Wtryskiwanie elastomerów sieciujących – jak połączyć kropki?

Wtryskiwanie Elastomerów

Ponad dziesięć lat temu, gdy zmieniałem moje miejsce pracy i przechodziłem z wtryskiwania “plastików” na wtrysk “gumy” pogoda była taka jak dziś. Odbijający się od betonowych powierzchni blask słoneczny raził w oczy, a metalowa klamka do drzwi wejściowych na halę parzyła w ręce. Pamiętam, że jadąc jeszcze do nowej pracy miałem wątpliwości co do słuszności mojej decyzji, ale jak już wysiadłem z auta prosto na tę rozpaloną słońcem patelnię, przeszło mi. To jest przecież wtryskownia elastomerów sieciujących. Cylindry maszyn są “zimne”. Na pewno w środku będzie chłodniej niż było przy wtrysku termoplastów.

Cylindry oczywiście były zimniejsze, ale formy grzano do temperatury grubo powyżej 200°C, a jeszcze pachnące “sokiem z dinozaurów” świeże wypraski bez litości oddawały ciepło z tych form do otoczenia.

“Do you feel lucky, Punk?” Zabrzmiał mi w głowie głos Harrego. Na chwile wątpliwości wróciły, ale zaraz potem pojawił się plan. Skoro jestem w piekle, to wystarczy tylko trzymać sztamę z diabłem i starać się nie wpaść do kotła… i jakoś to będzie.

Diabła nie spotkałem, ani kotłów z gotującą się smołą. Był na za to Demon Szybkości, Bies na Baby, Murgrabia Satanistów i Piekielny Sabała. Nawdychałem się sporo substancji smolistych i czasami na prawdę była niezła Boruta. 😉

Poznałem też kilka zaklęć z Czarnej Księgi Grzechów Wulkanizacji. Wybrane wersy znajdziesz poniżej.

Wtrysk to dopiero początek

Powiedziałbym nawet, że dość mało istotny element procesu jeśli chodzi o najbardziej nas interesujące właściwości fizyczne wyrobu gotowego (wytrzymałość, twardość, odporność na ścieranie).

Gumę otrzymuje się w wyniku sieciowania kauczuków w procesie wulkanizacji. Termin wulkanizacja określa nie tylko samą reakcję chemiczną sieciowania, ale również sposób jej prowadzenia. Aczkolwiek, sieciowanie zaczyna się już podczas wypełniania gniazda formy, to kluczowym jest to co następuje potem.

Zatem operacja, w wyniku której z plastycznej mieszanki gumowej otrzymuje się elastyczny wyrób to raczej wulkanizacja w ogrzewanej formie, a nie wtryskiwanie elastomerów.

Wulkanizacja jest jak ogr

Tak – śmierdzi.., ale ma też warstwy, a konkretniej mówiąc to etapy:

  1. podwulkanizację,
  2. obszar wulkanizacji właściwej,
  3. optimum wulkanizacji,
  4. obszar stałej wartości modułu,
  5. przewulkanizowanie.

Do oceny procesu wulkanizacji używa się specjalnych aparatów zwanych wulkametrami. Zasada ich działania polega na pomiarze zmiany momentu obrotowego wirnika umieszczonego w badanym materiale podczas ogrzewania go w określonej temperaturze. Zmiany momentu obrotowego są wynikiem zmian wielkości naprężenia ścinającego, powstającego podczas ruchu wirnika pomiędzy badanym materiałem a wirnikiem.

W wyniku pomiaru danej mieszanki gumowej w wulkametrze otrzymujemy tzw. krzywą wulkametryczną, dzięki której możemy określić poszczególne etapy wulkanizacji.

krzywa wulkanizacji gumy
Przykładowa krzywa wulkametryczna

Poszczególne właściwości gumy osiągają swoje opitma w różnych etapach wulkanizacji. Najlepszą odporność na rozdzieranie w warunkach statycznych jak i wielokrotnego rozciągania osiąga guma na etapie nieznacznego niedowulkanizowania. W optimum wulkanizacji wyrób ma najlepszą z możliwych wytrzymałość na rozciąganie i odporność na starzenie i ścieranie. Przy nieznacznym przewulkanizowaniu guma ma najlepszą elastyczność, stopień odkształceń trwałych i odporność na pęcznienie.

Czyli dla danej mieszanki gumowej możemy modyfikować właściwości wyrobu finalnego odpowiednio modyfikując parametry procesu wulkanizacji. Tutaj diabeł też tkwi w szczegółach. 😉

A imię bestii to ‘Gummifederelement’

Z takimi potworami niczym lekko stuknięty, ale dzielny Don Kichot miałem zaszczyt walczyć. Miejscowi nazywali je jeszcze gorzej, ale to po prostu gumowy element sprężysty – tuleja podwozia, poduszka silnika itp. Nie będę tutaj snuł opowieści o moich mniej lub bardziej doniosłych zwycięstwach, a jedynie chciałbym Ci pokazać jak można wykorzystać opisaną wyżej krzywą wulkametryczną przy produkcji tego typu części.

Problem

Kupując zwykłą metalową sprężynę oprócz jej wymiarów interesuje nas też jej sztywność, czyli tzw. stała sprężystości. Gdy dobieramy z katalogu gumowy element sprężysty jest podobnie. Tylko tym razem stała sprężystości nie jest stała. Jak to zwykle z materiałami polimerowymi bywa jej wartość zależy od prędkości odkształcania, wielkości odkształcenia, temperatury i Bóg wie jeszcze od czego. Dlatego w tym przypadku mówi się o charakterystyce sztywności danego elementu.

Nikt oczywiście nie wyznacza za każdym razem tej charakterystyki dla każdej wulkanizowanej tulejki, ale jakoś sprawdzić trzeba czy to, co produkujemy jest dalej tym za co płaci klient. Zwłaszcza, że jak pisałem wyżej nawet drobna zmiana warunków wulkanizacji znacząco wpływa na właściwości mechaniczne wulkanizatu. Dlatego we wtryskowniach gumy wykonuje się w określonych warunkach pomiar stałej sprężystości danego elementu. Jest to stała, a więc jedna liczba, także sam pomiar też jest uproszczony. Mimo tego trwa on jednak długo – za długo żeby czekać na wynik ze startem nowej serii produkcyjnej lub zmianie partii mieszanki gumowej. Jeśli wynik jest nieprawidłowy, to zwulkanizowane w międzyczasie części to po prostu braki – strata, której można uniknąć.

Rozwiązanie

Można wykorzystać opisaną wcześniej krzywą wulkametryczną. Gdyż okazuje się, że maksymalna wartość momentu odczytana z krzywej wulkametrycznej mieszanki gumowej użytej do wulkanizacji całkiem nieźle koreluje z wartością stałej sprężystości już zwulkanizowanej części.

Na rysunku poniżej widać poszczególne pomiary (czerwone romby) jak i dopasowany do nich model regresji liniowej.

zależność sztywności od momentu
Stała sprężystości w funkcji maksymalnego momentu obrotu wirnika wulkametru

Regresja liniowa

Jak widać zwykła liniowa regresja zrobiona w arkuszu kalkulacyjnym jest już nam w stanie sporo pomóc. Teraz na podstawie pomiaru wulkametrem mieszanki jesteśmy w stanie sprawdzić czy zwulkanizowane na niej “sprężyny” będą odpowiednio sztywne. Wyznaczenie krzywej wulkametrycznej jest dużo szybsze niż wyznaczenie sztywności. Można też ten pomiar wykonać na długo przed produkcją elementów, gdyż teraz nie są one do pomiaru potrzebne.

Jak widać w tabelce poniżej, dokładność naszego modelu jest całkiem niezła.

Moment [dNm]Sztywność wyznaczona z regresji [kN/mm]Zmierzona sztywność [kN/mm]
10,692,692,62
11,092,832,88
10,212,522,90
10,072,472,08
10,262,533,01
Porównanie zmierzonych i prognozowanych wartości sztywności

Uczenie maszynowe

Gdy pochylimy się nad problemem jeszcze bardziej i zastosujemy algorytmy uczenia maszynowego np., BCA używany w STASA QC, to otrzymamy jeszcze lepsze wyniki. Zwłaszcza dla części gdzie nie jest zachowana taka ładna liniowa zależność, ale nawet tutaj, gdzie ta zależność jest, widać poprawę. Model regresyjny dla tego przypadku mylił się średnio o 0,27 kN/mm podczas gdy STASA QC o 0,21 kN/mm.

Podsumowanie

Wtryskiwanie tworzyw termoplastycznych i sieciujących można porównać do Ziemi i Słońca. Oba ciała niebieskie ludzkość zna od bardzo dawna, ale w dużo lepszym stopniu odkryła to pierwsze. Słońce choć niezbędne do życia, to nadal w dużym stopniu pozostaje dla nas zagadką. Na mapie przetwarzania termoplastów są jeszcze białe plamy, ale w przetwórstwie tworzyw sieciujących jest wręcz odwrotnie. Tylko kilka szlaków jest nam znanych.

Wytyczenie nowych możemy przyspieszyć poprzez narzędzia wspomagania komputerowego. Będzie wtedy nam łatwiej połączyć kropki. 😉