Vliv reziduálních napětí na kvalitu vstřikovaných dílů

Autor: ing. Petr Halaška, SMARTPLAST s.r.o.

Reziduální napětí jsou přítomna ve všech výstřicích po celou dobu jejich životnosti a mají zásadní vliv na kvalitu výstřiku a jeho chování. Vysvětlíme si, jak reziduální napětí vznikají
a představíme jejich výpočet na několika příkladech.

Reziduální napětí

Reziduální napětí jsou mechanická napětí vznikající ve výstřiku bez působení vnějších sil. Zůstávají ve výstřiku i po vyhození z dutiny formy, kdy se výstřik ochlazuje na teplotu
okolí. Reziduální napětí způsobují deformaci a smrštění výstřiku a mají také vliv na napěťové trhliny působením prostředí. Reziduální napětí jsou přítomna ve všech výstřicích. Jsou
indukována v průběhu vstřikovacího procesu jako výsledek rozdílného smrštění a omezeného toku taveniny uvnitř dutiny formy. Reziduální napětí ve výstřicích jsou výsledkem
tokové, teplotní a tlakové historie a jsou klasifikována do dvou základních typů: tokově indukované napětí a teplotně indukované napětí.

**Obr. 1:** Vznik reziduálního napětí v průběhu vstřikovacího cyklu

Tokově indukovaná reziduální napětí

Reziduální tokově indukovaná napětí díky viskoelastické povaze polymerní taveniny představují orientaci makromolekul a příp. vláknitého plniva a jsou atributy smykových a normálových napětí, která jsou generována v průběhu plnicí fáze. Tato napětí zcela nerelaxují, ale jsou zmražena ve výstřiku, protože relaxační časy začnou rapidně narůstat v průběhu chlazení. Tato napětí jsou relativně malá, ale způsobují velkou orientaci řetězců molekul. Orientace ovlivňuje mechanické a optické vlastnosti výstřiku a také různá smrštění ve směru a kolmo na směr toku taveniny.

**Obr. 2:** Orientace makromolekul polymeru ve směru toku taveniny v závislosti na vstřikovací rychlosti

Teplotně indukovaná reziduální napětí

Teplotní napětí se objevuje při vstřikování během fáze dotlaku a chlazení, jako důsledek teplotního gradientu, který je současně přítomen i během fáze tuhnutí. Reziduální teplotní napětí jsou výsledkem prudkého nehomogenního ochlazování polymerní taveniny, jak prochází přes teplotu skelného přechodu. Potom v průběhu chlazení povrchové vrstvy tuhnou dříve než v oblasti jádra výstřiku. Tahové a tlakové složky napětí jsou tvořeny následným ztuhnutím a teplotním smrštěním jádra výstřiku. Vysoce neuniformní rozdělení teploty po průřezu stěny výstřiku zapříčiňuje, že každý element polymeru ztuhne v různém čase. To vede k různému smrštění vyvolávajícímu teplotně indukované reziduální napětí. Poněvadž elastické vlastnosti a relaxační charakteristiky se významně mění s teplotou během tuhnutí, tato napětí přetrvají a přetvoří se na reziduální teplotní napětí.

**Obr. 3:** Nehomogenní teplotní a tlakové pole, nehomogenní změna objemu

**Obr. 4:** Reziduální napětí v nesymetrickém teplotním poli

**Obr. 5:** Reziduální napětí v symetrickém a nesymetrickém poli

Příklad č. 1: Vznik trhlin na povrchu oběžného kola čerpadla

Na oběžném kole čerpadla vznikají trhliny, a to nejen při provozním zatížení, ale i při dlouhodobém skladování (6). Oběžné kolo je vyrobeno vstřikováním PP plněného 30% CaCO3. Do oběžného kola je pro zvýšení tuhosti zastříknuta ocelová vložka (Obr. 6). Trhliny vznikají vlivem rozdílného koeficientu teplotní roztažnosti oceli a PP. Rozdílné koeficienty teplotní roztažnosti vedou k rozdílným objemovým změnám a generují vysoké hodnoty reziduálních napětí, která překročí mez pevnosti PP a dochází ke vzniku trhlin (7).

**Obr. 6:** Oběžné kolo čerpadla se zastříknutou ocelovou vložkou

**Obr. 7:** Trhliny v oběžném kole čerpadla na výtlačné straně

Teplotní a napěťová analýza

Teplotní analýza ukazuje průběh teploty PP matrice a ocelové vložky po dobu chladnutí. Analýza byla provedena pro dobu chladnutí 10 minut (8). Teplotní gradient má za následek rozdílné objemové změny, které díky ocelovému zástřiku nemohou proběhnout. Dochází pak ke vzniku napětí v polymerní matrici.

Jak je vidět z barevného spektrogramu, ke vzniku napěťových špiček dochází v náboji oběžného kola. Srovnávací Von Misesovo napětí dosahuje špičkové hodnoty 80 MPa (9). Tato hodnota daleko překračuje hodnotu napětí na mezi pevnosti PP plněného 30% uhličitanu vápenatého, která je 30 MPa. Protože PP vykazuje vysokou hodnotu studeného toku, napětí relaxuje a ke vzniku trhlin dochází až po čase.

**Obr. 8:** Teplota po 10. minutě od vyhození oběžného kola z formy

Příklad č. 2: Lámání segmentů kleštiny při nalisování kulového čepu

Při nalisování kulového čepu do pouzdra při montáži dochází k vylomení dvou segmentů kleštiny pouzdra. Při lisování dochází k elastické deformaci těchto tří segmentů a klínové
západky, umístěné proti segmentům (10). Jak ukázala zevrubně provedená analýza vstřikovacího procesu a měření, k lámání segmentů kleštiny při nalisování kulového čepu může docházet jak z důvodů procesních, tak i z důvodů montážních.

Díky malému průřezu spojovacího krčku nepůsobí v místě kritického průřezu efektivně dotlak při vstřikování, což způsobuje vznik lunkrů. Dále velké rozdíly v tloušťkách stěn kleštiny způsobují rozdílná objemová smrštění. Velké rozdíly v objemovém smrštění (11) negativně ovlivňují pevnost segmentů kleštiny a přispívají ke vzniku vysokých hodnot reziduální napjatosti v kritickém místě (12). Ze stejného důvodu dochází k velké deformaci segmentu kleštiny směrem dovnitř (13), tedy ke zmenšení jmenovitého průměru. Při montáži se pak segment elasticky deformuje směrem ven od středu, aby mohla projít kulová plocha čepu do pouzdra. Tyto deformace se sčítají, což může mít za následek překročení meze pevnosti polymeru, která už je snížena lunkry, a tím i zlomení segmentů (11).

**Obr.12:** Reziduální napětí v kritickém místě kleštiny

**Obr. 13:** Deformace segmentů kleštiny

„Velké deformace“

Simulační software Autodesk Simulation Moldflow Insight umožňuje řešit tzv. „malé a velké deformace“ (Small Deflection, Large Deflection). „Velké a malé deformace“ je název typu
analýzy, který přímo nesouvisí se skutečnou velikostí deformace. Analýzou „malých deformací“ je myšlena lineárně elastická deformace ortotropního materiálového modelu. Ten je použit v případě polymeru plněného skleněnými vlákny. V případě polymeru bez vláken je použit isotropní materiálový model. V případě „velkých deformací“ jsou použity stejné materiálové modely, ale počítá se zde se ztrátou stability stěny a deformace vstřikovaného dílu tak mohou být o řád vyšší (14). Tento výpočtový model je vhodný zejména pro duté tvary vyztužené žebrováním, kdy dochází ke ztrátě stability stěny vstřikovaného dílu vlivem reziduálního napětí po vyhození z dutiny formy.