Lubomír Zeman: Thermoplastic injection molding technology and weight reduction of injection moldings, part 3
PŘEDPOKLADY PRO SNIŽOVÁNÍ HMOTNOSTI - TECHNOLOGIE VSTŘIKOVÁNÍ TERMOPLASTŮ
Klasická technologie vstřikování termoplastů vychází z teplotních dějů – vždy je nutno z příslušného vstřikovacího granulátu, případně předem upraveného – vysušeného na výrobcem předepsanou hodnotu zbytkové vlhkosti, smíchaného s aditivy, například barevným koncentrátem nebo s druhotným materiálem apod. - připravit reprodukovatelně teplotně co nejhomogennější (homogenita = jednolitost, stejnorodost) taveninu v celém objemu vstřikované dávky, kterou působením vstřikovacího tlaku a vstřikovací rychlosti,co nejšetrněji – bez zbytečného smykového namáhání - dopravíme do temperované tvarové dutiny vstřikovací formy. V tvarové dutině působením dotlakové fáze vstřikovacího procesu – tlakovou a časovou úrovní dotlaku – se snažíme eliminovat, odstranit tepelnou objemovou kontrakci – smrštění tak, aby výstřik po ochlazení a vyhození z tvarové dutiny formy měl předepsané tvary a rozměry, včetně všech dalších požadovaných jakostních parametrů.
Prakticky všechny modifikace (varianty, změny) technologie vstřikování termoplastů vycházejí z výše uvedených principů klasické vstřikovací technologie, ale ne u všech je výsledkem výstřik se sníženou hmotností. Mezi technologie schopné vstřikovat výstřiky se sníženou hmotností oproti klasické technologii vstřikování je možno zařadit :
- více komponentní vstřikování - vytváření výstřiků z více polymerních materiálů o různých vlastnostech
- vstřikování s podporou plynu – GIT - Gas Injection Technology - výroba dutých výstřiků, kdy dutinu vytvoří tlak inertního plynu, možnost eliminace, například propadlin na vzhledových plochách nebo zpevněných okrajů dílů, snížení hmotnosti výstřik,atd.
- vstřikování s podporou vody – WIT - Water Injection Technology - obdoba technologie GIT, která k vytvoření dutin využívá vodu - zrychlení procesu, rovnoměrnější kvalita vnitřních povrchů
- výroba výstřiků se stěnami malých tlouštěk - o tom, zda se jedná o díly s malými tloušťkami stěn nerozhoduje absolutní hodnota jejich tlouštěk, ale poměr tloušťky k délce toku taveniny tvarovou dutinou formy s příslušnou tloušťkou
- vstřikování strukturně lehčených termoplastů - při použití chemického nebo fyzikálního způsobu nadouvání vstřikování výstřiků s povrchovou kompaktní vrstvou a jádrem tvořeným pórovitou strukturou - jakost povrchu výstřiků není vzhledová
- technologie vstřikování MuCell - pórovitá struktura vzniká již ve speciální plastikační jednotce, výstřik má pórovitou strukturu v celém průřezu - jakost povrchu není vzhledová, v případě požadavku na vzhled výstřiku jsou nutné jeho povrchové úpravy
- technologie výroby lehčených výstřiků jako CELLMOULD, FOAMMELT apod.
- mikro vstřikování - výroba přesných výstřiků malých rozměrů a hmotností
- ultrazvukové mikro vstřikování s vysokou přesností – nadávkovaný materiál se v tvarové dutině taví ultrazvukem, který též napomáhá jejímu toku
Modifikace standardního procesu vstřikování
Technologie vstřikování s využitím horkých rozváděcích systémů vstřikovacích forem
Formy pro vstřikování termoplastů je možno členit do skupin podle různých kritérií, jedno z kritérií je rozdělení podle principu – za studena, za horka - dopravy polymerní taveniny do tvarové dutiny formy :
- formy se studenými vtokovými systémy - studený vtokový systém má teplotu formy a je obvykle tvořen kanály umístěnými v hlavní dělící rovině vstřikovací formy a po dopravě polymerní taveniny do tvarové dutiny formy, stejně jako výstřik, materiál ve vtokovém rozvodu zatuhne, přejde ze stavu taveniny do pevné fáze a je spolu s výstřikem, na konci ochlazovací fáze vstřikovacího cyklu, vyhozen z formy a připraven k dalšímu zpracování (například k mechanické recyklaci – drcení, případně s následným kompaundováním - smísením s dalšími složkami a aditivy - a je připraven k dalšímu pracovnímu cyklu - převedení do polymerní taveniny, vstříknutí do tvarové dutiny formy atd. nebo je brán jako odpad).
- formy s horkými vtokovými systémy, někdy nazývanými bezodpadovými systémy složenými z vytápěného rozváděcího bloku a horkých trysek s teplotou zaručující udržení dávky polymerního materiálu ve fázi taveniny - základním úkolem horkého rozvodného systému vstřikovací formy je v každém výrobním cyklu přivádět buď přímo do tvarové dutiny formy nebo do pomocného studeného kanálu polymerní taveninu (kombinovaný vtokový rozvodný systém) a udržovat ji v rozvodném systému ve stavu taveniny po dobu výroby příslušného počtu výstřiků. Tím se odstraní nebo minimalizují vtokové zbytky (studené kanály), přičemž se současně výrazně zmenší nutnost mít k dispozici odpadové hospodářství pro nakládání se vtokovými zbytky, zmenší se potřeba dodatečného odstraňování vtokových ústí z výstřiků, včetně zvýšení možnosti optimalizovat dotlakovou fázi bez nebezpečí zamrznutí průřezu ústí vtoku jako je tomu u studených systémů při špatném dimenzování jejich průřezů.
Na obrázku 2 jsou pro porovnání schémata vstřikovacích forem se studeným vtokovým rozvodem – vlevo forma tzv. dvou desková a třídesková, vpravo čtyřnásobná forma s horkým rozvodem a vybalancovanými vtokovými kanály zajišťujícími stejné dráhy toku polymerní taveniny do jednotlivých tvarových dutin formy.
| Obrázek 2 : Porovnání vstřikovacích forem se studeným vtokovým rozvodem – vlevo forma tzv. dvou desková a třídesková,vpravo čtyřnásobná forma s horkým rozvodem a vybalancovanými vtokovými kanály zajišťujícími stejné dráhy toku polymerní taveniny do jednotlivých tvarových dutin formy |
Jednou z variant technologie vstřikování s horkými rozvody je kaskádové vstřikování - kaskádové vstřikování (kaskáda = sada zařízení zapojených za sebou, do série, tvořících jeden technologický celek) - je sestava horkých, jehlou uzavíratelných trysek umístěných za sebou, do série, řízená tak, že plnění tvarových dutin probíhá postupně tak, že vznikne pouze jedno čelo tekoucí taveniny. Kaskádové vstřikování se zejména využívá u dlouhých nebo plošně velkorozměrových výstřiků, kde, mimo jiné, minimalizuje vznik studených spojů. S výhodou je ho možno použít i pro výstřiky s malou tloušťkou stěn ve vztahu k délce toku polymerní taveniny – úspora materiálu. Schéma kaskádového vstřikování je na obrázku 3:
| Obrázek 3 : Porovnání vícebodového vstřikování (vpravo) s kaskádovým vstřikováním (vlevo); při několika ústí vtoku do jednoho výstřiku se polymerní tavenina z jednotlivých ústí vtoku šíří v tvarové dutině formy ve tvaru kruhových vlnoploch, jejichž čela se musí zákonitě potkat a vytvořit v místě styku dvou již ochlazených čel studený spoj (lokální snížení pevnosti, vzhledová vada, nelze odstranit, pouze snížit nebezpečí vzniku), kde je i nebezpečí uzavření vzduchu a vzniku spáleného místa na výstřiku; k odstranění popsaného jevu se využívá technologie kaskádového vstřikování (vlevo), kdy se na rozdíl od standardního systému plnění tvarové dutiny polymerní taveninou (otevřená ústí vtoku) využívá technologie kaskádového vstřikování s horkými tryskami s jehlovým uzávěrem, díky řízení pohybu jehel se tyto otevírají postupně (od kraje nebo od středu), polymerní tavenina nevytváří vlnoplochy,ale teče postupně bez vzniku studených spojů,stejný princip je možno použít i u výstřiků s velkým poměrem tloušťky stěny ku délce tokové dráhy v tvarové dutině formy (zjednodušeně řečeno s malou tloušťkou stěny). |
Z porovnání uvedených rozvodných systému vstřikovacích forem jsou zřejmé dvě skutečnosti – nasazení horkého vtokového systému znamená zvýšení ceny vstřikovací formy s tímto systémem oproti formě se studeným rozvodem a formy s horkými systémy vyžadují vyšší míru znalostí jak u seřizovačů forem, tak i u pracovníků údržby vstřikovacích forem, vše při větší nebo menší úspoře vstřikovaného materiálu. Celkové ekonomické vyznění použití vstřikovacích forem s horkými rozvodnými systémy a se studenými je nutno vždy dobře ekonomicky a provozně zvážit.
Technologie více komponentního vstřikování termoplastů – vstřikování hybridních konstrukčních dílů
V principu jde o využití poznatků ze standardní technologie vstřikování termoplastů, kdy se obvykle využívá jeden vstřikovací stroj s více plastikačními jednotkami a jedna vstřikovací forma zkonstruovaná pro danou technologii, tj. příjem více různých nebo stejných, různě modifikovaných (například v různém barevném proveden) materiálů, vyrábí výstřik složený z různých materiálů, nejčastěji z různých materiálů z pohledu tvrdosti, například nástřik materiálu TPE na „tvrdý“ nosný materiál.
Uvedené technologické postupy, kdy se postupně v krocích naplní tvarová dutina s využitím vlastního vtokového rozvodu pro daný první materiál a v dalších krocích dalším nebo dalšími materiály, opět s využitím jejich rozvodných systémů, umožňují zkracovat výrobní časy, odpadá výroba samostatných dílů a jejich montáž. Technologie dále nabízejí výhody při řešení požadavků na tvarové vlastnosti dílů, včetně snižování jejich hmotnosti, na mechanické vlastnosti dílů, na ochranné, dekorativní vlastnosti atd.
Technologie více komponentního vstřikování termoplastů je možno, na základě jejich principu, rozdělit do tří hlavních skupin:
- více materiálové vstřikování – principem těchto technologických postupů vstřikování je vstřikování dvou a více materiálů do jedné tvarové dutiny formy, na výstřiku nejsou definována přesná rozhraní materiálů – do tohoto technologického segmentu řadíme technologie : vstřikování sendvičové, intervalové, mramorování, sekvenční
- obstřikování, zastřikování, nastřikování – do tvarové dutiny formy se zakládá předem vyrobená komponenta nebo komponenty a při vstřikovacím procesu dojde k obstříknutí vloženého dílu, který může být z různých materiálů – kov, plast, textil atd. - mezi tyto technologie vstřikování řadíme, například technologie : Insert Moulding (IM), In-Mould Decoration (IMD), In-Mould Labeling (IML), Outsert Molding (OM), In-Mold Closing (IMC), In-Mould Assembly (IMA), hybridní vstřikování – termoplast x kov, termoplast x termoplast, termoplast x kompozit s termoplastickou matricí, Moulded Interconnect Devices (MID), Three Dimensional Moulded Interconnect Devices (3D MID), Total Integrated Manufactured (TIM)
- více komponentní – vícekrokové – vícemateriálové vstřikování – 2K, 3K, 4K, atd. - postup umožňuje vstřikování různobarevných dílů ze stejného materiálu nebo dílů z různých materiálů ve stejné nebo různé barvě, případně tvrdosti, atd. spojení jsou nerozebíratelná – využívá se výrobní smrštění, kdy se jedna komponenta spojí s druhou při nástřiku na sebe – rozhraní mezi materiály je definované , materiály musí být mísitelné nebo alespoň kompatibilní (kompatibilita = schopnost slučovat,vzájemná snášenlivost) a musí vykazovat adhezi, přilnavost.
Ze tří uvedených skupin vícekomponentního vstřikování termoplastů se pro snižování hmotnosti dílů využívají postupy technologií obstřikování, zastřikování a nastřikování, přičemž jejich princip je více méně stejný - do tvarové dutiny formy se zakládá předem vyrobená komponenta nebo komponenty a při vstřikovacím procesu dojde k zastříknutí vloženého dílu, který může být z různých materiálů – kov, plast, textil atd. - polymerní taveninou.
Již bylo uvedeno, že jednou z cest vedoucích ke snižování hmotnosti je využití termoplastů v konstrukci dílů. Ale protože v pevnostně namáhaných dílech není využití samotných termoplastů, z důvodů jejich relativně nízkých fyzikálně-mechanických vlastností, možné, přechází se k hybridním konstrukcím, u nichž dochází ke spojení termoplastů s kovovými díly, k lokálnímu vyztužování výstřiků z termoplastů vláknitými výztužemi, například z uhlíkových vláken, k nastřikování funkčních tvarů z termoplastů na díly předtvarované a vložené do vstřikovací formy, předtvarované, například technologií termoforming nebo tvářením za tepla nebo tepla a vakua, díly mohou být vyrobené z různých materiálů, od kompozitů plněných rostlinnými vlákny až po kompozitní laminátové systémy se skleněnými nebo uhlíkovými vlákny a termoplastickou matricí.
Využití kompozitů s termoplastickou matricí v hybridních konstrukčních dílech spojuje výhodu efektivního zpracovatelského procesu – založení předtvarovaného dílu z kompozitu s termoplastickou matricí do vstřikovací formy a jeho zastříknutí, v určených místech, funkčním polymerním kompozitem – s konstrukcí se sníženou hmotností, při vysoké pevnosti a houževnatosti, včetně absorpce energie a možnosti vystavit sestavu dynamickému namáhání.
Příkladem takového řešení je výstřik Pouzdro airbagu původně vstřikované z PA 6, kdy pouzdro mělo tloušťku stěn v rozmezí 3 mm až 4 mm. Nové řešení, které ukazuje obrázek 4, je hybridní konstrukce, která kombinuje předehřátý roving (provazec, svazek nekonečných vláken bez zákrutu s vysokou pevností v podélném směru), 47 % skleněných vláken prosycených PA 6 a vložený do formy a při zavírání ve formě vytvarovaný a zastříknutý kopolymerem PA 6/PA 66 se 40 % skleněných vláken. Tímto řešením došlo ke snížení hmotností dílu o cca 30 %, při tloušťce dílu 1 mm, která navíc umožnila zkrátit dobu výrobního cyklu díky snížení tloušťky stěny z polymerního materiálu.
| Obrázek 4: Vstřikování hybridních konstrukčních výstřiků – jedná se o propojení několika výrobních postupů: tvarování (předehřátý roving ve tvaru desky je ve vstřikovací formě vytvarován při zavírání formy do tvarovými díly formy daného tvaru) a tváření plastů (vstřikování kompozitů s termoplastickou matricí) spojených v jeden výrobní celek – výstřik Pouzdro airbagu je hybridní konstrukce, která kombinuje roving z PA 6 + 47 % skleněných vláken vložený do formy a ve formě vytvarovaný a funkčně zastříknutý kompozitním kopolymerem PA 6/PA 66 se 40 % skleněných vláken |
Technologie vstřikování strukturně lehčených termoplastů
Technologie výroby strukturně lehčených termoplastů – vstřikování termoplastů s napěňováním – TSG, Thermoplastische SchaumGuss – ve všech variantách technologických postupů lehčení - jedná se opět o technologii vstřikování s cílem snižovat hmotnost výstřiků, včetně zvýšení jejich izolačních vlastností, minimalizaci vnitřního pnutí, minimalizaci propadlin, případně i ke snížení tvrdosti výstřiků.
Z hlediska technologie výroby rozeznáváme několik procesů, které využívají k vytvoření napěněné struktury buď fyzikální, anebo chemické nadouvadlo. Výrobky ze strukturních pěn nejčastěji mají kompaktní povrchovou vrstvu a napěněné jádro. Plasty, používané pro vstřikování strukturních pěn, jsou ABS, PA, PE, PPO, PC, PP, PS, PBT, PC/ABS, termoplastické elastomery apod. Nejvíce rozšířené je strukturní lehčení polypropylénu a jeho kompozitů s talkem a uhličitanem vápenatým.
Polymerní pěny jako podskupinu lehčených hmot lze definovat jako uměle vytvořenou disperzi (rozptýlení) plynu v matrici polymeru. K vytvoření slouží nadouvadla, tj. přísady, které uvolňují v průběhu výrobního procesu plyny nebo páry. Nadouvadla se dělí na chemická a fyzikální. Do první skupiny patří chemikálie, které se účinkem tepla rozkládají na plynné produkty, které při zpracování plastu vytlačováním, vyfukováním nebo vstřikováním vytvoří buněčnou strukturu, tzv. strukturní pěnu. Těmito nadouvadly v množství do 2 % lze vylehčit každý plast, včetně inženýrských, avšak pouze na objemovou hmotnost 0,2 g.cm-3 až 0,8 g.cm-3. Mezi fyzikální nadouvadla patří chemické sloučeniny, které během vypěňování mění svůj fyzikální stav, například stlačené kapalné plyny expandující při uvolnění tlaku, těkavé látky měnící se v plyn – například metylchlorid, freony, CO2, butan, pentan, nízko vroucí alkoholy, étery,atd. Dávkují se v množství 5 % až 10 % a jsou schopny vylehčit použitý plast na 0,008 g.cm-3 až 0,08 g.cm-3.
Chemické lehčení
Struktura řezu stěnou výstřiku strukturně lehčeného s využitím chemického nadouvadla – kompaktní povrchová vrstva a napěněné jádro – je na obrázku 5. Na řezech získaných z výstřiků z PC, které – od shora dolů – měly dobu plnění tvarové dutiny 0,3 s ; 0,6 s ; 1,2 s ; 1,5 s – je vidět přechod kompaktní povrchové vrstvy – skinu – do středového napěněného jádra – core; při rychlém plnění vidíme, že vrstva skinu má malou tloušťku a core je tvořeno mikropěnou a se zpomalováním rychlosti, respektive doby plnění tvarové dutiny polymerní taveninou s chemickým nadouvadlem se tloušťka skinu zvyšuje a středová struktura přechází do makropórů.
| Obrázek 5 : Řez stěnou strukturně lehčeného výstřiku s chemickým nadouvadlem, v jádře je nepravidelná, nahodilá struktura buněk |
Kompaktní vrstva na obou stranách stěny tvarové dutiny formy vznikla v důsledku rychlého ochlazení polymerní taveniny a zaručuje výstřiku jeho tvar, tuhost a odolnost vůči mechanickému namáhání, chemickému a teplotnímu působení. Mechanické vlastnosti se po průřezu od vnější strany je středu stěny výstřiku snižují. Vnější plochy výstřiku nemají kvalitní vzhled, například i proto, že určitá část nadouvacích plynů unikla do okolního prostředí a na povrchu výstřiku vytvořila nepravidelné mapy. Jádro je tvořeno relativně nepravidelnou a dezorientovanou, nahodilou strukturou buněk, jejichž objem, ve výsledku, určuje objemovou hmotnost výstřiku.
Strukturně lehčené výstřiky napěňované chemickými nadouvaly je možno vyrábět na standardních vstřikovacích strojích se šnekovou plastikací a s dostatečnou vstřikovací rychlostí.
Mezi její výhody strukturně lehčených výstřiků s chemickými nadouvadly, které se v mnoha bodech shodují s výhodami i při fyzikálním lehčení, například patří:
- snadná výroba tvarově komplexních výstřiků
- při stejné tuhosti dosažení úspory hmotnosti – výhodný pevnostně / hmotnostní poměr
- snížení hmotnosti výstřiku
- snížení smrštění a snížení tendence k deformacím
- zlepšení tepelně i zvukově izolačních vlastností
- eliminace možných propadlin
- malý obsah vnitřního pnutí ve výstřicích
- možnost menšího pevnostního dimenzování vstřikovacích forem
- dobrá obrobitelnost
- svařitelnost technologií s přídavným drátem
- možnost používat standardního vstřikovací stroje
Mezi nevýhody řadíme:
- vzhledové plochy výstřiků nejsou zcela hladké a lesklé
- nelze reprodukovat některé jemné povrchové tvary a desény tvarové dutiny formy
- vnější vzhledové plochy mají na sobě mapy a stopy po toku a výronu plynu
- v porovnání se standardním vstřikováním nutnost prodloužení doby chlazení
- určitá limitní tloušťka stěny výstřiků – obvykle více jak cca 3 mm
- nutnost používat velké průřezy ústí vtoku – pracné odstraňování vtokových zbytků
Fyzikální způsoby lehčením
Princip fyzikálního lehčení není složitý - do polymerní taveniny se ve vstřikovací a plastikační jednotce vstřikovacího stroje dávkuje kapalné fyzikální nadouvadlo, které se tepelně rozloží, vzniknou páry, které se rozptýlí v polymerní tavenině a po jejím dopravení do tvarové dutiny formy, kdy dojde k poklesu tlaku, plynná fáze se oddělí a vytvoří relativně uspořádanou a jemnou buněčnou strukturu dutinek v jádře stěn výstřiku (core). Ve styku výstřiku, respektive jeho chladnoucí polymerní taveniny, se „studenou“ stěnou tvarové dutiny formy se stejně jako u výstřiků vzniklých s pomocí chemického nadouvadla vytvoří kompaktní vrstva,skin – obrázek 6. Na obrázku 6 je řez stěnou strukturně lehčeného výstřiku s fyzikálním nadouvadlem – na rozdíl od chemického nadouvadla fyzikální nadouvadlo v jádře, core vytvoří relativně jemnou a uspořádanou strukturu buněk.
| Obrázek 6: Řez stěnou strukturně lehčeného výstřiku, fyzikální nadouvadlo, v jádře je relativně jemná a uspořádaná buněčná struktura |
Díky vzniku relativně jemné buněčné struktury je vstřikování s fyzikálním nadouvání nazýváno technologií mikrobuněčného vstřikování termoplastů. Nejčastěji používaným nadouvacím plynem je dusík (N2), méně často oxid uhličitý (CO2). Technologie, na rozdíl od chemického napěňování, vyžaduje speciální vstřikovací jednotku s dávkovačem plynu. Principem mikrobuněčného vstřikování je vytvoření, v dávce před čelem šneku v plastikační a vstřikovací jednotce vstřikovacího stroje, jednofázovou směs (polymerní tavenina + plyn) a její dopravení do tvarové dutiny formy, kde expanduje, rozpíná se. Do plastikační jednotky je napěňovací plyn dávkován ve formě superkritické tekutiny (SCF – Supercritical Fluid).
Hlavním představitelem této technologie je technologie MuCell – Microcellular Foam Molding, při níž je do plastikační jednotky vstřikovacího stroje napěňovací plyn dávkován ve formě superkritické tekutiny (SCF – Supercritical Fluid). Technologii rozšiřuje americká firma Trexel Inc., která spolupracuje s výrobci vstřikovacích strojů, například s firmou KraussMaffei nebo Negri Bossi.
Celá řada výrobců vstřikovacích strojů vyvinula a prodává vstřikovací stroje pro mikrobuněčné vstřikování, vycházející z technologie MuCell, pod svým vlastním názvem, například Engel foammelt, Arburg ProFoam, Battenfeld Cellmould atd. Součástí řešení mikrobuněčného vstřikování je vždy vstřikovací a plastikační jednotka se šnekem s různou konstrukcí míchacích zón a s uzavíratelnou tryskou. Dále je to dávkovací tryska pro dávkování inertního plynu a zdroj tlakového plynu. Pro zajištění vypěňovací reakce i na konci dráhy toku polymerní taveniny v tvarové dutině vstřikovací formy je nutné zajisti vysokou rychlost plnění tvarové dutiny a tedy vstřikovací stroj musí mít vysoký vstřikovací výkon. Technologii MuCell a její varianty lze použít i pro vstřikování do forem s horkými rozváděcími systémy.
Kromě technologií,které nabízejí výrobci vstřikovacích strojů je možno využít i technologie jiných výrobců, například švýcarská firma Sulzer Chemtech své řešení nabízí pod názvem Optifoam. Výhodou tohoto řešení jev tom, že nevyžaduje a nepoužívá speciální řešení šneků a vstřikovacích jednotek, ale tlakový dávkovač zkapalněného plynného nadouvadla je umístěn jako mezičlen mezi hlavou vstřikovací jednotky a uzavíratelnou tryskou vstřikovacího stroje. V trysce je i statický míchač vyrobený ze slinutých karbidů a promíchávání polymerní taveniny a kapalného nadouvadla se děje ve statickém míchači. Obdobnou technologii nabízí i německá firma Demag Ergotech.
Další technologii strukturně lehčeného vstřikování má firma Linde. Její zařízení PLASTINUM Perfoamer pro mikrobuněčné pěnové vstřikování termoplastů se skládá ze sušárny vstřikovaného granulátu, kde je granulát vysušen na předepsaný obsah zbytkové vlhkosti a vytemperován na požadovanou teplotu. Takto připravený granulát je přetransportován podtlakovým nasavačem do tlakové impregnační jednotky, kde je tlakově sycen nadouvadlem, kterým je oxid uhličitý CO2 .Množství CO2, které granulát absorbuje závisí na konkrétním syceném materiálu, sytícím tlaku, teplotě a době „impregnace“. Oxid uhličitý se odebírá z tlakových lahví v plynné stavu nebo je ho možno dovážet v kapalném stavu a v kompresorové jednotce ho převést z kapalného do plynného stavu. Po nasycení příslušného objemu materiálu v impregnační jednotce se v ní zruší tlak a nasycený materiál se přepraví do zásobníku odkud je dodáván přímo do šnekové a plastikační jednotky standardního vstřikovacího stroje. Podle velikosti zařízení je možno zásobovat nasyceným materiálem více vstřikovacích strojů. Oxid uhličitý v takto připraveném granulátu zůstává do dobu cca dvou hodin. Metoda dovoluje snížit hmotnost výstřiků až o 60 %. Jednou z výhod metody je skutečnost, že nepoužívá míchací šnek a je tedy vhodná i pro termoplasty náchylné na degradaci, porušení, v důsledku vysokého smykového namáhání, například pro POM.
Mezi technologie používané pro vstřikování strukturně lehčených výstřiků z termoplastů řadíme i Co-vstřikování (obdoba technologie 2K). Co-vstřikování využívá dvou plastikačních jednotek, v jedné se připravuje klasická polymerní tavenina a ve druhé tavenina s nadouvadlem. Podstata vstřikovacího procesu spočívá ve střídavém vstřikování materiálu povrchu výstřiku a jeho jádra do vstřikovací formy, jejíž teplota odpovídá vstřikovanému materiálu. Jako první se vstříkne polymerní tavenina, která bude tvořit povrchovou, vzhledovou část výstřiku, následně se do tvarové dutiny vstříkne napěněné jádro výstřiku a opět se vstříkne klasická tavenina. Výsledkem takovéhoto postupu vstřikování je kompaktní povrch výstřiku s pěnovým jádrem. Je logické, že se postup může obrátit a vyrobit výstřik se strukturně lehčeným povrchem a kompaktním jádrem nebo vstřikovat při vhodné konstrukci formy, do jednoho výstřiku pěny o různé tvrdosti.
Technologie vstřikování strukturně lehčených termoplastů v porovnání se standardní technologií vstřikování termoplastů
Již jsem uvedl, že jedním z hlavních přínosů výroby strukturně lehčených výstřiků z termoplastů je úspora hmotnosti. Na úsporu hmotnosti můžeme nahlížet ze dvou pohledů, které ve skutečnosti tvoří jeden celek. Jedním z pohledů je úspora materiálu jako suroviny pro výrobu daného výstřiku, tedy snížení výrobních nákladů a druhým je snížení hmotnosti výstřiku, což přispívá,mimo jiné ke zvýšení jeho konkurence schopnosti, včetně návazných úspor, například v automobilovém průmyslu ve snižování hmotnosti standardních i hybridních nebo plně elektrických automobilů. V neposlední řadě se jedná i o environmentální pohled.
Je obecně známým faktem, že nelze vyrobit výstřik z termoplastu, který by neobsahoval žádné zbytkové, vnitřní, reziduální pnutí. Jednou z příčin vnesení zbytkových pnutí do výstřiků z termoplastů je i dotlaková fáze vstřikovacího procesu kompenzující vliv smrštění na výstřik a ovlivňující, mimo jiné, i jeho rozměrovou přesnost. Tlak, respektive jeho průběh v dotlakové fázi a doba jeho působení může přispět k „uzavření“ tlaku do výstřiku a po jeho vyhození z tvarové dutiny formy ke vzniku deformace tvaru výstřiku nebo ke vzniku trhlinek na povrchu výstřiku (například spolu s působením tenzoaktivního prostředí) atd. V případě technologií vstřikování se strukturním lehčením je oproti standardnímu vstřikování termoplastů situace odlišná. Dotlaková fáze vstřikovacího procesu je u těchto technologií potlačená (má malý vliv na výsledný produkt) nebo je úplně eliminovaná, vstřikovací proces nepoužívá dotlakovou fázi. Smrštění ovlivňované dotlakovou fází je zde kompenzováno rozpínajícími se zárodky buněčné struktury ve vnitřní struktuře tuhnoucího vstřikovaného materiálu.
Kvalita povrchu – viz obrázek 7 - je výraznou nevýhodou všech variant technologie vstřikování strukturně lehčených výstřiků. Povrchové mapy, nemožnost kopírování desénovaných povrchů tvarových dutin vstřikovacích forem je způsobeno únikem napěňovacího plynu přes povrch výstřiku před kontaktem polymerní taveniny s povrchem tvarové dutiny formy a vytvoření lokálních mezivrstev mezi tvarovým povrchem formy a vnějším povrchem napěňovaného výstřiku.
| Obrázek 7 :Typický vzhled strukturně lehčených výstřiků |
K odstranění uvedeného problému je možno například využít technologie Co-vstřikování (viz výše) nebo technologie ze standardního vstřikování pro minimalizaci vzniku studených spojů – předehřátí tvarového povrchu vstřikovací formy před vstřikem polymerní taveniny s nadouvadlem. K předehřevu je možno použít například infrazářiče umístěné na robotu, které při otevřené formě, po vyhození výstřiku z tvarové dutiny, předehřejí její povrch (metoda tohoto předehřevu prodlouží vstřikovací cyklus, ale nevyžaduje speciální konstrukci vstřikovací formy). Další možností je využití indukčního ohřevu povrchu tvarové dutiny vstřikovací formy zabudovaného do formy. Výhodou je rychlost ohřevu lícové strany tvarové dutiny indukovanými vířivými proudy, ohřev začne ihned po vyhození výstřiku z tvarové dutiny, bez ohledu na pohyby formy.
Kromě výše uvedených možností pro zlepšení jakosti vzhledových povrchů výstřiků s nadouvadly se při vstřikování technologií MuCell používá technologie GGD - Gasgegendruck, technologie vstřikování proti tlaku plynu (dusík, suchý vzduch) v tvarové dutině vstřikovací formy. V principu se jedná o to, že před začátkem plnění tvarové dutiny formy směsí polymerní tavenina + plyn ve stavu SCF, se tvarová dutina zaplní tlakovým plynem, tlak plynu může být až 80 barů. Směs je tedy vstřikována proti tlaku plynového polštáře v tvarové dutině formy. V závislosti na průběhu plnění tvarové dutiny směsí je tlak v polštáři regulován a plyn z tvarové dutiny odpouštěn. Působením protitlaku se zabrání průniku nadouvacího plynu přes horní povrch výstřiku do prostoru mezi stěnou tvarové dutiny formy a stěnou výstřiku a výsledkem je hladší povrch výstřiku.
Výrobce horkých rozvodných systémů vstřikovacích forem,německá firma INCOE nabízí technologii GAS – CORE, která si stejně jako technika GGD, klade za cíl zlepšit jakost povrchu strukturně lehčených výstřiků. Při využití techniky Gas – Core se fyzikální napěňování výstřiků s hladkým kompaktním povrchem, vstřikovaných do tvarové dutiny formy přes horký rozvod polymerní taveniny, provádí ve třech krocích – v prvním je do tvarové dutiny vstříknuta část polymerní taveniny bez nadouvadla, horký rozvodný systém je osazen tlakovým dávkovačem inertního plynu a směšovací komorou. V míchací komoře dojde k promíchání polymerní taveniny s dusíkem nebo oxidem uhličitým a vzniklá směs je horkou tryskou vstříknuta do tvarové dutiny formy, ve třetím kroku je tvarová dutina formy znovu doplněna polymerní taveninou bez nadouvadla.
Vstřikování s podporou plynu a vody – technologie GIT a WIT
Jedním ze základních přístupů ke konstrukci výstřiků z termoplastů uváděných v zásadách technologičnosti jejich konstrukce je vyvarovat se stěn výstřiků o velké tloušťce a stěn s rozdílnými tloušťkami v konstrukci daného výstřiku. Kromě zvýšení hmotnosti výstřiku, porušení uvedené zásady obvykle vede k výraznému prodloužení doby výrobního vstřikovacího cyklu (tloušťka stěny výstřiku je ve výpočtu doby ochlazování výstřiku v druhé mocnině, tj. jedná se o exponenciální závislost doba ochlazování výstřiku x tloušťka stěny výstřiku), k propadlinám (v důsledku nahromadění materiálu,ndochází k většímu smrštění,které se nemusí v dotlakové fázi, podařit vykompenzovat), k rozměrové nestabilitě a k deformacím (rozdílné tloušťky stěn výstřiku vyvolají rozdílná lokální smrštění – rozdílné rozměry a tedy i deformace), k neopodstatněnému zvýšení spotřeby vstřikovaného materiálu (zvýšení ceny a hmotnosti výstřiku) atd.
Pokud je již nutno, z funkčních důvodů, z designových důvodů, případně jiných důvodů, konstruovat výstřiky s velkými tloušťkami stěn, měl by příslušný konstruktér výstřiku pamatovat i na jiné možnosti konstrukce a výroby výstřiků. Základem je místo hromadění materiálu vytvořit výstřik žebrovaný nebo v případě, že z tvaru je možno vytvořit skořepinu, vyrobit obě poloviny zvlášť (mohou mít malou tloušťku,případně být vyžebrované) a následně je spojit (svařit, slepit, spoj pružným zaskočením, sešroubovat apod.). Dalším možným řešením je výsuvné jádro ve formě, pohybující po přímé nebo zakřivené trajektorii nebo využití technologie vstřikování na ztracené, vytavitelné jádro (výroba jádra z ve vodě rozpustného termoplastuEVA, ze slitin vizmut – cín, teplota tání 138 °C, cín – antimon – olovo, teplota tání 187 °C apod.) v neposlední řadě mohou být využity technologie strukturního lehčení, viz předešlá kapitola, případně technologie vstřikování s podporou plynu nebo s podporou vody.
Technologie vstřikování termoplastů s podporou plynu (GIT – Gas Injection Technology), obvykle tlakový dusík - inertní, nehořlaví, chemicky neutrální plyn u něhož nehrozí reakce plynu s polymerními taveninami a jejich aditivy - je technologie, jejíž princip je v tom, že se do určitých míst chladnoucí polymerní taveniny, respektive výstřiku přivede tlakový inertní plyn,který ve stěnách výstřiku vytvoří vnitřní dutiny. Technologie GIT má několik variant, přičemž se v podstatě jedná o dva přístupy – proces GIT s částečným plněním, kdy je forma na běžném vstřikovacím stroji objemově naplněna polymerní taveninou pouze částečně a do chladnoucí taveniny je buď přes trysku stroje nebo přes injektor na formě vpraven tlakový dusík, který vytvoří dutiny a zároveň funguje, díky regulovanému tlaku jako dotlak. Druhým přístupem je proces GIT s přetokem – opět jsou používány standardní vstřikovací stroje, ale jako první krok procesu je objemové naplnění tvarové dutiny polymerní taveninou s následným přepnutím na dotlak po jehož skončení tlakový dusík vyfoukne polymerní taveninu v jádře výstřiku ven z tvarové dutiny do pomocné přetokové dutiny z níž je s výstřikem vyhozen z formy. Tlakový dusík v čase chlazení výstřiku kompenzuje,vyrovnává smrštění chladnoucí taveniny a pomáhá kopírovat povrch tvarové dutiny. Výstřiky vyrobené technologií GIT jsou na obrázku 8.
| Obrázek 8 : Výstřiky vyrobené technologií GIT – vlevo: GIT s přetokem do přetokové dutiny; vpravo : technologie GIT a její využití pro kompenzaci smrštění a propadlých míst |
Kromě technologie vstřikování termoplastů s podporou plynu je možno použít i technologii vstřikování, kdy se k výrobě dutých výstřiků nepoužívá podpora plynem, ale do chladnoucího jádra z polymerní taveniny ve středu výstřiku se čerpadlem dopraví tlaková voda - technologie vstřikování s podporou vody (WIT – Water Injection Technology).Technologické principy obou metod vstřikování termoplastů jsou obdobné.
Stejně jako při vstřikování s podporou plynu i u WIT (a zde ještě nutněji) musíme z procesu, před jeho skončením, vodu odstranit. Pro odstranění vody se používají dva přístupy, přičemž oba pracují s objemovým naplněním tvarové dutiny polymerní taveninou a následným dávkování tlakové vody přes trysku vstřikovacího stroje nebo přes plnící trysku v tvarové dutině formy,s možností regulace jejího tlaku a průtoku (rychlosti) – voda se z výstřiku, po skončení jejího působení jako dotlakové a chladící fáze vstřikovacího cyklu a po otevření ventilu, vytlačí tlakovým vzduchem nebo se voda, opět po skončení dotlakové a chladící fáze, čerpadlem odsaje zpět. Protože se v procesu vstřikování technologií WIT používá voda, je nutno u termoplastů náchylných na hydrolytický rozklad (hydrolýza = rozklad polymerního řetězce vodou) pracovat v krátkých výrobních cyklech s dokonalým odstraněním vody z výstřiků.
Při porovnání obou technologií, je možno vyzdvihnout zkrácení výrobního času cyklu vstřikování u WIT technologie (voda má součinitel vedení tepla při teplotě 20 °C a tlaku 1 bar 0,604 W.m-1K-1 a specifickou tepelnou kapacitu 4 182 J.kg-1K.1) oproti GIT (dusík má při teplotě 20 °C a tlaku 1 bar součinitel vedení tepla 0,0143 W.m-1K-1 a specifickou tepelnou kapacitu 1 038 J.kg-1K-1). Další výhodou použití vody je její příznivý vliv na jakost vnitřních povrchů dutých výstřiků, které vyhlazuje a stěny jsou z pohledu jejich tloušťky rovnoměrnější – viz obrázek 9.
| Obrázek 9 : Porovnání tvorby vnitřních dutin u technologií GIT a WIT – nahoře, dole: řez spojkovým pedálem vyrobeným technologií WIT |
Obě uvedené technologie – GIT, WIT – při své vhodné aplikaci - pomáhají řešit nebo snižovat:
- vytvářením cílených dutin snižují spotřebu materiálu
- zkracují dobu výrobního cyklu
- umožňují dobré kopírování povrchů tvarových dutin forem, minimalizace propadlin
- jsou vhodné pro výrobu výstřiků s rozdílnými tloušťkami stěn
- minimalizují deformace výstřiků
- zvyšují rozměrovou stabilitu výstřiků
- umožňují výrobu výstřiků s malou tloušťkou stěn a s dlouhou dráhou toku polymerní taveniny
- snižují nutnost použití vysokých uzavíracích sil
Výroba výstřiků se stěnami malých tlouštěk
I při použití této technologie vstřikování termoplastů je hlavním jejím posláním úspora materiálu a efektivita výroby, zkrácení výrobního cyklu, snížení nákladů na přípravu polymerní taveniny ve vstřikovacím stroji. Při úvahách o této technologii vstřikování je nutno objasnit co se skrývá pod pojmem „malá tloušťka stěny výstřiku“. Při vstřikování výstřiků se stěnami malých tlouštěk nesmíme uvažovat v klasických pojmech typu - malá tloušťka stěny je tloušťka 0,6 mm až 1,2 mm. Místo takových úvah musíme vždy brát v potaz poměr délka toku polymerní taveniny v tvarové dutině vstřikovací formy ku tloušťce této tokové dráhy. Teprve tento poměr má vypovídající schopnost o tom, co je malá tloušťka stěny výstřiku, přičemž posouzení je vždy nutno vztáhnout na konkrétní výstřik a jeho materiál.
Stejně jako při plastikaci velkých objemů polymerní taveniny i při vstřikování výstřiků s malými tloušťkami stěn je snaha v co nejkratším čase připravit odpovídající objem – dávku – polymerní taveniny. K tomu se v obou případech používají bariérové šneky. Tyto šneky mají na rozdíl od standardních tří zónových šneků (vtahovací pásmo pod násypkou, střední kompresní zóna,bdávkovací,bmíchací zóna) jinou konstrukci, která má zrychlit přípravu polymerní taveniny a nadávkovat ji před čelo šneku. Bariérový šnek má vtahovací pásmo, bariérovou dvouchodou šnekovou zónu pro rychlou dopravu tavícího se granulátu do různě tvarované smykově-míchací zóny, z níž polymerní tavenina přechází do dávky před čelo šneku – viz obrázek 10.
| Obrázek 10: Bariérový plastikační šnek - bariérový šnek má 2 šroubovice - v modré části zůstává oddělená tavenina od neroztaveného, respektive nataveného granulátu – nastavení topných pásem – modrá křivka, třízónový standardní šnek má vzestupnou křivku od násypky ke vstřikovací trysce; bariérový šnek, červená křivka – nastavení teplot jednotlivých pásem je obráceně, od vysoké teploty u násypky k nižší u trysky |
Vstřikovací jednotky mají také, oproti standardním vstřikovacím strojům, vyšší vstřikovací parametry – maximální vstřikovací tlak až cca 3 500 bar a vstřikovací dopřednou rychlost šneku až 2 000 mm.s-1.
Pro efektivní využití této technologie vstřikování je nutno mít i vhodný vstřikovaný materiál, který má vysokou tekutost, v důsledku používání vysokých vstřikovacích tlaků a vstřikovacích rychlostí dostatečně dimenzovat vstřikovací formy, včetně umístění a ploch vyhazovačů (nebezpečí deformací při vyhazování). Při použití vysokých dotlakových hodnot (krátký dotlak,ale vysoká tlaková úroveň dotlaku) je ovlivněno i smrštění materiálu, například PC/ABS Bayblend T 65 MN vykazuje při dotlaku 300 bar smrštění 0,77 % a při dotlaku 800 bar již jen 0,3 %.
KONEC TŘETÍ ČÁSTI.
-
Jiří Češka, Nástrojárna Příbram
Production of injection molds, cutting and stamping tools, CNC machining, electric discharge machining, laser welding.
Lubomír Zeman: Thermoplastic injection molding technology and weight reduction of injection moldings, part 2
7.8.2026 A recognized author in the field of plastic injection molding, Ing. Lubomír Zeman, has prepared a professional study dedicated to the issue of reducing the weight of injection molding in thermoplastic injection molding. In the second part, the...
