Plasty a CAD/CAM/CNC

v automobilovém průmyslu
Ze všech oblastí strojírenské výroby jsou aplikace plastů právě v automobilovém průmyslu ekonomicky nejefektivnější. Toto odvětví průmyslu je tedy také jedním z jejich nejvýznamnějších odběratelů. Současné široké uplatnění termoplastů při konstrukci a výrobě automobilů je výsledkem sladění specifických požadavků konstrukce a technologie výroby automobilů se specifickými materiálovými vlastnostmi plastů a technologií jejich zpracování. Vzhledem na to, že každý plastový výlisek se neobejde bez jeho návrhu v CADu a výroby v CAMu, stojí za úvahu se podívat, jaké jsou trendy v použití těchto materiálů v automobilovém průmyslu.

Historie aplikace plastů v automobilech

První aplikace plastů se objevují od začátku sériové výroby automobilů a úzce souvisí s vývojem technologie výroby a zpracování plastů.

Nově vyvinuté polymerní materiály se obyčejně objevovaly v automobilech ve formě součástí hned poté, jak byly uvedeny na trh materiálů. Zpočátku nebyl výběr plastů bohatý, proto i podíl plastů v materiálové skladbě automobilů byl nízký. Se zavedením výroby nových termoplastických polymerů v padesátých a šedesátých letech nastal větší rozvoj jejich aplikací. V tomto období však plasty plnily především funkci náhrad klasických materiálů, které se pro svoji vysokou cenu a technologicky náročnou zpracovatelnost nehodily pro velkosériovou výrobu.

Porovnání podílu plastů v automobilu

Razantní vzestup spotřeby plastů v automobilovém průmyslu nastal v sedmdesátých letech a byl nastartován zvyšujícími se požadavky na pasívní bezpečnost a hospodárnost. Plasty v široké míře nahrazovaly plech v některých částech karosérie a umožňovaly tak dosáhnout podstatně vyšší pasívní bezpečnost jak pro posádku, tak i pro chodce.

Plastové díly na automobilu

V posledních letech se v automobilových aplikacích plastů stále víc prosazují ekologická hlediska, zvlášť požadavky na co nejlehčí recyklovatelnost materiálů z vyřazených automobilů.

Materiálové složení dnešních osobních automobilů

Automobil se skládá z řádově deset tisíc součástek, které vytvářejí tři základní konstrukční skupiny: hnací jednotku, podvozek a karosérii. Jednotlivé konstrukční skupiny se na celkové hmotnosti automobilu podílejí následujícím procentním podílem:

Zbytek hmotnosti automobilu připadá na příslušenství, které není možné jednoznačně přiřadit k některému ze základních konstrukčních celků.

Jednotlivé druhy materiálů jsou v osobním automobilu zastoupené v následujících hmotnostních poměrech:

Podíl jednotlivých materiálů na celkové hmotnosti automobilu

Polymery používané v automobilovém průmyslu

Polymerní materiály zahrnují gumu, reaktoplasty a termoplasty. Mezi reaktoplasty (dříve termosety, duromery, duroplasty) patří i pěnové polyuretany využívané na čalounění sedadel a interiéru kabiny a na zvukověizolační dílce karosérie.

Podíl termoplastů na materiálovém složení osobního automobilu je přibližně 8 %. Celková hmotnost termoplastických materiálů v osobním automobilu se u různých typů dost liší. Podle technické úrovně konstrukce a velikosti automobilu se v případě střední třídy na výrobu jednoho automobilu použije obvykle 130 až 145 kg plastů. Největší podíl plastových dílců obsahuje karosérie, nejméně podvozek. Podle druhu jsou nejvíc využívané materiály na bázi polypropylenu (35 %), následují různé druhy polyamidů (14 %), polyetylén (10 %) a polymery ABS (7 %).

Vývojový trend směřuje ke stále širšímu využívání materiálů založených na polypropylénu, zvláště směsi polypropylénu s elastomery a vyztužujícími plnivy. Širšímu uplatnění polypropylénových směsí přeje nejen široká variabilita jejich mechanických a estetických vlastností, ale též ekonomická výhodnost jejich aplikací.

Požadavky na vlastnosti termoplastických materiálů

Konstrukce automobilů

Složitá konstrukce automobilu vyžaduje pro jednotlivé konstrukční skupiny materiály s úplně specifickými užitkovými a zpracovatelskými vlastnostmi. Požadavky uživatelů automobilů se však stále mění směrem k vyšší bezpečnosti, většímu komfortu, hospodárnějšímu provozu a lepšímu vzhledu automobilů.

Vlivem vysoké elektronizace automobilů se zvyšuje množství plastových konektorů, které vlivem nedostatku místa musí být umísťovány stále blíže k motoru. Vysoká teplota a agresivita prostředí jsou též novou výzvou pro vývojové pracovníky.

Podle jednotlivých konstrukčních částí automobilu je možno požadavky charakterizovat následujícím způsobem:

a) Karosérie

• vysoká odolnost vůči povětrnostnímu stárnutí
• vysoká chemická odolnost (především vůči ropným derivátům)
• vysoká houževnatost při nízkých teplotách
• tvarová stálost při teplotě minimálně 80 °C
• vysoká abrazívní odolnost
• dobrá adheze k nátěrovým hmotám (možnost lakování na barevný odstín karosérie)

b) Podvozek – kluzná pouzdra:

• vynikající kluzné vlastnosti
• vysoká tuhost
• vysoká chemická odolnost

c) Hnací jednotka

• vysoká tvarová stálost za tepla
• vysoká tuhost
• vynikající kluzné vlastnosti
• vysoká chemická odolnost
• vysoká odolnost vůči tepelnému stárnutí

Zpracovatelské vlastnosti

Požadavky na zpracovatelské vlastnosti vyplývají z příslušné technologie zpracování. Většina dílů je vyráběna vstřikováním. Pro tuto technologii jsou vhodné materiály vykazující nízkou viskozitu a nízkou elasticitu taveniny. Pro vstřikování rozměrově přesných dílů je žádoucí materiál vykazující minimální smrštění.

Termoplasty modifikované pro automobilové aplikace

Samotné termoplastické polymery jen zřídka svými vlastnostmi vyhovují požadavkům konkrétních automobilových aplikací. Technicky nejschůdnější a ekonomicky nejpřijatelnější cesta k široké škále materiálů s vlastnostmi vhodnými pro výrobu automobilových dílů je modifikace vlastností běžných termoplastů. Modifikace vlastností plastů se obvykle dosahuje jejich mícháním s vhodnými přísadami (polymerními i anorganickými), měnícími požadovaným směrem jejich vlastnosti. Pro potřeby automobilových aplikací je žádoucí především zlepšení:

• houževnatosti (pro dílce karosérie)
• estetických vlastností (dílce vnitřní výbavy karosérie)
• tuhosti (pro ovládací prvky, díly závěsů, upínání apod.)
• tepelné odolnosti (pro díly chladicí soustavy a topení)
• kluzných vlastností (pro samomazná pouzdra, kluzná ložiska)
• nepropustnosti pro páry uhlovodíků (pro palivovou nádrž a potrubí)

Modifikace PP

Houževnatý polypropylén (PP) nachází v automobilech uplatnění především jako materiál velkoplošných, rázově namáhaných dílů karosérie, jak vnějších (nárazníky, spoilery), tak i vnitřních (panel přístrojové desky, obložení kabiny).
Vnější a vnitřní aplikace modifikovaného polypropylénu [2]

Houževnatost PP, který sám o sobě je křehký zvlášť za teplot pod bodem mrazu, je modifikovaná jeho mícháním s etylén-propylénovými statistickými anebo blokovými kopolymery (EPM, případně EPDM kaučuky), anebo blokovými styrén-butadienovými kopolymery (SBS kaučuky).

Pro vnější aplikace je kromě vysoké houževnatosti požadovaná též vysoká povětrnostní odolnost. Takový materiál musí být kromě základní stabilizace proti účinkům tepla stabilizovaný i proti účinkům UV záření. Vynikajícím, a přitom velmi levným způsobem UV stabilizace je pigmentace materiálu sazemi.

Modifikace PA

Vyztužený a modifikovaný polyamid
Z mnohých typů polyamidů největší praktické uplatnění dosáhly polyhexametylenadipamid v praxi označovaný jako typ 66 a polykaprolaktam známý jako typ 6.

Typ 66 se vyznačuje vysokou tuhostí, výbornou odolností vůči otěru a výbornými tepelnými a krípovými (viz tečení plastů, pozn. red.) vlastnostmi. Pro typ 6 je charakteristická vysoká houževnatost a pružnost. Oba dva uvedené typy polyamidů jsou oblíbeným základem mnohých typů materiálů aplikovaných v konstrukci automobilů, kde je jednou z vítaných vlastností polyamidové matrice vysoká odolnost vůči automobilovým palivům a mazivům. Nejčastější jsou požadované modifikované polyamidy se zvýšenou tuhostí a houževnatostí.

Zvýšení mechanické tuhosti plastů se dosahuje jejich mícháním s vláknitým nebo destičkovitým minerálním plnivem. Pro výrobu některých konstrukčních dílů automobilu je často využívaný polyamid vyztužený skleněnými vlákny, pro vysoce namáhané díly se často kombinuje modifikační účinek částicového a vláknitého plniva anebo vláknitého plniva a elastomerového modifikátoru houževnatosti. Skleněnými vlákny vyztužené typy polyamidů obsahují obvykle 15 % až 50 % vláken, často v kombinaci s modifikátorem houževnatosti. Smrštění vyztuženého polyamidu při vstřikování výrobků s vysokými nároky na přesnost je omezené plněním skleněnými mikrokuličkami.

Aplikace
Vlastnosti polyamidových materiálů nacházejí v konstrukci automobilů velmi široké využití. Běžně jsou z plněného polyamidu vyráběny ovládací prvky osvětlení, topení a větrání, pláště zpětných zrcadel, kličky dveří, součásti napínacího mechanismu bezpečnostních pásů a další drobné díly interiéru vozidla.

Mechanicky víc namáhané součástky jsou vyráběny z polyamidu vyztuženého skleněnými vlákny. Ozdobné kryty kol jsou vyráběny z plněného polyamidu se zvýšenou houževnatostí.

Plastový výlisek z plněného polyamidu a polyamidový ozdobný kryt kolesa [2]

Plasty s modifikovanými kluznými vlastnostmi

Speciální plastové kompozice vyznačující se velmi nízkým koeficientem tření s kovy a velmi vysokou odolností vůči opotřebení jsou v dnešním automobilu využívány především pro ulehčení údržby, zvýšení spolehlivosti a prodloužení životnosti různých mechanismů. Tyto materiály nahradily v kluzných ložiscích a uloženích používané bronzové ložiskové materiály. Na rozdíl od těchto slitin kovů nevyžadují modifikované plasty žádnou údržbu ani mazání prakticky po celou dobu životnosti automobilu.

Od návrhu až po výrobu všechno chce CAD, CAM a CNC

Tuto problematiku ve velmi zjednodušeném tvaru popisuje toto schéma:

Návrh tvaru produktu (CAD)

• výroba nástrojů pro jeho sériovou produkci (CAM)
  
  • formy pro lisování plechů a vstřikování plastů (CAD/CAM)
    
    • získání tvaru pro činné časti nástroje z navrženého tvaru (CAD/CAM)
    • přenesení tvaru do činné části formy a jeho výroba (CAM/CNC)
      pro plasty:
      
      • dutina formy – negativní tvar
      • vložka formy – zmenšený pozitivní tvar
      pro kovy:
      
      • tažnice – negativní tvar
      • tažník – zmenšený pozitivní tvar

Návrh a fotorealistické ztvárnění výrobku pomocí CAD systémů umožňují výrobci udělat průzkum, zda výrobek má požadovaný tvar, kterým zaujme, a taktéž otestovat vhodnost povrchových úprav a barevných řešení. Kromě fotorealistické vizualizace je možné z CAD dat za pomoci rapid prototypingu vyrobit i „hmatatelný“ model. To se děje ještě v době, kdy potenciální zájemce o produkt netuší, že jde jen o „virtuální“ realitu. S pomocí komentářů nebo výhrad ke tvaru a estetice výrobku se udělají úpravy na virtuálním modelu a může se začít s výrobou nástrojů pro sériovou výrobu. Vzhledem k tomu, že toto vše probíhá v CAx systémech, s pomocí CAM modulů, data pro výrobu nástrojů a přípravků jsou jimi generována. Většinou jde o výrobu tvarů forem pro lisování plechů nebo tvarů dutin a vložek do forem pro vstřikování plastů.

Návrh tvarů s pomocí CAD metod a jejich následná výroba za použití CAM systémů má vícero výhod, protože ještě v počítači můžeme model podrobit různým analýzám:

• Pozitiv modelu v CAD je možné vizualizovat a posoudit kvalitu tvaru. Důležité je, aby byla dodržena podmínka plynulé návaznosti ploch. V případě, že této podmínce jednotlivá napojení nevyhovují, přistupuje se k takzvanému vyhlazování ploch. Pomocí analýzy křivosti ploch je možné lehce posoudit, za pomoci jakých nástrojů se dá plocha vyrobit. To má smysl hlavně při výrobě tvaru negativu modelu – dutiny formy, abychom uměli posoudit, za pomoci jakého tvarového nástroje dosáhneme požadovaný vnitřní rádius.
  
  Analýza křivosti ploch
• Analýzou tvaru dutiny formy se zjišťuje, zda je daný tvar možno obrobit klasickou cestou třískového obrábění, zda se do dané hloubky umíme s nástrojem dostat a zda jsme schopni pomocí něho obrábět tvar. Největším omezením je štíhlostní poměr stopkové frézy, tj. přímá závislost mezi potřebnou délkou a požadovaným průměrem frézy, která je při daných řezných podmínkách namáhaná na ohyb a vzpěr.
  Normálový řez formou V

Tato předběžná analýza povrchu a tvaru nám umožňuje rozhodnout se pro správnou strategii výroby nástroje. Někdy je důležité kvůli technologičnosti upravit tvar modelu. Někdy je nutno, hlavně při výrobě tvaru dutin forem, pokud nejsme schopni dosáhnout obrobení plochy jen třískovým obráběním, přistoupit ke kombinované metodě výroby dutiny, pozůstávající z třískového, elektrojiskrového nebo elektrochemického obrábění. Pro elektrojiskrové nebo elektrochemické obrábění je potřebné vyrobit pozitivní tvar elektrody, kterou se vytvoří příslušná část dutiny formy.

CAD metody nám svojí variabilitou virtuálního modelu nabízejí mnoho možností. Není problém vytvořit z pozitivního tvaru jeho negativní tvar – tvar dutiny. Jedná se o použití jednoduché operace booleovské algebry – odčítání. Pokud pozitivní tvar objemového modelu odčítáme od plného kvádru, výsledkem bude tvar dutiny modelu v tomto kvádru.
 
Získání negativního tvaru v CAD za použití booleovské operace odčítání

Použitím transformace zmenšení měřítka zase můžeme získat tvar vložky formy.

Tvar dutiny a vložky formy můžeme získat i vyabstrahováním ploch z modelu skořepiny. Vnější povrch tvaru skořepiny bude tvarem dutiny formy, vnitřní tvar skořepiny formy bude tvarem vložky formy.

Pomocí analýzy příčného řezu formy je možné získat informaci o tom, zda bylo dosaženo požadovaného tvar. Pokud tato analýza dopadne dobře, můžeme přistoupit k výrobě nástroje za pomoci CAM modulů systému. Vygenerováním CNC kódu pro řídící systém obráběcího centra se výroba nástroje může začít.

Simulace obrábění a výroba modelu

Výroba modelů za pomoci CNC techniky

Návrh studie tvaru automobilu (Ladislav Gurbaľ) [6]

Literatura

[ 1 ] Kruliš, Z.: Aplikace a nejvhodnější materiálové a technologické řešení.

Termoplasty v praxi. CD-ROM. Verlag-Dashofer, s. r. o. Praha, 2003

[ 2 ] http://www.autorevue.cz/Automobilka/AR.asp?ARI=3378 (12. 8. 2005)

[ 3 ] http://www.techtydenik.cz/ Technický Týdeník 6/2006, Springer Media CZ, Praha, 2006

[ 4 ] Bober, P., Zgodavová, K.: Simulácia ako metóda aktívneho učenia sa. In: „Riadenie kvality a produktivity nábehu novej produkcie“, Technická univerzita Košice 2001, ISBN 80-7099-776-1

[ 5 ] Fedorko, Gabriel–Bindzár, Peter–Molnár, Vieroslav: Vplyv dopravy materiálu na životné prostredie. In: AT&P Journal, roč. 9, č. 11 (2002), s. 68-69. ISSN 1335-2237

[ 6 ] www.sjf.tuke.sk/ci/catia/index.htm