Tworzywa sztuczne stają do walki

Nikt nie wykonuje wielkich, złożonych części z tworzyw sztucznych tak, jak John Deere

Firma John Deere w 2000 r. zaczęła stosować wielkie komponenty z tworzyw sztucznych dla produkowanego sprzętu rolniczego. Początek wiąże się z opracowaniem SMC oraz poliuretanowych powierzchniowych paneli obudów dla wielkich kombajnów STS.

Od tego czasu firma nie spoczęła na laurach, a ostatnio poszła nawet dalej, jeśli chodzi o wielkie elementy z tworzyw. Wykorzystuje je do produkcji nowych elementów traktorów i kombajnów, realizując z ich pomocą ważne cele projektowe, takie jak integracja funkcji, całość konstrukcji, estetyka oraz redukcja kosztów.

NOWE panele korpusu dla kombajnu STS firmy Deere stworzono w odpowiedzi na federalne wymagania dotyczące emisji spalin. Nowe panele – oraz całkowicie nowy kanał powietrzny na górze maszyny – zostały wykonane z PDCPD, alternatywy dla poliuretanu oraz SMC

Aby osiągnąć cele projektowe związane z tworzywami, inżynierowie z Deere oraz dostawcy firmy przyjęli niekonwencjonalne materiały i metody przetwarzania do produkcji swoich najbardziej innowacyjnych części. Na niektóre z tych części zwrócono uwagę podczas konferencji oraz konkursu projektów nowych produktów, przeprowadzonego przez Alliance of Plastics Processors w Columbus, Ohio.

Dach kabiny traktora

Wewnętrzny moduł dachu kabiny traktora do jednego z traktorów z instalacją klimatyzacyjną firmy Deere zdobył nagrodę za projekt w katewgorii maszyn rolniczych. Nietrudno dostrzec, dlaczego. Projektanci części poradzili sobie z integracją ponad dwunastu (!) funkcjonalnych elementów w tej pojedynczej części – włączając obudowy oraz punkty montażowe dla komponentów HVAC (ogrzewnictwo, wentylacja i klimatyzacja), radia, wewnętrznego i zewnętrznego oświetlenia oraz zewnętrznego dachu.

– Moduł dachu działa jako konstrukcyjny kręgosłup wewnętrznego systemu kabiny – zauważa Darin Grinsteinner, kierownik inżynierii partnera projektowego i wytwórcy form do części, firmy Composite Products Inc. (CPI)

Aby ta skomplikowana część ujrzała światło dzienne, wielką rolę odegrało przetwarzanie. CPI opracowała opatentowany proces formowania z bezpośrednim przenoszeniem sprężania, oznaczający, że w jednej zintegrowanej linii produkcyjnej przebiegają oba procesy – mieszania i formowania. Zwykle formowanie tłoczne rozpoczyna się od wstępnie spreparowanego półwyrobu z tworzywa, pochodzącego od dostawcy materiału.

Ten rodzaj zintegrowanego procesu, mimo iż niezbyt powszechny (w USA – przyp. redakcji), daje CPI ścisłą kontrolę nad formowanymi materiałami. W tym przypadku, dach traktora zbudowano z homopolimeru polipropylenu z 30- procentowym (wagowo) dodatkiem chemicznie powiązanych, półcalowych wzmocnień szklanych. Proces formowania z bezpośrednim przenoszeniem tłoczenia, który CPI nazywa „Advantage”, może dać również korzyści ekonomiczne – częściowo dlatego, że firma miesza tylko te składniki, które wymagane są dla danego elementu i nie inwestuje w drogie materiały, przygotowane na zamówienie.

Jednakże prawdziwym wyzwaniem, związanym z wytwarzaniem tej części, było nie tyle mieszanie, co… formowanie. Grinsteinner objaśnia, że część o wymiarach 120 x 150 cm zawiera bardzo cienkie, głębokie, trudne do wypełnienia elementy – takie jak żebra o wymiarach 27 x 1 mm. – Wiele z delikatnych, głęboko tłoczonych elementów po prostu nie mogłoby być formowanych przy użyciu innych metod formowania długich włókien, takich jak standardowe formowanie tłoczne – stwierdza.

Ścianki części miały przejścia od grubych do cienkich warstw, co sprawiało, że nominalne grubości ścianek zmieniały się od 1 mm do 7,5 mm, a w niektórych sekcjach miały nawet grubość 12,5 mm. I wreszcie, integracja funkcji oznacza również, że część zawierała liczne wymyślne elementy, które stanowiły wyzwanie dla wielu operacji formowania.

Pomimo trudności, CPI nie tylko wypełniła część, ale uczyniła to ze wspaniałym rozprowadzeniem wzmacniających włókien szklanych. Grinsteinner informuje, że testy CPI ujawniły, iż rozprowadzenie szkła w całej części utrzymane jest z dokładnością do 1 procenta.

Na powodzenie firmy w wykonywaniu tego trudnego podzespołu wpłynęły w dużej mierze własne metody formowania. Najważniejsza z nich wymagała użycia wielkiego centralnego otworu wtryskowego, przez który cały materiał wsadowy jest wprowadzany do wykończonej części. W przeciwieństwie do zwykłego systemu końcowego otworu wtryskowego oraz kanału doprowadzającego, ten centralny otwór wtryskowy składa się z „wstrzeliwującego kotła”, w gruncie rzeczy hydraulicznej platformy poniżej szczeliny pośrodku dolnej wnęki formy. Gdy podnosi się ona podczas procesu formowania, aby dostarczyć materiał, platforma ta w rzeczywistości tworzy część powierzchni dolnej wnęki.

Według Grinstaeinnera, technika centralnego otworu wtryskowego sprzyja, by najgłębsze, najcieńsze żebra tej części były wypełnione z niewielkim ścinaniem. Otwór wtryskowy wyeliminował również nadmiar materiału, który mógłby generować krańcowe otwory wtryskowe i kanał doprowadzający oraz uprościł konstrukcję oprzyrządowania. Grinsteinner szacuje, że metoda formowania ze środkowym otworem wtryskowym oszczędza około 10 procent kosztów materiałowych na jedną część, jak również zmniejsza o 10 procent koszt samych narzędzi.

Inne pomysłowe krzywizny narzędzia wymagały użycia dwuetapowego wtrysku do wydobycia z niego delikatnych żeber, dodania bocznego naciągania do tworzenia wymyślnych części oraz użycia technik zmniejszania grubości, w celu zaoszczędzenia materiału i skrócenia czasu stygnięcia.

Podczas gdy proces „Advantage” firmy CPI miał do tej pory największe zastosowanie do produkcji zewnętrznych części maszyn rolniczych i pojazdów, może on zostać użyty również do produkcji innych

elementów. Na przykład ostatnio CPI produkuje wnęki na torby do wózków golfowych, zderzaki oraz pokrywy akumulatorów.

Nowy asortyment paneli dla kombajnu

W konstrukcji kombajnu zbożowego STS firmy Deere już od ponad pięciu lat wierzchnie panele korpusu wykonywane są z tworzywa. Ponieważ okazało się, iż konieczne jest wprowadzenie nowych zmian, inżynierowie firmy musieli przerobić dwa istniejące panele i dodali całkowicie nowy komponent z tworzywa.

Jedną z przyczyn, która wymusiła zmianę, było zaostrzenie wymagań dotyczących emisji spalin przez silniki diesla. Według Briana Millera, szefa integracji łańcucha dostaw i konstruktora elementów niemetalicznych w Deere, nowe wymagania skutkowały potrzebą zwiększenia miejsca na platformie silnika o 45 cm (w porównaniu do poprzednich modeli). Ta konieczność wydłużenia spowodowała konieczność zmiany dwóch paneli – tworzących tylną ściankę oraz pokrywę chłodnicy.

Co więcej, testy funkcjonalne Deere wykazały, że kombajny mogłyby pracować dobrze przy słabszym oczyszczaniu powietrza, jeżeli powietrze chłodzące byłoby pobierane wyżej nad poziomem ziemi niż w poprzednich konstrukcjach. Inżynierowie Deere dodali więc do maszyny komponent nowego kanału (tzw. „czerpaka powietrza”).

W celu wybrania najlepszego materiału na te trzy komponenty inżynierowie Deere przeprowadzili porównawcze analizy materiałowe. Co ciekawe, wyniki tych analiz wskazały na inny materiał niż był wykorzystywany do produkcji poprzednich paneli. Miller objaśnia, że pierwsze kombajny STS wykorzystywały zarówno ciśnieniowo formowany i malowany SMC, jak i formowany wtryskowo z reakcją chemiczną poliuretan z powlekaniem w formie. Jednak wszystkie trzy nowe panele zbudowano z mniej znanego materiału, przeznaczonego do formowania wtryskowego z reakcją chemiczną, zwanego polydicyclopentadiene (PDCPD).

Jak wyjaśnia Miller, nowe panele były ocenione zarówno pod względem konstrukcyjnym, jak i estetycznym. Po pierwsze, panele musiały wytrzymać siłę zderzenia podczas pracy, jak również mieć wystarczającą rozciągliwość, aby wytrzymać znaczące obciążenia wiatru podczas transportu ciężarówką. – Kombajn poruszający się po autostradzie na przyczepie mógłby być narażony na działanie wiatru o prędkości dochodzącej do 160 km/godz. – mówi Miller. Jeżeli chodzi o estetykę, nowe panele musiały odpowiadać pozostałym panelom SMC maszyny i stalowym konstrukcjom pod względem koloru, połysku oraz wykończenia.

W każdym przypadku, lakierowany PDCPD okazał się najlepszy (patrz diagramy matrycy decyzyjnej na sąsiedniej stronie). Dla tylnej ścianki o wymiarach 300 x 180 x 60 cm (którą wcześniej tworzyły dwie części z poliuretanu RIM) inżynierowie Deere odkryli, że wytrzymałością na uderzenia PDCPD przewyższa zarówno SMC, jak i poliuretan RIM. Analogicznie, PDCPD uzyskał akceptację dla wlotu powietrza o wymiarach 180 x 105 x 45 cm, ze względu na lepsze zrównoważenie właściwości udarowych i estetycznych w porównaniu z materiałami konkurencyjnymi – w tym przypadku, formowanym termicznie ABS z akrylowym CAP i malowanym SMC.

W przypadku drzwiczek chłodnicy o wymiarach 270 x 180 x 30 cm, PDCPD nie ma większej technicznej przewagi nad SMC. – Panel jest sztywno zamocowany do maszyny, więc jego sztywność nie była istotna, poza ugięciami spowodowanymi przez opierające się na nim osoby – wyjaśnia Miller. – Jednak Deere wykorzystało PDCPD również w tym przypadku, ze względu na „szereg przyczyn komercyjnych”.

A mówiąc o przyczynach komercyjnych, Miller wskazuje, że PDCPD mogłoby nie być wykorzystane z punktu widzenia kosztowego, gdyby Deere oraz dostawcy firmy nie odeszli od konwencjonalnego myślenia o sposobie projektowania części z tego materiału. Zwykle panele PDCPD posiadają jednolitą grubość ścianki, podczas gdy elementy usztywniające są zazwyczaj formowane osobno i spajane z panelem w oddzielnej operacji. – Ustaliliśmy, że to podejście mogłoby nie pozwolić nam na spełnienie naszych celów kosztowych – wspomina Miller, przytaczając dodatkowe koszty oprzyrządowania, formowania i mocowania, związane ze spajaniem usztywnień.

Więc Deere ostatecznie formował żebra, zgrubienia oraz inne elementy usztywniające, wymagane do sprostania potrzebom konstrukcyjnego obciążenia paneli. Te dodatkowe elementy czyniły część trudniejszą do formowania i wprowadzały ryzyko odbijania się żeber i zgrubień na zewnętrznej powierzchni części. Lecz Miller dowodzi, że zdolność eliminowania dodatkowych kosztów formowania i montowania usprawiedliwia ryzyko i pozwala firmie Deere wykorzystać właściwości materiałowe PDCPD.

– Przełamaliśmy konwencjonalne zasady projektowania – mówi Miller. – Lecz zadziałało to na naszą korzyść…

O CZYM MYŚLELI inżynierowie materiałowi firmy John Deere, wybierając PDCPD? o cóż, te matryce decyzyjne pozwolą wam zrozumieć, jak dochodzili do dokonani yboru materiału na zewnętrzne części kombajnu STS. W przypadku pokrywy chłodnicy, MC rzeczywiście sprawia wrażenie lepszego materiału, lecz Deere wybiera PDCPD e względów komercyjnych. 

Autor: TEKST: JOE OGANDO