0
1
2
ABSTRAKT Tento diplomový projekt je zaměřen na technologii výroby plastového krytu zásuvky. Je složen ze dvou částí, z nichž první je literární studie. Zde jsou popsány vlastnosti plastových materiálů a jejich rozdělení, shrnutí základních poznatků technologie vstřikování plastů a okrajově také některé další technologie. Ve druhé části je navržen vhodný materiál a stanoven technologický postup vstřikování pro tento výrobek. Součástí je také konstrukční řešení vstřikovací formy včetně výkresové dokumentace. Nakonec je malé porovnání technologie vstřikování s technologií lisování plastů a jednoduchá kalkulace výrobních nákladů.
Klíčová slova Vlastnosti plastů, vstřikování, forma, lisování plastů.
ABSTRACT This project concentrates on the technology of manufacturing of the plastic socket outlet. It consists of two parts, where the first part is a literature study. Here are described the characteristics of the materials and their specifications. Further on is described basic knowledges technical methods of injection and some other technologies. The second section consists of the right proposal of the material. Further on in this section is described technological treatment. Mechanical function and its design and technical drawing are a part of this second section. As a final result is a brief comparison of the technology between the injection or pressing into molds. Herewith is also included a simplified financial budget calculation.
Key words Characteristics of plastics, injection, mold, pressing of plastics.
BIBLIOGRAFICKÁ CITACE POKORNÝ, M. Technologie výroby plastového krytu zásuvky. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2009. 75 s. Vedoucí diplomové práce Ing. Bohumil Kandus.
3
Prohlášení Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Technologie výroby plastového krytu zásuvky vypracoval samostatně s použitím odborné literatury a pramenů, uvedených v seznamu, který tvoří přílohu této práce.
Ve Velkém Meziříčí dne 18.4.2009
…………………….. Martin Pokorný
4
Poděkování Tímto děkuji vedoucímu diplomové práce Ing. Bohumilu Kandusovi za vstřícný přístup při řešení problémů a za cenné rady a připomínky při vypracování diplomové práce.
5
OBSAH Abstrakt Bibliograficá citace Prohlášení Poděkování Obsah ...........................................................................................................................6 Úvod .............................................................................................................................8 1 Polymerní materiály ..................................................................................................9 1.1 Složení plastů ....................................................................................................9 1.2 Vlastnosti plastů.................................................................................................9 2 Rozdělení plastů......................................................................................................11 2.1 Podle chemického složení ................................................................................11 2.2 Podle použitých surovin....................................................................................11 2.3 Podle chemické reakce při které vznikly ...........................................................12 2.4 podle chování za zvýšené teploty .....................................................................12 3 Technologie zpracování plastů ................................................................................17 4 Technologie vstřikování plastů ................................................................................17 4.1 Vstřikovací cyklus .............................................................................................17 4.2 Časový průběh vstřikovacího cyklu...................................................................18 4.3 Vlastnosti a kvalita výstřiku ...............................................................................23 4.3.1 Smrštění .................................................................................................23 4.3.2 Přesnost rozměrů ...................................................................................23 4.4 Vstřikovací stroje ..............................................................................................24 4.4.1 Uzavírací jednotka ..................................................................................24 4.4.2 Vstřikovací jednotka................................................................................24 4.5 Vstřikovací formy ..............................................................................................25 4.5.1 Vtokový systém.......................................................................................25 4.5.1.1 Typy vtoků .................................................................................26 4.5.1.2 Umístění vtoků ...........................................................................27 4.5.2 Temperační systém ................................................................................28 4.5.3 Vyhazovače ............................................................................................28 4.5.4 Zásady tvarového řešení dílců................................................................29 5 Lisování ...................................................................................................................30 5.1 Parametry lisování ............................................................................................30 6 Přetlačování.............................................................................................................31 6.1 Parametry procesu ...........................................................................................31 7 Tvarování.................................................................................................................32 7.1 Negativní tvarování...........................................................................................32 7.2 Pozitivní tvarování ............................................................................................33 8 Návrh technologie vstřikování plastového krytu zásuvky.........................................34 8.1 Volba materiálu.................................................................................................34 8.1.1 Skladování a doprava materiálu .............................................................35 8.1.2 Sušení granulátu.....................................................................................36 8.2 Objem součásti.................................................................................................37 8.3 Hmotnost výstřiku .............................................................................................38 8.3.1 Hmotnost součásti ..................................................................................38 8.3.2 Hmotnost vtoků (odpad) .........................................................................38 8.3.3 Celková hmotnost výstřiku ......................................................................41 8.4 Stanovení velikosti dávky taveniny ...................................................................41
6
8.5 Kontrola délky dráhy toku taveniny ...................................................................41 8.5.1 Celková délka dráhy toku taveniny .........................................................41 8.5.2 Maximální výpočtová délka dráhy toku taveniny.....................................42 8.6 Doba vstřikovacího cyklu ..................................................................................42 8.7 Výpočet termínové násobnosti .........................................................................43 8.8 Výpočet minimálního plnícího tlaku ..................................................................43 8.9 Plocha průmětu dutiny do dělící roviny .............................................................44 8.10 Výpočet uzavírací síly.....................................................................................44 8.11 Výpočet minimální vstřikovací kapacity ..........................................................45 8.12 Výpočet minimální plastikační kapacity ..........................................................45 8.13 Určení optimálního průměru šneku.................................................................45 8.14 Stanovení délky dráhy pohybu šneku .............................................................45 8.15 Určení otáček šneku .......................................................................................46 8.16 Výpočet vstřikovací rychlosti...........................................................................46 8.17 Stanovení průchodu materiálu ze stroje do formy...........................................46 8.18 Výpočet tepla vneseného taveninou do formy ................................................46 8.19 Stanovení vyhazovací síly ..............................................................................46 8.19.1 Výpočet doby odformování .................................................................46 8.19.2 Výpočet koeficientu smrštění při odformování ....................................47 8.19.3 Smrštění materiálu v době odformování .............................................47 8.19.4 Stanovení rozměrů ve formě...............................................................47 8.19.5 Stanovení rozměrů po smrštění v době odformování .........................48 8.19.6 Výpočet síly FE1 ..................................................................................48 8.19.7 Výpočet koeficientu B .........................................................................48 8.19.8 Výpočet koeficientu podílu vyhazovací síly.........................................49 8.19.9 Výpočet síly FE2 ..................................................................................49 8.19.10 Stanovení vyhazovací síly ................................................................49 8.20 Volba stroje.....................................................................................................50 8.21 Stanovení průhybu desky ...............................................................................51 8.21.1 Dílčí síly ..............................................................................................52 8.21.2 Působiště výslednice ..........................................................................52 8.21.3 Stanovení výslednice sil......................................................................52 8.21.4 Plocha náhradního obdélníkového spojitého zatížení.........................52 8.21.5 Rozměry plochy Sc .............................................................................52 8.21.6 Vzdálenost pro určení průhybu ...........................................................53 8.21.7 Velikost průhybu od ohybového namáhání .........................................53 8.21.8 Velikost průhybu od smykových sil .....................................................54 8.21.9 Celkový průhyb desky.........................................................................54 8.22 Konstrukční řešení formy................................................................................55 8.22.1 Odvzdušnění formy.............................................................................56 8.22.2 Temperace formy................................................................................56 8.22.3 Vyhození výstřiku................................................................................57 8.22.4 Očištění výstřiku a kontrola rozměrů...................................................57 9 Technické a ekonomické porovnání technologie vstřikování a lisování ..................58 9.1 Stanovení výrobních nákladů pro vstřikování ...................................................59 Závěr ...........................................................................................................................61 Literatura .....................................................................................................................62 Seznam použitých symbolů a zkratek .........................................................................64 Seznam příloh .............................................................................................................66 Přílohy
7
ÚVOD Polymerní látky, plasty, nebo také nesprávně nazývané umělé hmoty jsou dnes velmi používané technické materiály, ačkoliv patří vývojově k nejmladším. Počátky jejich průmyslové výroby se datují do období po roce 1918 a velký nárůst jejího vývoje začal zhruba v polovině minulého století a s rostoucí tendencí pokračuje dodnes. Tento dynamický rozvoj a používání těchto materiálů pro technické výrobky pramení z široké základny surovin a jejich nízké ceny. Jedná se o progresivní technické materiály se specifickými vlastnostmi, které v řadě případů postupně nahrazují klasické materiály jako jsou kovy, sklo, keramika, dřevo a další. Mezi jejich přednosti ve srovnání s ostatními materiály patří jejich hmotnost, která je až 8-krát nižší proti oceli, nižší teploty zpracování, jejich syntetická výroba z levných a snadno dostupných surovin a malé procento materiálového odpadu. Dále je výhodné ušetření pracovní síly z důvodu rychlé sériové výroby s možností plné automatizace, nejsou zde zapotřebí nákladné povrchové úpravy, v jedné operaci je výrobek zcela hotov, termoplasty lze snadno recyklovat a opětovně použít a celá řada dalších předností. Na druhé straně mají však polymery i určité nevýhody mezi které patří zejména jejich menší pevnost a nižší tepelná odolnost. Je u nich také možná modifikace jejich vlastností v širokém rozmezí prostřednictvím změny vnějších podmínek, změnou složení a změnou jejich struktury. V současné době jsou plasty zpracovávány řadou technologií, mezi nejpoužívanější patří vstřikování plastů, dalšími metodami jsou tvarování, lisování, vytlačování, odlévání, atd. V posledních letech výrazně vzrostly nároky na kvalitu výrobků, zejména na rozměrovou přesnost. Z těchto důvodů je nutné dodržet optimální zpracovatelské parametry, které se týkají hlavně zpracovávaného materiálu. Cílem této práce je navržení technologického postupu výroby včetně konstrukční dokumentace nástroje a technicko - ekonomického zhodnocení na zadaný plastový kryt elektrozásuvky.
8
1. Polymerní materiály [4, 5, 6, 11] Polymer je slovo, jehož původ sahá do řečtiny a znamená poly (mnoho) a mer (částic). Jedná se o látky složené z velkých molekul, které většinou tvoří atomy uhlíku (C), kyslíku (O), vodíku (H), dusíku (N), chloru (Cl), síry (S) a křemíku (Si). Způsob kombinace chemikálií a způsoby výroby dávají obrovské možnosti v ovlivňování výsledných vlastností plastů. Název plast je odvozen z jedné základní vlastnosti těchto materiálů – plasticity a z ní plynoucí tvárnost v určité fázi jejich výroby. Plasticita je mechanickou vlastností plastů a klíčovou technologickou vlastností, která předurčuje způsob jejich zpracování a výroby. [6]
1.1 Složení plastů Plasty se z pravidla skládají ze tří základních složek, jimiž jsou pojivo, plnivo a přísady. Pojivo se nazývá vlastní makromolekulární látka, která nám určuje charakteristické vlastnosti plastů. Plnivem se rozumí různé organické nebo anorganické látky, které podle druhu plní v plastech řadu funkcí. Jedná se zejména o úpravu jeho vlastností a nebo nahrazení určité části vlastního pojiva. Mohou být ve formě prášku, částic nebo vláken, např. kaolin, křída, vápenec, grafit, práškové kovy, skleněná vlákna a další. Třetí složkou jsou přísady, které také upravují vlastnosti plastů. Sem lze zařadit stabilizátory (zpomalují degradaci), maziva (usnadňují zpracování), barviva (dodávají barevný odstín), retardér hoření (zpomaluje proces hoření plastů), změkčovadla (zlepšují houževnatost), tvrdidla (zajišťují vznik příčných vazeb) a nadouvadla (lehčené hmoty s pěnovou strukturou).
1.2 Vlastnosti plastů Stejně jako všechny technické materiály tak i plasty mají své charakteristické vlastnosti, mezi které patří: -
-
hustota (nejčastěji se pohybuje kolem 1500 kg/m3) mechanické vlastnosti (deformační křivky polymerů, modul pružnosti, mez pevnosti, tvrdost, dynamické namáhání, namáhání rázem, kluzné valstnosti a odolnost proti opotřebení) tepelné vlastnosti (tepelná roztažnost, tepelná vodivost a teplotní rozsah použitelnosti) hořlavost plastů elektrické vlastnosti (měrný vnitřní odpor a elektrická pevnost) optické vlastnosti a další
Největší vliv na tyto vlastnosti polymerů mají teplota a čas.
9
Polymery vzhledem k rozměrnosti makromolekul nemohou existovat ve stavu plynném. Zato se však u nich objevuje mezi stavem pevným (sklovitým) a kapalným (viskózním) ještě pro ně charakteristický stav kaučukovitý. Hranicí mezi sklovitým a kaučukovitým stavem je teplota přechodu Tg, charakteristická pro každý druh polymeru. [5] Ve sklovitém stavu (pod Tg) je polymer tvrdý a křehký, při mechanickém zatížení dojde k nepatrným pružným deformacím. V přechodové oblasti (kolem Tg) hmota měkne a její modul pružnosti E prudce klesá. Schopnost tlumit rázy a chvění zde dosahuje svého maxima. V kaučukovitém stavu (nad Tg) při mechanickém napětí je modul pružnosti pouze několik jednotek MPa, narozdíl od několika tisíc ve sklovitém stavu. Hmota se chová jakoby byla elastická i viskózní zároveň a toto chování, typické pro kaučukovitý stav polymerů, se nazývá viskoelastické chování (obr. 1-1).
LINEÁRNÍ POLYMERY
ZESÍŤOVANÉ POLYMERY
E [MPa]
E [MPa] kry sta lick é
hustě zesíťované
řídce zesíťované amorfní
Tg
sklovitý stav
Tf
Tm
Tg
T [°C]
přechod kaučukovitý stav viskózní stav
sklovitý stav
T [°C]
přechod
Obr. 1-1 Změna modulu pružnosti na teplotě [5] U elastického tělesa je deformace časově nezávislá na rozdíl od viskoelastického tělesa, kde se deformace skládá ze tří částí a je zde její časová závislost (obr.1-2).
zatížení
odlehčení
σ [MPa]
t [s]
ε [-]
ε2 + ε3
ε1 ε2
ε1
ε3 t [s]
Obr. 1-2 Viskoelastické chování plastů [5]
10
Pokud budeme hovořit o obecných vlastnostech plastů, lze je rozdělit na výhodné a nevýhodné, toto zařazení je však velmi relativní. Výhodné vlastnosti plastů -
malá hustota plastů stálost vůči vodě (proto se požívají jako izolace ve stavebnictví) chemická odolnost a odolnost proti korozi (vysoce odolné vůči kyselinám a zásadám a nesetkáme se u nich s korozí) nízká tepelná vodivost (vhodnost jako tepelné izolace) nízká zvuková vodivost nevedou elektrický proud (využívají se jako izolanty a dialektrika) většinou je možné je barvit snadné zpracování (obrábění nebo tvarování) fyziologická nezávadnost (obaly pitné vody a potravin) odolnost vůči biologickým činitelům
Nevýhodné vlastnosti plastů -
malá tepelná stálost (zejména u termoplastů, mohou být problémy při zpracování) velká tepelná roztažnost (mají velmi vysoký koeficient tepelného prodloužení) měkký povrch (hlavně termoplasty, je třeba brát na zřetel při jejich údržbě) hořlavost (nebezpečný vznik toxických plynů, což omezuje možnost likvidace spalováním) tvorba elektrostatického náboje (nepříjemný a nebezpečný jev u oblečení a v domácnosti) nízká odolnost vůči ultrafialovému záření (dochází ke snižování jejich životnosti)
2. Rozdělení plastů 2.1 Podle chemického složení Mezi hlavní skupiny rozdělené podle jejich chemického složení patří polyestery, polyamidy, fenoplasty, silikony a aminoplasty.
2.2 Podle použitých surovin a) Plně syntetické – výchozími surovinami jsou zde nízkomolekulární látky, které se získávají z ropy, uhlí a zemního plynu. Prostřednictvím polyreakcí se z nich získávají makromolekulární produkty s naprosto novými vlastnostmi. Takto vzniklé materiály mívají obvykle předponu poly, kdy se např. ze styrenu získá polymerací polystyren apod. Především plně syntetické plasty je možné vyrábět různě modifikované, hlavně tvrzené, lehčené nebo měkčené.
11
b) Polosyntetické – jsou vyráběny přeměnami přírodních látek, např. kaučuk, kasein nebo celulosa, kdy celulosa je jako složka rostlinných tkání získávána z dřevin, nebo přírodní kaučuk, který je bílá šťáva kaučukových rostlin. Výchozí surovinou pro výrobu lepidel je kasien, který se získává z mléka srážením kyselinami nebo syřidlem.
2.3 Podle chemické reakce při které vznikly a) Polykondenzáty – jedná se o plasty na bázi kondenzačních produktů, např. polyamidy, fenolformaldehydové pryskyřice, polyestery, epoxidové pryskyřice. b) Polymeráty – plasty na bázi polymeračních produktů, lze sem zařadit polystyren, syntetické kaučuky, polyvinylchlorid apod. c) Polyadukty – skupina, do níž lze zařadit např. polyuretany.
2.4 Podle chování za zvýšené teploty [4, 5, 6, 15] a) Termoplasty Jedná se o teplem tavitelné polymery,které jsou složeny z vláknitých nezesítěných makromolekul (obr. 1-3) s lineárními nebo rozvětvenými řetězci (obr. 1-4). Při jejich postupném ohřívání na teploty mezi 40-90 °C za čínají měknout. Po ohřevu na hranici teploty tání (od 80 °C do 140 °C) je lze ohýbat, t áhnout, lisovat nebo vyfukovat. Pokud dojde při dalším ohřívání k překročení teploty tavení (kolem 250 °C podle zvoleného druhu) a materiál přejde do kapalného stavu, zpracovává se nejčastěji používanou technologií vstřikování. Po zpětném ochlazení opět ztuhnou a jsou opakovaně tavitelné. Určitou nevýhodou některých termoplastů je to, že jejich teplota měknutí se pohybuje okolo nízkých hodnot, které dosahuje v horkých letních měsících okolní teplota vzduchu. Na to je třeba brát zřetel při používání výrobků z těchto plastů. Termoplasty jsou dodávány ve formě prášků, granulí, bloků, vláken a profilů.
Obr. 2-1 Struktura termoplastu [6]
Obr. 2-2 Amorfní a krystalická struktura [4]
12
Mezi nejpoužívanější termoplasty patří tyto: Polyvinylchlorid (PVC) Jedná se o jeden z nejlevnějších a nejpoužívanější plastů. Nejprve se vyrobí vinylchlorid z vody, uhlí, vápna a kyseliny chlorovodíkové a ten se potom polymeruje na polyvinylchlorid. Jedná se o bezbarvou a průhlednou hmotu, kterou lze libovolně barvit. Podle obsahu změkčovadel (až 50%) může být plast vyroben v libovolné měkkosti. Měkčený PVC – obsahuje změkčovadla, je ohebný a pod 0 °C k řehne. Používá se pro výrobu obuvi, koženky (na textilním podkladu), kabelek, kufrů, hraček, obalů, hadic apod. Tvrdý PVC – je pevný a křehký, použitelný do teploty 60 °C, odolný proti kyselinám i zásadám. Proto se často používá v chemickém průmyslu na potrubí, armatury a vnitřní povrchy nádrží. Směs PVC s chlorovaným polyethylenem – na rozdíl od tvrdého PVC je houževnatější a má větší odolnost proti povětrnostním vlivů. Používá se na venkovní instalace, okapy a okenní rámy. Polystyren (PS) Vyrábí se polymerací styrenu, jedná se o čirý čistý plast, dobře barvitelný, je tvrdý a křehký a odolný vůči teplotě do 75 °C. Je odolný v ůči kyselinám, solím a alkoholům. Dobře se lepí, obrábí a svařuje. Hodí se na drobné elektroinstalační součásti, skříňky, krabičky, hračky, atd. Přidáním vhodného nadouvadla vzniká pěnový polystyren. Ten je výborným tepelným izolantem, proto se používá ve stavebnictví a chladírenství, dále na záchranné pásy a výplně člunů (nesaje vodu). Dále se z něj vyrábějí tvarové obaly citlivých přístrojů a používá se také v aranžérství. Polyethylen (PE) Jedná se o velmi rozšířený termoplast vyráběný tlakovou polymerací ethylenu. Je to jeden z nejlehčích plastů s hustotou 920 kg/m3. Je čirý nebo matně bílý, odolává dobře všem kyselinám, zásadám a rozpouštědlům, je zdravotně nezávadný a může pracovat do teploty 75 °C. P ři vyšších teplotách je také rozpustitelný např. v toulenu. Je odolný vůči vodě a nepropouští vodní páru, naopak propouští plyn, včetně vzduchu. Má však nízkou odolnost proti povětrnostním vlivům, což se odstraňuje přidáním vhodných stabilizátorů. Často je používán pro domácí potřeby, ve farmaceutice a potravinářství. Dále pro různá potrubí, hadice na vodu, izolace, televizní anténní svody apod. Velmi často z něj jsou vyráběny fólie, které patří k nejkvalitnějším obalovým materiálům. V neposlední řadě je používán na povlakování proti korozi. Speciálním případem je vysokomolekulární polyethylen, který odolává otěru a hlavně nárazům. Bloky a tyče se obrábějí na nárazové části. Je vhodný na pojezdová kola, lanové kotouče, ozubená kola, kluzné součásti, tenké výstelky násypek, chirurgické protézy, nebo z něj jsou také vyráběny skluznice lyží, pro jeho odolnost vůči abrazivnímu opotřebení. [5]
13
Polyamidy (PA) Jsou to materiály vznikající polykondenzací z uhlí, jsou mléčně bílé až nažloutlé. Protože jsou částečně krystalické, mají vysokou pevnost a houževnatost s vysokou odolností proti opotřebení. Jsou odolné proti teplotám do 80 °C, speciál ní druhy až do 175 °C. Je možné je obráb ět, svařovat i lepit. Z jejich vlastností vyplývá, že jsou vhodné pro velmi namáhané součásti, jako jsou součásti v nábytkářském průmyslu, textilní vlákna, hřebeny, obroučky brýlí. Textilní vlákna se vyskytují v podobě vložek do klínových řemenů nebo samotné ploché textilní řemeny. Dále sem patří běžné strojní součásti, např. samomazná ložiska nebo ozubená kola. Do polyamidů také patří plasty známé pod obchodními názvy nylon a silon, přičemž prvními výrobky byly dámské punčochy a rybářské vlasce. Dalším zajímavým odvětvím je lodní průmysl, kde se používá pro výrobu menších lodních šroubů (asi do 1000 kg). Polyestery (PES) Dělí se na lineární a zesíťované. První skupina je vhodná hlavně pro textilní průmysl, vyrábí se z něj nemačkavá rychleschnoucí vlákna, odolná vůči škůdcům. Málo však obsorbují pot a nabíjejí se statickou elektřinou. Zesíťované polyestery se vyrábějí smíšením pryskyřice s tvrdidlem a katalyzátorem. Nejčastěji se používají pro výrobu skelných laminátů, které se zpracovávají lisováním a ohřevem, pro střešní krytinu, trupy člunů nebo části karosérie automobilů. Dále se z nich vyrábějí lepidla a nátěry.
b) Reaktoplasty Obecně lze říci, že jsou to plasty teplem vytvrditelné a patří sem duroplasty a termosety. Vyrábějí se jako tekutá látka medové konzistence – pryskyřice.A druhou složkou, která je k nim dodávána, jsou tvrdidla. Po smíchání těchto složek se provede vlastní zpracování danou technologií (např. lití) a následným zahřátím nám přecházejí do pevného skupenství. Při dalším následném ohřevu dojde k zesíťování řetězců do trojrozměrné sítě (obr. 1-6) a tím k jejich vytvrzení, přičemž je nelze opakovaným ohřevem přivést do tvárného stavu nebo roztavit. Je nutné uvést, že mezi termoplasty a reaktoplasty existuje řada přechodných typů, vzhledem ke stupni větvení a zesítění řetězců. Proto se používají modifikované typy plastů, které se získají modifikací výchozích typů polymerů.
Obr. 2-3 Struktura reaktoplastů [6, 4] 14
Do reaktoplastů patří: Fenolformaldehyd (PF) Jedná se o fenolovou pryskyřici, která vznikne polykondenzací fenolu s formaldehydem. Čistá pryskyřice je tvrdá, křehká, nehořlavá, odolná proti rozpouštědlům a teplotám do 120 °C a používá se na elektroizolá tory, na různé přípravky ve strojírenství, šablony a modely. Fenolformaldehyd je nejčastěji používán s řadou dalších plniv. Pokud je plnivem dřevěná moučka, vzniká plast známý pod názvem bakelit, který je tvrdý a křehký, vhodný například na elektroizolační součásti, držadla žehliček apod. V kombinaci s vrstveným papírem získáme umakart nebo kartit, pro různé panely a izolační části. Ozubená kola a kluzná ložiska obráběná z desek se vyrábějí z kombinace s vrstvenou bavlněnou tkaninou. Dalším z řady plnidel je vrstvená skleněná tkanina, která se užívá pro konstrukční prvky letadel a raket, nebo na chemické nádrže a potrubí. Dále lze do kapalné pryskyřice přidat nadouvadla a dostat tím pěny, které se hodí jako tuhé lehčené desky k tepelné izolaci. Močovinoformaldehydová pryskyřice (UF) Vzniká polykondenzací močoviny s formaldehydem, která se vyrábí synteticky z dusíku obsaženého ve vzduchu. Je to bezbarvá hmota, kterou lze barvit, je tvrdá a odolná vůči teplotě do 75 °C. Nej častěji je zpracovávána lisováním. Jako plnivo se používá dřevěná moučka nebo celulóza a vyrábí se z ní izolační součásti, kuchyňské a sanitární předměty. Epoxidová pryskyřice (EP) Pro její výrobu se používá acetylen a fenol, které se získají z uhlí, vápna a vzduchu. Jsou pevné, odolné proti povětrnosti, vodě, chemikáliím a teplotám do 160 °C. V kapalném stavu jsou její páry jedovaté, což se odstraní jejím vytvrzením. Čistá se používá na izolační zalévání vodičů a obvodů v elektrotechnice, na slévárenské modely a šablony. Díky její vysoké přilnavosti na kovy je z ní vyráběno velice kvalitní lepidlo CHS 1200, kdy po jeho vytvrzení je dosaženo pevnosti spoje srovnatelné s pájením. Z epoxidových skelných laminátů se vyrábějí nádrže a potrubí a jsou používány v letectví a raketové technice, protože je u nich dosahováno pevnosti až 320 MPa. Polyuretany (PUR) Jedná se o tuhou až kaučukovitou hmotu (podle velikosti ok jejich sítě) s velkou otěruvzdorností a tlumící schopností. Vyrábí se z uhlí, vápna a vzduchu. Jsou odolné vůči kyselinám, rozpouštědlům a louhům. Tvrdé druhy se používají jako dvousložková lepidla, pro lepení všech materiálů, ale především kovů. Elastické polyuretany na tlumící prvky (silenbloky), na těsnění a manžety pro vodu a olej do 80 °C. Hodn ě známé jsou také pěny z tohoto materiálu, které jsou tvrdé a po přidání změkčovadel tvrdost klesá podle potřeby a požadavků. Ty potom slouží jako k tepelné izolaci ve stavebnictví a jako izolační látka ve chladírenské technice.
15
c) Elastomery Jedná se o skupinu plastů s elastickými vlastnostmi, které jdou snadno tvarovat a po odlehčení napětí se vrátí do svého původního tvaru. Od ostatních skupin se liší tím, že jejich elasticita převážně není závislá na teplotě. Podobně jako reaktoplasty se skládají z prostorově zesítěných molekul (obr. 1-7). Mezi důležité elastomery patří také kaučuky.
Obr. 2-4 Struktura elastomeru [6] Silikony Jsou to organické sloučeniny odolné proti stárnutí, povětrnosti a vodě. Jsou dodávány jako lineární polymery v podobě olejů a tuků. Používají se jako maziva v letectví, v potravinářství pro ložiska a armatury a jako hydraulické oleje. Jako zesíťované se používají na teplem tvrditelné látky v elektrotechnice, např. pro izolaci elektromotorů. Silikonový kaučuk (SI) Tento kaučuk patřící do skupiny silikonů se skládá z křemíku a kyslíku. Je pružný od –60 do 200 °C, je odolný v ůči vodě, teplotě a olejům. Používá se na výrobu hadic a izolací kabelů v dolech a místech s nebezpečím požáru a pro různá těsnění vystavená velkým teplotním výkyvům. Dále je využíván pro výrobu trvale elastické těsnící hmoty, která se používá na zasklívání oken a dveří. Butylkaučuk (IIR) Jedná se o kopolymer izoprenu (hlavní složka přírodního kaučuku) a izobutylenu, který předčí přírodní kaučuk odolností proti teplotám a povětrnosti a odolností proti kyselinám, naopak má horší pružnost. Používá se jako měkká pěna na hydraulická těsnění, na výrobu těsnící pásky a k utěsňování spár. Nitrilkaučuk Vyniká odolností proti benzínu a olejům, proto se používá na olejovzdorné podlahy, hadice, těsnění apod.
16
3. Technologie zpracování plastů V současné době jsou polymery zpracovávány řadou různých technologií. Ty lze rozdělit do dvou hlavních skupin, z nichž první je výroba polotovarů nebo hotových výrobků, kde mezi nejpoužívanější patří vytlačování, vstřikování, válcování a tvarování. Z polotovarů se jedná zejména o trubky, profily různých průřezů, tyče, desky, pásy, fólie apod., a to především technologií válcování a protlačování. Technologie jako jsou vstřikování, vyfukovaní nebo lisování jsou nejčastěji použity pro hotové výrobky z termoplastů, kterých je široké spektrum tvarů a velikostí. Reaktoplasty jsou většinou lisovány ve tvarovacích lisech a např. laminované desky se vyrábí v etážových lisech. Druhou skupinou je zpracování těchto polotovarů. Pro řadu plastů lze použít běžné technologie jako je například obrábění (řezání, vrtání, atd.), svařování, lepení, nebo u termoplastů třeba ohýbání. Při volbě dané technologie je třeba brát zřetel na velikost série, požadavky na materiál, ekonomická hlediska, dostupnost strojů a zařízení, tvarová složitost součásti, mechanické požadavky na součást a řada dalších.
4. Vstřikování plastů Vstřikování je způsob tváření polymerních materiálů, při kterém se teplem a třením roztavený (zplastikovaný) materiál pod tlakem vstřikuje do uzavřené dutiny formy, ve které se následně ochladí a dojde ke stabilizaci tvaru výrobku. Jedná se o nejrozšířenější technologii zpracování plastů, jíž lze zpracovávat téměř všechny termoplasty a některé druhy reaktoplastů a kaučuků. Výrobky vyráběné touto technologií mají buď charakter konečného výrobku nebo se jedná o polotovary s velmi dobrou rozměrovou i tvarovou přesností. Samotné vstřikovací stroje mohou být podle konstrukce buď pístové, nebo v dnešní době převážně používané stroje šnekové. Postup vstřikování spočívá v tom, že je do násypky vložen nejčastěji granulovaný plast, který je šnekem nebo pístem dopraven do tavící komory stroje, kde působením tepla a tření dojde k jeho tavení a plastikaci. Tato tavenina je následně dopravena velkou rychlostí do dutiny formy, kterou musí zcela vyplnit. Poté přichází na řadu tlaková fáze, která zabrání rozměrovým změnám. Postupným ochlazovaním materiál tuhne a mění se ve finální výrobek. Po ztuhnutí na potřebnou teplotu se forma otevře, díl je vyhozen a celý proces se opakuje.
4.1 Vstřikovací cyklus [7, 14] Během vstřikovacího cyklu se používají některé základní parametry: - vstřikovací rychlost – je to rychlost proudění taveniny do dutiny formy (objem/jednotka času) - vystřikovací tlak – je vstřikovací síla vztažená na jednotku plochy vstřikovacího šneku nebo pístu - tvářecí tlak – je to tlak v dutině formy nižší o tlakové ztráty v důsledku vřazených odporů vtokové soustavy - dotlak – tlak působící na materiál po zaplnění dutiny formy do okamžiku zatuhnutí výstřiku nebo vtokového systému 17
Schéma činnosti vstřikovacího stroje je na obr. 4-1. V první fázi dojde k uzavření formy po plastikaci materiálu (obr. 4-1a). Proces pokračuje přisunutím vstřikovací jednotky a samotným vstřikováním s následným dotlakem (obr. 4-1b). Následuje chladnutí hmoty ve formě a začátek další plastikace (obr. 4-1c). V poslední fázi dojde k vyjmutí výstřiku z dutiny formy (obr. 4-1d) a celý proces se opakuje. VYHAZOVAČE
TRYSKA
ŠNEK
PEVNÁ ČÁST FORMY POHYBLIVÁ ČÁST FORMY
b)
a)
d)
c)
Obr. 4-1 Proces vstřikování [7]
4.2 Časový průběh vstřikovacího cyklu [7, 10, 12, 13, 14] Vzhledem k tomu, že je průběh tlaku ve formě jedním z nejdůležitějších parametrů vstřikování, vyjadřuje se jeho závislost na čase (obr. 4-2). pi [MPa] vnitřní tlak ve formě B
pohyb nástroje (formy)
C
pohyb šneku
SK [mm] SN [mm]
D SK
SN
SN
tS1
E
tS2
A
tV1 tV
tV2
td
tpl tch
Obr. 4-2 Časový průběh vstřikování [13] 18
t [s]
tS3
tm
Popis průběhu: A – začátek vstřikování B – konec plnění formy C – začátek dotlaku
D – konec dotlaku E – konec chlazení
Popis časů: tS1 – uzavření formy tS2 – přisunutí vstřikovací jednotky tS3 – otevření formy tV1 – plnění formy tV2 – stlačování taveniny
tpl – doba plastikace td – doba dotlaku tch – celková doba chlazení tm - prodleva
a) Dávkování Je nutné správně zvolit vstřikovanou dávku, jejíž objem musí postačit pro naplnění dutiny formy a pro její doplňování v průběhu chlazení výstřiku, kdy dochází k jeho smršťování. b) Plastikace Jejím účelem je připravit homogenní taveninu plastu a shromáždit ji v prostoru před čelem šneku. Při plastikaci se šnek otáčí a současně posouvá směrem dozadu. Při tomto zpětném pohybu dochází ke snižování jeho účinné délky, a proto musí být zpětný tlak postupně zvyšován. Nejdříve dochází k tavení granulované směsi s následným hnětením a homogenizací, a v poslední fázi je hmota dopravena do prostoru válce před čelo šneku. Ohřev polymeru je zde realizován dvěma způsoby současně, a to přívodem tepla ze stěn tavného válce, kdy se používá elektrické odporové topení a frikčním teplem, které vzniká při pohybu šneku vlivem tření o stěny komory a povrch šneku. Na elektrické topení připadá asi jedna třetina dodaného tepla, zbývající dvě třetiny je teplo vzniklé vlivem tření při hnětení hmoty. Při plastikaci můžeme ovlivňovat stupeň její homogenity změnou podmínek a parametrů zařízení, mezi něž patří především velikost zpětného tlaku, konstrukce a otáčky šneku, vstřikovaná dávka, velikost ohřevu apod. Nebezpečí při plastikaci představuje možná degradace plastu vlivem příliš rychlého ohřevu, která je závislá také na náchylnosti daného polymeru. c) Vstřikování V této fázi procesu dochází k plnění dutiny formy roztaveným plastem pod tlakem 50 až 200 MPa v závislosti na vlastnostech taveniny, parametrech vstřikování a tvarové složitosti výstřiku. Při vstřikování se šnek neotáčí, ale funguje jako píst a celý proces je realizován pouze jeho axiálním pohybem vpřed. Nejdůležitějšími parametry této fáze je doba a rychlost vstřikování a vstřikovací tlak. Jednou z hlavních zásad je vyvážený poměr mezi velikostí tlaku a rychlosti, kdy např. nelze použít vysokou vstřikovací rychlost při nízkém tlaku. Při vysoké vstřikovací rychlosti vzniká nebezpečí na přehřátí a degradaci materiálu, naopak je však příznivá na orientaci makromolekul.
19
Pokud je požadavek na vysokou rozměrovou přesnost a kvalitu povrchu součásti, často se využívá programovaného průběhu rychlosti vstřikování. Protože teplota formy bývá až 4krát nižší než teplota taveniny, doba plnění dutiny by měla být co nejkratší, protože při kontaktu taveniny se stěnami chlazené formy dochází ke ztrátě tekutosti materiálu a k jeho ochlazování, a vzniká nebezpečí nedostříknutého výrobku. Obvykle se celková doba plnění dutiny pohybuje do několika sekund. Samotné plnění formy je nutné řídit tak, aby tavenina proudila postupně tzv. laminárním tokem. Tavenina tak neklouže po stěně, ale dochází k jejímu valení. Při tomto jevu nastává postupné tuhnutí vrstev taveniny po kontaktu s chladnou stěnou formy a vzniká plastické jádro s vyšší rychlostí proudění, což má za následek zakřivení čela toku. Tlak klesá směrem od jádra ke stěnám dutiny (obr. 4-3).
Obr. 4-3 Plnění dutiny formy [10]
d) Doplňování (dotlak) Tato fáze vstřikování má významný vliv na výsledné vlastnosti výstřiku. Následuje po naplnění dutiny formy, kdy dochází k prudkému nárůstu tlaku. Aby se zabránilo vysokému namáhání formy a deformaci výrobku, je nutné v tomto okamžiku přepnout na dotlak, tzn. snížit vystřikovací tlak. Ten nám zajišťuje postupné doplňovaní úbytku materiálu , který je vyvolán smršťováním hmoty při ochlazování z teploty taveniny na teplotu formy. Takto zamezujeme řadě různých vad výstřiku, jako jsou propadliny, staženiny apod. Velmi důležitými parametry dotlaku jsou jeho velikost a doba trvání, které musí být v rovnováze s postupem smršťování hmoty ve formě. Na obr. 4-4 vidíme průběh vstřikovacího hydraulického tlaku a vnitřního tlaku v dutině formy. Použití příliš vysokého tlaku může mít za následek větší rozměry výstřiku a také vyšší stupeň orientace makromolekul a omezení jejich pohybu vlivem chladnutí a tím vyvolané vnitřní pnutí. Pokud bude dotlak příliš nízký, potom zejména u tlustostěnných partií výstřiku mohou vznikat propadliny, dutiny, staženiny a mikropóry. Rozptyl r nám ukazuje časový interval, ve kterém je potřeba přepnout tlak vstřikovací na dotlak. To je možné řídit čtyřmi způsoby: a) b) c) d)
podle tlaku ve formě podle tlaku v hydraulice podle vstřikovacího času podle dráhy šneku
20
p [MPa] dotlak
hydraulický tlak
přeplnění
optimální tlak
vnitřní tlak ve formě
nedostřik
t [s]
r
Obr. 4-4 Velikost dotlaku [13] U běžných konvenčních strojů bývá obvykle dotlak jednofázový, přičemž tlak taveniny ve formě plynule klesá z důvodu rostoucí viskozity taveniny. U zařízení s programovatelným pracovním cyklem probíhá dotlak ve více fázích. V první fázi je vyšší, aby došlo k rychlému naplnění dutiny, dokud je tavenina dobře tekutá. Ke konci se tlak sníží, aby se zamezilo nárůstu orientace v okolí vtoku a tím i sklonu k pozdějšímu praskání. Toto postupné snižování tlaku se obvykle programuje v několika stupních v závislosti na konkrétním výstřiku. Dotlak je ukončen v okamžiku ztuhnutí ústí vtoku, pokud by byl ukončen dříve, došlo by ke vzniku již zmiňovaných vad. Doba dotlaku je závislá zejména na průřezu vtokového kanálu a většinou trvá od několika sekund až po desítky sekund. Jeho prodlužování po ztuhnutí vtoku již nemá žádný význam a zbytečně zvyšuje dobu celého cyklu. Po skončení této fáze začne probíhat plastikace na další dávku taveniny.
e) Chladnutí ve formě Proces chlazení taveniny v dutině formy nám v podstatě určuje délku celého vstřikovacího cyklu, protože začíná již během vstřikovací fáze a pokračuje během dotlaku. Jeho doba může trvat i několik minut. Závisí především na tvaru výstřiku, druhu plastu, tloušťce stěn, teplotě taveniny, vstřikovací rychlosti a průběhu dotlaku. Dochází zde k podstatným časovým i místním změnám stavových veličin plastu, jako je tlak p, měrný objem v a teplota T a z toho důvodu je proces vstřikování řízen podle p-v-T diagramu. Změny stavových veličin potom přímo určují vznik struktury a její odlišnosti a ovlivňují hmotnost a rozměry výstřiku. Dále má chlazení podstatný vliv na orientaci a vnitřní pnutí výstřiku, a také na kvalitu povrchu a jeho lesk. Povrchový lesk závisí také na drsnosti stěn formy, tekutosti taveniny a její schopnosti přilnout k povrchu dutiny. Podle toho vzniká řada nedostatků jako jsou tokové čáry, šupinatý povrch, povrchové propadliny apod. To lze odstranit vhodnějšími technologickými podmínkami lepším umístěním vtoků nebo jiným tvarovým řešením výrobků.
21
v [m3/kg]
4
p = 0,1 MPa 40
2 3
A
1
80 120 160
vyjmutí výstřiku
D
B
C
křivka zamrznutí vtoku
T [°C] Obr. 4-5 Průběhy chladnutí v p-v-T diagramu [13] Na obr. 4-5 jsou znázorněny různé průběhy ochlazovaní v p-v-T digramu. Úsek A-B představuje fázi vstřikování taveniny a následného dotlaku, kdy dochází k mírnému poklesu teploty a prudkému nárůstu tlaku z okolního atmosférického až na vstřikovací. Úseky B-C odpovídají ochlazování a tuhnutí polymeru ve formě a liší se podle použitých parametrů. Křivka 1 představuje ideální průběh, u něhož je při chladnutí a současném poklesu tlaku měrný objem konstantní. Křivku 2 lze označit jako dosažitelný optimální průběh, kdy po zatuhnutí vtoku je již měrný objem v závislosti na teplotě konstantní. Průběh 3 představuje použití vysokého vstřikovacího tlaku a dotlaku a z toho důvodu výstřiky po otevření formy lpí na její dutině. Naopak průběh 4 je důsledkem nízkých hodnot tlaků a dochází ke zvětšení měrného objemu a následného vzniku propadlin a vnitřních staženin. Proces chlazení ukončuje vyjmutí výstřiku z formy.
f) Vyhození výstřiku Jakmile je výstřik ochlazen na předepsanou teplotu, dochází k otevření formy a jeho vyhození. To může být provedeno buď stlačeným vzduchem nebo pomocí vyhazovačů. Vyhazovače lze ovládat dvěma způsoby: 1) Mechanicky - pomocí stavitelného dorazu stroje po otevření formy, který je vrácen do své polohy při uzavření formy 2) Hydraulicky - jedná se o samostatný vyhazovací systém stroje, který je propojen s vyhazovačem ve formě - v tomto případě není vyhazovač mechanicky vázán na pohyb formy při jejím otevření a uzavření
22
4.3 Vlastnosti a kvalita výstřiku [7, 13, 14] Na výslednou přesnost a jakost výrobku má podstatný vliv zvolený druh plastu, technologické parametry vstřikování, konstrukce formy a druh použitého stroje. Z technologických parametrů se jedná o vstřikovací tlak, teplotu taveniny, teplotu formy, rychlost plnění dutiny formy, a také výše a doba trvání dotlaku. Z hlediska druhu plastu jsou to především jeho reologické vlastnosti, velikost vnitřních pnutí, rychlost jeho plastikace a vliv smrštění.
4.3.1 Smrštění Smrštění je definováno jako zmenšení rozměru výstřiku při ochlazování z teploty taveniny na teplotu okolí. Rozlišujeme smrštění výrobní a dodatečné. Vlivem orientace makromolekul dochází k anizotropii smrštění, kdy ve směru toku materiálu je smrštění jiné než ve směru kolmém. Dodatečné smrštění je větší ve směru orientace makromolekul. Smrštění je ovlivněno řadou faktorů, roste nám se vzrůstající tloušťkou stěny výstřiku a teplotou formy a dále roste s klesající teplotou taveniny a klesající dobou působení tlaku. Jeho hodnoty se pohybují u amorfních plastů mezi 0,3 až 0,6 % a u semikrystalických je to od 0,8 do 4 %.
4.3.2 Přesnost rozměrů Do pojmu přesnost se řadí výrobní rozměrová přesnost a technologická přesnost. U výrobní přesnosti se jedná o dodržení předepsaných rozměrů a tolerancí během výroby, u technologické je to jednak chemické složení a vlastnosti polymeru a také technologické faktory jako například vliv konstrukce formy a výrobku, technologické parametry apod. Při procesu výroby prochází výstřik řadou rozměrových změn, které jsou znázorněny na obr. 4-6. Pozice A1 představuje rozměr v chladné formě (a jeho toleranci) a A2 je po ohřevu na provozní teplotu. B1 je rozměr výstřiku po smrštění po 24 hodinách a u rozměru B2 již proběhlo dodatečné smrštění po týdnech až měsících. Rozměr C1 je vlivem roztažení navlhnutím u plastů, které absorbují vlhkost z okolního prostředí. Pokud je pracovní teplota plastového dílce odlišná od teploty okolí, dochází ke změně na rozměr C2 vlivem ohřátí na provozní teplotu. Z toho plyne, že celková tolerance rozměrů výstřiku při jeho funkci je dána součtem tolerancí všech těchto změn, kterými během procesu prochází.
Obr. 4-6 Rozměrové změny výstřiku [7] 23
Dosažitelná přesnost V praxi se na výkresech plastových součástí předepisují stejně jako pro kovové součásti tolerance ve třídách přesnosti IT. Do této tolerance je však zahrnuto pouze smrštění po 24 hodinách od vstřikování (rozměr B1 na obr. 4-6) a zbývající rozměrové změny se sem obvykle nezahrnují. Při běžných technologických podmínkách je: IT 10 – IT 12 u tuhých amorfních termoplastů (PS, PC, PVC) a u reaktoplastů IT 11 – IT 13 u semikrystalických tuhých termoplastů (PP, POM) IT 14 – IT 16 u měkkých termoplastů (EVA, měkčený PVC) [7]
4.4 Vstřikovací stroje [4, 12, 13, 15] Základní částí vstřikovacího stroje jsou vstřikovací a plastikační jednotka, uzavírací jednotka a ovládací elektrické a hydraulické okruhy. Na dnešních moderních strojích celý proces probíhá automaticky a je dosahováno vysoké produktivity.
4.4.1 Uzavírací jednotka Uzavírací jednotka vstřikovacího stroje má za úkol uzavírání a otevíraní formy, zajištění její přesné polohy a dostatečným tlakem zabránit jejímu otevření během procesu. Síla vyvozující tento tlak se určuje z plochy průmětu výstřiku do dělící roviny formy a z velikosti vstřikovacího tlaku. Obvykle se uzavírací jednotka skládá z pevné a pohyblivé strany, hydraulického ovládání, kloubového mechanizmu a vlastní formy.
4.4.2 Vstřikovací jednotka Cílem vstřikovací jednotky je příprava homogenní taveniny plastu a jeho dopravení do dutiny formy vysokou rychlostí a pod vysokým tlakem. Podle plastikačního systému se stroje dělí na pístové a šnekové. a) Pístové stroje Tyto jednotky byly používány u prvních vstřikovacích strojů a od poloviny minulého století byly postupně vytlačeny šnekovými a dnes už se používají jen ojediněle. Jeho schéma je vidět na obr. 4-7. Do komory s pístem se dávkuje granulát který je taven pouze přiváděným teplem. Z tohoto důvodu je tavenina nehomogenní, s rozdílnou teplotou uvnitř a na jejím povrchu. Pro zlepšení homogenity se do komory umísťují tzv. torpéda. V první fázi je tavenina pístem stlačována a poté se provede její vstříknutí do dutiny formy. ohřev
opěrná žebra
píst
torpédo
Obr. 4-7 Pístový vstřikovací stroj [12] 24
b) Šnekové stroje Tyto stroje dnes patří k nejpoužívanějším, protože mají proti dříve používaným pístovým strojů řadu výhod. Mezi nejpodstatnější výhody patří větší plastikační výkon, teplota a homogenita taveniny, vyšší rychlost vstřikování, nižší provozní náklady, kratší výrobní cyklus a také možnost provádět dodatečné úpravy vlastností plastu přímo v plastikační jednotce, jako je např. jeho barvení. Schéma šnekového stroje je na obr. 4-8.
Obr. 4-8 Šnekový vstřikovací stroj [7]
4.5 Vstřikovací formy [7, 11, 12, 13, 14] Forma je nejdůležitější částí celého zařízení, dává tavenině výsledný tvar výstřiku a ten zachovává až do jeho ztuhnutí. Na jejím provedení a přesnosti závisí vedle rozměrové přesnosti výrobku také jeho další užitné vlastnosti. Na formu a její provedení je kladeno mnoho požadavků, musí být velice přesně vyrobena, což je finančně náročné. Dále musí odolávat vysokým tlakům a tepelnému namáhání, musí pracovat automaticky, umožnit snadné vyjmutí výstřiku a řadu dalších požadavků. Především z těchto důvodů je vstřikování předurčeno pro hromadnou a velkosériovou výrobu. Vstřikovací formy lze rozdělit podle násobnosti na jednonásobné a vícenásobné, podle typu stroje na formy se vstřikováním do dělící roviny nebo kolmo na ni, podle konstrukčního řešení na dvou-deskové, tří-deskové, čelisťové, s výsuvnými jádry apod. Na násobnost formy má vliv celkový počet výstřiků, celkové náklady na jedno a více-násobnou formu, možnosti a kapacity dostupných strojů, jejich provozní náklady a celková doba cyklu. Správné určení násobnosti formy má zásadní vliv na ekonomičnost celého procesu. Hlavními částmi formy je vtokový systém, tvarová dutina, chladící systém, vyhazovací systém a vodící a upínací elementy.
4.5.1 Vtokový systém Při vstřikování má tvar a způsob umístění vtoku podstatný vliv na proudění taveniny do formy, orientaci makromolekul, anizotropii vlastností, vznik různých vad jako jsou dutiny, staženiny, studené spoje apod., dále na čistotu povrchu a rovnoměrnost krystalizace. Hlavní zásadou je, aby tavenina plnila formu co nejrychleji, nejkratší možnou cestou, a rovnoměrně ve všech částech dutiny.
25
4.5.1.1 Typy vtoků Vtokovou soustavu u jednonásobných forem tvoří prakticky vlastní vtok, který je přímo napojen na vlastní výstřik. Základní druhy těchto vtoků jsou vidět na obr. 4-9. Konstrukčně nejjednodušším je plný vtok (a), který se používá u velkých a tlustostěnných symetrických výstřiků. Výhodou jsou malé tlakové ztráty a vnitřní pnutí výrobku, naopak nevýhodou je delší výrobní cyklus a obtížné oddělení vtoku. Na obrázku b) a c) je vtok bodový s různým průřezem. Jeho výhodou je snadné odtržení a také malá stopa, která zůstane po jeho odtržení a není nutné její zarovnávání. Také přispívá k ohřevu taveniny. Dochází zde však k velkým tlakovým ztrátám a je používán pro tenkostěnné výstřiky a tekutější materiály. Obdélníkový průřez je použitelný pro všechny druhy materiálů, ale je nutné dodatečné začistění stopy. Zvláštním typem tohoto vtoku je vtok tunelový (d), který je však náročný na výrobu. Posledním typem je tzv. membránový vtok (e), díky němuž dochází k rovnoměrnému plnění formy, ale je nutné jeho dodatečné odříznutí a s tím spojená větší spotřeba materiálu. Obvykle se používá pro pouzdra a součásti prstencového tvaru.
Obr. 4-9 Vtoky jednonásobných forem [7]
U vícenásobných forem je nedůležitějším požadavkem to, aby všechny tvarové dutiny byly plněny současně a to při stejné teplotě a vnitřním tlaku. Toho je dosaženo správně zvolenými rozváděcími kanálky, jejichž tloušťka se určuje podle teploty plastu, tloušťky stěny a velikosti výstřiku. Jejich průřez může být kruhový nebo hranatý. Nejčastějšími způsoby rozmístění je hvězdicové, řadové nebo kruhové, jak je vidět na obr. 4-10. Z hlediska plynulosti plnění dutin je vhodnější uspořádání hvězdicové, protože dochází k zaplnění ve stejném a při stejném tlaku, na rozdíl od řadového, kde je nutné provést změnu rozměrů rozváděcích kanálků směrem k dutinám vzdálenějším od vtokového kůlu.
26
řadové
kruhové
hvězdicové
Obr. 4-10 Vtoky vícenásobných forem [13] Formy s vyhřívanou vtokovou soustavou udržují taveninu v celé oblasti vtoku tekutou a z toho důvodu nezůstává žádný materiál k odstranění a dochází ke zkrácení pracovního cyklu, úspoře materiálu a snížení počtu operací. Celá soustava je značně tepelně namáhána a vyžaduje vysokou přesnost výroby. Tyto systémy jsou poměrně složité a proto také finančně náročné. Vyžadují krátké vstřikovací cykly a nepřetržitý provoz.
4.5.1.2 Umístění vtoků Na obr. 4-11 je vidět vhodné a nevhodné umístění vtoků v závislosti na tvaru a způsobu namáhání. Prvním případem je dlouhý úzký výstřik namáhaný na ohyb. Proudění a následná orientace vytváří v blízkosti vtoku oblast se sníženou pevností materiálu a z toho vyplývá, že v případě a) by mohlo dojít k porušení v místě vtoku. Správně zvolená poloha je b) a c), kde má orientace příznivý vliv na daný způsob namáhání. V případě desky s otvorem a podélným tahovým namáháním je nevhodný případ d), protože vzniklý studený spoj X dává větší příležitost vzniku porušení oproti poloze e). Je-li otvor umístěn blíže vtoku (obrázek f), oba proudy mají větší prostor k lepšímu promísení za otvorem a negativní vliv studeného spoje tak klesá. Dále je vidět nevhodný boční vtok u prstencových výstřiků, kde vždy dochází ke tvorbě studeného spoje na opačné straně.
Obr. 4-11 Umístění vtoků [7] 27
4.5.2 Temperační systém Temperační systém slouží k odvádění tepla, které je vneseno do formy taveninou plastu. Tím je dosaženo požadované teploty vhodné pro vyjmutí výstřiku. Jedná se o systém kanálků a dutin, jimiž protéká chladící médium a umožňuje přestup tepla z taveniny do formy a následně do tohoto média. Některé plasty se však vstřikují do forem s vyšší teplotou a někdy je nutné formu po vyjmutí výstřiku naopak ohřívat, aby byla připravena na další cyklus. Jedním z požadavků na temperační systém je také to, aby se forma ochlazovala rovnoměrně ve všech jejích částech. Pokud to tak není, hrozí nebezpečí vnitřních pnutí a vzniku trhlin. Temperační okruh se dělí na okruh v pevné časti formy a v pohyblivé časti. Na uspořádání a vzdálenost kanálků má vliv umístění a vliv vtokové soustavy, druh použitého polymeru, velikost a tvarová složitost výstřiku, požadavky na jeho rozměrovou přesnost a také materiál formy. Průřez kanálků bývá kruhový a pohybuje se od 6 do 20 mm. Jejich délka by měla být navržena tak, aby rozdíl teplot na vstupu a výstupu nepřesahoval 5°C. Pr ůměrem a vzdáleností kanálků od sebe a od stěn formy můžeme také regulovat intenzitu odváděného tepla v různých částech formy. Zde platí zásada, že nejintenzivněji by mělo být teplo odváděno od vtoku. Existuje řada možností propojení jednotlivých větví, obecně lze říci že buď sériově nebo paralelně, jak je vidět na obr. 4-12.
sériově
paralelně
Obr. 4-12 Propojení větví [13]
4.5.3 Vyhazovače Při ochlazování výstřiku dochází k jeho smršťování a vlivem toho uplívá na tvarových částech formy. Aby bylo možné jeho hladné vyjmutí, používají se k tomu vyhazovače. Nejčastěji se používají mechanické vyhazovače, kam patří vyhazovací kolíky, jejichž princip je znázorněn na obrázku 4-1. Pro výrobky válcového tvaru to jsou stěrací kroužky a tvary jako je pouzdro apod. se vyjímají trubkovým vyhazovačem. Často se také používá stlačeného vzduchu. Důležité je správné určení vyhazovací síly, aby byla dostatečně velká pro správnou funkci a naopak zbytečně nepoškozovala výstřik. Závisí hlavně na rozměrech výstřiku, na průběhu teplot a tlaků během procesu a také na velikosti součinitele tření mezi povrchem formy a dílce.
28
4.5.4 Zásady tvarového řešení dílců [7] Tvarové řešení výrobků má řadu hledisek, kterými je potřeba se při jejich navrhování řídit: Funkčnost nám zajišťuje dodržení všech hlavních funkcí, které jsou od výrobku vyžadovány. Toto kritérium je potřeba zajistit po celou dobu životnosti součástí, neboť plastové součásti většinou nelze opravovat a výroba náhradního dílu by byla velice náročná. Značný vliv na životnost plastových součástí má působení slunečního svitu a povětrnosti, protože dochází ke zhoršení mechanických vlastností polymeru. Technologičnost tvaru znamená co nejplynulejší a nejrychlejší naplnění dutiny formy taveninou, aby bylo dosaženo kvalitního výrobku a rychlého vstřikovacího procesu. Ekonomičnost představuje hlavně jednoduchý tvar součásti, aby i forma byla jednoduchá a levná na výrobu a umožňovala snadnou automatizaci. Estetičnost musí být v souladu s funkcí a materiálem výrobku a s prostředím, v němž bude používán. Při navrhování výstřiku musíme dodržovat tyto zásady: a) Prvním krokem je určení dělící roviny, která nám ukáže, jak bude umístěn výrobek ve formě a naznačí nám možná zjednodušení nebo naopak komplikace. Obecně má být co nejjednodušší. b) Tloušťka je dána požadovanou tuhostí a pevností výstřiku. Snažíme se aby byla co nejmenší, čímž se snižuje možnost výskytu staženin a propadlin a také rozdíly v jejím chladnutí. Tloušťka stěny by měla být rovnoměrná. c) Z důvodu otevření formy a vyjmutí součásti musíme zvolit úkosy, které jsou rovnoběžné se směrem otevření. d) Z hlediska snazšího proudění taveniny se na dílec umisťují zaoblení. Rádiusy je vhodné volit co největší, protože s rostoucí velikostí se snižuje odpor proti průtoku materiálu a tím menší jsou koncentrace napětí. Zaoblení by nemělo být menší než 1/4 tloušťky stěny. e) Výstřiky se často vyztužují pomocí žeber, kdy můžeme použít tenké stěny. Tvar a umístění žebra se volí v závislosti na tloušťce stěny a tvaru výrobku. Zásadou je, že se volí raději více malých žeber než naopak. Žebrováním je obvykle nutné řešit větší rovinné plochy, které se deformují vlivem smršťování a vnitřního pnutí. f) Nemělo by dojít k zesílení okrajů výrobků, protože by došlo k rozdílnému smrštění proti zbytku stěny a následným deformacím.
29
5. Lisování [12, 13, 14] Jedná se o technologii tváření plastů ve formě za působení tlaku a teploty. Výsledný tvar výlisku je dán tvarovou dutinou vyhřívané ocelové formy, která je buď přímo součástí lisu nebo je do něj volně vložena. Ohřev formy je obvykle realizován elektricky odporově. Tato technologie je nejčastěji používána na zpracování reaktoplastů. Postup lisování začíná vložením polotovaru do dutiny nástroje, který je nejčastěji ve formě tablet, prášku nebo měkkých pásů. Důležitou roli zde hraje přesně určený objem materiálu. Vlivem ohřevu formy je materiál nataven do plastického stavu potřebného pro dokonalé vyplnění dutiny. Následným tlakem tvárníku dojde k dokončení plastikace materiálu a k vyplnění tvarové dutiny. Dále poklesne lisovací tlak, aby došlo k dostatečnému odplynění a vlivem působení teploty probíhá vytvrzování reaktoplastu, což představuje nejdelší časový úsek v celém procesu. Po vytvrzení se forma otevře a vyhodí se hotový výlisek. Před vložením další dávky je nezbytné formu vyčistit od zbytků plastu, což se provádí nejčastěji pomocí stlačeného vzduchu. Postup je znázorněn na obr. 5-1.
Obr. 5-1 Lisování plastů [13] Při lisování termoplastů je průběh celého procesu odlišný. Nejprve se musí materiál zahřát na teplotu potřebnou ke tváření, potom proběhne samotné lisování a nakonec je potřeba výlisek ve formě ochladit. Tento proces je časově poměrně náročný a z toho důvodu bylo lisování termoplastů ve většině případů nahrazeno produktivnějším vstřikováním. Značnou nevýhodou lisování je také to, že ho nelze automatizovat.
5.1 Parametry lisování Mezi hlavní parametry lisování patří lisovací tlak, teplota lisování a doba vytvrzování. Na lisovacím tlaku závisí hlavně kvalita povrchu výlisku a velikost smrštění. Jeho velikost se pohybuje mezi 10 a 70 MPa a je stanoven podle použitého druhu plastu, tvarové složitosti součásti a teploty lisování. Podle stejných kritérií se určí také teplota lisování, která se udává v rozmezí od 120°C do 200°C. Doba vytvrzení hmoty pro daný materiál závisí na tloušťce stěn. Velmi často se také používá předehřev polotovarů, např. vysokofrekvenčním ohřevem, což má za následek lepší zatečení hmoty, rychlejší ohřátí na vytvrzovací teplotu a celkové zkrácení lisovacího cyklu. 30
6. Přetlačování [12, 13, 14] Přetlačování je způsob zpracování plastů, který nese některé společné znaky lisování a vstřikování. Princip metody je vidět na obr. 6-1. Odměřená dávka plastu se vloží do pomocné tlakové komory, kde proběhne její plastikace působením dodaného tepla a poté je pomocí pístu přetlačena přes vtokové kanály do vlastní tvarové dutiny formy. Následuje stejně jako u lisování proces vytvrzování a vyjmutí výlisku. Stejně jako lisování se i přetlačování používá převážně pro reaktoplasty.
odvzdušňovací spára
Obr. 6-1 Přetlačování plastů [12]
6.1 Parametry procesu U přetlačování je při požadavku kvalitního výrobku velmi důležitý předehřev materiálu na správnou teplotu, který probíhá mimo formu, nejčastěji pomocí vysokofrekvenčního ohřevu. Po přemístění polotovaru do nástroje se ohřev dokončí až do potřebného plastického stavu. U reaktoplastů je teplota formy vždy větší než teplota předehřevu a odpovídá teplotě vytvrzování. Přetlačovací tlak je závislý zejména na tom, jestli byl nebo nebyl použitý předehřev a také na vlastnostech materiálu, hlavně na jeho schopnosti téci. Na obr. 6-2 je vidět průběh přetlačovacího tlaku v závislosti na čase a také rozdíl mezi materiálem s předehřevem a bez předehřevu. p [MPa]
s předehřevem
ohřev
bez předehřevu
vytvrzování
plastikace
Obr. 6-2 Průběh tlaku při přetlačování [13] 31
t [s]
7. Tvarování [12, 13, 14] Tvarování spočívá ve změně tvaru výchozího polotovaru bez jeho poškození a bez většího přemisťování materiálu. Používá se výhradně pro termoplasty. Nedochází zde k tavení plastu, pouze se ohřeje do oblasti viskózně elastických deformací. Polotvarem bývá fólie nebo deska a vyrábějí se tak různé kryty, nádoby, apod. Podle způsobu technologie se rozděluje na mechanické a pneumatické. Pneumatické se dále dělí na podtlakové a přetlakové. Mechanické tvarování je založeno na přímém působení obou částí formy na polotovar. Používá se pro výrobky jednoduchých tvarů a menších výšek stěny, např. víčka, krabičky, podnosy, kelímky, apod. Základem podtlakového pneumatického tvarování je změna tvaru polotovaru pomocí podtlaku ve formě vyvolaného prostřednictvím vývěvy a následném přitisknutí materiálu na stěnu formy. Celý proces je založen na rozdílu atmosférického tlaku a vakua uvnitř formy, takže zde postačují velmi malé tlaky. Přetlakové tvarování je podobné na vyfukování, liší se pouze teplotou zpracování, která nám u tvarování stačí podstatně nižší.Tento způsob se moc nepoužívá. V praxi se s výhodou používají jejich různé kombinace, což umožňuje větší přetvoření polotovaru bez jeho porušení. Podle postupu lze tvarování rozdělit na negativní a pozitivní.
7.1 Negativní tvarování Při negativním tvarování (obr. 7-1) forma odpovídá požadovanému tvaru výrobku a její rozměr je zvětšený o uvažované smrštění plastu. Polotovar se upne do rámu formy, čímž je zajištěna vzduchotěsnost a přisunutým infrazářičem se začne ohřívat na požadovanou teplotu. Po dosažení této teploty se zářič odsune, odsávacími kanálky se vytvoří podtlak ve formě a ohřátý polotovar se přitiskne na stěnu formy a přesně okopíruje její tvar. Po ochlazení se výtažek vyjme z formy prostřednictvím přetlaku, který se vytvoří přes odsávací kanálky. Tento způsob tvarování se používá pro rozměrné výtažky s malou hloubkou. Formy mohou být vyrobeny ze slitin hliníku.
ohřev
podtlak
podtlak
Obr. 7-1 Negativní tvarování [14]
32
přetlak
7.2 Pozitivní tvarování Princip pozitivního tvarování spočívá v tom, že se nejprve, stejně jako u negativního, pomocí infrazářiče nahřeje polotovar ve formě desky na požadovanou teplotu tvarování, opět se zářič odstraní a poté se buď tvárník svislým pohybem vzhůru vtlačí do ohřátého materiálu, nebo se polotovar pohybem dolů natáhne na tvárník. Takto dojde k nabalení plastu na formu a pro ideální okopírování tvaru se vytvoří podtlak a dojde k přilnutí i v problematických místech jako jsou například rohy výtažku. Následuje ochlazení výtažku a jeho sejmutí z tvárníku. Tento způsob tvarovaní se používá i pro hlubší výtažky u nichž je větší tloušťka dna oproti stěnám. Pracovní postup této technologie je na obr. 7-2.
ohřev
podtlak
Obr. 7-2 Pozitivní tvarování [13]
33
8. Návrh technologie vstřikování plastového krytu zásuvky Pro zadanou součást a velikost série 700 000 ks je vstřikování jednoznačně nejvhodnější technologií. Kromě geometrie součásti a velikosti její série je třeba také brát zřetel na možnost použití vícenásobné formy, dobu pracovního cyklu, přípravné časy a doby manipulace, minimum dalších kroků a operací a také celkové náklady. Technologie lisování a přetlačování je vhodná zejména pro zpracování reaktoplastů, u tvarování by byla nutná další operace v podobě dodatečného prostřižení otvorů.
8.1 Volba materiálu [5, 6, 7, 13, 16] Materiál, z něhož bude kryt zásuvky vyroben, musí splňovat řadu požadavků, ze kterých je zapotřebí vycházet při jeho návrhu. Mezi tyto nejdůležitější vlastnosti patří hlavně odolnost proti nárazu a tlaku a jeho vhodnost použití v elektrotechnice, z čehož plyne tepelná odolnost a schopnost izolovat elektrický proud. V neposlední řadě je to také cena polymeru. Z vhodných materiálů lze vybrat tyto: ABS s retardérem hoření -
patří do skupiny amorfních termoplastů, konkrétně styrénových polymerů typy materiálů: Cycolac, Forsan
Polyamid PA-66 -
jedná se o semikrystalický termoplast Ultramid, Rilsan
Směs PC + ABS -
polykarbonát je amorfní plast, s rostoucím podílem ABS se zlepšuje zpracovatelnost Bayblend
Polybutylentereftalát (PBTP) -
skupina semikrystalických termoplastů patří sem např. Pocan
34
Pro výrobu zadané součásti volím materiál ABS (akrylonitril-butadien-styren), s označením Forsan 548 od výrobce Kaučuk, a.s., Kralupy nad Vltavou. Mechanické vlastnosti -
smrštění:
0,45 %
-
hustota:
ρ = 1050 kg.m-3
-
modul pružnosti:
E = 2200 MPa
-
mez kluzu:
σE = 34 MPa
Teplotní parametry při vstřikování -
měrná tepelná vodivost:
aeff = 0,082 mm2.s-1
-
teplota formy:
Tw = 40 – 80 °C
-
teplota taveniny:
TM = 190 – 290 °C
-
vyhazovací teplota:
TE = 80 – 110 °C
Tlakové parametry při vstřikování -
vstřikovací tlak:
pv = 65 - 125 MPa
-
zpětný tlak:
pz = 4 - 8 MPa
-
dotlak:
pd = 40 - 90 MPa
-
Forsan má velmi dobré elektroizolační vlastnosti a chová se jako dialektrikum
-
je bez chuti a zápachu, odolný vůči plísním a baktreriím
-
stejně jako ostatní termoplasty je při trvalém zatížení náchylný k toku za studena
-
má poměrně malé výrobní smrštění a téměř nulové dodatečné smrštění
Další technická data a hodnoty materiálu Forsan 548 jsou čerpány z literatury [13] a [16].
35
8.1.1 Skladování a doprava materiálu Forsan je dodáván ve formě granulátu v papírových 3-vrstvých pytlích s PE vložkou. Skladování je nutno zajistit v suchých a větraných prostorách za běžné teploty. Z hlediska požární bezpečnosti je granulát klasifikován jako lehce hořlavý, z čehož plyne dodržení požárních předpisů. Při zpracování vtokových zbytků, především jejich mletí, může vznikat prach, který tvoří se vzduchem výbušnou směs. Z toho důvodu je při těchto operacích zakázáno manipulovat s otevřeným ohněm, kouření a svařování. Dopravu granulátu lze provádět ručně, častěji pomocí mechanických nebo pneumatických dopravních zařízení.
8.1.2 Sušení granulátu Granulát Forsan je možné sušit ve všech běžných typech sušáren (horkovzdušné, horkovzdušné s cirkulací vzduchu, suchým vzduchem). Nejkvalitnější je sušení horkým vzduchem s tzv. molekulovým sítem. U horkovzdušných sušáren je účinnost a doba sušení závislá na vlhkosti nasávaného vzduchu, který je závislý zejména na ročním období. Orintační hodnoty jsou v tab. 8-1.
Vzduch
Teplota vzduchu [°C]
Relativní vlhkost vzduchu [%]
Obsah vlhkosti [g.m-3]
Vlhký letní
25
80
19
Normální letní
25
60
14
Jaro / Podzim
10
70
6,7
Zima
0
80
3,9
Zima
-10
50
1
Tab. 8-1 Orientační obsah vlhkosti ve vzduchu
Materiál Forsan by měl mít při vstřikování obsah vlhkosti menší než 0,05 %. Pro dodržení tohoto limitu se sušení provádí: -
v horkovzdušných sušárnách při teplotě 80 až 85 °C po dobu 3 až 4 hodiny
-
v horkovzdušných sušárnách při požadavku na vysokou jakost povrchu při teplotě 80 až 85 °C po dobu 6 hodin
-
suchým vzduchem při teplotě 80 °C po dobu 2 až 3 hodiny
-
při sušení ve vyhřívané násypce stroje při teplotě 80 až 85 °C
36
8.2 Objem součásti Objem krytu zásuvky byl stanoven pomocí 3D modelu v programu SolidWorks 2008.
Obr. 8-1 Fyzikální vlastnosti součásti Objem: V = 18073 mm3
37
8.3 Hmotnost výstřiku [13, 17] 8.3.1 Hmotnost součásti m = ρ ⋅ V = 1050 ⋅ 18073 ⋅ 10 −9 = 0,019kg = 19g stanovení praktické násobnosti formy z grafu (Příloha 1) pro sérii 700000 ks: Vc = 4.V = 4.18073 = 72292 mm3
(8.1) n=4 (8.2)
V……objem dílce……[mm3] mc1 = 4.m = 4.19 = 76 g
(8.3)
m……hmotnost 1 dílce……[g]
8.3.2 Hmotnost vtoků (odpad) Průměr rozváděcích kanálků – 3 způsoby stanovení: Délka rozváděcího kanálku zvolena dle konstrukčního uspořádání 106mm. Konstanty ve vzorcích voleny dle tabulek Příloha 2 a Příloha 3. a) dk = k ⋅ p ⋅ 4 S = 0,76 ⋅ 0,6 ⋅ 4 22784 = 5,6 mm
(8.4)
k……konstanta vyjadřující vliv tloušťky stěny……[-] p……materiálový parametr……[-] S……povrch dutiny formy……[mm2]
b) dk = do ⋅ p ⋅ l ⋅ q = 7 ⋅ 0,6 ⋅ 1,2 ⋅ 1 = 5,1 mm
(8.5)
do……základní průměr kanálu……[mm] l……korekční faktor délky kanálu……[-] q……korekční faktor plnění polymeru……[-]
c) dk = D´⋅K 1 ⋅ K 2 = 3,14 ⋅ 1⋅ 1,2 = 3,8 mm
(8.6)
D´……D´=f(m,s)……[mm] K1……koeficient tekutosti materiálu……[-] K2……koeficient délky rozváděcího kanálku……[-]
⇒ S ohledem na bezpečné zatékaní materiálu volím průměr rozváděcího kanálku dk = 5,8 mm
38
Volba vtokového ústí [19]:
Vzhledem ke geometrii dílce volím filmové ústí vtoku o tloušťce t = 0,8 mm
Šířka filmového ústí:
20 mm
Délka filmového ústí:
1,9 mm
(viz. obr. 8-2)
Objem rozváděcích kanálků:
Obr. 8-2 Uspořádání rozváděcích kanálků
Vk1 =
π ⋅ 5,8 2 ⋅ (2 ⋅ 62 + 4 ⋅ 20 + 4 ⋅ 22,1) + 4 ⋅ (0,8 ⋅ 1,9 ⋅ 20) = 7847 mm 3 4
39
(8.7)
Průměr hlavního vtoku (větší průměr otvoru vtokové vložky): Předběžně:
dF = dk ⋅ n 0,04 = 5,8 ⋅ 4 0,04 = 6,1 mm
(8.8)
n……násobnost formy……[-] dk……průměr rozváděcích kanálků……[mm] Dle katalogu vystřikovacích forem Hasco volím: Složení vstřikovací formy viz. Příloha 4 a Příloha 5. - Horní upínací desku (s1) K 15 / 346 x 346 x 27 - Horní kotevní vložkovou desku (s2) K 20 / 346 x 346 x 56 - Vtokovou vložku Z 51 / 24 x 56 / 4,5
(délka vtoku lv = 79 mm)
⇒ malý průměr otvoru vtokové vložky dA = 4,5 mm ⇒ velký průměr otvoru vtokové vložky dF = d A + 2.79.tg1,5 = 8,6 mm
Objem hlavního vtoku: 2
2
d + dA 8,6 + 4,5 π⋅ F π⋅ 2 2 ⋅ 79 = 2662 mm 3 Vk 2 = ⋅ lv = 4 4
(8.9)
dF......velký průměr vtokové vložky......[mm] dA......malý průměr vtokové vložky......[mm] lv……délka vtokové vložky……[mm]
Objem vtokového systému: Vk = Vk1 + Vk 2 = 7847 + 2662 = 10509 mm 3
(8.10)
Hmotnost vtokového systému:
m c 2 = ρ ⋅ Vk = 1050 ⋅ 10509 ⋅ 10 −9 = 0,011 kg = 11 g
40
(8.11)
8.3.3 Celková hmotnost výstřiku m c = m c1 + m c 2 = 76 + 11 = 87 g
(8.12)
mc1……hmotnost součásti při násobnosti n=4……[g] mc2……hmotnost vtokového systému……[g]
8.4 Stanovení velikosti dávky taveniny [13] VD =
mc 87 = = 95,6 cm 3 K a 0,91
(8.13)
mc……celková hmotnost výstřiku……[g] Ka……faktor navýšení objemu taveniny……[g.cm-3]
8.5 Kontrola délky dráhy toku taveniny [13]
Obr. 8-3 Dráha toku taveniny [13]
8.5.1 Celková délka dráhy toku taveniny Rozměry součásti viz. výkresová dokumentace
f1 =
7,3 2⋅π⋅3 + + 4 = 16 mm cos 5 4
f2 = 5 + 12 = 17 mm f3 = 17 +
41 = 37,5 mm 2
fc = 2 ⋅ ( f1 + f2 + f3 ) = 2 ⋅ (16 + 17 + 37,5) = 141 mm f1,2,3……dílčí úseky dráhy……[mm]
41
(8.14)
8.5.2 Maximální výpočtová délka dráhy toku taveniny L = m´⋅sn´ = 90 ⋅ 1,51,73 = 181,5 mm
(8.15)
s…….tloušťka stěny součásti……[mm] m´……koeficient rovnice dráhy toku taveniny plastu……[-] n´…… exponent rovnice dráhy toku taveniny plastu……[-]
141 mm < 181,5 mm
⇒
fc < L
Podmínka dodržení maximální délky dráhy toku taveniny vyhovuje ⇒ mohu použít zvolený materiál Forsan 548
8.6 Doba vstřikovacího cyklu
t1 t2 tv tk t3 t4 tc Obr. 8-4 Doba vstřikovacího cyklu [13]
Celková doba vstřikovacího cyklu tc se skládá z:
t1 – doba uzavření formy……volím t1 = 1 s t2 – doba přisunutí vstřikovací jednotky……volím t2 = 0,5 s tv – doba vstřikování……dle tabulky viz. Příloha 6 volím tv = 2 s tk – doba chlazení dle výpočtu (8.16) t3 – doba otevření formy a vyhození výstřiku……volím t3 = 1,5 s t4 – prodleva……volím t4 = 0,5 s
42
Doba chlazení:
s2
8 TM − TW ⋅ ln ⋅ π 2 ⋅ a eff π 2 TE − TW
tk =
8 240 − 60 1,5 2 = = 3,97 = 4 s ⋅ ln ⋅ π 2 ⋅ 0,082 π 2 95 − 60
(8.16)
Celková doba vstřikovacího cyklu: t c = t1 + t 2 + t v + t k + t 3 + t 4 = 1 + 0,5 + 2 + 4 + 1,5 + 0,5 = 9,5 s
(8.17)
8.7 Výpočet termínové násobnosti [13]
nT =
N ⋅ tc 700000 ⋅ 9,5 = = 3,3 τ p ⋅ K ⋅ 3600 800 ⋅ 0,7 ⋅ 3600
(8.18)
N……velikost série……[ks] tc…… vstřikovací cyklus……[s] τp……požadovaný termín dodání……[hod] K……faktor využití času……[-]
⇒
(5 měsíců = 5.20.8 = 800 h)
Zvolená násobnost n = 4 odpovídá termínové násobnosti
8.8 Výpočet minimálního plnícího tlaku [13] p f = 3 ⋅ K f ⋅ fc ⋅ s −1,6 = 3 ⋅ 2,3 ⋅ 141⋅ 1,5 −1,6 = 508 bar = 50,8 MPa Kf……faktor schopnosti tečení……[bar.mm-1] fc......délka dráhy toku taveniny……[mm] s……tloušťka stěny součásti……[mm]
Zvolený vstřikovací tlak: pv = 75 MPa 75 Mpa > 50,8 MPa pv > pf
⇒ vstřikovací tlak pv = 75 MPa vyhovuje
43
(8.19)
8.9 Plocha průmětu dutiny do dělící roviny [13]
Obr. 8-5 Průmět do dělící roviny
Plocha průmětu 1 krytu:
π.10 2 π.5 2 π.3,8 2 = 6212 mm 2 = 62,2 cm 2 A 1 = 80 2 − 2. + + 4 4 4
(8.20)
Plocha průmětu rozváděcích kanálků (rozměry viz. obr.8-2):
A 2 = 2 ⋅ 5,8 ⋅ 62 + 4 ⋅ 5,8 ⋅ 22,1 + 4 ⋅ 5,8 ⋅ 20 + 4 ⋅ 1,9 ⋅ 20 = 1848 mm 2 = 18,5 cm 2
(8.21)
Plocha průmětu celé dutiny: A proj = 4 ⋅ A 1 + A 2 = 4 ⋅ 62,2 + 18,5 = 267,3 cm 2
(8.22)
8.10 Výpočet uzavírací síly [13] p + 100 750 + 100 Fp = A proj ⋅ v = 267,3 ⋅ = 2272 kN 100 100 Aproj……plocha průmětu dutiny do děl. roviny……[cm2] Této uzavírací síle předběžně odpovídá vstřikovací stroj: ARBURG ALLROUNDER 630 S (Fp= 2500 kN)
44
(8.23)
8.11 Výpočet minimální vstřikovací kapacity [13] C v ≥ 1,1⋅ VD = 1,1⋅ 95,6 = 105,2 cm 3
(8.24)
VD……dávka taveniny……[cm3]
8.12 Výpočet minimální plastikační kapacity [13] Cp ≥
4 ⋅ ρ ⋅ VD 4 ⋅ 1,05 ⋅ 95,6 = = 42,3 kg ⋅ hod −1 tc 9,5
(8.25)
ρ……hustota materiálu……[g.cm-3] tc......doba vstřikovacího cyklu......[s]
8.13 Určení optimálního průměru šneku [13] 7,5 ⋅ 3 VD < DS < 10,5 ⋅ 3 VD
(8.26)
7,5 ⋅ 3 95,6 < D S < 10,5 ⋅ 3 95,6 34,3 < D S < 48
Řada průměrů šneku stroje ARBURG ALLROUNDER 630 S: 45, 50, 55 mm ⇒ Pro splnění podmínky i parametrů předběžně zvoleného stroje volím průměr šneku DS = 45 mm
8.14 Stanovení délky dráhy pohybu šneku [13] VD =
2 π ⋅ DS
4
⋅ LS ⇒ LS =
4 ⋅ VD 2 π ⋅ DS
=
4 ⋅ 95600 π ⋅ 45 2
= 60,1 mm
Musí být splněna podmínka: 1⋅ D S < L S < 3 ⋅ D S 45 < 60,1 < 135
⇒
Podmínka je splněna
45
(8.27)
8.15 Určení otáček šneku [13] nS =
60 ⋅ 10 3 ⋅ v 60 ⋅ 10 3 ⋅ 0,2 = = 84,9 min −1 π ⋅ DS π ⋅ 45
(8.28)
v……maximální obvodová rychlost šneku (podle plastu)……[m.s-1] DS……průměr šneku……[mm]
8.16 Výpočet vstřikovací rychlosti [13] V 95,6 vS = D = = 47,8 cm3 .s −1 tv 2
(8.29)
VD……dávka taveniny……[cm3] tv……doba vstřikování……[s]
8.17 Stanovení průchodu materiálu ze stroje do formy [13] & = 3,6 ⋅ VD ⋅ ρ = 3,6 ⋅ 95,6 ⋅ 1,05 = 38 kg ⋅ hod −1 G tc 9,5
(8.30)
ρ……hustota materiálu……[g.cm-3] tc......doba vstřikovacího cyklu......[s]
8.18 Výpočet tepla vneseného taveninou do formy [13] & ⋅ ∆h = 38 ⋅ 340 = 12920 kJ.hod −1 Q=G
(8.31)
∆h……rozdíl entalpií (podle plastu)……kJ.kg-1
8.19 Stanovení vyhazovací síly [13] 8.19.1 Výpočet doby odformování tE = t v + t k = 2 + 4 = 6 s
(8.32)
tv……doba vstřikování……[s] tk……doba chlazení……[s]
46
8.19.2 Výpočet koeficientu smrštění při odformování K´= 61,266 − 5,574 ⋅ ln t E = 61,266 − 5,574 ⋅ ln 6 = 51,4
(8.33)
tE……doba odformování……[s]
8.19.3 Smrštění materiálu v době odformování sm( t ) = sm ⋅
100 − K´ 100 − 51,4 = 0,45 ⋅ = 0,22 % 100 100
(8.34)
sm……smrštění materiálu……[%]
8.19.4 Stanovení rozměrů ve formě - z důvodu smrštění materiálu musí být rozměry ve formě o jeho hodnotu zvětšeny
Obr. 8-6 Rozměry ve formě Sm = 0,45% l1 = 62 ⋅ 1,0045 = 62,28 mm
h1 = 5 ⋅ 1,0045 = 5,02 mm
l 2 = 75,8 ⋅ 1,0045 = 76,14 mm
h 2 = 10 ⋅ 1,0045 = 10,05 mm
l3 = 77 ⋅ 1,0045 = 77,35 mm
47
8.19.5 Stanovení rozměrů po smrštění v době odformování
l1( t ) =
100 ⋅ l1 100 ⋅ 62,28 = = 62,14 mm 100 + sm( t ) 100 + 0,22
(8.35)
l 2( t ) =
100 ⋅ l2 100 ⋅ 76,14 = = 75,97 mm 100 + sm( t ) 100 + 0,22
(8.36)
l3( t ) =
100 ⋅ l3 100 ⋅ 77,35 = = 77,18 mm 100 + sm( t ) 100 + 0,22
(8.37)
8.19.6 Výpočet síly FE1 [13] Pozn.: Podle literatury [3] lze u součásti čtvercového tvaru počítat se stejnými vztahy jako u součásti rotační kruhové, tzn. že rozměry l1,2,3(t) se považují za za průměry a poté je tato síla přepočítána na čtvercovou součást podle vztahu> FEkruh F ≈ 0,785 ⇒ FEctverec = Ekruh FEctverec 0,785
f ⋅ E ( TE ) ⋅ FE1 =
l1 − l1( t ) l1 0,785
⋅ 2 ⋅ π ⋅ s ⋅ h1
0,3 ⋅ 1540 ⋅ =
62,28 − 62,14 ⋅ 2 ⋅ π ⋅ 1,5 ⋅ 5,02 62,28 = 62,6 N 0,785
(8.38) f……koeficient tření……pro materiál ABS a drsnost povrchu Rz = 1,6 µm volím f = 0,3 E(TE)……modul pružnosti pro teplotu odformování TE……[MPa] ......dle tabulky v Příloze 7 s……tloušťka stěny součásti……[mm]
8.19.7 Výpočet koeficientu B [13] 0,927 0,927 B = 1 + − 0,635 − ⋅ tg5 = 0,674 ⋅ tgα = 1 + − 0,635 − f 0,3 α……úhel úkosu……[°]
48
(8.39)
8.19.8 Výpočet koeficientu podílu vyhazovací síly C [13] C=
π ⋅ s ⋅ (l 2 − l1 ) π ⋅ 1,5 ⋅ (76,14 − 62,28) = = 108,9 mm 2 1− µ 1 − 0,4
(8.40)
µ……Piossonovo číslo……[-]
8.19.9 Výpočet síly FE2 [13] l3 − l3( t ) ⋅ (2 ⋅ π ⋅ s ⋅ h 2 + C) ⋅ B l3 FE2 = = 0,785 77,35 − 77,18 0,3 ⋅ 1540 ⋅ ⋅ (2 ⋅ π ⋅ 1,5 ⋅ 10,05 + 108,9 ) ⋅ 0,674 77,35 = = 177,5 N 0,785 f ⋅ E ( TE ) ⋅
(8.41)
f……koeficient tření……pro materiál ABS a drsnost povrchu Rz = 1,6 µm volím f = 0,3 E(TE)……modul pružnosti pro teplotu odformování TE……[MPa] ......dle tabulky v Příloze 7 s……tloušťka stěny součásti……[mm]
8.19.10 Stanovení vyhazovací síly FE = n ⋅ (FE1 + FE2 ) = 4 ⋅ (62,6 + 177,5 ) = 960 N
Pozn.: Takto stanovená hodnota vyhazovací síly je pouze orientační, skutečná vyhazovací síla závisí na řadě dalších faktorů, které nelze zahrnout do teoretického výpočtu.
49
(8.42)
8.20 Volba stroje Podle spočítaných potřebných parametrů volím vstřikovací stroj:
ARBURG ALLROUNDER 630 S, se vstřikovací jednotkou 800.
Obr. 8-7 Arburg Allrounder [20]
Formát desek formy: 346x346 mm Vzdálenost mezi vodícími sloupky: 630x630 mm
Parametr
Označení
Vstřikovací tlak Vstřikovací rychlost Vstřikovací kapacita Průměr šneku Uzavírací síla Vyhazovací síla Výška formy Otevření Zdvih vyhazovače
pv [bar] vs [cm3.s-1] Cv [cm3] DS [mm] Fp [kN] FE [kN] [mm] [mm] [mm]
Požadovaná hodnota 750 47,8 105,2 45 2272 0,96 328 80 25
Tab. 8-2 Porovnání parametrů
⇒ Zvolený stroj vyhovuje daným požadavkům
Ostatní technická data a rozměry stroje viz Příloha 8 a Příloha 9.
50
Hodnota stroje max. 2470 max. 242 max. 318 45 max. 2500 max. 90 min. 300 max. 600 max. 225
8.21 Stanovení průhybu desky (13) Zatížení desky (namáhané na ohyb a smyk) závislé na rozložení a ploše průmětu tvarových dutin do dělící roviny formy a velikosti tvářecího tlaku se transformuje na symetrické obdélníkové plošné zatížení.
Obr. 8-7 Transformace na plošné zatížení
51
8.21.1 Dílčí síly
F1 = S1 ⋅ p v = 80 2 ⋅ 75 = 480000 N
(8.43)
F2 = S 2 ⋅ p v = 5,8 ⋅ 26 ⋅ 75 = 11310 N
(8.44)
F3 = S 3 ⋅ p v = 5,8 ⋅ 22,1⋅ 75 = 9614N
(8.45)
S1,2,3……dílčí plochy průmětu……[mm2] pv……vstřikovací tlak……[MPa]
8.21.2 Působiště výslednice h=
110 = 55 mm 2
(8.46)
8.21.3 Stanovení výslednice sil F4 ⋅ h = 2 ⋅ F1 ⋅ 70 + 2 ⋅ F2 ⋅ 25,1 + 2 ⋅ F3 ⋅ 11
2 ⋅ (F1 ⋅ 70 + F2 ⋅ 25,1 + F3 ⋅ 11) = h 2 ⋅ (480 ⋅ 70 + 11,31⋅ 25,1 + 9,614 ⋅ 11) = = 1235,987 kN ≅ 1236 kN 55
F4 =
(8.47)
8.21.4 Plocha náhradního obdélníkového spojitého zatížení
F 1235987 Sc = 2 ⋅ S 4 = 2 ⋅ 4 = 2 ⋅ = 32960 mm 2 pv 75
(8.48)
F4……výslednice sil……[N] S4……plocha působiště výslednice F4……[mm2]
8.21.5 Rozměry plochy Sc
mo = 2 ⋅ h = 2 ⋅ 55 = 110 mm
S c = no ⋅ 2 ⋅ m o ⇒ n o =
(8.49)
Sc 32960 = = 149,8 mm 2 ⋅ m o 2 ⋅ 110
52
(8.50)
8.21.6 Vzdálenost x od okraje, v níž se určí průhyb desky x=
260 − 70 = 60 mm 2
(8.51)
8.21.7 Velikost průhybu desky od ohybového namáhání ve vzdálenosti x
pomocné výpočty: A = 0,5 ⋅ (L − 2 ⋅ m o ) = 0,5 ⋅ (260 − 2 ⋅ 110) = 20 mm
KB =
L3 + 4 ⋅ A 3 260 3 + 4 ⋅ 20 3 = = 5644 mm 2 12 ⋅ L 12 ⋅ 260
x2 x3 x4 A3 A4 K A = KB ⋅ −L⋅ + −x⋅ + = 2 12 24 6 24 60 2 60 3 60 4 20 3 20 4 = 5644 ⋅ − 260 ⋅ + − 60 ⋅ + = 5945867 mm 4 2 12 24 6 24
p ⋅ n ⋅ 12 ⋅ (1 − µ 2 ) foh = v o ⋅KA = C ⋅ ( s 3 + s 4 )3 ⋅ E =
2
75 ⋅ 149,8 ⋅ 12 ⋅ (1 − 0,3 ) 346 ⋅ (96 + 46)3 ⋅ 2,1⋅ 10 5
(8.52)
⋅ 5945867 = 0,0035 mm
A……vzdálenost okraje zatížení od vetknuté desky……[mm] KA……výpočtový koeficient……[mm4] KB……výpočtový koeficient……[mm2] pv……vstřikovací tlak……[MPa] no……šířka obdélníku náhradního plošného zatížení……[mm] C……rozměr desky……[mm] s3......tloušťka kotevní desky……[mm] s4......tloušťka opěrné desky……[mm] E……modul pružnosti oceli……[MPa] µ......Poissinova konstanta oceli......[-]
53
8.21.8 Velikost průhybu desky od smykových sil ve vzdálenosti x pomocné výpočty:
K C = x ⋅ (L − x ) − A 2 = 60 ⋅ (260 − 60) − 20 2 = 11600 mm 2
p ⋅ n ⋅ 1,2 ⋅ (1 + µ ) 75 ⋅ 149,8 ⋅ 1,2 ⋅ (1 + 0,3) fsm = v o ⋅KC = ⋅ 11600 = 0,0197 mm C ⋅ (s3 + s 4 ) ⋅ E 346 ⋅ (96 + 46) ⋅ 2,1⋅ 10 5
(8.53)
8.22.9 Celkový průhyb desky ve vzdálenosti x f z = foh + fsm = 0,0035 + 0,0197 = 0,023 mm
(8.54)
foh…… velikost průhybu desky od ohybového namáhání……[mm] fsm…… velikost průhybu desky od smykových sil……[mm] ⇒
0,023 < 0,03 fz < fdovolené
⇒
zvolené rozmístění dutin a tloušťky desek vyhovují
54
8.22 Konstrukční řešení formy Ke konstrukci formy byli použity v převážné většině normované díly od firmy Hasco. Některé jsou již hotové součásti, většina jich slouží pouze jako polotovary, do nichž je nutné vytvořit otvory pro vtokovou soustavu, pro vyhazovače nebo pro vložky s vlastní tvarovou dutinou. Skladba desek (obr. 8.8) odpovídá příloze 4 a 5, základní parametry formy jsou: Formát desek: 346x346 mm s1= 27 mm Tloušťky desek - upínací deska K15: - kotevní vložková deska K20: s2 = 56 mm - kotevní vložková deska K20: s3 = 96 mm - opěrná deska K30: s4 = 46 mm - rozpěrná deska K40: s5 = 76 mm - upínací deska K15: s6 = 27 mm - vyhazovací kotevní deska K60: s7 = 17 mm - vyhazovací opěrná deska K70: s8 = 22 mm
Obr. 8-8 Konstrukční řešení formy
55
8.22.1 Odvzdušnění formy Během procesu vstřikování musí tavenina vytlačit vzduch, který se nalézá ve tvarové dutině formy. Pokud by tento vzduch zůstal v některé části dutiny, nemohla by ji tavenina zaplnit. Z toho důvodu se volí odvzdušnění formy, v tomto případě prostřednictvím odvzdušňovacího kanálu, který je vybroušen ve vložce a v kotevní desce až k jejímu okraji, naproti filmovému vtoku viz. obr. 8-10. Jeho šířka je 10mm, hloubka 0,02 mm.
8.22.2 Temperace formy Temperace formy je realizována v horní desce K20 a v jejích tvarových vložkách. Médium proudí čtyřmi samostatnými okruhy, kdy každá součást má svůj vlastní okruh, což je vidět v 3D řezu deskou, viz. obr. 8-9. U každého okruhu vždy temperační médium vstupuje koncovkou umístěnou blíže vtokovému systému, dokola obtéká součást a odchází ven druhou koncovkou. Průměr kanálků je 8 mm a jsou zakončeny normovanými koncovkami firmy Hasco. Potřebná místa jsou zaslepena prostřednictvím mosazných ucpávek. V místech přechodu desky a tvarové vložky je těsnění v podobě o-kroužků. Přesnou teplotu temperačního média a rychlost jeho proudění by bylo vhodné stanovit pomocí počítačového softwaru.
Obr. 8-9 Temperační systém
56
8.22.3 Vyhození výstřiku V kapitole 8.19 byla stanovena síla potřebná pro vyhození celého výstřiku, ta je však pouze orientační a skutečnou sílu je nutno určit až po odzkoušení. Vyhazování je realizováno pomocí kolíkových vyhazovačů ∅8 mm, které jsou upevněny v kotevní desce K60, každý kryt má dva kolíky a jeden kolík je použit pod hlavním vtokem z důvodu bezpečného vyhození, tzn. že vyhazovací desky nesou celkem 9 vyhazovacích kolíků. Vyhazovací desky jsou ovládány mechanismem stroje prostřednictvím táhla, jehož připojovací rozměry souhlasí s rozměry stroje. Po vysunutí vyhazovacích kolíků vypadne z formy celý výstřik v podobě 4 krytů spojených vtokovou soustavou (obr. 8-10).
Obr. 8-10 Vyhození výstřiku
8.22.4 Očistění výstřiku a kontrola rozměrů V poslední fázi pracovního cyklu se musí manuálně oddělit kryt od vtokového systému a začistit případné stopy a zbytky po odlomení filmového ústí pomocí skalpelu. Nakonec následuje kontrola rozměrů, tvarové přesnosti a kvality pohledových ploch.
57
9. Technické a ekonomické porovnání technologie vstřikování a lisování Vzhledem k tomu, že vedle vstřikování je technologie lisování nejvhodnější možnou alternativou k výrobě krytu elektrické zásuvky, budou zde tyto dvě technologie porovnávány. Vyhodnocení bude provedeno na základě bodového ohodnocení jednotlivých kritérií pro danou technologii. Bodová stupnice je od 1 do 6 bodů, přičemž čím je dané kritérium nákladnější, pracnější, časově náročnější apod., tím je ohodnoceno více body. V celkovém součtu je vhodnější technologií ta s menším počtem bodů.
a) Výroba a vlastnosti formy Hodnotící kritérium Cena formy Množství materiálu formy Možnost výroby vícenásobné formy Možnost použití normovaných částí formy Časová náročnost výroby formy Složitost dutiny formy Dodatečné úpravy povrchu formy a tepelné zpracování Životnost formy Možnost renovace dutiny formy Celkem
Počet bodů Vstřikování Lisování 5 2 4 3 1 4 1 4 5 3 3 3 4
4
2 2 27
4 4 31
b) Vlastní technologie Hodnotící kritérium Dosahovaná rozměrová a tvarová přesnost Míra zmetkovitosti a výskyt vad Produktivita technologie Možnost automatizace procesu Nutnost dalších operací Nároky na kvalifikaci obsluhy Náklady na provoz strojního zařízení Využití materiálu (velikost odpadu) Celkem
58
Počet bodů Vstřikování Lisování 3 5 2 5 2 4 2 5 1 4 4 2 5 4 3 5 22 34
Po sečtení bodů v tabulce výroby a vlastností formy je patrné, že rozdíl vstřikovací a lisovací formy nebude příliš velký. O něco výhodněji pro tento konkrétní případ vychází výroba vstřikovací formy, hlavně z důvodu její životnosti, možnosti renovace a použití normovaných součástí a to i přes její celkovou vyšší cenu. Poměrně velký bodový rozdíl ve prospěch vstřikování je u posuzování vlastní technologie. Zde hraje velkou roli dosahovaná přesnost výstřiku, produktivita celé technologie a potřeba dalších navazujících operací, které celý proces výroby prodlužují a zdražují.
9.1 Stanovení výrobních nákladů pro vstřikování Vstupní hodnoty Cena materiálu
Cm = 38 Kč/kg
Velikost série
N = 700 000ks
Hmotnost celého výstřiku (4ks krytu + vtokový systém)
mC = 0,087 kg
Příkon stroje
PS = 68 kW
Cena elektrické energie
CE = 3,3 Kč/kWh
Koeficient opotřebení stroje
KS = 0,8
Hrubá mzda dělníka
Nd = 115 Kč/h
Doba vstřikovacího cyklu
tc = 9,5 s = 2,64.10-3 h
Náklady na materiál pro 1 výstřik
Nm1 = Cm ⋅ mc = 38 ⋅ 0,087 = 3,3 Kč
(9.1)
Náklady na materiál celé série (pro násobnost formy n = 4) Nm = Nm1 ⋅
N 700000 = 3,3 ⋅ = 577500 Kč 4 4
(9.2)
Čas výroby celé série (pro násobnost formy n = 4) t s = tc ⋅
N 700000 = 2,64 ⋅ 10 − 3 ⋅ = 462 h 4 4
(9.3)
59
Náklady na 1 hodinu provozu stroje
P ⋅C 68 ⋅ 3,3 Ns1 = S E = = 281 Kč ⋅ h −1 KS 0,8
(9.4)
PS……příkon stroje……[kW] CE……cena elektrické energie……[Kč/kWh] KS……koeficient opotřebení stroje……[-]
Náklady na provoz stroje pro celou sérii Ns = Ns1 ⋅ t s = 281⋅ 462 = 129822 Kč
(9.5)
Ns1……náklady na 1 hodinu provozu stroje……[Kč.h-1] ts……čas výroby celé série……[h]
Náklady na mzdu dělníka Ndc = Nd ⋅ t s = 115 ⋅ 462 = 53130 Kč
(9.6)
Nd……hodinová mzda dělníka……[Kč]
Náklady na formu Náklady na formu byly odhadnuty na NF = 420000 Kč
Celkové náklady na celou sérii Nc = Nm + Ns + Ndc + NF = 577500 + 129822 + 53130 + 420000 = 1180452 Kč
(9.7)
Nm……náklady na materiál……[Kč]
Celkové náklady na 1 kryt Nc1 =
Nc 1180452 = = 1,7 Kč N 700000
(9.8)
N……velikost série……[ks]
60
ZÁVĚR Úkolem této diplomové práce byla v první fázi literární studie převážně na téma vstřikování plastů a dále zpracování odborné části na zadaný kryt zásuvky. V první části jsem nejprve naznačil základní vlastnosti a charakteristiky plastových materiálů, provedl jejich rozdělení a stručný popis těch nejpoužívanějších. Hlavní úsek literární studie představuje technologie vstřikování plastů, kde je zmíněn popis jednotlivých částí stroje a vstřikovací formy a především celý vstřikovací cyklus od plastikace materiálu po vyhození hotového výstřiku. Dále jsem zde také uvedl některé alternativní technologie, jako je lisování, přetlačování a tvarování. Z hlediska zadané velikosti série, produktivity technologií a minimalizace dodatečných operací jsem jednoznačně zvolil pro výrobu krytu zásuvky technologii vstřikování plastů. Po stanovení nejvhodnější technologie byla dalším krokem volba materiálu. Ten musí pro tuto součást splňovat určité požadavky, hlavně schopnost izolovat elektrický proud, mít určitou tepelnou odolnost a také odolnost vůči nárazu. Tyto vlastnosti nejlépe splňuje zvolený materiál ABS (akrylonitril-butadien-styren) s obchodním názvem Forsan 548 od výrobce Kaučuk, a.s., Kralupy nad Vltavou, který je přímo určen pro součásti tohoto typu. Následovala volba násobnosti formy n=4 a volba systému rozváděcích kanálků a z toho plynoucí výpočet vstřikovaného objemu taveniny. Už zde bylo zapotřebí začít s konstrukčním návrhem desek a vtokové vložky, kde jsem vycházel z normovaných součástí firmy Hasco. Dále jsem stanovil dobu vstřikovacího cyklu a další parametry procesu, včetně velikosti potřebné uzavírací a vyhazovací síly, z čehož jsem následně zvolil vstřikovací stroj ARBURG ALLROUNDER 630 S se vstřikovací jednotkou 800. Vzhledem k plošnému charakteru součásti bylo nutné provést kontrolu desek na průhyb a následně upravit jejich tloušťky tak, aby vyhovovali a zároveň nebyli zbytečně předimenzované. V posledním konstrukčním kroku jsem řešil odvzdušnění formy pomocí vybroušených kanálků, vyhození výstřiku systémem kolíkových vyhazovačů a nezbytnou temperaci formy, která se skládá ze dvou samostatných okruhů (viz. kap. 8.22) V technicko-ekonomickém zhodnocení bylo provedeno porovnání technologií vstřikovaní a lisování na základě bodového hodnocení podle zvolených kritérií, kde vystřikovaní plastů vyšlo podstatně výhodněji. Následuje základní kalkulace nákladů pro technologii vstřikování, kde po zahrnutí ceny materiálu a formy, a také nákladů na provoz stroje a mzdy, vyšla cena jednoho krytu zásuvky na 1,7 Kč. Pro skutečné zavedení výroby této součásti by bylo nutné provést simulace pomocí vhodných programů, vše přímo odzkoušet a upravit vypočítané hodnoty, protože zde působí faktory, které nelze zahrnout do teoretického výpočtu.
61
LITERATURA 1. ŠTĚPEK, Jiří, ZELINGER, Jiří, KUTA, Antonín. Technologie zpracování a vlastnosti plastů. 1. vyd. Praha, Bratislava : SNTL, Alfa, 1989. 638 s. ISBN DT 678.5(075.8) 2. SOVA, Miloš, KREBS, Josef. Termoplasty v praxi. 1. vyd. Praha : Verlag Dashöfer, 2001. 2 sv. (580, 425 s.). ISBN 80-86229-15-7 3. MENGES, Georg, MOHREN, Paul. How to Make Injection Molds. 2nd edition. München, Wien : Carl Hanser Verlag, 1993. 558 s. ISBN 1-56990-062-0 4. WOEBCKEN, Wilbrand, HAIM, John, HYATT, David. International plastics handbook, 3.vyd. Munich, Vienna, New York: Saechtling,Hanser Publishers, 1995. 670s. ISBN 1-56990-182-1 5. HLUCHÝ, Miroslav, KOLOUCH, Jan. Strojírenská technologie 1, Nauka o materiálu 1. díl, 3. vyd. Praha: Scientia, 2002. 266 s. ISBN 80-7183-262-6 6. PECINA, Pavel, PECINA, Josef. Materiály a technologie-plasty. Brno: 2006, 54 s. ISBN 80-210-4100-5 7. KOLOUCH, Jan. Strojírenské výrobky z plastu vyráběné vstřikováním. 1.vyd. Praha: SNTL – Nakladatelství technické literatury, 1986. 232 s. L13-B3-IV-31f/22880 8. ČSVTS – Český výbor strojnické společnosti. Využití technologie vstřikování plastů ve strojírenství. České Budějovice: Dům techniky ČSVTS, 1988. 270 s. 18 – 25.03/60/629/88 9. DRGA, Tomáš. Technologické řešení vstřikovacích nástrojů s orientací na na polymerní látky. Brno: Vědecké spisy VUT v Brně, 2007. 31 s. ISBN 978-80-214-3488-2 10. STANĚK, Michal. Modelování procesu tváření polymerů, včetně technologického řešení nástrojů. Brno: Vědecké spisy VUT v Brně, 2005. 27 s. ISBN 80-214-3025-7 11. ŠUBA, Oldřich. Dimenzování a navrhování výrobků z plastů. 1. vyd. Brno: VN MON, 1988. 168 s. 55-610/1-88 12. ČERNÝ, František. Technologie zpracování kaučuků a plastů. 1. vyd. Praha: SNTL – Nakladatelství technické literatury, 1986. 312 s. 06-030-89 13. KANDUS, Bohumil. Technologie zpracování plastů – přednášky a cvičení. Akademický rok 2007/2008, VUT Brno. 14. LENFELD, Petr. Technologie II. Interaktivní skripta. 29.11.2008. <www.ksp.tul.cz> 15. PLASTNET – informační server plastikářského a gumárenského průmyslu. 22.11.2008. <www.plastnet.cz> 16. Konstrukčně – technologické směrnice pro vstřikování styrénových plastů KRASTEN a FORSAN, Kaučuk, a.s., Kralupy nad Vltavou
62
17. Soubor podkladů, výtahů a textů pro kurzy vstřikovacích forem. 18. Hasco - Katalog normovaných součástí vstřikovacích forem, 3.3.2009. <www.hasco.com> 19. TOMIS, František, HELŠTÝN, Josef. Formy a přípravky. Brno : VUT, 1979. 278 s. TK-A-0198.839 20. ARBURG – Katalog vstřikovacích strojů. 23.3.2009. <www.arburg.cz>
63
SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A ZKRATEK Symbol A Aproj A1 A2 B C CE Cm Cp Cv DS E ETE Fp FE F1-5 G K K´ KA KB Ka Kf KS K1 K2 L LS N Nc Nc1 Ndc NF Nm Nm1 Ns Ns1 PS Q S TE TM TW V VD
Jednotka [mm] [cm2] [cm2] [cm2] [-] [mm2] [Kč/kWh] [Kč.kg-1] [kg.hod-1] [cm3] [mm] [MPa] [MPa] [kN] [kN] [kN] [kg.hod-1] [-] [-] [mm4] [mm2] [g.cm-3] [bar.mm-1] [-] [-] [-] [mm] [mm] [ks] [Kč] [Kč] [Kč] [Kč] [Kč] [Kč] [Kč] [Kč.h-1] [kW] [kJ.hod-1] [mm2] [°C] [°C] [°C] [mm3] [mm3]
Název vzdálenost okraje zatížení od vetknuté desky plocha průmětu dutiny do dělící roviny plocha průmětu 1 krytu plocha průmětu rozváděcích kanálků Poměr síly pro kuželový a válcový tvar koeficient podílu vyhazovací síly cena elektrické energie cena materiálu minimální plastikační kapacita minimální vstřikovací kapacita optimální průměr šneku modul pružnosti modul pružnosti pro teplotu odformování uzavírací síla vyhazovací síla síly způsobující průhyb desky průchod materiálu ze stroje do formy faktor využití času koeficient smrštění při odformování výpočtový koeficient výpočtový koeficient faktor navýšení objemu taveniny faktor schopnosti tečení koeficient opotřebení stroje koeficient tekutosti materiálu koeficient délky kanálku max. výpočtová délka toku taveniny délka dráhy pohybu šneku velikost série celkové náklady na celou sérii celkové náklady na 1 kryt náklady na mzdu dělníka náklady na formu náklady na materiál náklady na materiál pro jeden výstřik náklady na provoz stroje pro celou sérii náklady na 1 hodinu provozu stroje příkon stroje teplo vnesené taveninou do formy povrch dutiny formy vyhazovací teplota teplota taveniny teplota formy objem dílce velikost dávky taveniny
64
Vk aeff dA dF dk do f fc foh fsm fz ∆h h l lv m m´ mc1 mc2 mc mo n n´ no nS nT p pd pf pv pz q s sm sm(t) t tc tE tk ts tv t1,2,3,4 v vS µ ρ σE τp
[mm3] [mm2.s-1] [mm] [mm] [mm] [mm] [-] [mm] [mm] [mm] [mm] [kJ.kg-1] [mm] [-] [mm] [g] [-] [g] [g] [g] [mm] [-] [-] [mm] [min-1] [-] [-] [MPa] [MPa] [MPa] [MPa] [-] [mm] [%] [%] [mm] [s] [s] [s] [h] [s] [s] [m.s-1] [cm3.s-1] [-] [kg.m-3] [MPa] [hod]
objem vtokového systému měrná tepelná vodivost malý průměr vtokové vložky velký průměr vtokové vložky průměr rozváděcích kanálků základní průměr kanálu součinitel tření celková dráha toku taveniny velikost průhybu desky od ohybového namáhání velikost průhybu desky od smykových sil celkový průhyb desek rozdíl entalpií působiště výslednice sil korekční faktor délky kanálu délka vtokové vložky hmotnost 1 dílce koeficient rovnice dráhy toku taveniny plastu hmotnost součástí hmotnost vtokového systému celková hmotnost výstřiku ½ délky obdélníka náhradního plošného zatížení násobnost formy exponent rovnice dráhy toku taveniny plastu šířka obdélníku náhradního plošného zatížení otáčky šneku termínová násobnost materiálový parametr dotlak minimální plnící tlak vstřikovací tlak zpětný tlak korekční faktor plnění polymeru tloušťka stěny součásti smrštění materiálu smrštění po odformování tloušťka ústí filmového vtoku doba vstřikovacího cyklu doba odformování doba chlazení doba výroby celé série doba vstřikovaní vedlejší časy maximální obvodová rychlost šneku vstřikovací rychlost Piossonovo číslo hustota mez kluzu požadovaný termín dodání
65
SEZNAM PŘÍLOH Příloha 1 Příloha 2 Příloha 3 Příloha 4 Příloha 5 Příloha 6 Příloha 7 Příloha 8 Příloha 9
[13] [17] [17] [13] [13] [13] [13] [20] [20]
Graf stanovení násobnosti formy Parametry rozváděcích kanálků Parametry rozváděcích kanálků Konstrukce formy z normálií Hasco Skladba desek z normálií Hasco Doba vstřikovacího cyklu Modul pružnosti v tahu Rozměry vstřikovacího stroje Technická data vstřikovacího stroje
Výkresová dokumentace VSTŘIKOVACÍ FORMA (sestava) A1-DPMP-00 VSTŘIKOVACÍ FORMA (sestava) A1-DPMP-00 HORNÍ DUTINA A2-DPMP-01 DOLNÍ DUTINA A2-DPMP-02 KRYT ZÁSUVKY A3-DPMP-40 VSTŘIKOVACÍ FORMA (kusovník – 2 listy) K-DPMP-00
66
List 1/2 List 2/2
Příloha 1 [13]
67
Příloha 2 [17]
68
Příloha 3 [17]
69
Příloha 4 [13]
70
Příloha 5 [13]
71
Příloha 6 [13]
72
Příloha 7 [13]
73
Příloha 8 [20]
Rozměry vstřikovacího stroje Arburg Allrounder 630 S
74
Příloha 9 [20]
Technická data vstřikovacího stroje Arburg Allrounder 630 S
75
