Problematika vstřikování plastových dílů pro automobily

Plastové díly pro automobilový průmysl představují významný sortiment pro naše i zahraniční vstřikovny. Jedná se o dlouhodobou velkosériovou výrobu zajišťující vstřikovnám práci v průměru na tři až šest let (někdy i na delší dobu). Množství vyráběných dílů a doba trvání zakázky odráží situaci na trhu s automobily a souvisí s konkurenčním bojem v této oblasti, který vyžaduje nejen časté inovace, ale i vývoj nových typů automobilů.

Výrobce automobilu určuje zájemcům o výrobu vstřikovaných dílů nejen jejich tvar (výkres, 3D modely), ale též typ materiálu, z něhož se díly mají vyrábět. Dále určuje požadovanou kvalitu a požadovaný vzhled výrobku (barvu a strukturu povrchu: lesk, mat, dezén). V mnoha případech je požadována u výstřiků montáž plastových či kovových prvků, jako jsou klipy, šrouby či jiné montážní elementy a další operace, například lepení, svařování, lakování a pokovování. Výrobce dílů musí požadavky automobilky v každém případě respektovat. Proto je výběrové řízení na dodavatele dílů pro automobily stále přísnější.

Hlavním kritériem výběru výrobce zůstává kalkulovaná cena, i když se již ustupuje od nejnižších cenových nabídek a významným pozitivním parametrem se stává technická úroveň vstřikovny dokumentovaná zprávou z výrobkového a procesního auditu. Předpokladem úspěšnosti je certifikace firmy podle norem ISO 2001:2008 a podle norem pro automobilový průmysl ISO TS 16949:2009 nebo VDA 6.1:2010. Též se doporučuje, aby zájemce předložil Příručku kvality zavedeného systému jakosti.

Těžko pochopitelný je požadavek na postupné snižování ceny dodávaných dílů nejčastěji o 3 % až 5 % každý rok následné výroby, a to bez ohledu na nárůst cen polymerních materiálů, energií a mzdových nákladů. Některé automobilky předepisují svým kooperantům vyrábět a dodávat díly s minimálním obsahem zmetků (NOK dílů). Tento požadavek vyjadřují hodnotou ppm (parts per million), což je počet NOK dílů na jeden milion výrobků. Setkáváme se s požadavkem ppm 20 i menším. To je při současném stavu technologie vstřikování téměř nesplnitelné a vyžaduje to značné náklady na špičkovou kvalitu vstřikovacích strojů, forem a periferií a účinný systém kontroly kvality.

V případě, že jde o nové výrobky, je povinností výrobce podrobit návrh výrobku i výrobního procesu analýze FMEA (Failure Mode and Effects Analysis), jejíž cílem je identifikovat a vyhodnotit možnou závadu výrobku a procesu. Následně je třeba určit opatření, která by pravděpodobnost výskytu závady mohla omezit či vyloučit. Celý proces výroby je třeba dokumentovat a před zahájením sériové výroby předložit ke schválení tzv. PPAP dokumentaci (Production Part Approval Process), která obsahuje všechny požadované dokumenty, jako například technologický postup výroby, balicí předpis, kontrolní předpis, protokoly o měření (SPC rozměry, hodnota lesku, dezénu, barevného odstínu), případně další.

Přes náročné vstupní požadavky jsou hlavním pozitivem při výrobě výstřiků pro automobilový průmysl velké roční objemy výrobků a víceletá doba výroby. Optimalizace výroby probíhá především v prvním roce, a proto snižování ceny v dalších letech výroby je neopodstatněné. Je pochopitelně možné řešit snížení výrobních nákladů úsporou energie, například přechodem na elektrické či hybridní vstřikovací stroje, případně snížením doby vstřikovacího cyklu zavedením účinnějšího temperačního systému formy. To však vyžaduje další náklady na modernizaci, kterou si zejména malé vstřikovny nemohou dovolit.

V průběhu sériové výroby je nutno seznámit se se sedmi základními nástroji zlepšování kvality, mezi něž patří Išikavův diagram příčin a následků, Paretův diagram, korelační, vývojový a regulační diagram, záznamník dat a 5 Why (metoda zjištění základní příčiny vady výrobku či defektu zařízení). Je třeba si uvědomit, že jakákoliv chyba, byť na jediném výrobku, který se dostane na montážní linku automobilu, může výrobci NOK dílu způsobit značné finanční ztráty formou pokuty, poplatků za reklamaci, povinností na přetřídění dodávek včetně skladových zásob a dalších nákladů na zlepšení kontrolní činnosti výroby.

Kromě již výše uvedených vstupních požadavků včetně certifikovaného systému jakosti je třeba pro zajištění plynulé výroby a včasných dodávek autodílů zabezpečit následující.

Typ termoplastu pro výrobu konkrétního dílu navrhuje automobilka obvykle na základě dohody s výrobcem či dodavatelem plastu. Někdy bohužel hraje při výběru důležitější roli cena než kvalita. Výrobce dílu musí návrh plastu respektovat a v žádném případě nesmí navržený typ nahradit bez souhlasu automobilky jiným, třeba levnějším nebo kvalitnějším typem. S dodavatelem materiálu výrobce dohodne podmínky dodávek, cenu a přejímací atest, v němž jsou uvedeny garantované vlastnosti a jejich přípustná rozmezí. Každá dodávka se podrobí množstevní a kvalitativní přejímce podle schváleného atestu. Výrobce plastových dílů je povinen po dohodě s odběratelem provádět ověření vlastností garantovaných atestem. V takovém případě se obrací na akreditovanou laboratoř či zkušebnu.

Při nákupu aditiv, především barevných koncentrátů, se postupuje obdobně. Dodavatel barevného koncentrátu přiloží k dodávce výstřik destičky obarveného polymeru a hodnoty barevného odstínu naměřené na spektrálním fotometru.

Polymerní materiály, aditiva a plastové výrobky se musejí skladovat v uzavřených prostorách, podmínky skladování jsou určeny normou ČSN 640090.
Výběr termoplastu závisí na požadované kvalitě výrobku. Jsou to například pevnostní požadavky, požadavky vzhledové (barva, lesk, dezén), optické, případně další. Příklady plastových autodílů s předepsanou kvalitou povrchu jsou na obr. 3 a 4.

Většina plastů používaných pro výrobu automobilových dílů se musí před vstřikováním sušit v kvalitních sušárnách. Především jde o sušárny kontinuální, pracující s cirkulací ohřátého suchého vzduchu (např Piovan, Colortronik), v menší míře se používají sušárny komorové, tlakovzdušné (Farragtech) či vakuové. Pravidelně se provádí kontrola zbytkové vlhkosti u vzorku materiálu odebraného z násypky vstřikovacího stroje. Kontrola se provádí buď gravimetrickou metodou (stanoví se z rozdílu hmotností po dokonalém vysušení vzorku) nebo metodou manometrickou na přístroji Aquatrac (obsah vody se vypočte z objemu vodíku vzniklého reakcí zbytkové vlhkosti s hydridem vápníku při předepsané teplotě).

Vstřikovací stroje a jejich kvalita jsou určovány výrobním programem vstřikovny. Pro výstřiky určené pro automobily musí stroje zajišťovat bezporuchový provoz, minimální rozptyl technologických parametrů, možnost řízení a regulace procesu vstřikování včetně ukládání potřebných technologických dat pro kontrolní účely a nastavení režimu při opakované výrobě. Dále musí umožnit napojení a ovládání běžných periferií, jako jsou manipulátory, temperační zařízení, doprava granulátu, dávkovače aditiv a další. V současné době jsou vstřikovací stroje vhodné pro výrobu náročných dílů automobilu k dispozici téměř u všech evropských výrobců (Engel, Wittmann Battenfeld, Krauss Maffei, Ferromatic Milacron, Netstal, Arburg, Invera a další). Na našem trhu se začínají používat i stroje asijských firem, které též splňují podmínky pro kvalitní výrobu a jsou podstatně levnější. Jejich většímu prosazení brání malé provozní zkušenosti.

Tvarová rozmanitost dílů pro automobily přinesla též požadavky na modifikaci vstřikovacích strojů i forem pro termoplasty, reaktoplasty i elastomery. Jedná se např. o stroje pro vícekomponentní vstřikování, strukturní vstřikování, technologii MuCell, technologie Gasmelt (GIT) a Watermelt (WIT), Decor proces, výrobu hybridních konstrukcí z kovů a plastů, kaskádové a sekvenční vstřikování, technologie Glazing a Glazemelt a další.

Pro zajištění kvalitní výroby v procesu vstřikování je třeba používat spolehlivé periferie, především sušicí zařízení granulátu a jeho dopravu k vstřikovacím strojům, temperační zařízení forem, objemové či hmotnostní dávkovače aditiv, montážní a chladicí přípravky, manipulátory a roboty pro odběr a ukládání výstřiků, dopravníky na výstřiky, balicí zařízení, vysokozdvižné vozíky pro dopravu výrobků do skladu a následnou expedici a další.

Vstřikovací forma má ve vztahu ke kvalitě výstřiku významné postavení. V případě, že je chybná její konstrukce a následná výroba (např. malá tuhost, málo účinný temperační systém, nesprávně zvolený vyhazovací systém, nedostatečné odvzdušnění tvarové dutiny, nevhodně umístěná či poddimenzovaná vtoková soustava), pak sebelepší vstřikovací stroj, kvalitní vstřikovací materiál ani optimalizace technologických parametrů tento problém vedoucí k nekvalitním výstřikům nemůže trvale odstranit. Při návrhu je třeba rozlišit, zda se jedná o formy pro výrobu prototypů (obr. 5), či formy pro dlouhodobou sériovou výrobu.

Pro výrobce plastových dílů je nejvýhodnější, může-li do konstrukce a výroby formy účinně zasáhnout a požadovanou formu zajistit. Podklady k výrobě formy (detailní výkres výrobku opatřený tolerancemi, 3D CAD model výrobku, požadavky na kvalitu a rozměrovou přesnost, předepsaný typ plastu a předpokládaný objem výroby včetně požadovaných krátkodobých dodávek) obdrží od zadavatele projektu. Za konstrukci a výrobu formy v tomto případě zodpovídá budoucí výrobce a dodavatel plastových dílů. Před zahájením výroby formy se doporučuje použít simulačních metod, které pomohou s ověřením vtokové soustavy, temperačního systému, ukážou průběh toku taveniny do tvarové dutiny formy a umožní odhalit předpokládaná riziková místa na výstřiku (např. studené spoje, propadliny, příliš tenkostěnné oblasti apod.). Též informují o pravděpodobném smrštění v jednotlivých oblastech výstřiku. Na základě této analýzy lze jednat se zadavatelem o možných úpravách tvaru budoucího výrobku.

Komplikace nastává, pokud vstřikovna obdrží novou neodladěnou formu, na jejíž konstrukci a výrobě se nepodílela a jejíž výrobce je v zahraničí (např. ve Španělsku, Portugalsku, Číně, Japonsku apod.), a tudíž těžko dostupný. Obvykle nastanou potíže s úhradou případných úprav formy i s termínem prvních dodávek kvalitních výrobků. V tomto případě se vstřikovna může dostat do značných potíží a v nejhorším případě o zakázku přijít.

Velmi častým případem, zejména pro menší výrobce, je převzetí již dříve provozované formy. Forma je sice předána se vzorovým dílem a obvykle i s technologickými parametry minulého provozovatele, což ovšem neznamená, že výroba na jiném stroji při nastavení předaných technologických podmínek bude bezproblémová. Svoji negativní roli sehraje i částečné opotřebení (v závislosti na době předchozího provozu), které obvykle způsobuje nežádoucí otřepy i přetoky na výstřiku, takže nový provozovatel této starší formy musí buď formu opravit (obvykle stačí navaření opotřebovaných hran či ploch), nebo otřepy či přetoky na výstřiku dodatečně odstraňovat, čímž se zvýší náklady na výrobu těchto dílů.

Kontrolní činnost výstřiků pro automobilový průmysl je zakotvena v systému jakosti výrobce. Při výrobě je nutno jednotlivé směrnice týkající se kvality výrobků striktně dodržovat všemi účastníky provozu. Obvykle se to týká technické přípravy výroby, technologů, směnových mistrů, obsluh vstřikovacího stroje (operátorů), dále i pracovníků skladu a expedice výrobků.

Nad dodržováním předpisů o kvalitě má dohled nezávislá kontrola, kterou v každé směně provádějí pracovníci řízení jakosti. O případných problémech ve výrobě ihned informují vedoucí pracovníky výroby a zmocněnce pro kvalitu. Každoročně se provádí řada interních auditů (systémový, procesní, výrobkový). Systém jakosti výrobce je podroben každým rokem dozorovému auditu a jednou za tři roky auditu recertifikačnímu. Tyto audity provádí akreditovaná společnost (např. organizace TÜV).

Pro každý výrobek je u stroje k dispozici technologická průvodka výstřiku, kontrolní předpis a návod, balicí předpis, výrobní předpis a sběrná karta vad, předpis na měření rozměrů a tvaru, barvy a lesku. Dále jsou tam údaje o vstřikovaném materiálu, postup výroby a technologický předpis. Ke každému výrobku se pořizuje katalog možných vad, který se průběžně aktualizuje. Pro kontrolu u stroje je závazný vzorový kus, který musí odpovídat odběratelem schválenému referenčnímu vzorku. Referenční vzorky jsou uloženy v bezprašném prostředí v uzamčené místnosti. Má k nim přístup pouze technolog, směnový mistr, kontrolor jakosti a zmocněnec firmy pro kvalitu. Tyto vzorky se používají pouze při náběhu výroby a při reklamačním řízení s odběratelem výrobků.

Obsluha vstřikovacího stroje kontroluje každý výstřik podle kontrolního předpisu a v případě neshody okamžitě problém nahlásí směnovému mistrovi, který závadu odstraní. Nález vady je zaznamenáván do sběrné karty vad. Další kontrolu kvality výstřiků provádí směnový mistr podle časového harmonogramu a minimálně dvakrát za směnu též nezávislý kontrolor, který kontroluje nejen výrobky, ale i jejich balení před expedicí. Všichni pracovníci provádějící kontrolní činnost se musejí každoročně podrobit prohlídce u očního lékaře.

Na vzniklé problémy s kvalitou a případné reklamace zákazníka se vypracuje 8D Report s adresným a termínovaným nápravným opatřením.

Kontrola kvality se provádí především v následujících oblastech.

Vzhledová kontrola se provádí vizuálním porovnáním výstřiku se vzorovým kusem. Je také možné pořídit snímek vzorového dílu nebo jeho části, uložit ho do počítače a při výrobě kamerou snímat vyráběné díly a porovnávat je s obrázkem vzorového dílu. Tento způsob je závislý na kvalitě snímání a výběru kontrolovaných míst výstřiku. U pohledových dílů pro automobily je často předepsána kontrola barevného odstínu, lesku, případně i typu dezénu. K měření lesku a barevného odstínu se používá spektrální fotometr a vyhodnocuje se barevné spektrum ve třech osách podle normy ISO 7724. Podmínky měření jsou dány interním předpisem. Pro porovnání se standardem je třeba na výstřiku určit měřicí místo pro sondu fotometru. Je nutné si uvědomit, že naměřené hodnoty závisejí nejen na kvalitě povrchu výstřiku (lesk, mat, dezén), ale i na vnějších podmínkách (teplota, vlhkost, povětrnostní podmínky, doba skladování a další). Přípustné tolerance naměřených hodnot určuje pro plastové autodíly norma VW 50 190, která je velmi přísná a pro tmavé barvy a některé typy plastů, například polyamidy, je těžko splnitelná. Další problémy mohou nastat, pokud je třeba sladit barevný odstín a lesk u několika dílů montážního celku sestaveného z různých typů plastů (viz obr. 6 a 7). Bližší informace o měření barvy a lesku jsou uvedeny v článku Vady výstřiků – vady vzhledové a jejich kontrola (MM Průmyslové spektrum, 2010, č. 7–8, str. 55–56 nebo www.mmspektrum.com/100701).

Kontrola rozměrů a tvaru se provádí v měřicí místnosti, kde je udržována teplota 23 ± 2 °C a konstantní relativní vlhkost. Díly určené ke kontrole rozměrů a tvaru by měly být v měřicí místnosti před měřením uloženy minimálně 24 hodin po jejich výrobě. Pro měření rozměrů se používá běžná měřicí technika (digitální posuvná měřidla, mikrometrická měřidla, optické mikrometry, dutinoměry, hloubkoměry, speciální kalibry, koncové měrky). Pro měření tvaru a SPC rozměrů lze použít měřicí přípravky, léry, případně nákladnější CNC měřicí stroje, 3D laserové skenery a další. Způsob měření závisí na tvaru výrobku a na typu použitého termoplastu (viz obrázky 8 a 9). Četnost měření se určuje dohodou s finálním odběratelem. Naměřené údaje se protokolují pro případ reklamace. Bližší informace o této problematice jsou uvedeny v článku Vady výstřiků – vady tvaru a rozměrové vady (časopis MM Průmyslové spektrum, 2010, č. 4, str. 64–67, resp. www.mmspektrum.com/100406).

Kontrola montážních prvků, které jsou nezbytné pro další montáž dílu do automobilu, se provádí buď kontrolou každého dílu před uložením do obalu, nebo se použijí kontrolní přípravky či poka-yoke s optickou nebo zvukovou signalizací. Jako příklad uvádíme kontrolu montáže a polohy šroubu a vrutu u multifunkčního držáku (obr. 10) nebo kontrolu montáže kovových nebo plastových klipů u různých dílů. Zařízení poka-yoke může kontrolovat kromě montážních prvků i jiné funkce, například odstranění vtokových zbytků, přetoky, propadliny, nedoplněná místa, nepřípustné deformace a další (viz obr. 11).

Kontrola funkce výrobku se vyžaduje například v případě, že plastový díl obsahuje kovové kontakty či vodiče a tvoří funkční celek pro automobil. Kontrolu je nezbytné provést před montáží do automobilu. Jako příklad uvedeme výrobu světlovodů, které se následně montují do reflektorů (obr. 12). Světlovody se vstřikují z PMMA a výstřiky musejí splňovat vysoké nároky na kvalitu. Výstřik světlovodu musí být opticky čistý (bez jakýchkoliv šmouh a teček, zákalu, stříbření či mikrodutinek), musí být tvarově stálý bez propadlin či přetoků a při následné montáži musí být dostatečně pevný. Funkční kontrola (měření intenzity průchodu světla) se provádí po montáži u každého reflektoru. Další příklady výrobků s vodičem jsou například skeletony (obr. 13).

Na závěr můžeme nahlédnout do firmy Plast Form Service I. M. Její hlavní činností je výroba plastových výrobků technologií vstřikování termoplastů, přičemž převážná většina produkce představuje technické, tvarově a rozměrově přesné výrobky určené pro automobilový průmysl. Vybavení firmy zahrnuje 20 vstřikovacích strojů s uzavírací silou do 9 000 kN a moderním řídicím systémem, který umožňuje udržovat nastavené technologické parametry a kontrolovat jejich případné změny. Větší část strojů je od firmy Battenfeld, další stroje jsou od společností Engel, Invera a Chen Hsong (Čína). K provozu patří potřebné periferie, zejména sušárny na sušení granulátů, temperační zařízení pro ohřev forem, objemové i hmotnostní dávkovače granulátu a další. Pro vyjímání a ukládání náročných vzhledových výstřiků se používají přídavné robotické manipulátory. Kontrola rozměrů a tvaru vyrobených výstřiků se provádí běžnou měřicí technikou (digitální posuvná měřítka, mikrometry, dutinoměry, kalibry), měřicími přípravky a lérami, v případě požadavku zákazníka se používá i 3D měření. K vybavení kontroly patří přístroj na měření lesku a barevných odstínů, přesné digitální váhy a přístroj na měření zbytkové vlhkosti ve vysušeném granulátu.

Firma je schopna vstřikovat všechny dostupné termoplasty a termoplastické elastomery, specialitou je vstřikování konstrukčních plastů a speciálních termoplastů s vysokou teplotní odolností. Společnost rovněž poskytuje poradenskou, konzultační a inženýrskou činnost v oboru polymerních materiálů, zpracovatelských zařízení, konstrukce plastových výrobků a forem na zpracování plastů a provádí krátkodobá školení v oblasti vstřikování plastů.

Ing. Emil Neuhäusl

Plast Form Service I. M.
emil.neuhausl@seznam.cz
www.pfservice.cz