Etapy projektowania detali z tworzyw sztucznych

Prawidłowe przygotowanie detali z tworzyw sztucznych wymaga uwzględnienia wielu czynników dotyczących zarówno samego materiału, jak i pożądanych cech gotowego wyrobu. Konieczne jest też wzięcie pod uwagę specyfiki procesu produkcyjnego i uniknięcie błędów, które mogłyby wpłynąć na obniżenie jakości produkcji oraz związane z tym koszty. Projektowanie wyrobu na każdym etapie powinno więc być szczególnie staranne.

Tworzywa sztuczne i procesy produkcyjne z ich wykorzystaniem

Tworzywa sztuczne są jednymi z najpopularniejszych i najbardziej wszechstronnych materiałów. Łączą w sobie dobrą wytrzymałość mechaniczną na obciążenia z niewielką masą, dzięki czemu wytwarzane z nich przedmioty są lekkie, a jednocześnie odporne na uszkodzenia związane z naciskiem, tarciem czy próbami ich zarysowania. Są także bardzo wytrzymałe, jeżeli chodzi o czynniki zewnętrzne – radzą sobie z cieczami, wieloma chemikaliami i niskimi temperaturami. Wyróżniają się zróżnicowanymi właściwościami pod względem parametrów użytkowych, co poszerza spektrum możliwych zastosowań – w zależności od swego rodzaju mogą być bardzo elastyczne i miękkie, co pozwala na używanie ich np. jako rozmaitych uszczelnień, a także niezwykle sztywne, stabilne wymiarowo i twarde, co z kolei umożliwia wykonywanie z nich przedmiotów narażonych na ścieranie i zarysowania. Wielkim plusem tworzyw sztucznych jest wynikająca z ich właściwości fizyko-chemicznych łatwa obróbka – zauważa przedstawiciel firmy NOEX, specjalizującej się w produkcji wyrobów z tworzyw sztucznych i ich projektowaniu.

Obróbka tworzyw sztucznych jest możliwa dzięki temu, że osiągają one wysoką plastyczność  w stosunkowo niewielkich temperaturach. Oznacza to, że po podgrzaniu łatwo można je formować, otrzymując gotowy do użycia produkt, który w większości przypadków nie wymaga już dalszej obróbki, jeśli chodzi o kształt. Równie duże znaczenie mają możliwości wiążące się z konkretnym gatunkiem tworzywa. Poza rozmaitą wytrzymałością mechaniczną od pełnej elastyczności po wysoką sztywność i twardość zapewniają uzyskiwanie wyrobów w pełni przezroczystych, także o wysokiej przezierności, lecz również barwionych na wiele kolorów. Liczy się także fakt, że tworzywa znakomicie łączą się z innymi materiałami, tworząc kompozyty o pożądanych właściwościach.

Do kształtowania wyrobów z tworzyw sztucznych używa się wielu technologii, jednak najpopularniejsze są trzy z nich, pozwalające na uzyskiwanie wyrobów o różnej charakterystyce. Popularną metodą produkcji jest wytłaczanie, jest to proces ciągły, w którym uplastycznione tworzywo jest przepuszczane przez dyszę, która nadaje mu określony przekrój. W ten sposób powstają m.in. wszelkiego rodzaju folie, a także profile od używanych przy produkcji okien aż po uszczelki czy rury. Inną technologią jest termoformowanie, które z kolei nadaje się dobrze do produkcji wyrobów o dość cienkiej grubości powstających z płaskich arkuszy. W ten sposób powstają np. opakowania – blistry, tacki i wszelkiego rodzaju wkładki do pudełek. Przedmioty o bardziej zróżnicowanych kształtach i większej grubości ścianek są produkowane w procesie wtryskiwania, co gwarantuje największą wszechstronność i jest wykorzystywane przy wytwarzaniu szerokiej gamy wyrobów od pojemników, przez obudowy urządzeń, aż po skomplikowane detale maszyn i urządzeń.

Charakterystyka wtryskiwania tworzyw sztucznych

Technologia wtryskiwania pozwala na uplastycznianie tworzyw oraz wypełnianie nimi specjalnie przygotowywanych form. Tak jak przy innych metodach produkcji wyrobów z tworzyw wymaga to wcześniejszego rozgrzania materiału używanego w postaci mączki albo granulatu. Proces ten zachodzi w urządzeniu, które jest wyposażone w specjalny cylinder, w którym obraca się ślimak z rdzeniem, który stopniowo zwiększa swoją średnicę. Wprowadzane do urządzenia tworzywo jest podgrzewane przez grzałki znajdujące się we wnętrzu ślimaka oraz nierzadko także w strukturze cylindra. Ze względu na kształt ślimaka granulat lub mączka jest przemieszczana w przerwach znajdujących się między uzwojeniem. Ponieważ dostępna przestrzeń systematycznie się zmniejsza, tworzywo ulega zagęszczeniu, a jego ciśnienie wzrasta. Sprężenie tworzywa można również uzyskiwać innymi metodami np. za pomocą tłoka.

Po uplastycznieniu tworzywo może zostać wprowadzone do właściwie przygotowanej formy. Składa się ona z dwóch elementów, z których jeden jest ruchomy i może być przemieszczany. Między dwiema częściami formy znajduje się pusta przestrzeń, której kształt odpowiada temu, jaki ma osiągnąć gotowy wyrób. By możliwe było rozprowadzenie materiału wewnątrz formy, znajdują się w nich odpowiednie kanały, którymi wtryskiwany jest materiał. Tworzywo jest podawane przez gniazdo pod ciśnieniem, które pozwala na wypełnienie całej formy. W zależności od stopnia skomplikowania detalu kanały mogą mieć różną długość i topografię, prowadząc często do większej ilości gniazd, zwłaszcza w przypadku wyrobów, które zawierają wiele szczegółów i mają niską tolerancję wymiarową.

Po tym, jak tworzywo wypełni formę, a następnie ochłodzi się oraz zastygnie, ruchoma część formy jest odsuwana, a powstała wypraska może być odebrana i w zależności od rodzaju i przeznaczenia skierowana do dalszej obróbki np. wykonania nadruku. Ponieważ proces wtryskiwania przebiega cyklicznie, po wyjęciu wypraski forma jest czyszczona, często także nanosi się na jej wewnętrzną powierzchnię preparat zapobiegający przywieraniu, po czym zamykana, a cały cykl zostaje powtórzony. Ze względu na specyfikę procesu wtryskiwania najważniejszym elementem pozwalającym na uzyskiwanie produktu o określonych parametrach jest właściwe wykonanie formy wtryskowej.

Przygotowanie detali z tworzyw sztucznych do produkcji

Projektowanie detali z tworzyw sztucznych to proces, który obejmuje wiele następujących faz, podczas których należy uwzględnić wszystkie czynniki wpływające na sam proces produkcji oraz właściwości wyrobu. Kluczowym zagadnieniem jest wybór właściwego rodzaju tworzywa, które musi gwarantować spełnianie kryteriów wytrzymałościowych oraz estetycznych. Ważne będzie więc dopasowanie gęstości materiału, potrzebnej sztywności i temperatury, w jakiej będzie używany. Istotny okaże się także ewentualny kontakt z chemikaliami. W zależności od potrzeb liczyć może się rozszerzalność cieplna, zdolność tłumienia wibracji czy przewodzenie prądu elektrycznego. Jeśli chodzi o czynniki zewnętrzne, to przy projektowaniu detali z tworzyw sztucznych do produkcji na ogół znaczenie mają obciążenia statyczne i dynamiczne oraz powstające naprężenia. Uwzględnić trzeba ponadto ewentualne promieniowanie UV oraz wymiary detalu – grubości ścianek, rodzaj krawędzi oraz jego rozmiar. Przy projektowaniu detalu, który ma być produkowany w technologii wtryskiwania, znaczenie mają także kwestie związane z zachowaniem tworzywa podczas wprowadzania do formy tworzywa.

Kolejnym ważnym obszarem, jaki trzeba brać pod uwagę, są kwestie zapewnienia możliwości optymalnego rozprowadzenia tworzywa wewnątrz formy. Będzie to uzależnione zarówno od wymagań wytrzymałościowych określających grubość elementu w konkretnych miejscach, jak i konieczności zagwarantowania takiej długości kanałów, by materiał miał szanse dotarcia do wszystkich miejsc. Równie istotne, zwłaszcza dla zagwarantowania  odpowiedniej dokładności wymiarowej będzie ustalenie skurczu, jaki może nastąpić podczas zastygania wyrobu, wyeliminowanie powstawania jam skurczowych oraz wypaczania się kształtów. W miejscach, które będą szczególnie narażone na obciążenia mechaniczne trzeba rozmieścić żebra wzmacniające, co umożliwi uniknięcie pogrubiania ścianek detalu i związanych z tym problemów.

Dla zoptymalizowania przepływu tworzywa wewnątrz formy znaczenie ma zarówno długość kanałów, którymi będzie ono się przemieszczało, jak i położenie wlewaka. Musi on być umiejscowiony tam, gdzie zapewni najkorzystniejszy przepływ i jednocześnie zminimalizuje rozmiary skurczu czy zapobiegnie wypaczeniu się materiału. Jeżeli wlewaków będzie więcej, to konieczne będzie takie ich umieszczenie, by linie łączenia się uplastycznionych strumieni tworzywa nie wypadały w miejscach narażonych na obciążenia mechaniczne. Wlewaki nie mogą wpływać na estetykę czy funkcjonalność powierzchni. Istotną kwestią jest takie projektowanie detali, by mogły spełniać swoją podstawową funkcję, jeśli chodzi o użyteczność i unikanie problemów przy produkcji, lecz jednocześnie pozwalały na małe zużycie materiału, co ma znaczenie dla kosztów wytwarzania, zwłaszcza przy dużej skali.

Ze względu na skomplikowany proces przygotowania form wtryskowych do ich projektowania szeroko wykorzystuje się oprogramowanie ułatwiające planowanie i cyfrowe testowanie modeli. Równie ważne są jednak testy fizyczne poprzedzające wdrożenie produkcji. Warto pamiętać, że opracowanie wzoru i przygotowanie odpowiednich form powinno się zawsze powierzać firmom, które mają duże doświadczenie w tym zakresie.