Vplyv materiálu formy na trvanlivosť vstrekovacej formy

Tvrdosť, odolnosť proti opotrebovaniu a tepelná únavosť: základné určujúce faktory trvanlivosti vstrekovacích foriem

Kompromisy medzi mechanickými vlastnosťami: tvrdosť vs. húževnatosť pri vysokocyklovom vstrekovaní

Výber materiálov pre injekčné formy ide o nájdenie toho ideálneho bodu medzi tvrdosťou a húževnatosťou – úlohy, s ktorou sa inžinieri neustále potýkajú. Ak ide o tvrdosť meranú podľa Rockwellovej stupnice C (HRC), údaje od ASM International z roku 2023 ukazujú, že vyššia tvrdosť môže znížiť abrazívne opotrebovanie spôsobené pryskyričnými zmesami so skleneným plnivom približne o 40 %. Avšak ak sa tvrdosť prekročí hodnotu 55 HRC, tenké časti formy začínajú pod vplyvom napätia praskávať. Na druhej strane, hoci materiály s vyššou húževnatosťou sa počas intenzívnych cyklov tlaku nerozbitia, pri spracovaní hrubších plastov, ako je napríklad nylon, sa rýchlejšie opotrebovávajú. Práve tu sa vynikajú nástrojové ocele, ako je napríklad H13. Tieto ocele dosahujú ideálnu rovnováhu v rozmedzí približne 48 až 52 HRC, čo znamená, že vydržia stotisíce výrobných cyklov v automobilovom priemysle bez poruchy. Automobilový priemysel sa na túto rovnováhu veľmi spolieha, pretože nikto nepreje, aby sa jeho výrobná linka zastavila kvôli poruche formy.

Mechanizmy praskania spôsobeného tepelným únavou pri opakovaných cykloch zahrievania/chladenia

Rýchle teplotné kolísania v rozsahu 80 °C – 260 °C vyvolávajú tepelné napätie prekračujúce 700 MPa na povrchu formy (Spoločnosť pre inžinierov plastov, 2024), čo spôsobuje šírenie mikroprasklín cez tri fázy:

• Povrchové oxidovanie spôsobené rozkladom polyméru
• Rôzna expanzia medzi jadrom a povrchovými vrstvami
• Konzentrácia napätia v ostrých rohoch
  Toto kumulatívne poškodenie sa prejavuje ako „praskliny typu craze“ po približne 100 000 cyklov pri spracovaní ABS v ocele P20. Formy s vyššou tepelnou vodivosťou – napríklad berýliovo-medene – znížia tepelné gradienty o 35 % a tým odložia začiatok vzniku prasklín.

Referenčné hodnoty výkonu podľa materiálu pre trvanlivosť foriem pre vstrekovanie

Nástrojové ocele (P20, H13, S7): Rozsah životnosti podľa objemu výroby a typu príslušného polyméru

Pri vysokorozsahových operáciách vstrekovania do foriem sú nástrojové ocele preferovanou voľbou, pretože odolávajú opotrebovaniu v priebehu času. Vezmime si napríklad oceľ H13 – dokáže vydržať približne pol milióna až jeden milión výrobných cyklov pri spracovaní náročných materiálov, ako je polyamid naplnený skleným vláknom. Avšak situácia sa mení pri trvalom vystavení teplu, keď výkon ocele H13 výrazne klesne po približne 250 000 cykloch. Pre menej náročné úlohy poskytuje oceľ P20 dobrý pomer ceny a výkonnosti a vydrží medzi 250 000 a 500 000 cyklov pri spracovaní mäkších plastov, ako je polypropylén. Keď je najdôležitejšia odolnosť voči nárazu, vyniká oceľ S7, ktorá sa udrží dobre aj po viac ako 300 000 cyklov, aj keď sa spracovávajú tieto tvrdšie technické pryskyričné materiály. Rozdiel v rýchlosti, akou tieto ocele vedú teplo, má tiež reálny vplyv v praxi. Oceľ H13 s tepelnou vodivosťou 24,6 W/m·K sa chladí pomalšie než oceľ P20, ktorá má lepšie tepelné vlastnosti s hodnotou 29,5 W/m·K. To ovplyvňuje, ako rýchlo sa môžu formy opätovne použiť v intenzívnych výrobných prostrediach, kde každá sekunda počíta.

Neklasické možnosti: hliník a berýliovo-medičná zliatina v aplikáciách vstrekovacích foriem s nízkym a stredným objemom výroby

Pri výrobe prototypov alebo pri výrobe s počtom cyklov pod 100 000 sa hliníkové formy skrácia doba čakania približne o 60 % a znížia náklady približne o 45 % v porovnaní s oceľovými alternatívami. Problém vyplýva z relatívne mäkkej povahy hliníka, ktorého tvrdosť podľa Vickersa sa pohybuje medzi 60 a 100 HV. To znamená, že pri spracovaní bežných plastov, ako je polyetylén, sa zvyčajne vydrží len 50 000 až 100 000 cyklov. Berýliovo-medník vyplňuje medzeru medzi týmito extrémami. Vedie teplo pri rýchlosti približne 105 wattov na meter kelvin, čo je trikrát lepšie ako u bežnej nástrojovej ocele, a v skutočnosti tak zrýchľuje procesy formovania pre veci ako elektronické puzdrá z ABS alebo polikarbonátu o 10 až 15 %. Pre výrobcov lekárskych prístrojov, ktorí vyrábajú stredné dávky, môže berýliovo-medník vydržať viac ako 150 000 cyklov pred tým, než bude potrebná jeho výmena. Avšak treba dávať pozor na chlorované pryskyřice, pretože postupne spôsobujú v materiáli napäťové trhliny.

Chemické a environmentálne faktory, ktoré zrýchľujú degradáciu vstrekovacích foriem

Korózia spôsobená halogénovanými pryskuričmi (napr. PVC, FR-PC) a jej zmiernenie pomocou nehrdzavejúcich alebo povlakových materiálov pre formy

Pri práci s halogénovými pryskuričmi zistíme, že sa počas spracovania majú tendenciu uvoľňovať korozívne látky. Z materiálov PVC sa uvoľňuje chlór, zatiaľ čo z požiarovzdorných polykarbonátov (FR-PC) sa uvoľňuje bróm. Tieto chemikálie urýchľujú elektrochemický proces rozkladu v bežných nástrojových oceliach, ktoré sa v priemysle bežne používajú. Čo sa potom deje? Začínajú sa objavovať jamkovité poškodenia a povrchová erozia, ktoré nakoniec ovplyvnia rozmernú presnosť po približne 50 000 výrobných cyklov. Na boj proti tomuto problému sa mnoho výrobných závodov obracia na nehrdzavejúce ocele, napríklad 420SS, vďaka chrómovému ochrannému oxidovému vrstve. Iným prístupom je nanášanie povlakov, ako je napríklad titánový nitrid alebo niklový PTFE, ktoré obidva znížia povrchovú reaktivitu približne o 85 %. Dôležitý je tiež vhodný návrh vetracích otvorov, pretože zabraňujú uväzneniu korozívnych plynov vo vnútri foriem. Situácia sa ešte viac zhoršuje pri spracovaní sklových plnivových zmesí, kde abrazia a korózia spoločne pôsobia deštruktívne. Priemyselní lídri však dosiahli pozoruhodné výsledky – niektorí uvádzajú trojnásobné predĺženie životnosti nástrojov pri prechode na povlakové ocele H13 pri veľkosériovej výrobe FR-PC s počtom výstrelkov presahujúcim 200 000.

Vyváženie trvanlivosti s praktickými obmedzeniami pri návrhu vstrekovacích foriem

Predĺženie životnosti vstrekovacích foriem znamená robiť niektoré ťažké rozhodnutia, ktoré sú v rozporu s tým, čo je výrobným procesom skutočne možné. Vezmime si napríklad oceľ H13. Je vynikajúca z hľadiska odolnosti voči opotrebovaniu pri sériovej výrobe, no priznajme si – nikto nechce zaplatiť viac ako 100 000 USD za zložitý formovací nástroj, ak sa má vyrobiť len niekoľko stoviek súčiastok. A tieto dlhé doby čakania? Osem až dvanásť týždňov je večnosť, keď sa snažíme čo najskôr dostať prototypy na trh. Dôležitý je aj tvar súčiastky. Ak obsahuje zložité prvky, ako sú podrezové plochy alebo drobné detaily, potrebujeme špeciálne ocele odolné voči korózii. Ich cena je o 30 % až 50 % vyššia v porovnaní so štandardnými ocelovými triedami. Konštruktéri musia tiež dávať pozor na príliš prísne technické požiadavky. Súčiastky s toleranciami nižšími ako ±0,05 mm spôsobujú rýchlejšie opotrebovanie foriem bez toho, aby priniesli akúkoľvek reálnu výhodu. Štúdie ukazujú, že také prísne požiadavky môžu zvýšiť náklady na nástroje až o 25 %, pričom však nepripínajú žiadny zvýšený výkon. Záver? Dosiahnuť dobrú hodnotu z trvanlivých foriem začína už v ranom štádiu spoluprácou konštruktorov a výrobcov. Musia navzájom zhodniť vhodné materiály s predpokladaným počtom vyrábaných súčiastok, druhom používaného polymérneho materiálu (pryskyrky) a presnými funkčnými požiadavkami na súčiastku. Toto umožňuje vytvoriť formovacie nástroje, ktoré vydržia každodenné zaťaženie bez toho, aby sa výrazne zvýšili náklady alebo sa neprimerane predĺžili termíny realizácie.