Všichni známe plastové výrobky, provází nás životem v podobě užitkového zboží, kterého je často základním stavebním prvek. Dnešní článek věnujeme problematice návrhu plastových dílů od konstrukce až po jejich výrobu.
Plastové výrobky, tvoří jednu ze stěžejních oblastí průmyslové výroby. Málokdo ovšem ví jak je dlouhá a poměrně složitá cesta k výrobě finální součásti. Právem lze považovat všechny postupy spojené s výrobou plastových výrobků za naprostou špičku v oblasti aplikované informatiky, technologických postupů výroby nástrojů a analýz.
Výrazný podíl v oblasti zpracování plastů hraje samozřejmě chemie, která je producentem plastových materiálů v podobě granulátů a tvarových polotovarů. Ty jsou základním stavebním kamenem součástí se specifickými vlastnostmi jakými je například zvýšená odolnost proti teplotám, proti opotřebení, fyzikální vlastnosti atd. Důvodem je také nižší cena, nové materiály a výrobní možnosti.
Návrh plastových dílů
Plastové díly svou konstrukcí patří mezi součásti s vysokou tvarovou složitostí. Většina součástí je řešena jako vyztužené skořepiny, to znamená, že mají při poměrně malé tloušťce stěn zvýšenou tuhost dosaženou výztužným žebrováním. Cílem není pouze snížit spotřebu plastu na výrobu součásti, ale také zajistit nízkou hmotnost a tvarovou stálost plastového dílu včetně jeho vysoké odolnosti vůči mechanickému namáhání. Pro ukázku nemusíme chodit příliš daleko, stačí sejmout kryt z vašeho mobilního telefonu a podívat se detailně na jeho tvar. Konstrukce plastových dílů se tak blíží svou složitostí navrhování v oblasti výroby letadel, kdy se snažíme při minimální hmotnosti konstrukce zachovat maximální tuhost dílu.
Konstrukční řešení krytu fotoaparátu v systému CATIA V5
Při návrhu plastových dílů se vychází buď z designerských skic, které definují ergonomické tvary budoucího výrobku, nebo z čistě technického návrhu. Především v případě přenosu designerského záměru se využívá pro návrh plastových dílů specializovaných funkcí v aplikacích s výraznou podporou modelování ploch. V plastikářském průmyslu mezi tyto aplikace patří především modulárně vyšperkované aplikace CATIA (Dassault Systemes), NX (UGS) a Pro/ENGINEER (PTC). Jedná se o nástroje s výraznou podporou PLM, které jsou vybaveny výkonnými nástroji pro zpracování NURBS, případně polygonálních ploch. Dalším důvodem pro využití těchto aplikací je přímá, integrovaná podpora CAM nebo případná existence integrovaných nástrojů pro verifikaci konstrukce plastového dílu.
Ukázka řešení plastového dílu v podobě skořepiny s výstužným žebrováním (kryt Nokia 7610)
Technologické analýzy
Technologie při výrobě plastových dílů hraje výrazně vyšší úlohu již v době jeho prvotního návrhu než je tomu například u ocelových konstrukcí. Specifické vlastnosti jednotlivých druhů plastů jsou na jednu stranu pozitivní, na druhou stranu musí být kladen důraz na konstrukční zásady, které jsou často převzaty z materiálových a technologických zkoušek. Proto i vývojáři specializovaných nástrojů hledají cesty, jak celý návrhový proces maximálně zjednodušit a podpořit nejmodernějšími postupy. Mezi ně bezesporu patří řada inženýrských CAE aplikací a především oborově orientované FEM analýzy, která dokáže kvalitně vyhodnotit výrobu plastového dílu ve fázi jeho návrhu.
Hlavním úkolem analýz je najít kritická místa a optimalizovat výrobní proces
Za kritický problém se při tvorbě plastových dílů považuje především teplota, lisovací tlak a s tím přímo související rychlost vyplnění formy. Úkolem konstruktéra, který tvoří design plastového dílu a technologa, který má na starosti přípravu jeho výroby je najít vždy to správné řešení, které odpovídá nejen konstrukčních, ale také technologickým parametrům. Může se například jednat o určení minimální a maximální tloušťky stěny, optimálního umístění vtokové soustavy apod.
Prohlížení analýz plastových dílů v Moldflow Communicator
Pěknou ukázkou řešení inženýrských výpočtů v oblasti zpracování plastů jsou aplikace americké společnosti Moldflow Corporation. Tato se dlohodobě soustředí na oblast analýz především ve vstřikování plastů. V nedávné době zveřejnila tato společnost na svém portálu bezplatný prohlížeč analýz Moldflow Communicator, který je doplněn několika pěknými ukázkami vstřikovaných dílů. Může tak i pro vás být užitečnou pomůckou při studiu problematiky výroby plastových dílů.
Moldflow Mold Adviser
Moldflow Communicator je ve své podstatě prohlížečem výsledků vytvořených pomocí Moldflow Mold Adviser. Tento komplexní nástroj pro simulaci tečení plastu, umožňuje již ve fázi návrhu formy optimalizovat její návrh a to jak pro formy s jednou nebo více dutinami. Hlavním cílem využití těchto analýz je minimalizace nebezpečí vzniku případných problémů již v průběhu návrhu formy. Přídavné moduly umožní simulovat více fází procesu vstřikování stanovit zatížení formy a navrhnout optimální chladící systém.
Aplikace Moldflow Mold Adviser umožňuje:
- Návrh a analýzu všech typů horkých a studených vtokových systémů
- Automatickou optimalizaci velikostí kanálů k vyvážení toku
- Stanovení optimálního počtu a umístění vtoků
- Předpovědění odhadované doby cyklu, tlaku a objemu plastu
- Simulace tečení plastu
- Určení chladícího obvodu formy pro dosažení rovnoměrného chlazení
- Stanovení případné deformace plastového výlisku
Analýza vstřikování plastu při výrobě spodní části počítačové myši
Nástroje na oborové špičce
S nástupem PLM systémů a datovým propojování jednotlivých etap tvorby virtuálního prototypu nového, případně inovovaného výrobku tak mohou analýzy ovlivňovat celý proces jeho návrhu a technologické přípravy. U plastových dílů je samozřejmě kritická zpětná vazba analýz plastového dílu na případnou optimalizaci konstrukce ještě před vlastní výrobou vstřikovacího nástroje, kde se cena pohybuje ve statisících až milionech korun. Výroba vstřikovacího nástroje úzce navazuje na využití CAM aplikací a výrobu pomocí tří nebo pětiosého frézování, případně elektroerozivní hloubení.
Výroba nástrojů v oblasti lisování plastů je kus "nástrojařské parádičky",
využívá se v ní jak tradičních postupů, tak nekonvenčních metod
Velmi výkonným nástrojem pro tvorbu vstřikovacích forem je specializovaná aplikace VISI Mould. Programy VISI - Series nabízejí kombinaci aplikací, plně integrovaný plošný a objemový modelář, konstruování vstřikovacích forem, konstruování střižných postupových nástrojů a obrábění a návrh odpovídajících nástrojů (vstřikovací formy, střižné a řezné nástroje).
Princip vstřikování plastů do tlakových forem na vstřikovacím lisu
Výroba plastových dílů na vstřikovacích lisech
V oblasti výroby součástí z plastu je nutné úzce spolupracovat se specializovanými výrobci, kteří mají ve svém vybavení odpovídající technické vybavení. Z hlediska řešení konkrétní zakázky je poptávkové řízení nutné ve většině případů realizovat již před vlastním návrhem vstřikovací formy. Oboustranná a přímá spolupráce konstruktérů, technologů a výroby je v tomto případě vždy na místě.
Vstřikovací stroje jsou vybaveny moderními řídícími systémy a potřebnými periferiemi pro spolehlivé a stabilní řízení procesu. Vstřikování termoplastů se provádí na lisech o velikosti lisovacích sil od stovek do několika tisíc kN. Praktická hmotnost lisovaných dílů může být až tisíce kg.
Nástroj a vstřikovací stroj Ferromatik Milacron Omega 450 |