Požadavky na kvalitu a reálné možnosti technologie vstřikování

Vstřikovny, které jsou závislé na výrobě autodílů, se musejí s výše uvedenou skutečností smířit a podrobit se stále přísnějším požadavkům. Tyto požadavky se promítají do systémů jakosti, jejichž základ tvoří norma ISO 9001:2008, která však pro automobilový průmysl není dostačující a je nutno ji doplnit buď normou VDA 6.1:2003 (Management jakosti podle předpisu automobilového průmyslu), nebo ještě lépe normou ISO TS 16949:2002 (Systém jakosti ve smyslu předpisu pro automobilový průmysl), která rozšiřuje a zpřísňuje normy QS 9000 i VDA 6.1.

Požadavky na kvalitu a jejich oprávněnost

Požadavky na kvalitu vstřikovaných autodílů od odběratele jsou nekompromisní. Dodávky dílů musí splňovat kritéria, vyjádřená až nulovou hodnotou ppm (parts per million). Pouze při náběhu nové výroby jsou tato kritéria zmírněna. Pokud dodávky dílů těmto požadavkům nevyhoví, jsou předmětem reklamací a jsou často spojeny s požadavkem na přetřídění dodávky i skladových zásob (bohužel někdy s neúnosnými finančními postihy). Naskýtá se však otázka, zda tato přísná kritéria jsou vůbec splnitelná za současného stavu techniky, technologie a kontrolních metod.

Aby se předešlo potížím při dodržování kvality, je pro automobilové díly povinností při přípravě výroby nového výrobku podrobit návrh i proces důkladné analýze FMEA (Failure Mode and Effects Analysis, Fehler-Möglichkeits- und Einfluss-Analyse, Analýza možných způsobů a důsledků závad). Cílem této procedury je identifikovat a vyhodnotit možnou závadu výrobku či procesu i důsledky této závady a určit opatření, která by mohla pravděpodobnost výskytu možné závady omezit, a celý proces dokumentovat. Tento návrh, který se stal součástí norem QS 9000 a ISO TS 16949, vypracovaly týmy specialistů pro analýzu způsobů a důsledků závad firem Chrysler, Ford a General Motors pracující pod záštitou automobilové sekce Americké společnosti pro řízení jakosti ASQC (American Society for Quality Control). FMEA je ještě doplněna zprávou o kontrole prvních vzorků zahrnující technologický postup výroby, balicí předpis, SPC rozměry a jejich kontrolu, protokoly o měření a statistickou regulaci procesu.

Vliv na kvalitu výstřiků

Kvalita výstřiků závisí na všech faktorech, které se vstřikovacího procesu účastní. Jsou to: vstřikovaný polymer, vstřikovací stroj a periferie (sušení, doprava a dávkování materiálu, dodatečná aditivace, případně barvení), tvar výstřiku a způsob zaformování, konstrukce a výroba formy (včetně vtokové soustavy, temperace a způsobu vyjímání - ručně či robotem) a technologické parametry (souvisí s úrovní řídicího systému). S kvalitou souvisí i dodatečné operace (začišťování, obrábění, svařování a následná montáž). Je tedy i zřejmé, že všechny neshody (vady) vyráběných výstřiků a jejich následné odstraňování s výše uvedenými faktory souvisí.

Výhradní postavení ve vztahu ke kvalitě má vstřikovací forma - pokud je chybná její konstrukce a následná výroba (tuhost, vyhazovací systém, temperační systém, vtoková soustava, odvzdušnění), pak sebekvalitnější materiál či vstřikovací stroj nebo způsob nastavení technologických parametrů tuto závadu vedoucí k nekvalitním výstřikům těžko odstraní.

Není předmětem tohoto příspěvku popis možných vad a jejich odstraňování. Vzhledem k tomu, že pro plastové autodíly je v převážné většině důležitý vzhled, uvedeme jako příklad souhrn rozhodujících vlivů na kvalitu povrchu výstřiků. Z tohoto hlediska mají hlavní vliv na kvalitu zejména:

• forma: povrch formy (materiál, struktura), vtokový systém, typ vtoku a vtokového ústí, poloha vtoku, vyhazovací systém, chladicí systém, odvzdušnění;

• plast: tokové vlastnosti, aditiva, obsah a druh plniva, smrštění, E-modul, houževnatost;

• výstřik: tloušťka stěny, rovnoměrnost tloušťky stěny, poměr délky toku k tloušťce, úkosy pro vyjímání z formy, zálisky, rozmístění vtoků (plnění tvarové dutiny);

• technologické parametry: rychlost vstřikování, bod přepnutí, dotlaková fáze, teplota formy, charakter tlakové křivky.

Polymerní materiál

Předně je nutno si uvědomit, že polymerní materiály jsou látky polydisperzní, a proto ve vztahu k technologii vstřikování mají jejich taveniny určité rozpětí viskozity. Vývoj těchto materiálů za posledních více než sto let od jejich vzniku zaznamenal nebývalý kvantitativní i kvalitativní růst. Od osmdesátých let minulého století se vývoj a výroba zcela nových polymerů velmi zpomalily a nastoupila technologicky méně náročná etapa polymerních směsí a kompozitů. Snahou výrobců je, aby dodávali na trh materiály z hlediska zpracování a následného použití co nejvíce bezproblémové. K tomu slouží aditiva zlepšující zatékavost, vyjímání z formy, teplotní stabilitu při zpracování a aditiva či plniva modifikující vlastnosti výstřiků, jejich životnost a stálost v různém prostředí atd.

Přesto lze konstatovat, že mezi cca padesáti základními druhy polymerních materiálů a nesčetnými typy nenajdeme žádné, u nichž by se problém s kvalitou dal trvale a stoprocentně vyloučit. Jako příklad můžeme uvést polypropylen, který řadíme mezi velmi málo problémové materiály, a na druhé straně samozhášivé a vyztužené typy polyamidu, kde problémy zejména s kvalitou povrchu určitě nalezneme. Nepatrně se od sebe liší i jednotlivé výrobní šarže, a proto i v atestech, které výrobce poskytuje, se garantuje pouze určité rozpětí z malého výběru kvalitativních ukazatelů.

V mnohých případech aplikace plastů (a to bohužel i u autodílů) je hlavním kritériem cena. Většinou však platí, že nízkonákladové materiály jsou z hlediska zpracování i kvality výstřiků problémové. Často se setkáváme i s výběrem nevhodného typu materiálu s ohledem na tvar výstřiku, vtokovou soustavu a konstrukci formy. Bohužel jakákoliv změna, i když je prokazatelně pozitivní, je u autodílů velice zdlouhavá a náročná, neboť vyžaduje nové prokazovací rituály (FMEA, první vzorování apod.).

Nejčastější vady způsobené polymerním materiálem mají příčinu v rozdílném chování taveniny (např. přetoky, nedostřiky, propadliny), povrchové vady mohou způsobit některá aditiva (např. retardéry hoření, nevhodné barevné koncentráty) či plniva (zejména vláknitá), dále nedokonalé vysušení, teplotní nestabilita, znečištění při dopravě nebo při přidávání mletého odpadu atd.

Vstřikovací stroj

Vstřikovací stroj je základním zařízením technologického procesu vstřikování. Je pozoruhodné, že od r. 1956 dominuje a do dnešní doby nebyl překonán šnekový systém vstřikovací jednotky jak pro přípravu taveniny, tak pro vlastní vstřik taveniny do tvarové dutiny formy. V současné době se konstrukce šneku (tvar, kompresní poměr, poměr délky k průměru, kvalita povrchu) ustálila jako univerzální pro zpracování většiny termoplastů a termoplastických elastomerů. Konstrukce šneku pro vstřikování reaktoplastů či klasických elastomerů se pochopitelně liší. Z hlediska kvality výstřiků se očekává bezvadná funkce zpětného uzávěru. Hodnotíme-li celou vstřikovací jednotku, pak je velmi důležitý systém vytápění jednotlivých pásem a regulace teploty, nebo nástavec vstřikovacího válce zakončený tryskou (druh trysky, průměr, rádius dosedu).

Uzavírací jednotka musí být schopna vyvolat potřebnou uzavírací a přidržovací sílu. Uzavírací mechanismus může být hydraulický, hydraulicko-mechanický, kombinovaný (např. kloubový, hydraulicky ovládaný). U větších strojů se využívá tzv. závorování (ovládání závory je mechanické, hydraulické nebo pneumatické). Z hlediska možných vad se malá uzavírací síla projeví přetoky do dělící roviny, event. i deformací dílce.

Pohon vstřikovacích strojů je obvykle hydraulický (u malých strojů může být i pneumatický), poslední období zaznamenalo nárůst plně elektrického pohonu (ekonomicky i ekologicky výhodného), event. pohon kombinovaný, hydraulický a elektrický. U hydraulických pohonů se využívá moderních hydraulických prvků, jako je proporcionální a číslicová hydraulika, regulační axiální pístová čerpadla nebo integrální bloky. Využití uvedených hydraulických prvků umožnilo zavedení multiprocesorových řídicích systémů (pro řízení určitých funkčních skupin je použito samostatného procesoru). Pomocí těchto řídicích systémů jsou regulovány a programovány síly, tlaky, dráhy, rychlosti, časy a teploty. Kromě regulace parametrů vstřikovacího cyklu systémy umožňují sledování skutečných hodnot těchto parametrů na obrazovkách a jejich záznam.

Stav řídicích systémů (nezbytných pro sledování vlivu technologických parametrů na kvalitu výstřiků) se ustálil na úrovni multiprocesorových, případně transputerových systémů s obrazovkou. Umožňují zadávání dat dialogovým způsobem a jejich realizaci na paměťových nosičích, diagnostiku strojních i procesních funkcí, grafické zobrazení vybraných parametrů. Jsou vybaveny dalšími standardními programy s možností napojení na centrální počítač včetně např. diagnostiky stroje výrobcem. Řídicí systémy umožňují programování průběhu vstřikovací rychlosti, dotlaku, otáček šneku a protitlaku. Kromě dialogového způsobu programování obsahují řadu standardních programů, jako např. program intruze, vstřikování do pootevřené formy, vstřikování s otáčením šneku apod. Určitá kapacita paměti bývá vyčleněna na řízení periferních zařízení (průmyslové roboty a manipulátory, dopravní systémy, sušicí zařízení, temperační zařízení a další). Toto vše umožňuje budovat plně automatizované buňky či plně automatizované provozy.

Řídicí systémy jsou nezbytné pro nastavení a sledování technologických parametrů procesu vstřikování, které bezprostředně souvisejí s kvalitou výstřiků. Snahou je, aby zabezpečily co nejdokonalejší reprodukovatelnost důležitých parametrů a zabezpečily tak stabilitu procesu po celou dobu výroby a tím i neměnnost kvality vyráběných výstřiků.

V posledních dvaceti letech se značně rozšířily různé modifikace technologie vstřikování, a to zejména pro stále náročnější a komplikovanější aplikace v automobilovém a elektronickém průmyslu. Tento trend s sebou přinesl požadavky na modifikaci vstřikovacích strojů i vstřikovacích forem. Jedná se především o vícekomponentní vstřikování, airmould proces pro výrobu dutých dílů, strukturní vstřikování, vstřikování miniaturních součástí, technologie MuCell, dekorativní vstřikování (In-Mould a Dekor proces), výrobu hybridních konstrukcí z kovů a plastů, 3D-MID technologie, technologie LIMBT, kaskádové a sekvenční vstřikování, vstřikování s dolisováním (Glazing), kombinované vstřikování (např. 2K+ MuCell, 2K+WIT), vstřikování dílů z kovových nebo keramických prášků atd.

Forma

Vstřikovací forma (nástroj) vždy byla, je a patrně bude jedním z rozhodujících faktorů ovlivňujících kvalitu výstřiků. Klasická konstrukce forem rozvinutá v druhé polovině minulého století díky tehdy našim špičkovým konstruktérům (Kulhánek, Hošic, Bogumský, Kolouch a další) je dnes již překonána díky výpočetní technice, programovému vybavení a simulačním programům umožňujícím ověřit před vlastní výrobou formy její technologickou funkčnost.

Konstrukci formy předchází návrh plastového dílce, návrh polymerního materiálu a ekonomická rozvaha s ohledem na předpokládaný objem výroby (stroj, násobnost formy, četnost dodávek). Poté se vytvoří konstrukční návrh dílce jako 3D model s využitím CAE (CAD/CAM) programu. Tvar i funkčnost budoucího výrobku lze ověřit pomocí technologií Rapid Prototyping a Rapid Tooling využívajících stereolitografie, sintrování laserem či vakuového lití. Pro vlastní konstrukci formy se využívá tohoto 3D modelu a vhodného 3D CAD softwaru.

Při výrobě forem převažuje využití normálií (rámy, vyhazovací prvky, vodicí a středicí prvky, horké rozvody a další). Tvarové dutiny se většinou vyrábějí s využitím CNC obrábění, elektroerozivního obrábění a řezání drátkem. V poslední době se používá též vysokorychlostní obrábění tepelně zpracovaných ocelí nebo 3D Printing technologie. K minimalizaci studených spojů, deformací či povrchových vad lze využít 3D temperační vložky umožňující lokální ohřev v místě studeného spoje (viz též postup Promold).

K ověření optimální konstrukce výstřiku a formy včetně vtokové soustavy, temperačních systémů, odvzdušnění, vzniku studených spojů aj. poslouží simulační analýzy. Využívá se různých modifikací systémů Moldflow, Cadmould, Moldex 3D i dalších. Tyto programy umožní např. simulaci toku taveniny do formy, teplotní a tlakovou analýzu, předpověď smrštění a tvarové deformace, rozložení pnutí, pevnostní výpočty atd. Tyto metody se neustále rozšiřují a zdokonalují.

Technologický proces vstřikování

Při hodnocení vlivu technologického procesu vstřikování na kvalitu výstřiků si musíme uvědomit, že se jedná o diskontinuální proces, a proto je prvním předpokladem kvality stabilita procesu. To znamená, že potřebujeme zaručit, aby každý následný vstřikovací cyklus měl identický průběh jako cyklus předcházející. Vstřikovací cyklus lze rozdělit na čtyři fáze, které ovlivňují stav výstřiku a následně i jeho kvalitu.

Fáze plastikační

Základním předpokladem pro rovnoměrné naplnění tvarové dutiny formy je zajištění teplotní a viskozitní homogenity v dávce taveniny před šnekem. Přispěje k tomu nastavení teplot na jednotlivých pásmech plastikačního válce, dále protitlak a otáčky šneku (poslední dva parametry lze profilovat). Nehomogenita taveniny se projeví negativně zejména na kvalitě povrchu (tokové čáry, lesk, studené spoje), na rozložení orientace, vnitřního pnutí i na tvorbě nadmolekulární struktury u semikrystalických polymerů. Teplota taveniny má rozhodující vliv na orientaci: s růstem teploty taveniny stupeň orientace klesá a výstřik se stává z hlediska vlastností více izotropní. Zároveň klesají ve směru toku taveniny některé mechanické vlastnosti (pevnost v tahu, houževnatost), zvyšuje se pevnost studených spojů a snižuje se vnitřní pnutí. Výstřiky ze semikrystalických polymerů mají vyšší smrštění a nižší dodatečné smrštění.

Plnicí fáze

Rychlost vstřikování (plnění formy) má vliv na povrchové defekty výstřiku (tokové čáry, vrásnění, povrch pomerančové kůry, stopy po studeném spoji a další). Rychlost plnění je proto třeba spolu s teplotou taveniny optimalizovat, aby na povrchu výstřiku nevznikala příliš vysoká smyková napětí. Pro polymery s částicovým plnivem se jako nejvhodnější ukázala kombinace vyšší teploty taveniny a nižší rychlosti. U polymerů s vláknitými plnivy je naopak výhodnější vyšší vstřikovací rychlost.

Při velmi nízké vstřikovací rychlosti se čelo taveniny ochlazuje, což podporuje růst orientace a anizotropii vlastností. S klesající rychlostí plnění roste sice ve směru toku pevnost a houževnatost, klesá však lesk a snižuje se pevnost studených spojů. Při ukončení plnicí fáze je důležitým parametrem bod přepnutí vstřikovacího tlaku na dotlak. Pokud přepneme příliš pozdě, vznikne tlaková špička, která má za následek vyšší pnutí ve výstřiku, při předčasném přepnutí dokončujeme plnění dotlakem, což paradoxně někdy vede ke kvalitnějšímu povrchu výstřiku.

Dotlaková fáze

Dotlaková fáze (úroveň dotlaku a doba dotlaku) ovlivňuje především hmotnost výstřiku, smrštění, dosmrštění, a tedy i rozměry. U klasické vtokové soustavy existuje nepřímá úměrnost mezi hmotností a smrštěním. Se zvyšujícím se dotlakem a dobou dotlaku hmotnost výstřiků vzrůstá, smrštění klesá (dodatečné smrštění při zvýšené teplotě se však zvětšuje). Zvyšuje se i vnitřní pnutí, což se projeví vyšším stupněm narušení při expozici v tenzoaktivním prostředí. Dotlakové fáze se využívá ke korekci rozměrů, odstraňování propadlin a lunkrů a lepšímu kopírování povrchu tvarové dutiny formy.

Ochlazovací fáze

K ochlazování výstřiku dochází bezprostředně po objemovém naplnění formy. Do ochlazovací fáze se započítává doba dotlaku a doba chlazení bez tlaku, končí otevřením formy a vyhozením výstřiku. Dominantním parametrem je teplota formy. Rychlost ochlazování je určující pro relaxační jevy, které ovlivňují výsledný stupeň a rozložení orientace, event. složku orientačního i tepelného pnutí a krystalickou strukturu u semikrystalických polymerů. Obecně platí, že čím je ochlazování výstřiku pomalejší (to znamená čím je vyšší teplota formy a delší doba ochlazování), tím větší je u semikrystalických plastů obsah krystalického podílu, a proto vzrůstá smrštění, specifická hmotnost, tuhost, tvrdost a pevnost výstřiků, klesá dodatečné smrštění, tažnost a navlhavost. Teplota formy má pozitivní vliv na povrchový lesk a vůbec na kvalitu povrchu výstřiku.

Kontrola kvality výstřiků

Prvotní kontrola kvality vstřikovaných dílců se obvykle provádí přímo obsluhou vstřikovacího stroje. Jedná se především o vzhledovou kontrolu, která bohužel podléhá individuálnímu přístupu jednotlivých pracovníků, a proto nemusí být a v praxi ani není jednotná a objektivní. Téměř stoprocentní shody lze dosáhnout u vad typu nedostřik, přetok, hrubší propadliny, spálený materiál, výraznější stopy po vlhkosti atd., horší už to bývá u vad povrchu souvisejících s optickou čistotou, probarvením, velmi jemným stříbřením apod. Bylo též prokázáno, že u některých polymerů souvisí jakost povrchu se stavem výstřiku a může se mírně měnit s časem, kdy ještě probíhají relaxační pochody nebo dokrystalizace u semikrystalických materiálů. Také je nutno počítat s určitou změnou povrchu tvarové dutiny formy (ztráta lesku, zanášení dezénu) v průběhu větších výrobních sérií. Proto se v závislosti na vstřikovaném plastu a kvalitě i členitosti tvarové dutiny doporučuje periodické čištění či přeleštění jejího povrchu.

Rozměry dílce a vlastnosti (zejména mechanické) je nutno kontrolovat až po určité době (obvykle min. 24 hodin po vyjmutí z formy), když už je výstřik v relativně ustáleném stavu - to znamená, že jsou téměř ukončeny relaxační pochody a stabilizovala se krystalická struktura u semikrystalických plastů. Úroveň kontroly rozměrů závisí na měřicí technice: nejjednodušší a nejlevnější posuvná měřítka nejsou vhodná např. pro měkké plasty. Lépe vyhovují měřicí přípravky a etalony, nejkvalitnější je však 3D měření různých konstrukcí, z nichž nejkvalitnější (i z hlediska záznamu) je zařízení využívající optického skeneru.

Jediným ukazatelem kvality výstřiku měřitelným bezprostředně po vyjmutí z formy je hmotnost. Hmotnost, resp. záznam naměřených hodnot v průběhu vstřikování, je do jisté míry ukazatelem stability procesu. V případě klasické vtokové soustavy mohou hodnoty naměřené hmotnosti souviset s hodnotami smrštění (s rostoucí hmotností se hodnoty smrštění snižují).

Z hlediska přímé kontroly některých vlastností lze využít i objektivních metod. Např. hodnocení lesku ve vybraném místě výstřiku lze provádět měřením relativní odrazivosti světla, podobně lze sledovat i barevný odstín výstřiku. Je-li to nezbytné, lze měřit i vybrané rozměry na výstřiku v neustáleném stavu. K tomu je však nutné stanovit a dodržovat přesný čas měření výstřiku po vyjmutí z formy. Dále je třeba předem změřit časový průběh dosmršťování až do konstantní hodnoty sledovaného rozměru, která je závazná a tolerovaná na výkrese dílu. Setkali jsme se i s přímým měřením dvojlomu u transparentních plastů (fotoelasticimetrie) při výrobě laboratorních misek, čoček či automobilových skel a světel. Tento způsob ovšem může být zavádějící, neboť je známo, že silový dvojlom (prokazující pnutí) je mnohem slabší než dvojlom orientační. U tlustostěnných výstřiků lze provádět kontrolu dutin (lunkrů) rentgenem nebo ultrazvukem.

V oblasti zpětnovazebného měření vybraných kvalitativních ukazatelů je nutno připomenout výsledky základního výzkumu procesu vstřikování ve SVÚM, kde před více než dvaceti lety byl vypracován návrh unikátního zařízení HRIL-T, pomoci něhož bylo možné v rámci vstřikovacího procesu měřit současně hmotnost, rozměr, dvojlom (izochromáty), lesk a teplotu a zpětně ovlivňovat technologické parametry procesu. Tento návrh se bohužel dostal pouze do stadia prototypu.

Vady výstřiků a jejich odstraňování

Přes veškeré znalosti o materiálu, vstřikovacím stroji, formě a technologii se v provozní praxi setkáme s různými vadami (neshodami) výstřiku. Snažíme se tedy rozpoznat příčinu vzniku těchto vad a následně ji odstranit. Zdroje vad mohou být ve zpracovávaném plastu, v konstrukci výstřiku a formy, ve vstřikovacím stroji či v nastavených technologických parametrech.

Pod pojmem vada výstřiku se rozumí defekt, kterým se liší vzhled (kvalita povrchu), vlastnosti, tvar a rozměry výstřiku od předem stanoveného a dohodnutého normálu, obvykle vyjádřeného vzorovým kusem a výkresem. Celý soubor vad lze rozdělit na vady zjevné a skryté. Problematice vad výstřiků budou věnovány příspěvky v následujících číslech MM Průmyslového spektra.

Závěr

Příspěvek ve stručnosti hodnotí reálné možnosti stále se zvyšujících požadavků na kvalitu vstřikovaných dílců s ohledem na stávající stav v oblasti polymerních materiálů, vstřikovacích strojů a periferií, úrovně konstrukce a výroby forem a v neposlední řadě i na úroveň a kvalifikaci pracovníků, kteří mají tento požadavek realizovat. K zajištění vysokých požadavků na kvalitu jsou zapotřebí nemalé náklady na technologická zařízení a formy a kvalifikovaní pracovníci vyškolení v oboru technologie vstřikování, kterých je v současné době citelný nedostatek. Lze konstatovat i někdy těžko pochopitelné nadměrné navýšení potřebné průvodní dokumentace vyplývající z předepsaných systémů jakosti a permanentní požadavky automobilového průmyslu na každoroční úspory bez ohledu na nárůst cen energií, dopravy a mzdových nákladů. Je nutné upozornit též na bezbrannost výrobců a dodavatelů plastových dílů vůči zmíněným požadavkům současného managementu nadnárodních a kapitálově mohutných společností. Je jen otázkou času, kdy tyto megapožadavky přesáhnou možnosti našich vstřikoven a nastane přesun výroby plastových dílů do cenově atraktivních zemí.

Ing. Emil Neuhäusl

www.pfservice.cz

emil.neuhausl@iex.cz