Studie proveditelnosti a výroba výstřiků z termoplastů, 2. část

Studie proveditelnosti a výroba výstřiků z termoplastů, 2. část

Pokračování článku p. Lubomíra Zemana ze dne 15.12.2016.

5. VÝBĚR VARIANTY TECHNOLOGIE VSTŘIKOVÁNÍ

Ze základní technologie vstřikování se postupem doby odvodila celá řada modifikací, které do vývoje a konstrukce mohou vnést svá specifika. Výše uvedené postuláty obvykle, při jakékoliv variantě technologie vstřikování, jsou platné.

Přehled hlavních variant standardní technologie vstřikování termoplastů:

 - standardní postup - zavření vstřikovací formy - vstřik polymerní taveniny do tvarové dutiny formy - dotlaková fáze - fáze chlazení a plastikace (dávkování ) - otevření formy - vyhození výstřiku z formy:termoplastický materiál ve formě granulí je v plastikační jednotce (obvykle šnekové nebo pístové) teplem převeden do taveniny a přes rozvodný systém formy (studený, horký nebo kombinovaný) dopraven do tvarové dutiny formy, kde vlivem tlaku, který ovlivňuje smrštění - rozměrové změny - ji vyplní a převezme její tvar - plast předává formě teplo a v důsledku ochlazování ztuhne ve finální výstřik, který je z formy vyhozen a cyklus se opakuje   

 - více komponentní vstřikování - vytváření výstřiků z více polymerních materiálů o různých vlastnostech

 - kaskádové vstřikování - postupné plnění tvarové dutiny formy horkým vtokovým systémem s jehlovými tryskami ovládanými hydraulicky, pneumaticky nebo elektromagneticky - odstranění studených spojů

 - vstřikování s využitím systému Dynamic Feed - využití horkého jehlového vstřikovacího systému s měřením tlaku v jednotlivých větvích rozvodu ve zpětné vazbě k výrobě různých výstřiků z téhož materiálu v jedné formě

 - vstřikování s podporou plynu – GIT - Gas Injection Technology - výroba dutých výstřiků, kdy dutinu vytvoří tlak inertního plynu, možnost eliminace napříkpad propadlin na vzhledových plochách nebo zpevněných okrajů dílů

 - vstřikování s podporou vody – WIT - Water Injection Technology - obdoba technologie GIT, která k vytvoření dutin využívá vodu - zrychlení procesu, rovnoměrnější kvalita vnitřních povrchů

 - výroba výstřiků se stěnami malých tlouštěk - o tom, zda se jedná o díly s malými tloušťkami stěn, nerozhoduje absolutní hodnota jejich tlouštěk, ale poměr tloušťky k délce toku taveniny tvarovou dutinou formy s příslušnou tloušťkou

 - vstřikování strukturně lehčených termoplastů - při použití chemického nebo fyzikálního způsobu nadouvání vstřikování výstřiků s povrchovou kompaktní vrstvou a jádrem tvořeným pórovitou strukturou - jakost povrchu výstřiků není vzhledová

 - technologie vstřikování MuCell - pórovitá struktura vzniká již ve speciální plastikační jednotce, výstřik má pórovitou strukturu v celém průřezu - jakost povrchu není vzhledová - nutno platit licenční poplatky - na trhu jsou k dispozici obdobné technologie bez licence

 - mikro vstřikování - výroba přesných výstřiků malých rozměrů a hmotností

 - dekorativní a funkčně dekorativní úpravy výstřiků

       - IMD - In - Mould Decoration - výroba výstřiků se zastříknutou, potištěnou dekorační nebo funkční fólií nebo zastříknutí 3D tvaru s potiskem

       - IMB - In - Mould Labeling - výroba zejména obalů se zastříknutými etiketami

       - Decor Princip - nástřik termoplastické taveniny na textilní tkaniny

 - vstřikování hybridních konstrukčních dílů

      - In - Mould Assembly - ve formě vyrobené hybridní struktury tvořené kovovými díly s plastovými částmi

      - Outsert - nastřikování plastových tvarů na kovovou základnu

      - 3 - D - MID Three Dimensional Moulded - ve formě vytváření propojení mezi jednotlivými sekcemi dílu

      - Interconnect Device - zastřikování různých typů zástřiků - insertů

 - vstřikování kompozitů s dlouhými vlákny - minimalizace degradace - zkrácení - dlouhého, vláknitého, vyztužujícího plniva

 - vstřikování velkoplošných dílů – LIMBT – Large Injection Molded Body Technology

 - vstřikování kovových a keramických prášků – PIM - Powder Injection Moulded

       - MIM - Metal Injection Moulded - výroba kovového prášku, výroba nebo nákup granulátu s obsahem příslušného prášku, polymerní materiál v granulátu slouží jako nosič prášku a po roztavení v plastikační komoře vstřikovacího stroje k jeho dopravení do tvarové dutiny formy  

       - CIM - Ceramic Injection Moulded - místo kovových prášků (například nerezová ocel, W, Ni, atd.), se vstřikují prášky keramické

 - vstřikování PC skel automobilů – Glazing - vstřikování PC skel osvětlení automobilů, střešních oken automobilů, bočních a zadních skel automobilů

 - vstřikování s dolisováním - vstřikování do pootevřené formy s následným uzavřením nebo s pohyblivým tvárníkem - minimalizace vnitřních pnutí ve výstřiku

 - etážové vstřikování - forma má dvě hlavní dělící roviny s tvarovými dutinami a středovým horkým rozvodem - hromadná výroba dílů

 - tandemové vstřikování – TIM - Tandem Injection Moulded - obdoba etážového vstřikování

 - vstřikování se stlačenou taveninou - varianta vstřikování výstřiků s malou tloušťkou stěny, kdy se před vstřikem polymerní tavenina v plastikační komoře stlačí a po otevření trysky stroje vysokou rychlostí dopraví do tvarové dutiny formy

 - kombinace uvedených technologií

Každá z modifikací standardního technologického postupu vstřikování může přinést do konstrukce dílu i formy své požadavky, které je nutno, vedle poznatků uvedených v předešlých kapitolách, zohlednit.


6. ADITIVNÍ, SUBTRAKTIVNÍ A FORMATIVNÍ TECHNOLOGIE – METODY RAPID PROTOTYPING

Jedním z dalších kroků při studii proveditelnosti výroby výstřiku z termoplastů je využití technologií Rapid Prototyping (RP):

 - SLA - Stereolithography Apparatus - Stereolitografie

 - FDM - Fused Deposition Modeling - Ukládání roztavených vrstev - FDM Colo r - barevné vrstvy

 - SLS - Selective Laser Sintering - Výběrové spékání laserem

   - Laser Sintering - Plastic

   - Laser Sintering - Metal

   - Laser Sintering - Foundry Sand (slévárenský písek)

   - Laser Sintering - Ceramic (Direct Shelt Production Casting)

   - DMLS - Direct Metel Laser Sintering - Přímé laserové spékání kovů - do stopy laserového paprsku se přivádí prášek, který se zde natavuje, hlava laseru se pohybuje v osách x, y, z

   - 3DP - Three - Dimensional Printing - Tří rozměrný tisk

   - SLM - Selective Laser Melting - Výběrové tavení laserem

   - 3D Laser Cladding - 3D ukládání laserem

   - Technologie PolyJet - Ukládání vrstev malých tlouštěk

   - Model Maker 3D Plotting - nástřik kapek termoplastu o průměru cca 0, 076 mm, 6 000 až 12 000 kapek/s z tiskové tlakové, vyhřívané hlavy, z druhé hlavy se staví podpěry

   - BPM - Ballistic Particle Manufacturing - tisk pomocí pouze jedné tiskové hlavy, která má 5 stupňů volnosti - tryska vždy míří kolmo k pracovní ploše a tedy nejsou potřeba podpěry

   - PCT - Printed Computer Tomography - obdoba BPM, ale rychlejší

   - ProMetall 3D Printing - zpracovává multijemné prášky kovové, keramické, cermetové, kompozitní se speciálními pojivy, prášky se nanášejí z tiskové hlavy, následně dochází ke slinování, kdy dochází k vyhoření pojiva a slinutí prášku na porezní strukturu s hustotou skoro 100 % 

   - DSPC - Direct Shell Production Casting - keramický prášek je spojován tekutým pojivem s následným selektivním slinováním laserovým paprskem

   - MJS - Multiphase Jet Solidification - kovové nebo keramické prášky se pomocí vyhřívané trysky, ve které materiál dosáhne potřebné viskozity, a pístu vytlačí v příslušné vrstvě

 - LOM - Laminated Object Manufakturing - Výroba laminováním vrstev a vyřezáním laserem

 - HOT PLOT - obdoba LOM, ale vyřezání probíhá žhavenou řezací elektrodou

 - SGC - Solid Ground Cutting - Vytvrzování z pevného podkladu - přes šablonu celá vrstva najednou

 - POLYJET MATRIX - Vytvrzování dvou typů fotopolymerů UV lampou

 - MULTI - JET MODELING - Vytlačování termoplastického vosku nebo terpolymeru pomocí tiskové hlavy

- THERMOPLASTIC INKJET WITH MILLING - Kombinace vytlačování termoplastického vosku a horizontálního frézování

 - DIGITAL LIGHT PROJECTION - Nasvícení fotopolymeru UV lampou projekcí řezu modelu

 - PLASTIC VACUUM CASTING - Lití plastů pod vakuem - VACUUM CASTING SYSTEMS

 - METAL PRESSURE VACUUM CASTING - Tlakové vakuové lití kovů

 - RIM - Reaction Injection Moulding - Reakční vstřikování

 - RRIM - Reinforced Reaction Injection Moulding - Reakční vstřikování vyztužených materiálů

 - THERMOFORMING - Tvarování polotovarů za tepla a vakua

 - CNC MILING - CNC frézování

 - FREEFORMER – RP vytváření reálných dílů ze vstřikovacích granulátů

Tyto technologie a jejich další varianty umožňují vytvářet vnější i vnitřní tvary součástí prakticky jakkoliv složité a to bez standardních výrobních nástrojů a technologií. Jejich praktické využití je například v:

 - prostorovém zobrazení složitých 3D tvarů

 - optimalizaci - možnost výběru z několika variant

 - nalezení chyb ve výrobní dokumentaci - chyby designéra, respektive konstruktéra výstřiku

 - nalezení chyb v koncepci - chyby realizačního týmu

 - ověření vyrobitelnosti

 - ověření smontovatelnosti

 - posouzení a kontrola výsledného tvaru - vzhledu

 - výroba modelů pro další zpracování, například pro výrobu odlévacích forem

Kromě frézování, reakčního vstřikování, vakuového odlévání a tvarování polotovarů se jedná o aditivní technologie (součtové, vrstevné), které podle použité technologie pracují s:

 - fotopolymery

 - termoplasty

 - speciálně upraveným papírem

 - kovovými prášky

 - sádra

 - atd.

Základem pro aditivní výrobu dílu je jeho 3D model a jeho převedení do formátu STL a rozdělení na vrstvy. Rozdělení dílu ve formátu STL, laicky řečeno, znamená, že matematický model součásti je rozřezán vodorovnými řezy na vrstvy.3D model vznikne buď standardním konstrukčním postupem nebo postupem Reverse Engineering - digitalizací reálného dílu s následným 3D modelováním. Po rozdělení modelu se nanášejí jednotlivé vrstvy materiálu ve formě kapaliny, taveniny, prášku, plátů na sebe a spojují se dohromady. Výrobek je tedy stavěn postupně, vrstva po vrstvě, až do konečného tvaru. Pro převislé části tvarů, dutiny a podobné konstrukční prvky a detaily se od počátku stavby vytvářejí podpěry, které se po dokončení stavby dílu odstraní. Po vytvoření dílu se tento očistí, zbaví podpor a provedou se s ním následné operace - opracování, vyhlazení, nalakování, lepení, atd.

Výhodou aditivních technologií je rychlá příprava výrobních dat a v porovnání s konvenčními výrobními způsoby jejich relativně rychlá a levná realizace.

V dalším textu se budeme zabývat RP technologiemi, které mají nejčastější využití při vývoji a výrobě výstřiků z termoplastů.

Aditivní technologie RP

Technologie na bázi fotopolymerů


6.1 Stereolitografie – SLA

Stavba modelu je založena na postupném vytvrzování kapalného fotopolymeru - po dokončení vytvrzování jedné 2D vrstvy definované ve formátu STL ve 3D modelu, se zhotovovaný díl posune o vrstvu a vytvrzuje se další vrstva. Tloušťka vrstev se dá zvolit v rozmezí 0, 05 až 0, 15 mm. Po ukončení tisku se může opracovat a upravit jeho povrch v UV komoře, kde se součásti dodá požadovaná jakost povrchu, barva, atd.  

Technologie na bázi práškových materiálů


6.2 Selective Laser Sintering – SLS

Principem metody, bez ohledu na zpracovávaný materiál, je nanesení prášku o velikosti částic od 20 do 100 mikrometrů na základovou desku. Nanesený prášek se CO2 laserem nataví - speče a to pouze v požadovaném místě. Okolní materiál zůstává nepečený a slouží jako podpora pro převislé části spečeného dílu. Po spečení jedné vrstvy se základová deska posune o tloušťku vrstvy dolů, nanese se další vrstva prášku a proces spékání se opakuje až do dokončení dílu.

Nejproduktivnější z těchto technologických postupů je technologie 3DP. Technologie PolyJet díky nanášení vrstev o malá tloušťce - 16 mikrometrů - umožňuje vytvářet hladké - imitace lesku - a tenké stěny.

Metoda DLMS pracuje s kovovými prášky typu ocel, nerezová ocel, martenzitická ocel, kobalt chrom, titan, slitiny bronz - nikl, tloušťka 20 až 40 mikrometru, tloušťka stěn dílu od 0, 4 mm. Sintrování probíhá v atmosféře inertního plynu. Variantou metody DLMS je technika 3D Laser Cladding u níž se kovový prášek kontinuálně přidává do stopy dopadu laserového paprsku. Takto vyrobené díly mají hustotu a mechanické vlastnosti srovnatelné s díly vyrobenými klasickými technologiemi.

Technologie na bázi tuhých materiálů


6.3 Fused Deposition Modeling – FDM

Technologie FDM je založena na natavování termoplastického materiálu - ABS, PC, PC/ABS, PPSU,

PA, ASA, ULTEM, TPE, termoplastické vosky - navinutého ve formě drátu na cívce, ze které je dávkován do vyhřívané trysky a nanášen ve vrstvách o tloušťce 0, 178;0, 254;0, 330 mm na podložku. Tisková hlava se pohybuje v rovině X, Y dokud nedokončí jednu vrstvu. Následně se tisková hlava posune v ose Z směrem nahoru o příslušnou tloušťku vrstvy a ukládá další vrstvu materiálu.


6.4 Laminated Object Manufacturing - LOM

Modely vyrobené touto technologií jsou tvořeny laminovanými vrstvami fólií. Jednotlivé fólie o tloušťce 0, 01 až 0, 20 mm, například z papíru, PA, PBT, keramiky, kovu, kompozitů, jsou opatřeny přilnavým nátěrem a jsou přilepeny k předešlé vrstvě nebo tepelně spojeny. Po výrobě příslušného počtu vrstev je laserem nebo nožem vyřezána kontura dílu.


6.5 Freeformer - Arburg

Aditivní způsob výroby plastových dílů na základě 3D dat návrhu CAD, ze standardních vstřikovacích granulátů, bez použití forem. V technologickém zařízení Freeformer, oproti jiným zařízením RP, je tisková hlava stacionární a pohybuje se nosič součásti poháněný lineárními motory a tím umožňuje výrobu součástí s volným tvarováním.

Malý šnekový extruder připravuje polymerní taveninu, kterou piezoelektricky řízené jehlové (kmitající) dávkovací zařízení dávkuje ve formě kuliček ve vrstvách na vznikající díl.    


6.6 Post Processing – Dokončování RP dílů

Všechny díly vyrobené některou z aditivních technologií RP lze následně obrábět, brousit, lepit, leštit, barvit, atd.

Rozměry pracovních komor zařízení RP jsou v řádu stovek milimetrů a pro výrobu větších dílů nebo celků se tyto skládají z menších částí odpovídajících velikosti komory příslušného zařízení.

Formativní - utvářející - technologie RP


6.7 Vakuové licí systémy

Dále uvedené technologie umožňují výrobu většího počtu dílů a jsou založeny na použití master modelu vyrobeného například některou z technologií RP, obrobený model, atd.

6.7.1 Plastic Vacuum Casting

V podstatě se jedná o výrobu silikonové odlévací formy, do níž je obtisknut master model dílu. Na vakuovém odlévacím zařízení je do silikonové formy odlit dvousložkový materiál na bázi PUR, který v ní zesíťuje a vytvoří díl, který je dále možno opracovávat, barvit, atd. Vlastnosti dílu vyrobeného z reaktoplastu se podle jeho nastavení obvykle blíží vlastnostem termoplastického amorfního ABS. Počet vyrobených dílů z jedné silikonové formy se pohybuje, podle složitosti, řádově v desítkách kusů.


6.7.2 Metal Pressure Vacuum Casting

Metoda je vhodná pro výrobu prototypů z kovových materiálů - hliník, měď, mosaz, bronz, zinek,

drahé kovy. Materiály se lijí pod tlakem maximálně 2 bary a vakuem do forem vyrobených z formovacích směsí, například metodou ztraceného vosku. Velikost odlitků, které se dále upravují, se pohybuje od několika milimetrů krychlových do cca 400 cm3.

Subtraktivní - odečítací - technologie RP


6.8 CNC frézování

Materiál obrobků - kovy, plasty, kompozitní materiály, dřevo, apod.


7. PODMÍNKY ZAFORMOVATELNOSTI VÝSTŘIKU

Po zvážení, v předešlých kapitolách uvedených podmínek a požadavků, přichází na řadu hlavní úkol pro konstruktéra formy. Tímto úkolem je, na základě 3D modelu výstřiku a jeho výkresu s definicí jakosti - rozměry a jejich tolerance, úchylky tvaru a polohy a jejich tolerance, jakost povrchu, atd., zejména stanovení průběhu dělících rovin, tj. zda půjde výstřik zaformovat, například pouze do hlavní dělící roviny ve směru otevírání (vyhazování výstřiku z formy) formy nebo bude nutno řešit zaformování výstřiku pomocí mechanicky ovládaných čelistí, hydraulicky ovládaných tvarů, šikmých tvarových vyhazovačů, vytáčecích mechanizmů pro závity, apod.

Dalším úkolem je, na základě údaje o předpokládaném ročním výrobním množství výstřiků, stanovit násobnost formy, tj. kolik výstřiků bude v dělící rovině formy zaformováno. U párových dílů typu levé a pravé, obvykle zrcadlově otočené provedení, bývá násobnost zřejmá, v dalších případech do určení násobnosti vstupují i další, zejména ekonomická hlediska a v neposlední řadě i požadavky na rozměrovou a tvarovou přesnost. Z pohledu efektivity výroby rozměrově a tvarově přesných výstřiků by konstruktér formy měl vzít do úvahy, že k dosažení přesnosti, například ve stupni IT 9 nebo IT 8 - viz kapitola 4 - je nutno konstruovat formu s co nejmenší násobností, samozřejmě, že vždy s přihlédnutím ke vstřikovanému materiálu.

Po stanovení násobnosti formy a zaformování výstřiku - průběh dělících rovin - konstruktér formy, opět s ohledem na ekonomičnost výroby, volí systém vtokového rozvodu - studený rozvor s automatickým oddělováním vtokového zbytku (například tunelové nebo banánové ústí vtoku) nebo s ústím vtoku s následným jeho ručním oddělením nebo oddělením pomocí oddělovacího mechanizmu například na chapadle robota, apod. Kromě studených vtokových rozvodů může volit i horké systémy - s vnějším nebo vnitřním vyhříváním, s uzavíratelnou jehlou, kaskádový nebo sekvenční systém, atd., dále kombinované systémy - horký rozvod navazující na studené vyústění do stěny výstřiků.

Po stanovení zaformování a určení způsobu přivedení polymerní taveniny do tvarových dutin formy musí jako další konstrukční krok následovat návrh temperačního systému formy. Zde by konstruktér formy měl vzít v úvahu zejména požadavky na co největší možnost teplotního ovlivnění jednotlivých tvarových sekcí - rozdělení temperačního systému na samostatné okruhy se vstupem temperačního média ve stejném okamžiku do všech okruhů, požadavek na turbulentní proudění temperačního média - nejčastěji vody - v temperačních kanálech formy, požadavek možnosti ovlivňovat teplotu v okolí ústí horkých trysek, atd,

V neposlední řadě by konstruktér formy měl stanovit, jaké normalizované systémy bude v konstrukci formy používat a stanovit hlavní rozměry vstřikovací formy - největší obvodové rozměry upínacích desek a stavební výšku formy.


8. STANOVENÍ VELIKOSTI VSTŘIKOVACÍHO STROJE, POTŘEBY PERIFERNÍCH ZAŘÍZENÍ A AUTOMATIZACE PROCESU VSTŘIKOVÁNÍ

Z návrhu koncepce zaformování výstřiku, jak bylo uvedeno výše, vyjde velikost formy, respektive její rozměry, a spolu se znalostí objemu nebo hmotnosti výstřiku nebo kompletního zdvihu, tj. všech výstřiků a jejich vtokových rozvodů, je možno určit potřebnou velikost vstřikovacího stroje - jeho uzavírací sílu, průchod mezi vodícími sloupy, u bez sloupových strojů maximální velikost upínacích desek pro umístění formy, včetně stavební výšky formy - minimální a maximální výška v prospektu nebo manuálu vstřikovacího stroje. V technické dokumentaci vstřikovacího stroje jsou uvedeny i rozteče a velikost upínacích otvorů se závity na upínacích deskách stroje nebo rozměry drážek pro upínání pomocí T drážek a šroubů, včetně průměrů centrážních kroužků a rádiusu vstřikovací trysky vstřikovacího stroje.

Z požadavku na vyhazování výstřiku z formy - vyhazování výstřiků pod formu do transportní bedny nebo na dopravník, vyjímání z formy ručně nebo robotem, atd. vyjde konstruktérovi formy i jeden z požadavků na konstrukci vyhazovacího systému formy.

Z tvaru výstřiku, jeho materiálu, konstrukce formy a dalších požadavků jako je barvení barevným koncentrátem přírodních granulátů, případně jejich aditivace, zakládání zástřiků do formy, ukládání výstřiků na dopravník, jejich kontrola v rámci vstřikovacího cyklu, stohování a další operace po jejich vyhození z formy, vyplývá použití přípravků, periferních zařízení - sušárny granulátů, barvící a dávkovací zařízení, ofukovací zařízení, atd. - a automatizačních prostředků - odstřihovače vtokových zbytků, použití robotů - lineární nebo s několika stupni volnosti, atd.


9. MATEMATICKÉ SIMULACE, PEVNOSTNÍ, TEPELNÉ A DALŠÍ VÝPOČTY

Dále uváděné simulace a výpočty zapadají do konceptu digitálního, virtuálního prototypu, což je nástroj, který umožňuje před vlastní výrobou výstřiku komplexně tento testovat, ověřovat před tím než bude reálně vyroben. Je to cesta jak rentabilně, prakticky bez narušení existujícího výrobního a pracovního procesu, nejpříměji, pouze s jedním digitálním 3D modelem dílu, pracovat ve všech fázích realizace, zejména v přípravných fázích, kdy se na příští realizaci podílí větší množství inženýrských a konstrukčních disciplín.

Simulace tedy umožňuje prověřit prakticky všechny aspekty konstrukce a případných navrhovaných změn bez nutnosti vynaložení zdrojů na jejich realizaci. Náklady na odstranění následků špatného rozhodnutí nebo úprava již hotového řešení jsou, v oboru vstřikování plastů, obvykle velmi nákladné až nemožné.

Simulace výrazně zkracují časovou náročnost vývoje, napomáhají k pochopení příčin vzniku problémů v reálném výrobním procesu, včetně zkoumání možností nápravy chyb vzniklých při návrhu výstřiku a případně i zpětně po vzniku chyby ve výrobě.

Určitou nevýhodou simulačních postupů je nutnost odbornosti jak pro zadání úkolů simulace, tak i pro interpretaci získaných výsledků.

Pro simulační analýzy designu výstřiku a jeho vlastností, vstřikovací formy a vstřikovacího procesu je k dispozici řada software, mezi nejznámější a nejčastěji používané patří programy a produkty:

 - Autodesk Simulation Moldflow

 - Cadmould 3D - F

 - Moldex 3D

 - SolidWorks Plastics integrovaný do CAD, CAE programového vybavení SolidWorks

Spolehlivost, přesnost a rychlost simulačních výpočtů je závislá na možnostech příslušného hardware a software, na kvalitě materiálových dat výstřiku a v neposlední řadě na tom jaké rozdíly jsou mezi analyzovanou podobou konstrukce výstřiku, formy a ve výpočtech nastavenými technologickými parametry vstřikování a poté skutečnou výrobní realizací výstřiku.

Přesnost simulačních výsledků je výrazně ovlivněna vstupními daty, především zadávanými daty konkrétního vstřikovaného materiálu nebo alespoň jeho co nejbližšího ekvivalentu, v případě když od příslušného materiálu nejsou k dispozici pro výpočty potřebná data.

V případě, že se v průběhu vývoje dílu změní jeho konstrukce, konstrukce formy, atp. nemůžeme s dřívějšími výsledky simulací vystačit a pro získání správných výsledků je nutno simulace se změnami provést znovu.  

Důležitá je i rychlost výpočtů, protože v rámci simulací by se vždy mělo pracovat s několika variantami, abychom získali optimální výsledek.

Zadáním, kromě materiálových dat, je 3D model výstřiku v některém CAD formátu - STEP, IGS, X - T, STL, atd., návrh vtokového a temperačního systému formy, včetně definice zadání, tj. cíl simulačních analýz, s jejichž vypovídající schopností uživatel bude dále pracovat, zpřesňovat a optimalizovat další předvýrobní i výrobní kroky.

Co mohou analýzy nabídnout - například:

Technologický design výstřiků z termoplastů

 - optimalizace umožňuje dosáhnout úspor materiálu - zmenšení tlouštěk stěn výstřiku - s následným zkrácením vstřikovacího cyklu, odstranění nežádoucích deformací, odstranění kritických míst, atd.

Analýzy procesu vstřikování

 - analýzu plnění tvarových dutin formy - predikce slabých míst, například neodpovídajících technologičnosti konstrukce výstřiků z termoplastů; návrh nejvýhodnější polohy ústí vtoku (minimalizace míst s předčasným zamrzáním toku taveniny a detekce uzavírání vzduchu); odhalení míst se studenými spoji (zlepšení vzhledových a pevnostních charakteristik výstřiku);s uzavíráním vzduchu ( možnost odvzdušnění formy zakomponovat do její konstrukce);zjištění orientace vláken u vyztužených kompozitů s polymerní matricí a jejich vliv na konečný tvar a vlastnosti výstřiku; určení míst, ve kterých dochází vlivem vysokého smykového namáhání k přehřívání vstřikovaného materiálu (prevence degradace materiálu a možných deformací výstřiku)

 - analýzu dotlakové fáze - prověření konstrukce vtokového rozvodu a polohy ústí vtoku - variantní simulace; návrh optimální doby dotlaku a jeho tlakové úrovně nebo časového průběhu (možnost zjištění a tím i odstranění nebezpečí tvorby lunkrů, propadlin povrchu dílu, snížení možných deformací)

 - analýzu chladícího systému formy - zvýšení účinnosti a efektivnosti systému a jednotlivých temperačních okruhů (zmenšení deformací, odstranění nebo minimalizace přehřátých míst, zkrácení doby výrobního cyklu);návrh změn v konstrukci temperačních systémů - komformní chlazení, použití vložek z vysoce vodivých materiálů, atd.

 - analýza smrštění a deformací - výpočet průměrného smrštění a současně i možnost měření velikosti smrštění mezi dvěma libovolně zvolenými místy výstřiku; výpočty smrštění, včetně deformace a zároveň stanovení pouze deformace zobrazené vůči dílu upravenému o vypočítané průměrné smrštění; fixace analyzovaného dílu pro výpočet deformací podle skutečného uložení v reálném procesu jak měření, tak i použití; výpočet změny polohy zvoleného bodu konstrukce výstřiku po smrštění a deformaci, případně změny polohy a vzájemné vzdálenosti dvou bodů dílu po smrštění a deformaci; stanovení odchylek rovinnosti vybraných ploch, odchylek kruhovitosti otvorů, změn úhlu stěn, měření přímosti a obloukových vzdáleností - vše s možností porovnání původní 3D geometrie s geometrií po smrštění a deformaci; přenos 3D modelů se zahrnutými rozměrovými změnami po smrštění a deformaci zpět do CAD software pro další zpracování, například pro mechanické výpočty nebo změny tvaru dutin formy, apod.  

 - analýza 2K vstřikování, včetně deformací obou dílů z různých polymerních materiálů, působení jejich vzájemných teplot a deformace jednoho na druhý dílu - design

 - analýza deformací zástřiků jak kovových tak plastových, vznikajících působením tlaku a dotlaku v tvarové dutině formy (optimalizace vtokového systému a vstřikovacích parametrů pro minimalizaci deformací)

 - analýza technologií WIT a GIT

 - analýza kaskádového vstřikování

 - analýza deformací tvarových částí vstřikovacích forem při působení tlaku a dotlaku polymerní taveniny, kromě zjištění deformací je možno spočítat i napětí podle VonMisesse a zejména změnu tloušťky výstřiku vlivem deformace tvarové části formy - problém s vyhozením dílu z formy

Strukturální analýzy plastových dílů

 - hloubková analýza vstřikovacího procesu zaměřená na mechanickou pevnost výstřiku - zjišťuje stav reziduální napjatosti po vyhození dílu z dutiny formy a změny materiálových vlastností vlivem orientace vláken plniva u kompozitních výstřiků; analýza může zohlednit znalost výskytu studených spojů, případně lunkrů a optimalizovat nastavení technologických parametrů ovlivňujících mechanickou pevnost dílů 

 - simulační programy umožňují výstupy do mnoha softwarů pro pevnostní výpočty, například do - Abaqus, Ansys, MSN Nastran, NE Nastran, LS Dyna, Marc - pomocí výstupů z analýz vstřikování lze zpřesnit výpočty tuhosti a pevnosti dílů z vláknitých kompozitů s termoplastickou matricí (zahrnout do výpočtu anizotropii vlastností zjištěnou simulací vstřikování kompozitu), počítat deformace - posuny zástřiků, deformace jader a tvarových prvků forem, mechanická zatížení forem, včetně „dýchání“ tvarů forem, výpočty obsahu vnitřního pnutí ve výstřiku indukovaného tokem taveniny - orientační vnitřní pnutí - a teplotním polem ve výstřiku

 - jedním z problémů, které se korektním výpočtům určitým způsobem staví do cesty, je poměrně rychlý vývoj kompozitních materiálů s vyztužujícími vlákny různého původu, pro která nejsou k dispozici potřebná vstupní výpočetní data     

V oblasti simulací pouze dobrý popis vlastností materiálu může vést k dobrým výsledkům výpočtu dílů. Běžně používané CAE (Computer Aided Enginnering) metody a i myšlení konstruktérů je obvykle spojeno s izotropií materiálů, tedy s jejich homogenitou. Pro heterogenní kompozitní materiály není dostatek modelů pro popis jejich fyzikálních vlastností. Popis musí řešit jejich vlastnosti, zejména mechanickou pevnost, v různých směrech při teplotně a rychlostně závislém chování, včetně mezních stavů porušení.

K popisu a modelování složitých struktur vyztužených plastů, kompozitů, nanostruktur je možno využít například program Digimat firmy e - Xstream enginnering SA. Program dokáže popsat reálné anizotropní, nelineární, teplotně a rychlostně závislé chování materiálů - chování mechanické, elektrické i teplotní. Charakterizuje materiály jak z mikropohledu, tak i makropohledu, umožňuje virtuální tvorbu receptur a technologických postupů, pomocí reverzního inženýrství dokáže získat nelineární, teplotně a rychlostně závislé anizotropní charakteristiky existujících materiálů a podporuje výsledky analýz toku polymerních materiálů se vstupy do pevnostních, tepelných nebo elektrických analýz.

U všech simulací platí - každá simulace je tak přesná, jak jsou přesné její vstupní parametry. K uvedenému konstatování je nutno ještě dodat, že bez správné interpretace získaných simulačních výsledků nejsou ani reálné výstřiky mající požadované jakostní parametry a vyrobené s nejnižšími možnými náklady.

1. část »

3. část »

4. část »

  • autor:
  • Lubomír ZEMAN, PLAST FORM SERVICE, s.r.o.


    Mohlo by vás také zajímat



     

    Nejnovější inzeráty

    Nejbližší výstavy a semináře

    Plastikářský slovník