CZ420898A3 - Způsob výroby hybridních konstrukčních dílů - Google Patents

Description

Vynález se týká způsobu výroby hybridních konstrukčních dílů, které jsou tvořeny kompaktním základním tělesem a alespoň jednou k němu připojenou plastovou částí. Takové konstrukční díly jsou použitelné především jako díly vozidel, nosné elementy strojů, konstrukční prvky pro dekorační účely a stavebnictví, případně i pro další obory, kde jsou výhodné vlastnosti dané výše uvedenou materiálovou kombinací - jako např. příznivý poměr tuhosti a hmotnosti, komplexnost dílů, ekonomičnost výroby, vysoká odolnost proti agresivnímu prostředí atd.

Dosavadní stav techniky

Obecným důvodem výroby konstrukčních dílů na bázi kombinací plastů a jiných materiálů je skutečnost, že čistě plastové díly vykazují při daných rozměrech průřezů nižší hodnoty pevnosti a především nižší tuhost než srovnatelné konstrukční díly z kovu. Na druhé straně kovové díly jsou těžké, mají omezenou možnost trojrozměrného řešení, přenáší snáze hluk a snadno korodují. Možnosti výroby dílců z kovu jsou omezené z tvarového hlediska a zejména u velkých dílů jsou náklady na výrobní nástroje velmi vysoké.

Kombinací kovu a plastu je tedy možno vyrobit lehčí, tvarově bohatší, snadněji vyrobitelné a oproti čistému kovu i vlastnostmi plastu obohacené díly. Konkrétní výrobky na bázi kombinace plastů a jiných materiálů, zejména kovů i jejich způsoby výroby lisováním nebo vstřikováním jsou obecně dobře známy. Jsou popsány v řadě publikací i patentů, zaměřených zejména na určité konkrétní díly, či způsoby výroby řešící např. fixaci zálisků ve vstřikovací formě, spojování několika dílů výztuže, propojování plechů a další technické detaily. Příkladem řešení fixace více dílů ve formě je německá patentová přihláška 36 11 224.

» Q «

909

V poslední době se objevilo několik nových patentů, kde pomocí původního konstrukčního řešení bylo dosaženo nových, zajímavých možností této klasické materiálové kombinace. Z našeho pohledu jsou ilustrativní především patenty řešící lehké konstrukční díly, kdy kovový základový díl je vyztužen zpevňovacími žebry, která jsou pevně spojena se základním tělesem nástřikem hmoty ve formě nebo patenty sledující spojování dílů výztuže pomocí plastových spojek vznikajících přímo ve formě v momentě nástřiku hmoty. Příkladem těchto řešení jsou patent SRN 38 39 855 a přihláška Evropského patentu 721 831.

Společné pro tyto patenty je používání základních plastikářských technologií, zejména vstřikování, dále pak také lisování, vytlačování a odlévání. Mimo to jsou známy i způsoby výroby, kdy je u materiálové kombinace kov-plast používáno „zapěnování“ výztuže nejčastěji do pěnových polyuretanů.

Pro konstrukční díly ve smyslu předloženého vynálezu je dosud používána výhradně technologie vstřikování tavenin polymerů do forem (dále jen vstřikování).

Nevýhody technologie vstřikování z pohledu výroby takových konstrukčních dílů vyplývají přímo ze samotné podstaty této technologie, kterou lze vyjádřit následovně:

vstřikování je proces kdy tavenina plastu o viskozitě v řádu cca 10⁵až 10⁹mPas a teplotě cca 100-300 °C je nastřikována do relativně chladné formy o teplotě 20-120 °C velkým tlakem řádu 10-10 bar. V průběhu toku taveniny ve formě dochází k ochlazování taveniny a tím k následnému růstu viskozity nastřikované hmoty.

Při výrobě velkých dílů je zatečení taveniny před ztuhnutím do celého objemu formy dosahováno velmi vysokými tlaky a komplikovaným vtokovým systémem. To vede ke konstrukčně velmi náročným a nákladným formám stím, že některé tvary nelze vůbec tímto způsobem vyrobit. Sekundárním jevem vyplývajícím z nuceného toku viskozního polymeru je orientace a deformace makromolekul vedoucí k fixaci napětí ve výrobku a tím jeho následné možné deformaci, popřípadě korozi za napětí.

Aplikujeme-li výše uvedená fakta na výrobu velkých dílů na bázi kombinace základního tělesa a plastu vstřikováním lze snadno vyvodit následující nevýhody dosavadního stavu techniky:

- obtížnost až nemožnost a velká finanční náročnost výroby velkých dílů,

- problémy při fixaci základních těles ve formě až nemožnost výroby některých tvarů a vysoké náklady na výrobní formy. Obtížné definování polohy základního tělesa, v krajních případech až jeho „shrnutí“ tlakem hmoty,

- nesnadné řešení velkých dílů kdy základní těleso je skládáno z několika dílčích částí a tyto jsou spojovány až ve formě plastovými spojkami - vysoké náklady na formy,

- nutnost řešení plastové části dílů v úzkém rozmezí tlouštěk plastu,

- existence vnitřního pnutí ve výrobku, tím snížená přesnost výrobků a možná následná deformace dílů, včetně koroze za napětí,

- obecně velká nákladovost na výrobní nářadí,

- omezená možnost volby vlastností plastu.

Podstata vynálezu

K odstranění výše uvedených nedostatků přispívá způsob výroby hybridních konstrukčních dílů, tvořených kompaktním základním tělesem a alespoň jednou, k němu připojenou plastovou částí, podle vynálezu. Podstata nového způsobu výroby spočívá v tom, že se do formy nejprve vloží základní těleso, načež se do ní v procesu reaktivního vstřikování (RIM) přivede monomerní systém, který zaplní dutinu formy a polymeraci přímo ve formě vytvoří alespoň jednu, se základním tělesem propojenou plastovou část s měrnou hmotností výsledného polymerního materiálu vyšší než 900 kg/m³.

Výše popsaná plastikářská technologie, známá pod zkratkou RIM (Reaction Injection Moulding - Reaktivní vstřikování) vyhovuje pro podmínky způsobu podle vynálezu v řadě svých modifikacích - např. RRIM (nastřikovaný monomer je naplněn plnivy např. skelnými vlákny) s podmínkou, že hustota • · · výsledného plastu musí být vyšší než 0,90 g/cm3 (do rozsahu ochrany nespadají lehčené systémy např. polyurethanové pěny). Reaktivním systémem zvláště vhodným pro danou aplikaci je RIM systém modifikovaného polyamidu-6 (PA-RIM) - komerčně nejznámějším takovým systémem je NYRIM a dále pak RIM systém modifikovaného polydicyklopentadienu (DCPD-RIM).

Pokud jde o základní tělesa, tyto musí mít charakter kompaktních těles - tzn. nespadají sem například skelné rohože používané při technologii S-RIM.

Z materiálového hlediska lze použít všechny materiály, zejména pak kovy, které splní požadavek dané aplikace. Podmínkou je, že materiál základního tělesa chemicky či fyzikálně nebrání polymerací či jinak nezpůsobí vznik nekvalitního polymeru a sám se nemění nežádoucím směrem působením polymeračních teplot nebo chemismem daného systému. Pro většinu aplikací se s výhodou používají ocelové a hliníkové materiály a pro některé systémy lze použít i lisováním za tepla tvarované „plastové plechy“, sestávající z termoplastu s výztuží ze skelných vláken nebo ze syntetických vláken - opět za podmínky, že chemicky či fyzikálně nebrání polymeraci či jinak nezpůsobí vznik nekvalitního polymeru a samy se nemění nežádoucím směrem působením polymeračních teplot či chemismem daného systému.

Při použití RIM systému modifikovaného polyamidu 6 (PA-RIM) je možné zásadně modifikovat složení plastu a tím i jeho vlastnosti. Např. lze plynule měnit obsah elastomerní fáze v polymeru a to v rozsahu od 10 do 40%, kdy zvyšováním obsahu elastomeru se zásadně zvyšuje rázová odolnost plastu. Doba nástřiku může dle požadavku být až desítky sekund, což umožní vyrábět komplikované a bohatě vyžebrované díly o délce až několika metrů bez následných deformací. Výrobní cykly moderního RIM zařízení a možná velká násobnost forem umožní výrobu až ve stovkách tisíc dílů/rok, což dále rozšiřuje aplikační oblasti i do velkosériových výrob typických pro osobní automobily.

Dalším přínosem je skutečnost, že vzniklé polymerní materiály jsou termoplastické, což umožňuje jejich recyklaci.

«· ·· ·· • · · · · « • · · * · • · · · · · I • · ·) « ····· ·· ··

Způsobem podle vynálezu lze vyrobit hybridní konstrukční díly v délkách několik metrů a celkových nástřicích hmoty v desítkách kilogramů. Lze volit širokou škálu vlastností plastů i kovových materiálů a tím zásadně ovlivňovat konečné vlastnosti konstrukčních dílů. Jelikož se jedná o nízkotlaký způsob výroby, je cena výrobního zařízení značně nižší oproti klasickému vstřikování. Dalšími výhodami může být možnost vyrobit plastovou část dílů ve velmi rozdílných tloušťkách od 1 mm až do desítek centimetrů, možnost i pro velké díly volit vícedutinové formy a plast významně modifikovat - zejména z pohledu modulu a rázové houževnatosti.

K bližšímu objasnění podstaty vynálezu přispívá přiložený výkres, kde obr.l představuje schematické znázornění lehkého konstrukčního dílu vyrobeného způsobem podle vynálezu.

Příklad provedení vynálezu

Výhodnost způsobu výroby podle vynálezu lze velmi dobře dokumentovat na příkladu výroby lehkého konstrukčního dílu - nosníku, doposud vyráběného klasickým vstřikováním taveniny plastu dle patentového spisu SRN č.3839855.

Tento lehký konstrukční díl - viz obr. 1 se skládá ze základního tělesa 1 ve tvaru podélné traverzy. Sestává z hlubokotažného ocelového plechu, k němuž je ve vnitřním prostoru 2 traverzy připojena plastová část 3 v podobě výztužných žeber 8 tvaru písmene V.

Tato plastová část 3 je zhotovena z polyamidu-6, obsahujícího 30 % hmotnostních skelných vláken. Výztužná žebra 8 s můstkem 4 (stěnovou příčkou) se rozprostírají přes celou hloubku vnitřního prostoru 2 základního tělesa i a mají naspodu u jeho dna 5 rozšířenou patku 6. Spolu s povrchem základního tělesa i vytvářejí výztužná žebra 8 volné lichoběžníkové prostory 7, při čemž na boč• · « • ·· »· · • ·(•é.' nich stěnách 9 základního tělesa I jsou spojovací můstky 10 (příčky) ze stejného plastu, které jsou rovnoběžné s bočními stěnami 9 a pevně na nich drží. Jsou přibližně stejné tloušťky jako výztužná žebra 8.

Mezi výztužnými žebry 8 a základním tělesem I se předpokládají zakotvení ve tvaru žlábků 11 (vroubků) a otvorů 12, kterými protéká plast na vnější stranu 13 a tam vytvoří bloky 14. Vnější strana 13 základního tětesa 1 je opatřena potahovou vrstvou 15 ze stejného plastu.

K demonstraci klasické techniky nástřiku je na obr.l symbolicky čárkovaně naznačen vtokový kanál 16 vstřikovací formy, která už zde znázorněna není.

Při výrobě výše uvedeného lehkého konstrukčního dílce podle obr.l způsobem podle vynálezu se nejprve do formy vloží základní těleso L Potom se do ní v procesu reaktivního vstřikování (RIM) přivádí RIM systém modifikovaného polyamidu 6 (PA-RIM systém) v monomerním stavu, umožňující širokou šíři modifikací zejména z pohledu kopolymerace elastomerů (zvyšování rázové houževnatosti materiálu atd.) a plnění různými plnivy. Teplota monomerních složek je 90 °C, směšovací tlak 5 bar. Po zaplnění dutiny formy, které u hybridního konstrukčního dílu o délce 2 m trvá cca 20s se polymerací přímo ve formě vytvoří se základním tělesem i propojená plastová část 3. Potřebná doba polymerace v konkrétním případě je cca 4 min.

Při způsobu podle vynálezu nepřesáhne tlak v dutině formy jednotky barů, forma je jednoduché konstrukce bez nutnosti zvláštním způsobem řešeného upevnění základního tělesa. K výrobě výše specifikovaného konstrukčního dílu ve větších sériích je možné použít víceotiskovou formu (např. 10 otisků), kdy ve formě je umístěno paralelně 10 dutin a nástřik do formy a následně každé dutiny je realizován pouze jedním vtokem.

Výrobek, resp. výrobky se vyjímají při teplotě cca 150 °C, což umožňuje s výhodou použít pouze velmi jednoduchý vyhazovači systém.

Z dalších výhod způsobu podle vynálezu proti klasickému vstřikování je možno uvést následující:

99

9 9 9 4

9^7 ⁴

49 ) « 99

- tvar výztužných žeber 8 může být více přizpůsoben jednotlivým konstrukčním požadavkům (z důvodu velmi snadného toku hmoty ve formě),

-je téměř neomezena tloušťka plastové části 3 v různých částech výrobku. Je tedy možno na konstrukčním dílu vyrobit např. masivní nálitky za účelem montáže dílu či zakončit díl masivní plastovou tvarovou koncovkou.

t{íos-^

Claims (7)

1. Způsob výroby hybridních konstrukčních dílů, které jsou tvořeny kompaktním základním tělesem a alespoň jednou, k němu připojenou plastovou částí vyznačující se tím, že se do formy nejprve vloží základní těleso (1), načež se do ní v procesu reaktivního vstřikování (RIM) přivede monomerní systém, který zaplní dutinu formy a polymerací přímo ve formě vytvoří alespoň jednu, se základním tělesem (1) propojenou plastovou část (3) s měrnou o

hmotností výsledného polymerního materiálu vyšší než 900 kg/m .

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že jako základní těleso (1) se použije těleso, které má alespoň jeden rozměr větší než 500mm.

3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že je jako základní těleso (1) se použije těleso z kovu.

4. Způsob podle nároku 3, vyznačující se tím, že je jako základní těleso (1) se použije těleso z oceli.

5. Způsob podle nároku 3, vyznačující se tím, že je jako základní těleso (1) se použije těleso z hliníku.

6. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že jako monomerní systém, jehož polymerací ve formě vznikne plastová část (3) se použije monomerní systém polyamidu-6 (PA-RIM).

7. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že je jako monomerní systém, jehož polymerací ve formě vznikne plastová část (3) se použije monomerní systém polydicyklopentadienu (DCPD-RIM).