Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte.

OK

MITUTOYO

přístroje pro měření tvaru a povrchu

divize KraussMaffei

Fyzikální napěňování hračkou

Vstřikování termoplastů s napěňováním.
Úspory materiálu a snížení hmotnosti, rozměrová stálost a vyšší produktivita jsou aspekty, které dávají křídla fantazii vývojářů. O to úžasnější, že se specialisté na vstřikování fyzikálnímu napěňování termoplastů v minulosti prakticky nevěnovali. Metoda MuCell přitom přináší enormní potenciál úspory hmotnosti.

KM fyzikalni napenovani

Fyzikální napěňování umožňuje výrobu komplexních tvarových dílů s proměnnou tloušťkou stěn bez deformací, jak je tomu u tělesa vodního čerpadla.

Když přijde řeč na napěňování, řada odborníků začne spontánně myslet na chemickou reakci. Navíc v tomto roce slavíme 75 let od objevu polyuretanu. Vstřikování termoplastů s napěňováním (TSG) je oproti tomu mnohem mladší, protože je známé až od šedesátých let. Aniž bychom se chtěli na tomto místě blíže věnovat různorodému spektru vlastností a použití obou jinak velmi rozdílných materiálů PUR a termoplastů, je nutné zmínit jejich společný potenciál při snižování hmotnosti. Zatímco polyuretany jsou hojně využívány, nebylo u vstřikování termoplastů s napěňováním, ačkoli se jedná o jednu z nejstarších speciálních metod při zpracování plastů, dosaženo srovnatelného úspěchu.
Začátky vstřikování s napěňováním se datují do padesátých let. Tehdy přidávali „zkušení vstřikovači do granulátu malé množství kypřicího prášku (do cca 0,05 %), a tím odstraňovali propadliny na výsledném výrobku“ [1]. S tím byl spojen efekt snížení hmotnosti, kterému nebyla v počátcích věnována zvláštní pozornost. Pěnová struktura a s ní spojená nižší hustota se stala zajímavou až o řadu let později.
Nejdříve však bylo nutno vyvinout nové materiály a vhodná napěňovadla.
Na začátku sedmdesátých let byla zahájena sériová výroba prvních dílů z termoplastů s pěnovou strukturou, které bylo tehdy ještě dosahováno použitím chemického napěňování. Již v té době si stanovila firma KraussMaffei vývojový cíl, kterým bylo dosažení jemnější a definované struktury pěny [2, 3], a díky tomu výroba tvarových dílů při nižší uzavírací síle, bez propadlin a s hustotou mezi 0,3 a 0,6 g/cm3. Praktickým se zdálo použití fyzikálního napěňovadla a tak zvaného přímého obohacování plynem jako varianty TSG. Princip spočíval v tom, že bylo napěňovadlo pod vysokým tlakem vháněno přímo do závitů šneku vedoucího roztavený plast. Svého času známou aplikací z výroby vozidel byly obklady s dekorem, části těles a konektorové spoje. Protože se používané napěňovací plyny staly ekologicky nepřijatelnými, byl projekt nakonec ukončen ve prospěch chemické metody.

MuCell

Obr. 1. Koncepce zařízení pro metodu MuCell: i stávající stroje je možné snadno dovybavit. Od konce roku 2005 již nemusejí uživatelé platit licenční poplatky za používání této technologie. (obrázek: KraussMaffei)

Počáteční strategické chyby jsou odstraněny
Prvního průlomu dosáhla koncem devadesátých let minulého století firma Trexel Inc., Wilmington, Massachusetts/USA, s modifikovanou a vylepšenou metodou, označenou jako MuCell. Tato metoda byla původně vynalezena koncem osmdesátých let na Massachusetts Institute of Technology (MIT) se zaměřením na extruzi. Vstřikování se dostalo do středu zájmu až začátkem roku 2000. V první fázi však bránily jejímu rozšíření některé strategické chyby. Firma Trexel totiž požadovala od uživatelů vedle ceny za technické vybavení i dodatečné licenční poplatky, jejichž roční výše byla závislá na produkci. Od konce roku 2005 tento podnik již licenční poplatky nepožaduje. Tato důležitá informace se však ještě v plastikářském průmyslu nedostala ke všem.
Další překážkou byla strategie prodeje. S ohledem na původní zaměření na extruzi oslovovala firma Trexel v počátcích jen málo potenciálních uživatelů a prvovýrobců. Firma se zaměřila spíše na zpracovatele a výrobce nástrojů, kteří však mají - jak je známo – pouze malý vliv na technologii použitou pro konkrétní projekt. Výsledkem bylo, že tato metoda byla známá převážně pouze malému okruhu zasvěcených. Od té doby již výrobce svou strategii změnil a vzbudil zájem uživatelů a prvovýrobců.
Společnost KraussMaffei spolupracuje jako jeden z prvních výrobců strojů s firmou Trexel od samého počátku. Po společném vývoji standardizovaného vybavení pro stroje začlenil mnichovský výrobce strojů počátkem roku 2001 do svého programu kompletní systémové balíky MuCell.

Obr. 2. Díky fyzikálnímu napěňování  je možné vyrábět toto těleso zámku dveří s uzavírací silou nižší o 30 % a o 25 % rychleji - zkrácení času cyklu.
(foto: Schröder Kunststofftechnik)

Plastifikační jednotka s injektorem plynu
Zjednodušeně řečeno se u tohoto způsobu fyzikálního napěňování jedná o vstřikování se sycením plynem. Předpokladem je použití vstřikovacího stroje s kontrolou pozice šneku a zvýšeným vstřikovacím výkonem. Srdcem je plastifikační jednotka se speciálním šnekem. Plyn v nadkritickém stavu (SCF, Super Critical Fluid) je injektován přímo do taveniny plastu. Šnek vytváří z obou složek homogenní směs. Zpětný ventil ve střední části šneku zabraňuje předčasné expanzi směsi taveniny a plynu ve směru k materiálovému vstupu; na přední straně je pohyb taveniny omezen uzavíratelnou tryskou. Jako napěňovadlo je používán dusík nebo CO2 (obr. 1).
Důležité je, aby tlak taveniny v plastifikaci a případném systému horkých kanálů nepoklesl v celém cyklu pod kritickou hodnotu SCF. Proto je potřebná regulace polohy šneku („aktivní řízení protitlaku“), která rovněž zajišťuje, aby zůstal tlak zachován i po otevření bezpečnostních dveří. Ze stejného důvodu je na stroji používána uzavíratelná tryska, u nástrojů s horkými kanály dosedá tryska na pouzdro formy, přičemž během otevírání uzavírací jednotky dojde pouze ke snížení přítlaku trysky. Aby byl pokles tlaku a tím i začátek procesu napěnění odsunut, pokud možno na konec procesu plnění, a aby bylo zajištěno napěnění i na konci dráhy materiálu, musí být vstřik rychlý. Proto je nutné, aby stroj disponoval vysokým vstřikovacím výkonem.
Jako fyzikální napěňovadlo snižuje plyn viskozitu taveniny, čímž je rychlé vstříknutí usnadněno. Při poklesu tlaku po vstříknutí do kavity nástroje začnou vznikat bublinky plynu, které způsobí napěnění taveniny. Na rozdíl od chemického napěňování se u metody MuCell jedná o větší množství rovnoměrně rozložených bublinek. Tímto rovnoměrným rozložením je zajištěno vytvoření mnoha malých, stejně velkých a uzavřených komůrek s průměrem pod 100 µm. V průřezu dílu vznikne tzv. integrální pěnová struktura: napěněné jádro s nízkou hustotou, obklopené tenkou kompaktní krycí vrstvou s vysokou hustotou. Povrch je sice uzavřený, nemá však kvalitu povrchu kompaktně odstříknutého dílce.


MuCell

Obr. 3. Vyšší viskozita taveniny (rychlejší vstřikování), menší dotlak a zkrácení chlazení – vše zkracuje časy cyklů při napěnění.

Napěnění taveniny vyrovnává smršťování
Napěnění taveniny v neposlední řadě vyrovnává smršťování na stěně nástroje. Napěňování je tedy možné provádět při výrazně nižším dotlaku – v ideálním případě pak fáze dotlaku zcela odpadá. Tlak uvnitř nástroje je výrazně nižší než u kompaktního vstřikování. Rovněž tak je možné volit nižší teploty nástroje a taveniny.
Toto vše – žádný nebo jen krátký dotlak a zkrácení času na chlazení – snižuje potřebnou uzavírací sílu o 30 až 50 % a zkracuje čas cyklu o zhruba 20 % (obr. 2 a 3). Díly současně vykazují minimální deformace. Ve většině případů se nevyskytují žádné propadliny nebo lunkry. Proces napěnění působí i na konci dráhy materiálu, kde jinak bývá působení dotlaku často eliminováno „zamrz-nutím“ taveniny. Při zachování stávající geometrie jsou napěněné dílce o 7 až 10 % lehčí než jejich kompaktní předchůdci. Při konstrukci dílu přímo pro technologii MuCell je možné snížit hmotnost v závislosti na geometrii dokonce až o 20 %
(obr.4).

Obr. 4. Olejové vany z napěněného plastu vítězí nad kovovými vanami svou mnohem nižší hmotností a nulovými deformacemi, umožňujícími bezproblémovou montáž.

Proto je tato metoda zajímavá právě pro nové projekty lehkých konstrukcí.
Speciální software zjednodušuje obsluhu. Po integraci do řízení KraussMaffei MC5 nebo nového MC6 mohou být centrálně nastavovány, sledovány a zobrazovány všechny důležité parametry. Hodnoty potřebné pro výpočet podílu plynu, jako je průtok SCF, čas otevření injektoru a redukce hmotnosti, je možné vypočítávat pomocí kalkulátoru integrovaného do softwaru a je možné je snadno přenášet do příslušných parametrů řídicího softwaru MuCell.
Software je přehledný. Existuje obrazovka pro obsluhu, na které jsou zobrazeny a nastavovány pouze ty nejdůležitější parametry. Základní hodnoty, které jsou zpravidla nastavovány pouze jednou, jsou k dispozici na samostatných obrazovkách.

Porovnání chemického a fyzikálního napěňování
Porovnáním chemického a fyzikálního napěnění se v minulosti zabývala řada prací, a to částečně s odporujícími si závěry. Ve vztahu na kvalitu povrchu je fyzikální napěňování tendenčně o něco lepší. Co se týče homogenity velikosti buněk a jejich rozložení, získává metoda MuCell jednoznačné plus.
Proces je sice o něco komplexnější, díky přímému sycení plynem však jasně definovaný a proto absolutně reprodukovatelný. Další výhodou jsou minimálně o 80 % nižší náklady na napěňovadlo.
Chemické napěňování je oproti tomu s ohledem na nepřímý přívod napěňovadla přes dávkovací jednotku velice jednoduché. Na druhé straně neexistuje možnost přímého ovlivňování procesu. To je možné pouze nepřímo regulací teploty a otáček šneku.
Nevýhodou plastifikace MuCell je zkrácení oblasti plastifikace díky nutnosti použití středové zábrany proti zpětnému proudění, čímž může být v závislosti na materiálu limitována hmotnost vstřiku. Na druhé straně je metoda velice flexibilní ve vztahu k výběru materiálů. Zhruba 90% všech aplikací používá jako napěňovadlo dusík. Proto se tato metoda ideálně hodí pro aplikace, u kterých je nežádoucí následné uvolňování plynu (Fogging).

MuCell

Tabulka 1. Porovnání nákladů u kompaktního vstřikování a metody MuCell: jen z materiálových úspor a vyšší produktivity vyplývá pro doplňkové vybavení MuCell pro napěňování v závislosti na konkrétním případě ukazatel Return on Investment (ROI) mezi šesti a dvanácti měsíci. 

Investiční náklady se počítají
Na straně nákladů je celá věc zcela jednoznačná: vybavení pro technologii MuCell je sice investičně náročnější, provozní náklady jsou ale výrazně nižší (tabulka 1). Úspory, kterých je možno dosáhnout díky nižším nákladům na napěňovadla a snížením spotřeby materiálu, zaručují ROI (návratnost investice) průměrně v délce 6 – 12 měsíců (stanoveno pro stroj s uzavírací silou 6500 kN).
V této souvislosti je přirozeně nutné zohlednit, že materiálové úspory jsou závislé na velikosti dílců. Jako směrná hodnota bylo v tomto případě předpokládáno 10 až téměř 20 %. K tomu pak přistupuje výrazně vyšší produktivita, která je dána časem cyklu kratším až o 20 %.
V tomto smyslu se fyzikální napěňování vyplácí stejně jako jiné speciální metody zejména u velkosériové výroby, resp. při vysokém vytížení stroje. Pro posledně uvedené hovoří poněkud omezená flexibilita ve vztahu k použitelnosti plastifikační jednotky. Se zvláštním vybavením je sice možné vyrábět i kompaktní tvarové díly, přitom je však nutno zohlednit kratší plastifikační úsek. Proto je účelnější zaměnit v případě potřeby plastifikační jednotku MuCell za standardní jednotku.

Aktuální projekty
Materiálové úspory a redukce hmotnosti, kterých je možné při použití metody napěňování dosáhnout, se přirozeně nejvíce projevují u velkých dílů. Za účelem podpory budoucích i stávajících uživatelů byla mezi zpracovatelem plastů, firmou Mürdter, a výrobci zařízení, firmami Trexel a KraussMaffei uzavřena dohoda o spolupráci. V této souvislosti byl koncem roku 2011 uveden ve zkušebním provozu firmy Mürdter v Mutlangenu do provozu největší vstřikovací stroj pro metodu MuCell na světě, MC 5400-17.200 s uzavírací silou 54000 kN.
Na tomto stroji je poprvé možno přímo srovnávat velké díly vstřikované kompaktní nebo napěňovací metodou. Poznatky získané při těchto zkouškách je možné rovnou promítnout do konstrukce nástrojů, čímž dochází k úspoře času i nákladů. Na zařízení je možné testovat i metodu SGI. Podobné, ale menší zařízení stojí u amerického zpracovatele Proper Group.
Již dva roky používá firma Kunst- stofftechnik Wiesmayer GmbH, Neustadt an der Donau, metodu MuCell na velkém vstřikovacím stroji s uzavírací silou 16 000 kN (typ: MX; výrobce: KraussMaffei). Zpracovatel na něm vyrábí tandemovým způsobem vnitřní nosníky dveří pro Mercedes třídy E. Protože proces nevyžaduje dotlak, jsou díly výrazně méně deformované než při použití kompaktního vstřikování. Použitím tandemové techniky navíc došlo ke zvýšení produktivity na 1,6násobek, protože během fáze chladnutí u jednoho dílu je druhý vyjímán z formy.
Nezávisle na tom se Krauss-Maffei stále věnuje i chemickému napěňování a prodává je společně s fyzikálním pod označením CellForm.

Obr. 6. Kombinace metody napěňování a vícesložkové techniky získává na významu.
Příklad zobrazuje kryt v motorovém prostoru s kombinací pěněného tvrdého / měkkého materiálu pro lepší rozměrovou stálost.

Výhled
Aktuální vývoj se koncentruje na zlepšení kvality povrchu napěněných dílů. Pokrok v této oblasti toužebně očekávají zejména výrobci vozidel. Dodavatelé surovin se snaží vyvinout vhodné materiály. Alternativně může být jako první krok použit dezén nebo erodované struktury. Pro bezvadné, případně vysoce lesklé pohledové plochy, se hodí kombinace s dynamickým temperováním nástroje, například impulzním chlazením, jaké představí firma KUBOUŠEK s.r.o. na veletrhu Plastex 2014.
Myslitelná je i kombinace metod, například s odstříknutím fólie nebo dekoru. Výhodou jsou přitom nízké tlaky u metody MuCell. Aby bylo možné vyrábět multifunkční díly, může být fyzikální napěňování kombinováno i s více-složkovou metodou (obr. 6).
U strukturovaných dílů může být řešením použití sendvičové konstrukce s „organickými“ plechy. Obecně však platí, že metodě MuCell je předpovídána velká budoucnost nejenom kvůli technickým výhodám, ale i kvůli šetrnějšímu využití dostupných materiálových zdrojů.  

AUTOŘI: ANDREAS HANDSCHKE, JOCHEN  MITZLER

Kontakty