Ing. Lubom�r Zeman: Technological possibilities of design of thermoplastic mouldings

Do úkon� p�edvýrobních etap obvykle �adíme:

- výb�r materiálu spl�ující po�adavky zadavatele
- design a konstrukce výst�iku – mnozí designé�i mají tendenci v�novat se pouze lícové stran� výst�ik�, ale je nutno d�razn� uvést, �e design vzhledových tvar� a ploch a konstrukce ostatních tvar� a ploch jsou velmi podstatn� propojené  úlohy a musí se �ešit spole�n�, jinak m��e docházet k velmi problematickým výsledk�m. Design a konstrukce by pro správnou funkci výst�iku m�la odpovídat po�adavk�m technologi�nosti konstrukce výst�ik� z termoplast� a s tím souvisí i správn�, ve vztahu k vybranému materiálu, konstrukci výst�iku a jeho pou�ití také zvolená rozm�rová a tvarová p�esnost výst�ik� – lineární i geometrické tolerance; p�ípadné pevnostní, tepelné nebo další výpo�ty
- analýzu zaformovatelnosti zkonstruovaného výst�iku – volba d�lících rovin, úkosy, �elisti, pohyblivá jádra, umíst�ní vyhazova��, vtokový systém a umíst�ní ústí vtoku, atd.
- výb�r varianty technologie vst�ikování
- zaformování výst�iku – návrh tvárník�, tvárnic, umíst�ní tvarových dutin v hlavní d�lící rovin� formy, vtokový  systém,  tempera�ní systém, atd.
- simula�ní výpo�ty – pln�ní tvarové dutiny polymerní taveninou, objemové smršt�ní, teplotní d�je, orientace plniva a jeho distribuce, deformace, atd.
- vyu�ití n�které z technologií Rapid Prototyping pro zhmotn�ní návrhu výst�iku
- ov��ení návrhu konstrukce výst�iku a koncepce vst�ikovací formy pomocí prototypové formy

Obecn� platí zásada, �e co se nepoda�í podchytit a odstranit v p�edvýrobních etapách, je následn� velmi t�ko a nákladn� opravitelné. P�ibli�n� 70 % výrobních náklad� a tedy i ceny výrobku je p�edur�eno ve fázi jeho vývoje a konstrukce, p�i�em� vývojové p�edvýrobní etapy spot�ebují okolo cca 5% z celkových výrobních náklad�, tj. s vynalo�ením cca 5 % m��eme ušet�it a� n�kolik desítek % z celkových výrobních náklad�.

Z toho vyplývá, �e p�i chybné konstrukci výst�iku a z ní vyplývající konstrukci formy je obvykle v�tší mo�nost vzniku problém� a škod, které i p�i dobré odborné znalosti pracovník� vst�ikovny a d�sledné optimalizaci procesu vst�ikování, ji� nelze odstranit nebo alespo� minimalizovat.

Technologi�nost konstrukce výst�ik� z termoplast�

Pro spln�ní cíl� p�edvýrobních etap – výrobu výst�ik� s p�edem definovanými vlastnostmi – návrh díl� musí spl�ovat zásady technologi�nosti konstrukce výst�ik� z termoplast�:

- funk�nost tvaru - musí zajistit spln�ní všech hlavních funkcí výst�iku – u�itné, estetické, ergonomické a bezpe�nostní
- optimalizovanou volbu materiálu výst�ik�
- pevnostní výpo�ty - vycházejí z viskoelastického chování polymer�, výpo�ty jsou teplotn� i �asov� závislé, jednoduché výpo�ty vyu�ívají teorie lineární pru�nosti a lineární viskoelasticity, u p�esn�jších výpo�t� je nutno uva�ovat i se závislostí modulu pru�nosti na velikosti p�sobícího nap�tí - nelineární viskoelastické chování polymer�
- tvarovou a rozm�rovou p�esnost pro vybraný materiál výst�iku a jeho tvarové �ešení
- technologi�nost tvaru s vyu�itím vlastností materiál� amorfních a �áste�n� krystalických – pr�b�h hlavní i vedlejších d�lících rovin, tlouš�ky st�n a p�echod mezi nimi, zaoblení, hrany, rohy, �ebra, nálitky, prolamování st�n, okraje výst�ik�, deformace v�tších rovinných ploch, dosedací plochy, otvory, spoje pru�ným zasko�ením, závity, písmo – nápisy, loga, zna�ky, desény, úkosy, zakládání zást�ik�, atd.
- po�íta�ové simulace - analýzy pln�ní, smršt�ní, deformací a anizotropií, chlazení, distribuce vláknitých plniv a jejich rozlo�ení, atd.
- výtvarn�-estetické �ešení tvaru v souladu s funkcí výrobku, s prost�edím v n�m� bude provozován, s materiálem a s technologií jeho výroby
- spolupráce zadavatele, designéra, konstruktéra výst�iku, konstruktéra formy, technologa vst�ikování a pracovníka hodnocení jakosti dílu
- ekonomi�nost tvar

Jedním z nejd�le�it�jších úkol� konstruktéra formy je, na základ� konstrukce výst�iku, ur�ení d�lících rovin a z nich vyplývající umíst�ní díl� ve form�, nastavení úkos�, výb�r a umíst�ní vyhazova��, volba vtokového systému a umíst�ní ústí vtoku na výst�iku, vedení a rozmíst�ní tempera�ních okruh� formy, atd.

Konstruktér výst�iku, ve vzájemné spolupráci s konstruktérem vst�ikovací formy, by m�l navrhnout tvary výst�iku tak, aby na nejmenší mo�nou technickou míru omezil nutnost pou�ívat pohyblivé tvarové díly ve form� – �elisti,“šíbry“,šikmé tvarové vyhazova�e, hydraulicky nebo jinak ovládaná jádra, atd. Konstruktér výst�iku by m�l ji� od prvopo�áte�ních úvah o tvarech výst�iku myslet v zejména pojmech „d�lící roviny“,tj. pochopit, �e tvarová �ešení výst�iku budou zaformovaná do minimáln� dvou �ástí (polovin) formy. Navíc by m�l um�t „negativn�“, co� v praxi znamená, �e co je na výst�iku tvar sm�rem ven, ve form� bude tento tvar sm�rem do formy, na výst�iku pot�ebuji ubrat materiál, tedy ve form� ho musím p�idat a naopak.

Tlouš�ka st�n výst�ik� musí spl�ovat po�adavek na pevnost a tuhost výst�iku. Oba parametry jsou závislé i na materiálu výst�iku. Tlouš�ka st�n navíc musí zajistit vyrobitelnost všech tvar� dílu z pohledu toku polymerní taveniny, tj. obvyklá minimální tlouš�ky by nem�la být menší ne� cca 0,8 mm, p�i�em� tok, respektive pojem velká x malá tlouš�ka je charakterizován ne absolutní hodnotou tlouš�ky, ale pom�rem délky toku taveniny v tvarové dutin� formy ku p�íslušné tlouš�ce st�ny.

Tlouš�ka st�ny má být, p�i spln�ní po�adavk� na tuhost a pevnost, co nejmenší také z d�vodu minimalizace doby výrobního cyklu (rozm�r tlouš�ky je ve výpo�tu doby chlazení v druhé mocnin�), omezení mo�nosti vzniku propadlin, sta�enin a lunkr�, sní�ení hmotnosti výst�iku.

Dalším po�adavkem souvisejícím s tlouš�kou st�ny výst�ik� je po�adavek na její rovnom�rnost bez výrazných zm�n a hromad�ní materiálu ve st�nách, co� sni�uje nebezpe�í lokálních zm�n smršt�ní a deformací, v�etn� sní�ení obsahu vnit�ního pnutí ve výst�iku.

Se správnou konstrukcí výst�ik� z termoplast� výrazn� souvisí jejich �ebrování. �ebra na výst�icích mají za úkol zejména zvyšovat jejich pevnost, tuhost a odolnost proti deformacím p�i sou�asném sní�ení hmotnosti výst�ik� a malých tlouš�kách st�n. Konstruktér dílu musí znát zásady konstruování �eber - tlouš�ka �eber by nem�la být v�tší ne� 50 % a� 70 % tlouš�ky st�ny, na ní� �ebro navazuje, nem�lo by docházet ke kombinaci �eber s malou a velkou tlouš�kou, výška �ebra by nem�la být v�tší ne� trojnásobek tlouš�ky st�ny, pro zvýšení pevnosti je výhodn�jší konstruovat v�tší po�et �eber ne� zv�tšovat jejich ší�ku, vzdálenost mezi �ebry by m�la být cca dvojnásobkem nominální tlouš�ky st�ny, polom�r napojení �ebra a st�ny by nem�l být v�tší ne� 50 % tlouš�ky st�ny, �ebra by nem�la tvo�it výraznou brzdu v toku taveniny tvarovou dutinou, m�la by umo��ovat tok taveniny (výhodné jsou nap�íklad �ebra tvaru šestiúhelník�), v k�í�ení �eber nesmí docházet k hromad�ní materiálu.

Jednoduché rovnob�né �ebrování zvyšuje tuhost v ohybu v jednom sm�ru, diagonální zvyšuje tuhost v ohybu a krutu. K�í�ové �ebrování zna�n� zvyšuje tuhost v ohybu a krutu. Ke zvýšení tuhosti a tvarové stability st�n výst�ik� je výhodné tyto st�ny vytvo�it jako prolamované. Pro snadn�jší pln�ní tvarových dutin taveninou je výhodn�jší všechny zm�ny vytvá�et se zaoblením. Zaoblení sni�uje hydraulické odpory p�i toku taveniny a sni�uje i nap�tí v míst� ohybu. Rádiusy zaoblení musí zajisti konstantní tlouš�ku st�ny, nesmí dojít k hromad�ní materiálu. Zaoblení zvyšují odolnost proti ráz�m a pevnost, sni�ují vnit�ní pnutí a náchylnost k praskání - odstran�ní koncentrátor� nap�tí v ostrých rozích. Minimální rádius zaoblení st�ny má být cca jedna �tvrtina tlouš�ky st�ny.

Zaoblení má být provedeno jak na vn�jší, tak i na vnit�ní stran� st�ny a polom�r zaoblení by m�l být 1 a� 3 tlouš�ky st�ny v daném míst�. V�tší rádiusy ji� nep�inášejí zv�tšení efektu zaoblení.

Ostré hrany jsou obvykle v d�lících rovinách, zde je pot�eba vzít v úvahu i bezpe�nostní hledisko – nebezpe�í, nap�íklad �íznutí o ostrou hranu zejména u výst�ik� z kompozitních materiál� pln�ných vysokým obsahem sklen�ných vláken, ekonomické hledisko kdy rádius v d�lící rovin� nutn� vyvolá vedení d�lící roviny na nejvyšším míst� rádiusu a tedy jeho zaformování do obou polovin formy.

Vnit�ní hrany se zaoblují v�dy, hodnota rádius se volí minimáln� 0,2 mm, lépe 1 tlouš�ky st�ny. Rádius vnit�ních hran je nutný i z výrobních d�vod�, kdy p�i pou�ití technologie elektroerozivního opracování tvarových díl� formy nebo frézování, v rozích v�dy vznikne rádius. Pokud by z funk�ního hlediska, p�i v�domí, �e v daném míst� vznikne koncentrátor nap�tí a p�i zatí�ení m��e dojít k praskání výst�iku, byl po�adavek na ostrý tvar vnit�ního rohu je �ešení nutno hledat ve skládání daného tvaru z broušených díl� a mít na pam�ti, �e jsme do formy vlo�ili, v daném míst�, mo�nost vzniku p�etoku.

Pro dobré, bezproblémové vyhození výst�iku z formy musí být p�íslušné tvary výst�iku opat�eny úkosy - úkosy pro vyhození se s�ítají s úkosy pro odformování desén�, které zabra�ují poškození, poškrábání desénovaných ploch p�i vyhazování výst�iku z tvarové dutiny formy. Pro vnit�ní st�ny se doporu�ují vyhazovací úkosy v rozmezí cca 1 ° a� 2 °, pro vn�jší st�ny cca 0,5 ° a� 1 °. K t�mto úkos�m se p�i�ítá cca 1 ° úkosu na hloubku desénu o maximální hloubce 0,02 mm.

P�i konstrukci výst�iku z termoplastu si jeho konstruktér musí uv�domovat, �e v d�sledku tvarového �ešení výst�iku, ve spojení se smršt�ním, které je ve výst�iku lokáln� rozdílné a vyvolá deformace tvar�, bude výst�iku obsahovat vnit�ní pnutí, které také p�ispívá k deformacím, p�ípadn� m��e vést k nap�ovým trhlinám a� k porušení výst�iku.

Tuto problematiku rozebíral Ing. Lubomír Zeman na seminá�i Formy a Plasty Brno 2018, po�ádaném firmou SVOBODA.

www.pfservice.cz