Lubomír Zeman: Vstřikování plastů a kvalita povrchů, 2. část
Měření drsnosti povrchu
Měření drsnosti povrchů lze rozdělit do čtyř základních skupin:
- kvalitativní měření – vizuální – využívá lidské smysly – hmat a zrak. Porovnává se kontrolovaný povrch materiálu se vzorkovými plochami, které mají stanovenou drsnost, zrak je možno podpořit lupou nebo mikroskopem
- metoda porovnáním – k vyhodnocování povrchů se používají etalony s definovanou drsností – obrázek 15, porovnávání se provádí na více místech hodnoceného povrchu
| Obrázek 15: Komparátor (porovnávač) drsnosti povrchu |
- dotyková měření – při měření se využívá rovnoměrný pohyb měřícího dotyku po ploše kontrolovaného vzorku, přítlačná síla snímacího diamantového hrotu je 0,00075 N – ČSN EN 3274, obrázek 16
| Obrázek 16: Od shora – dotykové měření drsnosti na CNC obráběcím stroji – vlevo; dotykový měřící přístroj – vpravo/schéma dotykového měření drsnosti/schéma indukčního snímače/snímací dotykový hrot – jeho rádius je elektronicky korigován |
- bezdotyková měření – popis prostorového plošného povrchu, jeho drsnosti, na rozdíl od dotykové metody měření, které je profilové – měří se v jednom profilu – se zde skládá plocha z mnoha profilů, z naměřených dat se odvozují i profilové parametry Ra,Rz,Rmax; přístroje k bezdotykovému měření drsnosti obvykle používají metodu světelného řezu – metoda využívá svazku rovnoběžných paprsků, které jsou usměrněny tenkou mezerou (štěrbinou) do tvaru tenké roviny, paprsky světla dopadají na měřeny povrch pod uhlem 45° přes definovaný optický systém čoček nebo metodu laserového profilování – metoda využívá triangulační princip – laserový parsek je promítán na měřený povrch,obraz laserového paprsku na měřeném povrchu se snímá pod daným úhlem CCD kamerou, senzorem ze snímaného obrazu vyhodnocujeme profil objektu v řezu daným laserovým paprskem. Pro nejpřesnější hodnocení drsnosti povrchů se používají konfokální mikroskopy – laserový řádkovací mikroskop u něhož zdrojem světla je laserový paprsek nebo konfokální mikroskop s rotujícím diskem bílého světla – obrázek 17
| 1 – Osvětlovaci těleso, 2 – Barevny filtr, 3 – Kondenzor, 4 – Štěrbina, 5 – Osvětlovaci objektiv, 6 – Pozorovaci objektiv, 7 – Posuvna destička se značkou, 8 – Čočka, 9 – Měřena plocha |
| Obrázek 17: Shora – schéma optiky pro metodu světelného řezu/měření mikronerovností – drsnosti pomocí laserového paprsku – průměr paprsku 0,04 µm = 0,00004 mm/vlevo – schéma laserového konfokálního řádkovacího (hodnocenou plochu řádkuje snímá bod po bodu), vpravo – schéma konfokálního mikroskopu s rotujícím diskem |
- kromě výše uvedených bezdotykových technik měření jakosti povrchů se velmi často používají přístroje se snímači typu CLA – Chromatik Lenght Aberration – bílé světlo je rozkládáno a optikou je směrováno na kontrolovaný povrch. Optika rozloží světlo podle vlnových délek a v každém bodě povrchu je zaostřena jen určitá vlnová délka . Světlo odražené z povrchu prochází otvorem, který propustí jen světlo zaostřené vlnové délky. Spektrometr vychýlí světlo na maticový senzor, kde je každému bodu připravena prostorová poloha, která je následně počítačově zpracována a vyhodnocena. Na místo CLA snímačů je možné použít i snímačů laserových. Ty však nejsou tak přesné jako snímače CLA. Nasnímané prostorové polohy jsou potom zpracovány speciálními programy, které umožní 3D zpracování dat, včetně 3D vizualizace, schéma CLA snímače je na obrázku 18
| Obrázek 18: Schéma CLA snímače drsnosti povrchu |
Měření lesku a desénů
Lesk – vnímání lesku – lesk je vizuální vnímání,dojem, který vzniká při pozorování povrchu daného objektu a výrazně závisí na stavu jakosti povrchu hodnoceného dílu, způsobu jeho osvětlení a úhlu, pod kterým se na povrch díváme. Čím více se přímé světlo od povrchu odráží, tím jasnější, lesklejší se povrch bude jevit. Jinak řečeno – lesk je fyzikální veličina, hodnotící schopnost povrchu předmětu z daného materiálu, za určitých geometrických podmínek o různých směrových odrazových vlastnostech,odrážet světlo.
Zde znovu zdůrazním – koncept „hladkosti“ nebo „drsnosti“ v oblasti hodnocení lesku a v oblasti obrábění je zcela odlišný – drsnost je pokračováním malých povrchových nepravidelností v materiálech vzniklých po obrábění.
Vysoký lesk odpovídá vysokému odrazu, na objekt dopadajícího světla, což znamená, že dopadající světlo se odráží v jednom hlavním směru odrazu, úhel odrazu rovná se úhlu dopadu.
Vnímání pololesku a matu – toto vnímání odpovídá mírnějšímu odrazu na objekt dopadajícího světla a to znamená,že dopadající světlo se odráží rozptylově. Povrch je tvořen mikrodrsností, která dopadající světlo difuzně rozptyluje do všech odrazných směrů, čím více je světlo rozptýlené, tím je menší intenzita odrazu v hlavním směru a povrch se bude jevit více matný.
Popsané vztahy mezi leskem a matem ukazuje obrázek 19.
| Obrázek 19: Vnímání lesku – surface,povrch 01 – zrcadlový lesk přes vysoký lesk – povrch 02, technický lesk – povrch 03 až po povrch 04 – mat Modrá šipka – dopadající parsek Červená šipka – zrcadlový odraz od povrchu v daném místě |
Měřením lesku se zabývá norma ČSN EN ISO 2813:2016 Nátěrové hmoty – Stanovení čísla lesku při úhlu 20°, 60° a 85°. Intenzita odraženého světla se měří v malém úhlu odrazu,světelný zdroj,který simuluje CIE (Mezinárodní komise pro osvětlení – Commision Internationale de l´ Éclairage) zdroj C je umístěn v ohnisku kolimačních čoček (tyto čočky jsou navrženy tak, aby zachycovaly rozbíhavé nebo konvergující světelné paprsky a transformovaly je na paralelní, rovnoběžné paprsky). Výsledky měření se porovnávají s etalonem,s množstvím odraženého světla černým tělesem s definovaným indexem lomu np = 1,567 – měřená hodnota lesku pro etalon má hodnotu 100 jednotek lesku – 100 GU (Gloss Unit).
Pro diferenciaci (rozlišení) lesku v celém rozsahu měření – od vysokého lesku po matový povrch, jsou standardizovány (normovány) tři měřící geometrie – 20°, 60°, 85°. Tři jsou z toho důvodu, že při porovnávání různých úrovní lesku nemusí jedna měřící geometrie, například 60°, poskytnout výsledek korelující (korelace = vzájemný vztah mezi veličinami, ději, znaky) s vizuálním pozorováním. Každá ze tří geometrií používá stejnou clonu pro zdroj světla, ale jinou clonu pro snímač.
Volba geometrie závisí na tom, zda chceme provádět všeobecné hodnocení lesku nebo porovnávat povrchy s vysokým leskem nebo hodnotit díly s nízkým leskem. Geometrie 60° se používá pro většinu měření lesku a pro určení, zda je lépe použít geometrii 20°nebo 85°. Geometrie 20° se s výhodou používá tehdy, když geometrie 60° ukazuje hodnoty vyšší než 70 GU – vysoký lesk. Naopak geometrie 85° se používá pro porovnávání vzorků s leskem v blízkosti šedivosti – když geometrie 60° naměří hodnoty lesku nižší než 10 GU.
K měření reflexního spektra se používají reflexní spektrofotometry, které pro zjištění intenzity odraženého světla, pro jednotlivé vlnové délky, používají difrakční (ohybové) mřížky. Na difrakční mřížce rozložené světlo dopadá na řadu fotodetektorů, které promění dopadající světlo na elektrický signál.
Spektrofotometr se nejdříve sám zkalibruje na absolutní bílou, která žádné světlo nepohlcuje a následně dá do poměru intenzitu odraženého světla od měřeného objektu k intenzitě dopadajícího světla a to pro všechny vlnové délky a tak se získá reflexní spektrum daného objektu.
U ručních spektrofotometrů je difrakční mřížka fixní (v jedné poloze) a přístroje mají řadu fotodetektorů pro měření s odstupem 10 nm. Laboratorní přístroje mají jeden detektor a difrakční mřížka je otočná, což umožňuje nastavit citlivost intervalu měření na jednotky nm. Jako zdroj světla u ručních spektrometrů se používají halogenové výbojky nebo LED zdroje. Stolní, laboratorní spektrofotometry jsou osazovány xenonovými výbojkami. Měří se jak nestrukturované, leštěné tak i strukturované, desénované povrchy
Možné příčiny neshod při měření lesku stejného výstřiku
Obecně je možno uvést, že v případě optimalizovaných, ve vztahu k požadavkům na jakost konkrétního výstřiku, technologických parametrů, jsou tyto parametry obvykle platné i pro výrobu výstřiků s požadovaným leskem a jakostí povrchu - desénu. Největší vliv na nepřímé ovlivnění uvedených kvalitativních parametrů mají teplotní parametry:
- teplota formy, její zvýšení – je výhodnější pro lepší reprodukci povrchu tvarové dutiny formy – lesk, mat, desén – vyšší teplota = vyšší lesk. U částečně krystalických materiálů zvyšuje krystalinitu a vytváří rovnoměrnější strukturu, snižuje orientaci plniv, zejména u PA snižuje absorpci vody
- teplota taveniny, její zvýšení – snižuje orientační jevy, zvyšuje obsah krystalického podílu a snižuje dokrystalizaci
- doba trvání cyklu – střední vliv na lesk – prodloužení doby cyklu, má obdobný vliv jako zvýšení teploty taveniny
- otáčky šneku – nízký vliv na lesk
- rychlost vstřikování – zvýšení vstřikovací rychlosti nevýrazně zvyšuje lesk povrchu a to i u desénovaných, strukturovaných povrchů
- vliv dotlakové fáze na jakost povrchu výstřiku – vykopírování desénu – v závislosti od ústí vtoku ukazuje obrázek 20
| Obrázek 20: Vztah mezi leskem x matem povrchu výstřiku v závislosti na vzdálenosti povrchu od ústí vtoku v dotlakové fázi vstřikovacího procesu |
K – povrch tvarového dílu vstřikovací formy
L – povrch výstřiku
A – místa povrchu v blízkosti ústí vtoku – vysoká tlaková odezva v polymerní tavenině ve fázi plnění a následně v chladnoucím výstřiku ve fázi dotlaku – povrch tvarových dílů formy je dobře překopírován na povrch výstřiku – povrch výstřiku s desénem je matný
B – místa povrchu dále od ústí vtoku – nižší tlaková odezva v tavenině ve fázi plnění, respektive ve výstřiku ve fázi dotlaku – horší vykopírování povrchu – desén má nižší lesk
C – místa v největší vzdálenosti od ústí vtoku – nízká tlaková odezva v polymerní tavenině,fáze plnění,ve výstřiku ve fázi dotlaku – nejméně vykopírovaný povrch – povrch výstřiku bude mít nejvyšší hodnotu lesku
Možné příčiny neshod při měření jakosti povrchu – lesku – stejného výstřiku je možno nalézt v těchto důvodech:
- spektrofotometr – při měření lesku stejného výstřiku více hodnotiteli musí tito pracovníci vždy použít stejné přístroje – stejný výrobce, stejný typ přístroje, stejnou geometrii měření
- místo měření na výstřiku – pro měření je vždy bezpodmínečně nutno určit přesné místo měření povrchu na výstřiku – zdůvodnění tohoto požadavku je na obrázku 20
- zákaznický měrový standard – pro hodnocení lesku, respektive desénu musí zákazník předat jejich standard, tj. destičku ze stejného materiálu jako je hodnocený výstřik s požadovaným leskem nebo desénem, obě strany musí mít shodný standard, kterým se jejich přístroje budou kalibrovat
- způsoby měření – při měření je nutno postupovat přesně podle doporučení výrobce
- vliv prostředí – na výsledek měření povrchu výstřiku může mít vliv prostředí v němž se výstřik hodnotí – teplota, relativní vlhkost, UV záření, typ osvětlení atd., dále
- navlhavost materiálů výstřiků, stárnutí výstřiků, změna obsahu krystalického podílu u částečně krystalických polymerů, distribuce plniva ve výstřicích z kompozitů s termoplastickou matricí. Vliv prostředí se může projevit zejména u výstřiků vyráběných z částečně krystalických materiálů a to nejvíce u polyamidů, které jsou nejvíce náchylné na vliv nasákavosti a navlhavosti. Zejména u PA v závislosti na teplotě,čase a relativní vlhkosti pracovního prostředí výstřiku dochází k navlhání především povrchové vrstvy výstřiku, což je hodnocený povrch, přičemž opět v závislosti na teplotě a času, může zde docházet ke změně krystalického podílu. Oba jevy – navlhavost a změna obsahu krystalického podílu – mohou ovlivnit lesk i desén. U kompozitních materiálů s termoplastickou matricí se při měření může projevit i distribuce plniva v povrchových vrstvách a i orientace plniva.
Konec druhé části.
První část nazleznete zde.
Třetí část naleznete zde.
Titulná fotografia: R & D MOLD MACHINING s. r. o.
-
Jiří Češka, Nástrojárna Příbram
Výroba vstřikovacích forem, střižných a lisovacích nástrojů, CNC obrábění, elektroerozivní obrábění, laserové navařování.
Termoplastická prášková barva Pulron pro ocelové trubkové (tubulární) mosty a lávky
17.6.2026 U ocelových trubkových mostů a lávek (tubulárních mostů) nerozhoduje pouze vzhled povrchu. Důležité je, aby povrchová úprava dlouhodobě chránila kov před korozí, vlhkostí, UV zářením i běžným mechanickým namáháním v...
