Vady výstřiků – 1. díl: Příčiny vzniku vad a studené spoje

Pod pojmem „vada výstřiku" se rozumí defekt, kterým se liší vzhled, rozměry, tvar a vlastnosti od předem stanoveného normálu (standardu), specifikovaného výkresem, referenčním vzorkem nebo schválenými přejímacími podmínkami. Zdroje vad mohou být ve zpracovávaném plastu, v konstrukci výrobku (plastového dílu), vstřikovacím stroji, formě a též ve zvolených technologických podmínkách. Vady výstřiků dělíme na vady zjevné a vady skryté.

Vady zjevné

Vady zjevné jsou takové vady, které lze zjistit při vizuálním porovnání s předepsaným a schváleným referenčním vzorkem. Dělí se na dvě hlavní skupiny: vady tvaru a vady povrchu.

Mezi vady tvaru patří například propadliny, nedostříknuté výrobky, přetoky a otřepy, vrásnění nebo zvlnění, vrstvení a delaminace, stopy po vyhazovačích, deformace dílu vlivem nevhodných parametrů vstřikování či nesprávné konstrukce formy (např. malé úkosy, poddimenzovaný vyhazovací systém, nevhodná vtoková soustava, vadný temperační systém, nedokonalé odvzdušnění), rozměrové vady a další.

K vadám povrchu náleží nerovnoměrný lesk, stříbření, opalescence, matná místa, povrch gramofonové desky, povrch pomerančové kůry, stopy po studeném spoji, špatně vykopírovaný dezén, mikrotrhlinky, tokové čáry, nedokonalé vybarvení či změna barvy, žloutnutí u přírodních plastů, stopy po jiném či zdegradovaném materiálu (černé tečky, šmouhy, spálená místa), stopy po vlhkosti, uzavřeném vzduchu v tavenině a další.

Vady skryté

Vady skryté jsou vady, které nelze postihnout běžnou vizuální kontrolou, ovlivňují však většinou negativně vlastnosti výstřiku, a proto jsou z aplikačního hlediska nebezpečné. U termoplastů je nutno počítat se skrytými vadami v důsledku:

• nerovnoměrné orientace makromolekul nebo vláken (u  vyztužených typů);
• vnitřního pnutí (např. tepelného, z nerovnoměrné orientace, z nerovnoměrné krystalizace či z přeplnění formy);
• nerovnoměrné krystalizace semikrystalických plastů (rozdílný obsah krystalinity, různá velikost a rozložení sferolitů, skin-core efekt);
• degradačních procesů vedoucích ke snížení pevnosti a  houževnatosti;
• vnitřních defektů (u netransparentních či barevných typů), jako jsou lunkry (vakuoly), uzavřený vzduch, plynné složky z degradačních procesů aj.

Identifikace a odstraňování vad

V současné době existují různé návody a pokyny pro zjišťování příčin vzniku vad a jejich odstraňování. Tyto informace můžeme získat ve firemní literatuře výrobců polymerních materiálů (např. od firem Bayer, DuPont, Ticona, GEP a dalších) nebo výrobců vstřikovacích strojů (např. Arburg, Engel, Kraus Maffei, Battenfeld aj.). Byly též vypracovány algoritmy logických postupů odstraňování vad včetně obrázkové dokumentace. Mezi nejznámější patří projekt odstraňování vad vypracovaný na pracovišti Kunststoff-Institut für die mittelstandische Wirtschaft NRW, GmbH Lüdenscheid a program pro diagnózu a odstraňování vad výstřiků DiagBes, vypracovaný na pracovišti Kunststoff-Zentrum in Leipzig. Z hlediska logických postupů a krokové diagnostiky založené na velmi dobrých znalostech procesu vstřikování nelze uvedeným programům nic vytknout. Jsou to však především programy výukové. Jejich praktické využití (při sériové výrobě na vstřikovacím stroji) je poněkud problematické, neboť algoritmy zahrnují značný počet kroků, které jsou při postupné realizaci ve výrobním procesu zdlouhavé a nákladné.

Pro praktické využití identifikace a odstraňování vad na výstřicích jsou velmi důležité odborné znalosti a zkušenosti seřizovačů a technologů, především znalosti o zpracovávaném plastu, vstřikovacím stroji, konstrukci formy, používaných periferiích a vlivu technologických parametrů na kvalitu výstřiků. Neméně důležité pro rychlý průběh určení a následného odstranění vady jsou i kombinační schopnosti technologa při řešení vzniklého problému. Počet běžných vad, s nimiž je nutno v procesu vstřikování počítat, je asi 40.

Příčiny vzniku vad

Nejjednodušší a nejméně nákladný způsob odstranění vady je změnou jednoho nebo více technologických parametrů. V případě, že závadu nelze takto odstranit, je nutno identifikovat příčinu (v konstrukci výstřiku, ve vstřikovací formě, ve vstřikovacím stroji nebo ve zpracovávaném plastu) a provést nápravu. Lze konstatovat, že každý druh plastu je více či méně odlišně náchylný ke tvorbě vad. Proto zobecnit pravidla pro některé vady související se strukturou zpracovávaného polymeru je velmi obtížné. V dalším uvedeme nejčastější příčiny vzniku vad.

Konstrukce vstřikovaného dílu

Konstrukce (tvar) vstřikovaného dílu musí odpovídat vlastnostem a chování zpracovávaného polymeru. Při návrhu plastového výrobku je nutno se vyvarovat velkých změn tlouštěk stěny, lokálnímu nahromadění materiálu a velkých rovných ploch. Tolerance rozměrů musí odpovídat vstřikovanému plastu, je nutné volit správnou geometrii otvorů a výřezů, dostatečné úkosy s ohledem na leštěný či strukturovaný povrch, dostatečné rádiusy při konstrukci rohů a hran (rovněž při napojení žeber na základnu), vyloučit či minimalizovat podkosové úhly a tvary.

Zásady, jak se vyvarovat vadám při návrhu plastového výrobku:

1. Volit co možná nejmenší tloušťku stěny.

2. Při změně tloušťky stěny nevolit velké skoky nebo vytvořit přechod.

3. Navrhnout konstrukci žeber vhodnou pro plasty.

4. Vyvarovat se rovných povrchů.

5. Volit design vhodný pro plasty (rozdíly vůči kovu).

6. Pamatovat na umístění vtoku během návrhu.

7. Zohlednit omezení plynoucí z technologie při návrhu dílu.

8. Vyloučit podkosové úhly.

9. Vyhnout se akumulaci materiálu.

10. Rohy a hrany opatřit rádiusy.

11. Počítat s dostatečnými úkosovými úhly.

12. Geometrie otvorů a výřezů musí respektovat vlastnosti plastu.

13. Tvarování pouzder pro šrouby musí respektovat vlastnosti jednotlivých druhů plastů.

14. Tolerance nevolit menší, než je nutné.

Konstrukce formy

Nesprávná konstrukce formy je příčinou velkého počtu vad, které bohužel ve většině případů nelze odstranit například změnou technologických parametrů. Jako příklady lze uvést nedostatečnou tuhost formy, což může být způsobeno konstrukční chybou, poddimenzováním částí formy, chybným výběrem materiálu formy nebo tepelného zpracování, a nesprávně zvolený tvar a umístění vtokové soustavy, zejména vtokového ústí. Zde je nutno obvykle volit kompromis mezi reologickými požadavky na taveninu polymeru (nízké smykové namáhání a minimální nárůst teploty po průchodu vtokem, nízké tlakové ztráty před a za ústím vtoku) a výrobními požadavky (zkrácení doby výrobního cyklu, automatické oddělování vtoku, nepřerušený chod stroje, možnost korekce rozměrů působením dotlakové fáze apod.). Dalším zdrojem vad bývá nedostatečné odvzdušnění tvarové dutiny formy, poddimenzovaný a nesprávně zvolený vyhazovací systém a nevhodný či poddimenzovaný temperační systém, jenž může vyvolat strukturní anomálie, vnitřní pnutí a anizotropii rozměrů i vlastností.

Vstřikovací stroj

Za předpokladu kvalitní konstrukce vstřikovací a uzavírací jednotky a bezvadné funkce řídicího systému bývá nejčastějším zdrojem vad opotřebení funkčních částí vstřikovací jednotky (uzávěr šneku nedokonale těsní, na přední části, zejména u trysky, jsou mrtvé kouty, v nichž dochází k degradaci polymeru, dosed trysky není dokonalý - tryska podtéká a výstřik nelze snadno vyhodit z formy). Příklady takové vady jsou na obr. 1 a obr. 2. V případě, že je poruchové topení jednotlivých pásem vstřikovací jednotky, nastává teplotní a viskozitní nehomogenita v dávce taveniny, což také vede k vadám výstřiku.

Vstřikovaný polymer

Vstřikovaný polymer (zejména jeho reologické chování) může být zdrojem především vzhledových vad, v ojedinělých případech však může ovlivnit též mechanické vlastnosti výstřiku. Zdroje vad mohou být ve špatné tepelné stabilitě polymeru (často vyvolané různými aditivy, např. retardéry hoření), velkém rozptylu tokových vlastností v dávce taveniny, zvýšeném obsahu těkavých látek či monomeru. Vliv na výskyt vad může mít i nevhodný tvar granulí nebo drtě nebo přidávaných aditiv (např. barevných koncentrátů).

Technologické parametry

Nesprávně nastavené technologické parametry mohou vyvolat prakticky většinu známých vad (vady povrchu, tvaru i skryté vady). Výhodou u takto způsobených vad je, že je lze odstranit změnou jednoho či více parametrů. Pokud je to možné, volíme přednostně změnu parametrů s okamžitou reakcí na následný vstřikovací cyklus (tlaky, rychlosti, časy, bod přepnutí, otáčky šneku), a pokud tyto změny nevedou k odstranění vady, měníme též teploty (teploty jednotlivých pásem, resp. teplotu taveniny a teplotu formy). Změna teploty však vyžaduje více vstřikovacích cyklů k ustálení procesu. Některé zásady vlivu technologických parametrů lze zobecnit, některé jsou specifické pro konkrétní vstřikovaný materiál. Informace o vlivu technologických parametrů k jednotlivým vadám budou uvedeny v další části tohoto seriálu o vadách.

Studené spoje

V následující části uvedeme jako příklad analýzu jedné z nejzávažnějších vad výstřiků, nazvané studené spoje a dvou vad s tímto problémem souvisejících, což jsou stopy po volném proudu taveniny a dieselefekt.

Studené spoje (obr. 3) patří mezi vady, které způsobují pevnostní zeslabení výstřiku a zároveň se projevují i jako vzhledové vady povrchu. Vznikají vždy, když se hlavní proud taveniny vyplňující tvarovou dutinu formy rozdělí tvarovými prvky (např. jádry) na dva nebo více toků a znovu se spojí buď čelně (primární studený spoj) nebo bočně či tangenciálně (sekundární studený spoj). Čelní spoj je z pevnostního i vzhledového hlediska vždy nebezpečnější. Studený spoj může vyvolat negativní projev na výstřiku nejen z pevnostního hlediska, ale též z hlediska vzhledového.

U mechanicky namáhaných plastových dílů je pevnostní hledisko určující. Proto je též důležitý prvotní výběr termoplastu pro konkrétní aplikaci. Zatímco amorfní polymery vykazují značné pevnostní zeslabení v místě studeného spoje, který může přecházet až v podobu vrubu (obr. 4), semikrystalické plasty jsou na tom z pevnostního hlediska studeného spoje podstatně výhodněji. Sferolitická struktura totiž většinou prorůstá studeným spojem a pevnostní zeslabení pozitivně ovlivňuje. Velmi záleží na způsobu namáhání plastového výrobku. Při tahovém namáhání nehrozí tak značné nebezpečí poruchy (lomu) jako při namáhání v ohybu nebo dokonce v rázu, kdy u amorfních polymerů (zejména styrenových) dosahuje pokles houževnatosti (Charpy) v místě čelního studeného spoje až 50 % i více. U semikrystalických polymerů se pokles houževnatosti pohybuje pod 20 %. Pevnost v místě studeného spoje ovlivňuje též tloušťka stěny: čím je tloušťka menší, tím je pevnostní pokles výraznější.

Eliminace vzniku studených spojů

Pro tvorbu studeného spoje je důležitá konstrukce vtokové soustavy a umístění vtokového ústí. Průběh plnicí fáze, v níž se studený spoj tvoří, lze snadno určit pomocí známých simulačních programů a tak předem zjistit i místo předpokládaného vzniku studeného spoje. V případě, že se nalézá v pevnostně namáhaném místě výstřiku, lze provést změnu posunutím vtokového ústí či profilu vtokové soustavy. U zvlášť exponovaných rozměrných výstřiků, jako jsou například nárazníky automobilů, lze využít tzv. kaskádového vstřikování (obr. 5), které vznik studených spojů prakticky eliminuje.

Na pevnost studeného spoje negativně působí i některá aditiva (například anorganické pigmenty, plniva, retardéry hoření aj.). Velmi nežádoucí je používání separátorů na povrch tvarové dutiny formy, zejména na bázi silikonových olejů.

Vzhledem k tomu, že studený spoj je ve skutečnosti nedokonalý „svar", je vliv technologických parametrů na jeho pevnost snadno odvoditelný. Na pevnost studeného spoje pozitivně působí vyšší teplota taveniny a formy, méně již dotlaková fáze. Vstřikovací rychlost (plnící fáze) je doporučováno optimalizovat a přitom pokud možno využít též profilaci vstřikovací rychlosti. Při příliš pomalém plnění (vstřiku) se čelo taveniny ochlazuje a spoj je nedokonalý. Při příliš vysoké vstřikovací rychlosti však může docházet k uzavírání vzduchu, jeho kompresi a lokálnímu přehřátí, které může způsobit termické narušení vstřikovaného polymeru (dieselefekt). To ovšem vede ke značnému pevnostnímu zeslabení v místě studeného spoje.

V poslední době se v ojedinělých případech aplikuje lokální ohřev místa vzniku studeného spoje zabudováním topných těles s mžikovým ohřevem do formy, kovových vložek s temperačními kanály a samostatným temperačním okruhem (vložky se s výhodou vyrábějí laserovým spékáním kovových prášků). Pro lokální ohřev lze též využít ultrazvukové sonotrody, která se instaluje do formy v místě studeného spoje a umožňuje zvýšit teplotu taveniny. Komerčně se využívá též systém Promold, jehož exkluzivitu a prodejní práva pro ČR získala firma Formy Tachov. Také tento systém vychází z lokálního ohřevu formy v místě studeného spoje.

Vzhledové vady v místě studeného spoje

Pro vzhledové vady v místě studeného spoje (obr. 6) a jejich minimalizaci platí podobná pravidla jako pro pevnostní problémy. Nežádoucí stopy v místě studeného spoje navíc zvýrazňují některá aditiva či plniva (skleněná vlákna, kovové prášky, retardéry hoření, anorganické pigmenty apod.), viz obr. 7. Zvýraznění studeného spoje může nastat též v důsledku vysoké vstřikovací rychlosti a nedokonalého odvzdušnění (dieselefekt), nebo naopak při příliš pomalé vstřikovací rychlosti vytvořením minivrubu (u amorfních polymerů, např. PS, PMMA), viz obr. 8.

Stopy po volném proudu taveniny

Stopy po volném proudu taveniny (obr. 9) vznikají při nevhodné konstrukci a umístění vtoku, a to zejména u amorfních termoplastů (např. ABS). Opět se setkáváme s kombinací vady vzhledové spojené s menším pevnostním zeslabením výstřiku v důsledku sekundárního studeného spoje. Tato vada je spojena s umístěním vtoku obvykle do čelní plochy výstřiku (obr. 10). Proud taveniny (zejména při pomalé rychlosti vstřikování) volně postupuje středem tvarové dutiny a zastaví se u protilehlé stěny nebo při dosažení nějaké překážky. Potom teprve následuje zaplnění celé tvarové dutiny. Prvotní proud taveniny se na povrchu ochladí, a tím vznikne viditelná stopa po volném proudu jako vzhledový defekt. Jedná se tedy o sekundární studený spoj se všemi důsledky.

Technologicky se tato vada dá odstranit velmi obtížně (zvýšením či profilací plnicí fáze, pozitivně působí i zvýšení teploty taveniny a formy). Většinou je však nutné přemístit ústí vtoku tak, aby tavenina po vstupu do tvarové dutiny formy narazila na stěnu a pokračovalo klasické zaplnění celé tvarové dutiny. V případě, že vtokové ústí nelze z konstrukčních důvodů přemístit, je nutno vytvořit proti ústí umělou překážku (např. zakomponováním jádra či kolíku), na kterou tavenina narazí a volný proud se tak rozruší.

Dieselefekt

Na problematiku studených spojů navazuje další vada výstřiků s všeobecně užívaným názvem dieselefekt (obr. 11). Tato vada vzniká při nedostatečném odvzdušnění a vyšší vstřikovací rychlosti. Vzduch, který se nepodařilo při plnění formy odstranit, se komprimuje, čímž nastává ohřev způsobující lokální degradaci materiálu; v krajním případě dochází i k jeho spálení. Na výstřiku v místě lokální komprese vzduchu vznikají nedoplněná místa a tmavé až černé stopy po spáleném materiálu. U tlustostěnných výstřiků může docházet k rozptýlení vzduchu v tavenině a tvorbě drobných bublin. Tato vada se někdy nesprávně zaměňuje s tvorbou vakuol, které vznikají též v oblasti velké tloušťky stěny, avšak v důsledku objemového smrštění (vakuoly jsou obvykle větší). V místě uzavírání vzduchu je nutno realizovat odvzdušňovací kanály, jejichž tloušťka závisí na typu zpracovávaného polymeru a technologických podmínkách vstřikování (tlaky, rychlosti, teploty). Hloubka plochých odvzdušňovacích kanálů by neměla být větší než 0,02 mm (délka min. 20 mm). U větší hloubky je nebezpečí vzniku nežádoucích otřepů či přetoků na výstřiku.

Problémy s odvzdušněním se vyskytují především u nových forem, které mají dobře slícované dělicí roviny, tvarové prvky, čelisti a vyhazovače, u forem pro vstřikování plastů vyžadujících vysokou teplotu formy (150 až 250 °C), jako jsou PEI, PSU, PPS, PEEK, LCP, fluoroplasty a další. Účinnost odvzdušnění závisí na velmi dobré údržbě formy (důležitá je čistota odvzdušňovacích spár a vůlí u pohyblivých částí formy).

Následující díly seriálu o vadách výstřiků budou zaměřeny na vady povrchu a tvaru, zvláštní pozornost bude věnována skrytým vadám, jejich příčinám a vlivu na vlastnosti plastových výrobků.

Ing. Emil Neuhäusl

emil.neuhausl@pfservice.cz