Koncept vstřikovací formy pro vysoce plněné polymery

Ing. Jakub HUBA

Doctoral thesis

Mold Design Concept for Injection Molding of Highly Filled Compounds

Abstract:

The thesis discusses the mold design for highly filled polymer melts, with a special emphasis on powder injection molding (PIM) compounds, which substantially differs from mold design requirements applied to conventional thermoplastic injection molding. First part of the Thesis is devoted to a phase separation during injection molding. The mold design to quantify separation recently proposed by the PIM research group at TBU is treated with flow simulation approach (Moldflow). The data obtained from a capillary rheometry (viscosity) and differential scanning calorimetry (specific heat capacity) and modified transient plane source technique (thermal conductivity) is implemented to Cross model, where temperature-induced physical changes are predicted with the help of Williams-Landel-Ferry equation (WLF). Both models are used for simulations, and according to the results obtained, the new mold design is proposed. Simultaneously, the phase separation is detected with computed tomography on the real samples of stainless steel feedstock used in PIM. As it is found that the separation is closely related to shear rate gradients accompanied with temperature changes, infra-red sensors are installed into the new testing mold to intercept the areas prone to this issue. Real observations made on PIM compounds are compared with simulated ones, and statistically analysed. Second part of the Thesis is focused on a common problem during injection molding - weld line formation, which is most severe for highly filled polymers due to a lack of polymer entanglement across the approaching of the flow fronts. To increase time for an entanglement, the mold inserts from various materials (copper, aluminum, bronze, epoxy resin, and epoxy resin with hexagonal boron nitride, acrylic 3D printing material) with different thermal conductivity are used. It is shown (with the support of carefully selected statistical methods) that in case of conventional highly filled compounds as wooden plastic composites, weld lines have a considerable effect on the tensile strength, while for PIM feedstocks have not, but the presence of a weld line in a PIM part may be beneficial as it results in the shortening of the filling trajectory, and subsequently, leads to the time saving during molding.

Abstract:

Dizertační práce se zabývá koncepcí návrhu vstřikovacích forem pro vysoce plněné polymerní taveniny s důrazem na materiály pro práškové vstřikování (tzv. PIM technologii), kde se design nástrojů částečně liší v porovnání s požadavky pro vstřikování termoplastů. První část práce je věnována fázové separaci, která vzniká během vstřikování vysoce plněných polymerních tavenin. Vstřikovací forma pro kvantifikaci fázové separace, jejíž konstrukci navrhla výzkumná skupina pro PIM na UTB ve Zlíně, byla podrobena tokové analýze (Moldflow). Získaná materiálová data pro výpočet viskozity, měrné tepelné kapacity a tepelné vodivosti byla implementována do simulace založené na viskozitním modelu Crosse. K predikci změny viskozity v závislosti na teplotě byl využit Williams-Landel-Ferry model. Z výsledků simulací byl odvozen návrh nové testovací geometrie. K detekci fázové separace na reálných PIM vzorcích na bázi nerezové ocele byla využita počítačová tomografie. Bylo zjištěno, že fázová separace je úzce spjata s gradienty rychlosti smykové deformace. Jelikož jsou tyto gradienty doprovázeny změnou teploty, byla lokalizovaná kritická místa formy osazena infračervenými senzory pro měření teploty taveniny. Data získaná z měření byla porovnána s průběhy teploty během simulace procesu a statisticky vyhodnocena. Druhá část práce pojednává o standardním problému během vstřikování - studeném spoji, což je v případě vysoce plněných polymerů (v důsledku nedostatečné difuze čel taveniny v místě studeného spoje) jeden z vážných problémů doprovázejících jejich zpracování. Pro prodloužení doby pro formování polymerních zapletenin byly použity vložky vstřikovací formy s různou tepelnou vodivostí (měď, hliník, bronz, epoxidová pryskyřice, epoxidová pryskyřice plněná hexagonálním nitridem bóru a akrylátová vložka z 3D tiskárny). V práci je statisticky podloženo, že v případě vysoce plněných polymerů na bázi tzv. WPC kompozitů, studené spoje mají značný vliv na pevnost, zatímco PIM směsi nevykazují žádnou závislost. V případě PIM materiálů však přítomnost studeného spoje zkracuje tokovou dráhu, což může vést k časové úspoře během vstřikovací fáze procesu.

Keywords

Vysoce plněné systémy, vstřikování, fázová separace, tokové analýzy, infračervené senzory, studené spoje, teplotní vodivost, počítačová tomografie, pevnost v tahu

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 6. 5. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 27. 6. 2019
• Supervisor: prof. Ing. Berenika Hausnerová, Ph.D.

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Process Engineering / Tools and Processes