Wpływ konstrukcji na koszty w przetwórstwie tworzyw sztucznych

Wpływ konstrukcji na koszty w przetwórstwie tworzyw sztucznych odgrywa znaczną rolę. Istnieją jednak takie cechy materiałów, których właściwe zastosowanie może przyczynić się do redukcji wydatków. I choćby z tego powodu należy je znać i w razie konieczności wiedzieć w jaki sposób wykorzystać.

Konstruktor wyrobu z tworzywa sztucznego jest w dużej mierze odpowiedzialny za koszty, ponieważ od jego decyzji zależą koszty produkcji, budowy formy i montażu. Korygowanie lub optymalizowanie konstrukcji wyrobu wymaga na ogół dużych nakładów, a czasami jest w ogóle niemożliwe.

Stwierdzenie mówiące, iż konsekwentne wykorzystywanie określonych własności materiałowych tworzyw sztucznych pozwala na obniżkę kosztów, wydaje się być oczywiste. Niemniej jednak często problemem bywa określenie i poprawne wskazanie tych własności, których wykorzystanie umożliwi osiągnięcie pożądanych efektów. Dlatego warto je przypomnieć i wyszczególnić.

Te własności materiałowe to m.in.:

• wprowadzenie konstrukcji wielofunkcyjnych - mniejsza liczba wyrobów dzięki integracji funkcji spełnianych uprzednio przez kilka części;
• zastosowanie tanich technik montażu - połączenia zatrzaskowe, połączenia zgrzewane, połączenia nitowane, wtrysk dwukomponentowy;
• wykorzystanie zdolności do pracy na sucho - zbędność dodatkowego lub okresowego smarowania;
• wyeliminowanie konieczności obróbki powierzchniowej - barwienie granulatu, odporność na chemikalia i korozję, własności elektro- i termoizolacyjne;
• tworzenie zarodków krystalizacji - materiały należące do tej samej grupy tworzyw sztucznych mogą mieć podczas przetwórstwa różne czasy cyklu. Przyczyną tego jest dodatek środków tworzących zarodki krystalizacji, które powodują przyspieszenie krystalizacji stopu podczas fazy chłodzenia.

Na tym jednak nie koniec. Dalsze oszczędności można uzyskać dzięki przestrzeganiu kolejnych zaleceń odnoszących się do takich cech jak:

• grubości ścian - zoptymalizowanie rozkładu grubości ścian pozwala na obniżenie kosztów materiałowych i skrócenie czasu produkcji,
• formy - korzystne jest stosowanie form z jedną płaszczyzną podziału, zredukowanie liczby suwaków,
• tolerancje - przesadnie wysokie wymagania dotyczące tolerancji powodują wzrost liczby wyrobów wybrakowanych oraz nakładów na kontrolę jakości,
• tworzywa sztuczne - zastosowanie tworzyw szybko krzepnących umożliwia skrócenie czasu cyklu i czasu chłodzenia;
• zastosowanie polimerów o małej skłonności do paczenia się (np. optymalizacja udziału napełniaczy mineralnych/ włókna szklanego) zmniejsza problemy związane z paczeniem się wyrobów.

Wypadające z wtryskarki wyroby powinny się od razu, czyli bez obróbki dodatkowej, nadawać do montowania. W razie konieczności obróbki dodatkowej koszt wyrobów z tworzywa często dorównuje bowiem kosztom odpowiednich wyrobów metalowych.

Warto jednak wiedzieć, że to konstrukcja decyduje o kosztach produkcji. Dowolne zwiększanie grubości ścian nie zawsze powoduje wymagany wzrost wytrzymałości elementu konstrukcyjnego, natomiast niemal zawsze podwyższa koszty produkcji i koszty materiałowe.

Termoplasty częściowo krystaliczne charakteryzują się dużym skurczem objętościowym podczas krzepnięcia. Skurcz ten musi być uzupełniony przez stop doprowadzany podczas tzw. fazy docisku. Przybliżony czas docisku odniesiony do 1 mm grubości ściany wynosi dla poszczególnych tworzyw: POM - 8 sekund, PA66 niewzmocnionego - 4-5 sekund, PA66 wzmocnionego - 2-3 sekundy.

Schematyczna możliwość obniżenia kosztów w wyniku zastosowania konstrukcji żebrowej pokazana została poniżej.

Jeśli chodzi o przykłady zastosowań, to w przeciwieństwie do konstrukcji metalowych, których elementy wykonuje się metodą obróbki wiórowej, a następnie w trakcie wielu operacji montowania łączy w jeden wyrób, technika kształtowania wyrobów z tworzyw sztucznych pozwala na znaczne oszczędności.

I tak np. metodą wtryskiwania można jako gotowy wyrób wykonać drążek napędowy wraz ze sprężyną, hakiem zatrzaskowym i łożyskiem. Konstrukcja metalowa wymaga nie tylko wykonania pięciu pojedynczych elementów, które trzeba później zmontować, lecz także smarowania drążka w części oporowej. Jeżeli wyrób ten wykona się z homopolimeru POM, to smarowanie jest zbędne.

Ograniczenie liczby operacji przy montażu oraz oszczędność kosztów można uzyskać wykonując haki zatrzaskowe z zawiasami błonowymi, gdyż pozwala to na ograniczenie liczby pojedynczych elementów wymagających montowania. Przy stosowaniu kruchych materiałów kolejny hak zatrzaskowy przejmuje funkcję blokowania po pęknięciu zawiasu błonowego.

Konstruktor projektuje również rozwiązanie gniazda formującego. Określa sposób usuwania wyrobu z formy i liczbę niezbędnych suwaków. Rozmieszczając odpowiednio podcięcia można suwaki boczne zastąpić odpowiednio ukształtowanym stemplem.

Pokazane poniżej rysunki to w kolejności:

• Przykłady integracji funkcji - drążek napędowy z POM
• Przykład uproszczenia montażu - klipsy do kabli z zawiasami błonowymi
• Konstrukcja formy z punktu widzenia kosztów