Při vstřikování plastů vzniká ve vyrobených dílech
napětí. V tomto příspěvku bychom chtěli krátce
zmínit význam analýzy smykového napětí, napětí
von Mises (příp. hydrostatického napětí) a napěťového
dvojlomu. Všechna tato napětí mají vliv
na kvalitu vstřikovaného výrobku. Vyhodnocení
vypočítaných napětí je tedy velmi důležité, neboť
uživatelům simulačního softwaru Cadmould 3D-F
umožňuje analyzovat nebezpečí vzniku vzhledové
závady a velikost výsledné deformace. Vnitřní napětí
ovlivní také pevnost plastového dílu.
Smykové napětí vzniká ve vtokovém systému
a ve tvarové dutině vstřikovací formy především
během plnicí fáze. Toto napětí je způsobeno rozdílnou
rychlostí proudění jednotlivých vrstev
polymerní taveniny vzhledem k průměru kanálu
nebo tloušťce stěny dílu. Každý plastový materiál
má přiřazeno limitní smykové napětí. Pokud by
došlo k výraznějšímu přestoupení limitní hodnoty
po delší dobu (většinou od desetin sekundy výše),
pak by vzniklo nebezpečí narušení makromolekul
doprovázené vznikem vzhledových závad a zhoršením
mechanických vlastností.
K přestoupení limitních hodnot smykového
napětí může dojít v zakončení horké trysky včetně
jejího ústí, v poddimenzovaných studených
vtokových kanálech, v zúžených ústích vtoků
do tvarové dutiny formy (především u bodových
a tunelových vtoků), ve slabších stěnách dílu
a v místech, kde se výrazně zvýší rychlost proudění
taveniny (např. v místech posledního plnění
tvarové dutiny). Počítačovou analýzou lze odhalit
oblasti nepřijatelně vysokého smykového napětí
a navrhnout různé konstrukční úpravy: použít jiný
typ horké trysky, zvětšit velikost ústí vtoku,
vhodně nastavit rychlosti vstřikování atd. Příklad
konstrukce se stanoveným smykovým napětím
ve tvarové dutině je uveden na obr. 1.
Je velmi důležité uvést, že rovněž příliš nízké
smykové napětí není žádoucí. Vhodná úroveň
napětí vytváří teplo v proudícím materiálu, které
snižuje chladnutí taveniny ve formě mající nižší
teplotu. Vhodná rychlost proudění a tedy potřebná
úroveň napětí zajistí rovnoměrnější distribuci
teplot taveniny během vstřikovací fáze a tím
i lepší zatékavost. Taveniny plastů vykazují různý
stupeň sklonu k vytváření smykového napětí.
K materiálům, u kterých vzniká vyšší úroveň
smykového napětí (nebo které jsou na napětí citlivé),
patří POM, PC atd.
Zatímco smykové napětí vzniká především
ve fázi vstřikování, vnitřní (zbytkové) napětí je
důsledkem celého vstřikovacího procesu. Vnitřní
napětí zůstává uzavřeno v plastovém dílu
i po jeho výrobě a ovlivňuje mechanickou pevnost
dílu, sklon k dodatečným deformacím (např.
při zvýšené aplikační teplotě) a v některých případech
ovlivňuje i vzhledové vlastnosti (transparentní
díly). Software Cadmould 3D-F pomáhá
vypočítat tato napětí: maximální napětí von Mises
po tloušťce stěny (obr. 2) a napětí von Mises
ve vrstvách (v různých vzdálenostech od povrchu
dílu), střední hydrostatické napětí a rovněž hydrostatické
napětí ve vrstvách.
Vnitřní napětí může způsobit zákeřné problémy.
Vyrobené plastové díly, zabudované do výrobních
sestav, začnou např. po určité provozní
době v některém místě praskat. Často jsou tyto
praskliny způsobeny právě vnitřním napětím. Při
zpracování strukturních (mechanických) analýz
je proto důležité do výpočtu nezahrnout pouze
konstrukci dílu, materiál dílu a způsob namáhání,
ale také přenést softwarem Cadmould 3D-F stanovené
úrovně vnitřního napětí. (K přenosu napětí,
orientace vláken, tlaku a teplot slouží modul
Cadmould 3D-F Converse.)
Cadmould 3D-F vypočítává také napěťový
dvojlom, obr. 3. Dvojlom je rozptyl paprsku světla
při průchodu anizotropním materiálem. Dvojlom
mohou však vykazovat i izotropní materiály,
pokud jsou mechanicky namáhané nebo se v jejich
taveninách vytváří napětí při proudění a následném
chladnutí během vstřikovacího procesu.
Výpočet dvojlomu nás bude zajímat především
při vstřikování čoček a optických systémů, tedy
při vstřikování transparentních materiálů. Simulačním
úkolem pak bude minimalizovat velikost
napěťového dvojlomu, a to návrhem konstrukčních
úprav dílu, změnou polohy vtoku a úpravou
technologie.
Simulační výpočty napětí jsou velmi důležité,
protože při klasickém vstřikování nelze tato
napětí ve výstřiku, s výjimkou transparentních
materiálů, rozpoznat. Pokud zjistíme nežádoucí
hodnoty napětí, můžeme se pokusit napětí
optimalizovat různými konstrukčně-technologickými
zásahy, a tím zvýšit kvalitu vstřikovaných
dílů. Jiří Gabriel
