O nekonvenčních metodách zpracování plastů budou v Brně hovořit na slovo vzatí odborníci Podruhé od roku 1999 je hlavním tématem strojírenského veletrhu obor plasty, gumárenství a chemie. Obory strojírenství a zpracování plastů totiž těsně souvisejí jak ve vývoji, tak výrobě.
O nekonvenčních metodách zpracování plastů budou v Brně hovořit na slovo vzatí odborníci
Podruhé od roku 1999 je hlavním tématem strojírenského veletrhu obor plasty, gumárenství a chemie. Obory strojírenství a zpracování plastů totiž těsně souvisejí jak ve vývoji, tak výrobě.
Letos se plastikáři setkají mimo expozice také při konferenci Nekonvenční metody zpracování plastů. Plasty zaujaly významné místo ve škále materiálů, používaných na výrobky pro běžné užití (jako jsou obaloviny, přepravky, potřeby pro domácnost) nebo v technické praxi (od stavebnictví po strojírenství a elektrotechniku). Od jiných materiálů se liší hlavně tím, že jejich zpracování na hotové výrobky je velmi rychlé (krátké výrobní časy) a levné (malá energetická náročnost). Bez plastů bychom v současných cenách nemohli vyrábět domácí spotřebiče, elektroniku, automobily. Výrobní série by při použití klasických materiálů, jako jsou kovy, keramika, dřevo, sklo, byly malé a výrobky by byly určeny jen pro majetné. Možnou situaci bych přirovnal k počátkům výroby vysavačů firmou Lux. Srovnáme-li objem výroby plastů s kovy ve světě, dosáhly plasty stejného objemu na začátku devadesátých let (srovnání objemové, nikoliv váhové). Dnes je výroba plastů několikanásobně vyšší.
Plasty v České republice
ČR si zvláště po 2. světové válce zakládala na rozvinutém strojírenství. Rozvoj v používání plastů se za vyspělým světem opožďoval. Důvodem byla spíše železná opona, mj. také v komunikaci a v dostupnosti nových materiálů, než schopnosti českých techniků. Po roce 1989 došlo ke ztrátě tradičních trhů, změně vlastnických vztahů a tím i nutnosti transformace průmyslu. T o se projevilo stagnací a útlumem v ČR klasických „kováckých technologií“, obrábění, tváření a odlévání kovů. Naopak zpracování plastů objemově rostlo tak, že se stalo nejdynamičtější technologií. V dnešním globálním světě je v ČR málo původních výrob. Daří se však umísťovat dílčí finální výroby nadnárodních firem v takové míře, že roste potřeba kooperací, kde jsou plasty zastoupeny. Jejich zpracování je značně náročné, mj. kapitálově a také z hlediska znalostí. Oborem, kde se potřeba projevila nejvíce, je automobilový průmysl.
Co je konvenční - obvyklé
Plasty se ve větším měřítku začaly používat ve dvacátých letech minulého století. Velkého pokroku - vysoké produktivity ve zpracovatelských technologiích se dosáhlo až po druhé světové válce. Vstřikování roztavených plastů pod tlakem za teplot 200 - 350 °C do kovových forem je technologie výroby plastových dílů, při níž je čas výroby většinou menší než jedna minuta. Díly jsou hotové, většinou bez nároků na obrábění a povrchové úpravy. Ve formách lze ve stejném cyklu vyrábět více dílů najednou, takže z jedné formy lze za jeden den získat tisíce dílů. Životnost forem je většinou okolo milionu zdvihů. Vyfukováním lze stejně produktivně vyrábět duté výrobky. Vytlačováním z taveniny plastu se vyrábí na hotovo profily. Ty lze po nařezání použít k instalaci rozvodů vody, energie, k výrobě obložení atd. U citovaných obvyklých technologií došlo během posledních dvou desetiletí k velkému pokroku. Plastové díly a profily se staly velmi složitými. To bylo umožněno úpravami zpracovatelských vlastností plastů a používáním počítačů, ať již při simulaci procesů zpracování, nebo při konstrukci plastových dílů a nástrojů k jejich výrobě. Objem zpracování plastů se stal tak obrovským, že každé dílčí zlepšení technologie přináší velké zisky. Proto je tlak na trvalé zlepšování a pojem „konvenční“ je relativní, vztažený pouze k dané době.
Co je nekonvenční
Nekonvenčním je hledání optimální technologie výroby již ve stadiu konstruování dílů. Dále jsou to nově se prosazující technologie výroby dílů s pravidelnou pěnovou strukturou a výroby dutých dílů. Nové jsou systémy řízení toku taveniny plastu ve formách. Posuzování a realizace výrob plastových dílů v hromadných seriích v kontextu existujících technologií nemusí vést k nejlepším možným výsledkům. Existujícími technologiemi je míněn souhrn strojů, zařízení a znalostí odborníků v již existujících závodech. Za nekonvenční je možno považovat spolupráci konstruktérů dílů s projektanty výrobních celků již ve fázi konstrukce dílů. Otevřou se tak možnosti sdružovat užitné vlastnosti dílců a často i celé dílce do jednoho, s následnou možností automatické výroby v rychlých cyklech. Automatická výroba předpokládá možnost nasazení robotů pro případné zakládání zálisků, štítků a dekorací, vyjímání dílů, vstřikování více materiálů v jednom stroji, balení a synchronizaci operací. S tím souvisí i dimenzování dílčích celků stroje, jako jsou uzavírací a vstřikovací jednotka, polohování vstřikovacích jednotek vzhledem k formě a jejich speciální vybavení. Výroba dílů z kombinací materiálů Dílce z plastů mohou být velmi složité a vzhledem k výborným takovým vlastnostem také tenkostěnné. Navazuje-li v konstrukcích výrobků na sebe několik plastových dílů, stojí za zvážení, zda je vyrábět na jednom výrobním zařízení společně. Ušetří se tím následná montáž a nezbytné skladování. Vstřikování dílčích částí z různých materiálů na sebe navazuje tak, že se využije energie ohřevu a také schopnosti párových plastů vytvořit pevná spojení. Výrobci strojních zařízení jsou schopni realizovat projekty, při kterých sestaví zařízení pro zadaný výrobek, odzkouší je a doladí tak, že na výrobce zůstane pouze výroba. Technologii lze nazvat vícesložkovým vstřikováním (často se označuje 2K). Předpokládá se výroba v takových sériích, aby se vrátily náklady na celý projekt, který bývá z hlediska přípravy náročný. Citovaná technologie se osvědčuje ve výrobě domácích spotřebičů a v silnoproudém elektroinstalačním materiálu, zvláště v kombinacích tuhý plast - těsnicí pryž. Používání O kroužků je nahrazováno nastříknutím těsnění na nosný dílec z plastu hned v průběhu jeho chladnutí po vstřikování, tudíž prakticky v jednom cyklu. Další oblastí používání je ruční nářadí a ovládací klávesnice u elektronických přístrojů, kde se vyskytují kombinace tuhý - pružný nebo barevné kombinace stejného plastu. U automobilů jsou to barevné kombinace např. u sdružených koncových světel.
Výroba dílů s mikrobuněčnou strukturou
Vstřikované plastové díly s velmi pravidelnou mikrobuněčnou - mikroporézní strukturou jsou posledním vývojovým stupněm v této oblasti. Pomocí inertních plynů (vychází se z jejich kapalné fáze) dusíku nebo oxidu uhličitého se daří vytvořit velmi jemnou, pravidelnou porézní strukturu plastu. Struktura je relativně přesně definovatelná, takže se hodí také na technické dílce. Postup lze použít prakticky pro všechny termoplasty včetně plněných. Výsledky, kterých se dosahuje, jsou z některých hledisek velmi překvapivé. Například touto technologií lze vyrobit velmi tenké díly. Časy cyklů jsou v porovnání s homogenními materiály kratší. Díly jsou rozměrově a geometricky přesnější a stálejší. Lze používat uzavírací jednotky s menší uzavírací silou a také nároky na formy jsou menší, protože tlaky ve formě jsou nižší. Celkové náklady na výrobu mohou být nižší. Uplatnění lze nalézt v celém spektru aplikací plastů. V prvním kroku je nástřik tzv. SCF (Super-critical Fluid) - superkritického roztoku do taveniny plastu. V druhém kroku dochází k nukleaci velkého počtu zárodků budoucích buněk a ve třetím k jejich růstu. Růst je kontrolován parametry na stroji. Tvarová dutina ve formě je postupně vyplněna tvořící se strukturou na dílec. Celý postup je chráněn patenty a případná výroba je podmíněna nákupem licence, např. u firmy Trexel. Firma poskytuje nutná doplňková zařízení ke vstřikovacím strojům. Nejlepším začátkem pro nové uživatele je spolupráce s poskytovatelem licence a výrobcem vstřikovacího stroje na konkrétních dílech. K vyladění systému může dojít u výrobce stroje, který bývá připraven ručit za funkci celého projektu. Technologie nabývá velkého rozmachu v automobilovém průmyslu, u periferií osobních počítačů a hlavně tam, kde jsou opět odpovídající výrobní série.
Výroba dutých dílů
Duté díly lze vyrábět několika technologiemi. Volba technologie vychází z požadavků na dílce, tj. z tvaru, tlouštěk stěn, požadované přesnosti, nároků na mechanické vlastnosti, z materiálu a sériovosti. Dílce lze vyrábět vyfukováním, vstřikováním s následným svařováním a speciálními technologiemi označovanými GIT a WIT.
Vyfukování
Vyfukování je sice technologií obvyklou, avšak v posledních letech natolik vylepšenou, že si zaslouží zmínku a srovnání s novými postupy. Vyfukované dílce lze vyrábět na jednom stroji z více vrstev materiálu i v kombinaci tuhý pružný. Díly lze prostorově tvarovat vhodným posuvem části formy. Celý postup včetně oříznutí lze provádět automaticky na jednom stroji. Na obrázku 1 jsou znázorněny aplikace plastů ve tvaru dutých dílů sání a chlazení motorů. Nároky na díly umístěné v oblasti motoru jsou především z hlediska tepelné a chemické odolnosti vysoké (dieselovy motory s turbokompresorem). Výroba dutých dílů s následným svařováním se používá tam, kde se požaduje taková tloušťka stěn, kterou vyfukováním nelze vyrobit. Typickým příkladem je výroba dílů sání motorů. Nepopisuji zde výrobu dutých dílů vytavitelnými modely, protože tato technologie je postupně opouštěna.
Technologie GIT a WIT
Technologie GIT (Gas Injection Technology) je založena na vstřikování za asistence plynu. Do formy je ve vhodném okamžiku vstřikování taveniny plastu zaveden plyn, který vytvoří uvnitř dílu dutinu. Celý postup vyžaduje přídavné zařízení ke vstřikovacímu stroji a je řízen počítačem. Technologie má svoje omezení z hlediska definovatelnosti velikosti dutiny a vnitřního povrchu. Technologie je relativně stará a dosáhla poměrně značného uplatnění tam, kde dutina má spíše funkci vylehčení dílce bez nároků na přesnost. Technologie WIT (Water Injection Technology) je založena na vstřikování za asistence vody, která je ve vhodném okamžiku vstřikování taveniny plastu do formy zavedena. Oproti technologii GIT je mladší a má některé výhody, jako rychlejší cyklus výroby, rovnoměrnější dutinu a kvalitnější vnitřní povrch (rychlejší ochlazování).
Řízené vstřikovací systémy
Firma Synventive představila řízený vstřikovací systém. Ten umožňuje řízené dávkování taveniny do dutin formy, resp. částí dutiny. Navazuje tak na řízené dávkování vstřikovacího stroje (lze považovat za centrální řízení vně formy). Možnost další regulace uvnitř vtokového systému dává možnosti vstřikování do tvarově odlišných dutin, resp. možnost řízení plnění složitých tvarů u vícebodových nástřiků. Na obrázku 2 je schéma systému Synventive v kontextu vstřikovacího stroje. Forma má dvě odlišné dutiny, jejichž regulace plnění se také musí lišit. To obstarají řízené ventily škrtící průchod taveniny horkým systémem.
Možnosti závěrem
Pracovat s popsanými (nekonvenčními) technologiemi, a dále je vylepšovat, by bez počítačů nebylo možné. Počítače umožňují také simulaci procesů, takže složitost výrobků se bude dále zvětšovat. Omezení z tohoto hlediska jsou malá, takže budoucí dílce budou velmi složité, často z několika druhů plastů. Popsané technologie jsou relativně komplikované a jejich zavádění kapitálově náročné. V globálním světě, kdy se výroby mění na hromadné, lze náklady nejen snáze rozpočítat do větší série, ale ve výsledku výrobky zlevní. Lze očekávat, že hromadné výroby budou realizovány jako projekty, kdy stroje budou sestaveny přímo podle konstrukce dílce. Produktivita bude tak vysoká, že náklady na projekt se zaplatí již během výroby dílce, na kterou je výrobní zařízení postaveno. Spolupráce mezi výrobcem finálního výrobku, zpracovatelem plastů a výrobcem strojního zařízení bude nezbytná.
