ŽETON DO KOŠÍKU SVOČ – FST 2015 Lukáš Vítek Střední Průmyslová Škola Ostrov, Klínovecká 1197, 363 01 Ostrov Česká republika ANOTACE Práce pojednává o návrhu drobné součásti - žetonu do košíku, kterou jsem navrhl a bude sloužit jako reklamní produkt pro firmu WITTE Automotive. Na úvod pojednává o spolupráci s uvedenou firmou, poté se věnuje samotné konstrukci žetonu a jejího zakomponování do formy pro vstřikování plastů. Součástí práce jsou rovněž jednotlivé analýzy vstřikování. Klíčová slova: WITTE Automotive, žeton do košíku, vstřikování plastů, forma, analýzy vstřikování, Solid Works ANNOTATION The aim of this project is to design a small component - a token to shopping carts which will be used as a promotional product for WITTE Automotive company. In the beginning, it describes the cooperation with the company. After that it is dedicated to constructing of the token and its incorporation to the plastin injection form. The project also contains individual analysis of injections. Key words: WITTE Automotive, Token to cart, plastic injection, form, of injection analyzes, Solid works ÚVOD V soutěži konstruování v Solid Works, která se konala na naší škole a partnerem byla firma WITTE Automotive jsme měli jako bonusový úkol vytvořit žeton do košíku s vlastním motivem. Vytvořil jsem žeton s motivem, který zaujal porotu a vybrali si mě jako konstruktéra pro uvedený návrh. Začal jsem se zabývat problematikou v oblasti vstřikování plastů a postupně jsem navrhl reklamní produkt s názvem žeton do košíku. Cílem práce bylo navrhnout žeton, který bude vyrobitelný a reprezentační, dále ho po vymodelování zakomponovat do formy a provést analýzy samotného vstřiku, které následně porovnat. Můj další cíl bylo zdokonalení sama sebe v programu Solid Works a zdokonalit se v myšlení konstruktéra. 1 ZADÁNÍ Firmou WITTE Automotive, mi bylo při vyhlášení soutěže v konstruování navrhnuto a následně i zadáno, abych navrhnul reklamní produkt s názvem žeton do košíku s mým návrhem motivu, který byl v původní verzi, dále mi bylo navrženo, zda bych nechtěl zkonstruovat i část formy. Tuto výzvu jsem i přes nedostatečné vědomosti v oblasti vstřikování plastů přijal. Firma chce na první dávku vyrobit přes 1000 ks, požaduje, aby žeton spolu s mým motivem obsahoval i logo firmy WITTE Automotive. Žeton do košíku bude muset být jednobarevný a navržený tak, aby byla výroba formy co nejlevnější a nejjednodušší. Nejmenší průměr frézy, kterým budou žeton vyrábět, je 0,5mm a na logo firmy jsme zvolili gravírovací 60° frézu. Když mi byla práce zadána, mohl jsem se začít zabývat jednotlivými otázkami spojenými s tímto tématem. 2 ŽETON DO KOŠÍKU Jedná se většinou o plastový díl, který využívají firmy jako reklamní produkt, lidé ho pak vkládají do otvorů v košících u nákupních center. Na internetu je široká škála výrobců, kteří žetony potišťují a hodně firem včetně WITTE Automotive toho mohlo využít. 3 TEORETICKÁ ČÁST Pro práci jsem si musel nastudovat teorii o vstřikování plastů a informace, které k tomu patří. Čerpal jsem především ve skriptech fakulty strojní Liberec, kde jsem nastudoval problematiku vstřikování plastů, postupu vstřikování, vstřikovacích strojích, uzavíracích jednotkách, vstřikovacích formách a dalších.
4 PRAKTICKÁ ČÁST Navrhování a modelování žetonu Původní návrh jsem vytvořil v soutěži konstruovaní v Solid Works, vycházel jsem z toho, že firma vyrábí zámky pro automobilový průmysl a že na žetonu budou chtít umístit svoje logo (které jsem v soutěži neznal podrobně). Sjednali jsme si schůzku, já do té doby vytvořil více variant, zatím jsem přesně nevěděl velikosti fréz a technologii, kterou budeme používat na obrábění. První schůzka částečně tyto otázky objasnila, když se mě ujal zkušený konstruktér firmy WITTE Automotive. Základní rozměr žetonu jsou zvoleny podle velikosti desetikoruny, která se do košíku může vkládat. Zvolil jsem si, že hrana bude mít velikost 1,25mm a bude tedy končit na Ø 22mm, logo firmy WITTE Automotive a můj motiv bude ležet na rovině vzdálené 0,3 mm od základní plochy. Logo i motiv bude mít na této ploše vysunutí 0,2mm, je to o 0,1mm méně než je hrana žetonu, tzn., že se neošoupe při vsouvání a vysouvání do košíku, zároveň jsou tak velké jak jen to dovoluje samotná ploch a pro skicu.
Obrázek 1: Základní rozměry žetonu
Žeton měl jistý vývoj motivu, nakonec jsem se dopracoval ke sportovnímu sedanu, variant bylo hned několik. Barva modelu je správně jednobarevná, protože vstřikování dílu dvojí barvy je nákladné.
Obrázek 2: Vývoj variant žetonu
Finální žeton do košíku Nejmenší poloměr v součásti je 0,3mm, pokud neberu ohled na logo firmy a drážku v klíči, která se bude vyrábět gravírovací 60° frézou, nejmenší válcová fréza bude 0,6mm.Vymodeloval jsem ho v programu Solid Works, nedělal jsem tam zaoblení, které vznikne frézováním, protože to usnadňuje programování. Jako jednu variantu jsem zaoblení přidal, abych viděl i skutečnou podobu. Smrštění plastů jsme nebrali v úvahu, protože podle firemních norem bychom zvětšili celý model v měřítku 1,006:1, tzn., že největší průměr by byl obráběn s přídavkem na smrštění 0,14mm , minimální rozměr do košíku je 23mm, jsme tedy v toleranci. Po vymodelování jsem udělal program v Solid Cam-HSM works, kde uvidím skutečný vzhled po frézování a poté ho vytisknu za přítomnosti pana učitele Ing. Jana Ptáčka u nás
na škole v měřítku 2:1 na 3D tiskárně. První 3D model se nepovedl z toho důvodu, že jsme zvolili příliš velkou vrstvu na posuv, která byla 0,25mm, model se za těchto podmínek tiskl 1 hodinu. V dalším pokusu jsme zvolili vrstvu menší a to 0,08mm, vytiskli jsme pouze polovinu modelu, protože bych chtěl vidět jen logo a motiv, ten je na obou stranách stejný, takže nám stačí poloviční 3D tisk, abychom ušetřili čas a materiál pro 3D tisk. Materiál žetonu Jako materiál pro výstřik jsme zvolili PP (polypropylen), jelikož se hodí se svými níže uvedenými vlastnostmi. Výčet kladných vlastností: - středně pevný, tuhý a houževnatý - tužší než PE(nelze rýpat nehtem) - teplota použitelnosti do 130 °C - dobrá chemická odolnost (odolává olejům) - dobrá cena 5 VSTŘIKOVACÍ STROJ Firma WITTE Automotive má široký výběr vstřikovacích strojů, my jsme hledali jeden z těch menších (max. 100 t), protože forma je malosériová a upínací rozměry jsou omezené. Pro kontrolu uzavírací síly jsem provedl výpočty. 6 KONSTRUKCE VSTŘIKOVACÍ FORMY V této části se zabývám konstrukcí částí malosériové formy. Pohyblivá a pevná část formy Při jejich konstrukci jsem si musel stanovit, zda se bude jednat o vícenásobnou formu, nebo jenom jednonásobnou. Volba padla na vícenásobnou formu, jelikož mám menší díl a potřebujeme zvýšit produktivitu. Pak jsem si musel zvolit dělící rovinu, kterou musím umístit tak, aby bylo možné vyjmout výstřik a bez deformace ho vyhodit z formy. v mém případě byla dělící rovina umístěna 0,3mm pod hranou žetonu, abychom usnadnili obrábění pevné části formy. Poloha vstřikovací a uzavírací jednotky je horizontální, tedy vstřikování je kolmo na dělící rovinu. Vstřikovací tryska je umístěna v pevně části formy spolu s temperačním systémem a pohyblivá část formy obsahuje vyhazováky a větší část vstřiku spolu s vtokovým systémem.
Obrázek 3: Pevná a pohyblivá část vložky
Vtokový systém Vtokový systém je umístěný v pohyblivé části formy. Vycházím z normalizovaných dílů formy, a proto nemůžu zvolit horký vtok, je tedy navrhnut studený. Studená vtoková soustava má větší množství odpadového materiálu, který je v sériové výrobě nákladný, pro naši sérii je to přípustné. Vytvořil jsem 3 varianty vtoku, nakonec sem vybral po konzultaci ten nejvhodnější. Nejvhodnější vtok má nejmenší objem vtoku a tavenina bude ve všech místech o stejné teplotě a doteče do místa ve stejný čas, nemusí se tudíž provádět korekce vtoku.
V pohyblivé části vtoku jsem navrhnul vtokové kanály lichoběžníkového tvaru se zaoblením a úkosem 5 °, jehož rozměry jsou dány vnitřními normami ve firmě WITTE Automotive. Výstřik bude od vtokového kanálu dělit propuštění o hloubce 0,4mm a šířce 0,7mm. Odpadový materiál se bude muset ručně oddělovat, protože propouštěcí kanál o kruhovém průřezu by se musel vyjiskřovat a to by zvětšilo náklady na formu.
Obrázek 4: Vtoková větev s nestejnou délkou taveniny
Obrázek 5: Vtoková větev se stejnou délkou taveniny
Obrázek 6: Vtoková větev se stejnou délkou taveniny, konečná varianta
Tryska vtokového kanálu je normalizovaná. Vytvořili jsme odvzdušnění výstřiku ploškou o hloubce 0,04mm, která se bude vyrábět technologií broušením. Konečná verze vtokového systému má tvar do hvězdy, z hlavních kanálů se propustí materiál do 2 dutin.
Obrázek 7: Normalizovaná vtoková tryska
Obrázek 8: Konečná varianta rozmístění žetonů a vtokové soustavy
Výpočet formy-maximální průmětná plocha výstřiku V dělící rovině formy působí tlak vstříknutého plastu, který má snahu otevírat formu. Uzavírací síla lisu proto musí být větší, než tlak v dělící rovině od vstřikovaného plastu. Pro spolehlivé uzavření formy se počítá jen s 80% uzavírací síly. F...otevírací síla plastu v dělící rovině [N] S...průmět plochy děl. roviny vč. rozváděcích kanálků [mm2], "Solid Works-funkce změřit" spočítala plochu [mm2] p...tlak plastu ve formě, pro kompaktní plasty 500 až 800 kP=50 až 80Mpa m...hmotnost, údaj vstřikovacího stroje [t] g...gravitační zrychlení g = 9,8 m·s-2 a)
b)
Pro vstřikování se použije lis, který má uzavírací sílu 100t .
Chladící (temperační) systém Chladící systém má za úkol odvádět teplo vzniklé vstřikováním pryč z formy, a tím udržet jednotlivé díly formy v rovnoměrné teplotě. Správným rozvržením chladícího systému dosáhneme rovnoměrného tuhnutí vstřiku. Vycházím z malosériové formy a rozhodl jsem se po konzultaci, že chladící systém umístíme do obou částí formy. Mají stejný tvar, v každé části je pouze jeden okruh vrtaných děr Ø8mm, které jsou vhodně spojené, jsou zakončené normalizovanými koncovkami pro napojení hadic pro proudění kapaliny. Na vstupy děr po vrtání se umístí záslepky, to zajistí správné proudění kapaliny, těsnost okruhu a maximální možnou účinnost.
Obrázek 8: Okruh chladícího systému
Vyhazovavací systém Vyhazovací systém má za úkol vyhodit výstřik z formy tak, aby nebyl poškozený. Zvolil jsem válcové vyhazovače, které jsou na díle a na vtokovém kanále Ø2mm a uprostřed vtokového kanálu je jeden Ø5mm. Jejich počet a umístění je zvolené tak, aby mohl být výstřik, bez větších deformací vyhozen. Na výstřiku - dílu jsou vyhazovače umístěny v mém motivu v kolech, aby zbytečně nevytvářely stopy na žetonu.
Obrázek 9: Vyhazovací deska, umístění vyhazováků
Obrázek 10: Vyhazovací systém
Vyhazovače jsou pevně umístěné ve vyhazovací desce, která je připevněná k hydraulickému systému, jež se stará o vyhazovací proces, prochází pak pohyblivou deskou. Vodicí pouzdra a vodící tyče, které jimi prochází, zajišťují vodorovnou stabilní polohu vyhazovací a pohyblivé desky. Vyhazovače kupuje normalizované, ty se zkrátí na požadovanou délku. Díry mají toleranci H7, vyrobí se na drátové řezačce po předvrtání díry, vytvoříme i odlehčení díry proto, aby vyhazovák neměl velkou styčnou plochu v pohyblivé části formy, a tím mezi plochou díry a vyhazováku zmenšíme tření.
Sestava vložky Sestava se skládá z normalizovaných dílů, jednotlivé části vložky jsou popsány výše. Váží přibližně 35kg dle údajů Solid Works.
Obrázek 9: Sestava vložky
Sestava formy Sestava vložky je součástí sestavy formy, jsou zde použity normalizované díly. Její přibližná hmotnost dle údajů ze Solid Works je 180kg.
Obrázek 10: Sestava formy
Obrázek 11: Sestava formy, průhledná
7 VÝROBA FORMY Pro výrobu formy se vybrala Nástrojárna ve WITTE Automotive. Na výrobu žetonu použijí technologie frézování a řezání na drátové řezačce. Pro malé nástroje bude potřeba volit malé posuvy a vysoké otáčky, z tohoto důvodu nemůžeme části forem vyrábět přímo ve škole.
8 ANALÝZY VSTŘIKOVÁNÍ Firma WITTE Automotive provádí analýzy v programu Moldflow (2,5D) a Moldex 3D, mým úkolem bylo vytvořit podklady pro analýzy vstřikování, které jsem odevzdal odborníkovi firmy na výpočty. Analýzu prováděl v programu Moldex 3D, kterým dokáže provádět objemové analýzy - plně ve formátu 3D. Program vytvořil více analýz, vybrali jsme jen ty nejdůležitější. Počítač analýzy zpracovával zhruba 1,5h. Analýza času plnění Z výsledku této analýzy zjistím, za jak dlouho se dutina ve formě roztaveným plastem naplní. Různé barvy zobrazují časový odskok od počátku toku materiálu. Z analýzy vyplývá, že tvar vtokové soustavy je dobře navržen, protože tok materiálu probíhá rovnoměrně. Čas potřebný k vyplnění dutiny je 0,4307s. Modrá oblast zobrazuje místo, kde by mělo být navrženo odvzdušnění, aby nedocházelo k popálení materiálu (diesel efekt), které je u pohledových dílů nežádoucí.
Obrázek 12: Analýza času plnění
Analýza stupně zatuhnutí na konci plnění Analýza je vyjádřena v %. Ukazuje, v jaké stupni zatuhnutí se materiál dostaví na dané místo. Pokud bychom na obrázku viděli modrá místa, materiál by na daném místě zatuhnul a nemohlo by se dokončit vstřikování v požadované kvalitě. V našem případě nenastal žádný problém v plnění.
Obrázek 13: Analýza stupně zatuhnutí na konci plnění
9 EKONOMICKÉ ZHODNOCENÍ Pro tento projekt je stanoven rozpočet, do kterého je zahrnuta cena za nákup dílů, konstrukci, přípravné práce, výrobu, montáž, lisovnu a měření.
ZÁVĚR Prací jsem si dokázal, že návrh formy na vstřikování není konstrukčně vůbec jednoduché. Musel jsem nastudovat mnoho odborné literatury, kterou jsme zatím neprobírali, hodně informací jsem získal ve firmě WITTE Automotive. I přes překážky se mi podařilo navrhnout žeton vyrobitelného tvaru a zakomponovat ho do funkční formy, se kterou se vyrobí reklamní produkt žeton do košíku. Tento cíl tak považuji za splněný. Dalším cílem práce bylo zdokonalit sám sebe v programu Solid Works, i tento cíl považuji za splněný, protože v konstrukci firmy WITTE Automotive jsem se přiučil trikům a postupům, které jsem doposud neznal. V neposlední řadě jsem se chtěl zlepšit v přemýšlení konstruktéra, dělal jsem chyby, které mi pomohl konstruktér vyřešit, vysvětlil mi tolerance a přesnost spojenou s formou na vstřikování, proto tento cíl také považuji za splněný. V návaznosti na tento projekt absolvuji ve firmě odbornou praxi a budu moci navázat na své získané znalosti také poznáním procesu v Nástrojárně, v oddělení opravy forem, seznámím se blíže s výrobou plastů. PODĚKOVÁNÍ Chtěl bych poděkovat Ing. Janu Ptáčkovi za odborný dohled při tvoření práce, děkuji také Mgr. Liborovi Háčkovi za pomoc při gramatické kontrole práce. Děkuji i všem odborníkům Nástrojárny - konstrukce WITTE Automotive, kteří mi poskytli odbornou pomoc a podporu. LITERATURA LENFELD, Doc. Dr. Ing. Petr. TECHNICKÁ UNIVERZITA LIBEREC, fakulta strojní. Technologie II: tváření plastů [online]. Liberec [cit. 2015-4-10].Dostupné z:http://www.ksp.tul.cz/cz/kpt/obsah/vyuka/skripta_tkp/sekce_plasty/04.htm TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI. Přehled základních termoplastů reaktoplastů a termoplastickýchelastomerů: Vlastnosti a inženýrské aplikace plastů [online]. Liberec, 2006 [cit. 2015-04-10]. Dostupné z: http://www.ksp.tul.cz/cz/kpt/obsah/vyuka/stud_materialy/vip/VIP%20PLASTY.pdf Výkresy součástí:
