Formy wtryskowe: regeneracja, naprawa czy uszlachetnianie?

Najprawdopodobniej każdy z nas jest w posiadaniu tzw. patelni z teflonu. Dlaczego teflon zrobił tak oszałamiającą karierę? Bo do takiej patelni po prostu nic nie przywiera. Wyjaśnienie tego zjawiska tkwi w budowie cząsteczki PTFE – długie łańcuchy atomów węgla związane są z atomami fluoru, których wiązanie jest tak mocne, że nie pozwala już na wiązanie się z innymi atomami.

Dzisiaj inżynierią powierzchni zajmują się doskonali, wyspecjalizowani naukowcy, a nauka o powłokach ma związek praktycznie z każdą gałęzią przemysłu. Nie omija również branży „tworzywowców”, gdyż z jednej strony pokrywamy powłokami/tworzywami narzędzia do przetwórstwa, a z drugiej – same tworzywa sztuczne. W przypadku formowania wtryskowego powłoki odgrywają szczególną rolę w odniesieniu do niezwykle istotnego elementu, jakim jest forma wtryskowa.

Forma jest złożonym narzędziem, które musi równocześnie podołać wielu różnym wymaganiom występującym w procesie wtryskiwania tworzyw. Jej podstawową funkcją jest umożliwienie wypełnienia płynnym tworzywem gniazd formujących i uformowanie wyrobu, który odzwierciedla kształt gniazd formujących. Forma wtryskowa musi również efektywnie i równomiernie odprowadzać ciepło od gorącego płynnego tworzywa oraz umożliwiać usuwanie wyprasek w szybki i powtarzalny sposób.

Formy, wykonane ze stali, stały się integralną i nieodzowną częścią przemysłu tworzyw sztucznych. Ich wykorzystanie usprawnia i przyspiesza prace na linii produkcyjnej, gwarantując niezawodny efekt. Z drugiej strony oznacza to, że formy wtryskowe poddawane są intensywnemu użytkowaniu, narażającemu je na znaczne obciążenie. Eksploatacja urządzeń doprowadza, wcześniej czy później, do wyraźnego ich zużycia oraz uszkodzeń. Bardzo często pierwsze defekty są trudne do zauważenia, a o ich obecności często świadczy pogarszająca się jakość wyprasek.

Naprawa form krok po kroku

Jak każdy wyrób, tak i forma wtryskowa podczas użytkowania od czasu do czasu wymaga regeneracji bądź też odpowiednich napraw. Formy wtryskowe ulegają uszkodzeniom mechanicznym oraz zużyciu na skutek nie tylko nadmiernej, ale nawet zrównoważonej eksploatacji. Naprawa form wtryskowych obejmuje usuwanie różnych usterek, które w efekcie utrudniają lub całkowicie uniemożliwiają korzystanie z urządzenia. Najczęstsze uszkodzenia to drobne zarysowania, znaczące ubytki i wykruszenia mostków oraz żeber. Dochodzi do nich w wyniku awarii mechanicznych, np. zablokowania się mechanizmu czy kolizji elementów, ale także naturalnych procesów związanych ze zużyciem materiału np. przez następujące z czasem ścieranie się powierzchni, powodujące że detale gotowego wyrobu stają się znacznie mniej dokładne i nie zachowują wymagań co do rozmiarów i jakości. Istnieją dwa wyjścia z tej sytuacji: regeneracja formy wtryskowej albo kosztowna wymiana uszkodzonego elementu.

Na czym polega proces regeneracji?

Proces naprawy form wtryskowych polega na ocenie stopnia zużycia formy wtryskowej, ustaleniu zakresu regeneracji, wytypowaniu usterek i ubytków w formie, a następnie uruchomieniu prac regeneracyjnych. W wielu przypadkach forma zostaje przekazana do działu analiz i badań, w którym przeprowadza się za pomocą różnego rodzaju maszyn i innych urządzeń ocenę elementów lub fragmentów, które uległy uszkodzeniu. Należy pamiętać, że czasami wad form nie widać gołym okiem i konieczna może być obserwacja mikroskopowa. Po ocenie, że dana forma nadaje się do naprawy, trafia ona do narzędziowni. Następnie narzędzie jest przekazywane do działu produkcji w celu sprawdzenia, czy wszystkie naprawy jakie zostały wykonane dały pozytywny rezultat. Na końcu przeprowadzane są testy, które pozwalają ostatecznie stwierdzić, czy forma nadaje się do tego, aby stosować ją podczas produkcji. Skuteczna regeneracja form wtryskowych wymaga dużego doświadczenia oraz dysponowania odpowiednim sprzętem gwarantującym zarówno wysoką jakość napawania, jak i późniejszej obróbki mechanicznej. Ważne, by w czasie naprawy nie dochodziło do powstawania porów, przepaleń czy innych zmian struktury metalu, które mogą przełożyć się na jego trwałość. Równie istotna jest precyzja obróbki skrawaniem oraz wykańczanie powierzchni.

Napawanie 

Jednym ze sposobów regeneracji formy wtryskowej jest uzupełnienie ewentualnych ubytków materiału, z jakiego jest wykonana i przywrócenie całemu elementowi właściwej geometrii. Do naprawy najczęściej wykorzystywane są różne technologie napawania, od tradycyjnego spawania TIG po napawanie laserowe. Proces ten polega na rozgrzaniu materiału w miejscu bezpośrednio przylegającym do uszkodzenia, a następnie wprowadzeniu dodatkowego upłynnionego metalu o składzie zgodnym ze stopem, z którego wytworzono dany element. W czasie napawania podobnie jak przy spawaniu dochodzi do połączenia się metalu z podawanego drutu spawalniczego z tym, z którego zrobiono napawaną część oraz wytworzenia jednorodnej i trwałej struktury o odpowiedniej wytrzymałości, twardości powierzchniowej czy odporności termicznej. W tym procesie naprawy często mamy do czynienia z tworzeniem się naddatku materiału, przez co dana część musi zostać odpowiednio obrobiona mechanicznie. W zależności od sytuacji może to wymagać dokonania pomiarów całego elementu i stworzenia jego wersji cyfrowej, albo wykorzystania istniejącego już projektu. W ramach obróbki nowo powstała powierzchnia jest zwykle frezowana lub jedynie szlifowana i wygładzana – w zależności od skali uszkodzenia i zakresu naprawy. W formach wtryskowych mamy do czynienia z wysokostopowymi stalami narzędziowymi, różniącymi się procentową zawartością C, Mn, Cr, Mo, W, V, w zależności od ich własności i przeznaczenia. W zasadzie stal jest łatwo spawalna, o ile przestrzegane są pewne reguły podgrzewania i normalizacji przed i po spawaniu. Sprawa staje się bardziej złożona, jeśli przy naprawie formy bierzemy pod uwagę możliwie znikomy wpływ termiczny podczas napawania. Dodatkowo bardzo duży wpływ na spawalność stali wywiera skład chemiczny stali narzędziowych.

Polerowanie

Powłoki

Wykorzystując wyjątkowe własności polimerów, tj. PTFE, FEP, PFA, ETFE, PPS, PEEK, można zwiększyć właściwości użytkowe oraz funkcjonalność powlekanych części maszyn, urządzeń czy wyrobów końcowych, w tym form wtryskowych. Polimery fluorowe są produkowane od dawna i mają duże znaczenie przemysłowe. Charakteryzują się wysoką odpornością termiczną i chemiczną, niezwykle małym współczynnikiem tarcia i bardzo korzystnymi własnościami dielektrycznymi.

Rodzaje powłok:

• PTFE (politetrafluoroetylen: termoutwardzalny): doskonałe właściwości antyadhezyjne (non-stick), temperatura robocza do 260°C, ekstremalnie niski współczynnik tarcia, dobra odporność abrazyjna
• PFA (polimer perfluoroalkoksylowy: termoplastyczny): bardzo dobre właściwości antyadhezyjne, temperatura robocza do 260°C, można uzyskać grubość powłoki do 300 µm, doskonała odporność chemiczna
• FEP (kopolimer tetrafluoroetylen/fluoropropylen: termoplastyczny): doskonałe właściwości antyadhezyjne, niski współczynnik tarcia, temperatura robocza do 205°C
• ETFE (kopolimer etylenu i tetrafluoretylenu: termoplastyczny): doskonała odporność chemiczna, temperatura robocza do 150°C, najwytrzymalszy ze wszystkich fluoropolimerów, bardzo odporna powłoka, grubość do 500 µm
• PEEK (polieteroeteroketon: termoplastyczny): wyjątkowe właściwości mechaniczne, wysoka odporność chemiczna, temperatura robocza do 260°C, wyjątkowa odporność radiacyjna
• PPS (polifenylenosulfid: termoplastyczny): temperatura robocza do 250°C, wysoka odporność chemiczna, dobre własności mechaniczne

Wykonanie takiej powłoki pozwoli połączyć korzystne właściwości rdzenia z odpornością na zużycie, twardością i żaroodpornością powłoki oraz rozdzielić funkcję przenoszenia obciążeń od zabezpieczenia przed wpływem środowiska pracy elementu. Odpowiedni dobór powłoki do konkretnych warunków i zastosowania gwarantuje zwiększenie odporności na ścieranie, zmniejszenie przywierania tworzywa oraz ilości stosowanych środków antyadhezyjnych.

Koszty napraw

Jak to zwykle bywa w kwestii cen, trudno jest ustalić dokładny, jednoznaczny cennik regeneracji formy wtryskowej ze względu na fakt, iż formy wtryskowe różnią się między sobą wielkością, złożonością i przede wszystkim stopniem zniszczenia, który jest odmienny dla różnych czasów i warunków eksploatacji. Stopień zniszczenia form wtryskowych różni też rodzaj i jakość materiałów, z jakich zostały one wykonane. Im wyższa jakość materiałów i im mniejsze zniszczenia, tym koszt regeneracji będzie niższy.

Uszlachetnianie i ochrona zamiast napraw?

W ostatnim czasie metody uszlachetniania powierzchni stały się jednym z najprężniej rozwijających się tematów i obszarów badawczych. Postęp w tej dziedzinie jest spowodowany dążeniem do zwiększenia trwałości eksploatacyjnej form wtryskowych.

Uszlachetniania form wtryskowych można dokonać np. poprzez plazmową technologię dyfuzyjną, która podnosi twardość powierzchni formy, zapobiegając tym samym powstawaniu narostów i uszkodzeń oraz dodatkowo wzmacniając odporność krawędzi na wykruszenia. Poprawia właściwości antykorozyjne materiału bazowego i polerowalność. Powierzchnia formy po obróbce cechuje się wyższą jakością, a porowatość materiału narzędzia jest znacząco mniejsza, dzięki czemu uzyskuje się poprawę pracy takiej formy. Ta metoda uszlachetniania zapewnia również większy połysk na powierzchni. Możliwe są naprawy i korekty formy bez konieczności ponownego powlekania.

Formowanie wtryskowe to ciągle unowocześniana technologia, która jest obecnie jedną z najpopularniejszych metod wytwarzania produktów z tworzyw sztucznych. Daje naprawdę ogromne pole do popisu i oferuje spore możliwości. Za pomocą tej technologii można wykonać wiele zróżnicowanych produktów według indywidualnych projektów.

Tworzywa polimerowe znalazły szerokie zastosowanie w technice nie tylko jako surowce służące do wyrobu określonych elementów konstrukcyjnych, ale również jako materiał powłokowy. Powłoki z tworzyw sztucznych stanowią bardzo skuteczne i dobre zabezpieczenie antykorozyjne, mają dobre własności izolacyjne i ślizgowe, a także w wielu przypadkach dekoracyjne.

Opracowanie technologii regeneracji i ochrony form wtryskowych pozwoliło rozwiązać cały szereg problemów technicznych i uzyskać znaczne oszczędności materiałowe i finansowe. Musimy pamiętać, że nawet niewielkie wady formy wtryskowej przekładają się na wygląd i, co najważniejsze, na właściwości fizyczne wypraski (kształtki). Formy wtryskowe ulegają naturalnemu zużyciu, a czasami po prostu przedwczesnym uszkodzeniom. Dzieje się tak niezależnie od rodzaju wtryskiwanego tworzywa, a także bez względu na jakość wtryskarek i fachowość ich obsługi. Wiadomym jest, że koszt regeneracji elementu jest znacznie mniejszy od kosztu jego wytworzenia. Regeneracja, oprócz przywrócenia właściwości użytkowych, może jednocześnie zwiększyć trwałość nawet kilkakrotnie.