultana cu material polimeric in timpul injectarii. Se reprezinta schema modului de amplasare a cuiburilor.

 Se stabilesc dimensiunile digurilor conform recomandarilor prezentate

Calculul de referinta al placilor de

formare a matritei de injectie

Calculul de rezistenta al placilor de formare ale matritei de injectie se realizeaza in functie de forma geometrica a placilor si a cavitatilor practicate in placi. Pentru simplificarea calculelor se considera ca placa de formare este dreptunghiulara sau rotunda.

În mod obisnuit, dimensiunile interioare si exterioare ale placii de formare dreptunghiulare se determina constructiv si apoi, se verifica prin calcul la solicitarea compusa de intindere si incovoiere. Pentru simplificarea calculului, peretele placii de formare se considera ca o grinda uniform incarcata, incastrata la capete. Se considera sectiunile periculoase, respectiv sectiunea I - I si sectiunea II - II, dispuse la distante egale de colturile interioare ale placii de formare.

Pentru calculul rezistentei placii de formare dreptunghiulare la solicitarea compusa de intindere si incovoiere, se utilizeaza relatia:

[daN/cm²]

unde:

F - forta care solicita peretele la intindere, in daN;

S - aria sectiunii peretelui, in cm²;

Mmax - momentul de incovoiere maxim, in daN x cm;

W - modulul de rezistenta, in cm

Verificarea suprafetelor de

inchidere ale placilor de formare

Notand cu St suprafata totala a placii de formare, cu Sc suprafata totala a cuibului si Si, suprafata de inchidere, se poate scrie relatia:

St=Sc+Si

De unde:

Si=St-Sc [cm²]

Verificarea se face cu formula:

Si=Fi a

În care:

Si - este suprafata de inchidere necesara, in [cm²];

a - rezistenta admisibila a otelului, in daN/cm

Suprafata de inchidere efectiva Sie trebuie sa fie mai mare decat suprafata de inchidere necesara calculata, respectiv:

Sie > Si

Verificarea placilor de formare la rigiditate

Verificarea la rigiditate se face prin calculul sagetii efective, care trebuie sa fie mai mica decat sageata admisibila. Calculul la rigiditate se face numai pentru unul din peretii placii, in cazul placilor de formare dreptunghiulare, si anume pentru peretele care are lungimea cea mai mare. Sageata se va calcula cu formula:

f = [cm⁴]

Proiectarea sistemului de aruncare

a piesei injectate

În functie de tipodimensiunea piesei injectate si caracteristicile masinii de injectie se alege unul din sistemele de aruncare pentru scoaterea pieselor injectate din matrita: aruncare mecanica, aruncare pneumatica, aruncare hidraulica.

Forta de aruncare

Deschiderea matritei de injectat trebuie sa se faca cu o forta de deschidere cat mai mica, astfel incat sa se respecte relatia:

F < F

Unde:

 F - forta necesara deschiderii matritei;

 F - forta de deschidere a masinii.

La eliminarea piesei injectate din matrita, trebuie sa se respecte relatia:

FA< F

Unde:

 FA - forta de aruncare din matrita;

 F - forta de deschidere a masinii.

Pentru forta de aruncare se poate scrie urmatoarea relatie:

FA=FD+ΣFR

Unde:

 FD - forta de demulare;

 FR - fortele de frictiune in sistemul matritei.

Forta de demulare se calculeaza cu relatia:

FD= μpA =N

Unde:

 μ - coeficientul de frecare intre miez si piesa injectata;

 p - presiunea de contact intre piesa si miez, N/m²;

 A - suprafata de contact intre piesa si miez , m².

Tipul sistemului de aruncare

Modul de rezolvare constructiva, precum si durata in timp a aruncarii au o importanta influenta asupra calitatii si economicitatii piesei injectate. Solutia optima pentru aruncarea piesei injectate presupune scoaterea automata a acesteia, din matrita de injectat deschisa, cu ajutorul unui sistem de aruncare adecvat.

Proiectarea sistemului de control al temperaturii pentru elementele componente ale matritei

Se va proiecta sistemul de mentinere a unei temperaturi optime de lucru a materialului plastic in piesele componente ale matriei cat si in placile cu poansoane de formare. Sistemul poate fi de racire pentru obtinerea de contractii minime ale piesei injectate in zona poansoanelor de formare si de incalzire in zona de curgere a materialului.

Transferul de caldura material

polimeric - matrita

Materialul polimeric din cuibul matritei cedeaza in cursul unui ciclu de injectare, corpului matritei, cantitatea de caldura Q, care se calculeaza cu relatia:

Q=m(i -i ) kcal

Unde:

m - masa piesei injectate , kg;

i - entalpia materialului plastic la intrarea in matrita;

i - entalpia materialului plastic la demulare.

Entalpia materialului plastic se calculeaza cu relatia :

Δi= i - i =cp(TMp-TD) [kcal/kg]

Unde:

 cp - caldura specifica a materialului plastic kcal/kg°C;

 TMp - temperatura materialului in cuib;

 TD - temperatura de demulare;

Transferul de caldura intre

matrita si mediul de temperare

Transferul termic de la matrita (mediul solid) la mediul de temperare (mediul lichid) se face prin convectie si se poate exprima prin relatia:

Q=αTST(TpT - TT) [W]

Unde:

T - coeficientul de transfer de caldura al mediului de

temperare =1310 [w/m²K]

 ST - suprafata activa a canalelor de temperare , [m²]

 TpT - temperatura la peretele canalului de temperare, =433 [k°]

 TT - temperatura mediului de temperare =393 [k°]

Transferul de caldura in interiorul matritei

Cantitatea de caldura Qe dintre matrita si mediul inconjurator:

QE=QC+QR [Wm²/K

Unde:

Qc - pierderi de caldura prin convectie =0

QR - pierderi de caldura prin radiatie =364,5 [Wm²/K

Datorita faptului ca pierderile de caldura prin convectie sunt nesemnificative chiar la temperaturi ridicate ale matritei, ele pot fi neglijate, Qc

Transferul termic prin radiatie de la matrita catre exterior se calculeaza cu relatia:

QR=SMeCo(TMs [Wm²/K

Unde:

 SM - suprafata libera a matritei in contact cu aerul inconjurator , [m²]

 e - coeficientul de emisie =0,52 [m²]

 Co - constanta lui Stefan-Boltzman =5,76 [W/m²K

 TMs - temperatura la suprafata unei matrite =433 [K°]

Determinarea timpului de racire

Pentru materialele polimerice cu grosimi s< 5 mm avem urmatoarea relatie:

tr=As²/4a [s]

unde:

A - coeficient =0,61

S - grosimea peretelui piesei injectate [cm];

a - coeficient de difuzivitate termica =7,6·10 [cm²/s]

Amplasarea si dimensionarea practica

a sistemelor de temperare a matritei

Calculul simplificat al lungimii canalelor de racire. Se calculeaza cantitatea de caldura cedata de o piesa injectata a matritei cu formula:

Q=m(i₂-i₁)

Unde:

tT - durata ciclului de injectare, s;

m - masa piesei injectate, kg.

Se neglijeaza pierderile matritei in exterior, prin convectie si radiatie. Cantitatea de caldura se considera, in acest caz, in totalitate evacuata prin circuitul de temperare. Se scrie:

Q=kS(T - T

Unde:

 S - suprafata canalelor de temperare, [m²]

 T - temperatura materialului la injectare, [K°]

 T - temperatura mediului de temperare, [K°]

 k - coeficient global de schimb de caldura =10,98.

Coeficientul global de schimb de caldura se calculeaza cu relatia:

Unde:

 δ - distanta dintre piesa si canalul de racire , m;

 α - coeficient de convectie a fluidului,

 λ - coeficientul de conductibilitate termica [W/mK°]

Coeficientul de convectie a fluidului se calculeaza cu formula:

α = 19,37+0,27TiVT0,95

Unde:

 Ti - temperatura la intrarea in circuitul de temperare , [K°]

 VT - debitul circuitului de temperare [kg/m²h]

 ρ - densitatea lichidului de racire, kg/m

Proiectarea elementelor pentru conducerea

si centrarea matritei de injectie

Se proiecteaza: sistemele de centrare si conducere exterioara ale matritei de injectie; sistemele de centrare si conducere interioara ale matritei de injectie.

În procesul de injectare a materialelor, matritele se monteaza pe platourile de prindere ale masinii de injectat, folosind gaurile practicate in placile de prindere ale matritei de injectat, fie prin intermediul unor bride de fixare, asigurarea pozitiei corecte a celor doua jumatati de matrita fixate pe platourile de prindere ale masinii de injectat, in raport cu capul de injectare al masinii , respectiv cu tamponul opritor al ei, precum si centrarea perfecta a celor doua jumatatii de matrita au o importanta deosebita. Centrarea si conducerea incorecta a matritelor pot provoca, in mod inevitabil, aparitia unor defecte ale pieselor injectate cum ar fi: deplasari in planul de separare, bavuri grosimi neuniforme, etc. Se poate vorbi de dou tipuri de centrari si conduceri: exterioare si interioare. Prin centrarea exterioara se intelege pozitionarea matritei de injectat in raport cu masina de injectat, iar prin centrarea interioara pozitionarea celor doua jumatati de matrita si a elementelor ei.

Proiectarea sistemului de ventilatie-aerisire

a matritei de injectie

Se proiecteaza sistemul de evacuare a aerului din zona cuibului de injectie pentru prevenirea arderii materialului injectat.

În multe cazuri, dupa scoaterea din matrita, piesele injectate prezinta pe suprafata lor zone arse sau cu lipsuri de materiale. Aceste zone incomplete si cu urme de arderi pot avea la origine cauze tehnologice sau conditii de aerisire necorespunzatoare ale matritei de injectat. În cazul in care nu are nici o posibilitate de iesire din matrita aerul este comprimat si supraincalzit, determinand arderea materialului.

La proiectarea matritelor pentru injectarea anumitor piese este necesar sa fie luate masuri speciale pentru asigurarea aerisirii corespunzatoare a cuibului.

Jocul la montaj in matrita a poansonului de aerisire se recomanda mai mic de 0,015 mm.

Alegerea materialelor corespunzatoare pentru piesele componente ale matritei de injectie

Se aleg materialele corespunzatoare, functie de rolul functional al pieselor componente: placi de prindere; elemente de conducere si ghidare; placi port poanson; poansoane, etc.

Oteluri pentru matrite - caracterizare generala

Cresterea cererii de matrite pentru prelucrarea materialelor plastice a determinat necesitatea obtinerii unor oteluri de calitate, ce trebuie sa satisfaca urmatoarele conditii: prelucrarea mecanica economica, stabilitate dimensionala, posibilitate de lustruire, rezistenta la compresiune, rezistenta la uzura, rezistenta la coroziune, conductivitate termica, posibilitatea de sudura.

Toate aceste conditii impun utilizarea unei compozitii chimice adecvate, in care elementele de aliere trebuie alese si dozate pentru obtinerea efectului asteptat.

Oteluri pretratate (prehardened toolsteels, quenched and tempered tool steels)

Pe masura ce dimensiunile pieselor din plastic au devenit tot mai mari, utilizarea otelurilor pentru cementare au facut ca tratamentul termic sa devina o mare problema datorita deformatiilor inerente. De asemenea, in cazul unor serii relativ scurte, nu este eficienta utilizarea unor oteluri iesite din comun. Din aceste motive, furnizorii ofera placi si profile din oteluri calite si revenite, ele urmand a se prelucra in aceasta stare, fara a necesita un tratament termic ulterior. Aceste oteluri au rezistente cuprinse intre 1000 - 1400 MPa si o duritate intre 30 - 33 HRC. În functie de conditiile impuse, se poate alege un otel cu un continut foarte scazut de sulf ( de exemplu Uddeholm pentru Impax Supreme garanteaza maxim 0,008%), ceea ce permite lustruire si posibilitatea de texturare fotochimica sau cu un continut de sulf intre 0,05 - 0,07%, ceea ce determina o prelucrabilitate buna. Dezavantajele continutului mare de sulf, pe langa cele mentionate mai sus sunt: cromare/nichelare dificile si posibilitate la sudura. Pentru obtinerea unei duritati si a unei rezistente la uzura suficiente, otelurile pretratate se cromeaza sau se nitrureaza (la temperaturi cuprinse intre 450-6000C). Reprezentative sunt codurile 1.2311, 1.2738 si 1.2312 (vezi tabel), primele tipuri de otel fiind recomandate pentru cavitati (lustruire buna, dar datorita lipsei sulfului din componenta, prelucrabilitatea este mai dificila) iar ultimul pentru poansoane, unde nu se impune lustruire deosebita sau texturare.

Oteluri pentru cementare (case-hardening steels)

Sunt cele mai des utilizate oteluri (80%), tinand cont de pretul scazut si de proprietatile bune ale acestora. Otelurile pentru cementare au un continut scazut de carbon (0,3%) care prin carburare ajunge la suprafata la 0,8-0,9% C, pe o adancime de 0,6-1 mm (la o carburare de cateva zile se poate ajunge pana la o adancime de 2 mm). Duritatea stratului este intre 58-62 HRC. Otelurile de cementare pot fi lustruite cu rezultate foarte bune, au o rezistenta mare la uzura si in acelasi timp pastreaza tenacitatea miezului, cu rezistenta buna la soc si la oboseala. Este de mentionat ca, datorita temperaturii si ciclului lung de tratament, anumite modificari dimensionale nu pot fi evitate; din acest motiv trebuie prevazuta o rezerva la dimensiuni si la timp pentru finisare.

Oteluri pentru nitrurare (nitriding steels)

În general toate otelurile ce contin crom, molibden, vanadiu si in special aluminiu pot fi nitrurate - proces ce are loc in baie de saruri, in gaz, pulbere sau plasma (nitrurare ionica), la o temperatura intre 450 si 5900C.

Astfel otelul capata o duritate si o rezistenta la uzura exceptionale (850 - 1050 HV). Duritatea mare nu este la suprafata ci la cateva sutimi de milimetru in adancime, motiv pentru care dupa nitrurare piesele respective trebuie rectificate sau lustruite (cu exceptia nitrurarii ionice, cand rectificarea nu mai este necesara). Un alt avantaj al nitrurarii este eliminarea deformatiilor si a tensiunilor interne datorate tratamentului termic. Otelurile pentru nitrurare sunt livrate in stare recoapta, permitand o prelucrare facila.

Otelurile 34CrAIMo 5 si 34CrAINi 7 (1.8550) sunt utilizate in special pentru cilindrii si melcii de plastifiere ai masinilor de injectie.

Oteluri pentru calire (hardening steels)

Aceste oteluri isi datoreaza calitatile martensitei, compus ce apare la racirea rapida in apa, aer sau ulei. Viteza de racire este determinata de mediu (apa avand efectul cel mai drastic), de raportul suprafata/volum al piesei de tratat si de elemente de aliere (nichelul, manganul, cromul si siliciul permit calirea unur sectiuni mai mari). Calirea consta in incalzirea pieselor la o temperatura stabilita, mentinerea si racirea intr-un mediu adecvat. Dupa calire este obligatorie revenirea, care pe langa rezistenta deosebita in miez si duritatea specifica elimina tensiunile interne. În acest moment, producatorii ofera oteluri de calire cu proprietati deosebite: stabilitate dimensionala la calire, rezistenta deosebita, posibilitate de lustruire si comportare buna la electroeroziune si texturare foto-chimica. Otelul 1.2767 are o tenacitate deosebita, fiind recomandat pentru cavitatile mari si adanci, la injectarea materialelor plastice putin abrazive. Dupa calire si revenire se poate atinge o duritate de 52 - 54 HRC.

Oteluri rezistente la coroziune

La prelucrarea anumitor materiale plastice se degaja vapori de acid clorhidric, acetic sau formaldehida. Pentru evitarea oxidarii zonelor active ale matritei se utilizeaza otelurile rezistente la coroziune, cu continut de cel putin 12% Cr (la prelucrarea PVC-ului se recomanda un continut de pana la 16-17% Crom+Molibden). Rezistenta la coroziune este determinata si de calitatea prelucrarii suprafetelor. Un otel cu un continut de 13% Cr poate oxida daca suprafetele sunt rugoase. Pe de alta parte, un continut mare de crom poate determina formarea unor zone feritice, cu rezistenta scazuta.

Oteluri martensitice

Sunt oteluri speciale, dezvoltate initial pentru industria aero-spatiala, potrivite pentru matrite cu cavitati complicate. Sunt livrate in stare recoapta, cu o rezistenta de 1000 - 1100 MPa dar pot fi prelucrate relativ usor. Avantajul consta intr-un tratament termic simplu (incalzire la 489 - 4900C), astfel obtinand o rezistenta de 1800 - 2200 MPa. Cand prelucrarea mecanica este anterioara tratamentului, trebuie tinut cont de o contractie de aproximativ 0,05 - 0,1% la tratament. La prelucrarea unor materiale plastice armate trebuie aplicat un tratament de nitruare, duritatea superficiala ajungand pana la 1000HV.

Analiza economica a matritei proiectate si calculul

seriei de fabricatie economice

Produsul injectat dintr-un material polimeric poate fi fabricat cu matrite de injectie mai simple sau mai complexe. Matrita de injectie cu mai multe cuiburi, avand o constructie mai perfectionata asiguri in mod evident conditii de fabricatie mai bune, insa necesita si cheltuieli considerabil mai mari pentru executarea lor.

Punand conditia ca valoarea cheltuielilor de pregatire a fabricatiei sa fie proportionala cu marimea seriei de fabricatie, se poate calcula seria de fabricatie economica me cu ajutorul relatiei de mai jos:

me = (b-a)/(k -k ) [buc.] ,

unde:

a = costul matrite simple;

b = costul matritei complexe

k = costul manoperei de injectare a produsului cu matrita simpla

k = costul manoperei de injectare a produsului cu matrita complexa.