Jak úspěšně zpracovávat pokrokové polymery

Cykloolefinové polymery (COP) a cykloolefinové kopolymery (COC) soutěží při výrobě optických a medicínských součástí stále více s již řadu let běžně používanými průhlednými termoplasty a materiály jako polymetylmetakryláty (PMMA) nebo polykarbonáty (PC), respektive sklo. Vzhledem ke svým dobrým vlastnostem, jako je malá nasákavost nebo dobrá teplotní stálost, se materiály COC a COP osvědčily u optických součástí (čočky nebo rozptylová stínidla).

Uvedené vlastnosti předurčují tyto plasty k použití u mobilních telefonů, tabletů, LED osvětlení nebo součástí pro fotovoltaiku, ale také na výrobky pro medicínu, jako jsou injekční stříkačky na jedno použití a speciální obaly.

Zejména u vstřikovacího lití malých a středních sérií nastává otázka, zda je tyto novodobé materiály možné zpracovat také s jednoduchými prostředky na univerzálních vstřikovacích strojích, které se vyskytují ve většině výrobních podniků. Provedené pokusy se vstřikovacím litím materiálů COC, COP a PMMA poskytují důležité poznatky pro jejich průmyslové zpracování. Ve zkouškách byly porovnávány materiály PMMA, (COC) cykloolefinový kopolymer Topas 5013 S04 německé firmy Topas Advanced Polymers GmbH a (COP) cykloolefinový polymer Zeonex 330R japonské firmy Zeon Corporation.

Odborníci z průmyslu považují materiály COC a COP, vzhledem k jejich silné závislosti tekutosti na teplotě, z hlediska zpracování ve srovnání s PMMA za náročné polymery. Tuto skutečnost je možné potvrdit stanovením hodnoty MFR (tekutost) za různých teplot (obr. 2). Pomocí vložených zkušebních závaží byla určována plynulost lití a vystupující množství plastu za jednotku času, při definovaném průměru trysky, při řízené teplotě a při vertikálním pístu.

Zvýší-li se u COC teplota z 230 °C na 275 °C, pak při stejné síle na pístu teče osmkrát větší množství, zatímco se hodnota MFR u COP ve stejném intervalu teplot zdvojnásobí. V podstatě stejně se chová materiál PMMA s menší hodnotou MFR při téměř dvojnásobném tlaku na zkušební píst (zkušební zatížení 3 800 g).
Stříkání plastu přes studený nálitkový kanál do vyhřívaného nástroje

Provedené výzkumy poskytují pro praxi informace o vlastnostech tečení ve formě při vstřikovacím lití pouze přibližně, protože se teplota během reálného plnění formy mění. Přesto je možné učinit závěr, že COC a COP se z důvodu své nízké viskozity hodí zejména pro jemné struktury, tenkostěnné součásti, případně pro součásti s dlouhou dráhou tečení materiálu.

Proces plnění formy a kvalita odlitků byly ověřovány experimentálně. Při zkouškách byly odstříknuty odlitky z uvedených tří polymerů ve stejné formě do dvou rozdílných dutin. Jedna byla opatřena koncentrickými strukturami s tříbokým rýhovaným profilem podobným Fresnelově čočce, druhá dutina je tvořena plochým rovným kotoučem o průměru 42 mm. V obou případech tvoří pevná část formy její druhou polovinu. Obrázek 3 ukazuje otevřený nástroj se systémem nálitků a ztuhlý výrobek.

Vyjímání odlitků z formy se provádí pomocí vyhazovače, který má čtyři středově symetrické čepy. Válcové vložky formy jsou vyrobeny z práškové vysoce legované oceli typ „Böhler M340 Isoplast“ na konvenčním obráběcím stroji a jsou ručně leštěny.

Pohyblivou část nástroje je možné vyhřívat, ale ne temperovat. Všechny použité granuláty byly podle údajů výrobců předsušeny. Zpracování bylo provedeno na univerzálním stříkacím stroji typ Allrounder 221 K se změkčovacím šnekem o průměru 25 mm (obr. 4). Simulace pomocí softwaru Moldflow od firmy Autodesk Inc. zobrazí jasně tečení materiálu ve formě v závislosti na čase.

Při zachování doporučení výrobců na zpracování plastů lze simulací získat u všech tří plastů bezchybné výsledky průběhu zpracování. Ve strukturovaném tvaru je rychlost šíření taveniny brzděna, a proto se plánovaná rovina kavitace (obr. 5 vpravo) plní stále kompletně celá. Brzděné tečení taveniny může ve skutečnosti vést k rozpadu čela taveniny a k tvoření nežádoucích dílčích proudů tečení.

Z důvodu zvolené geometrie dutiny formy tuhne nálitek poslední, takže je možné očekávat vznik chyb především v jádru nálitku. Rozdělení teploty několik vteřin po vyjmutí odlitku z formy je zřejmé z obrázku z termovizní kamery (obr. 6 vlevo): Na čelní ploše kotoučku je teplot 83 °C, zatímco nálitek má ještě teplotu o cca 20 °C vyšší. Termografie pomáhá také při zkoumání rozdělení teplot na nástroji, což je znázorněno na obr. 6 vpravo, kde je na pevné části nástroje vidět také vada topného článku.

Proces stříkání se ověřoval u všech tří zkoušených plastů při malé vstřikovací kapacitě (kolem 8 g). Optimální dobu dotlaku bylo možné zjistit zvážením hotových součástí. Tak byla např. u materiálu PMMA po pěti vteřinách zjištěna konstantní vstřikovací kapacita při jeho kompletním vyplnění dutiny bez přestříknutí (obr. 7). Při změně materiálu na COP nebo COC byl nastaven při konstantní vstřikovací kapacitě dotlak na pět vteřin.

Vyplnění formy nastává řízením objemu ve dvou stupních plnění při snaze dodržet konstantní rychlost stříkání 20 cm3.s-1, přičemž tlak stříkání je v prvním stupni omezen na maximálně 800 bar. Přepnutí na druhý stupeň se provádí až po naplnění poloviny formy.

Jako výhodná se u materiálů COC a COP ukázala jejich nízká viskozita, která umožňuje naplnění formy za podstatně nižšího tlaku (tabulka 1). Lze očekávat, že se v tenkých částech formy u COC a COP ve srovnání s PMMA dostane materiál na podstatně delší vzdálenost. Potvrzuje to skutečnost, že jemné geometrie lze věrněji odlít z cykloolefinových polymerů a kopolymerů než z PMMA.

Zvýšení pracovní teploty je možné pouze podmíněně. Typickými chybami, které nastávají při příliš vysoké pracovní teplotě, je tvoření bublin a šmouh, jakož i žloutnutí průhledného materiálu. Obr. 8 ukazuje součásti z PMMA s nežádoucím přelitkem vzniklým vlivem vysoké pracovní teploty. Ve vlastním objemu plastu jsou vidět vzduchové bubliny a šmouhy. Zvýšení pracovní teploty pro zvýšení tekutosti je v tomto případě nevhodné. Dalšími příčinami tvoření vzduchových bublin mohou být také nedostatečná homogenizace v jednotce provádějící plastizaci hmoty, popřípadě kolísající dynamický tlak.

U odlitků z plastů vystavených vlivu počasí (např. rozptylová stínítka na světlometech) mohou vnitřní napětí v odlitcích vést ke tvoření napěťových trhlin. Při použití polarizovaného světla jsou napětími negativně ovlivňovány také optické vlastnosti. Toto je například případ světelných ochranných systémů. U polaroskopu vytvoří vnitřní napětí v součásti viditelné černé stínování. V důsledku plnění formy a dotlaku vznikají napětí především v blízkosti nálitku.

Toto platí pro všechny zkoušené materiály. Zvýšením dotlaku je možné vznik vnitřního napětí sice ovlivnit, ale ne zcela odstranit: čím menší je doba dotlaku, tím menší jsou vnitřní napětí. Avšak zkrácený cyklus dotlaku napomáhá místnímu vzniku smrštění. Máme-li zabránit nesymetrickému rozdělení napětí v součásti, tak je rozumný přechod procesu na tzv. vyrovnávací stříkání, u kterého nastává plošně působící dotlak.

Zpracování materiálů COC a COP je na univerzálních šnekových stříkacích strojích z předsušených granulí proveditelné bez použití dalších zvláštních nástrojů a přípravků.

Tento poznatek otevírá mnohostranné možnosti použití při výrobě součástí z plastů pro optické přístroje, součástí pro medicínu a v balicí technice. Z důvodů silné závislosti brzdění tečení na teplotě má velký význam přesné zachování optimálních pracovních parametrů. COC a COP se vzhledem k velmi malé viskozitě zpracovávají při velmi malém tlaku a umožňují detailní přesné vyrobení jemných struktur. Struktury v nástroji zpomalují plnění formy a mohou vést k nežádoucímu tvoření stop po toku materiálu. Pro proces stříkání je typické nesymetrické rozdělení napětí v odlitku.

Vhodné pracovní parametry procesu. Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Následující výzkum bude zaměřen na zkoumání vlivu parametrů procesu na věrnost tvarů součástí pro optiku (obr. 9). Při výrobě přesných součástí z průhledných termoplastů jsou zvláštní požadavky kladeny na zamezení vzniku vnitřních pnutí, jakož i ovládnutí místního smrštění u tlustostěnných součástí a na poměry procesu plnění formy na strukturovaných površích (Fresnelovy struktury a optické mřížky). S rostoucím používáním COC a COP roste také význam recyklovatelnosti výrobků z plastů.

Zdroj: MM Das Industriemagazin, č. 40/2014

Jörg Schmütz, Burak Sivri a Tobias Jakob, zpracoval Ing. Jaroslav Řasa, CSc.

Zuzana.zidlicka@mmspektrum.com