Newsletter / TS Raport 
Zamów

Za formę płaci się nie tylko w momencie zakupu 

14 października 2016

„Tysiącmilowa podróż zaczyna się od pierwszego kroku” [Konfucjusz]

Forma wtryskowa jest narzędziem, które w wielu przypadkach decyduje o sukcesie produkcji wtryskowej. Niestety błędy popełniane na etapie zamawiania formy mogą wpłynąć na porażkę – nieopłacalność produkcji czy tez niemożność uzyskania poprawnych wyprasek.

Produkcja wtryskowa wyrobów z tworzyw sztucznych jest bardzo dynamicznie rozwijającą się gałęzią przemysłu wielu państw na świecie. Wyroby z tworzyw sztucznych zastępują coraz więcej elementów wykonywanych wcześniej z innych materiałów. Przyczyny tego są proste - zmniejszenie kosztów produkcji, zwiększenie wydajności, uzyskiwanie wyrobów o wysokiej estetyce i często właściwościach mechanicznych i eksploatacyjnych.

Zamawiając nowe narzędzie, inwestor chciałby otrzymać formę wtryskową o wysokiej wydajności, niezawodną i oczywiście możliwie jak najtańszą. Niestety w czasach, kiedy ogromny nacisk kładzie się na cięcie kosztów i zarabianie na każdym etapie, działy zakupów koncentrują się najczęściej na najniższej cenie narzędzia nie patrząc perspektywicznie na późniejsze koszty eksploatacyjne formy, jej wydajność i trwałość, czy możliwość uzyskania poprawnych wyrobów. Często skutkuje to słabą jakością narzędzia i wypraski oraz dużym udziałem odpadów produkcyjnych. Może okazać się, że działanie takie prowadzić będzie do całkowitej nieopłacalności produkcji wyprasek.

Należy pamiętać, że całkowity koszt wypraski wynika z nakładów, począwszy od jej projektu na utylizacji kończąc. Im lepiej z góry zostanie zdefi niowany „cykl życia” wypraski, tym większy wypracowany zostanie na nim zarobek.

Przedstawia to bardzo prosty przykład.
Cena sprzedaży artykułu wynosi 1 €, narzędzie będzie kosztować maksymalnie 100.000 € tak, aby móc wyprodukować 200.000 części. Wliczając tworzywo sztuczne, koszty procesu i logistyki artykuł kosztuje w produkcji ok. 0,80 €. W ten sposób można wygenerować dochód rzędu 40.000 €.

Do tego miejsca wszyscy użytkownicy, producenci, kierownicy projektów i zaopatrzeniowcy z pewnością będą zgodni. Niestety, na etapie uszczegóławiania zapytania dochodzi do poważnego problemu. Zamawiający próbują wygenerować „dodatkowy zysk” i zbić cenę formy o 20%. Wybierając oferentów, bardzo często kierują się kluczem najniższej ceny. Co gorsze, wysyłając zapytanie ofertowe przekazują narzędziowni niepełną informację na temat wypraski i stawianych jej oraz produkcji wymagań. Mimo tego, że proces szukania ostatecznego oferenta był długi i żmudny, może okazać się, że tak naprawdę nie wybrano optymalnej narzędziowni, a jedynie najtańszą. Zdarza się również, że aby „złapać” zlecenie, narzędziownia bez rzeczywistej wiedzy na temat procesu produkcyjnego klienta, będzie podtrzymywała atrakcyjną ofertę i zapewniała o uwzględnieniu specyficznych wymagań.

Pojawiają się zatem pytania.
Narzędzie jest częścią zlecenia. Jak to możliwe, że znaleziono narzędzie tańsze o 20%? Czy jako zleceniodawca mam złą kalkulację? Myślę, że nie!
W 90% takich przypadków, brakujące lub szczątkowe informacje doprowadziły do tego, że znaleziono kogoś, kto „wszedł do gry” z niską ceną. Aby w znacznym stopniu z góry móc wykluczyć możliwość takiego rodzaju błędu, powinno opracować się przynajmniej listę najważniejszych wymagań dla narzędzia i procesu formowania wtryskowego.

Formularz - Wymagania dla formy wtryskowej

Zajmijmy się systemem gorąco-kanałowym.
Na rynku bez problemu, za małe pieniądze można kupić czteropunktowy system gorąco-kanałowy. Ponad 50 oferentów na całym świecie na pewno będzie w stanie zaproponować swoje rozwiązania. Tylko czy kupiony system, będziemy rzeczywiście mogli wykorzystać w swoim narzędziu? Czy wymagania stawiane przez wtryskiwane tworzywo, proces formowania wtryskowego, wypraskę, pozwolą, aby przyjęta koncepcja narzędzia zaowocowała formą za pomocą, której zarobimy pieniądze? W tym momencie wypada jeszcze raz powiedzieć „za narzędzie płaci się nie tylko podczas zakupu !”

W większości przypadków możemy usłyszeć od naszych klientów: „Teraz chcemy poznać tylko cenę i czas dostawy, później zadbamy o szczegóły”. Jednak, kiedy te „szczegóły” zaczynają później mnożyć problemy, niejeden zaopatrzeniowiec nie chce słyszeć o swoich wcześniejszych deklaracjach. A to właśnie te „szczegóły” mogą zadecydować o powodzeniu przedsięwzięcia, a przynajmniej o cenie, stopniu skomplikowania i czasie wykonania systemu GK i formy.

Spójrzmy na samo tworzywo.
Wtryskiwane tworzywo może w ogromnym stopniu wpłynąć na użyteczność systemu gorąco-kanałowego. Dobrym przykładem są tworzywa uniepalniane. Modyfi katory uniepalniające wymagają na dostawcach systemów GK wykonywanie wszystkich elementów systemów, mających kontakt z tworzywem, z materiałów o podwyższonej odporności na korozję. Dotyczy to korpusów dysz, końcówek i torped dysz, bloków rozdzielaczy, centralnych tulei. Uniepalniacze oraz inne napełniacze, zwiększają wymagania, co do ciśnienia w układzie, ponadto zazwyczaj powodują zużycie ścierne elementów systemu GK.

Dla zapewnienia poprawnej pracy systemu GK konieczne jest stosowanie odpowiednich materiałów. Wspomnieliśmy o materiałach charakteryzujących się podwyższoną odpornością na korozję, ale system GK to przede wszystkim obiekt termiczny, od którego wymaga się stałego i równomiernego rozkładu temperatury. W związku z tym konieczne jest stosowanie materiałów o różnych wartościach współczynnika ciepła, zarówno tych wysoko przewodzących, jak i izolujących.

Musimy mieć jednak świadomość pewnych ograniczeń, jeśli dla wypraski czy tworzywa dla komponentu przyjmuje się specyficzne wymagania. Pewnych stopów np. CuBe, Ni, nie wolno stosować w medycynie i przemyśle spożywczym, ze względu na ryzyko alergii użytkownika wtryskiwanego wyrobu.

Wymagania wizualne stawiane wyprasce wpływają nie tylko na obostrzenia w jakości śladu w punkcie wtrysku, ale także w pewien sposób defi niują geometrię kanałów w systemie GK. Projektując system należy wziąć pod uwagę zależności związane ze ścinaniem, spadkiem ciśnienia i zmianą koloru w systemie gorąco- -kanałowym. Kluczowy jest tu dobór optymalnych średnic kanałów, ich długość, jakość powierzchni szczególnie w miejscach, w których tworzywo zmienia kierunek przepływu. Nie można zapominać również o minimalizowaniu potencjalnych martwych stref, w których tworzywo mogłoby zalegać, a następnie zdegradowane (lub w innym kolorze niż aktualnie przetwarzane) być wypłukiwane i zanieczyszczać wypraski. Należy również pamiętać o poprawnych zależnościach kanałów i promieni w obszarze kontaktu ustnika wtryskarki i centralnej tulei rozdzielacza (patrz Rys. 2).

Lakierowanie i galwanizacja
Lakierowanie czy galwanizacjawyprasek stawiają bardzo wysokie wymaganiaprocesowi wtrysku, formie wtryskowej, a wreszcie systemowi GK. Aby poprawnie poprowadzić proces nakładania ozdobnych pokryć, wypraski muszą być wolne od linii łączenia czy naprężeń w obszarach wizualnych. Z tego powodu wypraski lakierowane czy metalizowane coraz częściej wtryskuje się poprzez systemy zamykane igłowo i przy zastosowaniu wtrysku sekwencyjnego.

Systemy zamykane igłowo i wtrysk sekwencyjny są szczególnie zalecane, jeśli chcemy ograniczyć ilość linii łączenia lub przesunąć je w miejsca niestanowiące problemu dla wyglądu czy wytrzymałości wypraski. Oczywiście całkowite wyeliminowanie linii łączenia prawie nigdy nie jest możliwe, ale opracowanie koncepcji zasilania wypraski na drodze analiz reologicznych pozwala często na znalezienie optymalnego rozwiązania i dobór poprawnego systemu GK.

Optymalizacja położenia punktów wtryskowych często powiązana jest również z określonymi wymaganiami, co do jakości punktu wtrysku. Jest to szczególnie ważne w przypadku wyprasek medycznych. Przykładowo wystający ponad powierzchnię wypraski (uchwytu narzędzia chirurgicznego) zadzior może spowodować rozerwanie rękawiczek ochronnych. Należy jednak pamiętać, że samo zastosowanie systemu zamykanego igłowo nie jest gwarancją idealnego śladu po wtrysku. Wpływ na ślad po wtrysku mają w równym stopniu wykonanie narzędzia (szczególnie w obszarze przewężki) oraz sposób i parametry prowadzonego procesu wtrysku.

Dobierając system GK bierzemy pod uwagę nie tylko koncepcję wypełnienia gniazda formującego, ale również krotność formy i wymagany czas cyklu. Błędne decyzje na tym etapie konstruowania formy wpływają na zmniejszenie wydajności narzędzia. Należy szczególną uwagę zwrócić na zagadnienie termostatowania narzędzia w obszarze systemu GK. Trzeba pamiętać, że jest to proces złożony i nie można go rozpatrywać jedynie w aspekcie odbioru ciepła, aby jak najszybciej wychłodzić wypraskę. Mówiąc o termostatowaniu myślimy o temperaturach optymalnych dla poprawnego wypełnienia gniazda formującego, uzyskania wymaganej jakości wyrobu, a jednocześnie zminimalizowania czasu przebywania wypraski w gnieździe formującym. Zakłada się, że wydajny układ chłodzenia oparty o poprawnie skonstruowane obiegi chłodzenia w formie i wydajne urządzenia termostatujące musi zapewniać wymianę ciepła, gdzie różnica między temperaturą wody na wejściu i wyjściu T < 3 °C.

Odpowiednie termostatowanie formy ma znaczenie zarówno dla efektywności produkcji (czas cyklu) jak i trwałości narzędzia (równomierne rozszerzanie cieplne obu połówek formy). W pierwszym przypadku niezwykle pomocne są nowe technologie jak SLM (selective laser melting - laserowe spiekanie proszków stali narzędziowych) czy też wykonywanie wkładek konformalnych metodami lutowania.

Kupując system GK musimy także pamiętać o jego późniejszych użytkownikach. Im system będzie prostszy i wygodniejszy w montażu i obsłudze, tym ryzyko jego uszkodzenia jest mniejsze. Z pozoru skomplikowane systemy zamykane igłowo z dyszami wkręcanymi w blok rozdzielacza, przykręconymi do rozdzielacza siłownikami oraz całym orurowaniem, przepustami wiązek elektrycznych i blokami przyłączeniowymi są w istocie najprostsze i najwygodniejsze w montażu i eksploatacji. Firma PSG w większości dużych systemów zamykanych igłowo preferuje właśnie takie rozwiązania. Pozwala ono na ograniczenie ryzyka wycieków tworzywa, błędów w podłączeniach układów elektrycznych, pneumatycznych i hydraulicznych systemów, a takżeniezamierzonego zacinania przewodów. Montaż tak przygotowanego systemu zajmuje kilkanaście minut. Stosowane w systemach PSG nowatorskie rozwiązanie (patrz Rys. 3 PipeLine) pozwala na chłodzenie siłowników olejem z układu napędowego siłowników, dzięki temu ilość przewodów hydraulicznych w systemie zostaje zredukowana, co pozwala na oszczędność miejsca w formie i zmniejsza ryzyko wycieku oleju. Drugą zaletą tego systemu jest równomierne termostatowanie wszystkich siłowników w systemie.

  Rys. 3 PipeLine

Wybór odpowiedniej wtryskarki i jej oprzyrządowania.
Oprócz siły zwarcia, przestrzeni pomiędzy stołami maszyny czy kolumnami, niewątpliwe najważniejszy jest poprawny dobór agregatu  wtryskowego. Maszyna, która nie jest w stanie uplastycznić wystarczającej ilości masy tworzywa, zagwarantować wymaganych parametrów wtryskiwania, może spowodować sytuację, w której wtryśnięcie poprawnych wyprasek będzie niemożliwe. Dla systemów zamykanych igłowo bardzo ważne jest zapewnienie odpowiedniego sposobu napędu siłowników i tu wpływ ma zarówno konfi guracja wtryskarki jak i wymagania stawiane przez wypraskę oraz branżę, dla której detal jest produkowany.

Na przykład dla detali z sektorów medycznych czy opakowaniowych najlepszymi rozwiązaniami będą te, które możemy nazwać czystymi (wolnymi od ryzyka wycieku oleju), a więc elektryczne lub pneumatyczne. Ograniczeniem napędów elektrycznych jest ich niewielkie rozpowszechnienie, natomiast w przypadku napędu pneumatycznego należy pamiętać o wynikającym ze ściśliwości powietrza ryzyku nierównomiernego otwierania się igieł w systemach wielopunktowych (gdy szeregowo doprowadzamy powietrze do kilku siłowników). W tym przypadku rozwiązaniem zapewniającym równomierne otwieranie przewężek jest system PSG sumoFMAX oparty na napędzie płyty, w której zamocowane są iglice. Płyta napędzana jest poprzez układ dźwigniowo-kolanowy.

Ten rodzaj napędu pozwala na uzyskanie wysokiej siły ryglowania iglic, z możliwością wysprzęglenia uszkodzonych igieł, a także z łatwym systemem ustawiania pozycji iglic względem przewózek, co w efekcie daje wysoka jakość śladów w punkcie wtrysku. (Rys. 4)

Bardzo popularnym napędem igieł systemu GK jest napęd hydrauliczny. W porównaniu z napędem pneumatycznym pozwala on na uzyskanie wysokich sił ryglowania dysz. Napęd rdzeni, którym możemy się posłużyć do sterowania dysz jest dostępny w większości wtryskarek. Nie stanowi on problemu nawet w maszynach elektrycznych, gdzie w prosty sposób jest realizowany za pomocą dostawnych agregatów hydraulicznych.

Zajmijmy się samym punktem wtrysku.
Zależy on w większym lub mniejszym stopniu od różnych kryteriów. Jednym z najważniejszych z nich to wskaźnik szybkości płynięcia materiału (MFI lub MFR). Im jest on wyższy, tym lepiej płynie materiał, co w rezultacie wpłynie na dobór średnicy przewężki, od której wysokość punktu wtrysku jest zależna. Im większa średnica przewężki, tym wyższego punktu wtrysku należy się spodziewać.

Główna zasada brzmi „przewężkę łatwiej jest powiększyć niż ją zmniejszać”. Zbyt mała średnica przewężki może powodować problemy z wypełnianiem wypraski, a także przyczyniać się do wad powierzchniowych w obszarze punktu wtrysku np. przypaleń. Zbyt duża średnica przewężki może skutkować wykraplaniem materiału i nieestetycznym śladem w punkcie wtrysku. Środki modyfikujące tworzywo np. napełniacze, zmieniają przepływ tworzywa. Istotny jest typ zastosowanych wypełniaczy oraz jaki ma być ich stan docelowy w wyrobie. Szkło, na przykład, występuje w postaci kulek szklanych, krótkich lub długich włókien szklanych. Wszystkie dodatki znacznie zmieniają własności tworzywa sztucznego. Ponadto poprzez ścieranie wywierają bardzo negatywny wpływ na punkt wtrysku. Długie włókna szklane stosowane są przede wszystkim w celu poprawy stabilności wyrobu. W tym przypadku, jeśli przewężki lub kanały w systemie GK nie będą miały odpowiedniej średnicy, istnieje ryzyko uszkodzenia, skracania włókien, a w efekcie niespełnienia wymagań stawianych wyprasce.

Jak wspominaliśmy wcześniej, zarówno włókno szklane jak i wiele innych domieszek stosowanych jako wypełniacze i polepszacze stabilności, powodują zużycie ścierne zarówno elementów systemu GK jak i formy. Domieszkami tymi mogą być talk, drewno, papier, biomateriały, itd.

Oprócz domieszek ściernych, występują jeszcze domieszki powodujące korozję chemiczną, z którą bywają jeszcze większe problemy. Niestety zamawiający formy często nie informują dostawców narzędzi i systemów GK o zamyśle zastosowania modyfi kowanych takimi środkami tworzyw. Wprawdzie niektóre z nich są wykluczone z użytkowania, ale nie podano nazw ich zamienników. Substancje, które służą, jako uniepalniacze lub czynią materiał żaroodpornym, są szczególnie krytyczne.

I na zakończenie, konstrukcja samej wypraski.
W procesie wypełnienia gniazda formującego obok tworzywa sztucznego, decydująca jest sama konstrukcja wypraski. Należy zapewnić optymalny przepływ tworzywa poprzez poszczególne przekroje detalu.Jeśli przekroje są zbyt małe, materiał musi być wtryskiwany bardzo szybko. Ponadto może dojść do problemu z wybudowaniem docisku, a w związku z tym będziemy borykać się z trudnym do opanowania skurczem. W przypadku zbyt dużych przekrojów wypraski, może dochodzić do powstawania jam skurczowych, wydłużania czasu cyklu czy też wad optycznych takich jak jetting.

Zawsze trzeba zadać trudne pytanie, jakiej jakości śladu w punkcie wtrysku wymagamy. Ale w wielu przypadkach należy najpierw wyjaśnić, w którym miejscu na wyprasce powinien być umiejscowiony punkt wtrysku i czy przypadkiem nie koliduje on z mechaniczną lub wizualną funkcją wypraski. Uzyskanie optycznej jakości śladu w punkcie wtrysku w wielu przypadkach zwiększa koszty, zarówno systemu GK jak i narzędzia.

Temat doboru systemu GK jest bardzo złożony, a opisem ilości możliwych błędów oraz sposobów ich usuwania można zapełnić niejedną książkę. Zachęcamy do zapoznania się z aplikacją, która wizualizuje wiele z tych błędów i proponuje odpowiednie rozwiązania. http://psg.bizapp.biz/_app/psg/psg-app-englisch Liczba możliwych błędów w planowaniu i tworzeniu systemu gorąco-kanałowych, a także form gorąco-kanałowych jest ogromna.

Ze względu na mnogość aspektów, które należy wziąć pod uwagę, wydaje się, że najlepszym rozwiązaniem jest połączenie doświadczenia i dokładnej analizy zagadnienia, a także wspomaganie się szczegółowymi analizami reologicznymi.

Symulacje reologiczne są w dzisiejszych czasach niezbędne dla poprawnego opracowania narzędzia wtryskowego. Dokładne analizy projektu i wyartykułowanie wymagań stawianych wyprasce i produkcji, prowadzą często do wniosku, że wyższy o 10-15% koszt formy wtryskowej zapewni ostatecznie większą i szybszą produkcję, a tym samym większy dochód.

Autor: Dirk Langenohl, PSG GmbH
Opracowanie: Michał Kurleto / WADIM PLAST

Artykuł ukazał się w Der Stahlformenbauer 3/2016 oraz w TS raport 78/2016

Na górę