Vstřikování směsí termoplastických polymerů s kovovými nebo keramickými prášky

8.8.5 Vstřikování směsí termoplastických polymerů s kovovými nebo keramickými prášky

Ing. Miloš Sova, CSc.

Tato technologie se označuje zkratkou PIM odvozenou z anglického názvu Powder Injection Moulding. Její význam se stále zvětšuje. Používá se pro výrobu tvarově složitých dílů z kovových nebo keramických prášků, které nacházejí uplatnění v různých odvětvích průmyslu. Jde zejména o automobilový průmysl (příkladem jsou ložiska, ventily, šoupátka a hřídele vahadla ventilu), výrobu nástrojů (nástroje pro vrtání a frézování kovů), textilní strojírenství (díly pro textilní stroje), hodinářský průmysl (pouzdra hodinek) a odvětví jemné mechaniky (ozubená kolečka), výrobu lékařských přístrojů nebo permanentních magnetů. Samostatnou kapitolu představují výrobky keramického průmyslu, tj. předmětů z keramiky a porcelánu (keramická vodovodní těsnění). Metoda PIM s úspěchem nahrazuje klasickou technologii spékání práškových kovů, nazývanou někdy “prášková metalurgie“. Uplatňuje se predevším tam, kde pro složitost tvaru součásti nelze klasický způsob použít. Výroba se stává zajímavou a ekonomicky výhodnou také tehdy, kdy není možné vyrobit danou součást obráběním nebo lisováním kovů. Metoda PIM naproti tomu dovoluje téměř neomezenou svobodu při navrhování tvarů. Velkosériová výroba součástí je možná díky minimálním požadavkům na ruční práci a automatizaci procesu.

Metoda PIM se podobá standardnímu způsobu vstřikování termoplastů. Princip spočívá v tom, že tavitelná hmota na bázi termoplastu s vysokým obsahem práškového plniva se vstřikuje do kovové formy. Termoplastické pojivo pouze umožňuje vstřikování. V další fázi je nežádoucí a musí být z předlisku, označovaného jako “zelené těleso“, odstraněno. Získá se tak “hnědé těleso“, což je předlisek zbavený pojiva a teoreticky je tvořen jen samotným práškovým plnivem. Toto těleso se spékáním čili sintrováním při vysoké teplotě změní ve finální výrobek, tvořený jen kovem či nekovem nebo keramikou.

Ve fázi vstřikování se směs taví ve vstřikovací jednotce stroje, je hnětena šnekem a pod vysokým tlakem vstřikována do dutiny formy upevněné v uzavírací jednotce stroje. Když hmota ve formě dostatečně ztuhne, uzavírací jednotka formu otevře a součást je vyhozena z formy případně odebrána manipulátorem. Forma je obvykle dvoudílná a skládá se z jedné pevné a jedné pohyblivé desky. S využitím přídavných prvků je proces zcela automatizován.

Celý výrobní proces tvoří následující operace:

1. příprava práškového materiálu a volba pojiva,

2. mísení prášku s pojivem,

3. granulace směsi a získání granulátu schopného vstřikování,

4. vstřikování směsi a výroba “zeleného tělesa“ (anglicky: Green Body, Green Compact, německy: Grünling),

5. odstranění pojiva ze zeleného tělesa a získání “hnědého tělesa“ (anglicky: Brown Body, Brown Compact, německy: Braunling),

6. spékání neboli sintrování hnědého tělesa a získání finálního dílce.

V podstatě všechny materiály, ať již na bázi kovů či nekovů, které jsou k dispozici v podobě prášku, mohou být smíseny s vhodným termoplastickým pojivem a následně zpracovány injekčním vstřikováním. Teprve smísením práškového materiálu s pojivem se tedy směs stává vhodnou pro vstřikování. Kromě materiálů na bázi oxidů, jako jsou oxid hlinitý (Al₂O₃) nebo oxid zirkoničitý (ZrO₂), nebo na bázi kovů (nerezavějící ocel či měď) se dnes používají vysoce kvalitní prášky superslitin a keramiky. Dalšími příklady jsou karbid křemíku (SiC), karbid wolframu s kobaltem (WC-Co), nitridy kovů, samotný křemík a jiné.

O vhodnosti prášku jako materiálu pro vstřikování rozhoduje mimo jiné tvar a velikost jeho částic. Čím více se blíží kouli, tím je materiál pro vstřikování vhodnější. Aby bylo možno dosáhnout vysokého stupně plnění směsi, je třeba zajistit vyrovnanou a dostatečně širokou distribuci velikosti částic. Obecně malé částice vedou k lepší kvalitě povrchu a vyšší pevnosti “zeleného tělesa“. Tvar částic hraje důležitou úlohu také při smršťování zeleného tělesa během odstraňování pojiva. Nejlepší je kulový, protože smrštění je izotropní, to znamená, že nezávisí na směru toku hmoty ve formě a vykazuje jen malou hodnotu. Jsou-li částice nepravidelných tvarů, je smrštění sice také izotropní, ale je větší. Plochý tvar částic je příčinou anizotropního smršťování.

Nepříznivou vlastností těchto směsných systémů je, že způsobují značný otěr jak mísicího zařízení tak plastikační jednotky vstřikovacího stroje i samotné formy. Z tohoto hlediska se doporučuje používat prášky s velikostí zrn co nejmenší. Ovšem rozmezí velikosti zrna, které zaručuje optimální podmínky zpracování a současně i požadované vlastnosti finálních výrobků, je poměrně úzké. Jemnější zrno zlepšuje zpracovatelnost směsi a kvalitu povrchu součásti, zmenšuje otěr zařízení a zvyšuje pevnost zeleného tělesa. Optimální velikost zrna závisí na druhu plniva. Např. u kovových prášků se doporučuje velikost zrna menší než 30 mm, u oxidů, např. Al₂O₃, menší než 15 mm a u karbidů menší než 1,5 mm. Naproti tomu částice silikátů (tj. budoucího porcelánu) mohou mít velikost až 45 mm

.

V obecné rovině má pojivo splňovat následující požadavky: má zaručovat dobrou skladovatelnost směsi, dobrou zpracovatelnost vstřikováním, během vstřikování musí být termicky stabilní, musí umožňovat snadné vyjímání výstřiku z formy (výstřik se nesmí na formu lepit), má být zárukou dostatečné pevnosti a dobré tvarové stálosti zeleného tělesa během odstraňování pojiva, nesmí vstupovat do reakce s práškem, ale na druhé straně se musí dát ze směsi snadno odstranit, např. se úplně tepelně rozložit. Důležitou roli hraje také velikost vazebných sil mezi pojivem a částicemi plniva. Síly by měly být co největší, aby během vstřikování taveniny do dutiny formy v důsledku setrvačných sil nedocházelo k oddělování obou složek, a tím k nehomogenitě složení hmoty v různých místech výstřiku. To by mělo za následek nerovnoměrné smrštění a tvarovou nestabilitu součásti. Jako pojivo jsou doporučovány polyakryláty, polyolefiny, polyoly nebo polyoximethylén, případně některé silikony a vosky.

Jednou z nejdůležitějších vlastností pojiva je jeho dobrá odstranitelnost ze směsi. Pojivo totiž musí být ve fázi, kdy se ze “zeleného“ tělesa stává “hnědé těleso“, zcela odstraněno, aniž by došlo ke změně tvaru součásti.

Obsah pojiva má být co nejmenší, protože se tak snižuje smrštění během spékání a zvětšuje se rozměrová přesnost vyráběného dílce, to znamená, že se zmenšuje tolerance rozměrů. Množství pojiva se obvykle pohybuje mezi 35 % až 50 % objemovými. Jestliže je pojiva ve směsi příliš málo, zhoršuje se její zpracovatelnost a prudce se zvětšuje otěr v mísicí i vstřikovací jednotce.

V technické praxi se zastoupení jednotlivých složek často udává v hmotnostních procentech nebo jako hmotnostní zlomek. (Po vynásobení zlomků stem se získá příslušný údaj v procentech, např. m₁ = 0,2 odpovídá 20 %.) Označíme-li pojivo jako složku č. 1 a práškové plnivo jako č. 2, je hmotnostní zlomek složky 1 roven:

Přitom značí:

– hmotnostní zlomek složky 1,

m₂ – hmotnostní zlomek složky 2,

M₁ – hmotnost složky 1 ve směsi, [kg], případně [g],

M₂ – hmotnost složky 2 ve směsi, [kg], případně [g],

V₁ – objem složky 1 ve směsi, [m³], případně [cm³],

V₂ – objem složky 2 ve směsi, [m³], případně [cm³],

r₁ – měrná hmotnost složky 1, [kg.m^-3] nebo [g.cm^-3],

r₂ – měrná hmotnost složky 2, [kg.m^-3] nebo [g.cm^-3],

v₁ – objemový zlomek složky 1,

v₂ – objemový zlomek složky 2.

Obdobně pro složku 2 platí:

Mezi objemovým a hmotnostním zastoupením jednotlivých složek je číselně velký rozdíl, protože závisí na měrných hmotnostech pojiva a plniva. Měrná hmotnost pojiva je menší než plniva, a proto je hmotnostní zlomek pojiva menší a hmotnostní zlomek plniva větší, než je číselná hodnota objemových zlomků. To je zřejmé z následující tabulky, kde je uveden hmotnostní zlomek pojiva m₁ a plniva m₂ spočítaný pro 50 % objemových pojiva. Měrná hmotnost pojiva, tj. polymeru, byla předpokládána pro jednoduchost r₁ = 1 [g.cm^-3].

Tabulka: Hmotnostní zlomek pojiva m₁ a plniva m₂ při konstantním obsahu pojiva 50 % objemových:

Cílem mísení je příprava homogenní směsi z prášku a pojiva. Aby bylo zaručeno, že práškové částice budou úplně obaleny pojivem, je nutno zabránit jejich aglomeraci. Vznikající aglomerát musí být včas rozrušen dostatečně vysokými smykovými silami.

Existují různé postupy, jak dosáhnout homogenní směsi, např. použitím vytápěného hnětiče, dvoušnekového vytlačovacího stroje nebo smykového válcového extruderu, který je zvlášť vhodný. Dále může jít o rychlomísič nebo sigma-hnětič. Hnětení a příprava směsí se provádí šaržovitým způsobem. Menší množství odpovídající objemu asi od 2,5 do 8 litrů se připravuje v hnětiči, pro větší množství, asi od 15 litrů výše, je vhodnější smykový válcový extruder. Připravená směs se potom kontinuálně granuluje. Získaný granulát má být rovnoměrný, protože to má příznivý vliv na proces vstřikování, konkrétně na dávkování, tj. na dobu plastikace nové dávky, stejně jako na dobu vstřikování taveniny do formy.

Proces vstřikování dílů metodou PIM je srovnatelný se standardním vstřikováním termoplastů. Směs se taví ve vstřikovací jednotce, otáčejícím se šnekem je hnětena, načež je vstříknuta velkou rychlostí do dutiny formy upevněné v uzavírací jednotce stroje. Po ztuhnutí hmoty se forma otevře a hotový díl je z formy vyhozen nebo je vyjmut manipulátorem. Samotný vstřikovací proces bývá zcela automatizován. Protože výměnu formy i materiálu je možné provést při ruční obsluze ve velmi krátké době, např. během 20 minut, je možné zajistit výrobu přesně v požadovaném termínu (“just-in-time“) a pracovat bez skladování vyráběných dílů.

Šnekový vstřikovací stroj se normálně skládá ze vstřikovací jednotky, uzavírací jednotky a řídicí jednotky. Dvoudílná forma je pevně a spolehlivě uchycena na uzavírací jednotce. Ta má část pevnou a pohyblivou. Když je forma zavřena, je možno do ní vstřikovat roztavený materiál, je-li otevřena, je vyrobený díl z formy vyjímán. Vstřikovací jednotka sestává z tavicí komory se šnekem, který odebírá a dopravuje granulovaný materiál a stlačuje jej, aby neobsahoval vzduchové bubliny, a posléze jej vstřikuje tryskou do formy, a dále topného systému, který vyhřívá komoru na požadovanou teplotu. Řídicí systém koordinuje všechny pohyby na stroji a rovněž sled i průběh jednotlivých operací. Stroje jsou řízeny počítačem s výstupem na monitor. Všechny nastavené parametry mohou být zálohovány, což zajišťuje vysokou reprodukovatelnost jednotlivých výrobních cyklů a minimální rozptyl vlastností výstřiků. Již během výrobního procesu je možné oddělit dobré díly od špatných.

Práškové směsi lze vstřikovat na upravených vstřikovacích strojích. Mnohotvárnost výrobků vyrobitelných na jednom základním stroji je charakteristickou vlastností např. strojů Allrounder firmy ARBURG. Ty jsou vybaveny jednak přestavitelnou vstřikovací jednotkou jednak na základě požadavku zpracovatele také otočnou uzavírací jednotkou. Díky tomu mohou být stroje rychle přizpůsobeny požadavkům výroby vycházející z charakteru výrobku. Tyto stroje pak umožňují výrobu dílců až v sedmi různých sestavách. Kromě konvenčního horizontálního uspořádání je tak možno nastavit vstřikovací jednotku vertikálně, což napomáhá využívat výhody lineárního plnění dutiny formy, to znamená vstřikovat taveninu ve směru podélné osy výstřiku. Lze tak vyrábět vysoce kvalitní díly s nízkým zbytkovým pnutím a rovnoměrným smrštěním. Vzhledové vlastnosti dílu, jako jsou stopy po ústí vtoku, mohou být vylepšeny vhodným umístěním ústí vtoku na výstřiku.

Firma Arburg nabízí stroje pro vstřikování dílců od objemu 0,1 cm³ až do cca 500 cm³, přičemž zaručuje jejich konstantní kvalitu v hromadné výrobě. Doporučuje se ovšem stroj vybavit dalším periferním zařízením a přídavným modulem. K periferním zařízením patří např. Arburg Quality Assurance System (AQS), který řídí výrobu tak, aby se dosahovalo co nejvyšší kvality, nebo Arburg Sorter Unit, což je jednotka pro separaci dobrých výstřiků od vtokových zbytků, nebo zařízení k vyjímání zeleného tělesa z formy a jeho přenesení na přepravní podložku. Také je dodáváno zařízení na rychlou výměnu formy (Rapidomat). Řízení vstřikovacího procesu i řízení kvality počítačem se u těchto technologií staly již standardem.

Ani forma se svou konstrukcí zásadně neliší od standardního provedení. Formy mohou obsahovat různá tvarová jádra ovládaná pomocí tahačů, vytáčecí elementy s převodovým systémem, tlakový snímač v dutině formy atd. S ohledem na abrazivní účinky vstřikovaných hmot musí být věnována pozornost zvýšení odolnosti materiálu formy proti otěru, např. pomocí speciálních metod kalení nebo povrchových úprav a používáním slitinových ocelí.

Vstřikování polymerů s kovovými nebo keramickými prášky dovoluje poměrně jednoduchým a bezpečným způsobem vyrábět i tvarově složité součásti. Díky speciálně vybaveným vstřikovacím strojům je možno i ve velkosériové výrobě zaručit vyrovnanou kvalitu dílců. Zpravidla se tato metoda použije tehdy, když díly, např. součásti s vnitřními závity nebo s obtížně vyrobitelným osazením a mimořádně hlubokými drážkami nebo s vysokými požadavky na kvalitu povrchu, nemohou být ekonomicky vyráběny jinou technologií. Naproti tomu metoda PIM nabízí nejen velkou různorodost dosažitelných tvarů, ale i přijatelně krátké výrobní časy bez nároků na přídavné dokončovací operace. Díly vyráběné metodou PIM mohou být svým tvarem i složením směsi maximálně přizpůsobeny účelu svého použití. Nezanedbatelnou výhodou také je, že pokud se používají horké vtoky, prakticky nevzniká žádný technologický odpad, což se projeví v úspoře zpracovávaného materiálu. Podobně jako u jiných metod vstřikování dosahuje se i u PIM vysokého stupně automatizace.

Důležitou fází výroby je odstranění pojiva ze zeleného tělesa. Pece, ve kterých se pojivo odstraňuje, musejí být vždy přizpůsobeny konkrétnímu…