Lubomír Zeman: Technológia vstrekovania termoplastov a znižovania hmotnosti výstrekov, 3. časť

PREDPOKLADY NA ZNIŽOVANIE HMOTNOSTI - TECHNOLÓGIA VSTREKOVANIA TERMOPLASTOV

Klasická technológia vstrekovania termoplastov vychádza z teplotných dejov – vždy je potrebné z príslušného vstrekovacieho granulátu, prípadne vopred upraveného – vysušeného na výrobcom predpísanú hodnotu zvyškovej vlhkosti, zmiešaného s aditívami, napríklad farebným koncentrátom alebo s druhotným materiálom a pod. -  pripraviť reprodukovateľne teplotne čo najhomogénnejšiu (homogenita = jednoliatosť, rovnorodosť) taveninu v celom objeme vstrekovanej dávky, ktorú pôsobením vstrekovacieho tlaku a vstrekovacej rýchlosti,čo najšetrnejšie – bez zbytočného šmykového namáhania - dopravíme do temperovanej tvarovej dutiny vstrekovacej formy. V tvarovej dutine pôsobením dotlakovej fázy vstrekovacieho procesu – tlakovou a časovou úrovňou dotlaku – sa snažíme eliminovať, odstrániť tepelnú objemovú kontrakciu – zmrštenie tak, aby výstrek po ochladení a vyhodení z tvarovej dutiny formy mal predpísané tvary a rozmery, vrátane všetkých ďalších požadovaných kvalitatívnych parametrov. 

Prakticky všetky modifikácie (varianty, zmeny) technológie vstrekovania termoplastov vychádzajú z vyššie uvedených princípov klasickej vstrekovacej technológie, ale nie pri všetkých je výsledkom výstrek so zníženou hmotnosťou. Medzi technológie schopné vstrekovať výstreky so zníženou hmotnosťou oproti klasickej technológii vstrekovania možno zaradiť :

- viackomponentné vstrekovanie - vytváranie výstrekov z viacerých polymérnych materiálov s rôznymi vlastnosťami

- vstrekovanie s podporou plynu – GIT - Gas Injection Technology - výroba dutých výstrekov, keď dutinu vytvorí tlak inertného plynu, možnosť eliminácie, napríklad prepadlín na pohľadových plochách alebo spevnených okrajov dielov, zníženie hmotnosti výstreku,atď. 

- vstrekovanie s podporou vody – WIT - Water Injection Technology - obdoba technológie GIT, ktorá na vytvorenie dutín využíva vodu - zrýchlenie procesu, rovnomernejšia kvalita vnútorných povrchov

- výroba výstrekov so stenami malých hrúbok - o tom, či ide o diely s malými hrúbkami stien nerozhoduje absolútna hodnota ich hrúbok, ale pomer hrúbky k dĺžke toku taveniny tvarovou dutinou formy s príslušnou hrúbkou 

- vstrekovanie štruktúrne odľahčených termoplastov - pri použití chemického alebo fyzikálneho spôsobu napeňovania vstrekovanie výstrekov s povrchovou kompaktnou vrstvou a jadrom tvoreným pórovitou štruktúrou - kvalita povrchu výstrekov nie je pohľadová

- technológia vstrekovania MuCell - pórovitá štruktúra vzniká už v špeciálnej plastikačnej jednotke, výstrek má pórovitú štruktúru v celom priereze - kvalita povrchu nie je pohľadová, v prípade požiadavky na vzhľad výstreku sú potrebné jeho povrchové úpravy

- technológie výroby odľahčených výstrekov ako CELLMOULD, FOAMMELT a pod.

- mikrovstrekovanie - výroba presných výstrekov malých rozmerov a hmotností

- ultrazvukové mikrovstrekovanie s vysokou presnosťou – nadávkovaný materiál sa v tvarovej dutine taví ultrazvukom, ktorý tiež napomáha jeho toku

Modifikácie štandardného procesu vstrekovania

Technológia vstrekovania s využitím horúcich rozvodných systémov vstrekovacích foriem

Formy na vstrekovanie termoplastov možno členiť do skupín podľa rôznych kritérií, jedným z kritérií je rozdelenie podľa princípu – za studena, za horúca - dopravy polymérnej taveniny do tvarovej dutiny formy :

- formy so studenými vtokovými systémami - studený vtokový systém má teplotu formy a je obvykle tvorený kanálmi umiestnenými v hlavnej deliacej rovine vstrekovacej formy a po doprave polymérnej taveniny do tvarovej dutiny formy, rovnako ako výstrek, materiál vo vtokovom rozvode stuhne, prejde zo stavu taveniny do pevnej fázy a je spolu s výstrekom, na konci ochladzovacej fázy vstrekovacieho cyklu, vyhodený z formy a pripravený na ďalšie spracovanie (napríklad na mechanickú recykláciu – drvenie, prípadne s následným kompaundovaním - zmiešaním s ďalšími zložkami a aditívami - a je pripravený na ďalší pracovný cyklus - prevedenie do polymérnej taveniny, vstreknutie do tvarovej dutiny formy atď. alebo sa považuje za odpad).

- formy s horúcimi vtokovými systémami, niekedy nazývanými bezodpadovými systémami zloženými z vyhrievaného rozvodného bloku a horúcich dýz s teplotou zaručujúcou udržanie dávky polymérneho materiálu vo fáze taveniny - základnou úlohou horúceho rozvodného systému vstrekovacej formy je v každom výrobnom cykle privádzať buď priamo do tvarovej dutiny formy alebo do pomocného studeného kanála polymérnu taveninu (kombinovaný vtokový rozvodný systém) a udržiavať ju v rozvodnom systéme v stave taveniny počas výroby príslušného počtu výstrekov. Tým sa odstránia alebo minimalizujú vtokové zvyšky (studené kanály), pričom sa súčasne výrazne zmenší nutnosť mať k dispozícii odpadové hospodárstvo na nakladanie s vtokovými zvyškami, zmenší sa potreba dodatočného odstraňovania vtokových ústí z výstrekov, vrátane zvýšenia možnosti optimalizovať dotlakovú fázu bez nebezpečenstva zamrznutia prierezu ústia vtoku ako je to pri studených systémoch pri nesprávnom dimenzovaní ich prierezov.

Na obrázku 2 sú na porovnanie schémy vstrekovacích foriem so studeným vtokovým rozvodom – vľavo forma tzv. dvojdosková a trojdosková, vpravo štvornásobná forma s horúcim rozvodom a vyváženými vtokovými kanálmi zabezpečujúcimi rovnaké dráhy toku polymérnej taveniny do jednotlivých tvarových dutín formy.

Obrázok 2 : Porovnanie vstrekovacích foriem so studeným vtokovým rozvodom – vľavo forma tzv. dvojdosková a trojdosková,vpravo štvornásobná forma s horúcim rozvodom a vyváženými vtokovými kanálmi zabezpečujúcimi rovnaké dráhy toku polymérnej taveniny do jednotlivých tvarových dutín formy

Jednou z variantov technológie vstrekovania s horúcimi rozvodmi je kaskádové vstrekovanie - kaskádové vstrekovanie (kaskáda = súbor zariadení zapojených za sebou, do série, tvoriacich jeden technologický celok) - je zostava horúcich, ihlou uzatvárateľných dýz umiestnených za sebou, do série, riadená tak, že plnenie tvarových dutín prebieha postupne tak, že vznikne iba jedno čelo tečúcej taveniny. Kaskádové vstrekovanie sa využíva najmä pri dlhých alebo plošne veľkorozmerných výstrekoch, kde okrem iného minimalizuje vznik studených spojov. S výhodou ho možno použiť aj na výstreky s malou hrúbkou stien vo vzťahu k dĺžke toku polymérnej taveniny – úspora materiálu. Schéma kaskádového vstrekovania je na obrázku 3:

Obrázok 3 : Porovnanie viacbodového vstrekovania (vpravo) s kaskádovým vstrekovaním (vľavo); pri viacerých ústiach vtoku do jedného výstreku sa polymérna tavenina z jednotlivých ústí vtoku šíri v tvarovej dutine formy v tvare kruhových vlnoplôch, ktorých čelá sa musia zákonite stretnúť a vytvoriť v mieste styku dvoch už ochladených čiel studený spoj (lokálne zníženie pevnosti, vzhľadová chyba, nemožno odstrániť, iba znížiť nebezpečenstvo vzniku), kde je aj nebezpečenstvo uzavretia vzduchu a vzniku spáleného miesta na výstreku; na odstránenie opísaného javu sa využíva technológia kaskádového vstrekovania (vľavo), keď sa na rozdiel od štandardného systému plnenia tvarovej dutiny polymérnou taveninou (otvorené ústia vtoku) využíva technológia kaskádového vstrekovania s horúcimi dýzami s ihlovým uzáverom, vďaka riadeniu pohybu ihiel sa tieto otvárajú postupne (od kraja alebo od stredu), polymérna tavenina nevytvára vlnoplochy,ale tečie postupne bez vzniku studených spojov,rovnaký princíp možno použiť aj pri výstrekoch s veľkým pomerom hrúbky steny k dĺžke tokovej dráhy v tvarovej dutine formy (zjednodušene povedané s malou hrúbkou steny).

Z porovnania uvedených rozvodných systémov vstrekovacích foriem sú zrejmé dve skutočnosti – nasadenie horúceho vtokového systému znamená zvýšenie ceny vstrekovacej formy s týmto systémom oproti forme so studeným rozvodom a formy s horúcimi systémami vyžadujú vyššiu mieru znalostí tak u nastavovačov foriem, ako aj u pracovníkov údržby vstrekovacích foriem, všetko pri väčšej alebo menšej úspore vstrekovaného materiálu. Celkové ekonomické vyznenie použitia vstrekovacích foriem s horúcimi rozvodnými systémami a so studenými je nutné vždy dobre ekonomicky a prevádzkovo zvážiť.

Technológia viackomponentného vstrekovania termoplastov – vstrekovanie hybridných konštrukčných dielov

V princípe ide o využitie poznatkov zo štandardnej technológie vstrekovania termoplastov, keď sa zvyčajne využíva jeden vstrekovací stroj s viacerými plastikačnými jednotkami a jedna vstrekovacia forma skonštruovaná pre danú technológiu, t. j. príjem viacerých rôznych alebo rovnakých, rôzne modifikovaných (napríklad v rôznom farebnom vyhotovení) materiálov, vyrába výstrek zložený z rôznych materiálov, najčastejšie z rôznych materiálov z hľadiska tvrdosti, napríklad nástrek materiálu TPE na „tvrdý“ nosný materiál.

Uvedené technologické postupy, keď sa postupne v krokoch naplní tvarová dutina s využitím vlastného vtokového rozvodu pre daný prvý materiál a v ďalších krokoch ďalším alebo ďalšími materiálmi, opäť s využitím ich rozvodných systémov, umožňujú skracovať výrobné časy, odpadá výroba samostatných dielov a ich montáž. Technológie ďalej ponúkajú výhody pri riešení požiadaviek na tvarové vlastnosti dielov vrátane znižovania ich hmotnosti, na mechanické vlastnosti dielov, na ochranné, dekoratívne vlastnosti atď.    

Technológie viackomponentného vstrekovania termoplastov možno na základe ich princípu rozdeliť do troch hlavných skupín:

- viacmateriálové vstrekovanie – princípom týchto technologických postupov vstrekovania je vstrekovanie dvoch a viacerých materiálov do jednej tvarovej dutiny formy, na výstreku nie sú definované presné rozhrania materiálov – do tohto technologického segmentu zaraďujeme technológie : vstrekovanie sendvičové, intervalové, mramorovanie, sekvenčné

- obstrekovanie, zastrekovanie, nastrekovanie – do tvarovej dutiny formy sa zakladá vopred vyrobený komponent alebo komponenty a pri vstrekovacom procese dôjde k obstreknutiu vloženého dielu, ktorý môže byť z rôznych materiálov – kov, plast, textil atď. - medzi tieto technológie vstrekovania zaraďujeme, napríklad technológie : Insert Moulding (IM), In-Mould Decoration (IMD), In-Mould Labeling (IML), Outsert Molding (OM), In-Mold Closing (IMC), In-Mould Assembly (IMA), hybridné vstrekovanie – termoplast x kov, termoplast x termoplast, termoplast x kompozit s termoplastickou matricou, Moulded Interconnect Devices (MID), Three Dimensional Moulded Interconnect Devices (3D MID), Total Integrated Manufactured (TIM)

- viackomponentné – viackrokové – viacmateriálové vstrekovanie – 2K, 3K, 4K, atď. - postup umožňuje vstrekovanie rôznofarebných dielov z rovnakého materiálu alebo dielov z rôznych materiálov v rovnakej alebo rôznej farbe, prípadne tvrdosti, atď. spojenia sú nerozoberateľné – využíva sa výrobné zmraštenie, keď sa jeden komponent spojí s druhým pri nástreku na seba – rozhranie medzi materiálmi je definované , materiály musia byť miešateľné alebo aspoň kompatibilné (kompatibilita = schopnosť zlučovať,vzájomná znášanlivosť) a musia vykazovať adhéziu, priľnavosť.

Z troch uvedených skupín viackomponentného vstrekovania termoplastov sa na znižovanie hmotnosti dielov využívajú postupy technológií obstrekovania, zastrekovania a nastrekovania, pričom ich princíp je viac-menej rovnaký - do tvarovej dutiny formy sa zakladá vopred vyrobený komponent alebo komponenty a pri vstrekovacom procese dôjde k zastreknutiu vloženého dielu, ktorý môže byť z rôznych materiálov – kov, plast, textil atď. - polymérnou taveninou.

Už bolo uvedené, že jednou z ciest vedúcich k znižovaniu hmotnosti je využitie termoplastov v konštrukcii dielov. Ale pretože v pevnostne namáhaných dieloch nie je využitie samotných termoplastov, z dôvodov ich relatívne nízkych fyzikálno-mechanických vlastností, možné, prechádza sa k hybridným konštrukciám, pri ktorých dochádza k spojeniu termoplastov s kovovými dielmi, k lokálnemu vystužovaniu výstrekov z termoplastov vláknitými výstužami, napríklad z uhlíkových vlákien, k nastrekovaniu funkčných tvarov z termoplastov na diely predtvarované a vložené do vstrekovacej formy, predtvarované, napríklad technológiou  termoformovanie alebo tvárnením za tepla alebo tepla a vákua, diely môžu byť vyrobené z rôznych materiálov, od kompozitov plnených rastlinnými vláknami až po kompozitné laminátové systémy so sklenenými alebo uhlíkovými vláknami a termoplastickou matricou.  

Využitie kompozitov s termoplastickou matricou v hybridných konštrukčných dieloch spája výhodu efektívneho spracovateľského procesu – založenie predtvarovaného dielu z kompozitu s termoplastickou matricou do vstrekovacej formy a jeho zastreknutie, na určených miestach, funkčným polymérnym kompozitom – s konštrukciou so zníženou hmotnosťou, pri vysokej pevnosti a húževnatosti, vrátane absorpcie energie a možnosti vystaviť zostavu dynamickému namáhaniu.

Príkladom takéhoto riešenia je výstrek Puzdro airbagu pôvodne vstrekované z PA 6, keď puzdro malo hrúbku stien v rozmedzí 3 mm až 4 mm. Nové riešenie, ktoré ukazuje obrázok 4, je hybridná konštrukcia, ktorá kombinuje predhriaty roving (prameň, zväzok nekonečných vlákien bez zákrutu s vysokou pevnosťou v pozdĺžnom smere),  47 % sklenených vlákien presýtených PA 6 a vložený do formy a pri zatváraní vo forme vytvarovaný a zastreknutý kopolymérom PA 6/PA 66 so 40 % sklenených vlákien. Týmto riešením došlo k zníženiu hmotnosti dielu o cca 30 %, pri hrúbke dielu 1 mm, ktorá navyše umožnila skrátiť čas výrobného cyklu vďaka zníženiu hrúbky steny z polymérneho materiálu. 

Obrázok 4: Vstrekovanie hybridných konštrukčných výstrekov – ide o prepojenie niekoľkých výrobných postupov: tvarovanie (predhriaty roving v tvare dosky je vo vstrekovacej forme vytvarovaný pri zatváraní formy do tvaru daného tvarovými dielmi formy) a tvárnenie plastov (vstrekovanie kompozitov s termoplastickou matricou) spojených do jedného výrobného celku –   výstrek Puzdro airbagu je hybridná konštrukcia, ktorá kombinuje roving z PA 6 + 47 % sklenených vlákien vložený do formy a vo forme vytvarovaný a funkčne zastreknutý kompozitným kopolymérom PA 6/PA 66 so 40 % sklenených vlákien

Technológia vstrekovania štruktúrne ľahčených termoplastov

Technológia výroby štruktúrne ľahčených termoplastov – vstrekovanie termoplastov s napeňovaním – TSG, Thermoplastische Schaum­Guss  – vo všetkých variantoch technologických postupov ľahčenia - ide opäť o technológiu vstrekovania s cieľom znižovať hmotnosť výstrekov, vrátane zvýšenia ich izolačných vlastností, minimalizácie vnútorného pnutia, minimalizácie prepadlín, prípadne aj zníženia tvrdosti výstrekov.

Z hľadiska technológie výroby rozoznávame niekoľko procesov, ktoré využívajú na vytvorenie napenenej štruktúry buď fyzikálne, alebo chemické nadúvadlo. Výrobky zo štruktúrnych pien najčastejšie majú kompaktnú povrchovú vrstvu a napenené jadro. Plasty, používané na vstrekovanie štruktúrnych pien, sú ABS, PA, PE, PPO, PC, PP, PS, PBT, PC/ABS, termoplastické elastoméry a pod. Najviac rozšírené je štruktúrne ľahčenie polypropylénu a jeho kompozitov s mastencom a uhličitanom vápenatým.

Polymérne peny ako podskupinu ľahčených hmôt možno definovať ako umelo vytvorenú disperziu (rozptýlenie) plynu v matrici polyméru. Na vytvorenie slúžia nadúvadlá, t. j. prísady, ktoré uvoľňujú v priebehu výrobného procesu plyny alebo pary. Nadúvadlá sa delia na chemické a fyzikálne. Do prvej skupiny patria chemikálie, ktoré sa účinkom tepla rozkladajú na plynné produkty, ktoré pri spracovaní plastu vytláčaním, vyfukovaním alebo vstrekovaním vytvoria bunkovú štruktúru, tzv. štruktúrnu penu. Týmito nadúvadlami v množstve do 2 % možno odľahčiť každý plast, vrátane inžinierskych, avšak iba na objemovú hmotnosť 0,2 g.cm-3 až 0,8 g.cm-3. Medzi fyzikálne nadúvadlá patria chemické zlúčeniny, ktoré počas vypeňovania menia svoj fyzikálny stav, napríklad stlačené kvapalné plyny expandujúce pri uvoľnení tlaku, prchavé látky meniace sa na plyn – napríklad metylchlorid, freóny, CO2, bután, pentán, nízkovriace alkoholy, étery,atď. Dávkujú sa v množstve 5 % až 10 % a sú schopné odľahčiť použitý plast na 0,008 g.cm-3  až 0,08 g.cm-3.

Chemické ľahčenie

Štruktúra rezu stenou výstreku štruktúrne ľahčeného s využitím chemického nadúvadla – kompaktná povrchová vrstva a napenené jadro – je na obrázku 5. Na rezoch získaných z výstrekov z PC, ktoré – zhora nadol – mali čas plnenia tvarovej dutiny 0,3 s ; 0,6 s ; 1,2 s ; 1,5 s – je vidieť prechod kompaktnej povrchovej vrstvy – skinu – do stredového napeneného jadra – core; pri rýchlom plnení vidíme, že vrstva skinu má malú hrúbku a core je tvorené mikropenou a so spomaľovaním rýchlosti, respektíve času plnenia tvarovej dutiny polymérnou taveninou s chemickým nadúvadlom sa hrúbka skinu zvyšuje a stredová štruktúra prechádza do makropórov. 

Obrázok 5 : Rez stenou štruktúrne ľahčeného výstreku s chemickým nadúvadlom, v jadre je nepravidelná, náhodná štruktúra buniek

Kompaktná vrstva na oboch stranách steny tvarovej dutiny formy vznikla v dôsledku rýchleho ochladenia polymérnej taveniny a zaručuje výstreku jeho tvar, tuhosť a odolnosť voči mechanickému namáhaniu, chemickému a teplotnému pôsobeniu. Mechanické vlastnosti sa v priereze od vonkajšej strany k stredu steny výstreku znižujú. Vonkajšie plochy výstreku nemajú kvalitný vzhľad, napríklad aj preto, že určitá časť nadúvacích plynov unikla do okolitého prostredia a na povrchu výstreku vytvorila nepravidelné mapy. Jadro je tvorené relatívne nepravidelnou a dezorientovanou, náhodnou štruktúrou buniek, ktorých objem, vo výsledku, určuje objemovú hmotnosť výstreku.

Štruktúrne ľahčené výstreky napeňované chemickými nadúvadlami je možné vyrábať na štandardných vstrekovacích strojoch so závitovkovou plastikáciou a s dostatočnou vstrekovacou rýchlosťou.

Medzi výhody štruktúrne ľahčených výstrekov s chemickými nadúvadlami, ktoré sa v mnohých bodoch zhodujú s výhodami aj pri fyzikálnom ľahčení, napríklad patria:

- jednoduchá výroba tvarovo komplexných výstrekov

- pri rovnakej tuhosti dosiahnutie úspory hmotnosti – výhodný pevnostno / hmotnostný pomer

- zníženie hmotnosti výstreku

- zníženie zmrštenia a zníženie tendencie k deformáciám

- zlepšenie tepelnoizolačných aj zvukovoizolačných vlastností

- eliminácia možných prepadlín

- malý obsah vnútorného pnutia vo výstrekoch

- možnosť menšieho pevnostného dimenzovania vstrekovacích foriem

- dobrá obrobiteľnosť

- zvariteľnosť technológiou s prídavným drôtom

- možnosť používať štandardný vstrekovací stroj

Medzi nevýhody zaraďujeme:

- vzhľadové plochy výstrekov nie sú úplne hladké a lesklé

- nemožno reprodukovať niektoré jemné povrchové tvary a dezény tvarovej dutiny formy

- vonkajšie vzhľadové plochy majú na sebe mapy a stopy po toku a výrone plynu

- v porovnaní so štandardným vstrekovaním nutnosť predĺženia času chladenia

- určitá limitná hrúbka steny výstrekov – zvyčajne viac ako cca 3 mm

- nutnosť používať veľké prierezy ústia vtoku – prácne odstraňovanie vtokových zvyškov

Fyzikálne spôsoby odľahčovania

Princíp fyzikálneho odľahčovania nie je zložitý - do polymérnej taveniny sa vo vstrekovacej a plastikačnej jednotke vstrekovacieho stroja dávkuje kvapalné fyzikálne nadúvadlo, ktoré sa tepelne rozloží, vzniknú pary, ktoré sa rozptýlia v polymérnej tavenine a po jej dopravení do tvarovej dutiny formy, keď dôjde k poklesu tlaku, sa plynná fáza oddelí a vytvorí relatívne usporiadanú a jemnú bunkovú štruktúru dutiniek v jadre stien výstreku (core). Pri styku výstreku, respektíve jeho chladnúcej polymérnej taveniny, so „studenou“ stenou tvarovej dutiny formy sa rovnako ako pri výstrekoch vzniknutých pomocou chemického nadúvadla vytvorí kompaktná vrstva,skin – obrázok 6. Na obrázku 6 je rez stenou štruktúrne odľahčeného výstreku s fyzikálnym nadúvadlom – na rozdiel od chemického nadúvadla fyzikálne nadúvadlo v jadre, core vytvorí relatívne jemnú a usporiadanú štruktúru buniek.

Obrázok 6: Rez stenou štruktúrne odľahčeného výstreku, fyzikálne nadúvadlo, v jadre je relatívne jemná a usporiadaná bunková štruktúra

Vďaka vzniku relatívne jemnej bunkovej štruktúry sa vstrekovanie s fyzikálnym nadúvaním  nazýva technológiou mikrobunkového vstrekovania termoplastov. Najčastejšie používaným nadúvacím plynom je dusík (N2), menej často oxid uhličitý (CO2). Technológia, na rozdiel od chemického napeňovania, vyžaduje špeciálnu vstrekovaciu jednotku s dávkovačom plynu. Princípom mikrobunkového vstrekovania je vytvorenie jednofázovej zmesi (polymérna tavenina + plyn) v dávke pred čelom závitovky v plastikačnej a vstrekovacej jednotke vstrekovacieho stroja a jej dopravenie do tvarovej dutiny formy, kde expanduje, rozpína sa. Do plastikačnej jednotky sa napeňovací plyn dávkuje vo forme superkritickej tekutiny (SCF – Supercritical Fluid).

Hlavným predstaviteľom tejto technológie je technológia MuCell – Microcellular Foam Molding, pri ktorej sa do plastikačnej jednotky vstrekovacieho stroja napeňovací plyn dávkuje vo forme superkritickej tekutiny (SCF – Supercritical Fluid). Technológiu rozširuje americká firma Trexel Inc., ktorá spolupracuje s výrobcami vstrekovacích strojov, napríklad s firmou KraussMaffei alebo Negri Bossi.

Celý rad výrobcov vstrekovacích strojov vyvinul a predáva vstrekovacie stroje na mikrobunkové vstrekovanie, vychádzajúce z technológie MuCell, pod svojím vlastným názvom, napríklad Engel foammelt, Arburg ProFoam, Battenfeld Cellmould atď. Súčasťou riešenia mikrobunkového vstrekovania je vždy vstrekovacia a plastikačná jednotka so závitovkou s rôznou konštrukciou miešacích zón a s uzatvárateľnou dýzou. Ďalej je to dávkovacia dýza na dávkovanie inertného plynu a zdroj tlakového plynu. Na zabezpečenie vypeňovacej reakcie aj na konci dráhy toku polymérnej taveniny v tvarovej dutine vstrekovacej formy je nutné zabezpečiť vysokú rýchlosť plnenia tvarovej dutiny, a teda vstrekovací stroj musí mať vysoký vstrekovací výkon. Technológiu MuCell a jej varianty možno použiť aj na vstrekovanie do foriem s horúcimi rozvádzacími systémami.

Okrem technológií,ktoré ponúkajú výrobcovia vstrekovacích strojov, možno využiť aj technológie iných výrobcov, napríklad švajčiarska firma Sulzer Chemtech svoje riešenie ponúka pod názvom Optifoam. Výhoda tohto riešenia je v tom, že nevyžaduje a nepoužíva špeciálne riešenie závitoviek a vstrekovacích jednotiek, ale tlakový dávkovač skvapalneného plynného nadúvadla je umiestnený ako medzičlen medzi hlavou vstrekovacej jednotky a uzatvárateľnou dýzou vstrekovacieho stroja. V dýze je aj statický miešač vyrobený zo spekaných karbidov a premiešavanie polymérnej taveniny a kvapalného nadúvadla prebieha v statickom miešači. Obdobnú technológiu ponúka aj nemecká firma Demag Ergotech.

Ďalšiu technológiu štruktúrne odľahčeného vstrekovania má firma Linde. Jej zariadenie  PLASTINUM Perfoamer na mikrobunkové penové vstrekovanie termoplastov sa skladá zo sušiarne vstrekovaného granulátu, kde je granulát vysušený na predpísaný obsah zvyškovej vlhkosti a vytemperovaný na požadovanú teplotu. Takto pripravený granulát je prepravený podtlakovým nasávačom do tlakovej impregnačnej jednotky, kde je tlakovo sýtený nadúvadlom, ktorým je oxid uhličitý CO2 .Množstvo CO2, ktoré granulát absorbuje, závisí od konkrétneho sýteného materiálu, sýtiaceho tlaku, teploty a času „impregnácie“. Oxid uhličitý sa odoberá z tlakových fliaš v plynnom stave alebo ho možno dovážať v kvapalnom stave a v kompresorovej jednotke ho previesť z kvapalného do plynného stavu. Po nasýtení príslušného objemu materiálu v impregnačnej jednotke sa v nej zruší tlak a nasýtený materiál sa prepraví do zásobníka, odkiaľ je dodávaný priamo do závitovkovej a plastikačnej jednotky štandardného vstrekovacieho stroja. Podľa veľkosti zariadenia možno zásobovať nasýteným materiálom viac vstrekovacích strojov. Oxid uhličitý v takto pripravenom granuláte zostáva počas cca dvoch hodín. Metóda umožňuje znížiť hmotnosť výstrekov až o 60 %. Jednou z výhod metódy je skutočnosť, že nepoužíva miešaciu závitovku a je teda vhodná aj pre termoplasty náchylné na degradáciu, porušenie, v dôsledku vysokého šmykového namáhania, napríklad pre POM.      

Medzi technológie používané na vstrekovanie štruktúrne odľahčených výstrekov z termoplastov zaraďujeme aj ko-vstrekovanie (obdoba technológie 2K). Ko-vstrekovanie využíva dve plastikačné jednotky, v jednej sa pripravuje klasická polymérna tavenina a v druhej tavenina s nadúvadlom. Podstata vstrekovacieho procesu spočíva v striedavom vstrekovaní materiálu povrchu výstreku a jeho jadra do vstrekovacej formy, ktorej teplota zodpovedá vstrekovanému materiálu. Ako prvá sa vstrekne polymérna tavenina, ktorá bude tvoriť povrchovú, vzhľadovú časť výstreku, následne sa do tvarovej dutiny vstrekne napenené jadro výstreku a opäť sa vstrekne klasická tavenina. Výsledkom takéhoto postupu vstrekovania je kompaktný povrch výstreku s penovým jadrom. Je logické, že sa postup môže obrátiť a vyrobiť výstrek so štruktúrne odľahčeným povrchom a kompaktným jadrom alebo vstrekovať pri vhodnej konštrukcii formy, do jedného výstreku peny s rôznou tvrdosťou.

Technológia vstrekovania štruktúrne odľahčených termoplastov v porovnaní so štandardnou technológiou vstrekovania termoplastov  

Už som uviedol, že jedným z hlavných prínosov výroby štruktúrne odľahčených výstrekov z termoplastov je úspora hmotnosti. Na úsporu hmotnosti môžeme nazerať z dvoch pohľadov, ktoré v skutočnosti tvoria jeden celok. Jedným z pohľadov je úspora materiálu ako suroviny na výrobu daného výstreku, teda zníženie výrobných nákladov a druhým je zníženie hmotnosti výstreku, čo prispieva,okrem iného k zvýšeniu jeho konkurencieschopnosti, vrátane nadväzujúcich úspor, napríklad v automobilovom priemysle pri znižovaní hmotnosti štandardných aj hybridných alebo plne elektrických automobilov. V neposlednom rade ide aj o environmentálny pohľad.

Je všeobecne známym faktom, že nemožno vyrobiť výstrek z termoplastu, ktorý by neobsahoval žiadne  zvyškové, vnútorné, reziduálne napätie. Jednou z príčin vnesenia zvyškových napätí do výstrekov z termoplastov je aj dotlaková fáza  vstrekovacieho procesu kompenzujúca vplyv zmršťovania na výstrek a ovplyvňujúca, okrem iného, aj jeho rozmerovú presnosť. Tlak, respektíve jeho priebeh v dotlakovej fáze a čas jeho pôsobenia môže prispieť k  „uzavretiu“ tlaku do výstreku a po jeho vyhodení z tvarovej dutiny formy k vzniku deformácie tvaru výstreku alebo k vzniku trhliniek na povrchu výstreku (napríklad spolu s pôsobením tenzoaktívneho prostredia) atď. V prípade technológií vstrekovania so štruktúrnym odľahčením je oproti štandardnému vstrekovaniu termoplastov situácia odlišná. Dotlaková fáza vstrekovacieho procesu je pri týchto technológiách potlačená (má malý vplyv na výsledný produkt) alebo je úplne eliminovaná, vstrekovací proces nepoužíva dotlakovú fázu. Zmršťovanie ovplyvňované dotlakovou fázou je tu kompenzované rozpínajúcimi sa zárodkami bunkovej štruktúry vo vnútornej štruktúre tuhnúceho vstrekovaného materiálu.

Kvalita povrchu – pozri obrázok 7 - je výraznou nevýhodou všetkých variantov technológie vstrekovania štruktúrne odľahčených výstrekov. Povrchové mapy, nemožnosť kopírovania dezénovaných povrchov tvarových dutín vstrekovacích foriem sú spôsobené únikom napeňovacieho plynu cez povrch výstreku pred kontaktom polymérnej taveniny s povrchom tvarovej dutiny formy a vytvorením lokálnych medzivrstiev medzi tvarovým povrchom formy a vonkajším povrchom napeňovaného výstreku.

Obrázok 7 :Typický vzhľad štruktúrne odľahčených výstrekov

Na odstránenie uvedeného problému možno napríklad využiť technológiu ko-vstrekovania (pozri vyššie) alebo technológiu zo štandardného vstrekovania na minimalizáciu vzniku studených spojov – predhriatie tvarového povrchu vstrekovacej formy pred vstreknutím polymérnej taveniny s nadúvadlom. Na predhrev možno použiť napríklad infražiariče umiestnené na robote, ktoré pri otvorenej forme, po vyhodení výstreku z tvarovej dutiny, predhrejú jej povrch (metóda tohto predhrevu predĺži vstrekovací cyklus, ale nevyžaduje špeciálnu konštrukciu vstrekovacej formy). Ďalšou možnosťou je využitie indukčného ohrevu povrchu tvarovej dutiny vstrekovacej formy zabudovaného do formy. Výhodou je rýchlosť ohrevu lícnej strany tvarovej dutiny indukovanými vírivými prúdmi, ohrev sa začne ihneď po vyhodení výstreku z tvarovej dutiny, bez ohľadu na pohyby formy.

Okrem vyššie uvedených možností na zlepšenie kvality vzhľadových povrchov výstrekov s nadúvadlami sa pri vstrekovaní technológiou MuCell používa technológia GGD -  Gasgegendruck, technológia vstrekovania proti tlaku plynu (dusík, suchý vzduch) v tvarovej dutine vstrekovacej formy. V princípe ide o to, že pred začiatkom plnenia tvarovej dutiny formy zmesou polymérna tavenina + plyn v stave SCF, sa tvarová dutina zaplní tlakovým plynom, tlak plynu môže byť až 80 barov. Zmes sa teda vstrekuje proti tlaku plynového vankúša v tvarovej dutine formy. V závislosti od priebehu plnenia tvarovej dutiny zmesou sa tlak vo vankúši reguluje a plyn z tvarovej dutiny odpúšťa. Pôsobením protitlaku sa zabráni prenikaniu nadúvacieho plynu cez horný povrch výstreku do priestoru medzi stenou tvarovej dutiny formy a stenou výstreku a výsledkom je hladší povrch výstreku.

Výrobca horúcich rozvodných systémov vstrekovacích foriem,nemecká firma INCOE ponúka technológiu GAS – CORE, ktorá si rovnako ako technika GGD, kladie za cieľ zlepšiť kvalitu povrchu štruktúrne odľahčených výstrekov. Pri využití techniky Gas – Core sa fyzikálne napeňovanie výstrekov s hladkým kompaktným povrchom, vstrekovaných do tvarovej dutiny formy cez horúci rozvod polymérnej taveniny, vykonáva v troch krokoch – v prvom sa do tvarovej dutiny vstrekne časť polymérnej taveniny bez nadúvadla, horúci rozvodný systém je osadený tlakovým dávkovačom inertného plynu a zmiešavacou komorou. V miešacej komore dôjde k premiešaniu polymérnej taveniny s dusíkom alebo oxidom uhličitým a vzniknutá zmes sa horúcou dýzou vstrekne do tvarovej dutiny formy, v treťom kroku sa tvarová dutina formy znovu doplní polymérnou taveninou bez nadúvadla.      

Vstrekovanie s podporou plynu a vody – technológie GIT a WIT

Jedným zo základných prístupov ku konštrukcii výstrekov z termoplastov uvádzaných v zásadách technologickosti ich konštrukcie je vyvarovať sa stien výstrekov s veľkou hrúbkou a stien s rozdielnymi hrúbkami v konštrukcii daného výstreku. Okrem zvýšenia hmotnosti výstreku, porušenie uvedenej zásady zvyčajne vedie k výraznému predĺženiu času výrobného vstrekovacieho cyklu (hrúbka steny výstreku je vo výpočte času ochladzovania výstreku v druhej mocnine, t. j. ide o exponenciálnu závislosť čas ochladzovania výstreku x hrúbka steny výstreku), k prepadlinám (v dôsledku nahromadenia materiálu,dochádza k väčšiemu zmršteniu,ktoré sa nemusí v dotlakovej fáze, podariť vykompenzovať), k rozmerovej nestabilite a k deformáciám (rozdielne hrúbky stien výstreku vyvolajú rozdielne lokálne zmrštenia – rozdielne rozmery a teda aj deformácie), k neopodstatnenému zvýšeniu spotreby vstrekovaného materiálu (zvýšenie ceny a hmotnosti výstreku) atď. 

Ak je už nutné, z funkčných dôvodov, z dizajnových dôvodov, prípadne iných dôvodov, konštruovať výstreky s veľkými hrúbkami stien, mal by príslušný konštruktér výstreku pamätať aj na iné možnosti konštrukcie a výroby výstrekov. Základom je namiesto hromadenia materiálu vytvoriť rebrovaný výstrek alebo v prípade, že z tvaru možno vytvoriť škrupinu, vyrobiť obe polovice zvlášť (môžu mať malú hrúbku,prípadne byť vystužené rebrami) a následne ich spojiť (zvariť, zlepiť, spoj pružným zaskočením, zoskrutkovať a pod.). Ďalším možným riešením je výsuvné jadro vo forme, pohybujúce sa po priamej alebo zakrivenej trajektórii alebo využitie technológie vstrekovania na stratené, vytaviteľné jadro (výroba jadra z vo vode rozpustného termoplastuEVA, zo zliatin bizmut – cín, teplota tavenia 138 °C, cín – antimón – olovo, teplota tavenia 187 °C a pod.) v neposlednom rade môžu byť využité technológie štruktúrneho odľahčovania, pozri predchádzajúcu kapitolu, prípadne technológie vstrekovania s podporou plynu alebo s podporou vody.

Technológia vstrekovania termoplastov s podporou plynu (GIT – Gas Injection Technology), obvykle tlakový dusík - inertný, nehorľavý, chemicky neutrálny plyn, pri ktorom nehrozí reakcia plynu s polymérnymi taveninami a ich aditívami - je technológia, ktorej princíp spočíva v tom, že sa do určitých miest chladnúcej polymérnej taveniny, respektíve výstreku privedie tlakový inertný plyn,ktorý v stenách výstreku vytvorí vnútorné dutiny. Technológia GIT má niekoľko variantov, pričom ide v podstate o dva prístupy – proces GIT s čiastočným plnením, keď je forma na bežnom vstrekovacom stroji objemovo naplnená polymérnou taveninou iba čiastočne a do chladnúcej taveniny je buď cez dýzu stroja alebo cez injektor na forme vpravený tlakový dusík, ktorý vytvorí dutiny a zároveň funguje, vďaka regulovanému tlaku ako dotlak. Druhým prístupom je proces GIT s pretokom – opäť sa  používajú štandardné vstrekovacie stroje, ale prvým krokom procesu je objemové naplnenie tvarovej dutiny polymérnou taveninou s následným prepnutím na dotlak, po ktorého skončení tlakový dusík vyfúkne polymérnu taveninu v jadre výstreku von z tvarovej dutiny do pomocnej pretokovej dutiny, z ktorej je s výstrekom vyhodená z formy. Tlakový dusík v čase chladenia výstreku kompenzuje,vyrovnáva zmršťovanie chladnúcej taveniny a pomáha kopírovať povrch tvarovej dutiny. Výstreky vyrobené technológiou GIT sú na obrázku 8.

Obrázok 8 : Výstreky vyrobené technológiou GIT – vľavo: GIT s pretokom do pretokovej dutiny; vpravo : technológia GIT a jej využitie na kompenzáciu zmršťovania a prepadnutých miest

Okrem technológie vstrekovania termoplastov s podporou plynu možno použiť aj technológiu vstrekovania, pri ktorej sa na výrobu dutých výstrekov nepoužíva podpora plynom, ale do chladnúceho jadra z polymérnej taveniny v strede výstreku sa čerpadlom dopraví tlaková voda - technológia vstrekovania s podporou vody (WIT – Water Injection Technology).Technologické princípy oboch metód vstrekovania termoplastov sú obdobné.

Rovnako ako pri vstrekovaní s podporou plynu aj pri WIT (a tu ešte nevyhnutnejšie) musíme z procesu, pred jeho skončením, vodu odstrániť. Na odstránenie vody sa používajú dva prístupy, pričom oba pracujú s objemovým naplnením tvarovej dutiny polymérnou taveninou a následným dávkovaním tlakovej vody cez dýzu vstrekovacieho stroja alebo cez plniacu dýzu v tvarovej dutine formy,s možnosťou regulácie jej tlaku a prietoku (rýchlosti) – voda sa z výstreku, po skončení jej pôsobenia ako dotlakovej a chladiacej fázy vstrekovacieho cyklu a po otvorení ventilu, vytlačí tlakovým vzduchom alebo sa voda, opäť po skončení dotlakovej a chladiacej fázy, čerpadlom odsaje späť. Pretože sa v procese vstrekovania technológiou WIT používa voda, je nutné pri termoplastoch náchylných na hydrolytický rozklad (hydrolýza = rozklad polymérneho reťazca vodou) pracovať v krátkych výrobných cykloch s dokonalým odstránením vody z výstrekov.

Pri porovnaní oboch technológií možno vyzdvihnúť skrátenie výrobného času cyklu vstrekovania pri technológii WIT (voda má súčiniteľ vedenia tepla pri teplote 20 °C a tlaku 1 bar 0,604 W.m-1K-1 a špecifickú tepelnú kapacitu 4 182 J.kg-1K.1) oproti GIT (dusík má pri teplote 20 °C a tlaku 1 bar súčiniteľ vedenia tepla  0,0143 W.m-1K-1  a  špecifickú tepelnú kapacitu 1 038 J.kg-1K-1). Ďalšou výhodou použitia vody je jej priaznivý vplyv na kvalitu vnútorných povrchov dutých výstrekov, ktoré vyhladzuje a steny sú z pohľadu ich hrúbky rovnomernejšie – pozri obrázok 9.

Obrázok 9 : Porovnanie tvorby vnútorných dutín pri technológiách GIT a WIT – hore, dole: rez spojkovým pedálom vyrobeným technológiou WIT

Obe uvedené technológie – GIT,  WIT – pri svojej vhodnej aplikácii -  pomáhajú riešiť alebo znižovať:

- vytváraním cielených dutín znižujú spotrebu materiálu

- skracujú čas výrobného cyklu

- umožňujú dobré kopírovanie povrchov tvarových dutín foriem, minimalizácia prepadlín

- sú vhodné na výrobu výstrekov s rozdielnymi hrúbkami stien

- minimalizujú deformácie výstrekov

- zvyšujú rozmerovú stabilitu výstrekov

- umožňujú výrobu výstrekov s malou hrúbkou stien a s dlhou dráhou toku polymérnej taveniny

- znižujú nutnosť použitia vysokých uzatváracích síl

Výroba výstrekov so stenami malých hrúbok

Aj pri použití tejto technológie vstrekovania termoplastov je jej hlavným poslaním úspora materiálu a efektivita výroby, skrátenie výrobného cyklu, zníženie nákladov na prípravu polymérnej taveniny vo vstrekovacom stroji. Pri úvahách o tejto technológii vstrekovania je nutné objasniť, čo sa skrýva pod pojmom „malá hrúbka steny výstreku“. Pri vstrekovaní výstrekov so stenami malých hrúbok nesmieme uvažovať v klasických pojmoch typu - malá hrúbka steny je hrúbka 0,6 mm až 1,2 mm. Namiesto takýchto úvah musíme vždy brať do úvahy pomer dĺžky toku polymérnej taveniny v tvarovej dutine vstrekovacej formy k hrúbke tejto tokovej dráhy. Až tento pomer má výpovednú schopnosť o tom, čo je malá hrúbka steny výstreku, pričom posúdenie je vždy nutné vztiahnuť na konkrétny výstrek a jeho materiál.

Rovnako ako pri plastikácii veľkých objemov polymérnej taveniny aj pri vstrekovaní výstrekov s malými hrúbkami stien je snaha v čo najkratšom čase pripraviť zodpovedajúci objem – dávku – polymérnej taveniny. Na to sa v oboch prípadoch používajú bariérové závitovky. Tieto závitovky majú na rozdiel od štandardných trojzónových závitoviek (vťahovacie pásmo pod násypkou, stredná kompresná zóna,bdávkovacia,bmiešacia zóna) inú konštrukciu, ktorá má zrýchliť prípravu polymérnej taveniny a nadávkovať ju pred čelo závitovky. Bariérová závitovka má vťahovacie pásmo, bariérovú dvojchodovú závitovkovú zónu na rýchlu dopravu taviaceho sa granulátu do rôzne tvarovanej šmykovo-miešacej zóny, z ktorej polymérna tavenina prechádza do dávky pred čelo závitovky – pozri obrázok 10.

Obrázok 10: Bariérová plastikačná závitovka - bariérová závitovka má 2 skrutkovice - v modrej časti  zostáva oddelená tavenina od neroztaveného, respektíve nataveného granulátu – nastavenie vykurovacích pásiem – modrá krivka, trojzónová štandardná závitovka má vzostupnú krivku od násypky k vstrekovacej dýze; bariérová závitovka, červená krivka – nastavenie teplôt jednotlivých pásiem je opačné, od vysokej teploty pri násypke k nižšej pri dýze

Vstrekovacie jednotky majú tiež, oproti štandardným vstrekovacím strojom, vyššie vstrekovacie parametre – maximálny vstrekovací tlak až cca 3 500 bar a vstrekovaciu doprednú rýchlosť závitovky až 2 000 mm.s-1.

Na efektívne využitie tejto technológie vstrekovania je nutné mať aj vhodný vstrekovaný materiál, ktorý má vysokú tekutosť, v dôsledku používania vysokých vstrekovacích tlakov a vstrekovacích rýchlostí dostatočne dimenzovať vstrekovacie formy, vrátane umiestnenia a plôch vyhadzovačov (nebezpečenstvo deformácií pri vyhadzovaní). Pri použití vysokých dotlakových hodnôt (krátky dotlak,ale vysoká tlaková úroveň dotlaku) je ovplyvnené aj zmrštenie materiálu, napríklad PC/ABS Bayblend T 65 MN vykazuje pri dotlaku 300 bar zmrštenie 0,77 % a pri dotlaku 800 bar už len 0,3 %.

KONIEC TRETEJ ČASTI. 

Prvú časť nájdete tu.
Druhú časť nájdete tu.
Štvrtú časť nájdete tu.