УралТехноСтрой
E-mail: 007@utse.ru

Новые технологии обработки формообразующих деталей для получения декоративных поверхностей на пластмассовых изделиях

Магасумов Равиль Акрамович,
Нижний Новгород

Среди разнообразных способов отделки изделий из полимерных материалов (ПМ) особое место занимает формирование на их поверхности декоративного или функционального рельефного изображения, что требует, в свою очередь, разработки более совершенных и производительных технологий создания изображения-негатива на поверхности формообразующих деталей технологической оснастки.

Текстурированная поверхность изделий из ПМ, имитирующая кожу, древесину, ткань и др., не только красива, но и более экономична, т.к. не требует высокой чистоты обработки оформляющей поверхности оснастки, а также практична в эксплуатации по сравнению с гладкой поверхностью, поскольку её возможные повреждения мало заметны. Часто также бывает необходимым формирование на поверхности изделия из ПМ полезной для её производителя или потребителя информации в виде, например, рельефного (выпуклого или углубленного) изображения логотипа предприятия-производителя, набора букв и/или цифр (вид ПМ, ГОСТ или ТУ на изделие и др.).

Под «текстурированием» понимается создание на оформляющей (рабочей) поверхности соответствующих деталей формообразующей оснастки сплошного микрорельефа-негатива, под «гравированием» - создание какого-либо изображения, набора букв или цифр.

На предприятиях автомобильной промышленности (в России - это АвтоВАЗ, ГАЗ и АЗЛК) получили наибольшее развитие технологи текстурирования поверхности формообразующих деталей литьевых форм. В других отраслях предприятия-поставщики изделий из ПМ и литьевой оснастки также ощутили необходимость применения этих технологий, которые в настоящее время в той или иной степени освоили 9 предприятий России.

Соответствующие технологии принципиально пригодны и для любой другой, кроме литьевой, технологической оснастки - пресс-форм, инжекционно- и экструзионно-выдувных форм, каландров и др.

За рубежом эти технологии применяются и совершенствуются многие десятки лет, разработаны несколько тысяч всевозможных текстур. Наиболее известна в этой области (в России и во многих странах мира) компания Standex.

На большинстве предприятий в России технологии текстурирования или гравирования рабочих поверхностей формообразующих деталей - матрицы, пуансона или оформляющих знаков (в дальнейшем для простоты - «матрицы», понимая под этим и типографский смысл этого термина) - основана на использовании клише, как исходного носителя графического изображения.

На начальном этапе процесса на поверхности плоских (как правило) металлических клише создается требуемый рисунок, который с помощью композиции - на основе натурального воска в виде оттиска - переносится затем на поверхность формообразующих деталей литьевой формы. Фрагменты рисунка, образованные воском на поверхности формообразующих деталей, затем тщательно ретушируются кислотостойкими красками. Таким образом, на рабочей поверхности матрицы образуется так называемая «маска» - единый рисунок текстуры в соответствии с выбранным клише. Затем матрица, у которой нерабочие поверхности изолированы кислотостойкими красками или пленкой, погружается в раствор кислоты и подвергается травлению. На незащищенных маской участках поверхности матрицы вытравливаются углубления, которые впоследствии (например, при литье под давлением изделий из ПМ) образуют на их поверхности выпуклый рельеф заданного рисунка. Варьируя графическими изображениями на клише, глубиной травления, а также дополнительной механической обработкой, можно получить большое разнообразие текстур.

За кажущейся относительной простотой процесса скрывается много технологических нюансов. Процессы нанесения маски и травления сопряжены порой с большими практическими трудностями, вызванными сложной конфигурацией поверхности матрицы или маркой сплава, из которого изготовлена формообразующая деталь. Большие затруднения для качественного травления создают также следы электроэрозионной обработки, наклеп, образующийся в процессе фрезерования (особенно затупившимися фрезами), и в значительной степени - места наплавки с использованием неправильно выбранных припоев и присадок. Текстурирование и гравирование поверхностей формообразующих деталей - во многом кропотливый ручной труд, требующий от исполнителя достаточного опыта и квалификации.
Отечественные производства могут предложить не больше нескольких десятков рисунков, тогда как ведущие зарубежные - тысячи. Ориентируясь на лучшие зарубежные образцы текстур, дизайнеры интерьера автомобилей все чаще предлагают виды рисунков, недоступные пока еще для воспроизведения на имеющейся отечественной базе. Растущие конкуренция и экспансия на российский рынок зарубежных производителей литьевой оснастки, особенно из Китая, приводят к тому, что все чаще предприятия автомобильной промышленности, также находящиеся в условиях жесткой конкуренции, заказывают оснастку за рубежом, в том числе и из-за невозможности получения необходимого качества требуемого рельефа поверхности формообразующих деталей на собственных производствах.

Каковы же основные недостатки традиционной в России технологии текстурирования и гравирования? Во-первых, это ограниченный ассортимент клише, а, следовательно, и рисунков для их тиснения на поверхности формообразующих деталей форм, и, во-вторых, — ограниченные возможности применяемой технологии и морально устаревшие материалы для её реализации.

Условно все виды рисунков можно разбить на 3 группы: рисунки под натуральную кожу, для которой характерно разнообразие рельефных элементов по глубине; рисунки с мелкой фактурой, когда размер характерного элемента рисунка составляет 30-60 мкм (часто такую фактуру сравнивают с речным песком); рисунки с односложной фактурой, когда рисунок образован различной конфигурацией впадин одной глубины.

Первая и вторая группы рисунков наиболее востребованы, но в то же время сложны в исполнении. Последняя группа рисунков хорошо освоена и применяется достаточно широко. Устаревшие применяемые материалы не обеспечивают получение сплошной прочной маски, особенно когда её элементы составляют несколько десятков микрон. Для получения текстуры «под кожу» нужны новые клише и дополнительные технологические приемы. Простое травление уже не может передать всю сложность рисунка кожи.

Трудноразрешимой проблемой является также качественный ремонт износившегося или поврежденного рисунка на поверхности матрицы. И если по текстурированию еще можно решить вопрос с помощью зарубежных фирм, то в вопросах ремонта такое решение дорого и, самое главное, - неоперативно.

Для решения перечисленных проблем автор доклада обратился к опыту полиграфической и электронной отрасли промышленности, где давно используются, в том числе и для изготовления клише, фотоспособ и фоторезисты - специальные низкомолекулярные органические соединения, полимеризующиеся под действием ультрафиолетового (УФ-) излучения. Если на поверхность металла нанести тонкий слой фоторезиста толщиной 30-40 мкм, а затем воздействовать на него УФ-излучением сквозь наложенную маску-негатив, то полиморизуются именно засвеченные участки фоторезиста. Затем незасвеченные участки вымываются характерным для фоторезиста растворителем, а засвеченные участки образуют прочную кислотостойкую полимерную маску, полностью копирующую негатив. Фоторезистная маска отличается от восковой маски более высокой прочностью, кислотостойкостью и позволяет с высокой точностью передавать самые разнообразные фактуры и графические изображения. Разрешающая способность современных фоторезистов, применяемых, например, в полиграфии, достигает 50-60 мкм.

Задача заключалась в том, чтобы разработать технологию создания кислотостойкой маски не только на плоских (как это принято в полиграфической и электронной отраслях промышленности), но и на пространственно криволинейных поверхностях матриц, в том числе (в случае необходимости) без их разборки и даже демонтажа оснастки.

Использование фоторезистов дало гораздо более широкие возможности в отличие от применения клише. Исходным инструментом, с помощью которого можно решить практически все графические задачи, связанные с созданием разнообразных текстур и изображений на поверхности матрицы, становится негатив, который создается, в свою очередь, с помощью компьютерной графики, также имеющей широчайшие возможности. Созданные методики и технологические приемы позволяют разрабатывать различные текстуры как самостоятельно, так и с использованием аналогов образцов текстуры, что особенно важно при ремонтных работах.

Была усовершенствована также и операция травления, которая проводится в растворе азотной кислоты. Кислотное травление дает возможность получения различных фактур, но весьма требовательно к структуре и состоянию сплава, из которого изготовлена матрица. Иностранные компании часто для изготовления матриц используют специальные сплавы. Отечественные предприятия, не имеющие собственных участков травления, относятся к этим вопросам недостаточно строго, не предъявляя, например, высоких требований к качеству ремонта матриц, проводимого с применением сварки или наплавки для устранения дефектов типа трещин или вмятин, которые могут образоваться в процессе изготовления или эксплуатации оснастки.

Автор доклада применял электрохимическое травление в нейтральных электролитах - растворах солей, в результате чего появились дополнительные технологические возможности. Кроме того, использование локального электрохимического травления позволило выполнить травление матрицы без полного погружения в ванну и даже на отдельных участках обрабатываемой поверхности, включая и места наплавки.

Следует заметить, что электрохимическое травление не универсально и, в отличие от кислотного травления, не позволяет добиться такой же равномерности рельефной текстуры или рисунка по всей рабочей поверхности матрицы. Поэтому оно не может полностью заменить химическое травление. Но его способность «травить» поверхность любых сплавов, включая нержавеющие стали, или поверхность, имеющую разнородную структуру (например, после наплавки), является существенным достоинством. Разработано специальное оборудование, с помощью которого электрохимическое травление может производиться в условиях инструментального цеха. Все это создало хорошие предпосылки и для разработки технологии ремонта текстур непосредственно на производстве.

Таким образом, в результате разработаны технологии со значительно более широкими возможностями по сравнению с технологией с использованием клише. Весьма удачным оказалось использование разработанных технологий для гравирования различных изображений и текстовой информации на формообразующих деталях литьевых форм и других металлических изделиях.

Фотографическая основа процесса в сочетании с электрохимическим травлением обеспечивает высокопроизводительное получение как векторных, так и растровых изображений, а также текстовой информации на матрице с минимальным размером шрифта - вплоть до 1 мм. Например, процесс создания гравированной надписи из 40 символов глубиной 0,1 мм на пуансоне литьевой формы (непосредственно на термопластавтомате), предназначенной для изготовления элемента двери автомобиля «Рено», занял всего лишь 1,5 ч. Положительные результаты были получены при гравировании поверхности детали из дамасской стали. Разработано и внедряется оборудование; дня гравирования и глубокой маркировки, с помощью которого можно нанести на изделие, например, логотип предприятия всего за 1 мин. С учетом высокого качества гравированного изображения и невозможности его точного повторения другими способами, эта технология может быть применена для защиты литьевых изделий из ПМ от подделки.

Необходимо еще раз отметить актуальность проблемы ремонта рельефного изображения-негатива на матрице непосредственно пи произведете. Дефекты - от легких царапин до вмятин, которые могут возникнуть на поверхности матрицы при неправильной эксплуатации литьевых форм, ухудшают внешний вид изделий, вызывают их брак и осложняют приемку заказчиком. Длительный ремонт, сопряженный с транспортировкой формы на предприятие-изготовитель, экономически невыгоден. Оперативно выполнить ремонт в «походных условиях» - задача не из легких, но разрешаемая. Опыт выполнения таких работ зарубежными фирмами известен в нашей стране.

Дефекты рельефных изображений-негативов разнообразны и требуют различных способов их устранения. Часть дефектов не может быть устранена без использования наплавки. И на первом этапе проблема состоит в качественном выполнении наплавки без пор при максимальной локализации ремонтной зоны. После выполнения операции наплавки и слесарной обработки восстановление исходного рельефного изображения становится вполне выполнимым.

Однако существуют дефекты, над технологиями устранения которых еще необходимо работать. Это износ рельефной структуры по всей площади матрицы в результате её длительной эксплуатации. Возможны два варианта ремонтных работ: снятие «старого» и нанесение «нового» рельефного изображения (например, подобный процесс занял у одной из фирм 20 рабочих смен); восстановление глубины и четкости существующего рельефа.

Первый вариант не вызывает технических трудностей для реализации, но относительно дорог и требует значительного времени. Ближайшей задачей является разработка способа устранения дефектов по второму варианту.

Здесь Вы можете получить подробные технические рекомендации по выбору товара