Formowanie wtryskiwaniem kształtek z kompozytów na osnowie polimerowej z metalowym napełniaczem proszkowym

• Autorzy: Paszkowski L. , Biało D. , Wiśniewski W.

Warianty tytułu

EN

Injection moulding of the samples from composites with a polymer matrix and metal powder

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Kompozyty funkcjonalne są to materiały składające się z co najmniej dwóch składników. W przypadku kompozytów polimerowych osnowę stanowi polimer termoplastyczny, termoutwardzalny lub chemoutwardzalny. Faza funkcjonalna nadaje kompozytowi określone właściwości mechaniczne, cieplne, elektryczne, magnetyczne lub inne wymagane przez projektanta. Faza ta występuje najczęściej w postaci włókien lub proszków o różnym kształcie cząstek. Prezentowana praca dotyczy wybranej grupy kompozytów funkcjonalnych zwanych dielektromagnesami bądź magnesami wiązanymi. Na osnowę zastosowano polistyren będący polimerem termoplastycznym, zaś fazę funkcjonalną stanowi proszek stopowy Nd-Fe-B o własnościach magnetycznie twardych równomiernie rozprowadzony w osnowie. W pracy stosowano proszek o płatkowym i kulistym kształcie cząstek. Kompozyty zawierały objętościowo 48% proszków. Jako metodę formowania kształtek przyjęto wtryskiwanie na wtryskarce do tworzyw sztucznych. Wytwarzano kształtki w postaci prostopadłościennej belki o wymiarach 10x4x40 mm i walca o wymiarach [phi] 10x4 mm. Zasadniczym celem pracy było badanie przebiegu formowania kształtek podczas napełniania komory formy wtryskowej materiałem kompozytowym. Do analizy zastosowano metodę krokową polegającą na wykonaniu serii próbek wtryskiwanych z coraz większych porcji materiału kompozytowego. W ten sposób uzyskano kształtki obrazujące kolejne etapy formowania kształtki finalnej. Próby prowadzono przy ustalonych parametrach wtryskiwania: Tw = 200°C i pw = 110 MPa. Wykazano, że sposób formowania kształtek podczas wtryskiwania kompozytów zawierających znaczne ilości proszku metalowego jest odmienny w stosunku do formowania wyprasek z polimerów niezawierających fazy funkcjonalnej. Ta odmienność wynika ze znacznie większej lepkości kompozytu niż polimeru. W trakcie wtryskiwania polimeru tworzy się front materiału przesuwający się zgodnie z kierunkiem wtryskiwania. Podczas wtryskiwania kompozytu do komory formy materiał wpływa w postaci pręta o przekroju poprzecznym kanału doprowadzającego. Otrzymane próbki poddano badaniom metalograficznym. Wykonano zgłady metalograficzne fragmentów wyprasek otrzymanych w kolejnych fazach wtryskiwania oraz wyprasek finalnych. Strukturę kształtek określano, wykorzystując komputerową analizę obrazu. Do jej przeprowadzenia zastosowano specjalistyczny program komputerowy MetIlo 9.0b. Wyniki analizy przedstawiono w postaci obrazów zgładów metalograficznych oraz tak zwanych map strukturalnych. Mapy strukturalne przedstawiają lokalną koncentrację proszków na wydzielonych elementarnych fragmentach powierzchni przekrojów wyprasek. Wykazano, że w trakcie wtryskiwania i w gotowej wyprasce cząstki układają się w miarę równomiernie, zaś płatki przyjmują kierunki przypadkowe. Tak więc, możliwe jest wytwarzanie metodą wtryskiwania wyprasek o właściwościach izotropowych.

EN

Functional composites are materials consisting of at least two components. In the case of polymer composites it matrix is made of thermoplastic or thermosetting polymers. Functional phase gives defined mechanical, thermal, electrical, magnetic or other properties required by the designer. This phase is usually in the form of fibers or powders with different particle shape. The presented work concerns a selected group of functional composites called of dielectromagnets or bonded magnets. Thermoplastic polymer - polystyrene as the matrix material and alloy Nd-Fe-B powder with hard magnetic properties as the functional phase uniformly distributed in the matrix were used. Powder had a flaky or spherical shape. Composite material consisted of 48% powder by volume. As a method of sample forming, injection on injection molding machine, traditionally using for plastics, was applied. The sample was manufactured in the form of rectangular bars with dimensions of 10x4x40 mm and a cylinder with dimensions of [phi] 10x4 mm. The primary purpose of the study was investigating of the course of sample formation during form cavity filling by composite material. For the analysis stepwise method was used. Series of samples were injected with increasing doses of the composite material in the following steps. In this way the obtained samples showing the successive stages of the forming. Trials were conducted at fixed injection parameters: Tw = 200°C and pw = 110 MPa. It was shown that the way of sample shaping during injection molding from composites containing large quantities of metal powder is different in relation to the formation of polymer samples that not contain functional phase. This difference is due to a much higher viscosity of composite than the polymer. During injection of the polymer a front of the material is formed and is moving in the direction of injection. During the injection of the composite, material flow into the form chamber in the form of rod with cross-section similar to the cross-section of the channel gate. Obtained samples were tested in metallographic way. Microstructures of the samples obtained in successive phases of injection molding and finished samples were prepared. Structure of the samples were determined using the computer image analysis based on a specialized computer program MetIlo 9.0b. The results of the analysis were presented in the form of images of metallographic structures and so-called structural maps. Structural maps represent the local concentration of the powders on separated small parts of the surface sections of the samples. It was shown that, during injection molding and in the finished sample particles are arranged as evenly and the flakes take random directions. Thus, it is possible to manufacture by injection parts with isotropic properties.

Słowa kluczowe

PL

funkcjonalny kompozyt polimerowy; wtryskiwanie; proszek; jednorodność próbki

EN

functional polymer composite; injection moulding; powder

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2010
• Tom: R. 10, nr 1
• Strony: 35--40
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys.

Twórcy

autor

Paszkowski L.

autor

Biało D.

autor

Wiśniewski W.

• Politechnika Warszawska, Wydział Mechatroniki, Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej, ul. św. A. Boboli 8, 02-525 Warszawa,

Bibliografia

• [1] Najmi L. A., Lee D., Application of mold filling simulation to gate location optimization in powder injection molding, Department of Mechanical Engineering, Aeronautical Engineering and Mechanics Rensselear Polytechnic Institute Troy, New York 12180-359, 95-103.
• [2] Smorawiński A., Technologia wtrysku, WNT, Warszawa 1989.
• [3] Smorawiński A., Wtrysk elastomerów, PLASTECH Wydawnictwo Poradników i Książek Technicznych, Wydawnictwo Przemysłowe WEMA, Warszawa 2001.
• [4] Zawistowski H., Frenkler D., Konstrukcja form wtryskowych do tworzyw termoplastycznych, WNT, Warszawa 1984.
• [5] Fox R.T., Lee D., Simulation of the mold cooling process in powder injection molding, Advances in Powder Metallurgy, 1991, 105-117.
• [6] Kwiatkowski D., Nabiałek J., Komputerowe symulacje procesu wtryskiwania kompozytów polimerowych, Kompozyty (Composites) 2005, 5, 4, 93-95.
• [7] Kwiatkowski D., Nabiałek J., Komputerowe symulacje procesu wtryskiwania próbek do badania odporności na pękanie, Kompozyty (Composites) 2006, 6, 4, 75-78.
• [8] Suri P., German R.M., de Souza J.P., Park S.J., Numerical analysis of filling stage during powder injection moulding: effects of feedstock rheology and mixing conditions, Powder Metallurgy 2004, 47, 2, 137-143.
• [9] Dvorak P., Barriere T., Gelin J.C., Jetting in metal injection moulding of 316L stainless steel, Powder Metallurgy 2005, 48, 3, 254-260.
• [10] Nabiałek J., Kwiatkowski D., Badania symulacyjne i wizualizacyjne przepływu kompozytu polipropylenu z talkiem w procesie przetwórstwa metodą wtryskiwania, Kompozyty (Composites) 2006, 6, 4, 79-82.
• [11] Piccirillo N., Lee D., Jetting in powder injection molding, 1991 PM Conference and Exhibition, USA, Advances in Powder Metallurgy 1991, 2, 119-125.
• [12] Piccirillo N., Lee D., Jetting phenomenon in powder injection molding, The International Journal of Powder Metallurgy 1992, 28, 1, 13-25.
• [13] Bociąga E., Jaruga T., Badania mikroskopowe przepływu tworzywa w kanałach 16-gniazdowej formy wtryskowej, Polimery 2006, 51, 11-12, 843-851.
• [14] Bociąga E., Doświadczalne metody badania przepływu tworzywa w kanałach form wtryskowych, Polimery 2007, 52, 3, 170-178.
• [15] Rodriguez-Senin E., Várez A., Levenfeld B., Torralba J.M., París M.A., Processing of Mn-Zn ferrites using mould casting with acrylic thermosetting binder, Powder Metallurgy 2005, 48, 3, 249-253.