Vysoká škola bá ň ská – Technická univerzita Ostrava Fakulta materiálov ě - technologická
Katedra managementu kvality
Aplikace plánovaného experimentu v procesu vst ř ikování plast ů DIPLOMOVÁ PRÁCE
2019 Bc. Adriana Dlabajová
Pod ě kování
Chtěla bych poděkovat panu prof. RNDr. Josefu Tošenovskému, CSc. za připomínky, cenné rady a odborné vedení při zpracování mé diplomové práce.
Zároveň bych ráda poděkovala panu konzultantovi Ing. Petru Filipcovi za ochotu, čas a poskytnuté materiály.
Abstrakt
Diplomová práce popisuje aplikaci plánovaného experimentu v procesu vstřikování plastů.
Teoretická část diplomové práce je zaměřena na teoretická východiska plánovaného experimentu a procesu vstřikován plastů, včetně vzhledových a tvarových vad, které mohou na produktech nastat. V poslední kapitole teoretické části jsou popsány CAE systémy pro vstřikování plastů s podporou DOE.
V praktické části je proveden plánovaný experiment se třemi faktory, kdy první část experimentu je zaměřena na počet druhů vzhledových a tvarových vad, a druhá na odchylku výšky plošky. Po provedení faktorového experimentu na dvou úrovních je provedena optimalizace úrovně faktorů tak, aby počet vzhledových a tvarových vad byl minimalizován a zároveň aby odchylka výšky plošky dosáhla cílové hodnoty.
Klíčová slova: plánování experimentu, DOE, vstřikování plastů, faktor, vzhledové a tvarové vady
Abstract
The thesis describes the application of Design of Experiment in Injection Moulding Process.
The theoretical part of thesis is focused on the theoretical basis of Design of Experiment and Injection Moulding Process, including the visual and shape defects, which can occur on the products. In last chapter of the theoretical part are descried CAE systems for Injection Moulding with DOE support.
In practical part is performed experimental design with three factors, the first part of experiment is concentrated on number of kinds visual and shape defects, the second one on the deviation of surface height. After performing factor experiment on two levels are factors optimized so that the number of visual and shape defects are minimized meanwhile the deviation of surface height reaches target value.
KeyWords: Design of Experiment, DOE, Injection Moulding, factor, visual and shape defects
Seznam použitých zkratek
DOE Design of Experiment - Plánování experimentu ANOVA Analysis OF Variance – Analýza rozptylu
n počet pokusů
k počet faktorů
X vstup do DOE
Y výstup z DOE
Pi relativní kumulativní četnost p stupeň snížení
Sp chyba měření
SL míra neshody empirického modelu s teoretickým CAE Computer Aided Engineering
TPS – SEBS termoplastický elastomer styrenového typu
Obsah
Úvod ... 1
1 Teoretická východiska ... 2
1.1 Plánování experimentu ... 2
1.1.1 Základní pojmy ... 2
1.1.2 Historie a jména spjata s DOE ... 4
1.1.3 Využití plánovaného experimentu ... 4
1.1.4 Experimentální proměnné ... 5
1.1.5 Vlivy nezahrnuté do experimentu ... 5
1.1.6 Faktorový experiment ... 5
1.1.6.1 Úplný faktorový plán na dvou úrovních ... 6
1.1.6.2 Efekt faktoru ... 7
1.1.6.3 Grafické hodnocení efektu faktorů a interakci ... 8
1.1.6.4 Ověření významnosti efektu ... 9
1.2 Vstřikování plastů ... 13
1.2.1 Historie vstřikování ... 13
1.2.2 Popis technologie vstřikování plastů ... 13
1.2.3 Vstřikovací stroje ... 14
1.2.4 Vstřikovací formy ... 15
1.2.5 Vady výstřiků ... 17
1.2.5.1 Příčiny vzniku vad ... 17
1.2.5.2 Druhy vad ... 18
1.2.6 CAE systémy pro vstřikování plastů s podporou DOE ... 24
2 Charakteristika společnosti United Polymers s.r.o. ... 25
2.1 Historie společnosti ... 25
2.2 Výrobní program ... 26
2.2.1 Vstřikování plastů ve společnosti ... 26
2.3 Systém managementu kvality ve společnosti ... 27
3 Praktická část ... 28
3.1 Popis produktu ... 28
3.2 Popis problému ... 28
3.3 Odhalování neshod ve výrobě ... 29
3.4 Aplikace plánovaného experimentu ... 29
3.4.1 Brainstorming ... 30
3.4.2 Příprava experimentu ... 32
3.4.3 Provedení experimentu ... 34
3.4.4 Analýza experimentu pro vzhledové a tvarové vady – DOE 1 ... 37
3.4.4.1 Efekty faktorů ... 37
3.4.4.2 Grafické hodnocení efektů faktorů ... 39
3.4.4.3 ANOVA a regresní model experimentu ... 39
3.4.4.4 Předpoklady o reziduích ... 41
3.4.5 Analýza experimentu pro odchylku výšky plošky – DOE 2 ... 43
3.4.5.1 Efekty faktorů ... 43
3.4.5.2 Grafické hodnocení efektů faktorů a interakcí ... 45
3.4.5.3 ANOVA a regresní model experimentu ... 47
3.4.5.4 Předpoklady o reziduích ... 48
3.5 Závěrečná doporučení... 50
Závěr ... 52
Seznam použité literatury ... 54
Seznam obrázků ... 56
Seznam tabulek ... 58
1
Úvod
V současnosti se na trhu setkáváme s tisícem druhů různých plastových materiálů, ze kterých se vyrábí široká škála výrobků, které jsou aplikovatelné v různých odvětvích.
Nejrozšířenější technologií na výrobu plastů je vstřikování plastů, kdy se výsledné díly mohou pyšnit rozměrovou a tvarovou přesností, dokonalou kvalitou povrchu, ale také nízkými výrobními náklady. Touto technologií se vyrábějí jak finální výrobky, ale také polotovary nebo díly určené k dalšímu opracování a kompletování. S produkty vyrobenými pomocí vstřikování se setkáváme dennodenně, jednak v domácnostech, kdy většina plastového kuchyňského vybavení je vyráběna právě touto technologií, také vstřikované díly mají zastoupení v automobilovém průmyslu, či medicíně.
Oproti tomu, plánování experimentů neboli DOE, je komplexním nástrojem, který na základě získaných dat z procesu umožňuje nalézt faktory, které nejvýznamněji ovlivňují výrobní proces a jeho výstupy, na základě analýzy dat umožňuje určit optimální úroveň vstupů do procesu tak, aby výstupy z procesu byly maximálně stabilní, v požadované kvalitě při minimálních neshodách.
Cílem diplomové práce je aplikovat teoretické poznatky plánování experimentů na proces vstřikování plastů v průmyslové praxi a nalézt optimální nastavení technologických parametrů vstřikovacího stroje tak, abychom eliminovali výskyt vzhledových a tvarových vad a zároveň, aby odchylka výšky plošky dosáhla cílové hodnoty.
2
1 Teoretická východiska 1.1 Plánování experimentu
Plánování experimentu neboli DOE je komplexní nástroj zejména předvýrobní etapy, jehož prostřednictvím sledujeme účinky faktorů experimentu Xn na výstupy Y.
DOE umožňuje na základě úrovní faktorů nalézt ty faktory, které nejvýznamněji ovlivňují výrobní proces, po následné analýze a zpracování dat vede k optimálnímu nastavení vstupů Xn do procesu tak, aby byly splněny požadavky na výstupy Y.
DOE lze aplikovat při vývoji nových produktů a procesů, zlepšování stávajících produktů a procesů, při optimalizaci kvality a stávajícího výrobního postupu, nebo při minimalizaci výrobních nákladů.
1.1.1 Základní pojmy
− Procesní model – výchozí bod, který stanovuje faktory X – do proceu vstupující a ovlivňující tak výstupní veličinu Y, znázorněn na obr. 1.
Obr. 1: Procesní model [17]
− Plán experimentu – stanovuje 3 charakteristiky („3P“)
• počet pokusů, ze kterých je experiment složen
• podmínky, za kterých se jednotlivé pokusy uskuteční
• pořadí pokusů. [11]
− Experiment – systém všech pokusů. Experimentovat znamená měnit standardní pracovní podmínky za účelem nalézt lepší pracovní postupy [11]
− Pokus – zjištění hodnoty ukazatele kvality za určitých, předem stanovených podmínek výroby. [11]
3
− Faktor – nezávislá proměnná ovlivňující výstupní veličinu, má buď kvalitativní, nebo kvantitativní charakter. [17]
− Šum – faktor ovlivňující výstupní veličinu, v průběhu plánování experimentu není znám. [10]
− Interakce – vztah mezi dvěma faktory. [11]
− Efekt – změna ukazatele kvality, která je způsobena přechodem tohoto faktoru z dolní (-) na horní (+) úroveň [11]
− Výstupní veličina – závislá proměnná, pomocí níž se kvantifikují výsledky experimentu, vyjadřuje vlastnosti produktu nebo procesu. [10]
− Model – popis vztahu mezi výstupním faktorem a výstupní veličinou. [10]
Při plánování experimentu musí být zachovány následující principy:
− replikace – opakování experimentu při stejné úrovni faktorů - vede k odhalení případných nepřesností měření a může tak zvýšit spolehlivost závěru. S velkým počtem opakování pokusů však souvisí i vysoké náklady na provádění pokusů a časová náročnost.[13]
− náhodnost – je nutné provést jednotlivé pokusy v náhodném pořadí, neboť náhodné proměnné mohou ovlivnit výsledek experimentu. Princip náhodnosti se využívá zejména v těchto situacích:
• jeden z významných faktorů není pod statistickou kontrolou,
• experimenty jsou prováděny velkým počtem operátorů,
• výsledky experimentu mají být prezentovány zákazníkům, nebo na základě nich mají být přijatá nápravná opatření.[13]
− rozdělení do bloků – cílem je zamezit vlivu zdrojů variability, rozdělíme tak experimentální jednotky do bloků, které vykazují podobné vlastnosti. [13]
Na základě zkoumaného problému stanovujeme jeden z následujících typů experimentu:
− jednofaktorový experiment – experiment, ve kterém je zahrnut pouze jeden faktor z hlediska jednoho vlivu na odezvu;
− úplný faktorový experiment – experiment složený ze všech možných pokusů vytvořený ze dvou, či více faktorů, kdy každý z nich je na dvou nebo více úrovních;
4
− částečný faktorový experiment – experiment skládající se z podmnožiny úplného faktorového plánu. Částečné faktorové experimenty dělíme do tří skupin: poloviční plány, saturované plány a plány středové. [13]
1.1.2 Historie a jména spjata s DOE
Vznik plánování experimentů se datuje k počátku 20. století, kdy anglický matematik Ronald Fishcher položil při svém výzkumu základy pro analýzu rozptylu a plánování experimentů. Svou práci shrnul do knihy „Statistické metody pro výzkumné pracovníky“.
Statistik George E. P. Box navrhl v 70. letech několik modelů experimentu, např. Box – Jenkinsův model a Box – Coxovu transformaci.
Dalším odborníkem v oblasti statistiky a kvality je Douglas C. Montgomery, který je autorem jedenácti knih a mnoha odborných článků. V roce 1976 vydal knihu „Design and Analysis od Experiments“, která je úzce spjata s oblastí plánování experimentů a odráží metody používané v autorově praxi.
Srozumitelnější přiblížení DOE veřejnosti dosáhl japonský statistik Genichi Taguchi, který prosadil statistiky navržený experiment do průmyslové praxe. Taguchiho metody jsou hojně využívány v Japonsku a USA, v České republice se s jeho metodami setkáváme poprvé v 90. létech v automobilovém průmyslu.
1.1.3 Využití plánovaného experimentu
Plánovaný experiment lze vnímat jako část vědeckého procesu a postup, který nám umožňuje zjistit jak proces nebo systém funguje. Na základě získaných dat z vykonaného experimentu ustanovujeme nové předpoklady, které vedou k novým plánovaným experimentům.
Ve fázi vývoje má využití plánovaného experimentu kladné dopady na:
− zvýšení výtěžnosti procesu
− redukce variability a shoda s nominálními požadavky
− snížení času potřebného pro vývoj
− zvýšení zisku a návratnosti investice
− redukce celkových nákladů.
V dnešní výrobní praxi slouží plánovaný experiment k porozumění procesům v prostředí podniku a k získání lepších znalostí o procesu, a je chápán jako série testů, kterými získáme kvantifikovatelné údaje.
5 1.1.4 Experimentální proměnné
Faktorem se rozumí vstupní veličina Xn, jejíž hodnoty během experimentu měníme nebo kontrolujeme.
Faktory se dělí na kvalitativní – stroj, operátor, dodavatel, nebo kvantitativní – teplota, rychlost, čas.
V případě kvalitativních faktorů jsou tyto úrovně vymezeny slovně, kdežto u kvantitativních faktorů se volí obvykle dvě nebo tři úrovně z intervalu, který je povolen technologickým předpisem.
Výstupní veličina Y, jejíž změnu při změnách nastavení faktorů pozorujeme, se nazývá odezva, která bývá spojitá, měřitelná - jako např. počet či podíl neshodných produktů a neshod, rozměr daného produktu, doba trvání procesu aj. [15]
1.1.5 Vlivy nezahrnuté do experimentu
Příčinou toho, že se hodnoty odezvy naměřené při zkouškách v rámci experimentu liší, mohu být jednak změny úrovní faktorů, ale projevuje se také vliv veličin, které nebyly zahrnuty do experimentu. Nezahrnuté veličiny pak mohou působit náhodně, či systematicky.
[13]
Náhodný vliv se vyskytuje zejména při opakování zkoušek za stejných, konstantních, experimentálních podmínek, tj. při stejných kombinacích úrovní faktorů, které byly zahrnuty do experimentu, při provádění experimentu na jedné směně. Projevy náhodné složky se nazývají jako experimentální chyby, které vykazují určitou variabilitu. Pří vyhodnocování výsledků získaných experimentem oddělujeme variabilitu způsobenou vlivem zkoumaných faktorů od variability náhodné, a to pomocí statistických testů, jejichž účinnost je ovlivněna tím, že náhodná variabilita nesmí být příliš velká. [15]
Systematický vliv se projevuje jako trend v naměřených hodnotách, trend však nemusí být v důsledku střídání úrovní zkoumaných faktorů ihned patrný a při nevhodném postupu experimentování může ovlivnit výsledky analýzy. Příkladem systematického vlivu je použití nevhodné měřící metody, nepřesného měřidla.
Jelikož v průběhu experimentu mimo laboratoř je udržení neměnných podmínek takřka nemožné, lze však vhodným uspořádáním zkoušek některé negativní vlivy eliminovat.
[15]
1.1.6 Faktorový experiment
Faktorový experiment je vhodný ke zkoumání více faktorů najednou a umožňuje sledovat interakce mezi faktory.
6
Faktory, které zahrneme do experimentu, mohou mít dvě a více úrovní. Protože se počet zkoušek s rostoucím počtem úrovní faktorů zvětšuje, je doporučeno v první fázi experimentování volit u všech faktorů jen dvě úrovně. Při velkém počtu faktorů se počet zkoušek dá zkrátit na polovinu, čtvrtinu atd.
V úplném faktorovém experimentu na dvou úrovních, značeném 2k, zahrnujeme všechny možné kombinace úrovní faktorů, v částečném faktorovém experimentu na dvou úrovních 2k-p některé kombinace vynecháváme.
1.1.6.1 Úplný faktorový plán na dvou úrovních
Plánovaný experiment se řídí plánem experimentu, který stanovuje počet a pořadí jednotlivých pokusů.
Sestavení plánu experimentu bude ukázáno na následujícím, smyšleném příkladě: Pekárna se v rámci úspor snaží minimalizovat dobu pečení chleba (min). Dobu pečení chleba ovlivňují zejména tyto dva faktory: A - hmotnost chleba v syrovém stavu (g) a B - teplota pece v průběhu pečení (°C). Seznam faktorů včetně úrovní se nachází v tab. 1.
Tab. 1: Seznam faktorů a úrovní
Faktor Označení faktoru Dolní úroveň – „-„ Horní úroveň – „+“
Hmotnost chleba A 500 800
Teplota pece B 190 220
K sestavení plánu experimentu je zapotřebí znát počet opakování pokusů n, což se vypočítá jako n = 2k, kde k počet faktorů, v našem případě n = 22, tudíž bude pokus opakován čtyřikrát.
Počet opakování se zvyšujícím se počtem faktorů roste exponenciálně a pro větší počet faktorů se plán stává neefektivní, neboť narůstá počet opakování pokusu, s čím souvisí i náklady na opakované pokusy a časová náročnost provádění opakovaných pokusů.
Nyní v tab. 2 bude sestaven úplný faktorový plán na dvou úrovních:
Tab. 2: Plán experimentu v reálných proměnných Pokus A B
1 500 190 2 800 190 3 500 220 4 800 220
7
Následně, v tab. 3, bude plán experimentu zapsán pomocí kódovaných proměnných, které se značí znaménky „+“ pro horní a „-“ pro dolní úroveň.
Tab. 3: Plán experimentu v kódovaných proměnných Pokus A B
1 - -
2 + -
3 - +
4 + +
Přepočet z reálných hodnot úrovní faktorů na kódované hodnoty se provádí dle následujícího vzorce (1): [11]
= −
(1) kde: … hodnota kódované proměnné
… proměnná x v původních jednotkách
… dolní úroveň x
… horní úroveň x. [11]
Dále se do úplného plánu faktoru zaznamenávají i tzv. interakce, které značí závislosti jednoho faktoru na druhém.
V ukázkovém případě se vyskytuje pouze jedna interakce – AB, jejíž hodnota se vypočítá jako součin hodnot, popř. znamének v odpovídajícím sloupci.
1.1.6.2 Efekt faktoru
Efekt faktoru je definován jako změna ukazatele Y, která je zapříčiněna přechodem tohoto faktoru s dolní úrovně na úroveň horní. [11]
K výpočtu efektu faktoru zapotřebí znát výsledky pokusu, které jsou zaznamenány v tab. 4.
Tab. 4: Plán experimentu včetně interakcí a výsledků pokusů Pokus A B AB Y1 Y2
1 - - + 45 42 43,5 2 + - - 65 60 62,5 3 - + - 30 37 33,5 4 + + + 45 48 46,5
8 Metody výpočtu efektu faktoru jsou následující:
− průměr rozdílů, jehož základem pro výpočet jsou rozdíly při přechodu z dolní úrovně na horní. Dále je třeba vypočítat průměr z těchto hodnot.
Výpočet pro faktor A:
62,5 – 43,5 = 19 46,5 – 33,5 = 13
Jelikož mám vypočítány tyto rozdíly, zprůměruji je a získám tak efekt faktoru A:
= 16
− rozdíl průměrů – zde, oproti předcházející metodě, je zapotřebí vypočítat nejprve průměry, následně pak rozdíly těchto průměrů. Matematicky lze tuto situaci zapsat následovně: (+) − (−)
Výpočet pro faktor A:
(+) = , , = 54,5
(−) = , , = 38,5
(+) − (−) = 54,5 − 38,5 = 16
− znaménková metoda – efekt faktorů vypočítáme jako sumu výsledků, zohledníme však znaménka „-„ a „+“. Získaná suma se dělí polovinou počtu pokusů. Matematicky lze výpočet popsat následovně: ∑
/ (2) Výpočet pro faktor A:
∑
/ = , ,/ , , = 16
− Yatesova metoda
− polovina regresních koeficientů. [11]
1.1.6.3 Grafické hodnocení efektu faktorů a interakci
Ke grafickému hodnocení efektu faktorů slouží výpočet efektu faktorů pomocí metody rozdíl průměrů, kdy efekt se vypočítá jako rozdíl (+) a (−).
Data pro konstrukci grafu pro faktor A jsou následující:
-1 1
38,5 54,5
9
Sestrojený úsečkový graf efektu faktoru A je pak níže, na obr. 2:
Obr. 2: Graf efektu faktoru A
Přímka grafu efektu faktoru je rostoucí, což značí, že při přechodu z dolní úrovně na horní úroveň faktoru efekt vzroste, klesající přímka naopak znamená pokles efektu. Nulový efekt pak odpovídá úsečce rovnoběžné s osou x.
Graf interakcí se skládá ze dvou přímek a sestrojuje se tehdy, když byly zjištěny některé významné interakce a známe – li výsledky měření. Sestrojuje se tak graf vlivu prvního faktoru na zvoleném ukazateli kvality (Y) v závislosti na druhém faktoru, dvě křivky pak reprezentují dolní a horní úroveň druhého faktoru.
1.1.6.4 Ověření významnosti efektu
Pakliže máme vypočítané efekty faktorů a interakcí, můžeme vyhodnotit, zda jsou tyto hodnoty významné – zda efekt faktoru má takový význam, že má významný vliv na ukazatel kvality Y.
K ověření významnosti efektu se používají následující způsoby: test, grafické hodnocení významnosti faktorů, hodnocení pomocí regresního modelu a ANOVA.
a. Test
1. Určení nulové (H0) a alternativní (HA) hypotézy H0 = efekt faktoru je bezvýznamný
HA = efekt faktoru je významný. [11]
0 10 20 30 40 50 60
-1 1
Efekt faktoru A
Efekt faktoru A
10 2. Výpočet testovacího kritéria
= (3) kde:
… odhad směrodatné odchylky efektu
= 4σ
n (4) 3. Určení kritické hodnoty
= ⋯ ( ) (5) kde:
n1,…, nk jsou počty opakování pokusů 4. Závěr testu
| | > ⋯ ( ) (6)
je zamítnuta nulová hypotéza H0 ve prospěch alternativní hypotézy HA, což značí, že efekt faktoru je významný. [11]
b. Grafické hodnocení významnosti faktorů
Ke grafickému hodnocení efektů faktorů se používá buď normální pravděpodobnostní graf, nebo Paretův diagram.
Normální pravděpodobnostní graf (NP graf) se sestrojuje tehdy, pokud se neprovádí opakování jednotlivých pokusů. Na vodorovnou osu X grafu se vynáší hodnota efektu, na svislou osu Y pak relativní kumulativní četnost Pi dle vzorce (7). Pro sestrojení grafu je doporučeno si sestavit jednoduchou tabulku, viz tab. 5, do které se efekty zaznamenávají v rostoucím pořadí. = ( , ) (7)
kde: i = 1,2,…, m
m …počet faktorů a interakcí.
Tab. 5: Výpočty pro sestrojení NP grafu
Pořadí 1 2 3
Hodnota efektu -13 -3 16
Faktor B AB A
Pi 16,66 50 83,33
11
Obr. 3: Grafické hodnocení významu faktoru
Ty faktory, které se nacházejí výrazně mimo hlavní linii představující distribuční funkci normálního rozdělení, se považují za významné. Z obr. 3 vyplývá, že faktory A a B leží výrazně mimo linii a jsou tak statisticky významní.
Paretův diagram jednoznačně odhaluje, jaké faktory a jejich interakce významně ovlivňují sledovaný znak kvality. Paretův diagram je vhodné vytvářet pomocí software, neboť ten určí i hranici významnosti, na základě které určíme, které faktory a interakce jsou významné. Za významné se považují ty, jejichž sloupec překročí hranici významnosti. Z obr.
4 vyplývá, že faktor A a B překračují hranici významnosti.
Obr. 4: Paretův diagram – grafické hodnocení významnosti efektu
7,5 5,0
2,5 0,0
-2,5 -5,0
99
95 90 80 70 60 50 40 30 20 10 5
1
Hodnota efektu
Pi
B
A
Term
AB B A
7 6
5 4
3 2
1 0
A A
B B
Factor Name
Standardized Effect
2,776
Pareto Chart of the Standardized Effects (response is C7; α = 0,05)
12 c. Regresní model
Rozlišujeme tři různé typy modelů – lineární, úplný kvadratický a neúplný kvadratický.
Lineární model se využívá zejména pro modelování malých oblastí a jeho koeficienty se dají vypočítat pomocí efektů nebo metodou nejmenších čtverců. Tvar lineárního modelu je následující: [11]
= + + (8) kde: =
… polovina daného efektu. [11]
Úplný kvadratický model se používá pro modelování komplikovaných tvarů závislostí.
Koeficienty se počítají pomocí kombinovaného plánu, tříúrovňového plánu a Box – Behnkenova plánu. [11]
= + + + + + (9)
Neúplný kvadratický model, jehož koeficienty se spočítají pomocí efektů a metodou nejmenších čtverců, má následující rovnici: [11]
= + + + (10)
d. ANOVA
Postup pomocí analýzy rozptylu nebude zde detailněji popsán, nejčastěji se řeší pomocí software. Zde je důležité vědět, že pokud hodnota P – value daného faktoru (popř. interakce) přesahuje hladinu významnosti α = 0,05, pak je faktor (popř. interakce) významná.
Cílem vzorového příkladu bylo ilustrovat sestavení plánu experimentu v reálných a kódovaných proměnných, ukázat postup výpočtu efektu faktoru včetně grafického hodnocení.
Dále poskytnout teoretické základy k ověření významnosti efektu, z toho grafické hodnocení bylo předvedeno i prakticky. Závěrem ilustračního příkladu lze konstatovat: chtěla – li pekárna minimalizovat dobu pečení chleba, musí být faktor A - hmotnost chleba, nastaven na dolní úroveň (viz obr.2), tj. 500 gramů a jelikož je efekt faktoru B záporný, je zapotřebí faktor B – teplota pece nastavit na horní úroveň – 220°C.
13
1.2 Vst ř ikování plast ů
Vstřikování plastů je nejpoužívanější technologií pro zpracování termoplastických elastomerů, termoplastů, polymerních směsí, kompozitů a je vhodná pro sériovou a hromadnou výrobu.
Vstřikováním se vyrábějí jak finální výrobky, ale také polotovary nebo díly určené k dalšímu opracování a kompletování. Hmotnost vstřikovaných dílů může být menší než 0,1 gramů, ale může dosahovat hmotnosti řádově v kilogramech.
Mezi výhody technologie vstřikování plastů se řadí vysoká rozměrová a tvarová přesnost výrobků, vysoká kvalita výrobků a velmi krátké výrobní cykly. Naopak nevýhodou jsou vysoké pořizovací náklady vstřikovacího stroje a forem.
1.2.1 Historie vstřikování
Počátek vstřikování plastů sahá do 19. století, je spojen s bratry Johnem Wesleyem a Izákem Hyattovými a s náhodným objevem prvního termoplastu - celuloidu, což byl nitrát celulózy rozpuštěný v alkoholovém roztoku kafru.
Na zpracování tohoto materiálu vynalezli bratři Hyattové zařízení, sestavené s párou vytápěného válce s hydraulickým pístem ve vertikální poloze a tryskou, umístěnou kolmo na osu válce a dosedající na dvoudílnou ocelovou formu, která byla uzavíratelná druhým hydraulickým válcem. Na takto vyrobeném vstřikovacím stroji byly vyrobeny první výstřiky:
nirátem celulózy byly obstřikovány kovové přezky pro potřeby americké armády a dřevěná jádra štětek na holení. [4]
1.2.2 Popis technologie vstřikování plastů
Vstřikování je technologie zpracování plastů a kompozitů, při které je zpracovávaný materiál ve formě taveniny vstřiknut pomocí šneku nebo pístu velkou rychlostí z plastikační (tavící) komory do uzavřené dutiny, většinou kovové vstřikovací formy, kde v důsledku chlazení ztuhne v konečný výrobek. [1]
Kvalita finálního výrobku je ovlivněna jednak druhem plastu, ale také konstrukcí vstřikovací formy, volbou vstřikovacího stroje a technologickými parametry.
Proces vstřikování plastů lze rozdělit do devíti fází:
1. uzavírání formy a vyvolání uzavírací síly;
2. příjezd vstřikovací jednotky k formě a vyvolání přítlaku;
3. vstřikovací, plnící a kompresní fáze;
4. přepnutí vstřikovacího tlaku na dotlak;
14 5. dotlaková fáze;
6. chlazení výstřiku;
7. odjezd vstřikovací jednotky od formy;
8. otevření formy;
9. vyhození nebo vyjmutí výstřiku z formy. [3]
Princip technologie vstřikování probíhá následovně: plast (nejčastěji v podobě vysušených granulí) nebo recyklát je nasypán do násypky, z níž je odebírán šnekem (pracovní částí vstřikovacího stroje), který hmotu dopravuje do tavící komory, kde za účinku tření a topení plast taje a vzniká tak tavenina. Následně je tavenina vstřikována do dutiny formy, kdy po zaplnění získá její tvar a objem. Vlivem chladnutí taveniny dochází ke smrštění výstřiku, dále proto následuje fáze dotlaku, která zabraňuje vzniku propadlin. Poté se forma otevře, výrobek je vyhozen a výrobní proces se cyklicky opakuje. Celý proces je schematicky znázorněn na obr. 5. [1]
Obr. 5: Princip technologie vstřikování [2]
1.2.3 Vstřikovací stroje
Vstřikování probíhá většinou na moderních, plně automatických strojích, které dosahují vysoké produktivity. Jelikož je pořizovací cena jak vstřikovacího stroje, tak i formy vysoká, je tato technologie vhodná především pro hromadnou a velkosériovou výrobu. [3]
Vstřikovací stroj je složen ze vstřikovací a uzavírací jednotky, a z řízení a regulace.
Každý výrobce je schopen dovybavit stroj takovými komponenty, např. manipulátory, roboty,
15
sušárnami tak, aby plnil funkci automatizovaného nebo částečně automatizovaného pracoviště. Schéma vstřikovacího stroje je znázorněna na obr. 6. [3]
Vstřikovací jednotka má za úkol přeměňovat granulát plastu na homogenní taveninu, vstřikovat taveninu vysokou rychlostí a velkým tlakem do dutiny formy. Nyní se používají vstřikovací stroje se šnekovou jednotkou, které nahradily jednotku pístovou. Mezi výhody těchto šnekových strojů se řadí spolehlivá plastikace a homogenizace roztaveného plastu, zabránění přehřívání plastu v tavící komoře, přesné dávkování hmoty, ale také zkrácení výrobního cyklu, možnost barvení hmoty a přidávání přísad až při zpracování. [3]
Uzavírací jednotka má za úkol otevírat a zavírat formu podle procesu vstřikování a zajistit uzavření formy takovou silou, aby se při procesu vstřikování neotevřela. V současnosti jsou používány hydraulické, mechanické, kombinace hydraulického a mechanické způsobu, i elektrické uzavírací systémy. [3]
Úkolem řídící jednotky je starat se o celkový chod procesu vstřikování, jako je nastavení teplot, časů a tlaků.
Vstřikovací a uzavírací jednotka mají vůči sobě jistou polohu, nejčastěji horizontální polohu vstřikovací i uzavírací jednotky, kdy vstřikování probíhá kolmo na dělící rovinu formy. [3]
Obr. 6: Schéma vstřikovacího stroje [5]
1.2.4 Vstřikovací formy
Vstřikovací formy musí splňovat určité požadavky – odolávat vysokým tlakům, poskytovat výrobky o požadovaných rozměrech, umožnit snadné vyjmutí výrobku z formy a pracovat spolehlivě po celou dobu své životnosti. [3]
Konstrukce a výroba vstřikovacích forem není náročná jen finančně, ale také znalostně, kdy při konstrukci formy je důležité stanovit rozměry a výrobní tolerance
16
tvarových částí, kdy je rozhodující smrštění. Při volbě materiálu formy je brán v potaz druh zpracovávaného plastu, velikost a složitost výrobku, také velikost série a tepelné odolnosti a odolnosti proti opotřebení a korozi. [3]
Vstřikovací forma je složena z dílů, které vymezují tvarovou dutinu formy, a to z:
− chladicího (temperačního) systému – systém kanálů a dutin, které umožňují přestup a prostup tepla z taveniny do formy a temperovací kapaliny. Je žádoucí, aby se hmota, která je ochlazována pomocí chladícího média, ochlazovala ve všech místech rovnoměrně. V důsledku nerovnoměrného ochlazování se výrobek deformuje, nebo vznikají trhliny.;
− vtokového systému – systém kanálů, jehož úkolem je zajišťovat správné naplnění dutiny, snadné odtržení od výstřiku a snadné vyhození vtokového zbytku. Vtokový systém je navrhnut podle počtu tvarových dutin, podle jejich rozmístění. Vtokový systém nejvíce ovlivňuje kvalitu výstřiku.;
− vyhazovacího systému – systém je potřebný z důvodu smršťování výrobku při ochlazování, zůstávají pak na tvarových součástech formy. Vyhazování probíhá převážně mechanicky pomocí tzv. vyhazovacích kolíků.
− upínacích a vodicích elementů. [3]
Jednotlivé části vstřikovacích forem lze rozdělit do dvou skupin: na části konstrukční, zabezpečující správnou činnost nástroje a části funkční, které se stýkají s tvářeným materiálem a udělují mu požadovaný tvar. Řez vstřikovací formou je vyobrazen na obr. 7. [3]
Obr. 7: Řez vstřikovací formou [19]
17 1.2.5 Vady výstřiků
Vadu výstřiku lze popsat jako defekt, jimž se daný výstřik odlišuje vzhledem, tvarem, mechanickými nebo fyzikálními vlastnostmi od předem stanoveného standardu specifikovaného výkresem, referenčním vzorkem. [5]
K odstranění vzniklé vady je třeba znát její příčinu. Možné příčiny vzniku vad jsou popsány v kapitole 1.1.5.1.
1.2.5.1 Příčiny vzniku vad
Změna jednoho nebo více technologických parametrů je nejjednodušší a také nejméně nákladný způsob, jak odstranit vadu. Pokud vadu nelze takto odstranit, je třeba identifikovat příčinu a provést nápravu.
Výčet nejčastějších příčin vzniku vad se nachází níže.
Konstrukce vstřikovací formy:
Příčinou velkého počtu vad je nesprávná konstrukce formy, tuto vadu však nejde odstranit změnou technologických parametrů. Jednou z příčin této vady je nedostatečná tuhost formy, která může být zapříčiněna buď konstrukční chybou, špatným výběrem materiálu formy nebo tepelného zpracování. Další z příčin je nesprávně zvolený tvar a umístění vtokové soustavy, zde je nutno hledat kompromis mezi reologickými požadavky a výrobními požadavky. Zdrojem vad bývá také neodvzdušnění tvarové dutiny formy a chybně zvolený vyhazovací systém. [7]
Konstrukce vstřikovaného dílu:
Při návrhu plastového produktu je třeba se vyvarovat velkým změnám tloušťek stěny, nahromadění materiálu a velkých rovných ploch.
Platí několik zásad, jak se vyvarovat vadám při návrhu plastového výrobku:
1. volit co nejmenší tloušťky stěny
2. při změně tloušťky stěny vytvořit postupný přechod 3. vyvarovat se rovných povrchů
4. volit design vhodný pro plasty – rozdíly oproti kovům 5. brát na zřetel umístění vtoku během návrhu
6. rohy a hrany opatři rádiusy
7. respektovat vlastnosti plastů při geometrii výřezů a otvorů 8. tolerance nevolit menší, než je nutné. [7]
18 Vstřikovací stroj:
Předpokládáme kvalitní konstrukci vstřikovací a uzavírací jednotky a bezvadnou funkci řídicího systému.
Nejčastějším zdrojem vad bývá opotřebení funkčních částí vstřikovací jednotky, např. uzávěr šneku netěsní, tryska podtéká a vyhození výstřiku z formy je tak obtížné. K vadám výstřiku v důsledku vstřikovacího stroje se řadí i poruchové topení jednotlivých pásem vstřikovací jednotky, což vede k teplotní a viskozitní nehomogenně. [7]
Vstřikovaný polymer:
Reologický charakter vstřikovaného polymeru může být zdrojem především vzhledových vad, ojediněle může ovlivnit i mechanické vlastnosti výstřiku. Zdroji vad mohou být i špatná tepelná stabilita polymeru v důsledku různých aditiv, zvýšení obsahu těkavých látek, ale také nevhodný tvar granulí, drtě a přidávaných aditiv, jako jsou například barevné koncentráty. [7]
Technologické parametry:
Nevhodné nastavení teologických parametrů může vyvolat vady povrchu, tvaru i vady skryté. Výhodou takto způsobených vad je snadné odstranění změnou jednoho nebo více technologických parametrů. Přednostně volíme změnu parametrů s okamžitou reakcí, tj. tlaky, rychlosti, časy, otáčky šneku, pokud však tyto změny nevedou k odstranění vad, měníme také teploty (taveniny a formy), což žádá více vstřikovacích cyklů k ustálení procesu. [7]
1.2.5.2 Druhy vad
Vady výstřiků rozlišujeme na vady zjevné a vady skryté. Zjevné vady lze dále dělit do dvou skupin, a to vady vzhledové a vady tvarové.
Na výsledné kvalitě plastových výrobků se odráží i jejich design, chceme eliminovat zjevné vady. Vady vzhledové sice nijak výrazně neovlivňují vlastnosti vyráběného produktu, výjimku tvoří studené spoje a stopy po volném proudu taveniny, které jsou popsány níže. Je nutné poznamenat, že největší nároky na kvalitu povrchu klademe u pohledových dílů vyráběných pro automobilový průmysl, zejména pro světla automobilů, kdy tolerance i drobných vzhledových vad je takřka nulová. Vady tvarové jsou zajisté velkým problémem při výrobě vstřikovaných výrobků, vznikají v důsledku nesprávného fungování výrobního procesu. Vadu tvaru lze definovat jako defekt, kdy rozměry a tvar dílu neodpovídají dané výkresové dokumentaci nebo referenčnímu vzorku. [9]
19
Vady skryté nelze odhalit vizuální kontrolou, zde se kvalita daného výstřiku zkouší pomocí vhodných destruktivních a nedestruktivních laboratorních metod. Vady skryté lze označit jako obzvláště nebezpečné, neboť je nelze odhalit na první pohled a negativně ovlivňují zejména pevnost plastového výrobku. [9]
1. Vady zjevné
a. vady vzhledové:
− Studený spoj
Studený spoj, na obr. 8, je jedna z nejproblematičtějších vad vůbec. Projevuje se jako vada vzhledová, především však v jejím důsledku dochází k pevnostnímu zeslabení výstřiku.
Studené spoje vznikají tak, že hlavní proud taveniny vyplňující tvarovou dutinu formy se rozdělí tvarovými prvky (např. jádry) na dva nebo více toků a znovu se spojí buď čelně (primární studený spoj) nebo bočně či tangenciálně (sekundární studený spoj). Mezi hlavní příčiny vzniku se řadí nízký dotlak a nízká teplota taveniny.
Se studeným spojem úzce souvisí další dva defekty – meandrový tok a dieselefekt. [7]
Obr. 8: Studený spoj [7]
− Tmavé body a šmouhy na povrchu výstřiku
Pozorujeme – li na povrhu výstřiku tmavé body a šmouhy, jedná se o částice jiného materiálu, tzv. vměstky, které se odlišují od vstřikovaného polymeru, viz obr 9. Může se jednat o prach, přepálený materiál nebo rez.
Vada je viditelná především na světlých odstínech materiálů. [7]
20
Obr. 9: Tmavé body na povrchu výstřiku [7]
− Tokové čáry
Tokové čáry, zobrazené na obr. 10, představují soustavu čar na povrhu výstřiku, které se od okolí liší barevným odstínem, i když se jedná o stejný druh plastu. Obvykle se vyskytují v okolí ústí vtoku a mají tak charakter toku taveniny do dutiny formy.
Příčinou vzniku jsou nízká teplota taveniny, vysoká vstřikovací rychlost, nebo nízká teplota formy. [7]
Obr. 10: Tokové čáry [7]
− Rýhovaný povrch
Rýhovaný povrch, který svou strukturou může připomínat vzhled gramofonové desky, nebo také pórovitý povrch, který vzhledově připomíná pomerančovou kůru, je zapříčiněn příliš velkým odporem v dutině formy vznikajícím v plnící fázi, tavenina tak vtéká do formy pulsovně, ne plynule. [7]
Kromě výše zmiňovaných vad rozlišujeme i další vzhledové vady, jako např. stříbření, stopy po vlhkosti a vzduchu.
21 b. vady tvarové:
− Meandrový tok
Meandrový tok neboli kresba po volném proudu taveniny, je tvarová vada, která je opět doprovázena pevnostním zeslabením.
Vzniká v důsledku nevhodné konstrukce a umístění vtokového systému, nízké teploty taveniny, ale také kvůli vysokému vstřikovacímu dotlaku. [9]
Vadu lze vidět na obr. 11.
Obr. 11: Meandrový tok [7]
− Spálená místa – dieselefekt
K místní degradaci či spálení materiálu dochází v důsledku zbytků vzduchu ve formě, který se nepodařilo při plnění formy taveninou odstranit.
V místech, kde se vzduch stále vyskytuje, vznikají nedoplněná místa a tmavé stopy po spáleném materiálu, viz obr. 12.
K odstranění této vady je nutno realizovat odvzdušňovací kanálky, jejichž hloubka závisí jednak na zpracovávaném polymeru, ale také na technologických podmínkách vstřikování. [7]
− Otřepy a přetoky
Otřepy a přetoky vznikají v většinou v dělící rovině formy.
Příčinou vzniku této vady je nedostate vysoký dotlak, nebo netěsnost formy.
− Neúplné výstřiky
Příčinou vzniku neúplných výst technologické podmínky, neč
důvodů taveniny nevyplní tvarovou dutinu celou a vzniknou tak prázdná místa.
22
Obr. 12: Dieselefekt [7]
řetoky vznikají v důsledku úniku roztaveného plastu z ě formy.
inou vzniku této vady je nedostatečná uzavírací síla stroje, ěsnost formy. Otřepy jsou znázorněny na obr. 13
Obr. 13: Otřep [8]
inou vzniku neúplných výstřiků může být malá dávka taveniny, nevhodné , nečistoty ve formě, nebo nesprávně navržený tvar formy. Z
taveniny nevyplní tvarovou dutinu celou a vzniknou tak prázdná místa.
sledku úniku roztaveného plastu z dutiny formy,
ná uzavírací síla stroje, teplota taveniny, 13. [8]
že být malá dávka taveniny, nevhodné ě navržený tvar formy. Z těchto taveniny nevyplní tvarovou dutinu celou a vzniknou tak prázdná místa. [8]
23
− Propadliny
Propadliny vznikají v důsledku smrštění materiálu při tuhnutí, vyskytují se především tam, kde je hmota naakumulována a plast tak chladne pomaleji, viz obr. 14. [8]
Obr. 14: Propadlina [3]
2. Vady skryté
− Vnitřní pnutí
Vnitřní pnutí je stav napjatosti, který je vyvolaný deformacemi vlivem nerovnoměrných objemových změn při vstřikování. [8]
Je ovlivňováno zejména teplotami taveniny a vstřikovací formy, dále pak vstřikovacím tlakem, rychlostí plnění formy. [8]
Příčiny vzniku je třeba hledat v konstrukci samotného výstřiku či vstřikovací formy, ve vstřikovaném materiálu, nebo v samotné technologii vstřikování. [8]
− Vakuové bubliny
Vakuové bubliny neboli lunkry, vznikají v místech větší tloušťky stěny a jsou to uzavřené, vzduchoprázdné duté prostory uvnitř průřezu stěny výstřiku.
Vznikají z důvodu rychlejšího chladnutí polymerní taveniny na stykové ploše s povrchem dutiny formy, kdy vznikne pevný obal - krunýř, kdežto vnitřní partie výstřiku chladnou pomaleji a jsou delší dobu v plastickém stavu. Během dalšího tuhnutí se smršťují směrem ke krunýři, nakonec ve středové rovině se materiál rozestoupí a vytvoří tak dutinu.
Tyto vady jsou vizuálně odhalitelné pouze u průhledných plastů, v případě neprůhledných je lze odhalit pouze při destruktivních zkouškách, nebo ultrazvukem. [6]
24
1.2.6 CAE systémy pro vstřikování plastů s podporou DOE
Jelikož plánovaný experiment je metoda složitější, navíc časově náročná, navíc se nacházíme v období Průmyslu 4.0, s čímž je spojen i termín Big Data, stojí za zmínku CAE systémy, které umožňují posílit konkurenceschopnost podniku.
CAE systémy lze charakterizovat jako počítačový software pro usnadnění analýzy.
Tyto systémy jsou rozšířené zejména v oblasti automobilového průmyslu a jejich velkou výhodou je simulace konečného výrobku, včetně optimalizace jeho i celého výrobního procesu.
Jednotlivé procesy v CAE se dělí na tři základní části:
a. definování modelu a faktorů, zejména prostředí, které se k danému modelu vztahují
b. řešení analýzy
c. zpracování výsledků pomocí vizuálních nástrojů. [22]
Na českém trhu jsou k dispozici mj. následující tři software pro vstřikování plastů, jejichž obsahem je i modul DOE:
− Autodesk Simulation Moldflow – nástroj pro simulaci vstřikovacího procesu – toku taveniny, vtokového systému, chlazení formy, smrštění a deformace; umožňuje tak konstruktérům forem a dílů vytvořit nejpřesnější digitální prototyp finálního produktu v požadované kvalitě s vynaložením co nejnižších nákladů. [20]
− CADMould Varimos - systém Varimos simuluje systematicky a kompletně nejrůznější scénáře a poznatky z procesu vstřikování plastů, všechny výsledky simulací shromažďuje a automaticky analyzuje, vzniká tak rozsáhlý soubor znalostí, což je základem k dosažení co nejlepších výsledků. Varimos umožňuje kombinovat jednotlivé faktory virtuálně tak, jako by reálně prováděl seřizovač, popř. technolog při náběhu výroby. Po nalezení optimální varianty se vyhodnocuje, zda nalezená varianta nemá negativní dopad na jiné parametry výlisku, které nebyly optimalizovány. Ve zkratce lze říci, že se jedná o „virtuální plánovaný experiment“.
[21]
− Moldex 3D – simuluje proces vstřikování plastů včetně optimalizace designu výrobku, zhodnocení vyrobitelnosti, 3D analýzy formy, slouží ke zkoumání nežádoucích jevů při vstřikování. Moldex 3D patří mezi špičku CAE produktů pro proces vstřikování plastů.[22]
2 Charakteristika
Společnost United Polymers
členem Moravskoslezského automobilového klastru.
V současné době zamě automobilového průmyslu
Porsche, Jaguar, BMW, Škoda, Suzuki, Renault, Peugeot, Bentley, Opel, Hyundai, Kia, a to na různých montážních skupinách
pedály, palubní deska, loketní
Z 28% své výrobky exportuje, p a Ruska. [18]
Organizační schéma spole střediscích se nachází na obr. 15.
Obr.
2.1 Historie spole
Níže jsou vypsány dů
− 1999 – zahájení výroby v CZ),
− 2000 – podíl většinového vlastníka Precision Cut Rubber byl koupen firmou United Polymers, změna názvu na United Polymers s.r.o.,
− 2002 – zakoupení nemovitostí (pozemky, budovy), rekonstrukce budov a výstavba nové výrobní haly, zahájení výroby pryžových díl
− 2004 – 90% anglický podíl je získán novým investorem z GB, ponechán název United Polymers,
− 2013 – zprovoznění nové skladovací haly (400 m
− 2014 – změna vlastnické struktury 25
Charakteristika spole č nosti United Polymers
nost United Polymers s.r.o. je ryze česká společnost, sídlící v lenem Moravskoslezského automobilového klastru.
ě zaměstnává okolo 120 zaměstnanců a 92% své produkce dodává ůmyslu. Výrobky společnosti lze najít na vozech zna
Porsche, Jaguar, BMW, Škoda, Suzuki, Renault, Peugeot, Bentley, Opel, Hyundai, Kia, a to zných montážních skupinách – např. světlomety, koncové svítilny, osv
pedály, palubní deska, loketní opěrky, klimatizace, chladič, startér, palivový systém 28% své výrobky exportuje, především na Slovensko, do Německa, ale také do
ní schéma společnosti, včetně zastoupení zaměstnanc zí na obr. 15.
Obr. 15: Organizační schéma společnosti [18]
spole č nosti
Níže jsou vypsány důležité milníky společnosti:
zahájení výroby v ČR jako firma Precision Cut Rubber, s.r.o. (90% GB, 10%
ětšinového vlastníka Precision Cut Rubber byl koupen firmou United ěna názvu na United Polymers s.r.o.,
zakoupení nemovitostí (pozemky, budovy), rekonstrukce budov a výstavba nové výrobní haly, zahájení výroby pryžových dílů,
anglický podíl je získán novým investorem z GB, ponechán název United
ění nové skladovací haly (400 m2),
ěna vlastnické struktury – 100% česká společnost. [18
nosti United Polymers s.r.o.
čnost, sídlící v Hranicích a je a 92% své produkce dodává do nosti lze najít na vozech značek Ford, VW, Porsche, Jaguar, BMW, Škoda, Suzuki, Renault, Peugeot, Bentley, Opel, Hyundai, Kia, a to tlomety, koncové svítilny, osvětlení interiéru,
, startér, palivový systém, aj.
ěmecka, ale také do Číny
ěstnanců na jednotlivých
R jako firma Precision Cut Rubber, s.r.o. (90% GB, 10%
tšinového vlastníka Precision Cut Rubber byl koupen firmou United
zakoupení nemovitostí (pozemky, budovy), rekonstrukce budov a výstavba
anglický podíl je získán novým investorem z GB, ponechán název United
8]
26
2.2 Výrobní program
Hlavním oborem činnosti společnosti je výroba pryžových a plastových dílů, především pro automobilový průmysl, vyráběných různými technologiemi:
− vysekávání
− vstřikování a lisování pryžových dílů
− vstřikování plastových dílů
− lepení vytlačovaných profilů
− laminování vytlačovaných profilů a plátů
− upichování pryžových plochých kroužků na soustruhu
− přestřik plastů pryží. [18]
Největší podíl na produkci společnosti mají vysekávané díly a lepená profilová těsnění (s nebo bez lepidla) – 40%, dále pak pryžové díly – 38%, plastové díly – 16% a soustružené díly – 6%. Objem produkce je graficky znázorněn na obr. 16.
Obr. 16: Objem produkce společnosti [18]
2.2.1 Vstřikování plastů ve společnosti
Jelikož se má diplomová práce bude týkat vstřikování plastů, je nutné se blíže seznámit s touto oblastí produkce společnosti.
Společnost se specializuje především na výrobu vstřikovaných dílů z následujících plastů:
− Termoplastické elastomery – TPV, SEBS
− Standardní plasty (PP, PE, PVC aj.)
Objem produkce
Vysekávané díly a lepená profilová těsnění
Pryžové díly
Plastové díly
Soustružené díly
27
− Konstrukční plasty (polykarbonáty aj.)
− Plasty lněné mastkem nebo sklem. [18]
Ukázka plastové produkce se nachází na obr. 17.
Obr. 17: Ukázka plastové produkce
Společnost United Polymers vlastní celkem 5 typů vstřikovacích strojů:
− Biraghi 150 – hydraulický
− Mitsubishi 280 - elektricky ovládaný
− Demag 100 - elektricky ovládaný
− Demag 420 – hydraulický
− Arburg 150 – hydraulický. [18]
Maximální rozměry formy, kterou lze upnout na vstřikovací lis jsou 700 x 700 mm.
[18]
2.3 Systém managementu kvality ve spole č nosti
Společnost je certifikovaná dle následujících systémůřízení kvality:
− IATF 16949:2016
− ČSN EN ISO 14001:2016. [18]
Společnost absolvovala řadu zákaznických auditů - Brano, Continental, Denso, Dura, Grupo Antolin, Hella, Linex, Mahle, Matador Automotive, Rossignol Galvanik, Varroc, Visteon, VW a mnoho dalších.
28
3 Praktická č ást 3.1 Popis produktu
Společnost United Polymers s.r.o. zavádí do sériové výroby produkt Bracket AB pro váženého zákazníka XY s.r.o, který je znázorněn na obr. 18.
Samotný název produktu nenapovídá nic o jeho účelu, produkt slouží k ochraně skla světlometu proti poškození od plechů karosérie, dále na základě ploškám s výstupky vytváří tzv. lokátor pro správné umístění světlometu na vozidle.
Produkt je vyráběn technologií vstřikování plastů z termoplastického elastomeru styrenového typu (TPS), materiál se někdy také značí jako SEBS.
Obr. 18: Analyzovaný produkt
3.2 Popis problému
Chceme li hodnotit kvalitu produktu vyrobeného technologií vstřikování plastů, která je popsána v kap. 1.2, posuzujeme zejména vizuálně výskyt vzhledových a tvarových vad.
Právě s vzhledovými a tvarovými vadami na povrchu produktu společnost neustále bojuje. Navíc, během 3D měření výrobku zjistili pracovníci kolísající také odchylku výšky jedné plošky, která slouží jako Poka - Yoke - ke správnému umístění světlometu na vozidle - jedná se o vadu zejména funkční. Ve 3D výkresu od zákazníka je specifikováno, že odchylka se má pohybovat v intervalu ±0,3mm, v některých případech je však odchylka mnohem větší.
29
Zákazník vyžaduje produkt, který splňuje jím zadané požadavky, navíc s neshodami vznikají náklady na interní a externí vady společnosti a vícenáklady na přepracování. Vady jako otřepy, jsou schopni operátoři odstranit manuálně po vyjetí dávky ze vstřikovacího stroje, jedná se však o časově náročné operace a tak se stává, že se operátorovi na pracovišti hromadí stále nové a nové zmetky.
Cílem každého výrobního procesu je vyprodukovat požadované množství, v požadovaném čase, v požadované kvalitě a s maximálním využitím kapacit.
Rozhodli jsme se na problém aplikovat DOE, jehož teoretické poznatky jsou popsány v kap. 1.1, abychom našli faktory, které významně ovlivňují výskyt vzhledových a tvarových vad a nastavili je na takové úrovně, aby výskyt vad byl minimální. Nastalo by tak zvýšení výtěžnosti procesu, redukce celkových nákladů, navíc bychom ulehčili práci i operátorům vstřikovacího stroje.
3.3 Odhalování neshod ve výrob ě
Zaměstnanci společnosti United Polymers s.r.o. jsou vedeni k efektivní samokontrole, kterou provádí obsluha stroje ihned po skončení dané výrobní operace. Výhodou samokontroly je, že i obsluha stroje je zainteresována v problematice kvality, navíc vede ke snížení nákladů, co se mezd kontrolorů týče.
Na každém pracovišti se vyskytuje katalog vad, ve kterém se nachází vizualizace a slovní popis vady, příčina vady a následné okamžité opatření, které má být provedeno při zajištění neshodného produktu.
Co se řízení neshodného produktu týká, po jeho zjištění, pokud není vada odstranitelná manuálně ihned, je produkt separován a označen červenou „STOP“ kartou. Dále je neshodný produkt přezkoumán týmem odborníků, který identifikuje pravděpodobné příčiny vzniku neshodného produktu a rozhodně o vypořádání neshody. Po vyčíslení nákladů, zejména vícenákladů na opravu či přepracování, se definují a zavádějí nápravná a preventivní opatření, kdy se v pravidelných intervalech – většinou 1x týdně kontroluje jejich účinnost.
3.4 Aplikace plánovaného experimentu
K definování vad, které se na daném produktu vyskytly během výroby, jsme použili brainstorming, který slouží k vygenerování co nejvíce nápadů, které se dané problematiky týkají.
Byl svolán multidisciplinární tým - členové týmu brainstormingu byli jednak technologové, kteří mají mnohaleté zkušenosti s problematikou vstřikování plastů, manažer
30
kvality, zástupce výrobce formy, ale také formaři společnosti a samotní operátoři, kteří se podílejí na výrobě zmiňovaného produktu.
3.4.1 Brainstorming Vizuální a tvarové vady
Cílem první části brainstormingu bylo, abychom definovali všechny vzhledové a tvarové vady, které se na zkoumaném produktu vyskytují, včetně jejich příčin. I když se odchylka výšky plošky řadí mezi tvarové vady, bude tato problematika řešena zvláštními úvahami.
Vady a jejich příčiny vzniku jsme hledali na straně technologických parametrů vstřikovacího stroje, a na straně formy, neboť samotný vstřikovací stroj prošel generální opravou a jeho bezvadná funkčnost byla vyzkoušena na jiném typu výrobku.
Grafické znázornění výstupů z brainstormingu je znázorněné na obr. č. 19, níže.
Obr. 19: Výsledky brainstormingu 1
Z brainstormingu vyplynulo celkem 5 druhů vzhledových a tvarových vad, včetně jejich příčin, na které bude aplikován DOE1.
Výška výstupku
Zvláštním úkolem brainstormingu byla otázka odchylky výšky plošky, výška plošky je znázorněna na obr. 20 červeně.
Na základě 3D výkresu od zákazníka, je povolená odchylka rozměrů ±0,3mm, mnohdy však reálné výstřiky tuto odchylku převyšují.
31
Obr. 20: Výška plošky
Opět byly stejným týmem definovány pravděpodobné příčiny vzniku vady, viz následující obrázek, obr. 21.
Obr. 21: Výsledky brainstormingu 2 Diskuse
Během závěrečné diskuse zástupce výrobce formy ihned kontroval příčiny: nevhodné místo vtoku, špatná konstrukce formy a nevhodné odvzdušnění formy, kdy odvzdušňovací kanály musí být a jsou místěny hlavně u místa dutiny vstřikovací formy, které je zaplněno jako poslední, navíc je odvzdušnění umístěno i v dělící rovině, tuto skutečnost potvrdil i formař společnosti.
Co se týká malé uzavírací síly formy, což způsobuje netěsnost formy, seřizovači umisťují preventivně na formu speciální upínáky – klipsy, které vedou k zajištění těsnosti formy. Pokud by užívání klipsů bylo nevhodné, projevilo by se to výskytem vady „spálená místa“.
32
Zástupci společnosti v týmu rozhodli, že příčiny vzniku vad budou hledány v technologickém nastavení stroje, resp. formy a budou nastavovány stejné parametry pro DOE 1 a DOE 2, dojde tak k úspoře času a nákladů.
Výsledkem brainstormingu je stanovení vstupů Xi, faktorů k, které budou zahrnuty v DOE, a to:
− dotlak
− teplota taveniny
− teplota formy.
Dle doporučení výrobce formy a materiálového listu požitého materiálu byly definovány úrovně jednotlivých faktorů, což lze vidět v tab. 6, které budou vstupovat do plánovaného experimentu.
Tab. 6: Nastavení úrovní faktorů
Faktor Označení faktoru Dolní úroveň Horní úroveň
Dotlak A 600 bar 1200 bar
Teplota taveniny B 180°C 220°C
Teplota formy C 30°C 60°C
Sledovaným výstupem Y z DOE 1 bude počet druhů vzhledových a tvarových vad, které se nacházejí na daném výstřiku během daného opakování pokusu, z DOE 2 pak odchylka výšky plošky.
Dále bude nalezeno optimální nastavení parametrů stroje tak, aby počet druhů vzhledových a tvarových vad byl minimální a aby odchylka výšky plošky s výstupkem byla 0
± 0,3mm.
3.4.2 Příprava experimentu
Ke grafickému znázornění experimentu byl sestaven procesní model na obr. 22, který slouží k jednoduché identifikaci vstupů do procesu, včetně výstupů, které budou analyzovány.
Obr. 22: Procesní model
33
K provedení experimentu byl k dispozici plně elektrický vstřikovací stroj Demag 100, znázorněný na obr. 23. Stroj, jak již bylo zmíněno výše, prošel generální opravou. Bylo zapotřebí na vstřikovací stroj nasadit formu, která odpovídá zkoumanému výrobku.
Obr. 23: Demag 100
K měření odchylky výšky plošky s výstupkem byl připraven a překontrolován portálový 3D měřící stroj značky Wenzel, typ LH87,viz obr. 24, s platnou kalibrací do 01/2020. Samotné měření prováděl specialista 3D měření.
Obr. 24: 3D měřící stroj Wenzel
34
Dle materiálového listu TPS – SEBS není sušení nutné, ale je doporučeno granulát sušit při teplotě 40 – 60°C 4 hodiny. Bylo zajištěno, že granulát použitého mateiálu pocházel z totožné šarže a nebyl mísen s recyklátem.
3.4.3 Provedení experimentu
V kapitole 3.4.1 byly definovány faktory a úrovně faktorů, které budou měněny na vstřikovacím stroji.
Jelikož jsme chtěli zabránit vlivu přebytečných šumů, byl experiment uskutečněn v jeden den na jedné směně, nastavování úrovní faktorů bylo realizováno jedním technologem a posuzování vizuálních vad prováděl operátor daného vstřikovacího stroje s pomocí manažera kvality - konzultanta diplomové práce a Bc. Adriany Dlabajové. Měření na 3D stroji však probíhalo den následující, vzorky byly na dobu 24 hodin uloženy v laboratoři, aby byly splněny požadavky na laboratorní podmínky měření.
Dalším krokem bylo sestavení úplného plánu experimentu na dvou úrovních.
Výsledný plán experimentu je zapsán jednak v reálných - tab. 7, ale také v kódovaných proměnných - tab. 8. Reálné proměnné byly zvoleny z důvodu snazší orientace technologa v hodnotách nastavení parametrů stroje, výhodnější je však zápis v kódovaných proměnných.
Jelikož DOE pracuje s principem náhodnosti, který je doporučován ve všech praktických příkladech, navíc výsledky experimentu mají být použity k provedení nápravných opatření, rozhodli jsme se plán experimentu znáhodnit pomocí SW Minitab, pomocí než budou data analyzována.
Počet pokusů n je roven 2k, k značí počet faktorů, v našem případě n = 23 = 8, provádíme však dvě replikace pokusu z důvodu větší spolehlivosti závěru, celkem tak bude provedeno 16 opakování pokusu.
Tab. 7: Plán experimentu v reálných proměnných
Pokus Faktor
A B C
1 600 180 30
2 1200 180 30
3 600 220 30
4 1200 220 30
5 600 180 60
6 1200 180 60
7 600 220 60
8 1200 220 60
35 Tab. 8: Plán experimentu v kódovaných proměnných
Pokus Faktor
A B C
1 - - -
2 + - -
3 - + -
4 + + -
5 - - +
6 + - +
7 - + +
8 + + +
Každý výstřik – vzorek byl označen předpřipravenými samolepkami ve tvaru α – β, kdy α udává pořadí pokusu, β za pomlčkou odhalí, zda výstřik pochází z prvního, či druhého opakování pokusu. Tyto samolepky byly nalepeny zespod vzorku.
Výstupy z DOE – počet druhů vad a odchylka výšky plošky byly zaznamenány do jednoduchého kontrolního listu na obr. 25, kde se zaznamenává jednak pořadí a opakování pokusu, především ale, zda se daný druh vada na výstřiku vyskytuje a jaká je odchylka výšky plošky.
Obr. 25: Kontrolní list
Závěrem byl proveden součet druhů vad, které se na daném výstřiku při daném pořadí a opakování pokusu nachází. Získané hodnoty, včetně odchylky výšky plošky, byly přeneseny do znáhodněného plánu experimentu v SW Minitab 17, což je znázorněno na obr. 26.
Úplný plán experimentu se získanými výsledky je uveden v tab. 9
36
Obr. 26: Znáhodněný plán experimentu
Tab. 9: Úplný plán experimentu v reálných proměnných s hodnotami výstupů.
Pokus Faktor DOE 1 - Vizuální vady DOE 2 – Odchylka
výšky plošky
A B C Y1 Y2 Y3 Y4
1 600 180 30 2 3 0,02 0,025
2 1200 180 30 3 3 -0,155 -0,228
3 602 220 30 1 0 -0,206 -0,198
4 1200 220 30 1 2 -0,199 -0,202
5 600 180 60 1 3 -0,271 -0,170
6 1200 180 60 2 1 -0,500 -0,299
7 600 220 60 2 2 -0,382 -0,283
8 1200 220 60 1 0 -0,319 -0,323
Reálné fotografie vzhledových a tvarových vad nejsou součástí diplomové práce, neboť se jedná o citlivá data společnosti.
Je nutno podotknout, že experiment byl proveden za reálných podmínek výrobních prostor společnosti a během opakování experimentu se na výstřicích jiné vady, než námi definované v brainstormingu, nevyskytly.
Jelikož sledovanými výstupy jsou počet druhů vad a odchylka výšky plošky s výstupkem, budou provedena dvě vyhodnocení experimentu – DOE 1 a DOE 2.
