Vst�ikov�n� termoplast� s nap��ov�n�m - �spory d�ky medod� MuCell

Kdy� p�ijde �e� na nap��ování, �ada odborník� za�ne spontánn� myslet na chemickou reakci. Navíc v tomto roce slavíme 75 let od objevu polyuretanu. Vst�ikování termoplast� s nap��ováním (TSG) je oproti tomu mnohem mladší, proto�e je známé a� od šedesátých let. Ani� bychom se cht�li na tomto míst� blí�e v�novat r�znorodému spektru vlastností a pou�ití obou jinak velmi rozdílných materiál� PUR a termoplast�, je nutné zmínit jejich spole�ný potenciál p�i sni�ování hmotnosti. Zatímco polyuretany jsou hojn� vyu�ívány, nebylo u vst�ikování termoplast� s nap��ováním, a�koli se jedná o jednu z nejstarších speciálních metod p�i zpracování plast�, dosa�eno srovnatelného úsp�chu.

Za�átky vst�ikování s nap��ováním se datují do padesátých let. Tehdy p�idávali „zkušení vst�ikova�i do granulátu malé mno�ství kyp�icího prášku (do cca 0,05 %), a tím odstra�ovali propadliny na výsledném výrobku.“ S tím byl spojen efekt sní�ení hmotnosti, kterému nebyla v po�átcích v�nována zvláštní pozornost. P�nová struktura a s ní spojená ni�ší hustota se stala zajímavou a� o �adu let pozd�ji.

Nejd�íve však bylo nutno vyvinout nové materiály a vhodná nap��ovadla.

Na za�átku sedmdesátých let byla zahájena sériová výroba prvních díl� z termoplast� s p�novou strukturou, které bylo tehdy ješt� dosahováno pou�itím chemického nap��ování. Ji� v té dob� si stanovila firma KraussMaffei vývojový cíl, kterým bylo dosa�ení jemn�jší a definované struktury p�ny a díky tomu výroba tvarových díl� p�i ni�ší uzavírací síle, bez propadlin a s hustotou mezi 0,3 a 0,6 g/cm3. Praktickým se zdálo pou�ití fyzikálního nap��ovadla a tak zvaného p�ímého obohacování plynem jako varianty TSG. Princip spo�íval v tom, �e bylo nap��ovadlo pod vysokým tlakem vhán�no p�ímo do závit� šneku vedoucího roztavený plast. Svého �asu známou aplikací z výroby vozidel byly obklady s dekorem, �ásti t�les a konektorové spoje. Proto�e se pou�ívané nap��ovací plyny staly ekologicky nep�ijatelnými, byl projekt nakonec ukon�en ve prosp�ch chemické metody.

Po�áte�ní strategické chyby jsou odstran�ny

Prvního pr�lomu dosáhla koncem devadesátých let minulého století firma Trexel Inc., Wilmington, Massachusetts/USA, s modifikovanou a vylepšenou metodou, ozna�enou jako MuCell. Tato metoda byla p�vodn� vynalezena koncem osmdesátých let na Massachusetts Institute of Technology (MIT) se zam��ením na extruzi. Vst�ikování se dostalo do st�edu zájmu a� za�átkem roku 2000. V první fázi však bránily jejímu rozší�ení n�které strategické chyby. Firma Trexel toti� po�adovala od u�ivatel� vedle ceny za technické vybavení i dodate�né licen�ní poplatky, jejich� ro�ní výše byla závislá na produkci. Od konce roku 2005 tento podnik ji� licen�ní poplatky nepo�aduje. Tato d�le�itá informace se však ješt� v plastiká�ském pr�myslu nedostala ke všem.

Další p�eká�kou byla strategie prodeje. S ohledem na p�vodní zam��ení na extruzi oslovovala firma Trexel v po�átcích jen málo potenciálních u�ivatel� a prvovýrobc�. Firma se zam��ila spíše na zpracovatele a výrobce nástroj�, kte�í však mají - jak je známo – pouze malý vliv na technologii pou�itou pro konkrétní projekt. Výsledkem bylo, �e byla tato metoda známá p�evá�n� pouze malému okruhu zasv�cených.

Od té doby ji� výrobce svou strategii zm�nil a vzbudil zájem u�ivatel� a prvovýrobc�.

Obr. 1. Koncepce za�ízení pro metodu MuCell: i stávající stroje je mo�né snadno dovybavit. Od konce roku 2005 ji� nemusejí u�ivatelé platit licen�ní poplatky za pou�ívání této technologie

Spole�nost KraussMaffei spolupracuje jako jeden z prvních výrobc� stroj� s firmou Trexel od samého po�átku. Po spole�ném vývoji standardizovaného vybavení pro stroje za�lenil mnichovský výrobce stroj� po�átkem roku 2001 do svého programu kompletní systémové balíky MuCell.

Plastifika�ní jednotka s injektorem plynu

Zjednodušen� �e�eno se u tohoto zp�sobu fyzikálního nap��ování jedná o vst�ikování se sycením plynem. P�edpokladem je pou�ití vst�ikovacího stroje s kontrolou pozice šneku a zvýšeným vst�ikovacím výkonem. Srdcem je plastifika�ní jednotka se speciálním šnekem. Plyn v nadkritickém stavu (SCF, Super Critical Fluid) je injektován p�ímo do taveniny plastu. Šnek vytvá�í z obou slo�ek homogenní sm�s. Zp�tný ventil ve st�ední �ásti šneku zabra�uje p�ed�asné expanzi sm�si taveniny a plynu ve sm�ru k materiálovému vstupu; na p�ední stran� je pohyb taveniny omezen uzavíratelnou tryskou. Jako nap��ovadlo je pou�íván dusík nebo CO2 (obr. 1).

D�le�ité je, aby tlak taveniny v plastifikaci a p�ípadném systému horkých kanál� nepoklesl v celém cyklu pod kritickou hodnotu SCF. Proto je pot�ebná regulace polohy šneku („aktivní �ízení protitlaku“), která rovn� zajiš�uje, aby z�stal tlak zachován i po otev�ení bezpe�nostních dve�í. Ze stejného d�vodu je na stroji pou�ívána uzavíratelná tryska, u nástroj� s horkými kanály dosedá tryska na pouzdro formy, p�i�em� b�hem otevírání uzavírací jednotky dojde pouze ke sní�ení p�ítlaku trysky. Aby byl pokles tlaku a tím i za�átek procesu nap�n�ní odsunut, pokud mo�no na konec procesu pln�ní, a aby bylo zajišt�no nap�n�ní i na konci dráhy materiálu, musí být vst�ik rychlý. Proto je nutné, aby stroj disponoval vysokým vst�ikovacím výkonem.

Jako fyzikální nap��ovadlo sni�uje plyn viskozitu taveniny, �ím� je rychlé vst�íknutí usnadn�no. P�i poklesu tlaku po vst�íknutí do kavity nástroje za�nou vznikat bublinky plynu, které zp�sobí nap�n�ní taveniny. Na rozdíl od chemického nap��ování se u metody MuCell jedná o v�tší mno�ství rovnom�rn� rozlo�ených bublinek. Tímto rovnom�rným rozlo�ením je zajišt�no vytvo�ení mnoha malých, stejn� velkých a uzav�ených kom�rek s pr�m�rem pod 100 µm. V pr��ezu dílu vznikne tzv. integrální p�nová struktura: nap�n�né jádro s nízkou hustotou, obklopené tenkou kompaktní krycí vrstvou s vysokou hustotou. Povrch je sice uzav�ený, nemá však kvalitu povrchu kompaktn� odst�íknutého dílce.

Nap�n�ní taveniny vyrovnává smrš�ování

Nap�n�ní taveniny v neposlední �ad� vyrovnává smrš�ování na st�n� nástroje. Nap��ování je tedy mo�né provád�t p�i výrazn� ni�ším dotlaku – v ideálním p�ípad� pak fáze dotlaku zcela odpadá. Tlak uvnit� nástroje je výrazn� ni�ší ne� u kompaktního vst�ikování. Rovn� tak je mo�né volit ni�ší teploty nástroje a taveniny.

Obr. 2. Díky fyzikálnímu nap��ování  je mo�né vyráb�t toto t�leso zámku dve�í s uzavírací silou ni�ší o 30 % a o 25 % rychleji (zkrácení �asu cyklu)

Toto vše – �ádný nebo jen krátký dotlak a zkrácení �asu na chlazení – sni�uje pot�ebnou uzavírací sílu o 30 a� 50 % a zkracuje �as cyklu o zhruba 20 % (obr. 2 a 3). Díly sou�asn� vykazují minimální deformace. Ve v�tšin� p�ípad� se nevyskytují �ádné propadliny nebo lunkry. Proces nap�n�ní p�sobí i na konci dráhy materiálu, kde jinak bývá p�sobení dotlaku �asto eliminováno „zamrz-nutím“ taveniny. P�i zachování stávající geometrie jsou nap�n�né dílce o 7 a� 10 % leh�í ne� jejich kompaktní p�edch�dci. P�i konstrukci dílu p�ímo pro technologii MuCell je mo�né sní�it hmotnost v závislosti na geometrii dokonce a� o 20 % (obr. 4).

Proto je tato metoda zajímavá práv� pro nové projekty lehkých konstrukcí.

Obr. 3. Vyšší viskozita taveniny (rychlejší vst�ikování), menší dotlak a zkrácení chlazení – vše zkracuje �asy cykl� p�i nap�n�ní

Speciální software zjednodušuje obsluhu. Po integraci do �ízení KraussMaffei MC5 nebo nového MC6 mohou být centráln� nastavovány, sledovány a zobrazovány všechny d�le�ité parametry. Hodnoty pot�ebné pro výpo�et podílu plynu, jako je pr�tok SCF, �as otev�ení injektoru a redukce hmotnosti, je mo�né vypo�ítávat pomocí kalkulátoru integrovaného do softwaru a je mo�né je snadno p�enášet do p�íslušných parametr� �ídicího softwaru MuCell.

Software je p�ehledný. Existuje obrazovka pro obsluhu, na které jsou zobrazeny a nastavovány pouze ty nejd�le�it�jší parametry. Základní hodnoty, které jsou zpravidla nastavovány pouze jednou, jsou k dispozici na samostatných obrazovkách.

Obr. 4. Olejové vany z nap�n�ného plastu vít�zí nad kovovými vanami svou mnohem ni�ší hmotností a nulovými deformacemi, umo��ujícími bezproblémovou montá�

Celý �lánek, kde se dozvíte více informací na následující témata, je umíst�n ZDE »

• Porovnání chemického a fyzikálního nap��ování
• Porovnání investi�ních náklad�
• Aktuální projekty

Výhled

Aktuální vývoj se koncentruje na zlepšení kvality povrchu nap�n�ných díl�. Pokrok v této oblasti tou�ebn� o�ekávají zejména výrobci vozidel. Dodavatelé surovin se sna�í vyvinout vhodné materiály. Alternativn� m��e být jako první krok pou�it dezén nebo erodované struktury. Pro bezvadné, p�ípadn� vysoce lesklé pohledové plochy, se hodí kombinace s dynamickým temperováním nástroje, nap�íklad impulzním chlazením, jaké p�edstaví firma KUBOUŠEK na veletrhu Plastex 2014 (pavilon G1, stánek 39).