Lubomír Zeman: Technológia vstrekovania termoplastov a znižovania hmotnosti výstrekov, 4. časť

PREDPOKLADY PRE ZNIŽOVANIE HMOTNOSTI – TECHNOLOGICKOSŤ KONŠTRUKCIE VÝSTREKOV Z TERMOPLASTOV

Technologickosť konštrukcie výstrekov z termoplastov – pod pojmom „technologickosť“ sa skrýva jedna z najdôležitejších požiadaviek na vlastnosti výstrekov z plastov. Bez splnenia požiadaviek v pojme obsiahnutých nemožno pracovať s predpokladmi uvedenými v predošlých kapitolách, s predpokladmi na znižovanie hmotnosti výstrekov vhodným výberom jeho materiálu a vstrekovacej technológie. 

Technologickosť konštrukcie vychádza z kvalitatívnych požiadaviek kladených na výstrek jeho užívateľom a je druhým krokom predvýrobných etáp pre výrobu výstrekov z termoplastov s definovanými zákazníckymi kvalitatívnymi parametrami, pričom do predvýrobných etáp radíme:

- definícia požiadaviek na výstrek

- konštrukcia a dizajn výstreku – podľa zásad technologickosti konštrukcie výstrekov z termoplastov

- výber materiálu pre splnenie požiadavky na minimalizáciu hmotnosti výstreku

- výber technológie vstrekovania z pohľadu výroby výstreku s minimálnou hmotnosťou

- analýza zaformovateľnosti

- simulačné výpočty

- úpravy konštrukcie výstreku na základe pripomienok vzídených z predošlých krokov

- výroba výstreku niektorou z technológií Rapid Prototypingu

- výroba prototypovej formy a prototypových výstrekov, vrátane jej vyhodnotenia a prípadných úprav

V prípade vykonávania krokov predvýrobných etáp je nutné mať na pamäti, že ak odovzdáme, respektíve prevezmeme do výroby sériové formy a výstreky z nej, nevhodne zadaný výstrek – jeho konštrukciu, materiál, kvalitatívne požiadavky – nič nám už nezabráni vo výrobe výstrekov, ktoré nebudú zodpovedať zadaným kvalitatívnym požiadavkám.

Z pohľadu minimalizácie hmotnosti výstrekov je najdôležitejším konštrukčným prvkom výstreku jeho rebrovanie – konštrukcia rebier. Položme si teda otázku – prečo je výhodné konštruovať výstreky z termoplastov s rebrami? Odpoveď je jednoduchá – výstrek bude mať zníženú hmotnosť, skráti sa doba výrobného cyklu, a to pri zachovaní mechanických vlastností výstreku, akoby tento bol z plného materiálu. Uvedené konštatovanie dokumentuje obrázok 11.

A – plný diel - konštrukcia výstreku bez rešpektovania zásad technologickosti konštrukcie – výstrek má plošný moment zotrvačnosti 2 520 mm2 a doba dotlaku bola 95 s = 100 %, materiál = 100 %

B – rebrovaný diel – variant 1 – moment zotrvačnosti 2 520 mm2, skrátenie doby dotlaku na 35 %, úspora materiálu 23 %

C – rebrovaný diel, variant 2 – moment zotrvačnosti 2 520 mm2, skrátenie doby dotlaku na 15 %, úspora materiálu 57 %

A – správny pomer hrúbky rebra a polomeru jeho napojenia na základnú stenu výstreku

B – príliš veľký polomer – zvýšená spotreba materiálu, predĺženie doby cyklu

C – príliš veľká hrúbka rebra, polomer správny – zvýšená spotreba materiálu, predĺženie doby cyklu

D – hromadenie materiálu v rohu, konštrukcia rohu bez polomeru - zvýšená spotreba materiálu, predĺženie doby cyklu 

E – správne riešenie rohu – rovnaká hrúbka steny – vonkajšie R = vnútorné R + hrúbka steny

F – oblasti s možnými prepadmi na vonkajšom povrchu steny výstreku, prípadne aj možnosť tvorby lunkrov – najväčšie nebezpečenstvo B, C, D

Obrázok 11: Príklady konštrukcie rebier – technologickosť konštrukcie výstrekov z termoplastov

PREDPOKLADY PRE ZNIŽOVANIE HMOTNOSTI – ZNIŽOVANIE HMOTNOSTI A ŽIVOTNÉ PROSTREDIE

Problémy spojené s plastmi sú do značnej miery spôsobené skutočnosťou, že naše systémy výroby a spotreby nie sú udržateľné, je napísané v správe Európskej agentúry pre životné prostredie (EEA – European Environment Agency, www.eea.europa.eu) z roku 2025, pričom udržateľnosť je definovaná ako „uspokojovanie svetových potrieb dneška a zajtrajška vytváraním systémov, ktoré nám umožňujú žiť dobre a v medziach našej planéty“. K tomuto všeobecnému a značne honosnému cieľu môže určitým spôsobom prispieť aj všeobecná snaha o znižovanie hmotnosti výstrekov z termoplastov a prístupy popísané v predošlých kapitolách. 

Tým sa pretínajú environmentálne požiadavky kladené na výstreky z termoplastov s požiadavkami na ich konkrétnu funkčnosť. Z pohľadu už uvedeného životného cyklu výstrekov LCA - Life Cycle Assessement, čo je už štandardizovaná metóda (norma ČSN ISO 14025 Environmentálne značky a vyhlásenia - Environmentálne vyhlásenie typu III - Zásady a postupy) na výpočet dopadu konkrétneho výrobku na životné prostredie, sa merajú, zhromažďujú a vyhodnocujú údaje o emisiách z každej fázy životného cyklu produktu – obrázok 12.      

Obrázok 12 : Životný cyklus produktu a jeho fázy

Fáza 1 – Raw material – ťažba, zabezpečenie vstupných surovín / Fáza 2 – Processing – výroba a spracovanie surovín / Fáza 3 – Transportation – prepravy surovín a výrobkov / Fáza 4 – Retail and Use – použitie a obchod / Fáza 5 – Waste – spracovanie odpadu

Z rozboru jednotlivých fáz životného cyklu vyplývajú prístupy k minimalizácii dopadu výrobku, produktu, výstreku na životné prostredie. Už počas procesu návrhu výstreku a jeho materiálu by mal konštruktér alebo iný zodpovedný pracovník vykonávať alternatívne výpočty dopadu rôznych dizajnov a materiálových riešení, na napríklad emisie CO2. Konštrukcia, dizajn výstrekov by sa mal, okrem iných požiadaviek, podriaďovať zásadám technologickosti konštrukcie výstrekov z termoplastov, vrátane požiadaviek na cirkulárny dizajn, t. j. „orezanie“ dizajnu na minimum možného z pohľadu funkcie dielu – menej kritických tvarov umožňujúcich poruchu dielu alebo zostavy, ktorej členom diel je, čo najmenej iba líbivých tvarov bez funkčnosti, čo najmenej dielov v zostavách, čo najviac modulárnych konštrukcií, čo najviac výstrekov s minimalizovanou hmotnosťou, čo najviac dielov z materiálov s minimalizovanou uhlíkovou stopou (v číslach vyjadruje, koľko kilogramov skleníkových plynov vyprodukuje daný subjekt alebo činnosť, výpočet podľa ČSN ISO 14067:2013: Skleníkové plyny - Uhlíková stopa produktov - Požiadavky a smernice pre kvantifikáciu). 

Použitie udržateľných materiálov znamená, že sú v čo najväčšom množstve a rozsahu recyklovateľné, opätovne použiteľné a tým znižujú potrebu ťažby surovín a ich spracovanie pre ďalšie, panenské materiály. Všeobecne sa uvádza, že cca 45 % všetkých emisií CO2 pochádza z ťažby a výroby materiálov. 

Používané materiály musia byť bezpečné ako pre ľudí, tak aj pre životné prostredie. Z uvedeného pohľadu je nutné dodržiavať aktuálne chemické bezpečnostné predpisy EU REACH a RoHS. Tie majú chrániť ľudí aj životné prostredie pred prítomnosťou nebezpečných materiálov v nových výrobkoch uvádzaných na trh Európskej únie. REACH je skratka pre registráciu, hodnotenie, autorizáciu a obmedzovanie chemikálií (skratka REACH pochádza z anglického "the Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals") a RoHS je skratka pre obmedzenie nebezpečných látok v elektrických a elektronických zariadeniach EEZ a v elektrotechnickom a elektronickom odpade OEEZ (skratka RoHS vychádza z anglického „Restriction of the use of certain Hazardous Substances in electrical and electronic equipment“). Nariadenia sa v niektorých oblastiach prekrývajú.

Okrem vyššie uvedených predpisov, v automobilovom priemysle musí mať každý výrobok informáciu o svojom zložení, aby mohol byť prípadne ďalej v súlade s platnými predpismi použitý. Každý výrobca je zodpovedný za všetky aspekty – používanie, vyradenie, likvidácia – svojho produktu – výstreku tak, ako to ukladá príslušná domáca aj medzinárodná legislatíva – pozri predpisy uvedené vyššie alebo napríklad Smernica Európskej únie o konci prevádzky cestných vozidiel – ELV = „End of Life Vehicles“. Výrobcovia musia taktiež poskytovať informácie o použitých materiáloch vo výrobku, aby bolo možné určiť podiel jednotlivých materiálov vo výrobku a stupeň nebezpečnosti daného materiálu.

Uvedený koncept informácií o zložení produktu je realizovaný v systéme IMDS (International Material Data System – Medzinárodný systém pre správu údajov o materiáloch) založenom na centrálnej databáze, s registráciou na adrese https://www.mdsystem.com/imdsnt/ . IMDS je teda systém materiálových údajov automobilového priemyslu. V systéme sa zhromažďujú, udržiavajú, analyzujú a archivujú všetky materiály používané pri výrobe automobilov. Pomocou IMDS je možné plniť povinnosti, ktoré výrobcom automobilov a aj ich dodávateľom ukladajú národné a medzinárodné normy, zákony a predpisy a výrobcovia automobilov a ich dodávatelia môžu s jeho pomocou štandardizovať svoje procesy a majú možnosť efektívnej výmeny údajov.

Vo fáze „Použitie“ je dôležitý aj faktor znečistenia vnútorného ovzdušia všeobecne a v interiéroch automobilov zvlášť. Zvýšené znečistenie vnútorného ovzdušia je spôsobené dvoma hlavnými príčinami :

- používaním klimatizácií, ktorých dôsledkom je kumulácia škodlivín vo vnútornom ovzduší   

- dôrazom na znižovanie hmotnosti, ktorá sa, napríklad pri automobiloch typu BEV zvýšila v dôsledku hmotnosti akumulátorov - zavádzanie nových konštrukčných interiérových materiálov a kompozitov

Samozrejme, že vnútorné ovzdušie v interiéri automobilov vzniká, okrem už uvedených aspektov, v dôsledku pôsobenia rôznych ďalších faktorov znečisťujúcich ovzdušie: priemyselné exhalácie, dymové a výfukové plyny, alergény, choroboplodné zárodky, smog obvykle zložený z polietavého prachu, oxidov síry, oxidov dusíka, ozónu, organických plynov, atď., vrátane aj faktorov pôsobiacich v interiéroch zvnútra, z použitých materiálov.  

Polymérne materiály používané na výrobu interiérových dielcov automobilov môžu za zvýšenej teploty emitovať nízkomolekulárne látky, ktoré prechádzajú do vnútorného prostredia – vzduchu - priestoru pre posádku automobilu. Emisie z uvedených materiálov môžeme rozdeliť do dvoch hlavných skupín :

- na emisie špecifické, t.j. emisie, ktoré sú známe a špecifické pre sledované látky, ako napríklad formaldehyd emitovaný z POM alebo reaktoplastov na báze fenol-formaldehydových živíc

- na emisie nešpecifické, t.j. emisie skupiny látok, obvykle prchavé organické zlúčeniny označované skratkou VOC - Volatile Organic Compounds or Chemicales - Prchavé organické zlúčeniny alebo chemikálie - alebo SVOC – Semivolatile Organic Compounds or Chamicales - Poloprchavé organické zlúčeniny alebo chemikálie, v automobilovom priemysle označované slovom FOGGING (zahmlievanie)

Okrem emisného správania interiérových polymérnych materiálov môžu tieto materiály zapáchať, t.j. nie sú vnemovo neutrálne. 

Problematiku emisií a pachov v interiéroch automobilov je nutné riešiť už v počiatočných úvahách dizajnových a konštrukčných, kedy správnou voľbou nekovových materiálov je možné problematiku výrazne ovplyvniť, respektíve znížiť možnosť emisného správania materiálov, vrátane obmedzenia ich pachov.

Okrem konštrukčného prístupu k minimalizácii emisií a pachov - vhodný výber materiálov - je nutné, v prípade problémov, preveriť aj celý výrobný reťazec - od použitia vhodného materiálu a jeho správneho skladovania, prípravu materiálu pred vstupom do plastikačnej jednotky vstrekovacieho stroja – aditivácia, sušenie - samotný spracovateľský proces - teploty, šmykové namáhanie pri príprave taveniny, konštrukcia formy - šmykové namáhanie, lokálne prehrievanie materiálu v tvarovej dutine, až po operácie nadväzujúce na hlavnú tvárniacu operáciu, ako napríklad lakovanie, kašírovanie, apod., vrátane skladovania hotových výrobkov, ich expedície a dopravy do montážneho závodu. 

Vo výpočte požiadaviek na udržateľnú konštrukciu produktov sa objavuje aj pojem „modulárna konštrukcia“. Jadrom idey modularity pri konštrukčnom projektovaní je rozdeliť zložité zariadenia na moduly, ktoré možno individuálne osadiť rastúcim počtom rovnakých dielcov. Kombináciou týchto modulov možno pokryť mnoho variantov typových konštrukcií. Vďaka dosiahnutým úsporám môžu byť modulárne zariadenia vyrábané rýchlejšie a ekonomickejšie. Navyše ich možno rýchlo uviesť do prevádzky a rozšíriť vďaka vysokej flexibilite. Ako typický príklad modulárnych riešení výstrekov z termoplastov je možné uviesť rôzne typy svorkovníc používaných prakticky vo všetkých strojárskych aplikáciách, vrátane automobilového priemyslu. Obrázok 13 ukazuje príklady modulárnych riešení svorkovníc vyrábaných technológiou vstrekovania termoplastov.  

Obrázok 13 : Príklady modulárnych konštrukcií zložených z výstrekov z termoplastov – vľavo: výmenná radová svorkovnica; vpravo: trojrozmerná rozvodka signálu

Pre zaujímavosť uvediem aj aké úvahy boli o modulárnej konštrukčnej koncepcii v automobilovom priemysle začiatkom deväťdesiatych rokov minulého storočia. Napríklad konštruktéri automobilky Mercedes-Benz sa v tom čase zaoberali konceptom VRC – Vario Concept Car – obrázok 14. Výsledkom bol plne funkčný prototyp vozidla, ktoré v sebe kombinovalo kabrio, kupé, kombi a pick-up. Na jedno auto dobrá možnosť rôzneho využitia. Dizajnovo to nie je žiadna veľká sláva, ale variabilita vozidla bola príkladná. Bohužiaľ ale tento koncept skončil po predstavení v roku 1994 v múzeu a Mercedes, rovnako ako ostatné automobilky (napríklad Lancia, Chrysler, Citroen, Nissan, Fiat a aj Škoda s prototypom modelu Felicia FUN pri ktorom sa dvojmiestny pick-up odsunutím zadnej steny zmenil na plážové vozidlo pre štyroch), ktoré obdobné modulárne koncepty pripravovali, naďalej vyrába iba jednoúčelové autá.  

Obrázok 14 : Modulárna koncepcia konštrukcie automobilu – štyri v jednom – Mercedes-Benz VRC

Ako sa prelína celým článkom - pri výrobe automobilov môže používanie plastov nielen nahradiť tradičné kovové materiály, ale tiež účinne znižovať hmotnosť vozidla. Poďme si na príklade exteriérového dielu Kryt vonkajšieho zrkadla – obrázok 15 - povedať prečo tomu tak je.   

Obrázok 15 : Exteriérový výstrek – Kryt vonkajšieho zrkadla

Kryty vonkajších zrkadiel automobilov je možné typovo zaradiť medzi exteriérové a vzhľadové diely. Obvykle sa vstrekujú z ABS, PC/ABS, ASA, PBT + GF, PC apod. Ako predstaviteľa polymérneho materiálu pre vstrekovanie Krytu vonkajšieho zrkadla zvolíme granulát ABS.

Voľba ABS (amorfný kopolymér akrylonitrilbutadiénstyrén, hustota 1,045 g.cm^-3) alebo príbuzných polymérnych materiálov vychádza z kompatibility (vzájomnej zlučiteľnosti) jeho komplexných vlastností s požiadavkami kladenými automobilovým priemyslom na daný typ dielov:

- dobré mechanické vlastnosti – odolnosť voči rázu – butadiénová zložka ABS dodáva materiálu vysokú húževnatosť, ktorá vydrží dopady lietajúcich nečistôt pri prevádzke automobilu, pri jeho údržbe – umývanie, parkovanie, vrátane menších kolízií pri jeho prevádzke, čo znižuje riziko porušenia krytu; tuhosť - akrylonitril a styrén poskytujú dostatočnú štrukturálnu pevnosť pre zabezpečenie nízkeho stupňa deformovateľnosti pri dlhodobom používaní za rôznych vonkajších podmienok

- jednoduchá spracovateľnosť – vhodnosť pre technológiu vstrekovania – portfólio materiálov ABS ponúka výber potrebnej tekutosti vo vzťahu ku konštrukcii daného krytu; je vhodné pre efektívne vstrekovanie zložitých geometrií; umožňuje aj výrobu drobných tvarov na krytoch zrkadiel; jeho vlastnosti sú priateľské k povrchovým vzhľadovým úpravám – lesk, dezény, textúry, lakovanie, pokovovanie – je vhodný pre rôzne estetické riešenia požiadaviek rôznych modelov automobilov 

- cena, hmotnosť – v porovnaní s vyššie uvedenými termoplastmi používanými na výrobu výstrekov Kryt vonkajšieho zrkadla vychádza ABS nákladovo najlepšie – priemerná kilogramová cena ABS je cca 2,21 EUR, rovnaká cena pre PC je 3,22 EUR; hustota materiálov, ktorá určuje ich hmotnosť je tiež priaznivá – ABS 1,045 g.cm^-3, ASA 1,07 g.cm^-3, PC/ABS 1,15 g.cm^-3, PC 1,21 g.cm^-3 

- odolnosť proti vplyvom životného prostredia – teplotná odolnosť podľa požiadaviek automobilového priemyslu -20 °C až +80 °C spĺňa (maximálna trvalá teplotná odolnosť cca 105 °C); možnosť aditivácie proti UV žiareniu a ďalším prírodným podmienkam, výber z materiálov, ktoré majú vo svojich materiálových listoch uvedené, napríklad: High Weatherability (vysoká schopnosť, odolnosť poveternostným vplyvom) alebo Wheatherseal applications (vhodnosť pre aplikácie odolávajúce poveternostným vplyvom)

- bezpečnostné požiadavky a predpisy – možnosť výberu granulátov s hodnotou odolnosti proti horeniu UL 94 V-0, vyporiadanie sa s bezpečnostnými požiadavkami jednotlivých automobiliek – materiály sú zvyčajne uvedené v zozname konkrétnych uvoľnených materiálov danej automobilky; chemická odolnosť – údaje výrobcu granulátu o chemickej stabilite materiálu

- údržba a udržateľnosť – pri poruche jednoduchá vymeniteľnosť za originálny náhradný diel; recyklovateľnosť – najlepšie mechanická recyklácia, možnosť vrátenia materiálu do obehu

ZÁVER

Na záver uvediem niekoľko príkladov dokladajúcich, napriek problémom s riešeniami po skončení životnosti výstrekov z termoplastov, ich výhodnosť ako z pohľadu úspory hmotnosti oproti tradičným kovovým materiálom, tak aj z pohľadu vzťahu hmotnosť x mechanické vlastnosti. Samotná hustota, pevnosť v ťahu a modul pružnosti sú pri plastoch ďaleko nižšie ako pri kovových materiáloch, čo ich na prvý pohľad znevýhodňuje v ich použití ako konštrukčných materiálov. Na rozdiel od špecifickej pevnosti v ťahu, ktorá okrem samotnej pevnosti v ťahu zohľadňuje aj hustotu konkrétneho materiálu. Špecifická pevnosť v ťahu je v našom prípade definovaná podielom pevnosti v ťahu Rm a hustoty daného materiálu. Pri určení špecifickej pevnosti v ťahu bol použitý hliník ako etalón - jeho bezrozmerná hodnota bola stanovená ako 1. Ostatné hodnoty pevnosti v ťahu sú teda delené pevnosťou hliníka, a tak dostaneme pomerné hodnoty, ktoré znázorňujú ako sa líši bezrozmerná špecifická pevnosť v ťahu daného polyméru v porovnaní so špecifickou pevnosťou v ťahu hliníka.

Porovnanie hustoty niektorých polymérnych materiálov vo vzťahu k hustote kovových materiálov je na ďalších obrázkoch – obrázok 18, 22, rovnako ako porovnanie pevnosti v ťahu Rm - obrázok 19, 23 a špecifickej pevnosti v ťahu Rms - obrázok 16, 17, 20, 21, 24, 25.

Obrázok 16 : Porovnanie špecifickej pevnosti v ťahu polyolefínov – PE,PP – s kovovými materiálmi

Obrázok 17 : Porovnanie špecifickej pevnosti v ťahu neplnených amorfných polymérnych materiálov s kovovými materiálmi

Obrázok 18 : Porovnanie hustoty vybraných konštrukčných kompozitných materiálov s polymérnou matricou – SV 30 – a neplnených polymérnych materiálov – POM, PVC (PAK = polyester alkyd = reaktoplast) - s kovovými materiálmi

Obrázok 19 : Porovnanie pevnosti v ťahu vybraných konštrukčných kompozitných materiálov s polymérnou matricou – SV 30 – a neplnených polymérnych materiálov – POM, PVC (PAK = polyester alkyd = reaktoplast) - s kovovými materiálmi

Obrázok 20 : Porovnanie špecifickej pevnosti v ťahu vybraných kompozitných materiálov s čiastočne kryštalickou polymérnou matricou s vláknitým plnivom – SV 30 - neplnených čiastočne kryštalických polymérnych materiálov – POM (PAK = polyester alkyd = reaktoplast) - s kovovými materiálmi

Obrázok 21 : Porovnanie špecifickej pevnosti v ťahu kompozitných materiálov s amorfnou polymérnou matricou a vláknitým plnivom – SV 30 – a neplneným amorfným nemäkčeným PVC s kovovými materiálmi

Obrázok 22 : Porovnanie hustoty high-tech polymérnych materiálov – neplnené čiastočne kryštalické materiály PI, PTFE, PEEK; kompozit s čiastočne kryštalickou matricou PEI SV 30; kompozity s amorfnou matricou PPS, PSU – SV 30 - s kovovými materiálmi

Obrázok 23 : Porovnanie pevnosti v ťahu high-tech polymérnych materiálov – neplnené čiastočne kryštalické materiály PI, PTFE, PEEK; kompozit s čiastočne kryštalickou matricou PEI SV 30; kompozity s amorfnou matricou PPS, PSU – SV 30 - s kovovými materiálmi

Obrázok 24 : Porovnanie špecifickej pevnosti v ťahu high-tech polymérnych neplnených čiastočne kryštalických materiálov – PI, PTFE, PEEK – a kompozitu s čiastočne kryštalickou matricou a skleneným vláknom PEI SV 30 - s kovovými materiálmi

Obrázok 25 : Porovnanie špecifickej pevnosti v ťahu high-tech polymérnych kompozitných materiálov s amorfnou matricou a 30 % SV s kovovými materiálmi

Koniec poslednej časti. 

Prvú časť nájdete tu.
Druhú časť nájdete tu.
Tretiu časť nájdete tu.