Vstřikování plastů plasty, formy, proces
SPŠ Praha 10, Na Třebešíně 2299 2
OBSAH PLASTY 1. Historie plastů 4 2. Dělení plastů 5 3. Plasty pro vstřikovací lisy 6 4. Výrobky z plastů (obr.) 7 VSTŘIKOVACÍ FORMY 1. Materiály vstřikovací formy 8 2. Konstrukce formy 8 3. Vtoková soustava 9 4. Vyhazovače 10 PROCES VSTŘIKOVÁNÍ PLASTŮ 1. Tvářecí proces 11 2. Pracovní cyklus 12 3
PLASTY Plasty označují řadu syntetických nebo polosyntetických polymerních materiálů. Do plastů se přidávají další látky ke zlepšení užitných vlastností. Jedná se především o látky, které zvyšují životnost plastů (odolnost proti stárnutí), dále pak o látky, které plastům dodávají větší houževnatost nebo pružnost. Vše záleží na finální podobě daného výrobku a jeho využití. Plasty můžeme formovat do předmětů, filmů nebo vláken. Samotný název plast je odvozen od slova plasticita, tedy možnosti tvarovaní do trvalé podoby. Plasty se vyznačují velkou variabilitou vlastností. Mimo jiné tepelnou odolností, tvrdostí či pružností. Mezi jejich výhody patří nízká hustota, chemická odolnost, jednotnost složení a struktury a dobrá zpracovatelnost energeticky málo náročnými technologiemi vhodnými pro masovou výrobu (lisování, vstřikování, vyfukování, lití apod.). Nevýhodou je velká dilatace při změnách teploty. Plasty mohou též negativně působit na životní prostředí a na lidský organismus. Z různých plastů se dále vyrábí slitiny - tzv. polymerní směsi. Využívají se v automobilovém průmyslu (přístrojové desky, součásti interiérů, nárazníky, disky), ve výpočetní a sdělovací technice (kryty mobilních telefonů), v elektronice nebo v elektrotechnice (zástrčky, vypínače). Dá se říci, že uplatnění plastů je tak široké, že se s nimi setkáváme v každodenním životě téměř na každém kroku. 1. Historie plastů Roku 1862 proběhla v Londýně průmyslová výstava, kde byla představena velmi zajímavá nová hmota, látka tvrdá jako rohovina, ale ohebná jako kůže, která mohla být odlévána nebo lisována, barvena a řezána Její vynálezce, Angličan, Alexander Parkes za ni na výstavě obdržel bronzovou medaili. Toto dílo stvořené ze směsi chloroformu a ricinového oleje, dostalo jméno parkesin. V roce 1866 zakládá Parkes Xylonite Company. On sám ani netušil, že svým parkesinem založil rodinu nespočetných nových hmot netušených vlastností, hmot oblíbených konstruktéry a nenáviděných ekology, které dnes říkáme plasty. Povzbuzen úspěchem svého parkesinu, přivedl Parkes postupně na svět další plasty, ale kromě celuloidu - na jehož vynález obdržel patent - neměly velký komerční úspěch. Celuloid vznikl jako sloučenina nitrocelulózy s kafrem jako rozpouštědlem. Parkes později výrobní proces rozpracoval pro průmyslovou výrobu ve velkém. Od roku 1869 se o rozšíření celuloidu zasloužil také Američan John Wesley Hyatt. Používal se na kulečníkové koule (místo rohoviny), vložky do límečků, pravítka, ping-pongové míčky, k výrobě ozdobných předmětů a hlavně filmů. Dalším plastem, který dobil svět, byl bakelit. Podstatou výše uvedených plastů byly velké molekuly celulózy. Leo Hendrik Baekeland, původem Belgičan, chemik, vědec a vynálezce, začal používat nový druh velkých molekul. 4
Peníze na to získal ze svého prvního vynálezu z roku 1899 (fotografického papíru Velox ), který prodal společnosti Eastman Kodak za tři čtvrtě miliónu dolarů. Vybudoval laboratoř a začal vyvíjet nehořlavou dráhu pro bowling, který se v té době stal v New Yorku velkým hitem. Dr. Baekeland brzy zjistil, že fenolová pryskyřice, kterou používal, může mít daleko širší použití, pokud bude používaná jako přísada. Tak vznikla reakcí mezi fenolem a formaldehydem - první umělá pryskyřice - bakelit. Baekeland si tuto umělou hmotu nechal v roce 1909 patentovat. O rok později založil firmu Bakelite Corporation. Pryskyřice mohla být zpracovávána tvářením nebo odléváním. V prvém případě se ohřála, až se rozlila do tenké vrstvy. Po ztuhnutí se rozdrtila. Pak se přidalo plnivo a barvivo. Tato směs se s horkými válci rozválcovala do desek, které se pak rozemlely na jemný prášek. Teprve ten se pod vysokým tlakem a při vysoké teplotě tvářel ve formě do potřebného tvaru. Nevelká úprava předpisu umožňovala odlévání pryskyřice do olověných forem, které se vkládaly do pece, kde se pryskyřice vytvrdila. Je až těžko uvěřitelné, že z tak nevzhledných materiálů lze vyrobit vzhlednou, revoluční plastickou hmotu, materiál tisíců možností použití hlásaly tehdejší deníky. Jako nehořlavý materiál a dobrý izolant se bakelit nejprve používal na izolátory v elektrotechnice a v automobilovém průmyslu, později se rychle rozšířil do ostatních odvětví, zejména po vypršení doby platnosti patentu v roce 1927. Celé generace zažily tuto explozi, počínaje bakelitovým telefonem a rozhlasovým přijímačem, přes bakelitové vypínače, zásuvky a zástrčky až k bakelitovým klikám od dveří a oken. Mnozí ještě dnes na něj nedají dopustit, neboť jeho vlastnosti byly pro mnohé aplikace zcela postačující a hlavně byl levný. To se bohužel (pro spotřebitele) o mnoha jeho nástupcích říci nedá. Sláva bakelitu začala pomalu ustupovat po 2. světové válce, když se objevily další plastické hmoty, které se nechaly odlévat stříkáním (podobně jako celuloid, řadí se tyto hmoty mezi tzv. termoplasty, na rozdíl od bakelitu, který patří mezi tzv. reaktoplasty). Během několika desítek let z velké části ovládly trh. Zejména bez jednoho z nich - polystyrenu - si už dnes ani život nedovedeme představit (v některých případech bohužel), hračkami počínaje, výpočetní technikou a novými technologiemi konče. 2. Dělení plastů Podle způsobu jak je získáváme o Přírodní (například celulosa) o Syntetické Dle použitého monomeru o vinylové plasty o polyethylen (PE) o polypropylen (PP) o polyvinylchlorid (PVC) o polystyren (PS) o polymethylmethakrylát (PMMA) o polyamidy (PA) 5
o polyestery (PES) o polyethylentereftalát (PET) o polyuretany o fenoplasty o aminoplasty o polysiloxany (silikony) o fluoroplasty (např. Teflon) Podle typu polymerizace o řetězová polymerizace o stupňovitá polymerizace Podle zpracovatelnosti po ohřátí o termoplasty po ohřátí na vysokou teplotu a ochlazení jsou znovu zpracovatelné o reaktoplasty (dříve termosety) po ohřátí je již nelze zpracovat Podle dopadu na životní prostředí o plně syntetické nelze je přirozeně rozložit zatím většina plastů o polosyntetické (bioplasty) vznikají modifikací přírodních polymerů, např. celulózy (nitrocelulóza, acetát celulózy, viskóza) o speciální skupiny jako např.: plasty se zkrácenou životností woodplastic Je nutno dodat, že plasty můžeme dělit z mnoha různých hledisek do různých skupin. Uvedené dělení je tedy jen zlomkem možností. 3. Plasty pro vstřikovací lisy Plasty pro vstřikovací lisy jsou dodávány nejčastěji ve formě granulátu, regranulátu (recyklovaný plast) nebo drti. Některé plasty vlhnou (absorbují do sebe vodu z okolního vzduchu), proto je nutné granulát před vlastním zpracováním sušit (lze pouze do určité míry). granulát sušení granulátu horkým vzduchem 6
Polyethylen (PE) nejrozšířenější plast na světě o smrštitelné folie, roury, ozubená kola, ložiska, textilní vlákna, hračky, sáčky (mikroten) a elektrotechnická izolace Polypropylen (PP) o obaly, izolace, lana Polyethylentereftalát (PET) o lahve, obaly, látky Polyamidy (PA) o kordy pneumatik, dopravní pásy, brzdové obložení, ochranné oděvy Polystyren (PS) o jednorázové nádobí, stavebniny, obaly, přepravky Polymethylmethakrylát (PMMA) plexisklo o kryty přístrojů, skla hodinek, zubní protézy Výše uvedené plasty představují skupinu běžně používaných materiálů. Pro vstřikovací lisy se používá celá řada dalších druhů granulátu. Celé odvětví se neustále vyvíjí a tak se na trhu objevují další produkty. 4. Výrobky z plastů 7
VSTŘIKOVACÍ FORMY PRO PLASTY Forma je nástroj, který se upíná na vstřikovací stroj. V průběhu vstřikovacího cyklu je naplněna roztaveným plastem. Po zchladnutí je zhotoven výrobek s požadovaným tvarem a funkčními vlastnostmi. Dutiny forem jsou vyráběny na moderních CNC strojích. Dříve používané třískové obrábění na frézkách je nahrazováno elektroerozivním obráběním. Touto metodou lze obrábět i kalené materiály bez nutnosti dalších dokončovacích úprav obrobeného povrchu formy. 1. Materiály vstřikovací formy Ocelové formy jsou náročné na výrobu a strojní vybavení příslušné velikosti se zaručenou tuhostí. Lze je obrábět jak klasickými konvenčními metodami frézování, soustružení, tak metodami elektroerozivního obrábění vyjiskřování a drátové řezání zejména v těch částech formy, které tvarují pohledové plochy výlisku a záleží na kvalitě a estetičnosti povrchu. Při vyjiskřování je potřeba použít mnoho elektrod pro výrobu tvarů. Nevýhodou ocelové formy je vysoká výrobní cena, nesporná výhoda je trvanlivost nástroje a menší riziko poškození. Dural a certal jsou vhodné materiály pro výrobu forem pro jejich dobrou obrobitelnost. Velkou nevýhodou použití tohoto materiálu je snadné poškození tvaru formy při manipulaci i při vlastním procesu lisování. 2. Konstrukce formy Konstrukce plastových výrobků i forem probíhá na vývojových a konstrukčních pracovištích vybavených nejmodernějšími CAD/CAM systémy pro počítačovou podporu konstruování a obrábění na CNC strojích. Plochy uvnitř dutin forem pro vstřikování plastických hmot jsou propojeny přechodovými rádiusy, které mají zajistit hladké obtékání vstřikované hmoty a zabránit vzniku staženin v místech nestejnoměrného chladnutí plastu. Při konstrukci dutiny formy je třeba vzít v úvahu smrštivost vstřikovaného plastu a dutinu vyrobit větší. Boční plochy dutiny jsou zkoseny pod úhlem cca 3 pro snadnější vyjmutí výstřiku z formy. Pro zvýšení produktivity a efektivnosti metody vstřikování jsou formy vyráběny vícenásobné (na jeden pracovní cyklus stroje vyrobíme více plastových součástí najednou). Tím zároveň dosáhneme snížení procenta odpadu, což je obzvlášť důležité při zpracování reaktoplastů. Odpad 8
termoplastů se po recyklaci dá znovu zpracovávat. Po vyjmutí výlisku z formy následuje ostřižení, které oddělí požadované výrobky od vtokové soustavy. Vtoková soustava je odpad. Forma 2D Je nejvíce používaný typ formy pro výrobu výlisků, pro které postačuje otevření formy pouze v jednom směru Forma 3D Je typ formy pro výrobu složitých a tvarově komplikovaných výlisků. 3. Vtoková soustava Plast roztavený v plastikační jednotce proudí tryskou do vtokové soustavy vstřikovací formy, kterou tvoří systém vtokových kanálů různého tvaru. Tyto kanály vedou k jedné nebo více dutinám formy, které mají být naplněny taveninou. Rozdíly v uspořádání vtokové soustavy jsou dány konstrukcí formy. Studené vtokové systémy o nejrozšířenější způsob Vyhřívaná tryska Vyhřívané vtokové systémy o zkracují výrobní proces, snižují spotřebu plastu, vyšší pořizovací cena 9
Schéma soustavy vtokové soustavy 1. Rozváděcí kanály 2. Hlavní kanál 3. Vtokový kužel Uspořádání vtoku obvyklé varianty Průřez vtoků Průřezy B,D,F,H náročnější na výrobu 4. Vyhazovače Vyhazovací systémy forem slouží k vyhození výlisků a svojí funkcí by měly zajišťovat převážně automatický výrobní cyklus. Dopředný pohyb slouží k vyhození. Zpětný pohyb je zajišťován pomocí vracecích kolíků (případně v kombinaci s pružinou). Plochy vyhazovacích prvků a jejich rozmístění na vyhazovaném dílu musí být voleny tak, aby nezpůsobovaly deformace dílů. 10
PROCES VSTŘIKOVÁNÍ PLASTŮ 1. Tvářecí proces Plast se v podobě granulí nasype do násypky, z níž je odebírán pracovní částí vstřikovacího stroje (šnekem, pístem), která hmotu dopravuje do tavící komory, kde za současného účinku tření a tepla z topných elementů stroje plast taje a vzniká tavenina. Tavenina je následně vstříknuta do dutiny formy, kterou zcela zaplní. Jelikož plast při chladnutí vlivem smrštění zmenší svůj objem, následuje tlaková fáze, která zajistí doplnění materiálu a tím kompenzuje její úbytek. Plast se ve formě ochlazuje odvodem tepla přes stěny formy, až do ochlazení a ztuhnutí. Ve finální části má výrobek již manipulační pevnost. Potom se forma otevře a výrobek je vyhozen. Následně se celý cyklus se opakuje. Schéma vstřikovacího stroje vyhazovače forma vtok topení granulát Schéma vstřikovací jednotky 11
2. Pracovní cyklus vstřikovacího stroje Plastikace o forma se zavírá, šnek se vrací, otáčí, plastikuje roztavenou hmotu a dopravuje ji k trysce Vstřik o vstřikovací jednotka se přitiskne k formě, šnek se přestane otáčet, posune se dopředu jako píst a vstříkne taveninu do formy Ukončení vstřiku o po dokončení vstřiku a ztuhnutí vtoku se vstřikovací jednotka vzdálí od formy, šnek se otáčí a vrací zpět a plastikuje další dávku hmoty. Otevření formy o po úplném ztuhnutí celého výstřiku se forma otevře a vyhazovače výstřik samočinně vyhodí 12
13
14