Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Výroba forem pro vstřikování plastů
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Výroba forem pro vstřikování plastů

Situace na dynamicky se měnícím trhu si vyžaduje stále rychlejší vývoj a konstrukci vstřikovaných výrobků a nástrojů nezbytných pro jejich výrobu. Vstřikovací forma je nástroj z výrobního hlediska velmi náročný a hlavně nákladný. Jakékoliv zásahy do tvaru výstřiku nebo do konstrukce formy po zkušebním provozu jsou velmi draze zaplaceny nejen ve výrobních nákladech na úpravu formy, ale také v časové ztrátě při zavádění produktu na trh.

V České republice existuje řada firem zabývajících se vstřikováním plastů a současně vyrábějících formy pro tuto technologii. Nástrojárna firmy Agrostroj Pelhřimov, a. s. je však specifická tím, že veškeré formy zde vyrobené jsou zhotoveny pro externí zákazníky, neboť mateřská a. s. se nezabývá vstřikováním plastů.
Tradice výroby forem zde je datována již od šedesátých let minulého století, kdy vznikl ve firmě požadavek vyrábět vstřikovací formy pro v té době se dynamicky rozvíjející obor dojicí techniky.
Tak vznikla řada zajímavých a technicky náročných forem pro tvarově složité výlisky, vyráběné tehdy ještě konvenčními technologickými postupy bez CNC strojů a CAD/CAM podpory. Firma tento obor podnikání opustila v devadesátých letech, a tak se otevřel prostor pro zakázkovou výrobu nástrojárny v oboru vstřikovacích forem na plasty.
Velmi důležitou podmínkou pro udržení se na náročných trzích se vstřikovacími formami je komplexnost poskytovaných služeb, které současně musejí být flexibilní a na vysoké kvalitativní úrovni. Dnes je již samozřejmostí odpovídající výrobní a měřicí zařízení, které musí podporovat technickou úroveň konstruktérů a jejich řešení.
V našem článku se zaměříme na vstřikovací formu pro výlisek "rámeček síťky", který je součástí odkládací síťky u pátých dveří automobilu VW.

Stanovení základních požadavků na formu

Výlisek o délce cca 1000 mm a šíři 290 mm z materiálu PP, plněný 20 procenty talku, měl být zakomponován do formy ve dvou otiscích. Tvarové části výlisku jsme navrhli řešit do vložek z materiálu 1.2343, zakalené na 48+2 HRC. Tvar výlisku je stanoven CAD modelem a údajem o smrštění materiálu. V části odpovídající tvárnici formy je předepsán dezén K77.
Jako výrobní stroj si zákazník předepsal vstřikovací lis Batenfeld BA 4500/1900, kterým bylo dáno rozměrové omezení formy. Zákazník si nechal vypracovat pomocí MPI (Moldflow Plastic Inside) analýzu vstřikovacího procesu rámečku síťky, o které se blíže zmíníme dále v textu.
Výlisek bude z formy snímán z vyhazovačů pomocí manipulátoru včetně krátkých vtokových zbytků. Na formě mělo být dále pamatováno na senzor tlaku (zhruba uprostřed délky výlisku) a dva senzory pro měření teploty (jeden v kraji a druhý uprostřed délky výlisku).

Technologická analýza

Při návrhu výstřiku a formy pomocí CAD lze provést technologickou analýzu a simulaci vstřikovacího procesu a také odladit a optimalizovat vstřikovací proces s akcentem na kvalitu a rychlost vstřikovacího cyklu. Na základě výsledků těchto analýz a simulací lze na modelu výstřiku a formy provést patřičné úpravy a opatření už ve fázi přípravy výroby a vyhodnotit jejich dopad na technologii, aniž by byla forma fyzicky vyrobena.

Moldflow Plastic Inside

Mezi přední software, kterým lze provádět analýzy a simulace vstřikování plastových dílů, patří i MPI (Moldflow Plastic Inside). Umožňuje analyzovat a optimalizovat vstřikovací proces na všech úrovních vstřikovacího cyklu a na reálném vstřikovacím stroji - tzn. plnění dutiny formy, přepnutí řízení vstřikovací rychlosti na řízení tlaku, řízení tlaku v dutině a chlazení, dále pak deformace výstřiku po vyhození z dutiny formy. Nabízí databázi více než 7000 druhů polymerních materiálů, která zahrnuje technologická data, mechanická a fyzikální data, reologické vlastnosti a PVT data. Kromě analýzy základního vstřikovacího procesu umožňuje také analýzu vstřikování s asistencí plynu, vstřikování termosetů a elastomerů, vstřikování tenkostěnných dílů s dotlakem formy, co-injection a zastříknutí elektronických prvků termosetem. Všechny výše uvedené analýzy jsou řešeny metodou konečných prvků, pomocí plošných nebo objemových prvků.

Analýza vstřikovacího procesu rámečku síťky

Zadáním analýzy vstřikovacího procesu rámečku síťky bylo stanovení počtu ústí vtoku pro dvojnásobnou vstřikovací formu. Konstruktér zadavatele formy předpokládal použití systému horkého rozvodu taveniny polymeru s řízeným otevíráním vtokového ústí pomocí jehlového ventilu, tzv. kaskádové plnění dutiny. Dále měl být analyzován bod otevření a uzavření vtokových ústí v průběhu plnění obou dutin tak, aby nedocházelo ke vzniku studených spojů, tj. vzhledových a mechanických vad na výstřiku. V závislosti na plnění dutiny měla Moldflow analýza ukázat obraz deformací po vyhození rámečku síťky z dutiny formy.
Při vstřikování jakéhokoliv polymeru přídavek minerálního plniva (v našem případě 20 % mastku) zvyšuje smykovou viskozitu polymerní taveniny, tudíž materiál má horší tokové vlastnosti. Hrozí zde zamrznutí toku při plnění dutiny a výsledkem je nezaplněná dutina formy a zmetkový výrobek. Dodavatel systému horkých vtoků doporučil na základě zkušeností rozmístění vtokových ústí na každých 200 mm délky rámečku. Mělo být tedy použito celkem 14 horkých ústí vtoku s regulovaným výstupem taveniny. Model rámečku síťky byl vytvořen v Catii V4.
Po importu modelu rámečku síťky do prostředí MPI byla vytvořena síť konečných prvků. Z databáze materiálů byl vybrán zadaný typ polypropylenu se všemi popsanými vlastnostmi. Dále byla vytvořena geometrie vtokového systému, zadány její okrajové podmínky, tj. průřez a typ kanálů, ústí vtoku, vtokové vložky a jejich teploty a materiálové vlastnosti. Na závěr byly popsány technologické podmínky - doba plnění dutiny, bod přepnutí na dotlak, regulace dotlaku a doba chlazení.
Po vyhodnocení technologické analýzy se ukázalo, že pro bezpečné naplnění obou dutin vstřikovací formy postačí pouze 10 regulovaných vtokových ústí. V tomto smyslu byla změněna geometrie vtokového systému. Body otevírání v průběhu plnění dutin byly zadány MPI tak, aby systém automaticky našel čas otevření vtokového ústí při plnění v tom momentě, kdy čelo taveniny doběhne do místa dalšího vtokového ústí. Tedy nejprve se otevírala ústí 1 a 2, dále pak 3, 4, 5, 6 a nakonec 7, 8, 9, 10, počítáno od vtokové vložky na obr. 1, vyznačené žlutou šipkou. Na obrázku je na barevném spektrogramu průběh času plnění dutin. Na detailu v rámečku je vidět poloha čela taveniny mezi otevřeným ústím 3 a 4 a uzavřeným ústím 7 a 8.
Časování regulace ventilů vtokových ústí bylo nastaveno takovým způsobem, aby se zabránilo vzniku studených spojů na pohledové části rámečku. Studené spoje by v tomto případě mohly vzniknout v čáře styku dvou proudů taveniny v případě, že by se ústí 3 až 10 otvírala příliš brzy.
Uzavření ventilů bylo nastaveno u všech ve stejném čase, po ukončení fáze dotlaku (viz obr. 2), protože pro plnění dutin byla použita kombinace horkého a studeného vtokového ústí. Nutnost použití této neobvyklé kombinace byla dána striktním požadavkem zákazníka na polohu stopy po vtoku mimo pohledovou oblast rámečku.
Na obr. 2 barevné spektrum na modelu výstřiku ukazuje tlak v dutině formy rámečku v bodě přepnutí na dotlak. Na barevné škále je každé barvě přiřazena tlaková hodnota v MPa. Průběh tlaku v dutině ukazuje správné nastavení otevření ventilů vtokových ústí. Na detailu obrázku je vidět graf závislosti tlaku v ústí vtoku na čase cyklu. Na třech tlakových špičkách v grafu je vidět otevření vtokových ústí v čase cyklu. Hodnoty času se při výrobě nastaví na vstřikovacím stroji.
Díky provedené technologické analýze se snížil předpokládaný počet vtokových ústí ze 14 na 10, což přineslo úsporu nákladů na pořízení vstřikovací formy o zhruba 320 000 Kč.
Byl též zjištěn obraz deformace rámečku síťky po vyhození z formy na konci vstřikovacího cyklu.

Vlastní technické řešení formy

Konstrukce formy je řešena podle výše uvedených požadavků zadavatele a byla prováděna v programu VISI CAD SOLID. Základní tvarová část výlisku je zaformovatelná tvárnicí a tvárníkem formy. Tvarový detail na obou koncích výlisku je nutno také zaformovat, a to pomocí mechanicky ovládaného šoupěte. Každý výlisek (otisk) obsahuje dále 20 příchytek pro drát síťky a 18 zácvaků pro díl "retajner", pomocí něhož je "rámeček síťky" uchycen na dveřích vozidla. Odformování zácvaků pro "retajner" je možné pouze použitím šikmých vyhazovačů a odformování příchytek pro drát dvoustupňově za pomoci tvarových vyhazovačů (nositel vlastního tvaru příchytek), které po určitém zdvihu zastaví a tvar musí být dále přetažen delším zdvihem kulatých vyhazovačů, které vykonávají ve formě dráhu delší až o 6 mm. Ve formě je tedy 36 šikmých vyhazovačů, 40 hranatých tvarových vyhazovačů, 88 kulatých vyhazovačů pro přetažení tvaru, 10 vyhazovačů pro uvolnění vtokového zbytku a dále 3 sady vratných kolíků po čtyřech kusech. Celkem 186 ks vyhazovačů. Situace je patrná z obr. 3.
Pro ukotvení šikmých vyhazovačů ve vyhazovacích deskách byly použity nakupované kluzné elementy Sankyo. Jejich šířka ve vztahu k malé šířce výlisku neumožňuje umístit hranaté vyhazovače na stejné vyhazovací desky. To byl hlavní důvod pro atypické uspořádání vyhazování a volbu čtyř párů vyhazovacích desek, přičemž l. a 3. pár (číslováno odzadu) je pevně spřažen a nárazník pro ně je ukotven ve druhém páru vyhazovacích desek. Pružiny mezi 2. a 3. párem desek nesmí dovolit jejich vzájemný pohyb před uvolněním výlisku z tvaru.

Kaskádově řízený systém vstřikování

Firma Mold Masters(r), jeden z prvních výrobců horkých vstřikovacích systémů na světě, byla zvolena pro osazení tohoto systému do uvedené vstřikovací formy. Použila pro kaskádové vstřikování obou dutin formy klasický, jehlou uzavíraný vstřikovací systém Dura Centi (velikostní řada pro vstřikované množství hmoty do 50 gramů na trysku) spojený s hydraulickým rozváděčem s 10 elektromagnetickými ventily. Elektromagnetické ventily jsou umístěny na konzolách na pevné polovině formy. Uvedený rozváděč na základě elektrického impulzu z řídicí jednotky přivádí pohonné médium do jednotlivých válců, umístěných nad vstřikovacími tryskami v pevné upínací desce. Tím se zajišťuje pohyb pístu válce, následně jehly v trysce, která otevírá a uzavírá trysku, čímž se reguluje tečení plastu do tvarové dutiny formy.
Propojovací hadice umístěné ve vybrání v desce rozvodných bloků jsou vyvedeny na vršek formy a připojeny k elektromagnetickým ventilům. Na vršku pevné části formy je rámeček se zásuvkami pro přípojení regulátorů. Vtokový systém má celkem 20 topných zón.

Vlastní výroba formy

Proces konstrukce formy, modelování a technické přípravy probíhal především z důvodu technických nejasností na straně zadavatele a několika průběžně uplatněných změn na samotném výlisku prakticky osm týdnů, přičemž v posledních dvou týdnech souběžně proběhlo zajištění a navezení materiálu. Z tohoto důvodu na vlastní výrobu zbylo šest týdnů, neboť zadavatel trval na dodržení původně sjednaného termínu. Výroba jednotlivých dílů byla především s ohledem na nutnost souběžné práce na co největším počtu pracovišť rozdělena na konvenční obrábění a obrábění na CNC strojích, přičemž zhruba 60 % pracnosti bylo z dříve uvedeného důvodu odpracováno na konvenčních obráběcích strojích.
Tvarové obrábění obou tvárnic z materiálu 1.2343 o rozměrech 1052 x 332 x 54 mm bylo provedeno před kalením s přídavkem 1,5 mm po celé ploše na CNC obráběcím centru od firmy Mori Seiki, typ MV-65. Po zakalení na tvrdost 48+2 HRC došlo k ohnutí jednotlivých dílů až o 0,9 mm. Následně byly oba díly obráběny po kalení na stejném obráběcím centru s použitím nástrojů Pokolm o průměru 15 R3,5 s typem výměnných destiček 02 07 835 při nastavených otáčkách 4500 min-1 a posuvu 1600 m.min-1. První dvě vrstvy (s tloušťkou třísky po 0,6 mm) hrubého obrábění kompletní tvarové plochy 1052x332 mm trvalo 6 hodin na jeden kus.
Dokončovací obrábění tvárnic se provádělo na stejném stroji s nástroji X-Power. Byly použity nástroje o průměru 4 mm s rádiusem R2. Parametry obrábění: otáčky 6000 min-1, posuv 1800 m.min-1 a tloušťka třísky 0,2 mm. Čas obrábění na čisto na jednu vrstvu pro každou tvárnici činil 7 hodin. Zbývající přídavek zůstal pro dolícování nástroje.
Aplikace technologie hloubení u této formy znamenala zaměřit se v prvé řadě na výběr vhodného druhu grafitu. Na základě dosavadních znalostí, vycházejících z nám známých zdrojů literatury a vlastních zkušeností, jsme se rozhodli ověřit vhodnost nasazení grafitu POCO 150 pro podmínky zvoleného elektrojiskrového stroje Walter Exeron 340 a vybraných částí formy pro toto obrábění. EDM-150 je středorozsahový izotropní grafit klasifikace "jemný" s vynikajícími charakteristikami pro elektrojiskrové obrábění s rychlým úběrem kovů při současně dobrých parametrech opotřebení elektrody. Při výrobě elektrod je možno použít vyšší řeznou rychlost, jednotlivé hrany elektrod drží delší dobu navržený tvar. U této zakázky se jednalo především o vyhloubení celkem 40 kusů tvarových vyhazovačů. Na základě kalkulací pracnosti výroby jednotlivé elektrody a elektrody sdružené a přípravných časů pro jednotlivé volby se dospělo k rozhodnutí zhotovit přípravek pro upnutí šesti vyhazovačů současně a vyrábět pro dílčí tvary sdružené elektrody. Celkem bylo vyrobeno 36 elektrod hladicích a hrubovacích.
§§§
Závěrem chceme podotknout, že krátký čas na výrobu formy nás nutil hledat nejrychlejší metody výroby. Mezi ně patřilo i drátové řezání, nejen kvůli řezání otvorů pro vyhazovače, ale i proto, že mnohé vyhazovače musely být v určité části svého obvodu odlehčovány především na drátové řezačce, kde bylo s výhodou využito rozsahu drátové řezačky Hitachi 610 Q, která umožňuje řezat materiál až do tloušťky 500 mm. Přesnost jednotlivých dílů a operací byla ověřována na 3D měřicím stroji Wenzel, typ LH 108, s vyhodnocením odchylek pro usnadnění provádění dalších kroků.
Konečným ověřením všech předpokladů a výrobní přesnosti bylo zkoušení u zadavatele formy na předepsaném vstřikovacím lisu. Závěry ze zkoušek v podstatě potvrdily správnost jednotlivých zvolených kroků a lze je hodnotit zcela pozitivně.

Další články

Obráběcí stroje a technologie

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky

Sledujte nás na sociálních sítích: