Principy konstrukce plastových výlisků

Mezi klíčové konstrukční principy, které musí konstruktér zvážit, patří tloušťka výlisku, úkosy, tvar a tloušťka žeber, zaoblení a další. Přestože konstruktér nezná v době návrhu přesný dopad na výrobu, musí tyto parametry definovat před zajetím nástroje do materiálu, dokud jsou náklady na změny minimální.

Po celou dobu konstrukce se konstruktéři musí snažit udržet stejnoměrnou tloušťku stěn na celém modelu. Jakákoliv větší nerovnoměrnost může způsobit problémy typu vnitřních vzduchových kapes, propady povrchu, nepředvídatelná smrštění a v neposlední řadě prodloužení celého cyklu. Je-li změna tloušťky nezbytná, měla by být plynulá, aby umožňovala hladký průtok materiálu bez vytváření míst s vnitřním pnutím, která mohou způsobit rozpad dílu, a to buď během testování, což si vynutí nový návrh dílu, nebo pak přímo při vstřikování plastu, což vyvolá další náklady na úpravu formy.

Při návrhu žeber je důležité pamatovat na to, že jsou součástí konstrukce jen kvůli zvýšení pevnosti a nemělo by docházet ke kompromisům z důvodu estetiky výlisku. Konstruktéři obvykle při jejich návrhu postupují podle standardních metod. Je-li to možné, nemělo by docházet ke kombinaci tlustých a tenkých žeber. Zde jsou některé z nejobvyklejších konstrukčních zásad:
• tloušťka žeber by měla být mezi 60 a 80 % tloušťky stěny;
• maximální výška žebra by neměla být větší než trojnásobek tloušťky stěny. Pro zvýšení pevnosti je lepší zvýšit počet žeber nežli zvětšovat jejich výšku;
• minimální vzdálenost mezi žebry by měla být dvojnásobkem nominální tloušťky stěny;
• poloměr zaoblení hran žeber by neměl být větší než 50 % tloušťky žebra;
• extrémně tlustá žebra by měla být odstraněna;
• jako nejvhodnější se jeví křížení žeber (pokud to design dovoluje), protože poskytuje větší stabilitu a umožňuje rovnoměrné rozložení napětí.

Velké množství plastových výlisků má problémy v důsledku ostrých rohů a nedostatečných poloměrů zaoblení. Ostré rohy vytvářejí místní vnitřní pnutí, důsledkem čehož může být popraskání a předčasný rozpad plastového dílu. Přidání zaoblení na všechny ostré rohy nejenže sníží vnitřní pnutí, ale také zlepší tečení materiálu. Obecně se dodržuje pravidlo, že na vnitřní stranu ostrého rohu se aplikuje minimální zaoblení s poloměrem rovným 0,5násobku tloušťky stěny a na vnější stranu ostrého rohu 1,5násobku tloušťky stěny výlisku, případně větší rádius, pokud to konstrukce dílu dovoluje.

Úchyty jsou jednou ze základních komponent při návrhu plastového dílu. Slouží jako spojovací element při tvorbě sestavy, ale kromě toho také zvyšují pevnost dílu. Podobně jako u žeber, tak i u konstrukce úchytů je třeba zvažovat tloušťku jejich stěn. Následující pravidla pomáhají vyhnout se povrchovým nedokonalostem, jako jsou vnitřní kapsy, známky poklesu povrchu a nepředvídatelná smrštění:

• tloušťka úchytu by měla být 60 % nominální tloušťky stěny. Je-li tloušťka stěny dílu větší než 4 mm, tloušťka úchytu by neměla přesáhnout 40 % této nominální tloušťky;
• výška úchytu by neměla být větší než je 2,5násobek průměru díry úchytu;
• úchyty v rozích, včleněné do stěn, způsobí zhutnění materiálu;
• vysoké můstky úchytů pomáhají tečení materiálu a odvzdušnění a snižují pravděpodobnost vzniku vzduchových kapes.
•
Základna by měla být u žeber nebo úchytů zaoblena pro lepší rozložení namáhání. Pokud by tomu tak nebylo, zatížení by nebylo rozloženo rovnoměrně a jeho špičky by vedly k rozlomení a rozpadu dílu. Na druhou stranu, pokud by zaoblení bylo příliš velké, docházelo by k přílišnému zhutnění materiálu, a to by vedlo ke vzduchovým kapsám nebo propadům povrchu během formování. Tytéž principy platí v místech, kde se žebro nebo úchyt dotýká hrany dílu.

Naštěstí CAD systémy přicházejí s analytickými nástroji, které umějí spočítat a zobrazit tloušťku modelu a potenciální problémové oblasti. Obvykle jsou k dispozici dvě metody – první je založena na velikosti koule, kterou je možné odvalovat modelem, aniž by došlo k protnutí s jakoukoliv další stěnou. Druhá je tradičně založena na paprsku, který prochází modelem podél normály povrchu, dokud nedojde k dotyku s další stěnou.

Potřeba úkosování je všeobecně známa, ale ve fázi konstrukce často opomíjena. Vypadá to jako jednoduchý problém, ale pokud není úkos aplikován ve správnou chvíli modelování dílu nebo jsou-li dodatečně vytvářena komplikovaná zaoblení, může být přidání úkosu složitým úkolem.

Úkosový úhel je důležitým technologickým parametrem, který umožňuje bez problémů vytáhnout výlisek z dutiny formy. Vysoký tlak vstřikovaného materiálu a jeho následné smrštění často způsobují obtíže při vyjímání dílu z formy. Je sice možné zaformovat díl s nulovým úkosem (nebo dokonce se záporným úkosem) za využití čelistí, vyhazovačů nebo dvoustupňového vyhazování, ale všechny tyto postupy výrazně zvyšují složitost a cenu formy.

Ačkoliv neexistuje přesné pravidlo, jaký úkos by měl odpovídat jakému modelu, existuje mnoho faktorů, které ovlivňují jeho optimální hodnotu. Obecně platí, že tenkostěnné díly s vysokým tlakem vstřikování potřebují větší úkos. Materiál je v tomto případě do dutiny více vtlačen. Proto díly, které nejsou vstřikovány pod vysokým tlakem, mohou mít menší úkos.

V případě hladkých povrchů je doporučen jako minimální úkosový úhel 0,5° na každé stěně. Úkosový úhel 1° umožňuje lehké vyhození výlisku pro většinu povrchů. Přístup ke strukturovaným povrchům je odlišný, neboť nestejnoměrný povrch může při nedostatečném úkosu táhnout a drhnout. Doporučovaným pravidlem je přidat ke standardnímu úkosu nejméně 1,5° na 0,025 mm hloubky nerovnosti povrchu.

I v případě, že ve fázi konstrukce není přesně znám materiál výlisku, je třeba zvažovat úkosový úhel. Například polymery s plnivem (obvykle skleněným) mají menší hodnoty smrštění, a proto není snadné je z dutiny vyjmout. Je proto nutné aplikovat větší úkosové hodnoty.

Ve výlisku je snadné vyrobit díry a typicky se k tomu používají čelisťové kolíky. Ovšem slepé díry s nulovým úkosem často způsobují na vrcholu kolíku při vyhazování efekt podtlaku (náchylnější jsou k tomu díly s lesklým povrchem). V tomto případě malý úkosový úhel vyhazování velmi pomůže. Konečně, čím snadněji je možné vyjmout výlisek z formy, tím je třeba méně vyhazovačů.

Umístění vtoků zásadně určuje chování tekoucího materiálu, studené spoje, smrštění, zvlnění a kvalitu povrchu lisovaného dílu. Většinou se dává přednost umístění vtoku do nejtlustší části dílu, aby nedocházelo k propadům povrchu v důsledku nedostatečného stlačení materiálu. Studené spoje jsou takové, kde se potkávají dva toky materiálu a tvoří relativně slabý, potenciálně studený spoj. Tyto oblasti jsou nejnáchylnější k praskání pod zatížením. Složité formy vždy obsahují oblasti těchto spojů, a pokud jejich množství není možné minimalizovat, měly by být přemístěny do méně kritických oblastí dílu. Toho se obvykle dosahuje buď manipulací s umístěním vtoku, nebo změnou tloušťky stěn dílu.

Zabývali jsme se šesti principy konstrukce plastových výlisků. Ačkoliv žádný z nich nelze obecně aplikovat na každou konstrukci, mohou být solidními pomocníky v konstrukční práci. Ve strojírenském designu je třeba pamatovat na to, že každý projekt je neustálým kompromisem mezi designem a vyrobitelností.

Alžběta Plachá Králová

visi
alzbeta@visi.cz
www.visi.cz