Composites with thermoplastic matrix and automotive, Part 4

2. Vst�ikovací forma

Výb�r ocelí pro výrobu forem - nástrojové ocele pro tvarové �ásti forem na zpracování LFRT, zejména LGF, mají mít pro dosa�ení po�adované �ivotnosti, procesní stability a produktivity n�které specifické vlastnosti:

 - vysokou odolnost proti opot�ebení - i kdy� studie výrobc� LGF materiál� i výrobc� forem a vst�ikovacích stroj� ukázaly, �e tyto materiály nevykazují v�tší opot�ebení tvarových �ástí forem ne� standardní krátkými sklen�nými vlákny vyztu�ené kompozitní materiály je nutno p�i konstrukci tvar� forem na abrazivitu pamatovat a pou�ívat tvarové �ásti s tvrdostí 55 a� 65 HRC  

 - vysokou odolnost proti korozi - to platí zejména pro PC a PA polymerní matrice a materiály s aditivy proti ho�ení, která mohou korozn� napadat ocelové slitiny pou�ité pro výrobu tvar� forem

 - vysokou rozm�rovou stabilitu - zpracování vysoce tepeln� odolných polymerních matric vy�aduje zajistit vysoké teploty st�n tvarových dutin formy - a� 200 °C. P�i vyšších teplotách formy (nad cca 100 °C) je nutno také pamatovat, zejména u rozm�rn�jších výst�ik� s vysokými nároky na rozm�rovou p�esnost, na kompenzaci teplotní rozta�nosti materiál� tvar� formy

 - dobrou tepelnou vodivost - nástrojové oceli pro výrobu tvarových �ástí forem, v závislosti na svém slo�ení, nemají výrazn� odlišnou tepelnou vodivost, ur�itý rozdíl je mezi nimi a uhlíkovými ocelemi pou�ívanými pro výrobu rám� forem, ale rozdíl není pot�eba kompenzovat. Ovšem p�i pou�ití vysoce vodivých m�d�ných slitin, nap�íklad beryliové bronze nebo materiál� typu Amcoloy, pou�ívané pro lokální odvod tepla, musíme ji� rozdílné tepelné vodivosti brát do úvahy - nutno zajistit dobrý a rychlý odvod tepla z tvar� vyrobených z t�chto materiál� - v�etn� jejich menší mechanické pevnosti a tvrdosti oproti nástrojovým ocelím. V souvislosti s vyššími pracovními teplotami forem je zapot�ebí pro sní�ení náro�nosti oh�evu, jeho délky, sní�ení energetické náro�nosti a zlepšení kontroly nad tepelnými d�ji ve form� tyto tepeln� od upínacích desek vst�ikovacího stroje izolovat

 - po�adavky na mechanické vlastnosti - tuhost ocelí p�i pracovních teplotách forem je po dobu jejich provozu v podstat� na stále stejné úrovni. Pou�ité ocele a jejich p�ípadné úpravy musí zajiš�ovat jejich povrchovou tvrdost, dobré únavové chování, korozní odolnost, odolnost proti abrazi, snadnou leštitelnost a mo�nost leptání fotochemických desén�. S pou�itými ocelemi souvisí i zajišt�ní tuhosti konstrukce formy pou�itím dostate�ného mno�ství správn� - do míst p�sobícího namáhání - umíst�ných rozp�rek - co jsou platné pouze obvodové rozp�rky, kdy� tvar je umíst�n ve st�edu formy a tam p�sobí tlak taveniny nejvíce? Obdobn� to platí i pro zavírací klíny �elistí, které musí být integrální sou�ástí desek s bohatým dimenzováním

 - Zkrácený p�ehled vhodných ocelí:

• 1. 2343 - 48 a� 52 HRC - prokalitelná standardní nástrojová ocel
• 1. 2767 - 50 a� 54 HRC - vysoce kalitelná, dob�e leštitelná
• 1. 2842 - 56 a� 62 HRC - standardní odolnost proti opot�ebení
• 1. 2379 - 58 a� 62 HRC - vysoká odolnost proti opot�ebení
• 1. 2083 - 54 a� 56 HRC - korozní odolnost, leštitelnost

 - Povrchové úpravy ocelí - pou�ívají se pro zvýšení �ivotnosti forem. Technologie úprav: tepeln� - chemické: nitridace, boridování - galvanické metody: chromování, niklování - metalurgické procesy: CVD (Chemical Vapour Deposition) a PVD (Physical Vapour Deposition). Nej�ast�ji pou�ívaným povlakem je TiN, tlouš�ka cca 5 mikrometr�, tvrdost 2 300 HV, odolnost proti abrazi vysoká, odolnost proti korozi omezená, odformovatelnost dobrá, lesk stejný jako u lešt�né oceli, vrstvu lze odstranit a obnovit; další vrstvy, nap�íklad TiCN, CrN, atd.

Studený vtokový rozvod - vtokové rozvody musí dovést polymerní taveninu bez výrazného smykového namáhání, bez výrazné tlakové ztráty a rychle do tvarové dutiny formy. U více násobných forem musí umo�nit napln�ní tvarových dutin ve stejném okam�iku, se stejným pr�tokem taveniny, se stejným tlakem a teplotou. Rozvod a ústí vtoku taveniny musí zajistit i dostate�n� dlouhé p�sobení dotlakové fáze.

Empirické poznatky:

 - ty�ový vtok do výst�iku by m�l mít pr�m�r v�tší ne� 1, 4 násobek jeho maximální tlouš�ky

 - pr�m�r tunelového ústí vtoku by m�l mít pr�m�r vetší ne� 0, 8 maximální tlouš�ky výst�iku, minimální pr�m�r by nem�l klesnout pod 1, 5 mm

- tvar a rozm�ry rozvodných kanál� - nejvýhodn�jší z hlediska toku taveniny je kruhový tvar, který ale vy�aduje lícování v obou �ástech formy a je tedy drahý - jeho pr�m�r by m�l být o cca 1, 5 mm v�tší ne� je maximální tlouš�ka výst�iku; kanály vytvo�ené pouze v jedné �ásti formy mají parabolický nebo trapezoidní tvar, jejich hloubka má být jako pr�m�r kruhového kanálu a ší�ka v d�lící rovin� cca o 25 % v�tší ne� pr�m�r kruhového kanálu, úkos cca 5 a� 10 ° na stranu

- t�ídeskový rozvodný systém - není doporu�en zejména z d�vodu vysoké pevnosti a tuhosti vtokového zbytku, kterou by bylo velmi problematické p�i odformování vtokového rozvodu p�ekonávat

Horké vtokové systémy - mají stejný úkol jako studené; z pou�ívaných druh� je doporu�eno nepou�ívat systémy s topením umíst�ným v ose kanálu, kdy tavenina te�e v mezikru�í mezi topením a vývrtem v rozvodné desce nebo trysce; b�n� se pou�ívají systémy s tokem taveniny v ose kanálu, kdy je topení umíst�no vn� kanálu a regula�ní termo�lánek co nejblí�e u ústí vtoku trysky, v omezené mí�e je mo�no pou�ívat jehlové uzáv�ry - kaskádové a za�ehlovací systémy, ale je nutno mít na pam�ti, �e u t�chto systém� m��e v d�sledku zvýšeného smykového namáhání docházet u vyztu�ujících vláken k ne�ádoucím degrada�ním jev�m. Pro trysky s tepelnými torpédy platí obdobná konstatování jako pro trysky s jehlovými uzáv�ry. Teplota horkého rozvodného systému by m�la odpovídat teplot� taveniny v plastika�ní komo�e vst�ikovacího stroje.

Kombinované vtokové rozvody - platí kombinace konstatování uvedených výše u studených a horkých rozvod�.

Ústí vtoku - jeho úkolem je dopravit polymerní taveninu bez zbyte�ného zvýšení smykového namáhání do tvarové dutiny formy a zajisti p�sobení dotlakové fáze.

Pou�ívaná ústí vtoku podle po�adí doporu�ení:

 - plný ty�ový do st�edu - t�išt� výst�iku

 - tunelová

 - št�rbinová - zejména pro výst�iky s vysokou hmotností a velkou tlouš�kou st�n, jejich zaúst�ní do místa s maximální tlouš�kou st�ny, pr��ez - ší�ka minimáln� 0, 8 tlouš�ky

 - filmová ústí vtoku nejsou vhodná

Stejn� jako u všech vst�ikovaných granulát� i u LFT je nutno se vyhnout tzv. jettingu, tj. volnému toku taveniny do tvarové dutiny formy; ústí vtoku v�dy musí mí�it proti st�n� formy; ústí vtoku by se nem�lo umís�ovat do míst výst�iku s vysokým nap�tím, které by mohlo zp�sobovat ne�ádoucí orientaci vyztu�ujících vláken

Úkosy - vyhazovací síla p�sobící na výst�ik musí p�ekonat síly vyvolané smršt�ním p�sobícím na tvárníky a jádra tvarových dutin formy, t�ecí síly p�sobící mezi pohyblivými �ástmi formy p�i její pracovní teplot� a vakuový efekt mezi povrchem výst�iku a povrchem tvarové dutiny formy.

Dostate�n� zvolený úkos tvar� výst�ik� napomáhá jejich odformování a vyhození z tvarové dutiny formy. Vyhazovací úkosy pro materiály LFT jsou stejné jako u všech ostatních vst�ikovaných materiál�.

Mnohdy se u výst�ik� s po�adavkem na desénovaný povrch zapomíná, �e k vyhazovacímu úkosu je nutno p�idat i úkos pro bezproblémové - bez od�ení - odformování desénovaných tvar� a ploch. Desén = drsnost definovaná hloubkou má negativní vliv na koeficient statického t�ení a je tedy nutno k vyhazovacímu úkosu p�i�íst úkos pro odformování desénu, jinak dojde k jeho od�ení.

Desény je mo�no vyrobit �adou technologických postup�, nejvíce pou�ívané jsou dva - jisk�ené desény a desény vytvo�ené fotochemickým leptáním. U leptaných desén� je obvykle maximální hloubka drsnosti do cca 0, 2 mm; pro jisk�ené desény se obvykle pou�ívá stupnice podle VDI Ref. 3400 od 18 do 39. Pro stupn� 18 a 21 platí, �e k vyhazovacímu úkosu se musí p�i�íst další úkos o hodnot� 1°, pro stupn� 24, 27 2°, pro 30, 33 3° a pro stupn� 36 a 39 5°úkos. Hloubka drsnosti se pohybuje od 0, 05 mm pro stupe� 18 a� po 0, 70 mm pro stupe� 39.

Pokud z funk�ních, tvarových nebo estetických d�vod� nelze pou�ít úkosy je nutno danou oblast a tvar výst�iku zaformovat pomocí pohyblivých �ástí formy - mechanicky ovládané �elisti, hydraulická jádra atd.

Odvzdušn�ní tvarových dutin formy – v dob� pln�ní tvarové dutiny polymerní taveninou tato musí bez problém�, tj. rychle a snadno vytla�it vzduch vypl�ující tvarovou dutinu. Uzav�ený vzduch brání úplnému zapln�ní tvarové dutiny taveninou, vyvolává pot�ebu zvýšit vst�ikovací tlak a sní�it vst�ikovací rychlost, v d�sledku tzv. Dieselova efektu - zkomprimovaný vzduch se samovoln� oh�eje a vznítí - m��e dojít k lokálnímu spálení materiálu, v�etn� poškození místa formy, v n�m� se vzduch �asto uzavírá - vysoké místní tepelní namáhání materiálu tvaru formy.  

U materiál� LFT, stejn� jako u ostatních granulát�, je odvzdušn�ní tvarových dutin velmi d�le�ité. V oblastech s poklesem tlaku dochází k narovnání dlouhých vláken a ke zv�tšení objemu tuhnoucí taveniny a tím mo�nému zabrán�ní úniku vzduchu. Z uvedeného, mimo jiné, vyplývá, �e odvod vzduchu - odvzdušn�ní - se musí provád�t v míst� jeho uzav�ení a ne jinde. P�edpov�� mo�nosti uzavírání vzduchu dávají simula�ní výpo�ty, pop�ípad� se provádí p�i o�ivování p�íslušné vst�ikovací formy. 

Vzduch z tvarových dutin m��e být odv�trán p�es d�lící rovinu formy, pomocí vlo�ek tvar� formy, p�es vyhazova�e, pomocí speciálních odvzduš�ovacích vlo�ek, atd. a op�t je nutno zd�raznit, �e odvzdušn�ní se musí provést v míst� reálného uzavírání vzduchu. V jiném míst� vzduchová „kapsa“ je ji� obalena taveninou a vzduch nem��e být odveden.

P�i tvorb� odvzdušn�ní je nutno vzít v úvahu, �e nesmí vzniknout p�etok - polymerní taveniny mají tendenci zatékat do spár o tlouš�ce u� 0, 02 mm. U válcových ty�ových vyhazova�� b�n� tolerovaných H7/g6 nesmí prostor pro odvod vzduchu mít tlouš�ku v�tší ne� 0, 015 a� 0, 020 mm, obdobn� to platí i pro další odvzduš�ovací kanály.

S uvedenou tlouš�kou odvzduš�ovacích kanál� ovšem musí korespondovat jejich ší�ka. Na tento fakt se velmi �asto zapomíná - uvedu p�íklad: objem tvarové dutiny je 100 ccm a doba jejího pln�ní 1, 5 s. P�i tlouš�ce odvzduš�ovací št�rbiny 0, 020 mm musí, pro dokonalý odvod vzduchu, být ší�ka odvzdušn�ní alespo� 15 mm.

Samoz�ejm�, �e odvzduš�ovací systém musí být pravideln� udr�ován a �išt�n.

Odvzdušn�ní je také velmi d�le�ité z pohledu tvorby studených spoj�. Jak víme, studené spoje vznikají v místech spojování tok� taveniny po jejich rozd�lení, obvykle n�jakou tvarovou p�eká�kou ve tvarové dutin� formy. Pro jejich minimalizaci, krom� vysokých teplot taveniny a formy je výhodné pracovat s vysokými rychlostmi proud�ní polymerní taveniny, aby ke spojení proud� docházelo p�i co nejvyšší teplot� taveniny a studený spoj m�l co nejvyšší pevnost. Vysokým rychlostem proud�ní taveniny m��e bránit práv� špatné lokální odvzdušn�ní.

Temperace forem - slou�í k nastavení pracovní teploty formy a jako jedna ze slo�ek odvodu tepla z tvarové dutiny formy, které do ní bylo p�ineseno polymerní taveninou. Cílem temperace je poskytnout st�nám tvarové dutiny formy a všem jejím tvarovým prvk�m stejnou a rovnom�rn� rozlo�enou teplotu.

Jakékoliv odchylky v teplotní uniformit� mají za následek riziko anizotropních vlastností výst�iku jako je smršt�ní a deformace, nerovnom�rné rozd�lení krystalinity u výst�ik� z �áste�n� krystalických materiál�, nerovnom�rnou orientaci makromolekul, rozdílný povrchový lesk, rozdílné vykopírování desén�, atd.

Pro konstrukci tempera�ních systém� forem pro zpracování LRFT materiál� platí stejné zásady jako pro všechny další vst�ikované termoplasty, nap�íklad - pr�m�r tempera�ních kanál� minimáln� 8 mm, rozdíl teplot na vstupu a výstupu 5 °C, zajišt�ní turbulentního proud�ní vody v kanálech, atd.

Vyhazovací systémy forem - k vyhazování výst�ik� z forem se pou�ívají:

- vyhazova�e - válcové, ploché, p�lkruhové, atp.
- stírací objímky
- stírací desky - sní�ení nap�tí ve výst�iku od nerovnom�rného zatí�ení p�i vyhazování
- pneumatické vyhazování

Pohon systém� je odvozen od vst�ikovacího stroje nebo hydraulickými válci instalovanými do formy.

Kompozity LFT nevy�adují nebo nemají, z pohledu vyhazování z formy, �ádné speciální za�ízení nebo po�adavky.

Jejich smršt�ní je relativn� izotropní, deformace relativn� menší. Díky v�tší pevnosti výst�ik� i p�i vyšších teplotách m��e vyhazování probíhat za zvýšených teplot, p�i�em� by se uvedené skute�nosti m�lo p�izp�sobit i lícování vyhazovacího systému.

I u vyhazovacích systém� forem platí obecná pravidla:

- vyhazova�e se neumis�ují do vzhledových ploch a �ástí výst�ik�
- vyhazova�e se umís�ují do míst s vysokými po�adavky na uvoln�ní výst�iku - �ebra, zejména hluboká, rohy, tvarov� slo�itá místa atd.
- volná délka vyhazova�� má být co nejkratší - riziko zlomení od p�sobení vzp�rné síly
- pou�ívání vracecích kolík�
- rozlo�ení vyhazovací síly do maximáln� mo�né plochy vyhazova��
- zajišt�ní polohy tvarových vyhazova��

Údr�ba forem - formy pro zpracování materiál� LFRT nevy�adují speciální p�ístupy p�i údr�b�, platí zásady pro údr�bu standardních vst�ikovacích forem.

3. Konstrukce výst�ik�

Pro konstrukci výst�ik� z kompozit� LFRT platí stejné zásady technologi�nosti konstrukce jako pro všechny výst�iky z termoplast�. Mezi hlavní pat�í:

• tlouš�ka st�n výst�ik� má být co nejmenší; pro materiály LFT, ale minimáln� 1, 6 mm
• nemá docházet k akumulaci - hromad�ní materiálu v jednom míst�
• tlouš�ka st�n výst�iku má být co mo�ná konstantní, v p�ípad� nutnosti jejich zm�n musí být postupné
• �ebra p�edstavují rizika mo�ných deformací a propadlin - úkos �eber 0, 5 a� 2° (bez desénu), hloubka cca maximáln� 3 x nejv�tší tlouš�ka st�ny výst�iku, ší�ka �ebra 0, 4 a� maximáln� 0, 6 tlouš�ky st�ny výst�iku, na ní� �ebro navazuje
• pou�ití dostate�ných úkos� jak na vn�jších tak i na vnit�ních plochách, v�etn� �elistí a jader
• omezit tvary s podkosy
• omezit plochy s vysokým povrchovým leskem

1. �as� »

2. �as� »

3. �as� »

• pokra�ovanie �lánku bude uverejnené 12.01.2015.