Lubomír Zeman: Technologie vstřikování termoplastů a snižování hmotnosti výstřiků, 4. část
PŘEDPOKLADY PRO SNIŽOVÁNÍ HMOTNOSTI – TECHNOLOGIČNOST KONSTRUKCE VÝSTŘIKŮ Z TERMOPLASTŮ
Technologičnost konstrukce konstrukce výstřiků z termoplastů – pod pojmem „technologičnost“ se skrývá jeden z nejdůležitějších požadavků na vlastnosti výstřiků z plastů. Bez splnění požadavků v pojmu obsažených nelze pracovat s předpoklady uvedenými v předešlých kapitolách, s předpoklady pro snižování hmotnosti výstřiků vhodným výběrem jeho materiálu a vstřikovací technologie.
Technologičnost konstrukce vychází z kvalitativních požadavků kladených na výstřik jeho uživatelem a je druhým krokem předvýrobních etap pro výrobu výstřiků z termoplastů s definovanými zákaznickými kvalitativními parametry, přičemž do předvýrobních etap řadíme:
- definice požadavků na výstřikem
- konstrukce a design výstřiku – podle zásad technologičnosti konstrukce výstřiků z termoplastů
- výběr materiálu pro splnění požadavku na minimalizaci hmotnosti výstřiku
- výběr technologie vstřikování z pohledu výroby výstřiku s minimální hmotností
- analýza zaformovatelnosti
- simulační výpočty
- úpravy konstrukce výstřiku na základě připomínek vzešlých z předešlých kroků
- výroba výstřiku některou z technologií Rapid Protypingu
- výroba prototypové formy a prototypových výstřiků, včetně jejího vyhodnocení a případných úprav
V případě provádění kroků předvýrobních etap je nutno mít na paměti, že předáme-li, respektive převezmeme-li do výroby sériové formy a výstřiků z ní, nevhodně zadaný výstřik – jeho konstrukci, materiál, kvalitativní požadavky – nic nám již nezabrání ve výrobě výstřiků, které nebudou odpovídat zadaným kvalitativním požadavkům.
Z pohledu minimalizace hmotnosti výstřiků je nejdůležitějším konstrukčním prvkem výstřiku jeho žebrování – konstrukce žeber. Položme si tedy otázku – proč je výhodné konstruovat výstřiky z termoplastů s žebry ? Odpověď je snadná – výstřik bude mít sníženou hmotnost, zkrátí se doba výrobního cyklu a to při zachování mechanických vlastností výstřiku jako by tento byl z plného materiálu. Uvedené konstatování dokumentuje obrázek 11.
 |
A – plný díl - konstrukce výstřiku bez respektování zásad technologičnosti konstrukce – výstřik má plošný moment setrvačnosti 2 520 mm2 a doba dotlaku byla 95 s = 100 %,materiál = 100 %
B – žebrovaný díl – varianta 1 – moment setrvačnosti 2 520 mm2, zkrácení doby dotlaku na 35 %, úspora materiálu 23 %
C – žebrovaný díl,varianta 2 – moment setrvačnosti 2 520 mm2, zkrácení doby dotlaku na 15 %, úspora materiálu 57 %
 |
A – správný poměr tloušťky žebra a poloměru jeho napojení na základní stěnu výstřiku
B – příliš velký poloměr – zvýšená spotřeba materiálu, prodloužení doby cyklu
C – příliš velká tloušťka žebra, poloměr správný – zvýšená spotřeba materiálu, prodloužení doby cyklu
D – hromadění materiálu v rohu, konstrukce rohu bez poloměru - zvýšená spotřeba materiálu, prodloužení doby cyklu
E – správné řešení rohu – stejná tloušťka stěny – vnější R = vnitřní R + tloušťka stěny
F – oblasti s možnými propady na vnějším povrchu stěny výstřiku, případně i možnost tvorby lunkrů – největší nebezpečí B, C, D
 |
| Obrázek 11: Příklady konstrukce žeber – technologičnost konstrukce výstřiků z termoplastů |
PŘEDPOKLADY PRO SNIŽOVÁNÍ HMOTNOSTI – SNIŽOVÁNÍ HMOTNOSTI A ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ
Problémy spojené s plasty jsou do značné míry způsobeny skutečností, že naše systémy výroby a spotřeby nejsou udržitelné,je napsáno ve zprávě Evropské agentury pro životní prostředí (EEA – European Environment Agency, www.eea.europa.eu) z roku 2025, přičemž udržitelnost je definována jako „uspokojování světových potřeb dneška a zítřka vytvářením systémů, které nám umožňují žít dobře a v mezích naší planety“. K tomuto obecnému a značně honosnému cíli může určitým způsobem přispět i obecná snaha o snižování hmotnosti výstřiků z termoplastů a přístupy popsané v předešlých kapitolách.
Tím se protínají environmentální požadavky kladené na výstřiky z termoplastů s požadavky na jejich konkrétní funkčnost. Z pohledu již uvedeného životního cyklu výstřiků LCA - Life Cycle Assessement, což je již standardizovaná metoda (norma ČSN ISO 14025 Environmentální značky a prohlášení - Environmentální prohlášení typu III - Zásady a postupy) pro výpočet dopadu konkrétního výrobku na životní prostředí, se měří, shromažďují a vyhodnocují údaje o emisích z každé fáze životního cyklu produktu – obrázek 12.
 |
| Obrázek 12 : Životní cyklus produktu a jeho fáze |
Fáze 1 – Raw material – těžba, zajištění vstupních surovin / Fáze 2 – Processing – výroba a zpracování surovin / Fáze 3 – Transportation – přepravy surovin a výrobků / Fáze 4 – Retail and Use – použití a obchod / Fáze 5 – Waste – zpracování odpadu
Z rozboru jednotlivých fází životního cyklu vyplývají přístupy k minimalizaci dopadu výrobku, produktu, výstřiku na životní prostředí. Již během procesu návrhu výstřiku a jeho materiálu by měl konstruktér nebo jiný zodpovědný pracovník provádět alternativní výpočty dopadu různých designů a materiálových řešení, na například emise CO2. Konstrukce, design výstřiků by se měl, mimo jiné požadavky, podřizovat zásadám technologičnosti konstrukce výstřiků z termoplastů, včetně požadavkům na cirkulární design, tj. „ořezání“ designu na minimum možného z pohledu funkce dílu – méně kritických tvarů umožňujících poruchu dílu nebo sestavy jejímž členem díl je, co nejméně pouze líbivých tvarů bez funkčnosti, co nejméně dílů v sestavách, co nejvíce modulárních konstrukcí, co nejvíce výstřiků s minimalizovanou hmotností, co nejvíce dílů z materiálů s minimalizovanou uhlíkovou stopou (v číslech vyjadřuje, kolik kilogramů skleníkových plynů vyprodukuje daný subjekt nebo činnost, výpočet podle ČSN ISO 14067:2013: Skleníkové plyny - Uhlíková stopa produktů - Požadavky a směrnice pro kvantifikaci).
Použití udržitelných materiálů znamená, že jsou v co největším množství a rozsahu recyklovatelné, opětovně použitelné a tím snižují potřebu těžby surovin a jejich zpracování pro další, panenské materiály. Obecně se uvádí, že cca 45 % všech emisí CO2 pochází z těžby a výroby materiálů.
Používané materiály musí být bezpečné jak pro lidi, tak i pro životní prostředí. Z uvedeného pohledu je nutno dodržovat aktuální chemické bezpečnostní předpisy EU REACH a RoHS. Ty mají chránit lidi i životní prostředí před přítomností nebezpečných materiálů v nových výrobcích uváděných na trh Evropské unie. REACH je zkratka pro registraci, hodnocení, autorizaci a omezování chemikálií (zkratka REACH pochází z anglického "the Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals" a do češtiny se překládá jako "registrace, hodnocení, povolování a omezování chemických látek") a RoHS je zkratka pro omezení nebezpečných látek v elektrických a elektronických zařízeních EEZ a v elektrotechnickém a elektronickém odpadu OEEZ (zkratka RoHS vychází z anglického „Restriction of the use of certain Hazardous Substances in electrical and electronic equipment“). Nařízení se v některých oblastech překrývají.
Kromě výše uvedených předpisů, v automobilovém průmyslu musí mít každý výrobek informaci o svém složení, aby mohl být případně dále v souladu s platnými předpisu použít. Každý výrobce je zodpovědný za všechny aspekty – používání, vyřazení, likvidace – svého produktu – výstřiku tak, jak to ukládá příslušná domácí i mezinárodní legislativa – viz předpisy uvedené výše nebo například Direktiva Evropské Unie o konci provozu silničních vozidel – ELV = „End of Life Vehicles“. Výrobci musí rovněž poskytovat informace o použitých materiálech ve výrobku, aby bylo možné určit podíl jednotlivých materiálů ve výrobku a stupeň nebezpečnosti daného materiálu.
Uvedený koncept informací o složení produktu je realizován v systému IMDS (International Material Data System – Mezinárodní systém pro správu dat o materiálech) založeném na centrální databázi, s registrací na adrese https://www.mdsystem.com/imdsnt/ . IMDS je tedy systém materiálových dat automobilového průmyslu. V systému se shromažďují, udržují, analyzují a archivují všechny materiály používané při výrobě automobilů. Pomocí IMDS je možné plnit povinnosti, které výrobcům automobilů a i jejich dodavatelům ukládají národní a mezinárodní normy, zákony a předpisy a výrobci automobilů a jejich dodavatelé mohou s jeho pomocí standardizovat své procesy a mají možnost efektivní výměny dat.
Ve fázi „Použití“ je důležitý i faktor znečištění vnitřního ovzduší obecně a v interiérech automobilů zvlášť. Zvýšené znečištění vnitřního ovzduší je způsobeno dvěma hlavními příčinami :
- používáním klimatizací, jejímž důsledkem je kumulace škodlivin ve vnitřním ovzduší
- důrazem na snižování hmotnosti, která se, například u automobilů typu BEV zvýšila v důsledku hmotnosti akumulátorů - zavádění nových konstrukčních interiérových materiálů a kompozitů
Samozřejmě, že vnitřní ovzduší v interiéru automobilů vzniká, kromě již uvedených aspektů, v důsledku působení různých dalších faktorů ovzduší znečisťujících: průmyslové exhalace, kouřové a výfukové plyny, alergeny, choroboplodné zárodky, smog obvykle složený z polétavého prachu, oxidů síry, oxidů dusíku, ozónu, organických plynů, atd., včetně i faktorů působících v interiérech zevnitř, z použitých materiálů.
Polymerní materiály používané pro výrobu interiérových dílů automobilů mohou za zvýšené teploty emitovat nízkomolekulární látky, které přecházejí do vnitřního prostředí – vzduchu - prostoru pro posádku automobilu. Emise z uvedených materiálů můžeme rozdělit do dvou hlavních skupin :
- na emise specifické, tj. emise,které jsou známé a specifické pro sledované látky, jako například formaldehyd emitovaný z POM nebo reaktoplastů na bázi fenol - formaldehydových pryskyřic
- na emise nespecifické, tj. emise skupiny látek, obvykle těkavé organické sloučeniny označované zkratkou VOC - Volatile Organic Compounds or Chemicales - Těkavé organické sloučeniny nebo chemikálie - nebo SVOC – Semivolatile Organic Compounds or Chamicales - Polotěkavé organické sloučeniny nebo chemikálie, v automobilovém průmyslu označované slovem FOGGING (zamlžení)
Kromě emisního chování interiérových polymerních materiálů mohou tyto materiály páchnout, tj. nejsou vjemově neutrální.
Problematiku emisí a pachů v interiérech automobilů je nutno řešit již v počátečních úvahách designových a konstrukčních, kdy správnou volbou nekovových materiálů je možno problematiku výrazně ovlivnit, respektive snížit možnost emisního chování materiálů, včetně omezení jejich pachů.
Kromě konstrukčního přístupu k minimalizaci emisí a pachů - vhodný výběr materiálů - je nutno, v případě problémů, prověřit i celý výrobní řetězec - od použití vhodného materiálu a jeho správného skladování, přípravu materiálu před vstupem do plastikační jednotky vstřikovacího stroje – aditivace, sušení - vlastní zpracovatelský proces - teploty, smykové namáhání při přípravě taveniny, konstrukce formy - smykové namáhání, lokální přehřívání materiálu v tvarové dutině, až po operace navazující na hlavní tvářecí operaci, jako například lakování, kašírování, apod., včetně skladování hotových výrobků, jejich expedici a dopravu do montážního závodu.
Ve výčtu požadavků na udržitelnou konstrukci produktů se objevuje i pojem „modulární konstrukce“. Jádrem idey modularity při konstrukčním projektování je rozdělit složitá zařízení na moduly, které lze individuálně osadit rostoucím počtem stejných dílů. Kombinací těchto modulů lze pokrýt mnoho variant typových konstrukcí. Díky dosaženým úsporám mohou být modulární zařízení vyráběny rychleji a ekonomičtěji. Navíc je lze rychle uvést do provozu a rozšířit díky vysoké flexibilitě. Jako typický příklad modulárních řešení výstřiků z termoplastů je možno uvést různé typy svorkovnic používaných prakticky ve všech strojírenských aplikacích,včetně automobilové průmyslu. Obrázek 13 ukazuje příklady modulárních řešení svorkovnic vyráběných technologií vstřikování termoplastů.
 |
| Obrázek 13 : Příklady modulárních konstrukcí složených z výstřiků z termoplastů – vlevo: výměnná řadová svorkovnice; vpravo: trojrozměrná rozvodka signálu |
Pro zajímavost uvedu i jaké úvahy byly o modulární konstrukční koncepci v automobilovém průmyslu počátkem devadesátých let minulého století. Například konstruktéři automobilky Mercedes-Benz se v té době zabývali konceptem VRC – Vario Concept Car – obrázek 14. Výsledkem byl plně funkční prototyp vozu, jež v sobě kombinoval kabrio, kupé, kombi a pick-up. Na jeden auto dobrá možnost různého využití. Designově to není žádná velká sláva, ale variabilita vozu byla příkladná. Bohužel ale tento koncept skončil po představení v roce 1994 v muzeu a Mercedes, stejně jako ostatní automobilky (například Lancia, Chrysler, Citroen, Nissan, Fiat a i Škoda s prototypem modelu Felicia FUN u něhož dvoumístný pick-up se odsunutím zadní stěny změnil na plážové vozidlo pro čtyři), které obdobné modulární koncepty připravovaly, nadále vyrábí pouze jednoúčelová auta.
 |
| Obrázek 14 : Modulární koncepce konstrukce automobilu – čtyři v jednom – Mercedes-Benz VRC |
Jak se prolíná celým článkem - při výrobě automobilů může používání plastů nejen nahradit tradiční kovové materiály, ale také účinně snižovat hmotnost vozidla. Pojďme si na příkladu exteriérového dílu Kryt vnějšího zrcátky – obrázek 15 - říci proč tomu tak je.
 |
| Obrázek 15 : Exteriérový výstřik – Kryt vnějšího zrcátka |
Kryty vnějších zrcátek automobilů je možno typově zařadit mezi exteriérové a vzhledové díly. Obvykle se vstřikují z ABS, PC/ABS, ASA, PBT + GF, PC apod. Jako představitele polymerního materiálu pro vstřikování Krytu vnějšího zrcátka zvolíme granulát ABS.
Volba ABS (amorfní kopolymer akrylonitrilbutadienstyren, hustota 1,045 g.cm-3) nebo příbuzných polymerních materiálů vychází z kompability (vzájemné slučitelnosti) jeho komplexních vlastností s požadavky kladenými automobilovým průmyslem na daný typ dílů:
- dobré mechanické vlastnosti – odolnost vůči rázu – butadienová složka ABS dává materiálu vysokou houževnatost, která vydrží dopady létajícího znečištění při provozu automobilu, při jeho údržbě – mytí, parkování, včetně menších kolizí při jeho provozu, což snižuje riziko porušení krytu; tuhost - akrylonitril a styren poskytují dostatečnou strukturální pevnost pro zajištění nízkého stupně deformovatelnosti při dlouhodobém používaní za různých vnějších podmínek
- snadná zpracovatelnost – vhodnost pro technologii vstřikování – portfolio materiálů ABS nabízí výběr potřebné tekutosti ve vztahu ke konstrukci daného krytu; je vhodné pro efektivní vstřikování složitých geometrií; umožňuje i výrobu drobných tvarů na krytech zrcátek; jeho vlastnosti jsou přátelské k povrchovým vzhledovým úpravám – lesk, desény, textury, lakování, pokovování – je vhodný pro různá estetická řešení požadavků různých modelů automobilů
- cena, hmotnost – ve srovnání s výše uvedenými termoplasty používanými na výrobu výstřiků Kryt vnějšího zrcátka vychází ABS nákladově nejlépe – průměrná kilogramová cena ABS je cca 2,21 EUR , stejná cena pro PC je 3,22 EUR; hustota materiálů, která určuje jejich hmotnost je také příznivá – ABS 1,045 g.cm-3, ASA 1,07 g.cm-3, PC/ABS 1,15 g.cm-3, PC 1,21 g.cm-3
- odolnost proti vlivům životního prostředí – teplotní odolnost podle požadavků automobilového průmyslu -20 °C až +80 °C splňuje (maximální trvalá teplotní odolnost cca 105 °C); možnost aditivace proti UV záření a dalším přírodním podmínkám, výběr z materiálů, které mají ve svých materiálových listech uvedeno, například: High Weatherability (vysoká schopnost, odolnost povětrnostním vlivům) nebo Wheatherseal applications (vhodnost pro aplikace odolávající povětrnostním vlivům)
- bezpečnostní požadavky a předpisy – možnost z výběru granulátů s hodnou odolnosti hořlavosti UL 94 V-0, vypořádání s bezpečnostními požadavky jednotlivých automobilek – materiály jsou obvykle uvedeny v seznamu konkrétních uvolněných materiálů dané automobilky; chemická odolnost – údaje výrobce granulátu o chemické stabilitě materiálu
- údržba a udržitelnost – při poruše snadná vyměnitelnost za originální náhradní díl; recyklovatelnost – nejlépe mechanická recyklace, možnost vrácení materiálu do oběhu
ZÁVER
Na závěr uvedu několik příkladů dokládajících, i přes problémy s řešeními po skončení životnosti výstřiků z termoplastů, jejich výhodnost jak z pohledu úspory hmotnosti proti tradičním kovovým materiálům, tak i z pohledu vztahu hmotnost x mechanické vlastnosti. Samotná hustota, pevnost v tahu a modul pružnosti jsou u plastů daleko nižší, než u kovových materiálů, což je na první pohled znevýhodňuje v jejich použití jako konstrukčních materiálů. Na rozdíl od specifické pevnosti v tahu, v která kromě samotné pevnosti v tahu zohledňuje i hustotu konkrétního materiálu. Specifická pevnost v tahu je v našem případě definovaná podílem pevnosti v tahu Rm a hustoty daného materiálu. Při určení specifické pevnosti v tahu byl použil hliník jako etalon - jeho bezrozměrná hodnot byla stanovena jako 1. Ostatní hodnoty pevnosti v tahu jsou tedy děleny pevností hliníku, a tak dostaneme poměrné hodnoty, které znázorňují jak se liší bezrozměrná specifická pevnost v tahu daného polymeru v porovnání se specifickou pevností v tahu hliníku.
Porovnání hustoty některých polymerních materiálů ve vztahu k hustotě kovových materiálů je na dalších obrázcích – obrázek 18, 22, stejně jako porovnání pevnosti v tahu Rm - obrázek 19, 23 a specifické pevnosti v tahu Rms - obrázek 16, 17, 20, 21, 24, 25.
 |
| Obrázek 16 : Porovnání specifické pevnosti v tahu polyolefinů – PE,PP – s kovovými materiály |
 |
| Obrázek 17 : Porovnání specifické pevnosti v tahu neplněných amorfních polymerních materiálů s kovovými materiály |
 |
| Obrázek 18 : Porovnání hustoty vybraných konstrukčních kompozitních materiálů s polymerní matricí – SV 30 – a neplněných polymerních materiálů – POM, PVC (PAK = polyester alkyd = reaktoplast ) - s kovovými materiály |
 |
| Obrázek 19 : Porovnání pevnosti v tahu vybraných konstrukčních kompozitních materiálů s polymerní matricí – SV 30 – a neplněných polymerních materiálů – POM, PVC ( PAK = polyester alkyd = reaktoplast ) - s kovovými materiály |
 |
| Obrázek 20 : Porovnání specifické pevnosti v tahu vybraných kompozitních materiálů s částečně krystalickou polymerní matricí s vláknitým plnivem – SV 30 - neplněných částečně krystalických polymerních materiálů – POM (PAK = polyester alkyd = reaktoplast) - s kovovými materiály |
 |
| Obrázek 21 : Porovnání specifické pevnosti v tahu kompozitních materiálů s amorfní polymerní matricí a vláknitým plnivem – SV 30 – a neplněným amorfním neměkčeným PVC s kovovými materiály |
 |
| Obrázek 22 : Porovnání hustoty high-tech polymerních materiálů – neplněné částečně krystalické materiály PI, PTFE, PEEK; kompozit s částečně krystalickou matricí PEI SV 30; kompozity s amorfní matricí PPS, PSU – SV 30 - s kovovými materiály |
 |
| Obrázek 23 : Porovnání pevnosti v tahu high-tech polymerních materiálů – neplněné částečně krystalické materiály PI, PTFE, PEEK; kompozit s částečně krystalickou matricí PEI SV 30; kompozity s amorfní matricí PPS, PSU – SV 30 - s kovovými materiály |
 |
| Obrázek 24 : Porovnání specifické pevnosti v tahu high-tech polymerních neplněných částečně krystalických materiálů – PI, PTFE, PEEK – a kompozitu s částečně krystalickou matricí a skleněným vláknem PEI SV 30 - s kovovými materiály |
 |
| Obrázek 25 : Porovnání specifické pevnosti v tahu high-tech polymerních kompozitních materiálů s amorfní matricí a 30 % SV s kovovými materiály |
Konec poslední části.
-
Jiří Češka, Nástrojárna Příbram
Výroba vstřikovacích forem, střižných a lisovacích nástrojů, CNC obrábění, elektroerozivní obrábění, laserové navařování.
Lubomír Zeman: Technologie vstřikování termoplastů a snižování hmotnosti výstřiků, 3. část
14.8.2026 Uznávaný autor v oblasti vstřikování plastů, Ing. Lubomír Zeman, připravil odbornou studii věnovanou problematice snižování hmotnosti výstřiků při vstřikování termoplastů. Ve třetí části jsou popsány technologie...
