Vady tvaru vstřikovaných dílů z plastů jsou nepochybně velmi závažným problémem při výrobě plastových dílů s technickým zaměřením, zejména dílů pro automobilový průmysl.
Vady tvaru
Pod pojmem vady tvaru rozumíme takové vady, u kterých tvar a rozměry dílu neodpovídají schválenému výkresu, 3D modelu či referenčnímu vzorku. Jedná se o díly deformované či narušené v důsledku výrobního procesu. Mezi nejčastější vady tvaru patří:
- přestřiky, přetoky, otřepy;
- neúplné výstřiky;
- propadliny, staženiny, zvlněný povrch;
- stopy po vyhazovačích;
- deformace výstřiku při vyhození z formy;
- delaminace povrchu, stopy po studené tavenině;
- nedodržení rozměrů a předepsaných tolerancí.
Příčiny vyjmenovaných vad nalezneme ve zpracovávaném polymeru (M), v technologickém procesu vstřikování (T), ve vstřikovacím stroji (S), formě (F) a v nesprávně zvoleném tvaru výstřiku (V). Příklady výše uvedených vad a stručný přehled příčin a jejich odstranění jsou uvedeny v tabulkách 1 až 6, ukázky těchto vad jsou na obrázcích 1 až 12 (na konci článku).
Rozměrové vady
Pro dodržení předepsaných rozměrů a tvaru plastového výstřiku je důležitý návrh a konstrukce tvarové dutiny formy. Konstruktér vstřikovací formy musí počítat se smrštěním vstřikovaného dílu a to nejen v průběhu technologického procesu, ale i po jeho ukončení, kdy probíhá dosmršťování. Údaje o smrštění, které má k dispozici z materiálových listů výrobců polymerních materiálů jsou pouze informativní. Navíc uváděné hodnoty smrštění byly naměřeny na zkušebních tělesech (jakým je např. deska 60 x 60 x 2 mm s filmovým ústím vtoku, čtvrtkotouč a další) podle příslušných norem (ISO 294-4, část 4 „Stanovení smrštění" nebo DIN 19901 „Měření výrobního smrštění").
Obvykle není dostatečně dokumentována tzv. anizotropie smrštění vyjádřená rozdílem smrštění ve směru toku taveniny a ve směru kolmém na tok taveniny. Z výše uvedených důvodů se ve firemní literatuře udávané hodnoty smrštění mohou lišit (někdy i značně) od reálných hodnot smrštění na konkrétním výstřiku v závislosti na tloušťce stěny a členitosti výstřiku (například v oblasti žeber dochází k nahromadění hmoty, v oblasti zúžených profilů dochází k změnám toku taveniny), vtokové soustavě či technologických podmínkách, z nichž dominantní je dotlaková fáze (úroveň a doba dotlaku), u semikrystalických polymerů též teplota formy. Teplota formy a čas ochlazování jsou důležité též pro bezproblémové vyhození výstřiku z formy. Zatímco u amorfních polymerů je nezbytné výstřik před vyhozením ochladit pod teplotu zesklení Tg, u semikrystalických polymerů závisí dostatečné zatuhnutí výstřiku na rychlosti krystalizace, kterou zvyšuje např. přítomnost nukleačních látek. Pozitivně se na redukci vstřikovacího cyklu u semikrystalických plastů projevuje též zvýšení teploty formy. Informace o smrštění plastů při vstřikování byly opakovaně popsány v literatuře. Přesto pro pochopení složitosti této problematiky uvedeme nejdůležitější závěry o tom, jak a kdy v procesu vstřikování k smrštění dochází, co ho ovlivňuje a jak se lze přiblížit k rozměrově izotropnímu výrobku.
Objemové smrštění
Při procesu vstřikování nastává po zaplnění tvarové dutiny formy taveninou a ukončení dotlakové fáze objemové smrštění, které pokračuje i po vyhození výstřiku z formy a trvá až do úplného ochlazení výstřiku na teplotu okolí. Objemové smrštění lze odečíst z pvT diagramů příslušných polymerů. Fyzikální příčinou smrštění tavenin polymerů je jejich teplotní roztažnost, vyjádřená součinitelem délkové teplotní roztažnosti. U základních plastů se pohybuje v rozmezí od 6 do 24.10-5, u plněných či vyztužených plastů od 1,5 do 5.10-5(dle obsahu plniva). Hodnota součinitele délkové roztažnosti závisí na teplotě. U semikrystalických polymerů klesá teplotní roztažnost s rostoucím obsahem krystalického podílu, který závisí především na teplotě formy.
Lineární smrštění
Pro návrh rozměrů tvarové dutiny vstřikovací formy je důležité znát smrštění lineární (v praxi nazývané též smrštění výrobní). Jedná se o rozdíl mezi rozměrem tvarové dutiny formy a rozměrem výstřiku vztaženým na rozměr formy (při konstantní teplotě) a vyjadřuje se v procentech. Toto smrštění je různé v závislosti na směru toku taveniny. Hodnotu smrštění předurčuje stavba polymeru (amorfní, semikrystalické) a použitá aditiva a plniva. Závisí dále na orientaci makromolekul či vláknitých plniv, u semikrystalických polymerů též na velikosti a rozložení krystalického podílu. Smrštění lze ovlivnit technologickými parametry, zejména velikostí dotlaku, dobou dotlaku a teplotou formy. U výstřiků s klasickou vtokovou soustavou (otevřené ústí vtoku) lze vysledovat nepřímou úměru mezi hmotností výstřiku a hodnotami smrštění. V těchto případech lze využít kontrolu hmotnosti pro informaci o smrštění ihned po vyjmutí výstřiku z formy. Lze též kontrolovat hodnoty rozměrů výstřiku v neustáleném stavu v krátkém intervalu (např. 5 nebo 10 minut) po vyjmutí z formy. Předem však musíme stanovit relaxační křivku, vyjadřující časovou změnu sledovaného rozměru od vyjmutí z formy k ustálenému stavu (24 až 48 hodin) a přičlenit předepsanému tolerovanému rozměru hodnotu rozměru v neustáleném stavu.
Dodatečné smrštění
Dodatečné smrštění je změna rozměru po delší době, případně po aplikaci dílu při zvýšené teplotě (temperaci), kdy pokračuje zmenšování objemu a dosmršťování výstřiku až na konstantní hodnotu. Vyjadřuje se v procentech vztažených na původní rozměr výstřiku.
Anizotropie smrštění
Anizotropie smrštění je rozdíl smrštění ve směru toku taveniny a ve směru kolmém na tok taveniny vztažený na hodnotu smrštění ve směru toku. U amorfních i semikrystalických polymerů jsou tyto rozdíly velmi malé (amorfní plasty mají smrštění ve směru toku nepatrně menší než ve směru kolmém, u semikrystalických plastů je tomu naopak). Anizotropie se výrazně projevuje u polymerů vyztužených skleněnými vlákny. Tak např. PA 66 + 50 % SV má smrštění ve směru toku 0,2 %, ve směru kolmém 0,8 % (tj. 4x větší). Proto je návrh tvarové dutiny formy u vyztužených plastů vždy problematický. V nedávné době se na trhu objevily nanokompozity, což jsou termoplastické vyztužené hmoty, v nichž plniva (vláknitá, destičková) mají velikost v jednotkách nanometrů. Jejich výhodou je nepatrná anizotropie smrštění. Proto jsou tyto materiály předurčeny pro rozměrově přesné výstřiky.
Stanovení rozměrů tvarové dutiny
Problematika smrštění popisovaná v literatuře je natolik složitá, že předem stanovit přesné hodnoty rozměrů tvarové dutiny formy v jednotlivých směrech je velmi obtížné. Proto se doporučuje před zahájením výroby formy využít počítačových simulací a analýz Moldflow, Cadmould, Moldex 3D a dalších. V databázi Moldflow jsou pro některé polymery data smrštění naměřená na zkušební formě, vybavené měřením tlaku a teploty. To umožňuje např. korigovat výpočty smrštění semikrystalických polymerů z pvT diagramů pomocí modelu CRIMS (Correct Residual In-mold Stress). Tento model do výpočtu smrštění zahrnuje vliv krystalické fáze i vliv orientace makromolekul či vláken ve směru toku a ve směru kolmém na tok taveniny. Bližší informace najdete např. v článku Ing. Petra Halašky v MM Průmyslovém spektru č. 1,2/2010 na str. 26. Při požadavku na rozměrově velmi přesné díly se dokonce vyplatí výroba prototypové formy, na níž se ověří technologie a následně se odečtou přesné hodnoty smrštění. Je však důležité, aby prototypová forma se co nejvíce přiblížila budoucí formě výrobní, a to jak z hlediska tvaru, tak konstrukce vtokové soustavy, temperačního a vyhazovacího systému.
Měření rozměrů a tvarových deformací
Měření rozměrů a tvarových deformací plastových výrobků se provádí nejdříve po 24 hodinách od vyjmutí výstřiku z formy při pokojové teplotě. Používá se buď univerzálních měřidel (posuvky, mikrometry, číselníkové úchylkoměry), měřidla pneumatická, optická, indukční, speciální kalibry (kontrola závitů, ozubení) a další. Z hlediska přesnosti měření se používají 3D měřicí stroje (v provedení CNC či manuálním), např. Metris C3V firmy Topmes. Pro kontrolu rozměrů a tvaru pohledových dílů pro automobilový průmysl se velmi často používají měřicí přípravky (tzv. léry) speciálně zkonstruované pro jednotlivé tvarové díly určené k montáži na automobil. Příklad těchto přípravků je na obr. 13 a 14. V současné době se do popředí zájmu pro měření rozměrů a deformací plastových dílů dostávají optické skenery, které umožňuji porovnání 3D modelu s reálným výstřikem. Z naskenovaných dat lze pomocí speciálních programů určit odlišnosti od 3D modelu, stanovit deformace a odečítat hodnoty požadovaných rozměrů. Pro plastové díly byl ověřen např. laserový skener Metris LC 15, LC 50, nebo optický skener firmy Steinbichler Comet 5 a další. Příklady záznamu z optického skeneru Comet jsou na obrázcích 15 a 16.