W świecie produkcji matryce są nieuznawanymi bohaterami, które nadają kształt niezliczonym produktom. Niemniej jednak, jest dużym błędem sądzić, że wszystkie matryce są jednakowe. Różnica jest mniej więcej taka sama, jak między narzędziami używanymi do formowania metalu a tymi, które stosuje się do formowania tworzyw sztucznych – są to zupełnie inne konstrukcje, przeznaczone do radzenia sobie z odmiennym zachowaniem materiałów i wymaganiami produkcyjnymi. Inżynierom, projektantom i producentom niezwykle istotne jest zrozumienie głównych różnic między matrycami do tłoczenia metalu a matrycami do przetwarzania tworzyw sztucznych.
1. Podstawowe wyzwanie: Zachowanie materiału
Matryce tłocznicze: Matryce te borykają się z problemem plastycznego odkształcenia w stanie stałym. Między elementami matrycy umieszcza się blachę lub taśmę metalową (np. stal, aluminium, miedź). Zastosowanie ogromnego ciśnienia (obciążenia) zmusza metal do trwałego odkształcenia, ulega on zginaniu, rozciąganiu, cięciu lub wyobleniu w możliwą formę bez topnienia. Szczególny nacisk kładzie się na pokonanie granicy plastyczności metalu oraz radzenie sobie z odsprężynowaniem (zjawisko, w którym metal „próbuje” powrócić do swojej pierwotnej formy).
Formy do przetwórstwa tworzyw sztucznych: Działają one z materiałem stopionym lub znacznie zmiekczonym. Granulat plastyczny topiony jest do momentu, gdy może płynąć jak lepka ciecz. Ten stopiony materiał jest następnie wtryskiwany pod ciśnieniem lub wciskany do wnęki formy. Tworzywo zastyga w formie i przyjmuje jej ostateczną postać. Wynika to z trudności w kontrolowaniu dynamiki przepływu, zapewnieniu pełnego wypełnienia wnęki, kontrolowaniu procesu chłodzenia w taki sposób, aby zminimalizować wady (takie jak zapadliska czy odkształcenia) oraz łatwego wyrzucenia zastygłej części.
2. Priorytety w projektowaniu i budowie form
Formy do tłoczenia metali:
●Wytrzymałość i odporność na zużycie: Najwyższy priorytet. Formy muszą wytrzymać ogromne obciążenia oraz często powtarzające się uderzenia, blokady i szorowanie powierzchni metalowych. Typowym materiałem są staliwa narzędziowe (takie jak D2, A2) a nawet węgliki spiekane, które są często hartowane do bardzo wysokiej twardości w skali Rockwella C.
●Precyzyjny luz: Proces cięcia wiąże się z bardzo małym odstępem pomiędzy tłoczniem a matrycą w celu uniknięcia nadmiernego utworzenia się zadziorów i/oraz uszkodzenia używanych narzędzi.
●Zastosowanie ciśnienia: Projekt ma na celu skuteczne przenoszenie dużych sił dzięki mocnym elementom konstrukcyjnym (tłocznie, matryce, trzpienie).
●Często: Matryce tłocznicze wielu kształtów, szczególnie związanych z trybami gięcia lub prostego cięcia, nie wymagają rozbudowanej złożoności charakterystycznej dla form wtryskowych.
●Formy do przetwórstwa tworzyw sztucznych:
●Złożona wnęka i rdzeń: Forma określa złożoną geometrię zewnętrzną (wnękę) i wewnętrzną (rdzeń) projektowanego elementu z tworzywa sztucznego. Złożoność może być bardzo duża.
●System chłodzenia: Wewnętrzny system kanałów chłodzących (woda lub olej) jest niezbędny. Optymalne i spójne chłodzenie ma bezpośredni wpływ na czas cyklu i jakość wyrobu.
●System wlewowy: Wlew, kanały rozprowadzające i wlewki, przez które ciekły plastik dostaje się do wnęki formy z dyszy maszyny. Projekt wpływa na wzór przepływu, ciśnienie wypełnienia oraz wygląd części.
●System wyjmowania: Piny, tuleje lub podnosniki są starannie rozmieszczane, aby wyrzucić ostudzoną część z formy, pozostawiając ją nietkniętą.
●Oddychanie: Oddychanie odbywa się za pomocą małych kanałów lub otworów, które uwalniają uwięziony powietrze, gdy ciekły materiał wchodzi do wnęki, aby uniknąć przypalenia lub niepełnego wypełnienia.
●Materiał: Może to być hartowana stal narzędziowa (P20, H13, S7) lub stal nierdzewna różnych rodzajów, jednak jakość powierzchni oraz odporność na korozję (szczególnie przy niektórych plastikach) również odgrywają istotną rolę.
3. Środowisko produkcyjne
Kucie metalu: Wykonywane jest zazwyczaj na prasie mechanicznej lub prasie hydraulicznej. Operacje te są zazwyczaj niezwykle szybkie (w ciągu jednej minuty można wykonać setki części, począwszy od prostych komponentów). Jest to zazwyczaj proces zimny, choć istnieją specjalne metody kształtowania z udziałem ogrzewania. Tarcie i zużycie są często zmniejszane dzięki zastosowaniu smarów.
Przetwarzanie tworzyw sztucznych: Plastik jest przetwarzany głównie poprzez zastosowanie maszyn do wtryskiwania, a także innych metod, takich jak formowanie dmuchane, formowanie na zimno itp. Charakter samego procesu wiąże się z dużą ilością ciepła: stopienie tworzywa, a następnie jego schłodzenie w formie. Cykl może trwać od kilku sekund do kilku minut, w zależności od rozmiaru części i grubości ścianek. Skuteczność chłodzenia ma duży wpływ na czas cyklu. Środki konserwujące mogą być uwalniane, jednak nie są aż tak uniwersalne jak smary do kucia.
4. Okres użytkowania i mechanizmy zużycia
Matryce tłocznicze: Zużycie ściernie - głównie metal o stal narzędziową, adhezyjne - zgrzanie. Nacięcia mogą tępić się stopniowo. Występuje również pękanie zmęczeniowe spowodowane wysokimi naprężeniami cyklicznymi. Konserwacja obejmuje ostrzenie, wymianę zużytych miejsc lub wstawianie wkładów. Żywotność tradycyjnie mierzona jest w setkach tysięcy lub milionach uderzeń przy dobrze utrzymanych matrycach.
Formy do przetwórstwa tworzyw sztucznych: Rodzaje zużycia to zużycie ściernie przez napełniacze w tworzywach, korozja spowodowana niektórymi polimerami lub wodą chłodzącą oraz potencjalnie erozja spowodowana szybko płynącym ciekłym tworzywem. Właściwość estetyczna, która jest wpływana przez degradację pola w powierzchni wnęki, to wygląd produktu. Konserwacja będzie obejmować polerowanie, naprawę uszkodzeń powierzchni oraz oczyszczanie kanałów lub otworów chłodzących. Żywotność jest również zazwyczaj bardzo długa (setki tysięcy do milionów cykli), choć szczególnie wrażliwa na rodzaj używanego tworzywa oraz konserwację.
Dlaczego ta różnica ma znaczenie
Wybieranie nieprawidłowego podejścia do projektowania matryc w zależności od materiału kończy się niepowodzeniem. Matryca używana do tłoczenia elementów metalowych nie posiada linii chłodzenia i układów wlewowych wymaganych przy przetwórstwie tworzyw sztucznych. Wciśnięcie do tworzywa nie wytrzymałoby wibracji występujących przy tłoczeniu stali. To podstawowe różnice: odkształcenie w stanie stałym i przetwórstwo w stanie ciekłym, konieczność optymalizacji chłodzenia oraz ostrożne zapewnienie luzów, zarządzania przepływem i skurczem sprężystym. Zrozumienie tych zagadnień jest konieczne do:
● Projektowania skutecznych i trwałych narzędzi.
●Optymalizacji procesów produkcyjnych.
●Wyboru odpowiednich materiałów na matrycę.
●Szybkiej diagnostyki problemów produkcyjnych.
●Dokładnego szacowania kosztów narzędzi i części.
Chociaż oba te różne typy matryc są precyzyjnymi narzędziami niezbędnymi w procesach masowej produkcji, ich projektowanie, budowa oraz funkcjonalność są uwarunkowane zupełnie różnymi zasadami fizyki, według których metale i tworzywa sztuczne ulegają przetworzeniu z surowca w gotowy detal. Ta podstawowa różnica tworzy duże możliwości w przemyśle.