Konstrukce a výroba forem pro malosériovou výrobu vstřikování plastů

8.4.10.2 Konstrukce a výroba forem pro malosériovou výrobu vstřikování plastů

Ing. Miloš Sova, CSc.

Při výrobě vzorků, prototypů a malých sérií je z ekonomických důvodů nevýhodné používat běžné formy. Pro tyto účely se většinou vyrábí nástroje jednoduché, s nízkou pracností nebo se používají speciální metody, které jsou rychlé a levné.

U malosériové výroby se také často využívá univerzálních rámů, do kterých se upnou vyrobené tvarové vložky, doplněné obvykle vyhazovači, případně některými dalšími díly. Využití formy se tím omezí jen na výrobu těchto dílů. Tím se fungování formy zredukuje a urychlí. Sníží se i náklady na neproduktivní prostoje při časté výměně forem, pokud je rám konstruován tak, že se vyměňují jen funkční vložky a rám je stále upnutý na vstřikovacím stroji. Nedojde tak ke ztrátám plastu, jeho degradaci v komoře vstřikovacího stroje a vzniku dalších operací souvisejících s čištěním, konzervováním apod.

Výroba výstřiků v jednoduchých formách bývá nákladnější z důvodů delšího pracovního cyklu. Řešení bývají různá, ne vždy optimální. Především u forem z nekovových materiálů jsou vyžadovány odlišné technologické podmínky vstřikování. Proto je třeba k realizaci takových forem i k dosaženým výsledkům přistupovat obezřetně.

Formy pro malosériovou výrobu jsou určeny především životností a pořizovacími náklady. Vstřikování probíhá při běžných hodnotách technologických parametrů stroje. Použijí-li se měkčí materiály na funkční díly, přihlíží se k jejich snížené pevnosti, tepelné odolnosti apod. Nejobtížnější díl formy představuje tvarová dutina. Její realizace je dána speciálními technologiemi výroby i koncepcí celé formy. Tvárník a ostatní díly takto zjednodušené formy se ve většině případů vyrábějí běžným způsobem.

Tabulka některých metod výroby tvárnic forem a dosahované životnosti:

Metoda Optimální počet zdvihů [ks]

Výroba tvárnic odléváním z licích pryskyřic 100 - 2 000

Výroba tvárnic nástřikem kovu 1 000 - 5 000

Výroba tvárnic lisováním tekutého kovu 30 000 - 60 000

Výroba tvárnic galvanoplastikou 50 000 - 100 000

Jedním z jednodušších postupů výroby tvarových vložek formy, především tvárnic, je jejich odlévání z licích pryskyřicí. Při této výrobě nelze použít všech známých druhů pryskyřic. Jsou voleny jen takové, které jsou snadno zpracovatelné a splňují požadované funkční vlastnosti, kladené na vstřikovací formy. Z nich nejdůležitější jsou:

- dobrá tepelná a mechanická odolnost při vstřikování;

- dostatečná tepelná vodivost;

- odolnost proti opotřebení a dostatečná životnost.

Požívají se plněné epoxidové pryskyřice. Vhodná je například EP 250 od firmy HEK - GmbH. Při porovnání licích pryskyřic s běžnými kovy, ze kterých se konvenční formy vyrábějí, se ukazuje, že kovy vykazují pevnost o řád vyšší, než mají pryskyřice. Také velikost deformace je u kovů zanedbatelná. U pryskyřic jsou tyto vlastnosti horší, ale pro potřebnou výrobu malého počtu výstřiků vyhovují.

Mechanická pevnost použité pryskyřice musí být zachována i při působení vyšší teploty při vstřikování. Také tepelná vodivost je velmi důležitá pro výměnu tepla formy s okolím. Pryskyřice je izolant a její tepelná vodivost se zvýší plnivem, dobře vodícím teplo. Tím se zvýší nejen pevnost, ale i tepelná odolnost. Přitom musí zůstat pryskyřice tak tekutá, aby při odlévání zaručovala dokonalou reprodukci modelu. Pevnost v tlaku se zvýší vhodnou konstrukcí a také tím, že se tvarová vložka z pryskyřice upevní do ocelového rámu formy. Omezí se její tažnost.

Těžištěm výroby dutiny je model, zvětšený o lineární smrštění licí pryskyřice. Pro jeho snadné vyjmutí z odlité dutiny jsou vyžadovány úkosy. Jakost povrchu modelu bude obrazem budoucích výstřiků. Důležitá je také separace tvaru i všech vložek, které kopírují povrch.

Obrázek výroby dutiny formy odléváním:

1 - model, 2 - povrchová vrstva, 3 - výplňová pryskyřice, 4 - výztuž

a) odlévání, b) laminování

Výroba dutiny vložky formy probíhá tak, že upravený a naseparovaný model spolu s odlévacím rámem je upevněn na modelovou desku. Na povrch modelu je pečlivě nanesena tupováním tenká povrchová vrstva pryskyřice a nechá se zželatinovat. Na ni je nalita výplňová pryskyřice s plnivy a nechá se vytvrdit. Po odlití je vhodné dutinu vakuovat, aby se zvýšila pevnost a kvalita odlitku. Stěny mají mít přibližně stejnou tloušťku, aby nevzniklo velké pnutí, vyvolané vytvrzovací teplotou a smrštěním pryskyřice. Mohlo by dojít až k popraskání celé odlité vložky. Způsob vytvrzení určuje druh zalévací pryskyřice. Zlepšení odvodu tepla z tvarové vložky umožní zalité chladicí trubky. Zhotovená vložka o požadovaných rozměrech je vložena do připraveného rámu a upevněna. Tím je připravena na vstřikování. Je také možné vložku z pryskyřice zalít přímo do rámu formy.

Ostatní díly zjednodušené formy se mohou vyrobit obdobnou nebo i jinou vhodnou metodou. Při vstřikování do takové formy se poněkud mění technologické parametry vstřikování. Prodlouží se pracovní cyklus minimálně o 15 %, vzhledem k horší tepelné vodivosti pryskyřice. Vyšší životnosti se dosáhne při využití možných nízkých teplot i tlaků, daných vstřikovaným plastem. Největší opotřebení vzniká většinou u ústí vtoku. Smrštění výstřiku je stejné jako u ocelových forem. Jen jeho povrchová jakost s postupujícím počtem vyrobených kusů klesá.

U větších tvarů, kde je nebezpečí popraskání odlité vložky formy vlivem velkého smrštění pryskyřice, je vhodnější používat laminování. Technologie výroby je obdobná. Rozdíl je v tom, že na naseparovaný model se nanese kontaktní pryskyřice, která se nechá zželatinovat (zavadnout). Na tuto vrstvu se opatrně přikládá skleněná výztuž, která se prosytí pryskyřicí. Odevšud je třeba vypudit vzduch, aby nepoškodil vrstvu kontaktní pryskyřice. Pro dostatečnou pevnost a tuhost se nanáší několik vrstev. Hmotnost laminovaných forem je menší, ale pracnost větší.

Při práci s odléváním i laminováním se používají ochranné pomůcky (rukavice, brýle, ...) a dbá se na osobní hygienu a dokonalé větrání pracoviště.

Výroba formových dutin ze speciálních slitin nástřikem je určena především pro zabezpečení forem pro zkušební, ověřovací a malé série výstřiků. Dutina se vyrábí tím způsobem, že se na připravený model nastříkne slabá vrstva speciální slitiny. Model se z dutiny vyjme a vzniklá skořepina se zalije zalévací pryskyřicí nebo nízkotavitelným kovem a upraví do tvaru vložky formy. Třískově se dokončí potřebný tvar, zhotoví se otvory pro vyhazovače, jádra atd. Takto upravená vložka s ostatními vyrobenými díly se upne do rámu formy. Nástřik kovu na model se provádí stříkací pistolí a speciální slitinou. Uvedené technologické zařízení a slitiny vyrábí a dodává německá firma HEK pod názvem MCP.

Obrázek nástřiku skořepiny:

1 - stříkací pistole, 2 - slitina kovu, 3 - elektrický oblouk, 4 - vzduchová tryska,

5 - proud vzduchu s kovem, 6 - skořepina

Model je hlavní součástí reprodukčního procesu výroby skořepiny, a proto musí být pečlivě připraven. Jakost jeho povrchu se řídí podle požadovaného povrchu výstřiku. Model nesmí mít sražené hrany u ploch, které dosedají na modelovou desku. Při snímání by podstříknutý kov mohl způsobit popraskání obvodových hran skořepiny a tím ji znehodnotit.

Z hlediska metody nejsou na materiál modelu kladeny žádné zvláštní požadavky. Materiál však musí bez velké ztráty pevnosti snést teplotu svého předehřátí. Vyhovují téměř všechny plasty, dřevo, sádra i různé kovy. Povrchová úprava lakováním není vhodná. Laky působením tepla nastříknutého kovu lepí a měknou. Snímání skořepiny je pak ztíženo.

Pro dobrý výsledek se doporučuje zhotovit model kovový, hladký, s upraveným mírným úkosem pro snadnější vyjímání ze skořepiny. Při výrobě skořepiny není tvrdost ani pevnost modelu potřebná. Během manipulace s měkkým modelem se může poškodit, a proto se doporučuje jeho výroba z kvalitnějšího materiálu.

Při návrhu modelu je nutné uvažovat i o způsobu jeho vyjímání ze skořepiny. Nastříknutá skořepina se smrš-ťuje o cca 0,01 % a má jen nepatrnou pružnost. S tím je třeba počítat a podle toho volit tloušťku skořepiny.

Snadnější vyjímání modelu z dutiny a docílení dokonalejšího povrchu umožní separace vhodným separátorem. Nejlepší výsledky byly dosaženy s polyvinylalkoholy, které jsou ve vodě rozpustné. Před vlastním separováním se model odmastí běžnými odmašťovadly (líh, benzin, aceton, jar). Po oschnutí se nanese štětcem stejnoměrně separátor na všechny plochy, které přijdou do styku se stříkaným kovem. U ostrých kontur separátor poněkud zaobluje ostré hrany. Separátor se odstraní z modelu nebo ze skořepiny oplachem ve vodě.

Předehřátí modelu má zabránit vzniku bublinek na povrchu skořepiny a umožnit dobré spojení jednotlivých kapek stříkaného kovu. Se stoupající tavicí teplotou stříkaného kovu je třeba zvyšovat i teplotu modelu.

Tabulka teploty předehřívání modelu:

Model - materiál Předehřev [°C]

Plasty bez předehřevu

Ocel 60 - 80

Hliník 80 - 100

Kombinace plast + ocel 60

Kombinace ocel + hliník 90

K výrobě skořepin se používá nástřiková slitina MCP 400. Kov je upraven jako drát a taví se v komoře stříkací pistole v elektrickém oblouku. Pomocí spouště je uvolněn předehřátý tlakový vzduch (0,4 až 0,6 MPa), který s sebou strhává kov. Jednotlivé kapičky v proudu vzduchu po dopadu na model tuhnou a vytváří skořepinu s homogenní strukturou. Její optimální tloušťka se pohybuje od 2 až do 5 mm a má být rovnoměrná. V místech s menší tuhostí nebo nebezpečím porušení při vyjímání modelu se vrstva zesiluje. Pokud nemá kov i model dostatečnou teplotu, vznikne křehká, porézní skořepina. Proto je nutné dodržovat správnou teplotu a tlak stříkaného kovu i předehřev modelu. Při nižším tlaku jsou dosahovány špatné výsledky. U vysokého tlaku nad 0,6 MPa také nedojde ke zlepšení. Vznikne jen větší rozprach kovu.

U starších zařízení se k výrobě používala elektrická odporová pistole a na nástřik speciální slitina Cerrocast o tavicí teplotě až 200 °C. Způsob práce byl obdobný. Životnost skořepin však byla menší.

Používané slitiny mají schopnost dokonalého sejmutí tvaru a jakosti povrchu modelu. Odstříknutá skořepina dutiny není sama o sobě dostatečně tuhá pro vlastní funkci. Zalévá se pryskyřicí plněnou kovovými částicemi nebo přímo nízkotavitelným kovem s dostatečnou pevností, tepelnou vodivostí a přilnavostí ke skořepině. U tenčích skořepin je vhodné model vyjmout až po zalití skořepiny. U zalévacích materiálů je nutné přihlédnout k jejich deformacím.

Obrázek zalévání skořepiny:

a - výroba vložky formy, b - zalévání skořepiny do rámu

Tabulka druhu a velikosti smrštění zalévacích hmot:

Zalévací hmota Velikost smrštění [%]

Cerrocast 190 0,054 - 0,1

Epoxy + tužidlo M + 60 % Cu prášku 0,65

Aldurit M200 0,3

Atlas M130 0,05

Slitina 58Sn, 12Bi, 30Pb Slitina se nesmršťuje, ale nepatrně

se zvětší

Získané zkušenosti z výroby forem nástřikem kovu je možné shrnout do následujících zásad:

- velikostmi a přesnostmi rozměrů výstřiků nejsou formy omezeny. Vyžaduje se však u nich dostatečný lisovací úkos, především u plastů s malým smrštěním. Pro tlustostěnné výstřiky jsou bez chlazení nevyhovující;

- pečlivé zhotovení modelu a jeho snadné vyjmutí ze skořepiny je stěžejním bodem výroby formy. Veškeré nedostatky na modelu (podkos, ...) se projeví při jeho vyjímání ze skořepiny;

- turbulentní proud vzduchu při stříkání na plochu modelu způsobuje obtížné zastříknutí úzkých a hlubokých prostorů. Do takových částí je vhodnější zastříknout ocelovou vložku. Je-li některá část skořepiny mechanicky, nebo jinak tepelně namáhána, je třeba i zde použít obdobného způsobu;

- dělicí rovina u formy musí být přesně vyrobena (vložka raději s mírným přesahem). Při vniknutí otřepu do dělicí roviny se tato snadno vymačká;

Obrázek využití kovové vložky při nástřiku skořepiny:

- manipulace s formou při vstřikování musí probíhat zodpovědně. Teplota plastu není pro skořepinu tak důležitá, jako tlak. Proto se vstřikuje tlakem o minimálně nutné velikosti.

Technologie lisování tekutého kovu se používá většinou pro výrobu tvarových dutin z neželezných kovů a vyhovuje i pro větší série. Tvárnice se vyrábějí tím způsobem, že do předehřátého nástroje je nalit roztavený kov. Horní hladina tuhnoucí taveniny je zatížena silou 100 až 200 MPa až do úplného ztuhnutí kovu.

Po ochlazení je polotovar tvárnice z nástroje vytlačen a model je z ní vyjmut. Vytvořená dutina v polotovaru má s nepatrným smrštěním přesný tvar i rozměry modelu. Po kontrole se vnější tvar vložky tvárnice obrobí na požadované rozměry a jako vložka upevní do rámu formy.

Nástroj, ve kterém probíhá výrobní proces, je složen z modelu s modelovou deskou, zděře, pístu, podložky a dalšího příslušenství.

Obrázek výroby dutiny lisováním tekutého kovu:

1 - model, 2 - píst, 3 - zděř, 4 - tekutý kov, 5 - modelová deska

Model jako nejdůležitější díl zařízení musí respektovat zásady odformování. Je zhotoven s dostatečnou přesností a pečlivostí. Má být i dostatečně tuhý, protože na něj působí značné teploty a tlaky.

Výška modelu se zvětší o 1 až 5 mm pro opracování styčné plochy zhotovené vložky. Ostatní rozměry se zvětší jen o smrštění cca 0,15 % odlévacího kovu. Tvar a dokonalost opracování modelu udává i výslednou kvalitu dutiny tvárnice. Pozornost je také třeba věnovat zařízení, které slouží k…