Mikroniek nummer 5 - 1994

17 4

Dr. F.W. van der Wei' Prod. Ir. A. Anemaat t Spuitgieten is een economisch verant- woorde methode voor de massafabri- cage van kunststof produkten. De ei- sen die men aan maat- en vormnauw- keurigheid van deze produkten stelt worden steeds strenger. Om de haal- baarheid in te kunnen schatten moet men de opbouw van de tolerantie op de produktmaat kennen. De maatto- lerantie wordt bepaald door de ma- trijstolerantie, de mate van procesbe- heersing en het krimpgedrag van de kunststof. Men kan onderscheid ma- ken tussen drie nauwkeurigheidskìas- sen: precies, nauwkeurig en normaal. Door de keuze van het meest geschik- te materiaal, goede procesbeheersing en correcte matrijsconstructie waar- bij de kritische maten matrijsgebon- den maten zijn, is een maatnauwkeu- righeid van + 0,05 procent mogelijk. Als men hogere eisen aan maat- en vormnauwkeurigheid stelt, moet men integraal en in detail de invloed van matrijs, machine, materiaal en me- thode op de vorm en maatvoering kennen. De grenzen aan het haalbare worden bepaald door de mate van in- homogeniteit van de warmteafvoer uit de produkthoìte en door de nauw- keurigheid waarmee matrijsonderde- len aangemaakt kunnen worden, Met behulp van computersirnulaties, toepassing van nieuwe materialen en bewerkingsmethoden zal uiteindelijk een precisie van 1 p d c m binnen be- reik komen.

Spuitgieten is een economisch verant- woorde methode voor de massafabnca- ge van kunststofprodukten. Er z i p wei- nig beperkingen ten aanzien van vorm en complexiteit van de produkten. De produktconstructeurs maken daar dank- baar gebruik van door in het ontwerp functies te integreren en daardoor het aantal onderdelen van het produkt te mi- nimaliseren. Ook kunnen voorzieningen worden in- gebouwd ter vergemakkeliJking van de

Philips CCP maakt kunststofprodukten voor machines en

uiteindelijke assemblage. De eisen die inen aan de maat- en vorm- nauwkeurigheid van dit soort complexe produkten stelt worden steeds strenger. Enerzijds komt dit omdat men $toring- vríje automatische assemblage wenst, anderzijds omdat bepaalde onderdelen vanwege hun functie zeer precies moe- ten zijn. Daar komt nog bij dat de spuit- gieter een beheerst proces wenst en dus ook voor niet kritische produkten maxi- male reproduceerbaarheid nastreeft. In dit artikel wordt nader ingegaan op haalbaarheid van produktioleranties en op de factoren die van belang zijn als men de hoogste precisie-eisen stelt, met name ten aanzien van machine, matrijs, inateriaal en methode.

Poie~antieklassen De toleranties op de vorm en de afme- tingen van kunststofprodukten zijn af- hankelijk van een complex van factoren die bepaald worden door de gebiuikte kunststof, de verwerkingscondities, de toestand van de matrijs, de manier van aanspuiten en dergelijke.

bedriifsmechanisatieapparatuur

Mikroniek nummer 5 - 1994

I50

Spuitgieten van precisie kunststofprodukten

Ontwikkeling van optische componenten van kunststof bil PMF - Plastics Innovation Group

Vormafwijkingen vertonen geen nor- male verdeling, zodat het optellen van toleranties voor de bepaling daarvan niet zinvol is. Bij maattoleranties is op- tellen van de toleranties wel toegcstaan. De uiteindelijke produktmaat hangt af van de matrijsmaat bij de gewenste ma- trijstemperatuur en de krimp van de kunststof. De krimp van de kunststof heeft de grootste invloed op de vanatie in afme- tingen van het produkt: de krimpsprei- ding bepaalt in belangrijke mate de to- lerantie.

A a a n m a a k t o l e r a n t i e matrijs 0 therm. u i tze t t ing matrijs C krimp m a t e r i a a l D nakrimp/fys . oudering E vochtopname F i e m p e r e i u u r v a r ~ a t i e s

Figuur 1 Schematische weergave van de opbouw van toleranties op een produktmaat

Het begrip krimp is gedefinieerd als verschil tussen de matrijsmaat bij 23°C en de afmeting van het uit die matrijs af- komstige kunststofprodukt nadat het 24 uur is bewaard bij normale omgevings- condities ( 23°C en 50 procent RV). Nakrimp is in dit artikel gedefinieerd als de krimp van het produkt na de eer- ste 24 uur. De nakrimp vindt hoofdza- kelijk plaats gedurende de eerste twce weken. Een nabehandeling, bijvoor- beeld oudering bij verhoogde tempera- tuur of conditionering, is nuttig als het produkt snel op zijn eindmaat gebracht moet worden. De produktmaat is dan ook de maat die bepaald is bij 23°C en 50 procent RV, 24 uur na de nabehan- deling. Na afname kunnen maten en vormen nog veranderen door krimp en vochtopneming. In figuur 1 is één en ander schematisch weergegeven. Hier is geen rekening ge- houden met het eventueel optreden van kruip onder invloed van een mechani- sche belasting. De haalbare toleranties zijn in sterke mate afhankelijk van de kosten die ge- maakt inogen worden voor de aanmaak van de matrijs en voor de procesbewa- king. In navolging van reeds bestaande nor- men op dit gebied, zoals DIN 16901 en de SPI materiaalnormen, zijn de toler- anties in nauwkeurigheidsklassen inge- deeld:

Klasse I = precies Kenmerken: uitgekiende en aangcpaste precisiematrijsen, soms te vcrkrijgen via een vooraf te maken proefmatrijs; technisch optimale verwerkingscondi- ties ten aanzien van cyclustijd, proces- beheersing en afwerking; intensieve procescontrole. Hoge extra kosten.

Klasse II = nauwkeurig Kenmerken: nauwkeurige matrijzen; verwerkingscondities minder kritisch; de controle van het eindprodukt ge- schiedt door steekproeven. Matige extra kostcn.

Klasse III = normaal Kenmerken: de matrijzen hebben nor- maal te verwezenlijken toleranties; ver- werkingscondities zijn afgestemd op zo goedkoop mogelijke produktie; geen bijzondere eindcontrole. Normale kosten.

De nauwkeurigheidsklasse wordt be- ,: paald door de nauwkeurigste maat van een produkt. De maattolerantie vinnen een nauwkeurigheidsklasse wordt be- paald door de matrijstolerantie, de ma- te van procesbeheersing en de eigen- schappen van de kunststof.

Matrijstoleranties De toleranties op de matxijsafmetingen hangen af van gekozen bewerkingsme- thode. Slijpen, rondslijpen, zinkvoiiken en draadvonken zijn nauwkeurige be- werkingsmethoden. Frezen en kopiëren ziin minder nauwkeurige bewerkingen, echter, met machines met NC besturing kan in een bepaalde bewerlungstijd veel nauwkeuriger worden gewerkt dan met conventionele machines. Voor het bepa- len van de toleranties wordt verder nog een onderscheid gemaakt tussen tnatrijs- gebonden maten die gerealiseerd worden in een star matrijsdeel en niet-inatrijsge- bonden maten die tot stand komen door het samenspel van meerdere beweeglijke elementen in de matrijs; zie figuur 2.

T &-uw k&RFwSdsW' n

Figuur 2 Voorbeeld van motriisgebonden maten en nier-matripgebonden niaten

Mikroniek nummer 5 - 1994

IPk :. l., *$A

Tabel 1. Indeling van materialen met vergelijkbare verwerkingstoleranties in groepen.

De matrijstoleranties voor de niet-ma- trijsgebonden maten zijn ongeveer het dubbele van de toleranties van de ma- trijsgebonden maten. Soms rekent men voor deze laatste groep 0,l - 0,2 mm extra tolerantie. Extra afwijkingen kunnen optreden ten gevolge van slijtage, opspanfouten bij matrijsmontage, inatrijs-temperatuur- verschillen en doorbuiging van matrijs- delen. Er is geen directe correlatie tussen nauwkeurigheid en de kosten van een matrijs. De matrijskosten zijn niet al- leen afhankelijk van het aantal bewer- kingen maar ook van de bewerkmgs- methoden. Zinkvonken geldt als een langzame, nauwkeurige en dure bewerkingsme- thode. Door moderne CNC besturing kan een Linkvonk machine 's nachts en in het weekend onbemand doordraaien, hetzelfde geldt voor het draadvonken. In het algemeen moet worden gesteld dat iedere maat die nauwkeuriger is dan normaal extra geld kost.

1 GroepB

i GroepD

Vennrerkingstolerunties De toegepaste kunststof bepaalt welke verwerkingstoleranties in de genoemde nauwkeurigheidsklassen kunnen wor- den gehaald. Er zijn grote verschillen in verwerkingstolerantie tussen de diverse typen kunststof. Die worden veroor- zaakt door verschillen in aard en hoe- veelheid vulstof, kristalliniteit, vloeige- drag en dergelijke. Daarom Lijn de meest gebruikte materialen in vijf groe- pen ingedeeld, gebaseerd op ervarings- gegevens; zie tabel 1

De scheiding tussen de groepen is min- der scherp als in de tabel wordt gesug- gereerd. De indeling moet gezien wor- den als een indicatie. In tabel 2 is per groep de tolerantie aangegeven die kan worden bereikt bij het spuitgieten of persen van een produkt in de verschil- lende nauwkeurigheidsklassen.

Speciale effecten die optreden bij over- matige oriëntatie van de kunststofmole- culen of bij uitzonderlijk grote wand-

klasse I = precies klasse II = nauwkeurig klasse III = normaal

Tabel 2. Haalbare bewerkingstoleranties per materiaalgroep bij het spuitgieten. .____- . ..

dikteverschillen zijn buiten beschou- wing gelaten, omdat hierbij afwijkin- gen kunnen optreden, die buiten de nor- male verwerkingstoleranties vallen. Gegeven een bepaaId materiaal speelt de wijze van verwerking en de mate van procesbeheersing een belangrijke rol. De verwerking van thermoharders vindt onder andere omstandigheden plaats dan die van thermoplasten, vanwege het optreden van chemische reacties die lei- den tot vernetting van de massa. Bij thermoplasten kan men het spuit- gietproces onderverdelen in vier fasen. - plasticeerfase - vulfase - nadrukfase - koelfase In het onderstaande worden deze fasen apart behandeld. In figuur 3 is de invloed van het holte- drukniveau op de produktkwaliteit ge-

l MATERIAALI

PLAST IF I CEREN e holtedruk

sponningsscheuren sluitkracht I

produkt vol

kristol- or lentat les

inw spanningen ormi'

vloeilijnen

t PRODUKT

Fi uur 3 Fasen in het spuit ietproces Invloed van hogtedrukniveau op produkfwaliteit

,*

Mikroniek nummer 5 - 1994

u r L i P k --.

1

Spuitgieten van precisie kunststofprodukten

Deel van de pipet voor de assemblogemachine voor Surface Mounted Devices

1 k r i m p

I nak r imp . k r impspre id ing

krimp

nak r imp . kr impspre id ing

- massatemperatuur incpu i tsnelhe i d

Figuur 4 Invloed van de massatemperatuur op de krimp, krimpspreiding en nakrimp

Figuur 5 invloed van de inspuitsnelheid op de krimp, krimpspreiding en nakrimp

1 nak r imp . k r impspre id ing nak r imp . k r impspre id ing

I -a6-

Figuur 7 Invloed von de nadruk op de krimp, krimp- spreiding en nakrimp

mat r i j s te rnpera tuu r nadruk

Figuur 6 invloed van de motrilstemperatuur op de krimp, krimpspreiding en nakrimp

-- -- A

Figuur 8 Opbouw van thermische spanningen met als gevolg hoge in- wendige spanningen (a], of vormaibiikingen

B T hoger C [b en c)

durende deze fasen schematisch weer- gegeven. Daarbij moet aangetekend worden dat de plasticeerfase in de tijd onder de koelfase valt.

Plasticee f a s e Plasticeren is bedoeld om een smelt te creeren met een homogene tempera- tuur. Afhankelijk van schroeftype en materiaal geschiedt de opwarming van de smelt in meer of mindere mate door inwendige wrijving en door warmteo- verdracht vanuit de cilindermantel. Verhoging van de inassatemperatuur heeft weinig invloed op de absolute krimp. Afhankelijk van het produkt kan een geringe verhoging of verlaging van de krimp optreden. BIJ verhoging van de massatemperatuur is er wel sprake van verlaging van de krimpspreiding en de nakrimp; zie figuur 4.

Vulfase Bij het vullen van een malrijsholte met een themoplastische kunststof heeft men te maken met het reologisch ge- drag vaii de smelt en met warmte-over- dracht naar de matrijs.

- Reologisch gedrag: De inspuitfase is een stromingsproces. Door de afschuifspanningen worden de moleculen georiënteerd. De viscositeit is hoog, zodat er grote krachten op de stroinende kunststof inwerken. Verho- ging van de inspuitsnelheid heeft wei- nig invloed op de krimp. Het verloop van de krimpspreiding tegen de spuit- druk vertoont een minimum; zie figuur 5. Bij te hoge spuitdruk kan de holte sterk vervornien en wordt de matrijs tenslotte open gespoten, vooral als te laat wordt omgeschakeld op nadruk. Door de hoge viscositeit van de smelt wordt het vulbeeld hoofdzakelijk door de geometrie van de holte en niet door het proces bepaald. Dit is de reden waarom het idspuitproces te modelle- ren is in CAE programma's. Dat de voorspellende waarde van CAE programma's ten aanzien van benodig- de drukken te wensen overlaat heeft te maken met het feit dat de kunststof- smelt zich visco-elastisch gedraagt ter- wijl de huidige rekenmodellen uitgaan van een visceus gedrag

-Thesmisch gedrag: Tussen matrijswand en kunststofsinelt

i i

, *,<,. ' V

Mikroniek nummer 5 - 1994 . ' -.,,i?

'

I 153 I

bestaat een groot temperatuurverschil. De kunststof stolt zodra hij de holte- wand raakt. Dit heeft twee vervelende effecten op de produkteigenschappen: - oriëntatiespanningen (afschuifspan-

ningen) worden ingevroren voor ze de kans krijgen te relaxeren;

- de doorsnede van het stromingska- naal wordt kleiner, waardoor de drukgradient in de smelt toeneemt. Figuur 6 geeft voor een vlakke schijf de temperatuurverdeling en de snel- heidsverdeling in de doorsnede van 1,16 mm. De stromingsdoorsnede is tot 60 procent gereduceerd

Bij het analyseren van de spanningstoe- stand van een produkt kan men dan ook altijd aan de rand van het produkt de meeste oriëntatiespanningen en koel- spanningen vaststellen. Men spreekt in deze ook wel van entropie-elastische spanningen en energie-elastische span- ningen. Verhoging van de matrijstempe- ratuur leidt tot een verlaging van deze spanningen in het Produkt, tot verhoging van de knmp en tot verlaging van de na- krimp en de maatspreiding; zie figuur 7.

Nudruk@se De nadrukfase is vooral belangrijk voor het reduceren van de energie-elastische spanningen, de spanningen die opge- wekt worden door het inhomogeen af- koelen van het materiaal. Kunststoffen vertonen een grote thermische volume- krimp en (gelukkig) ook een grote com- pressibiliteit. De nadrukfase moet er- voor zorgen dat de kunststof onder ho- ge druk afkoelt en dat de thermische volume-krimp zo lang mogelijk ge- compenseerd wordt tijdens het afkoe- len. Verhoging van de nadruk leidt in het algemeen tot vermindering van de krimp en verhoging van het produktge- wicht, Verlenging van de naàruktijd leidt, zolang de aanspuiting nog niet af- gevroren is, tot vermindering van de nakriinp, zie figuur 8.

_, .

I

Enkele Produkten van de afdeling Precisie Spuitgieten van Philips Competence Centre Plastics

Bij Produkten met een wanddikte gro- ter dan l mm, moet men de lay-out van het aanspuitsysteem vooral op de na- drukfase afstemmen, en niet op de vul- fase, zoals de meeste leveranciers van vulprogramma's stellen. Verschijnse-

trekken zijn terug te voeren op verkeerd gedimensioneerde aanspuitingen.

I len zoals inval, krimpholtes en krom-

mat r ijsgebonden maten

Figuur 9 Haalbare produkttoleranties voor groep A r,iater

Koelfase Na het dichtvriezen van de aanspuiting koelt het produkt verder af, zonder dat men het proces nog kan beïnvloeden. Het produkt krimpt verder en bouwt, afhankelijk van de voorgeschiedcnis, thermische spanningen op. Een moge-

iolen bil matripgebonden maten

lijkheid om bij vlakke Produkten nog enigszins deze fase te beinvloeden, IS bijvoorbeeld het 'Spritzpragen' of het laten ademen van de matrijs gedurende de afkoelfase De vlaktedruk werkt dan als een soort homogene nadruk. In fi- guur 9 zijn voor de volledigheid de be-

Mikroniek nummer 5 - 1994

I P k - 15

Spuitgieten van precisie kunststofprodukten

langrijkste oorzaken van vervormingen en thermische spanningen aangegeven. Hieruit blijkt eens te meer dat men moet nastreven de temperatuurgradiën- ten te reduceren

Prsdukttoleran ties In figuren 10 en 1 I zijn voor de groep A materialen de haalbare produkttoler- aiities uitgezet voor inatrijsgebonden en niet-matrijsgebonden maten. Hier- voor zijn de verwerkingstoleranties en de materiaaltoleranties opgeteld. Bij deze grafieken is het gebied van O - 50 inm omwille van de afleesbaarheid uitgerekt. Voor de kleinste afmetingen zijn de krommen gecorrigeerd voor een minimale spuitgiet- en perstolerantie van respectievelijk 5, 10 en 35 pm voor de verschillende Hassen De gctrokken lijn geeft in de betreffen- de klasse de tolerantie aan, die haalbaar is met de meest nauwkeurige matrijsbe- werking (Linkvonken, draadvoiiken en slijpen j. Met de stippellijn is de tolerantie aan- gegeven, die haalbaar is met de minst nauwkeurige bewerking (kopieren) van de matrijs. Ter vergelijking met het be- grip precisie in dc metaalwereld zijn in

I ,um tolerant ie

de grafieken ook de TSO-normen voor de kwaliteiten 8, 9 en 11 voor metalen uitgezet. De toleranties zijn aangegeven ais een symmetrische + tolerantie. Voor een eenzijdige + of - tolerantie moeten de waarden dus worden ver- dubbeld. Het tolerantiesysteem volgens de figu- ren I O en 11 gaat uit van wat nog haal- baar is; het belang van de onderdelen- verwerker staat voorop. Het DIN-sys- teem maar ook de SPI-normen geven de onderdelenfabrikant meer speel- ruimte bij de produktie. De nauwkeu- rigste klasse volgens DIN 16901, de zo- genaamde ‘Feinwerk-Technik‘ , ligt voor de groep A materialen tussen de klassen II en 111; zie figuur 12 iets der- gelijks vindt men terug in de SPI-norm.

Precisie-vormgeving Als de eisen ten aanzien van maat- en vormnauwkeurigheid veel strenger zijn dan wat volgens klasse I haalbaar is, dan is het niet voldoende dat de fysi- sche grondslagen van het spuitgietpro- ces begrepen worden en dat met een goede matnjs en een goed materiaal wordt gewerkt. De invloed van matrijs,

I II 111

250 rnm i 0.29 O 4\ 0 . 7 0 35 rnm k 0 . 0 6 O I1 O 20 85 rnm I O 1 1 O ZO O 35

150 m m i O . 15 0 . 2 5 O 4 0

Tim niet matrijsgebonden maten

Figuur 1 O Haalbare produkttaleranties voor groep A materialen bil niet-matripgebonden maten

machine, materiaal en methode (de 4M’s) op het resultaat moet integraal en in detail bekend zi-in.

Voor de mate van invloed hiervan ont- breekt alle gevoel wanneer men het over precisie in het micron gebied heeft. In het Competence Centre Plas- tics dat deel uitinaakt van Philips Plas- tics and Metalware Factories krijgt de bestudering van de invloed van elk van deze factoren dan ook evenveel aan- dacht als de theoretische benadering van het proces. Het doel van dit onderzoek is het op een beheerste wijze in massa produceren van kunststofprodukten met een maat- nauwkeurigheid in de orde van 1 mi- crometer per centimeter (0,Ol procent).

Invloed van rnachitze De machine bepaalt het proces voor wat betreft de instelparameters in abso- lute zin en wat nog belangrijker IS, voor wat betreft hun reproduccerbaarheid in to lerant ie f pm 300

200

1 O 0 60 60

4 0

20

40 60 120 160

DIN 16901

TECHNIK FEINWERK-

PHILIPS GROEP A KLASSE 1

a fmet ing mm

Fi uur 1 1 Haalbare produkttoleranties voor groe A l i l matripgebonden maten in vergelilking met & nauwkeurigste klasse volgens DIN 16901

\

800

600

400

200

O 2 O0 2 50 3 O0 4 O0 4 50

t i i a (seci

Figuur 12 Drukregistratie bi het spuitgieten 1 druk in de hydraulische clinder 2 druk in de spuitneus 3 druk in de aans uitfilm 4 druk in het prod)ki

Mikroniek nummer 5 - 1994 , . -,yi

155

de tijd Men kan de machine in twee de- len opgesplitst denken: de sluiteenheid en de inspuiteenheid. De sluiteenheid van de machine is be- doeld om de sluitkracht op de matrijs over te brengen en de vlakheid of cent- rering van beide matrijshelften te reali- seren. Aan de machine stelt men de eis van perfecte evenwijdigheid van de bedplaten (goede geleiding, hoge stijf- heid). De inspuiteenheid bepaalt het verloop van het fysische pi-occs. Door onder- zoek is gebleken dat, wanneer men inatrijsternperatuur, massatemperatuur, inspuitsnelheid en holtedrukverloop re- produceert, men ook de produkteigen- schappen reproduceert. De laatste drie worden bepaald door de machineregeling, die dankzij de ont-

400 410 420 430 440 450 469

Figuur 13 Temperatuurprofiel van de kunststofsmelt gedurende een spuitgietcyclus 1 inspuiten 2 nadrukfase 3 plasticeerfase 4 rest koelfase en cyclusafloop

t i j d (sec1

dikre ipmì 100 MPa 2040 1-1

2030

ZO20

70 10

2000

1990

s lu i ten spui ten 1980

cyclus

Figuur 14 Diktevariatie van een holte onder invloed van de procesdrukken

wikkelingen van de laatste tien jaar op het gebied van servo-hydrauliek, dru- kopnemers, teinperatuurregelingen en- zovoort, langzamerhand standaard is. Voor de normale praktijk is dit vol- doende. Wil men precisieprodukten zoals len- zen spuitgieten, dan blijkt dat onvol- doende. Ter illustratie is in figuur 13 een drukregistratie van respectievelijk de hydraulische druk, de druk in de spuitneus en de holtedruk in de matrijs weergegeven. De wrijving in de inspuitcilinder, die een storingsbron is, veroorzaakt een verschil tussen de gcregelde druk in de hydraulische cilinder en de procesbepa- lende druk in de smelt. Voor een goede beheersing van de na- drukfase is derhalve een klassieke 'hy- draulische drukregeling' onvoldoende. Toepassing van een smeltdrukregeling biedt goede mogelijkheden.

Uit registratie van de massatempera- tuur blijkt dat gedurende een cyclus de smelt niet homogeen van temperatuur is; zie figuur 14. De temperatuur- schommeling wordt in sterke mate be- paald door de schroefgeometrie. Voor een constante en optimale produktkwa- liteit is een homogene smelttempera- tuur gewenst. Voor precisieprodukten zal de schroef- geometrie dus de nodige aandacht moe- ten krijgen.

Invloed van rnntrys Bij de matrijsconstructie zijn vanuit het fysische oogpunt twee parameters be-

9 um

Figuur 15 Vervorming van een holte onder invloed van de procesdrukken

Figuur 16 Vormafwilking (randeffecten) van een vlakke plaat door inhomogene warmteafvoer

langrijk: een vervorrningsvrije holte (mechanische stijfheid) en een homo- gene warmteafvoer van het produkt naar het koelsysteem. De gevolgen van het afwijken van de ideale situatie zijn niet te verwaarlozen. Van beide een kenmerkend voorbeeld: In figuur 15 IS de berekende vervor- ming aangegeven van een eenvoudige testmatrijs. De doorbuiging IS constructief geredu- ceerd tot enkele tienden van niicrome- ters, inaar door de krachten in het pro- ces wordt het staal tientallen microme- ters vervormd. De dikte varieert tijdens het proces 45 pm. Een gedeelte veert terug, een deel blijft achter als ademing van de holte in de vorm van diktetoler- antie. In ieder geval is de aanname van een 'stijve' holte zelfs in dit eenvoudi- ge geval niet meer te handhaven.

Tenslotte ook het klassieke ontwerp doorgerekend, dat wil zeggen een niet- gedeeld holtevormend blok. Alhoewel de vervorming in dit geval minder is, verloop die over de breedte van het pro- dukt niet gelijkmatig; zie figuur 16. Inhomogeniteit van de warmteafvoer is een andere oorzaak van vormafwijkin- gen. Dit uit zich in randeffecten zoals schematisch weergegeven in figuur 17. De hete smelt 'ziet' aan de rand van het produkt meer koud staal dan in het mid- den. Dit heeft tot gevolg dat de kunst- stof aan de rand eerder en vollediger stolt. Daar de gestolde rand minder krimpt dan de smelt is het produkt aan de rand dikker dan op aiidere plaatsen. Afhankelijk van de gebruikte kunststof en de procesomstandigheden kan het hier voor een 2 min dikke plaat om af- wi.jkingen gaan van O tot 100 microme- ter. Voor de volledigheid zij opgemerkt dat thermoharders weinig of geen rand- effecten vertonen.

80

60

40

20

n 30% GV-PC 35% GV-modPP0

aradiaa l Eitangent iaal @dikte

Figuur 17 Anisotropie van de uitzettingscoefficient van íwee glasvezelgevulde materialen

Mikroniek nummer 5 - 1994

-

Spuitgieten van precisie kunststofprodukten

Uit ervaring blijkt voorts dat één van de grootste knelpunten in het bereiken van nauwkeurige Produkten het realiseren van de gevraagde tolerantie in het aan- maken van de onderdelen is. Bewerkin- gen met een nauwkeurigheid van 1 ymkm zijn moeilijk haalbaar.

Invloed van materiaal Materiaalontwikkelingen bij de grond- stofleveranciers richten zich vooral op verbetering van temperatuurbestand- hcid en mechanische sterkte omdat dat nieuwe toepassingsgebieden binnen bereik brengt. Echter, naarnate nien nieer en meer eisen gaat steilen aan de maat en vorm als functie van tijd en temperatuur, moet nien vaststellen dat op dit moment kunststoffen nog onder- doen voor metalen, glas en keramiek. Belangrijke eisen die men aan precisie- materialen stelt zijn: - minimale, isotrope, thermische uitzet-

ting - verwaarloosbare maatveraiidering ten

gevolge van vochtopneming - minimale, isotrope nakrimp ten ge-

volgen van thermische of fysische veroudering.

Figuur 18 toont het onderscheid tussen materialen inet betrekking tot boven- vermelde aspecten. De uitzettingscoef- ficiënt van twee inaterialen is gegeven in de drie richtingen: de stromingsrich- ting (x), dwars op de stroming (y) en in de dikterichting (z).

t e m p e r a t u u r ’ C

240

200

160

120

80

polystyreen t e f l on staai i0 05 cm) (0.01 Cm) 14 cm)

Figuur 18 Effect van een teflonlaag als warmtebar- rière in een matriis o p de temperatuur van de smelt na 0,01,0,5,2,5 en 1 1 seconden (Ming J Liou and Nam P Suh, Polymer Eng 8 Sci , mid-April, 1989)

Polycarbonaat, selfs met hoge glasve- zelvulling, vcrtoont een nagenoeg iso- trope, uitzetting in de x-y richting, ter- wijl een gemodificeerd PPO met glas- vezel in de y-richting SO procent min- der uitzet dan in de x-richting. Het ge-

Bi-aspherische lenzen gemaakt naar sub-micron toleranties voor toepassingen in CD-spelers

volg hiervan is dat er in het tempera- tuurtraject waar het produkt gebruikt wordt, behalve uitzetting ook vorinver- andering zal optreden bij dit materiaal.

Invloed van methode Onder methode kan men twee aspecten onderscheiden. Enerzijds de niethode van verwerking, anderzijds de methode oin Produkten en processen te meten of te registreren binnen de gevraagde nauwkeurigheid. Voor dit laatste aspect is dan ook een speciale meetbank opge- steld, met een nauwkeurigheid van 0,3 Pm. Het meten van matrijsonderdelen of Produkten is het evaluatiecriterium om de vier M’s en de fysische modellen te beoordelen. Uit het onderzoek kan de conclusie worden getrokken dat een vormnauwkeurigheid van enkele ym’s niet haalbaar is. Een van de voornaarn- ste oorzaken is de inhomogene afkoe- ling aan de produktrand, waar een over- gang kunststofistaal optreedt. Verschillende methoden kunnen hier een positieve uitwerking op hebben, zoals stempeldrukken en ‘spitzpragen’ (gebasecrd op het beinvloeden van de nadrukfase) of actief de cyclusgebon- den afkoeling in het produkt aansturen door de wandtemperatuur een geschikt verloop te geven tijdens de cyclus. Het compromis tussen mechanisch gedrag, warmtecapaciteit en warmtegeleiding van het gereedschap is niet ineer ge- voelsmatig te bepalen. Door toepassing van CAE-program- nia’s in de ontwerpfase wordt de slaag- kans sterk vergroot. Uit de literatuur is

een voorbecld overgenomen van een methodc om stromingsgeinduceerde spanningen te reduceren door warmte- barrières. Berekeningen en meetresul- taten zijn in figuur 19 weergegeven. Dit is een voorbeeld van een passieve bein- vlocding van de afkoelfase; inen ver- traagt de afkoeling zodat minder snel een gestolde laag wordt opgebouwd.

Besluit Maat- en vormnauwkeurigheid wordt een belangrijke eigenschap van kunst- stofprodukten. Door inzicht te verwer- ven in de verwerking van kunststoffen en het gedrag van matrijzen kan men belangrijke vorderingen maken op het gebied vaii toleranties. Bij materiaal- ontwikkelingen zal in de toekomst meer en meer aandacht worden besteed aan vorm- en maatvastheid van kunst- stof Produkten als functie van tijd en temperatuur. Bij het stellen van eisen in de grootte van 1 p d c m krijgt de fijnmechanische techniek een herwaardering. het betrekken van de aanmaakmoge- lijkheden van het gereedschap in de ontwerpfase van Produkten is van uit- zonderlijk belang.

Nooi

Dr F W van dei Weij 15 werkzaam bij Philips, mddr

heett inmiddels ccn andere tdak Philips Compcteiice Centre Plastics te Eindhoven dat zich gespccialiqeeid heett in de pioductie van precisie kunststofprodukten is momenteel een zelfstandig operc- rend bcdiijf hinnen de PMF-gioep en wordt geleid dooi de hcci Jan SLhrijver

Dit aitikel werd eerdei geplaatst in Materialcri (1993)s