Wtryskiwanie duroplastów. Wywiad z Ingo Schwarz

Ingo Schwarz

Ziemia – nasza planeta. Wiemy już o niej w zasadzie wszystko, a przynajmniej nam się tak wydaje. Dotarliśmy na najwyższe górskie szczyty (grupowo, indywidualnie, latem, zimą, boso i na rowerze) i spenetrowaliśmy największe morskie głębiny. Chociaż na pewno jeszcze nie raz nas nasza matka Gaja zaskoczy, zwłaszcza teraz w obliczy czekających nas zmian klimatycznych, to kierunki i bieguny znamy. Nasza “mapa świata” jest w zasadzie ukończona. Jest jeszcze kilka białych plam, ale nauczyliśmy się je omijać i póki co to nam wystarczy.

Słońce znamy od kiedy jesteśmy na Ziemi. Jako dzieci zdajemy sobie sprawę z jego istnienia dużo wcześniej niż z istnienia naszej ojczystej planety. Jednak w porównaniu do “Błękitnej Kuli” nie wiemy o nim nic. Jest za gorące, zbyt “reaktywne” i z jakichś przyczyn po prostu mniej interesujące, ale… równie co Ziemia nam niezbędne.

To nie jest fragment kursu astronomii dla opornych, a “zbieżność nazwisk jest zupełnie przypadkowa”. 😉 To jest metafora podejścia współczesnych przetwórców do termoplastów i tworzyw utwardzalnych. Ziemia to materiały termoplastyczne, Słońce to duroplasty, a autorem tych kilku zdań, które tak dobrze zapadły mi w pamięci jest Ingo Schwarz – “człowiek, który poleciał na Słońce i wrócił, żeby nam o nim opowiedzieć”.

Ingo Schwarz rozpoczął powyższym “astronomicznym” nawiązaniem swoją prezentację na jednej z konferencji MTC, w której uczestniczyłem. Nie mogłem przegapić okazji bliższego poznania i porozmawiania z kimś kto od ponad 40 lat zajmuje się wtryskiwaniem tworzyw polimerowych. Jak się domyślasz tej możliwości nie przegapiłem, jak i każdej następnej na kolejnych spotkaniach i konferencjach. 😉

Poniżej znajdziesz zapis jednej z naszych rozmów, ale najpierw kilka słów o moim zacnym gościu.

Zdobywca Słońca

Ingo Schwarz zdobywał doświadczenie z inżynierii przetwórstwa duroplastów w firmie Schwarzpunkt GmbH pod Monachium – w przedsiębiorstwie, które zajmowało się wtryskiwaniem tworzyw utwardzalnych od 1949 roku. W roku 1986 został jej szefem. Jako Dyrektor Zarządzający wdrażał nowe technologie w zakładzie w Niemczech, rozwiązywał stare problemy i odkrywał nowe, stawiając nowe fabryki.

W 2013 roku wprowadził firmę do grupy przedsiębiorstw Helvoet – korporacji zrzeszającej wtryskownie z całego świata. W Polsce też mamy zakład należący do tej firmy. Od 2016 roku już jako “emerytowany prezes” Ingo Schwarz zajmuje się szeroko pojętym doradztwem i wdrażaniem technik przetwórstwa duroplastów na całym świecie. Jego firma Schwarz Plastic Solutions razem z dostawcami tworzyw, sprzętu laboratoryjnego i wtryskarek (np. NETSCH, Wittmann) są autorami zaczynającego się renesansu tworzyw termoutwardzalnych w przemyśle.

Duroplasty – fakty i mity

Przemek Narowski: Co jest takiego specjalnego w materiałach termoutwardzalnych i dlaczego ludzie o tym zapominają?

Ingo Schwarz: Materiały termoutwardzalne są pierwszym tworzywem sztucznym w historii. Leo Hendrik Baekeland, belgijski chemik, był wynalazcą pierwszego materiału polimerowego na bazie fenolu, który nadal znamy pod nazwą Bakelit.

W odróżnieniu od obecnie szeroko stosowanych tworzyw termoplastycznych duroplasty są materiałem aktywnym chemicznie – sieciującym. Dzięki temu są bardzo stabilne wymiarowo, termicznie i bardzo odporne na wysokie ciśnienie. Dokładnie odwzorowują powierzchnię gniazd formy. Dzięki temu w wyprasce możemy się przejrzeć jak w lustrze.

Tworzywa termoutwardzalne są idealnym partnerem dla metali. Wydłużenie termiczne jest liniowe (poniżej temperatury zeszklenia), a jego wartość leży zazwyczaj pomiędzy wartościami dla aluminium i stali. W porównaniu do polimerów termoplastycznych naprężenia termiczne powstałe w parze metal-tworzywo są znacznie mniejsze. Również pełzanie duroplastów jest w zasadzie pomijalne.

Przemek Narowski: Dlaczego więc tak mało się mówi o duroplastach?

Ingo Schwarz: Producenci tych materiałów są zazwyczaj znacznie mniejsi niż ich koledzy z branży termoplastycznej. W konsekwencji mniej jest środków finansowych na marketing, promocję, badania i rozwój oraz edukację, zwłaszcza inżynierów na uniwersytetach.

Materiały termoplastyczne są łatwiejsze w przetwarzaniu. Podczas przetwarzania duroplastów oprócz parametrów znanych nam z przetwórstwa termoplastów musimy też wziąć pod uwagę parametry reakcji chemicznej, jaką jest sieciowanie. To już nie jest takie proste.

Przyszłość tworzyw termoutwardzalnych

Przemek Narowski: Czy duroplasty już raczej wychodzą z użytku? Czy wręcz przeciwnie?

Ingo Schwarz: Większość ludzi pamięta zastosowania duroplastów z przeszłości. Dobrym przykładem są obudowy klasycznych telefonów, gniazdka elektryczne, gałki piekarników czy uchwyty przy garnkach i patelniach. W dzisiejszych czasach są to spoilery samochodów sportowych, tłoki w hamulcach tarczowych, obudowy pomp oleju w silnikach spalinowych i klapy w samolotach. Teraz częściej się je nazywa kompozytami.

Przyszłość tych materiałów jest wyraźnie widoczna w elektromobilności i elektronice. Uzwojenia silników elektrycznych można zalać nowoczesnymi żywicami epoksydowymi w celu ich hermetyzacji. Części elektroniczne, takie jak płytki z obwodami drukowanymi (PCB), są w ten sposób również zabezpieczane przed wpływem środowiska.

Duroplasty – czy to się w ogóle symuluje?

Przemek Narowski: Czy symulacja wtryskiwania duroplastów jest trudniejsza od obliczeń dla termoplastów?

Ingo Schwarz: Symulacja wtryskiwania duroplastów nie jest trudniejsza, ale osoba przeprowadzająca symulację musi uwzględnić znacznie więcej szczegółów, niż w przypadku symulacji dla tworzyw termoplastycznych. Zdecydowanie zaleca się, aby inżynier korzystający z oprogramowania symulacyjnego miał własne praktyczne doświadczenie w formowaniu materiałów termoutwardzalnych, co bardzo pomaga w zrozumieniu wyników.

Największym jednak problemem jest brak aktualnych danych materiałowych. W Schwarz Plastic Solutions (SPS) tworzymy własne karty materiałowe w oparciu o wyniki z naszych laboratoriów. W niektórych przypadkach musimy wygenerować 2 lub 3 karty materiałowe dla tego samego tworzywa, aby uśrednić różnice we właściwościach materiału z różnych partii.

B+R w duroplastach

Przemek Narowski: Czym jest “Competence Team Thermosets”?

Ingo Schwarz: Są to działania badawczo-rozwojowe, które są wspierane ze środków publicznych. Zazwyczaj opierają się o jednego partnera naukowego i kilku partnerów przemysłowych. W świecie materiałów termoutwardzalnych wymiana zasobów naukowych i doświadczenia jest dość ograniczona. Dlatego Schwarz Plastic Solutions rozpoczęło inicjatywę badawczą finansowaną przez przemysł, w ramach której wiodący producenci tworzyw, doświadczeni przetwórcy i branże wspierające, takie jak producenci maszyn, producenci form i specjaliści od symulacji nawiązali współpracę z 4 uniwersytetami w Niemczech i Stanach Zjednoczonych. Te uczelnie zostały wybrane przez SPS ze względu na ich dotychczasową działalność w dziedzinie duroplastów i chęć otwartej współpracy w zespole.

Niestety z powodu pandemii zespoły nie mogły pracować tak intensywnie, jak planowano. Osiągnięte wyniki są jednak bardzo obiecujące. Stwierdziliśmy, że różne żywice wymagają różnych metod wyznaczania charakterystyk. W ścisłej współpracy z Netzsch/sensXpert możemy teraz wskazać zależności pomiędzy reakcją utwardzania a ustawieniami procesu. Pracujemy nad szczegółami np., kiedy przepływ duroplastów zmienia się z przepływu tłokowego na przepływ fontannowy. Dzięki temu wyniki symulacji wtryskiwania i strukturalnych ulegną znacznej poprawie.

Duroplasty – “jak zacząć z tematem?”

Przemek Narowski: Co poradziłbyś komuś, kto dopiero zaczyna swoją przygodę z materiałami termoutwardzalnymi? Co zrobić, aby uniknąć najczęstszych błędów początkujących?

Ingo Schwarz: Obecnie nie można znaleźć wiele informacji na temat najnowszego poziomu rozwoju materiałów termoutwardzalnych, zasad przetwórstwa, porad projektowych itp. Publikacje bardzo często nie są aktualizowane. Na rynku jest też niewiele osób z odpowiednim praktycznym i teoretycznym przygotowaniem.

Zdecydowanie zalecam zaangażowanie obecnych już na rynku specjalistów w swoje nowe projekty. Najlepszym wyborem jest zrobienie tego już w fazie projektowania wyrobu, albo przynajmniej przed przejściem do wykonania formy. Pozwoli to uniknąć kosztownych modyfikacji w projekcie. Najlepiej by było znaleźć takie wsparcie inżynierskie zarówno na bardzo wczesnym etapie rozwoju produktu (np. symulacja), jak i podczas całego procesu wykonania form i przygotowania produkcji seryjnej.

Należy pamiętać, że zasady projektowania części z tworzyw termoplastycznych w wielu przypadkach nie są do zastosowania w projektowaniu części z duroplastów. Innymi słowy: jest trochę podobnie jak ze zmianą elementu metalowego na część z tworzywa sztucznego. Bez zmiany projektu możesz być pewien, że taka próba się nie powiedzie.

To samo dotyczy projektowania formy. Narzędzia do materiałów termoutwardzalnych są podgrzewane do 200°C wymagają specjalnej izolacji, analizy termicznej (symulacji), obróbki powierzchni i wielu innych zabiegów. I wreszcie potrzebne są specjalne wtryskarki i dodatkowy osprzęt peryferyjny do czyszczenia lub utwardzania końcowego. Wszystko to wymaga wiedzy i doświadczenia, aby uniknąć nieprzewidzianych kosztów.

Podsumowanie

Ostateczny wniosek jest taki: tworzywa termoutwardzalne są idealnym materiałem do konkretnych zastosowań i często są pomostem między metalami a tworzywami termoplastycznymi, ale trzeba wiedzieć, jak sobie z nimi radzić.

Teraz już wiesz gdzie i o co pytać. 😉