Formy | 26. 3. 2019

Plast Form Service, s.r.o.: Technologičnost konstrukce výstřiků z termoplastů

PŘEDVÝROBNÍ ETAPY VÝROBY VÝSTŘIKŮ Z TERMOPLASTŮ

Řetězec úkonů předcházející vlastní sériové výrobě výstřiků z termoplastů představuje jedny z nejdůležitějších, ne-li nejdůležitější etapy jejich výroby.


— DO ÚKONŮ PŘEDVÝROBNÍCH ETAP OBVYKLE ŘADÍME:

  • výběr materiálu splňující požadavky zadavatele
  • design a konstrukce výstřiku – mnozí designéři mají tendenci věnovat se pouze lícové straně výstřiků, ale je nutno důrazně uvést, že design vzhledových tvarů a ploch a konstrukce ostatních tvarů a ploch jsou velmi podstatně propojené úlohy a musí se řešit společně, jinak může docházet k velmi problematickým výsledkům. Design a konstrukce by pro správnou funkci výstřiku měla odpovídat požadavkům technologičnosti konstrukce výstřiků z termoplastů a s tím souvisí i správně, ve vztahu k vybranému materiálu, konstrukci výstřiku a jeho použití také zvolená rozměrová a tvarová přesnost výstřiků – lineární i geometrické tolerance; případné pevnostní, tepelné nebo další výpočty
  • analýzu zaformovatelnosti zkonstruovaného výstřiku – volba dělících rovin, úkosy, čelisti, pohyblivá jádra, umístění vyhazovačů, vtokový systém a umístění ústí vtoku, atd.
  • výběr varianty technologie vstřikování
  • zaformování výstřiku – návrh tvárníků, tvárnic, umístění tvarových dutin v hlavní dělící rovině formy, vtokový systém, temperační systém, atd.
  • simulační výpočty – plnění tvarové dutiny polymerní taveninou, objemové smrštění, teplotní děje, orientace plniva a jeho distribuce, deformace, atd.
  • využití některé z technologií Rapid Prototyping pro zhmotnění návrhu výstřiku
  • ověření návrhu konstrukce výstřiku a koncepce vstřikovací formy pomocí prototypové formy

Obecně platí zásada, že co se nepodaří podchytit a odstranit v předvýrobních etapách, je následně velmi těžko a nákladně opravitelné. Přibližně 70 % výrobních nákladů a tedy i ceny výrobku je předurčeno ve fázi jeho vývoje a konstrukce, přičemž vývojové předvýrobní etapy spotřebují okolo cca 5% z celkových výrobních nákladů, tj. s vynaložením cca 5 % můžeme ušetřit až několik desítek % z celkových výrobních nákladů.

Z toho vyplývá, že při chybné konstrukci výstřiku a z ní vyplývající konstrukci formy je obvykle větší možnost vzniku problémů a škod, které i při dobré odborné znalosti pracovníků vstřikovny a důsledné optimalizaci procesu vstřikování, již nelze odstranit nebo alespoň minimalizovat.

TECHNOLOGIČNOST KONSTRUKCE VÝSTŘIKŮ Z TERMOPLASTŮ

Pro splnění cílů předvýrobních etap – výrobu výstřiků s předem defi novanými vlastnostmi – návrh dílů musí splňovat zásady technologičnosti konstrukce výstřiků z termoplastů:

  • funkčnost tvaru – musí zajistit splnění všech hlavních funkcí výstřiku – užitné, estetické, ergonomické a bezpečnostní
  • optimalizovanou volbu materiálu výstřiků
  • pevnostní výpočty – vycházejí z viskoelastického chování polymerů, výpočty jsou teplotně i časově závislé, jednoduché výpočty využívají teorie lineární pružnosti a lineární viskoelasticity, u přesnějších výpočtů je nutno uvažovat i se závislostí modulu pružnosti na velikosti působícího napětí – nelineární viskoelastické chování polymerů
  • tvarovou a rozměrovou přesnost pro vybraný materiál výstřiku a jeho tvarové řešení
  • technologičnost tvaru s využitím specifických vlastností materiálů amorfních a částečně krystalických – průběh hlavní i vedlejších dělících rovin, tloušťky stěn a přechod mezi nimi, zaoblení, hrany, rohy, žebra, nálitky, prolamování stěn, okraje výstřiků, deformace větších rovinných ploch, dosedací plochy, otvory, spoje pružným zaskočením, závity, písmo – nápisy, loga, značky, desény, úkosy, zakládání zástřiků, atd.
  • počítačové simulace – analýzy plnění, smrštění, deformací a anizotropií, chlazení, distribuce vláknitých plniv a jejich rozložení, atd.
  • výtvarně-estetické řešení tvaru v souladu s funkcí výrobku, s prostředím v němž bude provozován, s materiálem a s technologií jeho výroby
  • spolupráce zadavatele, designéra, konstruktéra výstřiku, konstruktéra formy, technologa vstřikování a pracovníka hodnocení jakosti dílu
  • ekonomičnost tvaru

Jedním z nejdůležitějších úkolů konstruktéra formy je, na základě konstrukce výstřiku, určení dělících rovin a z nich vyplývající umístění dílů ve formě, nastavení úkosů, výběr a umístění vyhazovačů, volba vtokového systému a umístění ústí vtoku na výstřiku, vedení a rozmístění temperačních okruhů formy, atd.

Konstruktér výstřiku, ve vzájemné spolupráci s konstruktérem vstřikovací formy, by měl navrhnout tvary výstřiku tak, aby na nejmenší možnou technickou míru omezil nutnost používat pohyblivé tvarové díly ve formě – čelisti,“šíbry“,šikmé tvarové vyhazovače, hydraulicky nebo jinak ovládaná jádra, atd. Konstruktér výstřiku by měl již od prvopočátečních úvah o tvarech výstřiku myslet v zejména pojmech „dělící roviny“,tj. pochopit, že tvarová řešení výstřiku budou zaformovaná do minimálně dvou částí (polovin) formy. Navíc by měl umět „negativně“, což v praxi znamená, že co je na výstřiku tvar směrem ven, ve formě bude tento tvar směrem do formy, na výstřiku potřebuji ubrat materiál, tedy ve formě ho musím přidat a naopak.

Tloušťka stěn výstřiků musí splňovat požadavek na pevnost a tuhost výstřiku.Oba parametry jsou závislé i na materiálu výstřiku. Tloušťka stěn navíc musí zajistit vyrobitelnost všech tvarů dílu z pohledu toku polymerní taveniny, tj. obvyklá minimální tloušťky by neměla být menší než cca 0,8 mm, přičemž tok, respektive pojem velká x malá tloušťka je charakterizován ne absolutní hodnotou tloušťky, ale poměrem délky tokutaveniny v tvarové dutině formy ku příslušné tloušťce stěny.

Tloušťka stěny má být, při splnění požadavků na tuhost a pevnost, co nejmenší také z důvodu minimalizace doby výrobního cyklu (rozměr tloušťky je ve výpočtu doby chlazení v druhé mocnině), omezení možnosti vzniku propadlin, staženin a lunkrů, snížení hmotnosti výstřiku.

Dalším požadavkem souvisejícím s tloušťkou stěny výstřiků je požadavek na její rovnoměrnost bez výrazných změn a hromadění materiálu ve stěnách, což snižuje nebezpečí lokálních změn smrštění a deformací, včetně snížení obsahu vnitřního pnutí ve výstřiku.

Se správnou konstrukcí výstřiků z termoplastů výrazně souvisí jejich žebrování. Žebra na výstřicích mají za úkol zejména zvyšovat jejich pevnost, tuhost a odolnost proti deformacím při současném snížení hmotnosti výstřiků a malých tloušťkách stěn. Konstruktér dílu musí znát zásady konstruování žeber – tloušťka žeber by neměla být větší než 50 % až 70 % tloušťky stěny, na níž žebro navazuje, nemělo by docházet ke kombinaci žeber s malou a velkou tloušťkou, výška žebra by neměla být větší než trojnásobek tloušťky stěny, pro zvýšení pevnosti je výhodnější konstruovat větší počet žeber než zvětšovat jejich šířku, vzdálenost mezi žebry by měla být cca dvojnásobkem nominální tloušťky stěny, poloměr napojení žebra a stěny by neměl být větší než 50 % tloušťky stěny, žebra by neměla tvořit výraznou brzdu v toku taveniny tvarovou dutinou, měla by umožňovat tok taveniny (výhodné jsou například žebra tvaru šestiúhelníků), v křížení žeber nesmí docházet k hromadění materiálu.

Jednoduché rovnoběžné žebrování zvyšuje tuhost v ohybu v jednom směru, diagonální zvyšuje tuhost v ohybu a krutu. Křížové žebrování značně zvyšuje tuhost v ohybu a krutu. Ke zvýšení tuhosti a tvarové stability stěn výstřiků je výhodné tyto stěny vytvořit jako prolamované.

Pro snadnější plnění tvarových dutin taveninou je výhodnější všechny změny vytvářet se zaoblením. Zaoblení snižuje hydraulické odpory při toku taveniny a snižuje i napětí v místě ohybu. Rádiusy zaoblení musí zajisti konstantní tloušťku stěny, nesmí dojít k hromadění materiálu. Zaoblení zvyšují odolnost proti rázům a pevnost, snižují vnitřní pnutí a náchylnost k praskání – odstranění koncentrátorů napětí v ostrých rozích. Minimální rádius zaoblení stěny má být cca jedna čtvrtina tloušťky stěny.

Zaoblení má být provedeno jak na vnější, tak i na vnitřní straně stěny a poloměr zaoblení by měl být ¼ až ¾ tloušťky stěny v daném místě. Větší rádiusy již nepřinášejí zvětšení efektu zaoblení.

Ostré hrany jsou obvykle v dělících rovinách, zde je potřeba vzít v úvahu i bezpečnostní hledisko – nebezpečí, například říznutí o ostrou hranu zejména u výstřiků z kompozitních materiálů plněných vysokým obsahem skleněných vláken, ekonomické hledisko kdy rádius v dělící rovině nutně vyvolá vedení dělící roviny na nejvyšším místě rádiusu a tedy jeho zaformování do obou polovin formy.

Vnitřní hrany se zaoblují vždy, hodnota rádius se volí minimálně 0,2 mm, lépe ¼ tloušťky stěny. Rádius vnitřních hran je nutný i z výrobních důvodů, kdy při použití technologie elektroerozivního opracování tvarových dílů formy nebo frézování, v rozích vždy vznikne rádius. Pokud by z funkčního hlediska, při vědomí, že v daném místě vznikne koncentrátor napětí a při zatížení může dojít k praskání výstřiku, byl požadavek na ostrý tvar vnitřního rohu je řešení nutno hledat ve skládání daného tvaru z broušených dílů a mít na paměti, že jsme do formy vložili, v daném místě, možnost vzniku přetoku.

Pro dobré, bezproblémové vyhození výstřiku z formy musí být příslušné tvary výstřiku opatřeny úkosy – úkosy pro vyhození se sčítají s úkosy pro odformování desénů, které zabraňují poškození, poškrábání desénovaných ploch při vyhazování výstřiku z tvarové dutiny formy. Pro vnitřní stěny se doporučují vyhazovací úkosy v rozmezí cca 1 ° až 2 °,pro vnější stěny cca 0,5 ° až 1 °. K těmto úkosům se přičítá cca 1 ° úkosu na hloubku desénu o maximální hloubce 0,02 mm.

Při konstrukci výstřiku z termoplastu si jeho konstruktér musí uvědomovat, že v důsledku tvarového řešení výstřiku, ve spojení se smrštěním, které je ve výstřiku lokálně rozdílné a vyvolá deformace tvarů, bude výstřiku obsahovat vnitřní pnutí, které také přispívá k deformacím, případně může vést k napěťovým trhlinám až k porušení výstřiku.

Lubomír Zeman, Plast Form Service, s.r.o.

pfservice.cz

Tato přednáška zazněla na konferenci FORMY a PLASTY, kterou pořádá firma JAN SVOBODA s. r. o.

Zveme Vás na 10. ročník konference FORMY a PLASTY 2019

www.jansvoboda.cz/Konference-FORMY-a-PLASTY-2019