Témata
Reklama

Návrh plastového dílu a jeho optimalizace

Vstřikování polymerů je pružná výrobní metoda pro výrobu tenkostěnných plastových dílů. Vstřikování umožňuje v automatickém cyklu vyrobit komplexní geometrii dílu při nízké energetické spotřebě a krátkém časovém cyklu. Komplexností geometrie je myšlena nejenom výroba jednotlivých dílů, ale také sdružení několika dílů do jednoho celku. Tímto způsobem lze minimalizovat náklady na montáž a zároveň také minimalizovat vady vzniklé při montáži.

Vstřikování polymerů zahrnuje celou řadu technologických variant, které umožňují výrobu plastových dílů vstřikovaných z několika typů polymerů o různých vlastnostech, kombinaci polymeru s kovovými díly nebo anorganickými materiály. Základní požadavky na metodu vstřikování polymerů jsou nulové dokončovací operace a automatický výrobní cyklus, případně montáž s maximálním využitím automatizace a robotizace. Aby mohly být splněny tyto základní požadavky, je nutno klást důraz na moderní nástroje umožňující komplexní analýzu jak plastového dílu samotného, tak také analýzu výrobního procesu. Autodesk digitální prototyp je nástroj, který umožňuje provázanost od designu až po návrh a výrobu nástroje, včetně analýz. Tyto analýzy lze rozdělit na dvě základní skupiny: jednak analýzy mechanických vlastností, které dávají odpověď na otázku, jak se bude výrobek chovat při zatížení v daném prostředí, jednak analýzy technologické, které určují, jak bude nastaven a optimalizován výrobní proces.

Reklama
Reklama

Návrh výrobku

Příkladem využití výše uvedených technologických postupů může být výroba všem důvěrně známé područky kancelářské židle s vyloučením montáže. Původní návrh područky se skládá ze dvou částí: konzoly, která slouží k upevnění područky ke skeletu židle, a plastové područky. Konzola je vyrobena z plechu o tloušťce 4 mm, šířce 60 mm a délce 200 mm. Područka, která tvoří také estetickou část židle, je vyrobena z PP. Na spodní straně područky jsou zastříknuty 2 kovové vložky s vnitřním závitem. Takto se spojuje područka s konzolou pomocí dvou šroubů (obr. 1).

Obr. 1. Stávající návrh područky kancelářské židle

Nové řešení područky vychází z nahrazení plechové konzoly plastovým výstřikem. Područka je pak přímo nastříknuta na plastovou konzolu. Odpadne tedy výroba plechové konzoly a závitových vložek. Nebudou nutné spojovací šrouby a odpadne montáž područky ke konzole. Područka bude vystříknuta pomocí metody GIT (obr. 2). Pro vstřikování područky bude použit polypropylen a pro vstřikování konzoly bude použit polypropylen plněný 30 % skleněných vláken. Modely byly vytvořeny pomocí Autodesk Inventoru.

Obr. 2. Nový návrh područky s konzolou

Analýza mechanických vlastností dílu

Konzola s područkou musí vydržet statické namáhání při teplotě do 60 °C v rámci elastických deformací pro tři typy zatížení od 500 do 1 000 N (obr. 3). Při návrhu konzoly hraje rozhodující roli tuhost součásti při nejmenším množství spotřebovaného materiálu. Bylo vytvořeno mnoho variant tvarového řešení tak, aby splňovalo požadavky na tuhost konzoly. Na obr. 4 je ukázán jeden z výsledků pevnostní analýzy v Autodesk Simulation konečného řešení návrhu. V tabulce 1 jsou uvedeny mechanické vlastnosti použitých polymerních materiálů.

Obr. 3. Výpočtové zatížení područky 1 000 N, 1 000 N, 500 N (podle pořadí obrázků)

Obr. 4. Srovnávací Von Misesovo napětí pro první případ zatížení 1 000 N

Technologická analýza vstřikování konzoly

Pro analýzu konzoly byl použit solver Moldflow 2011. U vstřikovací formy pro konzolu je navrhnut horký vtok. Horký kanál trysky má průměr 6 mm a délku 82 mm. Ústí horkého vtoku se zmenšuje z průměru 6 mm na průměr 3,5 mm a má délku 6 mm. Z výsledků analýzy vyplývá, že doba plnění dutiny formy je 2,266 s, maximální tlak v dutině formy je 48,33 MPa, potřebná uzavírací síla vstřikovacího stroje je 69,8 tun. Na obr. 5 jsou zobrazeny deformace výstřiku konzoly. Pro větší názornost jsou zobrazené deformace 5x zvětšeny.

Obr. 5. Deformace výstřiku konzoly

Technologická analýza vstřikování GIT područky

Područka bude nastříknuta přímo na konzolu po přenesení do nové dutiny formy. Pro vstřikování područky je použita metoda GIT, což je vstřikování s plynem, který se vstřikuje do formy spolu s polymerní taveninou, a vytváří tak uvnitř dílu dutinu, která nahrazuje polymer a snižuje hmotnost dílu při zachování dostatečné tuhosti. Pro snadnější odformování výstřiku použijeme variantu vstřikování plynu do vtokového kanálu.

Vstřikování plynu do vtokového kanálu probíhá tak, že se nejprve částečně naplní dutina formy taveninou a poté se začne vstřikovat plyn. Mezi plynovou tryskou a vtokem plastu musí být umístěn hydraulický element. Tento element bude uzavírat vtokový kanál po naplnění polymerní taveninou. Poté může začít vstřikování plynu. Plyn má uzavřenou cestu do ústí vtokového systému, a proto je nucen pokračovat do dutiny formy. Vtokový systém u formy pro područku je kombinací horkého vtoku a studeného kanálu. Pro zjednodušení byla analyzována jen část modelu se studeným kanálem (obr. 6).

Obr. 6. Vtokový kanál s plynovou tryskou a hydraulickým elementem

Optimalizace technologického řešení

U analýzy područky bylo nutno optimalizovat množství vstříknutého polymeru a velikost vstřikovaného tlaku plynu. Množství vstřikovaného polymeru bylo voleno od 65 do 75 % celkového objemu výstřiku a velikost vstřikovaného tlaku od 8 do 16 MPa. Při výrobě područky bude třeba, aby se vytvořila dutina ve 2/3 na horní části. Volené varianty a výsledky uzavíracích sil jsou uvedeny v tabulce 2. Optimální variantou, při které plyn vyplnil potřebnou část dutiny, je varianta č. 3 (obr. 7 a 8). Při této variantě vyplní polymer dutinu do 70 % a poté začíná vstřikování plynu pod tlakem 11 MPa.

Obr. 7. Dutina vytvořená plynem v 33. sekundě cyklu

Obr. 8. Vznik plynové dutiny v čase

Obrázek 9 řezu výstřiku rukojeti ukazuje teplotní pole ve výstřiku područky po naplnění dutiny formy. Důležitá je teplota, která bude na povrchu výstřiku konzoly vložené do dutiny formy před vstřikováním. Tato teplota se pohybuje mezi 160 až 200 °C. Lze předpokládat, že materiál konzoly bude nataven a dojde ke spojení obou polymerů a zároveň zakotvení polymeru područky do vláknitého plniva na principu suchého zipu.

Obr. 9. Teplotní pole ve výstřiku područky

Obr. 10. Nástroj pro výrobu konzoly

Obr. 11. Nástroj pro zastříknutí konzoly

Závěr

Cílem tohoto článku je ve stručnosti ukázat moderní postup při navrhování plastových výrobků s využitím digitálního prototypu. Tento postup umožňuje realizačnímu týmu sledovat chování výrobku při zatěžování a působení prostředí v kterémkoliv kroku návrhu a optimalizovat výrobní proces a jeho parametry pomocí programů, které umožňují přesnou simulaci výroby vstřikovaných dílů. Pro návrh výrobku byl použit Autodesk Inventor Tooling 2011, pro mechanické analýzy a optimalizaci tvaru konzoly byl použit Autodesk Simulation Multiphysics 2012 a pro analýzu vstřikovacího procesu a GIT byl použit Autodesk Moldflow Insight 2012.
Petr Halaška

Tab. 1. Mechanické vlastnosti použitých polymerů

Tab. 2. Plnění dutiny taveninou polymeru a plynem

Reklama
Vydání #1,2
Kód článku: 120144
Datum: 15. 02. 2012
Rubrika: Trendy / Plasty
Autor:
Firmy
Související články
Principy konstrukce plastových výlisků

Rychlý vývoj moderních 3D CAD systémů způsobil evoluční krok v návrhu produktů, jehož výsledkem jsou organičtější formy se vzrůstající složitostí. Cílem tohoto článku je zaměřit se na nové konstrukční principy a jejich dopad na obrábění a výrobní procesy.

Vnitřní napětí v plastovém výrobku

Vstřikované plastové výrobky mají různou úroveň vnitřního (zbytkového) napětí. Vnitřní napětí ovlivňuje kvalitu výrobku, především pak jeho pevnost, rozměrovou přesnost a u transparentních dílů vznik případných vzhledových vad.

Budoucnost v simulacích vstřikování plastových dílů

Přesnost predikce budoucí kvality plastových dílů a forem pomocí simulačního softwaru pro vstřikování se stále zvyšuje. Je to dáno zejména využitím stále dokonalejších výpočetních technik a modelů. Zároveň roste šíře nabízených modulů pro různé technologie vstřikování.

Související články
Optimalizace ziskovosti plastového výlisku

Expertní systém CalcMaster 7.2 pracující na principu odražené vlny vnáší nové možnosti do procesu nabídky a poptávky pro formy na plasty a lehké kovy.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Modelování kompozitních materiálů a struktur

I když v současnosti zaznamenáváme výrazný nárůst aplikací kompozitních materiálů v automobilovém průmyslu, simulace kompozitních struktur stále představují velkou výzvu. Simulační software Digimat nabízí unikátní přístup v této oblasti simulací a umožňuje dosáhnout dosud nebývalé přesnosti predikcí.

Investice do softwaru pro formařinu se vrátila do měsíce

Společnost Formaplex Limited se sídlem ve Velké Británii se zabývá převážně vývojem a výrobou hliníkových a ocelových vstřikovacích forem pro firmy z oblasti automobilového a leteckého průmyslu. Její investice do softwaru VISI Flow se vrátila už po prvním měsíci používání.

Zavedení nového softwaru zefektivnilo konstrukci forem

Společnost Dramco Tool & Die Co. z Grand Islandu se specializuje na výrobu komplexních vstřikovacích forem pro automobilový a spotřební průmysl. S ohledem na potřebu upgradovat a změnit systém konstrukce a výroby forem za účelem zvýšení efektivity začala hledat systém, který by umožňoval rychlou konstrukci forem, automatizaci některých procesů a umožňoval práci jak s objemovými tělesy, tak s volnými plochami.

První plnobarevná stolní 3D tiskárna

Společnost Mcor představila jako první na světě plnobarevnou stolní 3D tiskárnu Mcor ARKe a klade si za cíl dostat tuto 3D tiskárnu do každé kanceláře či učebny.

Plasty a robot – jde to dohromady?

Žijeme v době, kdy nás plasty provázejí na každém kroku. Možná si ani neuvědomujeme, kde všude nám pomáhají, kde nás ovlivňují. Od tužky či propisky přes klávesnici, u které sedíme skoro každý den, po stravování a umělohmotné vařečky, které nahradily ty dřevěné, jež používaly naše babičky. Snažíme se usnadnit si život. Těžké díly ze železa vyměnit za lehčí, plastové. Stejně tak i tvůrci softwaru se snaží zjednodušit výrobu.

Příprava pracovníků pro výrobu technologií vstřikování plastů

Následující příspěvek představuje jeden ze způsobů přípravy pracovníků ve firmách, jejichž hlavní pracovní náplní je technologie vstřikování plastů

Efektivní vývoj plastových dílů a vstřikovacích forem

V mnoha odvětvích – včetně automobilového průmyslu, zdravotnických technologií nebo spotřebního zboží – představuje proces vstřikování do forem nejpoužívanější a ekonomicky nejvýhodnější metodu výroby plastových dílů. Zásadní je zde povědomí, jak návrh jednotlivých dílů ovlivní jejich vyrobitelnost, a naopak – a to ještě před zahájením výroby. Řešení nabízí konstrukční simulace.

Problematika vstřikování plastových dílů pro automobily

Příspěvek popisuje podmínky pro výrobu vstřikovaných plastových dílů pro automobily včetně vznikajících problémů a navazuje na článek Snížení rizika vzniku vad při vstřikování plastových dílů, který byl uveřejněn v příloze Plasty časopisu MM Průmyslové spektrum č. 3/2014 (viz též www.mmspektrum.com/140312). Autor vychází z dlouholeté zkušenosti ve firmě Plast Form Service I. M., která se výrobou těchto dílů zabývá již od roku 1998.

Nový materiál ASA pro 3D tisk v osmi různých barvách

Společnost MCAE Systems, oficiální distributor firmy Stratasys, rozšířila nabídku materiálů pro 3D tisk o nové digitální materiály a také o termoplast ASA dostupný v osmi barvách. ASA nyní nabízí nejširší barevnou škálu ze všech materiálů pro technologii FDM.

Efektivní vývoj plastových dílů

Vstřikování plastů je v řadě odvětví převládajícím a cenově nejvýhodnějším způsobem výroby různých dílů a výrobků. Největší výzvou přitom je znalost toho, jak se konstrukce daného dílu projeví na jeho vyrobitelnosti, a naopak, a to již před samotným zahájením výrobního procesu. Důležitou roli tu proto mohou sehrát simulační technologie.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit