Tvarování plastů K přednostem podtlakového tvarování, které je nejběžnější, patří možnost vyrábět předměty s velkou plochou a přitom s tenkou stěnou, např. výtažek se stěnou tlustou jen 0,5 mm může mít plochu několika čtverečních metrů. Jednoduché, a tedy i levné tvarovací formy, stejně jako relativně málo nákladná tvarovací zařízení dovolují ekonomickou výrobu předmětů i v malých sériích, např. jen několika desítek kusů. Je možné tvarovat desky předem potisknuté nebo jinak povrchově upravené. Tak se vyrábějí např. plastické mapy. V dnešní době se tvarováním zpracovávají desky s tloušťkou až 10 mm a fólie od tloušťky 0,3 mm, výjimečně již od 0,1 mm. Nevýhodami tvarování je vyšší cena desek oproti granulátu, jež může být až dvojnásobná, a dále dosti velký podíl technologického odpadu, který představují přinejmenším části desky nacházející se pod upínacím rámem. Při navrhování výrobků platí určitá omezení jejich tvaru, např. není možné vyrábět výtažky s kompaktními žebry. Rovněž zalisování kovových vložek do stěny výrobku bývá obtížné. Tvarováním lze zpracovávat desky téměř ze všech termoplastů, nejčastější jsou však ze styrénových plastů, např. houževnatého polystyrénu a terpolymeru ABS, dále z neměkčeného PVC a jeho kopolymerů, acetátu celulózy, polymethylmetakrylátu, polykarbonátu a polyolefinů.
Tvarování plastů Při tvarování se musí plast v podobě desky zahřát na teplotu, při níž hmota vykazuje dobrou tvarovatelnost. Tvarovatelnost se posuzuje jednak podle schopnosti hmoty plasticky se deformovat, jednak podle její soudržnosti. Protože je tažnost polymeru značně závislá na teplotě, je důležité stejnoměrné prohřátí desky ve všech místech, které se zúčastní tvarování. Tažnost hmoty dosahuje maxima v určité oblasti teplot, která závisí na druhu plastu. Tato teplota leží u amorfních termoplastů těsně pod teplotou viskózního toku Tf, kdy se hmota nachází v kaučukovitě elastickém stavu, u krystalických plastů těsně nad teplotou tání Tm. Je-li teplota tvarování nižší než optimální, je nutno na tvarování vynaložit větší sílu, protože pevnost hmoty se zvyšuje a ve výrobku zůstávají poměrně velká vnitřní pnutí. Po překročení optima plast rychle ztrácí soudržnost a při tvarování se trhá. Tvarování probíhá v chladné formě. Musí proběhnout v co nejkratší době, aby teplota plastu byla během fáze tvarování konstantní. Proto se volí nejvyšší rychlost tvarování, kterou daný plast dovolí. Konečný tvar výrobku, nazývaného také výtažek, musí být, bez ohledu na složitost jeho tvaru, dosažen po jediném zplastikování hmoty v jednom tvarovacím cyklu. Nelze použít postupného tažení jako např. při tažení plechů. Vnitřní pnutí, způsobené hlavně orientací makromolekul, které je ve výtažcích vždy přítomno, by totiž při opětném zahřátí hmoty vyvolalo deformace předtvarovaného dílu, který má snahu vrátit se do původního tvaru desky. Je to důsledek tzv. tvarové paměti, která se využívá u smrštitelných fólií v obalové technice.
Tvarování plastů - mechanické
U mechanického tvarování, které není příliš používáno, se změny tvaru polotovaru dosahuje vzájemným působením jednotlivých částí dvoudílné formy na tvarovaný materiál. Způsob umožňuje používat vyšší tvarovací tlaky než u ostatních způsobů, případně kombinovat tvarování s přímým oddělením výrobku od zbytku polotovaru.
Tvarování plastů – tloušťka stěny Při tažení deska ztenčuje velmi nerovnoměrně a v tloušťce stěny výtažku jsou velké rozdíly. Ztenčení je tím větší, čím je vyšší poměr H/D. Nejtenčí je stěna v rozích u dna. Pro mechanismus ztenčování desky platí pravidlo, že tažení se vždy zúčastňuje jen volná část desky, tj. ta, která se nedotýká povrchu formy, protože jakmile se deska dotkne formy, ihned se ochladí natolik, že se na dalším tažení již nemůže podílet. Přílišnému ztenčování stěny na hranách a v rozích se předchází jejich dostatečně velkým zaoblením.
Tvarování plastů – pneumatické podtlakové negativní a pozitivní Podle vztahu činného dílu formy k hotovému výrobku se tvarování dělí na negativní, nazývané také tvarování do dutiny, a na pozitivní, označované jako tvarování na tvárník, a na kombinované.
Negativní a pozitivní podtlakové tvarování desek A – ohřev, B, C – průběh tvarování, D – vyhození výrobku
U podtlakového tvarování postačuje k tvarování rozdíl atmosférického tlaku a vakua vytvořeného v dutině formy vývěvou. Tvarovací tlak je tedy roven maximálně několika desítkám kPa.
Tvarování plastů – pneumatické přetlakové pozitivní
Přetlakové pozitivní tvarování desek A – ohřev, B – tvarování najetím tvárníku, C, D – dotvarování přetlakem
K tvarování zvlášť tlustých desek nebo plastů se špatnou tvarovatelností, kde nestačí síla vyvozená vakuem, se používá přetlakové tvarování. Do zplastikované desky se nejdříve zatlačí pozitivní forma, která neprodyšně dosedne na rám z druhé strany. Do komory se potom přivede stlačený vzduch o tlaku 1 až 2 MPa, který z vnější strany přitlačuje desku k formě. Dokonalé vytvarování je zajištěno současným vytvořením vakua v prostoru mezi deskou a formou. Často se přetlakový způsob kombinuje s podtlakovým.
Tvarování plastů – mechanické předtvarování
Snaha dosáhnout co nejrovnoměrnější tloušťky stěny výtažků vedla k vývoji celé řady kombinovaných způsobů tvarování. Modifikací jednoduchého negativního tvarování je negativní tvarování s mechanickým předtvarováním. Ve své podstatě se jedná o kombinaci způsobu negativního a pozitivního. Plocha pomocného tvárníku má činit maximálně 70 % celkové tvarované plochy desky a hloubka předtvarování se volí cca 70 % konečné hloubky tahu. Tvárník nesmí plast příliš ochlazovat. Tento způsob tvarování je vhodný i pro desky až 10 mm.
Tvarování plastů – pneumatické předtvarování U způsobu s pneumatickým předtvarováním je první operací po zahřátí desky její předtvarování pomocí stlačeného vzduchu. Deska se po zahřátí na tvarovací teplotu nejprve vyfoukne do tvaru „bubliny“, a protože je tvarována na vzduchu, ztenčuje se velmi rovnoměrně. Stupeň předtvarování se řídí množstvím, tlakem a teplotou vzduchu. Ta může dosahovat teploty zahřátého plastu. Do vytvořené bubliny se vtlačí pozitivní forma, přičemž je ještě možné další předtvarování desky mechanickým způsobem. Přesný tvar získá výtažek po aplikaci vakua.
Tvarování plastů – kombinované předtvarování
Kombinovaný způsob tvarování je tvarování s pneumatickým a mechanickým předtvarováním. Používá se u zvlášť hlubokých výtažků s poměrem H/D větším než 2. Deska upnutá do rámu negativní formy se nejprve předtvaruje vyfouknutím do tvaru bubliny, do níž se z vnější strany vtlačí mechanický tvárník, který bublinu přetáhne směrem do dutiny formy. Konečný tvar získá výtažek zapojením vakua. Tento způsob se používá i pro výrobu výtažků se zdvojenými stěnami. Podle tvaru výtažku totiž činí konečná tloušťka stěny vzhledem k původní desce jen 20 %. Použitý plast proto musí vykazovat obzvláště vysokou tažnost.
Tvarování plastů – pneumatické kontinuální tvarování
Technologie – vytlačování, stroj Vytlačování je technologická operace, při které je tavenina plastu kontinuálně vytlačována přes profilovací zařízení (vytlačovací hlavu) do volného prostoru. Technologie vytlačování slouží k výrobě buď konečných tvarů nebo k výrobě polotovarů. Podle tvaru konečného výrobku nebo tvaru polotovaru se technologie vytlačování mohou rozdělit do tří základních skupin: výroba trubek a profilů, výroba fólií a desek, ostatní způsoby (oplášťování, výroba vláken a povlaků, atd.). Tyto technologické způsoby využívají hlavně šnekové vytlačovací stroje, které však nepracují samostatně, ale jsou součástí výrobních linek, kde ostatní stroje a zařízení zajišťují odtah, kalibraci, doplňkovou úpravu tvaru nebo povrchu, apod.
Technologie – vytlačování, stroj
Technologie – vytlačovací hlavy
Technologie – vytlačování, šnek
Vytlačování – proces
Vytlačování – parametry
Kolísaní teploty taveniny plastu v závislosti na otáčkách šneku
Vytlačování – výroba desek
Vytlačování – výroba fólií
Vytlačování – výroba trubek
Vytlačování – výroba trubek
Vytlačování – vypěňování
Výroba plných (vlevo) a dutých napěněných výrobků (vpravo) a – vytlačovací hlava, b – kalibrace, c - tavenina s nadouvadlem, d – povrch, e – napěněné jádro
a - vytlačovací hlava, b – torpédo, c - kalibrace, d - tavenina s nadouvadlem, e – kompaktní povrch, f – napěněné jádro
Výroba vícevrstvých výrobků (vlevo) a profilů (vpravo) a, b – vytlačovací hlava, c – kalibrace, d – tavenina s nadouvadlem, e - tavenina bez nadouvadla, f – povrch z plastu, e – napěněné jádro
a - vytlačovací hlava, b – torpédo, c - kalibrace, d - tavenina s nadouvadlem, e – kompaktní povrch, f – napěněné jádro
Vytlačování – oplášťování
Povlakování vytlačováním
Vytlačování – výroba profilů
Vytlačování – výroba orientovaných materiálů
Vytlačování – výroba vláken
Vytlačování – granulace
Vyfukování – proces Vyfukováním se rozumí takový postup, při kterém je polotovar (předlisek) tvarován ve vyfukovací formě přetlakem vzduchu do tvaru více méně uzavřeného tělesa. Materiál se musí zahřát do plastického stavu, kdy hmota vykazuje potřebnou tvarovatelnost, ale přitom si ještě udržuje dostatečnou soudružnost. Polotovarem může být předlisek vyráběný vstřikováním, vytlačováním nebo i fólie. Vyfukováním se zpracovávají hlavně PE a PP (asi ¾ produkce), PVC a jeho kopolymery a v poslední době PET. V malé míře jsou zastoupeny další termoplasty, jako např. POM, PC, kopolymery PS a jiné. Rozdíly mezi nejrozšířenější technologií – vstřikováním a vytlačováním jsou následující: vstřikování Parametry nástroje Tlak Teplota vysoká Uzavírací síla vysoká Plast Molekulová hmotnost nízká MFI vysoký Výrobek Namáhání nástroje Smrštění vysoké Lesk povrchu vysoký Přesnost rozměrů vysoká Nástroj Cena Doba dlouhá Typ výrobku precizní
vyfukování vysoký
nízký nízká nízká vysoká nízký
vysoké
nízké nízké nízký nízká
vysoká
nízká krátká funkční
Vyfukování – vytlačovací proces
Vyfukování – vytlačovací proces
Vyfukování – řízení tloušťky
Vyfukování – s lisováním
Vyfukování – podtlakové
Vyfukování – vstřikovací proces
Vyfukování – vstřikovací proces
Vyfukování – forma
Vyfukování – forma, stroj
Vyfukování – speciální způsoby Vyfukování s dloužením Rotační natavování plastů Rotační navíjení plastů
Vyfukování – speciální způsoby
Máčení – kapalné systémy Máčení se nejvíce používá u past z PVC a u kaučukových latexů. Principem je ponoření pozitivního tvaru (formy) výrobku do kapalného systému, kde se vytvoří vrstva plastu, jejíž tloušťka závisí na době ponoření (ale také na teplotě a složení kapalného systému) a po pomalém vytažení se dále zpracuje za působení teploty (např. želatinace a sušení). Konečnou fází je ochlazení. Máčení se provádí buď za studena nebo za tepla, kdy forma je zahřátá na teplotu 100 až 120 oC.
Povrchové úpravy – lakování Na lakování polymerů se dnes obvykle používá vodových základových laků. Sestávají ze stejných složek jako laky na bázi rozpouštědel, ta jsou ovšem z velké části nahrazena vodou (65%).
Voda má proti ostatním rozpouštědlům zcela odlišné fyzikální vlastnosti. Z tohoto důvodu je třeba k odpaření vody vyšších teplot. Během postřiku se ztrácí pouze 25% obsahu vody oproti rozpouštědlovým lakům, kde dochází k odpaření až 50% rozpouštědla. Před vlastním lakováním se musí provést úpravy povrchu, tj. povrchy musí být odmaštěny a opláchnuty. Následuje ofuk zbytkové vody a sušení. Před prvním nástřikem se provádí ožeh povrchu výrobku, kdy se zvyšuje polární charakter a drsnost povrchu, aby k němu základový lak dobře přilnul. Poté se aplikuje základový lak a sušení a je nastříkána vrstva barevného laku a opět následují tepelné procesy.
Povrchové úpravy – pokovování Kovovým povlakem na povrchu výrobku se dosáhne jednak kovového efektního vzhledu a jednak i změn řady vlastností: celkově se zlepší mechanické vlastnosti, zmenší se navlhavost, propustnost pro kapaliny a plyny a zvětší se odolnost proti chemikáliím, zlepší se tvarová stálost proti působení teploty, výrazně se zmenší stárnutí plastu. Rozhodující vliv pro úspěšné pokovení plastových výrobků má způsob výroby, protože z hlediska adheze kovového povlaku k plastu jsou rozhodující technologické podmínky zpracování a s tím související úprava povrchu před vlastním pokovením. Povrch musí být dokonale čistý, bez vad, neboť v zásadě platí, že kovový povlak vadu ještě zvýrazní, než aby ji překryl.Povrch výrobků je třeba před pokovováním upravit, aby bylo dosaženo dobré adheze na polymerní povrch. Úprava povrchu spočívá v jemném zdrsnění a odmaštění, v leptání a v povrchovém zcitlivění paladiem nebo stříbrem. Při chemickém pokovování (bezproudové) se kov vylučuje na povrchu předmětů z roztoku soli povlakového kovu působením redukčního činidla buď trvale obsaženého v pokovovací lázni nebo je redukční činidlo dodáváno až na speciálně upravený povrch předmětů. Tímto způsobem se plasty pokovují nejčastěji mědí nebo niklem, ale i stříbrem a zlatem. Kovová vrstva se vylučuje rovnoměrně po celém povrchu a dosažitelná tloušťka je kolem 10 µm. Galvanické pokovování spočívá ve vyloučení z roztoku účinkem stejnosměrného elektrického proudu. Základní vodivá vrstva na plastu se vytváří chemickým pokovením. Dosažitelná tloušťka kovové vrstvy není omezena a může se skládat i z více vrstev, nanesených postupně. Galvanicky se pokovují téměř všechny termoplasty, ale nejlepších výsledků bylo dosaženo u ABS, kde je nejlepší adheze. Pokovování ve vakuu je metoda, při které dochází k napařování kovů na plast za velmi nízkých tlaků (10-3 až 1 Pa). Předměty musí být umístěny ve vzdálenosti menší, než-li je volná dráha molekul par kovu. Nejčastěji se nanáší hliník a dosahované tloušťky vrstvy při pokovení jsou 0,1 až 1 µm.
Povrchové úpravy – kašírování Kašírování je technologie, kterou se nanáší horní vrstva z jiného materiálu a nebo vrstva polymeru na podkladový materiál, a to buď suchým kašírováním, kašírováním pomocí vosků a nebo kašírováním za tepla s cílem zlepšit nebo vhodně změnit základní vlastnosti nosiče. Pro většinu aplikací se používají lepidla, kdy tloušťka této vrstvy je setina milimetru (kolem 5 g lepidla na 1 m2). Kašírováním se vrství klasické materiály (textil, papír), ale i materiály syntetické (termoplastické fólie, apod). Při suchém kašírování se na plastový díl nanese vrstva lepidla (adheziva) ve formě roztoku nebo disperze. Po vysušení se plastový díl tlakem spojuje s povrchovým materiálem, pro díly v automobilovém průmysl nejčastěji s textilií. Možný je i opačný postup. Jako kašírovací lepidla se používají roztoky latexu, polyuretanů, apod. Technologie kašírování pomocí vosků se používá pro spojování dvou fólií z plastů, kdy se roztavené adhezivo nanáší ne jednu fólii a ještě před ztuhnutím je na nanesenou vrstvu přitlačována druhá fólie. Následuje chlazení a tento způsob nepotřebuje oproti předchozí technologii sušící tunel. Při kašírování za tepla se neuplatňují adheziva, ale využívá se termoplastičnosti alespoň jednoho materiálu. Povrch alespoň jednoho kašírovaného materiálu se nahřeje buď teplým vzduchem nebo sálavým teplem. Následuje spojení tlakem a ochlazení. Nejčastěji se používá pro kašírování textilií na povrch plastových dílů, na které se po předehřevu povrchu nalisuje textilie. Výhodou oproti suchému kašírování je vyšší rychlost a velmi dobrá pevnost při dlouhodobém používání.
Povrchové úpravy – povlakování, natírání a impregnace Povlaky se vytvářejí na různých materiálech, a to jak kovových, tak i nekovových. Jejich funkce je dvojí, ochranná a dekorační. Jednou z možných technologických postupů je laminace, která slouží k výrobě vícevrstvých výrobků, obdobně jako kašírování, kdy se na podkladový materiál (papír, textilie, apod.) laminují nejčastěji plastové fólie (viz. kap. 6.3.4). Další možností je plátování, kdy se fólie z plastů lepením spojují s kovovými plechy. Povlaky se mohou vytvářet také ponořením povlakovaného tělesa do taveniny plastu, nebo se práškové plasty žárově stříkají nebo se ohřátý kovový díl (teplota je v oblasti zpracovatelských teplot daného plastu) zasype vrstvou prášku, který se na povrchu roztaví a vytvoří ochrannou vrstvu (tloušťka vrstvy závisí na době styku tělesa s práškem plastu). Modifikací vytváření povlaků z prášků je vířivé (fluidní) nanášení. Natírání je technologický postup nanášení plastů v kapalném stavu na nosný materiál. Jedná se např. o výrobu koženek z měkčeného PVC. Následují procesy jako předželatinace (teplota kolem 100 až 140 oC), konečná želatinace (teplota asi 170 oC), desénování, ochlazování. Pokud roztoky plastů nebudou naneseny jen na povrch, ale budou sytit nosný materiál i po tloušťce, potom mluvíme o impregnaci.
Povrchové úpravy – desénování, leštění Desénování slouží k výrobě prostorového vzoru na plošných materiálech. Při použití potisku lze vytvářet i barevné dezény. Principem je buď vtlačování ohřátého kovového desénovacího válce s prostorovým reliéfem do studeného termoplastického materiálu nebo studený desénovací válec je vtlačován do ohřátého povrchu plastu. Druhý postup je v praxi používanější, neboť materiál se méně lepí a desénovací válec se může intenzívně chladit pro zachování vytvořeného desénu. Plastický reliéf lze vytvořit i chemickým způsobem.
Leštění je vlastně opakem desénování, kdy chceme zlepšit kvalitu povrchu, lesk a nebo odstranit nerovnosti. Povrch výrobku lze leštit mechanickým způsobem (hladký válec, leštící kotouče), rozpouštědly nebo plamenem (nečadivý plamen – vodík).
Povrchové úpravy – sametování Sametování je technologický proces, který vede k vytvoření textilního povrchu na nosném podkladovém materiálu. Princip spočívá v nanesení lepidla (kaučuky, PUR) na podkladový materiál (papír, textilie, folie, plast, atd.) a na takto upravený povrch je sypána stříž krátkých vláken (bavlněná, polyamidová, apod.), které jsou orientované v elektrickém poli a tedy dopadají kolmo na podkladový materiál. Přebytečná stříž se potom odsává z povrchu.
Princip sametování 1 – zásobník střiže, 2 – síto, 3 – stínění, 4 – natírání lepidla, 5 – podkladový materiál, 6 – podávací zařízení, 7 – odsávání střiže
Povrchové úpravy – potiskování Potiskování je úprava povrchu jednou nebo více barvami, které se mohou jednak nanášet obdobnými technikami, jako u nátěrových hmot a nebo se používají technologické postupy, odvozené z potiskování papíru, textilu, apod. Technologie potiskování plastů se dají rozdělit na přímé (tisk z výšky, tisk z hloubky, sítotisk) a nepřímé (ofsetový tisk, tisk razníkem, termotisk). Při přímém potiskování z hloubky se barva nanáší z prohlubní tiskového válce, jejíchž hloubka určuje množství nanesené barvy. Je to nejrozšířenější způsob potiskování fólií. U sítotisku je barva protlačována otvory síta pomocí natíracího nože na potiskovaný povrch. Viskozita barvy, velikost ok síta a tlak natírání určují množství nanesené barvy. Lze potiskovat rovinné, ale i válcové a kuželové plochy, které mají nerovnosti povrchu. Pohybovat se může buď natírací nůž nebo potiskovaný díl. Pří přímém tisku z výšky je barva přenášena přes nanášecí válce na potiskovací válec a odtud na daný výrobek. U nepřímého ofsetového tisku se barva nejdříve nanáší na vhodný podklad (pryžový válec, papír, atd.) a teprve odtud na potiskovaný povrch za působení tepla a tlaku. Nanesená vrstva barvy je velmi tenká a tento proces není vhodný pro výrobky s většími nerovnostmi. U potiskování měkkým razníkem (nepřímý tisk) je princip obdobný ofsetovému tisku, ale tento způsob se používá pro díly s nerovným povrchem, neboť rozdíly v hloubce vyrovná měkký razník (nejčastěji z kaučuku). Termotisk (potiskování teplým razníkem) je založen na přitlačení tiskové fólie vysokým tlakem razníku s teplotou kolem 100 až 200 oC na potiskovaný povrch. Působením teploty a tlaku se barevná vrstva přenese z tiskové fólie na povrch výrobku.
Svařování plastů – obecně Druh
Technologie svařování termoplastů
plastu
horkým plynem topným tělesem
třením
ultrazvukem
vysokofrekvenční
PE - polyethylen
dobrá
dobrá
dobrá
omezená
žádná
PP - polypropylen
dobrá
dobrá
dobrá
omezená
žádná
PVC - polyvinylchlorid
dobrá
dobrá
dobrá
dobrá
dobrá
měkčený PVC
omezená
omezená
žádná
žádná
dobrá
PS - polystyren
omezená
dobrá
dobrá
žádná
houževnatý PS
omezená
dobrá
dobrá
žádná
ABS - akrylonitrilbutadienstyren
dobrá
dobrá
dobrá
dobrá
omezená
SAN - styrenakrylonitril
dobrá
dobrá
dobrá
dobrá
omezená
PMMA - polymethylmethakrylát
dobrá
omezená
dobrá
dobrá
dobrá
PA - polyamid
omezená
omezená
dobrá
omezená
omezená
POM - polyoxymethylen
dobrá
dobrá
dobrá
dobrá
žádná
žádná
žádná
dobrá
omezená
omezená
omezená
dobrá
dobrá
dobrá
PPO - polyfenylenoxid
dobrá
dobrá
PS - polysulfid
dobrá
dobrá
PC - polykarbonát
1
PBTP - polybutylentereftalát
PI - polyimid PTFE - polytetrafluorethylen
2
žádná
žádná
žádná
žádná
žádná
žádná
žádná
žádná
žádná
žádná
Svařování plastů je technologie spojování dílů z plastů za použití tepla nebo tlaku s přídavným materiálem nebo bez něho, přičemž se ve svařovací zóně spojovaných ploch nachází materiál v plastickém stavu (norma DIN 1910).
Svařování plastů je fyzikálním jevem (difúzí dvou stejnorodých materiálů) za působení teploty a tlaku při dodržení předepsaných parametrů, které jsou charakteristické pro zvolenou metodu svařování.
Svařování plastů – horkým plynem Princip technologie svařování horkým plynem s přídavným materiálem 1 – základní materiál, 2 – přídavný materiál, 3 – tryska svařovací pistole, 4 – horký vzduch)
Princip technologie svařování horkým plynem při použití rychlosvařovacího nástavce (1 – základní materiál, 2 – přídavný materiál, 3 – přívod vzduchu, 4 – rychlosvařovací nástavec svař. pistole, 5 – nahřívání základního materiálu, 6 – ohřev místa svaru, 7 – roztavený termoplast)
Druh plastu
Teplota svařovacího plynu / oC/
Svařovací tlak /MPa/
PE (LD) - nízkohustotní polyethylen
200 až 220
1,8
PE (HD) - vysokohustotní polyethylen
230 až 250
1,8
PP - polypropylen
240 až 260
1,8
PVC - polyvinylchlorid
275 až 310
1,8 až 2,0
PMMA - polymethylmethakrylát
300 až 350
2,0
PS - polystyren
270
2,0
PA - polyamid
250 až 350
2,0
Svařování plastů – kondukční Přímé (vlevo) a nepřímé (vpravo) kondukční svařování pro desky a fólie s rozložením svařovací teploty (1 – základní materiál, 2 – topné těleso, 3 – tepelná izolace) Druh plastu
Svařovací teplota na povrchu nástroje /oC/ Svařovací tlak /MPa/
PE (LD) - nízkohustotní polyethylen
160 až 190
0,15 MPa pro 210 oC
PE (HD) - vysokohustotní polyethylen
200 až 220
0,15 MPa pro 210 oC
PP - polypropylen
200 až 220
0,1 MPa pro 200 oC
Princip technologie kondukčního svařování (1 – svařovaný materiál, 2 – topné těleso, A – fáze přípravná, B – fáze nahřívací a prohřívací, C – svařovací fáze)
Svařování plastů – ohraňováním Princip technologie svařování ohraňováním (A – fáze ohřevu místa svarového spoje svařovací lištou, B – fáze svaření, ohnutí) Druh plastu
Svařovací teplota na povrchu nástroje / oC/
PE (LD) - nízkohustotní polyethylen
200 až 240
PE (HD) - vysokohustotní polyethylen
200 až 250
PP - polypropylen
220 až 240
Svařování plastů – polyfúzní Princip technologie polyfúzního svařování (1 – svařovaná trubka, 2 – tvarovka, 3, 4 – polyfúzní nástavec včetně trnu a objímky, 5 – svarový spoj, A – fáze ohřevu, B - fáze svařování)
Svařování plastů – extrudérem
Princip technologie extruderového svařování (1 - extruder, 2 – hubice extruderu se zplastikovaným přídavným materiálem, 3 – svařované materiály, 4 – tlakové kotouče, 5 – svarový spoj, A, B – svařování desek, C – svařování fólií)
Svařování plastů – vysokofrekvenční Vysokofrekvenční svařování je založené na vzniku a vývinu tepla v dielektriku, tj. uvnitř termoplastu a závisí na dielektrických vlastnostech svařovaného materiálu tj. na permitivitě ε a na ztrátovém činiteli tg δ. Součin permitivity a ztrátového činitele vyjadřuje množství tepla, které vznikle při průchodu elektrické energie dielektrikem (plastem). Nevýhodou vysokofrekvenčního svařování je, že ne všechny plasty jsou vhodná dielektrika a použití se prakticky omezuje pouze na svařování PVC (polyvinylchlorid), resp. měkčeného PVC a PA (polyamid). Termoplasty se ztrátovým činitelem tg δ menším jak 0,1 nejsou vůbec svařitelné a nebo velmi obtížně. Dále při této metodě nelze koncentrovat energii ohřevu do vybrané oblasti svařovaných materiálů, nýbrž nastává nepřetržitý ohřev spojovaných součástí v proměnném poli. Používaná frekvence je 27,12 MHz. Navlhavé plasty (PA) se musí před svařováním vysušit.
Svařování plastů – utrazvukem Princip ultrazvukového svařování (1, 2 – svařované materiály, 3 – sonotroda, 4 – pevný doraz, 5 – svarový spoj, A – svařování v dalekém poli, B – svařování v blízkém poli)
Svařování plastů – třením Princip technologie svařování třením (1, 2 – svařované díly, A – fáze ohřevu třením za rotace, B – fáze svařování a chladnutí) Druh plastu
Svařovací teplota / oC/
Svařovací tlak /MPa/
PE (LD) - nízkohustotní polyethylen
160 až 180
0,2 až 0,5
PE (HD) - vysokohustotní polyethylen
200 až 210
0,2 až 0,5
PP - polypropylen
200 až 220
0,2 až 0,5
Svařování plastů – vibrační Princip vibračního svařování (A – ohřev rotačním kmitavým pohybem, B – ohřev lineárním pohybem)
Lepení plastů Na rozdíl od lepení kovů se lepení plastů jeví jako jednoduché spojování polymerů polymery, ale ve skutečnosti to není tak jednoduché. Polymerní materiály jsou totiž mnohem komplikovanější, než-li kovy, a liší se nejenom molekulovou hmotností (rozdílná distribuce částic), ale i množstvím přísad (barviva, změkčovadla, stabilizátory, atd.), z nichž mnohé přímo brání lepení. Na druhé straně se lepení osvědčuje tam, kde nelze použít svařování, a to hlavně při spojování dvou odlišných druhů polymerů a nebo při spojování pěnových a tuhých výrobků. Mezi další výhody technologie lepení patří jednoduchý postup při lepení, relativně velká pevnost při malé hmotnosti, možnost slepovat i ohebné předměty, minimální lokální koncentrace napětí při správném provedení lepeného spoje a nepropustnost lepeného spoje. Nevýhody lepení představuje nižší tepelná (a někdy i chemická a mechanická) odolnost lepeného spoje proti základnímu materiálu a nízká odolnost proti odlupování. Mezi hlavní zásady lepení plastů, které ovlivňují kvalitu a pevnost lepeného spoje, patří: - znalost polarity lepidla a materiálu, protože čím větší je rozdíl v polaritě mezi lepidlem a materiálem, tím nižší je adheze lepidla; - vlastnosti lepidla a materiálu (tj. pevnost, pružnost, tvrdost, koeficient teplotní roztažnosti, apod.), které ovlivňují kohezi lepidla, musí být co nejvíce podobné; - volba technologického procesu lepení, který nesmí způsobit deformaci nebo destrukci lepeného materiálu, např. při vytvrzování.
Lepení plastů Lepení plastů lze charakterizovat jako technologický proces, při kterém se vytváří nerozebíratelné spojení dvou stejných a nebo odlišných materiálů za použití zvoleného adheziva (lepidla). Pro vytvoření kvalitního lepeného spoje je potřeba zajistit splnění následujících podmínek: správný návrh konstrukce spoje; správnou volbu materiálů (tj. lepidla a materiálů lepených ploch); správnou povrchovou úpravu lepených ploch; zachování předepsaného postupu při použití zvoleného lepidla; vytvoření dokonalých mechanických a fyzikálně-chemických podmínek pro vznik pevných vazeb. Většinu plastů lze všeobecně lepit prakticky všemi druhy lepidel a lze tedy zkonstatovat, že lepení je použitelné pro ty plasty, které mají vzhledem ke své chemické povaze a polárnímu charakteru dostatečnou adhezi k lepidlům. Lepidla dělíme na několik skupin (jeden z možných způsobů dělení): - organická rozpouštědla jsou vhodná pro lepení termoplastů, jako je PS, SAN, ABS, PMMA, PC, CA; - lepidla na bázi kaučuku se používají pro spojování plastů s kaučuky, kovy apod., mají však nízkou pevnost spojů; - lepidla - roztoky polymerů, se používají pro lepení PVC, PMMA a jako univerzální lepidla; - tvrditelná lepidla mají vysokou adhezi a dávají ve svém výsledku pevné lepené spoje. Jsou vhodná pro lepení reaktoplastů navzájem nebo s kovy, sklem, keramikou, a omezeně jsou vhodná i pro některé termoplasty, např. POM, PC.
Rapid Prototyping - úvod Charakteristika: technologie umožňující rychlou výrobu modelů, vzorků a prototypových dílů bez použití forem z: 3D CAD modelů 3D skenovaných dat získaných prostorovou digitalizací Tvar součásti je narozdíl od konvenčních metod obrábění získáván postupným přidáváním materiálu po vrstvách. Podle způsobu tvorby jednotlivých vrstev se rozdělují technologie RP. Význam: snadná kontrola designu modelu a případné odstranění chyb snadná kontrola smontovatelnosti rychlá opravitelnost snadná kontrola ergonomičnosti možnost provádění funkčních zkoušek na modelu rychlá kontrola funkce a rozměrů v dané sestavě prototypu kratší čas pro vývoj nových výrobků nižší náklady na vývoj nových výrobků (zabránění finančně náročným konstrukčním úpravám formy)
Stereolitografie „STL“ Princip: Zařízení je složeno z: pracovní komory, řídící jednotky a opticko-laserového systému. V pracovní komoře je umístěna nádoba s fotorezistivním polymerem, nosná deska pohybující se ve směru „z“ a stírací nůž zajišťující rovinu pryskyřice v každé vrstvě. 1) příprava modelu, volba vhodné polohy, generování podpěr 2) rozřezání CAD modelu na tenké vrstvy (0,05-0,15 mm) 3) předání informací o řezech matematickým popisem řídícímu systému stroje (slouží k ovládání optickolaserového systému) SCHÉMA A PRINCIP STEREOLITOGRAFIE 1 – nosná deska; 2 – He-Cd laser, 3 – optická soustava; 4 – snímací zrcátka; 5 – He-Ne laser měřícího systému; 6 – vertikální pohybový systém nosné desky; 7 – stírací nůž; 8 – kapalný fotopolymer; 9 – podpěrná konstrukce; 10 – vytvářený model; 11 – pracovní komora
4) vytváření modelu pomocí UV laseru postupným vytvrzováním fotopolymeru. V místě ozáření dochází ke změně skupenství a to s vysokou rozměrovou přesností. Nosná deska se pohybuje s budoucím modelem ve směru osy z o tloušťku vrstvy. Před vykreslováním každé vrstvy nůž zarovná hladinu pryskyřice tak, aby byla zachována tloušťka vrstvy. Uchycení modelu k nosné desce je zajištěno podpěrami. 5) vyjmutí modelu, omytí a finální vytvrzení v UV komoře
Selective Laser Sintering „SLS“ Princip: Nosná deska se nepohybuje v materiálu, ale materiál je na ni nanášen v jednotlivých vrstvách pomocí posuvného válce. Pracovní komora je hermeticky uzavřena a naplněna dusíkem pro ochranu jakosti povrchu modelu. Princip je stejný jako u metody STL. V místě působení laseru se materiál buď zapeče nebo roztaví. Výhodou je absence podpor (oproti STL), jelikož model je pevně usazen v neosvětleném prášku, který jej obklopuje. Výroba probíhá po vrstvách. Po vytvoření jedné vrstvy se nosná deska sníží o hodnotu odpovídající hloubce vrstvy. SCHÉMA A PRINCIP SLS 1 – nosná deska; 2 – CO2 laser, 3 – optické zařízení; 4 – skenovací zrcátka; 5 – nanášecí a vyrovnávací válec prášku; 6 – zásobník a dávkovací zařízení prášku; 7 – sběrný systém; 8 – nespečený prášek; 9 – válcová nádoba s pracovním pístem a vrstvou prášku; 10 – vytvářený model
Po skončení procesu se musí nechat prášek vychladnout, pak lze model vyjmout a očistit.
3D Printing „3DP“ Princip:
SCHÉMA A PRINCIP 3DP
ZAŘÍZENÍ Z 406
Metoda podobná SLS. Místo laseru je zde používána multitryska, která vstřikuje tekuté lepidlo do vrchní práškové vrstvy řezu základního materiálu. Částice prášku jsou spojené v místech, kam bylo stříknuté lepidlo. Po dokončení celého řezu se pracovní píst posune směrem dolu o hloubku další vrstvy. Dávkovací zařízení prášku základního materiálu je umístěno ve válci, ve kterém se pohybuje píst pro dávkování prášku směrem nahoru, čímž zásobuje celý výrobní proces práškem. Po vyzdvihnutí daného pístu je prášek pomocí válce rozprostřen a ve vrchní části pracovní nádoby stlačen. Tento proces je opakován až do vyrobení celé prototypové součástky. Po dokončení výroby je model vyzdvihnut nad pracovní válcovou nádobu a ručně, např. kartáčem, očištěn od zbylého prášku.
Fused Deposition Modeling „FDM“ Princip: materiál je navinut na vyměnitelné cívce a dopravován do pohyblivé hlavy, kde je natavován materiál vychází z vyhřívané trysky pohybující se v rovině x,y a je nanášen na základovou desku vlákna se při styku s povrchem vzájemně spojují a vytváří tak požadovanou ultratenkou vrstvu, která ihned ztuhne pro vytvoření další vrstvy se základová deska posune o tloušťku vrstvy ve směru osy z
SCHÉMA A PRINCIP FDM 1 – základová deska; 2 – vyhřívaná tryska (2a – pro základní materiál, 2b – pro podpůrný materiál); 3 – cívka s termoplastickým materiálem; 4 – vytvářený model; 5 – hermeticky uzavřená komora
s modelovacím materiálem je současně nanášen materiál pro stavbu podpor (pokud to tvar vyžaduje). Pro stavbu podpor je používána technologie: 1) SupportWorks – automaticky vypočítá potřebnou konstrukci - výroba patentovým postupem BASS, tak aby se po ukončení procesu dala bez nesnází odlomit 2) WaterWorks - podpory se rozpouštějí ve vodném roztoku alkalické povahy za působení ultrazvuku (vhodné pro tvarově složité díly)
Technologie vstřikování - plnění
-
-
Doba plnění dutiny formy závisí na rychlosti vstřikování, na technologických podmínkách, zejména na teplotě taveniny a na vstřikovacím tlaku. Vliv však má i teplota formy, objem výstřiku a jeho geometrický tvar, dále řešení vtokové soustavy a druh plastu. Vysoká vstřikovací rychlost má vliv na orientaci makromolekul, ale je zde i nebezpečí přehřátí a degradace materiálu. Plnění dutiny formy je provázeno rychlými změnami tlaku, teploty a viskozity taveniny a tyto změny jsou tím větší, čím složitější je tvar výrobku. Vlastní proces plnění dutiny formy rozhoduje o vlastnostech hotového výrobku. Proces plnění: volným paprskem nebo laminární tok (složitý mechanismus tuhnutí vrstev taveniny). Rychlost plnění vs. smyková rychlost plnění
Technologie vstřikování - plnění
Závislost teplota formy – tloušťka stěny – doba plnění (rychlost vstřikování)
Technologie vstřikování – sendviče
Plnění a vliv viskozity
Technologie vstřikování – sendviče
Princip vstřikování - tryska
Technologie vstřikování – GIT
Proces technologie GIT
Technologie vstřikování – GIT
Proces technologie GIT – krátký vstřik
Technologie vstřikování – GIT
∆p ≅
η ⋅υ ⋅ l 2
D
Proces řízení tlaku
Technologie vstřikování – GIT Fáze vstřikování, dotlaku a chlazení
Technologie vstřikování – GIT
Varianty přívodu plynu
GIT – výhody, nevýhody VÝHODY: snížení Fu ⇒ levnější stroj
menší smrštění (plyn = dotlak) snížení doby pracovního cyklu (↓ tch vlivem ↓ tl. stěny) až o 50% snížení hmotnosti až o 50% vysoká tuhost dílců s dutými žebry eliminace deformací ploch, propadlin, ad.
NEVÝHODY: nevhodné pro ploché díly
vysoké pořizovací náklady na zařízení omezená realizovatelnost vícenásobných forem vysoká kvalifikace pracovníků
Technologie vstřikování – WIT
Princip technologie WIT
Technologie vstřikování – 2K
Dvoukomponentní vstřikování
Technologie vstřikování – 3K
Tříkomponentní vstřikování
Technologie vstřikování – 4K
Čtyřkomponentní vstřikování
Technologie vstřikování – rotace
Překládání výlisku – rotace formy
Technologie vstřikování – rotace
Překládání výlisku – vertikální rotace formy
Technologie vstřikování – rotace
Překládání výlisku – indexová deska
Technologie vstřikování – šoupě
Překládání výlisku – šoupátko
Technologie vstřikování – robot
Překládání výlisku – robot
Technologie vstřikování – intervalové a mramorové vstřikování
Intervalové (nahoře) a mramorové (dole) vstřikování
Technologie vstřikování – vstřikování reaktoplastů a elastomerů
Vstřikování reaktoplastů a kompozitů (nahoře) a elastomerů (dole)
Technologie vstřikování – PIM
Vstřikování plastů s prášky
PIM - princip prášek mísení
granulace
vstup. mat.
pojivo vstřikování
zelené těleso
odstranění pojiva
hnědé těleso
spékání
hotový díl
zelený výstřik (WC + 6% Co), m=26,2 g
hnědý výstřik m=24,8 g
finální výrobek m=24,5 g, sc=18%
PIM – práškový materiál
ocel
Cu
VELIKOST ZRNA materiál
Si
SiC
Al2O3
VLASTNOSTI PRÁŠKU velikost zrna
vlastnosti
hrubý prášek
jemný prášek
kov
≤ 30 µm
povrch součásti
drsný
hladký
karbid
≤ 1,5 µm
pevnost zelené ho dílu
nízká
vysoká
porcelán
≤ 45 µm
chování při vstřikování
špatné
dobré
oxidy (př. Al2Oš)
≤ 15 µm
opotřebení stroje a nástroje
vysoké
malé
Technologie vstřikování – RIM
Reakční vstřikování
Technologie vstřikování – CIM
Vstřikování s dolisováním
Technologie vstřikování – TIM
Střídavé vstřikování
TIM - princip
I. FÁZE
II. FÁZE chlazení
vstřik
vyjmutí
chlazení
vstřik chlazení
chlazení
III. FÁZE
vyjmutí
Technologie vstřikování – X melt
Vstřikování se stlačenou taveninou
Technologie vstřikování – strukturní pěny
Vstřikování strukturních pěn
Technologie vstřikování – strukturní pěny, Mucell
Vstřikování strukturních pěn - dusík
MuCell – výhody, nevýhody VÝHODY: snížení hmotnosti bez podstatné změny
vlastností základního polymeru (u krytu vysavače o 32%) malá viskozita taveniny ⇒ menší pvstř, TF, FU (z 800kN na 300kN u krytu vysavače) snížení doby cyklu (u krytu vysavače o 22%) menší sklon k vzniku deformacím, vnitřních pnutí a propadlin vhodné pro výrobky s dlouhými tokovými drahami, s rozdílnou tloušťkou stěny možnost výroby od tl. ca. 1mm (optimálně od 5mm) aplikace i u vysokoteplotních materiálů, PSU, TPE, ad.
NEVÝHODY: nepřijatelné povrchové vlastnosti pohledových dílců (lze řešit kombinací metod Monosendvič + MuCell)
nutné přídavná zařízení (zdroj plynu, regulátor tlaku plynu, tlakové trysky, …) licencovaná metoda
Technologie vstřikování – strukturní pěny
Vstřikování strukturních pěn - PS
Technologie vstřikování – nízkotlaké vstřikování
Vstřikování nízkotlaké
Technologie vstřikování – nízkotlaké vstřikování
Technologie vstřikování – hybridní vstřikování, In-mould
Vstřikování hybridní
Technologie vstřikování – hybridní vstřikování, In-mould
Souvislost mezi teplotou nástroje a zbylou tloušťkou PVC-pěnové fólie (výchozí tloušťka 2,1 mm), vstřikovaná pomocí PC+ABS (Bayblend T 64) a) daleko od vstřiku, b) blízko od vstřiku
