Komplexní proces výroby PVC dílů: Od návrhu po finální produkt

Polyvinylchlorid (PVC), běžně známý jako polyvinyl, je všestranný termoplastický polymer, který se stal základním materiálem v různých průmyslových odvětvích díky svým jedinečným vlastnostem a hospodárnosti. Proces vytváření plastových dílů je úžasný a poskytuje nám nekonečné množství produktů, které používáme každý den.

Etapy vývoje a studie proveditelnosti

Každý výstřik je svým způsobem originál a před ekonomickou výrobou s definovanou kvalitou by měl projít etapou vývoje dílu - Product Development - s návaznou etapou studie proveditelnosti - Feasibility Study (FS). Studie proveditelnosti by v zásadě měla být co nejkomplexnější a koherentní - co nejblíže k danému výstřiku. Liší-li se jednotlivé díly, liší se i struktura témat řešených ve studiích proveditelnosti pro jednotlivé výstřiky, zahrnující vizualizace, ověření tvarů, rozměrů a montážních závislostí.

Výběr materiálu a jeho vlastnosti

Proces začíná výběrem správného materiálu pro produkt. Na výběr jsou stovky různých typů plastů a je třeba vybrat správný materiál na základě požadavků produktu. Je samozřejmé, že na výstřiky typu spotřební zboží nebo typu pevnostní díly, sloužící jako náhrada kovových konstrukčních dílů, budou kladeny rozdílné požadavky.

Obecně lze říci, že s teplotou se mění všechny mechanické vlastnosti jak kovů, tak i plastů. U plastů však dochází k výrazným změnám jejich mechanických vlastností již při teplotách, při kterých jsou tyto změny u kovových materiálů prakticky neměřitelné. Termoplasty jsou i velmi náchylné k tečení při zvýšených teplotách. To vyvolává výraznou závislost konstrukčních parametrů. V určité oblasti teplot probíhají změny rychleji anebo se mění skokově. Konkrétní hodnota je závislá na velikosti mezimolekulárních sil (čím budou tyto síly větší, tím bude vyšší i teplota zeskelnění) a ohebnosti řetězců (čím bude ohebnost větší a mezimolekulární síly menší, tím bude nižší teplota zeskelnění). Teplotu zeskelnění je možno ovlivnit např. přídavkem změkčovadel, které sníží mezimolekulární soudržnost a tím i Tg.

Nejnižší hodnotu teploty zeskelnění vykazují kaučuky, neboť mají malé mezimolekulární síly a značně ohebné řetězce ( -100 -120 °C) a částečně krystalické plasty (např. PE -120 °C, PP -10 °C). Amorfní termoplasty mají hodnotu teploty zeskelnění výrazně nad teplotou okolí. Při teplotě viskózního toku Tf narůstá intenzita změn vlastností polymeru. Při této teplotě ztrácí hmota své kaučukovité vlastnosti a mění se ve vysoce viskózní kapalinu. Nad touto teplotou leží oblast zpracovatelnosti materiálu. Zvýšením teploty klesají mezimolekulární síly a tím se snižuje i viskozita taveniny. U částečně krystalických plastů dochází k nejrychlejším změnám vlastností v oblasti teplot, kterou charakterizuje teplota tání Tm. Při teplotě tání dochází k rozpadu a tání krystalického podílu, což je provázeno změnou fáze hmoty, která přechází ze stavu tuhého do stavu kapalného. Tání se děje v určitém teplotním intervalu a teplota Tm představuje pouze střední hodnotu této oblasti, podobně jako teplota Tg. Konkrétní hodnota závisí na velikosti mezimolekulárních sil a na velikosti makromolekul. Protože i částečně krystalické polymery obsahují určité množství amorfních podílů, lze u nich stanovit teplotu zeskelnění, která charakterizuje výrazné změny vlastností polymeru.

Čtěte také: Proč jsou dřevěné hračky stále oblíbené?

Po rozhodnutí o typu dílu můžeme využít některou z databází, které nabízejí materiálové listy termoplastů a z nich provést výběr vhodného materiálu. Databáze IDES obsahuje na 85 000 materiálových listů termoplastů se 400 vyhledávacími funkcemi podle vlastností. Nejsnazší vyhledávání je podle obchodního názvu granulátu.

Konstrukce dílů a formy

Obecně platí zásada, že co se nepodaří podchytit a odstranit v předvýrobní etapě, je následně velmi těžko a nákladně opravitelné. Z toho vyplývá, že při chybné konstrukci výstřiku a formy je obvykle větší možnost vzniku problémů a škod, které i při dobré odborné znalosti pracovníků vstřikovny a důsledné optimalizaci procesu vstřikování již nelze odstranit nebo alespoň minimalizovat. Tloušťka stěn výstřiků musí splňovat požadavek na pevnost a tuhost výstřiku. Oba parametry jsou závislé i na materiálu výstřiku. Tloušťka stěn navíc musí zajistit vyrobitelnost všech tvarů dílu z pohledu toku polymerní taveniny, tj. tloušťka stěny má být, při splnění požadavků na tuhost a pevnost, co nejmenší, aby se minimalizovala doba výrobního cyklu (rozměr tloušťky je ve výpočtu doby chlazení v druhé mocnině), omezila možnost vzniku propadlin, staženin a lunkrů, snížila hmotnost výstřiku.

Se správnou konstrukcí výstřiků z termoplastů výrazně souvisí jejich žebrování. Žebra na výstřicích mají za úkol zejména zvyšovat jejich pevnost, tuhost a odolnost proti deformacím při současném snížení hmotnosti výstřiků. Jednoduché rovnoběžné žebrování zvyšuje tuhost v ohybu v jednom směru, diagonální zvyšuje tuhost v ohybu a krutu. Pro snadnější plnění tvarových dutin taveninou je výhodnější všechny změny vytvářet se zaoblením. Zaoblení snižuje hydraulické odpory při toku taveniny a snižuje i napětí v místě ohybu. Rádiusy zaoblení musí zajistit konstantní tloušťku stěny. Zaoblení zvyšují odolnost proti rázům a pevnost, snižují vnitřní pnutí a náchylnost k praskání - odstranění koncentrátorů napětí. Zaoblení má být provedeno jak na vnější, tak i na vnitřní straně stěny a poloměr zaoblení by měl být ¼ až ¾ tloušťky stěny v daném místě. Ostré hrany jsou v dělících rovinách, ale zde je potřeba vzít v úvahu i bezpečnostní hledisko - nebezpečí říznutí.

Pro dobré, bezproblémové vyhození výstřiku z formy musí být příslušné tvary výstřiku opatřeny úkosy - úkosy pro vyhození se sčítají s úkosy pro odformování desénů bez jejich poškrábání. Pro vnitřní stěny se doporučují vyhazovací úkosy v rozmezí cca 1° až 2°, pro vnější stěny cca 0,5° až 1°. K těmto úkosům se přičítá cca 1° úkosu na hloubku desénu max. I když je díl zkonstruován podle zásad technologičnosti konstrukce výstřiků z termoplastů, obvykle tomu však tak není nebo není v plném rozsahu - může způsob zaformování vyvolat změny na výstřiku.

Výrobní proces PVC

Polyvinylchlorid (PVC), je všestranný termoplastický polymer. Proces výroby PVC zahrnuje několik klíčových kroků:

Čtěte také: Návod na výrobu dřevěné kozy pro řezání palivového dřeva

1. Příprava suroviny:

   Výroba PVC začíná syntézou monomeru vinylchloridu (VCM), které je dosaženo reakcí ethylenu, chloru a kyslíku na katalyzátoru.

2. Polymerizace:

   VCM je poté přeměněn na PVC prostřednictvím polymeračního procesu, kde jsou monomery chemicky spojeny dohromady za vzniku dlouhých řetězců. To lze provést buď suspenzními, emulzními nebo hmotovými polymeračními technikami, v závislosti na požadovaných vlastnostech konečného produktu.

3. Smíchání:

   Po polymeraci jsou s PVC smíchány přísady, jako jsou stabilizátory, maziva, plniva a změkčovadla, aby se zlepšily jeho vlastnosti a výkonnostní charakteristiky. Tento krok je zásadní pro přizpůsobení PVC pro konkrétní aplikace. Čerstvý polymer může vlivem tepla, světla nebo kyslíku degradovat. Výrobci proto přidávají antioxidanty, tepelné stabilizátory, UV absorbéry, kluzné látky, modifikátory rázu, zpomalovače hoření a pigmenty. Tento krok se nazývá compounding. Pryskyřice a přísady se roztaví ve dvoušnekovém extrudéru, dobře promíchají, přefiltrují, aby se odstranily gely nebo kovové jemné částice, a poté se rozřežou na malé, rovnoměrné plastové pelety - nazývané také nurdles. Pelety snadno tečou, snadno se přepravují a stávají se standardní surovinou pro vytlačovací a lisovací dílny, které vytvářejí konečné plastové díly.

4. Tvarování a výroba:

   Pelety se dodávají zpracovatelům, kteří je tvarují do široké škály výrobků, s nimiž se denně setkáváte - lahví, fólií, trubek, uzávěrů, krytů a dalších. Směsný PVC se poté přivádí do extrudéru, kde se roztaví a protlačí matricí, aby se vytvořil souvislý profil. Náš Linka na vytlačování plastových profilů hraje v tomto kroku zásadní roli a umožňuje výrobu jednotných PVC profilů s přesnými rozměry a hladkým povrchem.

   Vstřikování:

   Vstřikování je metoda, při které se pelety roztaví v sudu, šnek vtlačí taveninu do uzavřené formy, díl se ochladí a ztuhne, poté se vyhodí. Je rychlé, opakovatelné a ideální pro složité tvary. Mezi běžné pryskyřice patří PP, HDPE, ABS, PS a PC. Je třeba dávat pozor na vady, jako jsou stopy po propadnutí, krátké záběry a deformace; jejich odstranění pomáhá teplota formy, tlak v balení a nastavení průtoku taveniny. Roztavený plast je následně vstřikován do formy pomocí vysokotlakých strojů. Stroj musí být kalibrován na správnou teplotu a tlak, aby bylo dosaženo hladkého a konzistentního toku plastového materiálu.

   Čtěte také: Krok za krokem: Dřevěné srdce

   Vytlačování:

   Vytlačovací stroj protlačuje taveninu tvarovanou matricí a vytváří tak souvislé profily, trubky, fólie nebo desky. Chlazení probíhá pomocí vzduchové nebo vodní lázně, poté se linka vytáhne a rozřeže na délku. Běžně se používají LDPE, LLDPE, HDPE, PVC a PET v závislosti na tom, zda potřebujete pružnou fólii nebo pevnou desku. Vytlačování fólie vyfukováním využívá vzduch k nafouknutí trubice pro potravinové sáčky a obaly.

   Vyfukování:

   K výrobě lahví nebo dutých předmětů používají zpracovatelé vytlačovací vyfukování (tvarování horké trubky a její nafouknutí ve formě) nebo vstřikovací vyfukování (předlisek + vyfukování). HDPE a PET dominují lahvím, protože vyvažují hmotnost, houževnatost a bariérové vlastnosti.

   Lisování a 3D tisk:

   Lisování se hodí pro velké, tlusté díly nebo termosety. 3D tisk (FDM/FFF s ABS nebo PETG; tisk z pryskyřice pro speciální polymery) je skvělý pro prototypy a krátké série. Každá metoda vyvažuje kvalitu povrchu, přesnost rozměrů a náklady.

5. Chlazení a řezání:

   Extrudovaný PVC profil se ochladí, aby ztuhnul svůj tvar, než se nařeže na požadovanou délku, čímž se dokončí výrobní proces. Jakmile produkt dostatečně vychladne, vyjme se z formy a použijí se dokončovací procesy.

6. Následné zpracování:

   Díly mohou být žíhány (pomalu zahřívány), aby se uvolnilo napětí, a poté obráběny, tištěny, svařovány nebo označovány. Zde nastupuje CNC.

CNC obrábění plastů

CNC obrábění plastů je běžné pro prototypy a nízké série, kdy potřebujete přesné prvky nebo přísné tolerance. CNC frézování plastů a CNC soustružení obojí funguje dobře, protože mnoho termoplastů řeže čistě, nevyžaduje řezné kapaliny (nebo potřebuje pouze lehkou mlhu) a při správném upevnění drží rozměry. Mezi běžné plastové díly CNC patří pouzdra, rozdělovače, převodovky, distanční prvky a přípravky. Tyto součásti využívají výhod CNC obrábění, protože plasty lze tvarovat do přesných, lehkých struktur s hladkým povrchem. Pouzdra a skříně často vyžadují těsné uložení elektroniky, rozdělovače potřebují čisté vnitřní dráhy, ozubená kola se spoléhají na přesné profily zubů a distanční prvky nebo přípravky musí zachovávat konzistentní tloušťku a zarovnání. CNC obrábění poskytuje konzistenci a opakovatelnost, kterou tyto díly vyžadují.

Pro obrábění plastů je důležité používat ostré nástroje určené pro měkčí materiály, vysoké otáčky vřetena a mírné zatížení třísek, aby se zabránilo roztavení. Plasty nejlépe reagují na frézy s vysokým úhlem sklonu a leštěnými drážkami. Vyšší otáčky vřetena umožňují čistý řez nástroje, zatímco mírné zatížení třísky zabraňuje tření a hromadění tepla. Tupé nástroje nebo příliš těžké řezy mohou vytvářet tření, které způsobí změknutí materiálu, jeho rozmazání nebo přivaření k nástroji. Díly udržujte chladné pomocí vzduchu; vyhněte se přehřátí, které může způsobit rozmazání nebo deformaci povrchů. Chlazení tryskajícím vzduchem nebo lehkou mlhou pomáhá odstraňovat třísky a udržovat stabilní teplotu během obrábění. Vzhledem k tomu, že mnoho plastů má nízký bod tání a špatnou tepelnou vodivost, může se teplo rychle hromadit a deformovat povrchy. Správné chlazení zabraňuje deformacím, zachovává rozměrovou přesnost a udržuje konečný povrch ostrý.

Doporučené plasty pro CNC obrábění:

• Acetal (POM): obrábí se jako sen, nízké tření, dobrá rozměrová stálost.
• ABS: snadno se řeže, slušná odolnost proti nárazu.
• Nylon (PA): pevný a odolný; pozor na zachycování vlhkosti.
• Akryl (PMMA): vynikající průhlednost; je třeba opatrně podávat, aby nedošlo k popraskání.
• Polykarbonát (PC): houževnatý a odolný proti nárazu; vytváří čisté rysy s ostrými nástroji.
• HDPE a UHMW-PE: kluzké, velmi odolné proti opotřebení; kontrola chvění a přidržování.

Výběr závisí na potřebné pevnosti, teplotě, průhlednosti, chemické odolnosti a ceně.

Kontrola kvality a normy

Rozměrová a tvarová přesnost bývá jedním z nejčastějších kvalitativních ukazatelů výstřiků z plastů. Správná funkce součásti je závislá nejen na dodržení požadované přesnosti rozměrů, ale také předepsaného geometrického tvaru ploch a jejich vzájemné polohy. Při vyhodnocování tolerancí polohy je vždy jeden prvek (plocha, hrana, osa) zvolen jako základna, od ní jsou úchylky měřeny. Drsnost je souhrn nerovností povrchu s relativně malou vzdáleností, které nevyhnutelně vznikají při výrobě nebo jejím vlivem. Do drsnosti se nepočítají vady povrchu.

Pro znalostní tolerování rozměrů výstřiků z termoplastů, tj. tolerování vycházející ze znalosti vlastností vstřikovaných materiálů, včetně technologického procesu, základů konstruování vstřikovacích forem a ne jen z intuice konstruktéra, která obvykle vychází z poznatků z konstrukce kovových dílů, by tento měl znát alespoň jednu z dále uvedených norem. Česká norma ČSN 01 4265 - 1982 Toleranční pole součástí z plastů se zabývá pouze tolerančními poli tolerovaných rozměrů. V některých firmách se pracuje podle standardů DIN, proto uvádíme odkaz i na normy DIN. Nová norma je koncipována i jako systém hodnocení posuzující dosažitelnost tolerancí u příslušného výrobce výstřiků. DIN 16 742 - 2013 nově definuje skupiny tolerancí pro díly z plastů - TG 1 až TG 9 (TG - toleranzgrupen). Nové skupiny tolerancí jsou napojeny na základní ISO toleranční pole podle normy ISO 286 - 1. Rozdělení tolerančního pole by vždy mělo být +/- 1/2T, tj. souměrné okolo jmenovité hodnoty rozměru.

V normách jsou uvedeny i podmínky pro kontrolu a přejímání, které stanovují, že výstřik před měřením má být kondiciován v prostředí o teplotě 23 +/- 2 °C, při relativní vlhkosti vzduchu 50 +/- 5 %, po dobu - ČSN 24 hodin a DIN minimálně 16 hodin (maximálně 72 hodin) - od vyjmutí z tvarové dutiny vstřikovací formy. Podle příslušných norem jsou tolerance výrobku zařazeny do stupňů přesnosti v návaznosti na skupiny plastů, které jsou sestaveny se zřetelem na možnost dosáhnout určité přesnosti rozměrů.

Velkou roli v rozměrové přesnosti výstřiků z termoplastů hraje anizotropie rozměrových změn. Anizotropie neboli směrová rozdílnost rozměrových změn je způsobena především orientací makromolekul a plniva, zejména vláknitého, včetně krystalických útvarů u částečně krystalických termoplastů. U neplněných termoplastů existuje vlivem orientace makromolekul rozdíl mezi smrštěním podélným (ve směru toku taveniny) a smrštěním příčným (ve směru kolmém k toku taveniny). Vzhledem k řadě působících vlivů a vlastnostem jednotlivých termoplastů nelze obecně říci, které smrštění bude větší a které menší. Při konstrukci výstřiků by mělo platit pravidlo: „Tolerance rozměrů se nestanovuje tak přesně, jak to dovoluje výrobní tolerance, ale pouze tak, jak je potřeba s ohledem na funkci výstřiku“.

V případě nutnosti (při zvýšených výrobních nákladech) lze docílit IT9 a s vysokými náklady IT8. Přesto se běžně setkáváme s tolerancemi rozměrů v setinách milimetrů, např. ±0,05 mm. Zde je nutno si uvědomit, že takovou toleranci mnohdy neguje koeficient lineární teplotní roztažnosti vstřikovaných materiálů. Obecně platí, že příliš úzké tolerance přinášejí zvýšení výrobních nákladů, přes zvýšení zmetkovitosti, delší výrobní dobu, vyšší náklady na zkušebnictví.

Rychlé testy pro kontrolu kvality:

• Index toku taveniny (MFI): jednoduchá míra snadnosti toku pryskyřice při tavení; pomáhá stanovit podmínky zpracování.
• DSC (diferenciální skenovací kalorimetrie): kontroluje bod tání a krystalinitu, které souvisejí s tuhostí a tepelnou odolností.
• Zkoušky v tahu a rázové zkoušky: měření pevnosti a houževnatosti; důležité pro díly důležité z hlediska bezpečnosti.
• Kontroly barvy a vzhledu: zajišťují konzistenci jednotlivých šarží.

Regulační přezkumy se mohou vztahovat na předměty přicházející do styku s potravinami, lékařské použití a stavební výrobky. Normy a zkušební metody jsou vodítkem pro výběr materiálu a tvrzení o výrobku.

Použití PVC

Díky všestrannosti PVC je vhodný pro širokou škálu aplikací, včetně:

• Stavba a konstrukce: PVC se používá v okenních profilech, dveřních rámech, obkladech, trubkách a kování kvůli své odolnosti a nízkým nárokům na údržbu.
• Izolace vodičů a kabelů: Díky elektrickým izolačním vlastnostem je PVC ideální pro použití jako izolace vodičů a kabelů v různých elektrických aplikacích.
• Zdravotnické prostředky: Sterilizované PVC se používá při výrobě zdravotnických prostředků, hadiček a obalů kvůli jeho kompatibilitě s lékařskými tekutinami a snadné sterilizaci.
• Osobní péče a móda: PVC se používá při výrobě oděvů, obuvi, zavazadel a dalších osobních doplňků, které nabízejí kombinaci stylu a funkčnosti.
• Balení: Pevné PVC fólie se často používají pro blistrové balení, které poskytují ochranu a viditelnost produktům vystaveným v maloobchodních regálech.

Typy plastů a nejvhodnější použití

Každý typ plastu má jedinečné silné stránky. Jejich znalost usnadňuje vytváření plastových dílů, které dobře fungují.

Pokud si nejste jisti, začněte porovnáním teplotních potřeb, expozice chemikáliím a rizika nárazu. Poté zkontrolujte obrobitelnost nebo tvarovatelnost a celkové náklady za dobu životnosti dílu.

tags: #proces #vyroby #pvc #dilu

Oblíbené příspěvky:

• Účinný odstraňovač asfaltu
• speciální kondenzovaný základní nátěr
• Nezapomenutelné svatební vzpomínky
• Více o profilu H 4mm pro sololit a polykarbonát
• Odolné PVC střechy a ekologie