Development of annealing process for injection molded PPSU fittings to reduce residual stresses

Abstract

Tutkimuksen päätavoitteena on selvittää, miten ruiskuvalettujen PPSU putkiyhteiden jäännösjännitysten minimoimisessa käytettävää hehkutusmenetelmää voidaan nopeuttaa ja tehostaa. Tavoitteena on myös karakterisoida lämpökäsittelystä koituvat mekaaniset, kemialliset ja fysikaaliset vaikutukset PPSU putkiyhteille, määritellä toivotut vaikutukset, sekä testata ja verrata vaihtoehtoisia lämpökäsittelyparametreja. Tutkimustyö on tehty Uponor Suomi Oy:lle Nastolan tehtaalle, jossa PPSU putkiyhteitä valmistetaan LVI-tuotemarkkinoille maailmalaajuisesti. Tutkimus toteutettiin vuosina 2017-2019. Tutkimuksen laajuus on 30 op, mikä vastaa noin puolen vuoden työmäärää. Pääasiallisena tutkimusmenetelmänä on PPSU putkiyhteiden jäännösjännitystason määrittäminen kemiallisesti (MEK-testi). Kemiallisen testauksen tuloksista päätellään hehkutusparametrien vaikutus jäännösjännitystasoon. Hehkutuksen vaikutusta putkiyhteiden fysikaalisiin ominaisuuksiin tutkitaan mittaamalla tuotteiden halkaisija, pituus ja seinämävahvuus, määrittämällä mittausten keskiarvo ja keskihajonta, sekä laskemalla suhteellinen muutos lämpökäsittelemättömän putkiyhteen fysikaalisiin ominaisuuksiin. Eri hehkutusparametrien vaikutusta PPSU putkiyhteiden mekaanisiin ominaisuuksiin tutkitaan taivutuskokeen avulla. Mitatuista maksimi taivutuslujuuden arvoista [MPa] määritetään keskiarvo, keskihajonta, maksimiarvo ja miniarvo verrattavaksi ja analysoitavaksi. Kirjallisuuskatsauksessa etsitään aikaisempaa tutkimustietoa jäännösjännityksiin vaikuttavista ruiskuvaluparametreista ja designista, PPSU:n materiaaliominaisuuksista, sekä muovituotteiden hehkutusmenetelmistä. Tutkimuksen tuloksena odotetaan löytyvän tietoa, jonka perusteella voidaan löytää optimoitu hehkutusmenetelmä PPSU putkiyhteille, sekä uutta tietoa jäännösjännitysten syntymekanismista ja lämpökäsittelyn vaikutuksesta PPSU putkiyhteiden fysikaalisiin, mekaanisiin ja kemiallisiin ominaisuuksiin.

The main goal of this study is to reconcile how to precipitate and streamline the annealing method utilized in reducing the residual stresses of the injection molded PPSU fittings. Further goals are to characterize the chemical, physical and mechanical changes caused by annealing in the PPSU fittings, to define the preferred effects and testing and comparing compensatory annealing parameters. The research takes place in Uponor Suomi Oy, Nastola facilities, where PPSU fitting are manufactured for worldwide piping markets. The research is carried out during 2017-2019. The extent of the research is 30 sp which corresponds to a work load of approximately six months. The principal research method is determining the level of residual stresses of PPSU fittings utilizing a chemical testing method (MEK-test). Based on the results of the chemical testing, the influence of the annealing parameters to the residual stress level of the PPSU fittings is defined. The average and the standard deviation of the results from dimensional analysis of as-molded and annealed PPSU fitting are calculated and compared in order to determine the possible changes in length, weight and diameter. Bending test is performed to as-molded PPSU fittings and to PPSU fittings annealed in various temperature and time combinations in order to determine the effect of annealing to the mechanical properties. Maximum, minimum and the average values of the maximum bending stress [MPa] are calculated and compared. In literature research existing information of the effects of injection molding parameters and design on the formation of residual stresses, material properties of PPSU and annealing of polymers is sought. The expected result of this study is to find knowledge, based on which an optimal annealing method for injection molded PPSU fittings can be developed, and new knowledge on the formation of residual stresses in injection molding and the effects of annealing on the chemical, physical and mechanical properties of PPSU fittings.