Wypraski tworzywowo-metalowe

Bardzo zróżnicowane i wysokie wymagania rynkowe wobec wyprasek z tworzyw sztucznych sprawiają, że ich własności użytkowe są często niewystarczające na potrzeby rynku. Spełnienie wymagań umożliwiają połączenia (trwałe, nierozłączne) tworzyw z innymi materiałami. Najczęściej stosowanymi materiałami (poza innymi tworzywami) są metale lub ich stopy. Połączenia elementów metalowych z tworzywowymi w produkcji seryjnej można wykonywać różnymi metodami (np. zgrzewania, wciskania), a najefektywniejszą z nich jest wtryskiwanie.

Metody wytwarzania wyprasek z zapraskami metalowymi można podzielić na dwie zasadnicze grupy:

• metody jednoetapowe, gdzie proces łączenia metalowej zapraski odbywa się podczas wtryskiwania wypraski;
• metody wieloetapowe, gdzie wytwarzanie wypraski i połączenie z zapraską metalową odbywa się w kilku oddzielnych procesach, najczęściej dwóch.

Jednoetapowe wytwarzanie wyprasek z zapraskami metalowymi wywodzi się jeszcze z technologii prasowania. Tradycyjny proces nazywany jest obtryskiwaniem zaprasek metalowych lub z angielskiego techniką Insert (Rys. 1). Pod koniec lat 60-tych została opracowana nowa technologia miejscowego dotryskiwania elementów tworzywowych do wykrojów z blach, stanowiących konstrukcję nośną. Technologia ta jest określana(niemal wyłącznie określeniem angielskim) mianem techniki Outsert (Rys. 2).

Na początku lat 90-tych opracowano i wdrożono szereg technik określanych jako wtryskiwanie hybrydowe (Rys. 3).

We wtryskiwaniu hybrydowym możliwe jest wzajemne łączenie profili i wykrojów blaszanych w całość, a tworzywo jest tutaj materiałem łączącym (zazwyczaj łączonych jest kilka elementów metalowych w wielu miejscach). Głównymi czynnikami stymulującymi rozwój nowych technologii wtryskiwania (hybrydowych) były potrzeby przemysłu motoryzacyjnego.

Metody wieloetapowe można określić jako konwencjonalne wtryskiwanie wyprasek, połączone z pewnego rodzaju operacjami montażowymi np. wciskanie, zatrzaskiwanie, zgrzewanie lub inne. W tych procesach mogą także występować pewne operacje przygotowawcze np. aktywowanie powierzchni lub operacje łączenia, które mogą być wykonywane wielokrotnie, przykładowo przy kilku oddzielnych zapraskach mocowanych w jednej wyprasce. Cechą charakterystyczną tych operacji montażowych jest brak dodatkowych elementów złącznych w postaci śrub, wkrętów, nitów itp. Zapraski mogą być w postaci typowych elementów metalowych jak: śruby, nakrętki, tuleje, piasty, wałki lub wykroje, czy też wytłoczki z blachy. Wytłoczki z blach mogą być płaskie lub ukształtowane przestrzennie.

Główne zalety łączenia wyprasek z zapraskami metalowymi to:

• możliwość otrzymywania wyrobów w jednym procesie i wyeliminowanie dodatkowych operacji;
• poprawa wytrzymałości i sztywności- poprawa jakości wyrobów (uszczelnienie, izolacja, estetyka, trwałość);
• zmniejszenie ciężaru produkowanych wyrobów (motoryzacja);
• uproszczenie konstrukcji wyrobów;
• skrócenie cyklu produkcyjnego wyrobów;
• obniżenie kosztów wytwarzania;
• uzyskanie nowych funkcji użytkowych (większa funkcjonalność, ergonomiczność, efekt synergii).

W tabeli 1 zostały krótko opisane poszczególne technologie wytwarzania wyprasek z zapraskami metalowymi.

Konstrukcja wyrobów i zaprasek

Konstrukcja wyrobu ma kluczowe znaczenie dla uzyskiwania wysokiej jakości wyprasek. W konstrukcjach z zapraskami, poza ogólnymi wymaganiami dotyczącymi dokładności wymiarowej i estetyki wyrobu, zasadniczym celem jest uzyskanie jak najlepszego połączenia zapraski z wtryskiwanym tworzywem.

O jakości takiego połączenia w największym stopniu decyduje kształt zapraski. Ukształtowanie zapraski powinno być takie, aby podczas wtrysku nastąpiło bardzo dobre osadzenie (zakotwiczenie) jej w tworzywie. Kształt zaprasek oraz właściwe grubości ścianek tworzywa otaczającego zapraskę powinny przeciwdziałać przemieszczeniom zapraski w kierunkach oddziaływania obciążeń mechanicznych.

Przykłady osadzenia zaprasek pokazano na rysunku 4 – dla metody Insert oraz na rysunkach 5 i 6 – dla metody Outsert. W połączeniu zapraski z tworzywem występuje też zjawisko adhezji. Jednak siły adhezji na granicy połączenia są stosunkowo niskie i mogą być wystarczające jedynie w słabo obciążonych wyrobach.

Adhezję można zwiększyć stosując odpowiednio przygotowaną powierzchnię zapraski (zmatowienia, nadanie większej chropowatości przez np. piaskowanie części zapraski obtryskiwanej tworzywem).

W metodach obtryskiwania zaprasek zachodzi także konieczność uzyskania połączeń ruchomych. Przypadki takie zdarzają się dość często w metodzie Outsert (Rys. 7).

Uzyskanie takiego połączenia jest możliwe poprzez odpowiednie dostosowanie konstrukcji (np. zastosowanie styku na małej powierzchni) lub zabiegów technologicznych (miejscowe użycie środków rozdzielających lub smaru).

Dla dokładnego usytuowania zaprasek w gniazdach, zwłaszcza elementów dużych gabarytów lub o złożonych kształtach, już podczas konstruowania wyrobu należy określić bazy w zaprasce, pozwalające pozycjonować je tak, aby zachować określone grubości warstw tworzywa. W zapraskach z gwintami, które bardzo często są stosowane w tego typu wypraskach wymagane jest konstrukcyjne zabezpieczenie ich przed podpływaniem tworzywa. Wkręty i śruby powinny mieć dostatecznie długi walcowy fragment osadczy, a wkładki z gwintami wewnętrznymi powinny posiadać nieprzelotowy otwór (Rys. 8).

Poza wyżej wymienionymi wymaganiami konstrukcje z zapraskami muszą spełniać inne wymagania jakościowe, takie jak: wytrzymałość, szczelność, izolacja czy estetyka wyrobu lub np. dodatkowe funkcje uzależnione od przeznaczenia wyrobu. Zalecenia odnośnie konstrukcji wyprasek z zapraskami pochodzą jeszcze z technologii prasowania duroplastów.

Przy wtrysku tworzyw, ze względu na odmienność zjawisk zachodzących w trakcie procesu lub choćby na mniejsze z reguły grubości ścianek tworzywa otaczającego zapraskę, należy zwracać uwagę na takie zagadnienia jak:

• różnice zachowań pary tworzywo-metal (naprężenia własne, skurcz rozszerzalność cieplna);
• usytuowanie linii łączenia;
• efekt karbu;
• odporność na korozję i oddziaływanie chemiczne.

Zachowania pary tworzywo-metal (naprężenia własne, skurcz, rozszerzalność cieplna). Ze względu na występujące różnice temperatur między zapraską a tworzywem powstają naprężenia wywołane różnicą rozszerzalności cieplnej podczas ochładzania (skurcz).

Na rysunku 9 pokazano, że rozszerzalność cieplna tworzyw sztucznych jest wielokrotnie większa niż metali. Z tego powodu zaleca się stosować zapraski posiadające zbliżone współczynniki do tworzyw (mosiądz, stopy Al). Zmniejszanie naprężeń jest możliwe w tworzywach elastycznych jak: PVC miękki, TPU o wysokich współczynnikach wydłużenia, co zapewnia odpowiednią wytrzymałość na rozerwanie (pękanie). W tworzywach technicznych o małym współczynniku wydłużenia, jak np. POM, PA6, PA66, PBT mogą powstawać naprężenia rozrywające, a także mogą nakładać się naprężenia własne, wynikające z szybkości chłodzenia, ciśnienia docisku oraz prędkości przepływu tworzywa w gnieździe. Powstawaniu zagrożenia pęknięciami sprzyjają: promieniowanie UV, środki agresywne dla tworzyw (np. pozostałości smarów na zapraskach), anizotropia własności tworzywa (zwłaszcza skurczu) zależna od kierunku płynięcia.

Ryzyko pęknięć można zmniejszyć poprzez zwiększanie grubości ścianek (Rys. 10) oraz zastosowanie tworzyw z wypełniaczami włóknistymi. W przypadku obtryskiwania cienkich elementów metalowych różnica naprężeń w warstwach po obu stronach zapraski może powodować deformowanie blachy i odkształcenie wyrobu.

Podobne zjawisko może występować przy błędnym zaprojektowaniu wyrobu wykonanego metodą Outsert (Rys. 11 i 12).

Umiejscowienie linii łączenia

Zależy ono od położenia punktu wtrysku. Laminarny przepływ tworzywa w gnieździe powoduje, że czoła strug tworzywa opływającego zapraskę nie łączą się dobrze ze sobą tworząc widoczną linię łączenia, co powoduje osłabienie wypraski w tym miejscu. Szczególnie niekorzystne jest to dla tworzyw z wypełniaczami włóknistymi orientującymi się podczas przepływu.

Efekt karbu

Spowodowany jest ostrymi krawędziami zaprasek, które były wykrawane lub wykonywane metodami obróbki skrawaniem. Wpływa on na powstawanie rys naprężeniowych w otaczającej zapraskę warstwie tworzywa. Wobec powyższego zaleca się stosowanie zaprasek uzyskiwanych metodami obróbki plastycznej (wyginania, spęczania, nagniatania) lub wycinanych laserem (brak ostrych zadziorów). Wysoką podatność na pękanie pod wpływem rys naprężeniowych wykazują PS, PMMA, PBT, PP, a małą – elastomery PVC-miękki, CA, CAB. Zmniejszenie efektu karbu dają tworzywa wzmacniane włóknami.

Odporność na korozję i oddziaływanie chemiczne

Małą odporność na korozję wykazują zapraski stalowe pracujące w otoczeniu wilgoci lub w połączeniach z PA 6 i PA6.6. Dlatego też zapraski powinny być pokryte powłokami zabezpieczającymi antykorozyjnymi lub powinny być wykonane ze stali nierdzewnej. Niekorzystnie na współpracę zapraska-tworzywo wpływają pozostałości smaru lub chłodziwa po obróbce skrawaniem, które mogą oddziaływać (agresywnie) na niektóre tworzywa (ABS, SAN). Z podobnych względów nie zaleca się stosować zaprasek mosiężnych w wypraskach z PP, ponieważ powodują powstawanie reakcji miedzi z cząsteczkami roztopionego tworzywa, co obniża jego własności wytrzymałościowe.

Zapraski są uzyskiwane metodami:

• obróbki plastycznej (wyginania, spęczania, nagniatania, wykrawania);
• wycinania laserem (brak ostrych zadziorów);
• obróbki skrawaniem;
• odlewania.

Zalecanymi metodami są obróbka plastyczna i wycinanie laserowe, ponieważ zapraski takie nie wymagają dodatkowych obróbek przed wtryskiem. Natomiast w surowych odkuwkach lub odlewach występują duże tolerancje wymiarowe, tak iż niezbędne jest stosowanie wykańczającej obróbki skrawaniem dostosowujących części osadcze do wymaganych wymiarów lub stosowanie specjalnych uszczelnień w gniazdach formy wtryskowej.

Dla prawidłowego osadzenia zaprasek wymagana jest dokładność ich wykonania. Miejsca osadzenia i uszczelnienia muszą być wykonane tak, aby występujące luzy nie powodowały przesunięć w gniazdach oraz wpływania roztopionego tworzywa. Zalecane tolerancje na pasowanych płaszczyznach mieszczą się w granicach zalecanych wielkości szczelin odpowietrzających w formie. Dla wyprasek precyzyjnych zaleca się pasowanie zaprasek w otworach ustalających G7/H9.

W wyrobach otrzymywanych metodą Outsert na płytki stosowane są pokrywane blachy stalowe lub nierdzewne, a także blachy ze stopów Cu lub Al oraz, rzadziej, laminatowe. Stosowane grubości mieszczą się w zakresie 0,5-1,5 mm przy tolerancjach grubości ±0,015-0,04 mm. Ze względu na rozszerzalność cieplną, która dla płytek metalowych jest około 10 razy mniejsza od tworzywa uzyskuje się bardzo dużą dokładność rozmieszczenia elementów tworzywowych. Szczególnie ważne jest to w wyrobach precyzyjnych, wykonywanych głównie w technice Outsert.

Charakterystyka materiałowa

Wyroby uzyskiwane za pomocą technologii łączenia tworzyw z metalami znajdują szerokie zastosowanie niemal we wszystkich dziedzinach. W poszczególnych technikach wytwarzania wyprasek stosowana jest szeroka gama tworzyw oraz metali i ich stopów.

Tworzywa

• technika Insert, w której ze względu na szeroki zakres zastosowań wykorzystywana jest równie szeroka gama tworzyw. Zastosowanie znajdują tu w zasadzie wszelkie rodzaje tworzyw używanych w technologiach wtryskiwania, a więc termoplasty (często także wzmacniane włóknami), duroplasty i elastomery (termoplastyczne i wulkanizujące). Techniczny charakter wyprasek sprawia, że dominują tu tworzywa techniczne. Szczególne wymagania materiałowe mogą wynikać ze specyfiki produkowanych wyprasek np. niektórych elementach elektrotechnicznych lub motoryzacyjnych gdzie powinny być stosowane specjalne gatunki tworzyw dedykowane wyłącznie do ściśle określonego zastosowania.
• technika Outsert z założenia przeznaczona jest praktycznie w całości do wytwarzania wyrobów precyzyjnych. Ilość stosowanych tworzyw ogranicza się w niej do kilku. Przez wiele lat w technice Outsert stosowany był niemal wyłącznie POM. Dopiero w ostatnich latach, wraz z nowymi zastosowaniami, pojawiły się stopniowo nowe tworzywa (Rys. 13).

• techniki hybrydowe. W poszczególnych odmianach wtrysku hybrydowego wymagania materiałowe są dość wysokie, jednak tutaj oprócz wysokojakościowych tworzyw technicznych (głównie ze względu na duże gabaryty niektórych wyrobów i związanych z tym kosztów) stosowane są też tanie tworzywa techniczne, gdzie bazą są tworzywa masowe modyfikowane dodatkowymi składnikami, w celu uzyskiwania określonych własności, zbliżonych do droższych tworzyw technicznych np. szereg gatunków tworzyw na bazie PP.

Zapraski

• technika Insert. Ze względu na stosunkowo małe gabaryty zaprasek, dominują zapraski stalowe, ze stopów miedzi (głównie mosiądz, rzadziej brązy) oraz ze stopów lekkich (głównie Al). W zapraskach stalowych, w celu ochrony przed korozją, często stosowane są pokrycia ochronne (najczęściej cynk, kadm, chrom, nikiel), natomiast w stopach miedzi oraz częściej w stopach lekkich stosowane są powłoki o charakterze dekoracyjnym. Inne metale i stopy stosowane są sporadycznie.
• technika Outsert – głównie pokrywane blachy stalowe (ew. ze stali nierdzewnych) lub ze stopów lekkich, rzadziej ze stopów miedzi lub laminaty.
• techniki hybrydowe, podobnie jak w technice Outsert.

Zastosowania

Wyroby wykonane technologią wtryskiwania wyprasek z zapraskami metalowymi znajdują szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach, a najważniejsze z nich to: motoryzacja:

• elementy karoserii (Rys. 14 i 15);
• elementy deski rozdzielczej i komory silnika;
• obudowy, aparatura paliwowa i zapłonowa;
• elektrotechnika, elementy elektroizolacyjne i instalacyjne, komutatory silników, elementy oświetleniowe;
• elektronika, obudowy, włączniki;
• elektronarzędzia i narzędzia ręczne, obudowy;
• medycyna, elementy aparatury, uchwyty narzędzi;
• sprzęt AGD (kuchenny i grzewczy): uchwyty, obudowy, pokrywy, elementy mechanizmów i silników napędowych (Rys. 16);
• sprzęt pomiarowy: płyty czołowe, tarcze zegarowe itp.;
• sprzęt audio/video: płyty czołowe, pokrywy;
• sprzęt telekomunikacyjny: obudowy, płyty wierzchnie itp.

Zapotrzebowanie na wyroby z zapraskami metalowymi jest dość wysokie i wykazuje niewielkie tendencje wzrostowe. Największy rozwój następuje w zakresie technologii hybrydowych, które w dużej mierze zastępują konstrukcje tradycyjnie wykonywane z metali. Na dobrym poziomie utrzymują się tradycyjnie konstrukcje otrzymywane metodami Insert. Natomiast pewną stagnację wykazują technologie typu Outsert. W pewnej mierze wynika to z zastępowania jej technikami hybrydowymi oraz zastępowania elektromechanicznych układów automatyki przez układy elektroniczne (szczególnie w zakresie zastosowań techniki mikroprocesorowej), a także ze stosunkowo wąskiego zakresu zastosowań, ograniczającego się w zasadzie do wyrobów o charakterze precyzyjnym.

Andrzej Zwierzyński

Literatura:

[1] H. Zawistowski, D. Frenkler: Konstrukcja form do wtrysku tworzyw termoplastycznych, WNT 1985

[2] Outsert-technik mit Hoslaform. C.3.5. Ticona GmbH Kelsterbach 2004 (Niemcy)

[3] Hybridtechniken in der Kunststoffverarbeitung, Neue Materialien Fürth GmbH (Niemcy)

[4] L. Nakonieczny, R. Wróblewski: Wtrysk hybrydowy w przemyśle motoryzacyjnym, PlastNews 5/2008

[5] Darstellung der Outsert-Technologie, TB&C Outsert Center GmbH 2008 (Niemcy)

[6] A. Jäschke, U. Dajek: Dachrahmen in Hybridbauweise, Druk VDI Verlag GmbH, Düsseldorf 2004

[7] Technische Produkte, Brack-Werke AG Breitenbach (Szwajcaria)

[8] J. W. Kaczmar, R. Wróblewski, L. Nakonieczny, J. Iwko: Wytwarzanie i właściwości elementów hybrydowych typu metal-tworzywo polimerowe, Polimery 7-8/2008

[9] A. Zwierzyński: Metody hybrydowe i nie tylko, PlastNews 06/2010

artykuł pochodzi z wydania 1/2 (40/41) styczeń/luty 2011