Návrh a implementácia tlakových senzorov vo vstrekovacej forme pri výrobe konektorov

Článok sa zaoberá návrhom a implementáciou tlakových senzorov vo vstrekovacej forme pri výrobe automobilových konektorov. Tlakové senzory slúžia na sledovanie priebehu tlaku a dotlaku počas vstrekovacieho procesu. Ich implementácia bola vykonaná vo vstrekovacej forme pri výrobe dverového zámku pre osobné automobily. Hlavným prínosom bola možnosť sledovať tlak v oboch dutinách súčasne a samotný priebeh vstrekovacieho procesu počas výrobného cyklu a tým odhaliť prípadné nedostreky. Implementáciou sa výrazne znížil počet nepodarkov dodávaných zákazníkovi.
Návrh a implementácia tlakových senzorov vo vstrekovacej forme pri výrobe konektorov

Požiadavky spotrebiteľov na špecifické vlastnosti plastov nútia výrobcov hľadať nové riešenia a technológie pri spracovaní plastov. Práve automobilový priemysel je jedným z najväčších odberateľov z dôvodu ekonomickej efektívnosti použitia plastov v tomto odvetí [1].

Zastriekavanie plastov (overmolding) je špeciálna metóda spracovania vstrekovaním plastov. Od klasického vstrekovania sa líši nástrojom, postupom výroby a technologickými parametrami výroby. Pri tejto metóde ide o nastrekovanie taveniny na iný druh materiálu. Môže to byť kov, textil či iný druh plastu, pričom dochádza k spojeniu týchto dvoch materiálov a vytvoreniu jedného celku. Spojením týchto materiálov dostávame hotový výrobok alebo polovýrobok na ďalšie spracovanie. Táto technológia sa používa vtedy, ak potrebujeme zlepšiť vzhľadové alebo funkčné vlastnosti výrobku. Možno tak dosiahnuť krajší vzhľad výrobku a tiež vyššiu odolnosť proti oteru a UV žiareniu. Ako príklad zlepšenia vzhľadových vlastností môžeme uviesť použitie textílie na paneloch dverí v automobiloch [2]. Príkladom dosiahnutia vyššej pevnosti je spojenie kovu a plastu, kde plast je nosná a tvarová časť a kov slúži ako pevnostná výstuha výrobku. Pri spojení kovu a plastu môže byť kov vopred ošetrený proti korózii alebo môže byť nalakovaný farbou [3].

Okrem vzhľadových či pevnostných vlastností výrobku možno technológiu zastriekavania plastov aplikovať aj pri výrobe elektrosúčiastok. Použitím tejto metódy možno zastriekavať kov v podobe pinov do plastu a získať tým funkciu kovu ako vodiča pri prenose elektrického napätia. Ako príklad môžeme uviesť konektor do automobilu [4]. Výhodou tejto metódy spracovania plastov je získanie vysokej pevnosti pri relatívne malej hmotnosti a možnosť kombinovať rôzne druhy materiálov naraz v jednom výrobku pri jednom vstrekovacom cykle. Použitím textílie možno získať vzhľadovo lepší výrobok bez potreby investície do mäkkých materiálov. Základnou podmienkou tejto metódy je to, aby sa materiály navzájom znášali, aby došlo k ich spojeniu. Ak by sa materiály nedokázali spojiť v jeden celok, nebolo by možné túto metódu využívať pri daných druhoch materiálov [5].

Charakteristika použitých materiálov a metód

Implementácia senzorov prebehla pri výrobe dverového zámku pre osobné automobily (obr. 1). Finálny konektor sa vyrába vo firme METALIS SLOVAKIA, s. r. o., v Prešove, ktorá je jedným z ôsmich závodov francúzskej skupiny METALIS GROUP. Ide o diel vyrobený metódou zastriekavania plastov, kde sú v tele dverového zámku zastreknuté kovové kontakty plniace funkciu vodičov pri ovládaní dvier automobilu.

Obal zámku je vyrobený z termoplastového materiálu PBT (polybutylentereftalát) s prímesou sklených vlákien (20 %). Vstrekovací stroj, na ktorom je upevnená vstrekovacia forma a kde bola implementácia tlakových senzorov vykonaná, pochádza od nemeckej firmy Arburg. Ide o model vstrekovacieho stroja Arburg Allrounder 630 S 2500-800 (obr. 2a). Tento vstrekovací stroj je plne hydraulický, upínaciu silu má 2 500 kN a vstrekovaciu jednotku podľa EUROMAP 800. Stroj má horizontálne uloženú uzatváraciu jednotku doplnenú manipulátorom (obr. 2b), ktorý ešte pred samotným vstreknutím plastu vloží do formy kovové kontakty. Nasleduje zastreknutie týchto dielov a vytvorenie hotového výrobku.

Ďalšou dôležitou časťou stroja je vstrekovacia jednotka, ktorá prepína zo vstrekovacieho tlaku na dotlak vzhľadom na prejdenú dráhu závitovky. Odoberá materiál priamo zo sušičky, pretože spracúvaný materiál je hydrofilný a pred samotným spracovaním ho treba sušiť. Stroj je vybavený vlastným riadiacim systémom a kontrolným panelom, na ktorom možno sledovať jednotlivé priebehy vstrekovacieho procesu. Z tohto panelu možno dostať informácie, ktoré sa ďalej spracúvajú a vyhodnocujú. Možno na ňom sledovať jednotlivé časy trvania procesov a veľkosť tlaku počas vstrekovania mimo dutiny vstrekovacej formy. Tlačidlami pod obrazovkou panelu možno prepínať na jednotlivé procesy stroja a priamo sledovať ich priebeh.

Snímače, ktoré boli použité pri implementácii do formy, sú od firmy RJC. Ide o model LS-127-500. Je to digitálny tlakový senzor. Pracuje v rozsahu teplôt od 121,1 °C, čo je štandardná prevádzková teplota, až do 218,3 °C, čo je maximálna prevádzková teplota. Celok je zložený so samotného senzora vodiča a zbernice, kde sú odosielané hodnoty a tie sú ďalej spracúvané. Je schopný snímať tlak až 2,2 kN. Ide o rozmerovo malý senzor, čo umožňuje jeho použitie aj na menej dostupných miestach vstrekovacej formy.

Výsledky a diskusia o dosiahnutých výsledkoch

Začiatok realizácie návrhu spočíval v demontáži vstrekovacej formy zo vstrekovacieho stroja. Demontované boli obe časti vstrekovacej formy. Vybraná hlavná vyhadzovacia doska bola posunutá na výrobu otvorov na senzory a zbernice. Výroba prebehla pomocou frézy a všetky rozmery boli dodržané podľa návrhu. Výsledkom výroby otvorov je hotová hlavná vyhadzovacia doska spolu s osadenými senzormi a ich zbernicami (obr. 3). Vodiče senzorov boli umiestené tak, aby nedošlo k ich prelomeniu či inému poškodeniu.

Nasledovala montáž hlavnej vyhadzovacej dosky do vstrekovacej formy spolu so senzormi. Výsledkom bolo opätovné osadenie vyhadzovacích dosiek do vstrekovacej formy a montáž formy do uzatváracej jednotky stroja. Aby bola implementácia senzorov úspešná, bola nutná montáž externého prídavného monitora so softvérom. Na tomto monitore možno sledovať tlak v dutine formy pri vstrekovaní nezávisle od riadiaceho systému stroja. Externý monitor bol umiestnený nad hlavný riadiaci panel vstrekovacieho stroja. Umožňuje prepínanie na jednotlivé priebehy, čím možno sledovať každú fázu jednotlivo. Tento monitor s vlastným softvérom bol prepojený s operačným a riadiacim systémom vstrekovacieho stroja, čím firma dostala možnosť riadiť vyhadzovanie nedostreknutých výrobkov prostredníctvom sledovania tlaku vo vstrekovacej forme. Na obr. 4 je znázornený panel s priebehom tlaku pri vstrekovaní.

Hlavným výsledkom implementácie tlakových senzorov do vstrekovacej formy bola možnosť sledovať tlak v oboch dutinách súčasne a samotný priebeh vstrekovacieho procesu počas výrobného cyklu. Z externého panelu možno exportovať priebeh vstrekovacích cyklov a ďalej ich podrobne vyhodnocovať (obr. 5).

Červená krivka grafu vyjadruje priebeh vstrekovacieho tlaku. Po dosiahnutí prejdenej vzdialenosti závitovky je vstrekovací tlak prepnutý na dotlak, ako na grafe vidno, pričom tlak výrazne klesne. Po prepnutí na dotlak sa tlak takmer stabilizoval a pomaly klesol až takmer na nulu. I keď tlak neklesol úplne na nulu, považuje sa za nulový. Modrá a zelená krivka predstavujú veľkosť tlaku v dutine jeden a dutine dva, keďže stroj na jeden vstrek plní dve dutiny naraz. Ako z grafu vyplýva, tlak v dutinách začal výrazne rásť v okamihu tesne po prepnutí na dotlak. V tomto stave stroj začne do už nastreknutej dutiny dodávať taveninu až do jej úplného naplnenia, pričom tlak v dutine stúpol na maximálnu hodnotu. Tento tlak začal po naplnení dutiny klesať a stabilizovať sa až do ukončenia vstrekovacieho cyklu. Je vidieť, že tlak v dutinách je takmer rovnako veľký, čo ukazuje na správne dostreknutie oboch kusov pri jednom cykle stroja. Fialová krivka znázorňuje množstvo vstreknutého materiálu do vstrekovacej formy. Na začiatku cyklu množstvo materiálu stúpalo, pričom po prepnutí na dotlak dosiahlo svoju maximálnu hodnotu a potom pomaly kleslo na nulu. Možnosťou analýzy priebehu spolu s veľkosťou tlaku vo vstrekovacích dutinách technológ dokáže podrobnejšie analyzovať priebeh pracovného cyklu stroja. Sledovaním tlaku v dutine vstrekovacej formy sa dospelo k zisteniu, že počas výroby dochádza k nedostrekom. Z tohto dôvodu bol zadaný signál riadiacemu systému stroja, ktorý prikáže vstrekovaciemu stroju vyhodiť nedostreknuté, teda chybné výrobky mimo zásobníka na správne kusy.

Výsledkom implementácie tlakových senzorov bola zároveň možnosť sledovať tlak v dutine v krajnej polohe výrobku, čiže na mieste dutiny vstrekovacej formy, kde je najväčšia pravdepodobnosť nedostreknutia výrobku. Na obr. 6 je znázornený hotový výrobok s označeným miestom, kde sa sledoval tlak. Implementáciou tlakových senzorov možno sledovať tlak vo forme a tým odhaliť prípadné nedostreky.

Záver

Návrhom a implementáciou tlakových senzorov vo vstrekovacej forme sa dosiahla možnosť sledovania tlaku vo vstrekovacej dutine a vyhodnocovania kvality výrobkov. Ďalším prínosom je prepojenie externého panelu s riadiacim systémom stroja a tým možnosť riadiť triedenie vyhadzovaných kusov. Týmto krokom firma chráni zákazníka pred tým, aby dostal nepodarok, pričom sa vyhýba komplikáciám s tým spojenými. Pri modernizácii firma plánuje implementovať do vstrekovacej formy ďalšie tlakové snímače, čím by bolo možné ovládať pracovný cyklus stroja a meniť prepínanie vstrekovacieho tlaku na dotlak vzhľadom na dráhu závitovky a na tlak v dutine vstrekovacej formy. Toto riešenie by malo následne zvýšiť kvalitu výroby už pri samotnom výrobnom cykle, pretože ovládaním dotlaku vzhľadom na tlak v dutine vstrekovacej formy by sa malo výrazne znížiť množstvo nepodarkov.

Poďakovanie

Článok vznikol s podporou projektu KEGA – 004TUKE-4/2017.

Literatúra

[1] DOBRÁNSKY, J. – PANDA, A. – MANDUĽÁK, D.: Quality monitoring in production of the parts in automotive industry. Lüdenscheid: RAM – Verlag, 2015. ISBN 978-3-942303-36-1.

[2] GREŠKOVIČ, F. a kol.: Spracovanie plastov pre automobilový priemysel. Košice: SjF TUKE 2015. ISBN 978-80-553-1946-9.

[3] JANČUŠOVÁ, M.: Formy na tvárnenie plastov. Žilina: EDIS 2010. ISBN 978-80-554-0191-1.

[4] BOBEK, J.: Vstřikovací formy pro zpracování termoplastu. Brno: Code Creator 2015. ISBN 978-80-88058-65-6.

[5] GOODSHIP, V.: Practical Guide to Injection Molding. 2nd Edition. Shrewsbury: RAPRA 2004. 276 s. ISBN 1-85957-444-0.

[6] Firemné dokumenty – METALIS SLOVAKIA, s. r. o.

doc. Ing. Jozef Dobránsky, PhD.
Technická univerzita v Košiciach
Fakulta výrobných technológií so sídlom v Prešove
Katedra automobilových a výrobných technológií
e-mail: jozef.dobransky@tuke.sk

Ing. Zigmund Doboš
Technická univerzita v Košiciach
Fakulta výrobných technológií so sídlom v Prešove
Katedra navrhovania a monitorovania technických systémov
e-mail: zigmund.dobos@tuke.sk