Volba alternativního polymerního materiálu pro výrobek aplikovaný vnemocnicním lužku

Vojtech Vastl1, 2

1 CVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav Ústav materiálového inženýrství, Karlovo nám. 13, 121 36 Praha , Ceská republika2 Ing. Zdenka Jeníková, Ph.D

Abstrakt

Tato práce slouºí jako shrnutí problematiky diplomové práce, která pojednává o výb¥ru vhodného polymerního mate-riálu. Konkrétn¥ je vybírán materiál pro výrobek od �rmy Linet spol. s r.o., který je aplikován v nemocni£ním l·ºku.Hlavními kritérii p°i výb¥ru jsou cena, mechanické vlastnosti, £istitelnost, odolnost proti po²krábání. Nedílnou sou£ástítéto práce je optimalizace polymerní sm¥si PP a PA6, jenº se jeví jako ideální materiál z hlediska bilancování meziuºitnými vlastnostmi a cenou.

Klí£ová slova: Polymerní materiály,PA6 -polyamid 6, PP - polypropylen, Linet,

1. Úvod a definice cíle

Následující problematika byla °e²ena ve spoluprácis �rmou LINET spol. s r.o., jeº se °adí mezi p°ednísv¥tové výrobce zdravotnických l·ºek. Firma byla za-loºena roku 1990 v �elev£icích u Slaného, kde rovn¥ºprovozuje sv·j závod. V �elev£icích pracuje zhruba900 zam¥stnanc·, kte°í ro£n¥ vyrobí okolo 50 tisícl·ºek. Naprostá v¥t²ina vyrobených l·ºek putuje naexport do více neº sto zemí po celém sv¥t¥.

Portfolium l·ºek obsahuje p°es 20 model·, kterése dále d¥lí podle zp·sobu pouºití na l·ºka: univer-zální, pro poopera£ní a intenzivní pé£i, speciální, d¥t-ská, kojenecká a porodní. Mezi technicky nejvysp¥-lej²í pat°í nap°. modely Eleganza 5 a l·ºko Multi-care, jenº dominuje na americkém trhu. (Obr. 1) Uni-kátní na spole£nosti Linet spol.s.r.o. je její nezávis-lost na subdodavatelích. Tém¥° v²e po£ínaje sva°o-váním,vyfukováním a vst°ikováním plast· po progra-mování informa£ních systém· je vyvíjeno a vyráb¥nov závod¥ v �elev£icích.

(a) (b)

Obr. 1. L·ºka pro intenzivní pé£i: a) Eleganza 5, b) Mul-ticare

V roce 2011 se stal Linet spol. s.r.o. sou£ástí LinetGroup Holding, neboli byl spojen s °adou dal²ích spo-le£ností, jako je nap°íklad n¥mecký závod GmbH síd-lícím ve m¥st¥ Wickede. V roce 2016 Linet Group Hol-ding koupil £eskou �rmou BorCad medical, která vy-rábí porodní a gynekologická l·ºka. V sou£asné dob¥do Linet Group Holdingu pat°í 15 dce°iných spole£-

ností, zam¥stnává okolo 1300 zam¥stnanc· a ro£níprodukce luºek je p°es 80 tisíc.

Sou£asný trend nap°í£ pr·myslovými odv¥tvímije v nahrazování kovových materiál· plasty. Nezpo-chybnitelná výhoda polymer· je p°edev²ím v nízkéhmotnosti, cen¥, aplikovatelnosti na tvarov¥ sloºitýchdílech. Nelze opomenout ani estetický p°ínos, korozníodolnost, snadnou zpracovatelnost, £istitelnost, tlu-mení hluku a vibrací, elektroizola£ní vlastnosti atd.Mezi nevýhody pat°í nap°. vy²²í po°izovací nákladyforem.

Celosv¥tový vývoj kovových materiál· probíháv porovnání s plasty nesrovnateln¥ déle. Lze °íci,ºe odv¥tví plast· je stále v �raném� stádiu vývoje,a proto je ne vºdy lehké, vyznat se v nabízenémsortimentu, p°ípadn¥ sledovat technologické novinkyv tomto oboru.

Cílem této práce je navrhnout nový polymernímateriál pro díl krytky mechaniky postranice vizobr.2. Nový materiál se navrhuje na základ¥ výsledk·dynamického a statického testu, jeº kvali�kují p·-vodní materiál jakoºto nevyhovující. Hlavními kritériip°i výb¥ru materiálu jsou:

• funk£nost - krytí mechaniky postranice,• pevnost - odolnost proti namáhání p°i pohybu,odolnost v·£i interním test·m,

• vzhled - díl bez vizuálních vad, £istitelný,odolný proti po²krábání,

• cena - maximální zdraºení v·£i p·vodnímu ma-teriálu 5%.

∗Kontakt na autora: Vojtech.Vastl@fs.cvut.cz

Studentská tv·r£í £innost 2018 | �eské vysoké u£ení technické v Praze | Fakulta strojní

Obr. 2. Eleganza 5 - umíst¥ní krytky mechaniky postra-nice

2. Zadaná díl

Díl krytky mechaniky postranice obr. 3 není kon-struk£n¥ sloºitý a není vystavován nadm¥rnému me-chanickému namáhání. Jedná se o pohledový díl,který nesmí obsahovat pohledové vady a je poºado-vána dobrá £istitelnost povrchu. Zárove¬ je vhodné,aby byl materiál odolný v·£i po²krábání.

Všec

hna práv

a vyhraz

ena.

All ri

ght r

eser

ved.

This

materia

l and

its c

ontent

are p

rotecte

d und

er th

e cop

yrigh

t (au

thors

right)

prov

ision

s and

intelle

ctua

l pro

perty

righ

ts. The

conte

nt of th

is ma

teria

l is a

lso pr

otec

ted a

s tra

de se

cret of

LINE

T spo

l. s r.

o. Co

pying

,repr

oduc

tion,

publi

catio

n, ov

erpr

inting

, dist

ribution

, reten

tion o

r any

othe

r use

of any

kind

wha

tsove

r are

proh

ibited w

ithou

t prio

r con

sent

of LI

NET s

pol. s

r.o.

You m

ay no

t alte

r or r

emov

e any

trad

emar

k of t

he pr

otec

tion c

opyri

ght n

otice

from

this m

ater

ial or

copie

s of t

he co

ntent.

PROMÍTÁNÍ -PROJECTION- ISO ETOLERANCES ČSN ISO 8015

PŘESNOST -ACCURACIES

HMOTNOST -WEIGHT:

MĚŘÍTKOSCALE

DESIGNER:DATE:

TECHNOLOGY:

ZMĚNA -CHANGE DATE AUTHOR INDEX

TYPE: GROUP: STARÝ VÝKRES -OLD DRAW.:

NÁZEV -NAME

spol. s r.o.LINET

POLOTOVAR -RAW MATERIAL:

MATERIAL:

Kryt vodorovný - nožnípostranice

0,054 kg

D6018146ČÍSLO VÝKRESU -DRAWING No.

E5 Mechanika postranice SOUBOR-FILE:D6018146.DFT1:2

31.3.2016 erteltČSN 64 0006.4

PPc Ta20 HI

27.1.2017 sinor 01

KONTROLNÍ ROZMĚRY - CHECKED DIMENSIONS

SCHVÁLIL-APPROVED:

01Listů / Pages

Převod z P08

Version

XXX,X±X,X

listu

Kompatibilní sRoHS2 / RoHS2compatible

Neoznačené rozměrydány 3D modelem, Nonspecified Dimensions done by 3D ModelNominální tl. dílu, Part Nominal Thickness 3 mm,Barva, Color RAL 9002Drsnost pohledových ploch,Visible Surface Roughness 27,ostatních, others 27-30 dle VDI3400

11,2

3455,2

A A

ŘEZ A-A

24

B B

ŘEZ B-B

4,2

268,8 ±0,5

34±0

,255

,2±0

,3

Plocha pro označení materiálua data výroby

MODEL PRO FORMU MODEL PRO SESTAVU

C

C

ŘEZ C-C

D

DETAIL D

12,5

O

9O

5O

7,9

1,5

162°

3R 11

4,3

36,8

30°

105°

R0,2

R 0,3

278,1

110°

19,1

3R 2

R 11,5

R11,5

R12

1

R 10,4

23

R 2,5

R10,2

Obr. 3. 3D model dílu

P°i navrhování mechanických vlastností je nutnézohlednit nejrizikov¥j²í oblasti, mezi které pat°í kru-hová �objímka� , která je vyfocena na obr. 4 a). Totomísto se nachází naproti vtoku a dochází zde ke spo-jení proud· taveniny - studený spoj. 1Dal²í kritické místo je u vtoku, kde jsou umíst¥nypr·chozí otvory pro ²rouby. Tlou²´ka materiálu podhlavami ²roub· je zde zeslabena a p°i nadm¥rném za-tíºení m·ºe dojít pr·chodu hlavy ²roubu skrz mate-riál.

(a) (b)

Obr. 4. a) - Studený spoj, b) - Díry pro ²rouby

Maximální zdraºení výroby jednoho dílu, nesmíp°esáhnout 5 %. Pro ú£ely tétopráce se do ceny vyro-beného dílu zapo£ítává: cena za kg granulátu, hustota

materiálu, £as výrobního cyklu, minutová sazba vst°i-kolisu.

3. Definování rizik

P°i nahrazování polymerního materiálu, mohou na-stat komplikace spojené s realizací výroby kone£néhodílu. V této £ásti práce analyzuji p°ípadná rizika anavrhnu postup, jakým zp·sobem postupovat v p°í-pad¥, ºe tento problém nastane.

3.1. Smrštení

M·ºe nastat p°ípad, kdy navrºený materiál dosáhnep°i zpracování smr²t¥ní 2, které bude mimo rozsahtoleran£ních polí viz výkres dílu ??. Opat°ení, kterélze v tomto p°ípad¥ provést je následující:

Simulace vstrikování

Firma Linet disponuje simula£ním softwarem Mol-dex 3D, který dokáºe simulovat kompletní procesvst°ikování plast·. Tento software disponuje ²irokoudatabází plast· a v p°ípad¥, ºe by navrºený materiálnebyl obsaºen v databázi, je moºné v rámci licencezaºádat o p°idání.

Úprava formy

Obecn¥ nelze povaºovat ºádný výstup simula£níhosoftwaru za totoºný s reálnými podmínkami. Lze sepouze p°iblíºit, s ur£itou chybou, k reálnému chování.Proto mohou nastat dv¥ situace.

1. Smr²t¥ní na základ¥ simulace je vyhovující,v reálných podmínkách není.

2. Na základ¥ simulace má materiál nevyhovujícísmr²t¥ní, p°esto chceme materiál pouºít.

V t¥chto p°ípadech je pot°eba zm¥nit rozm¥ryformy. P°estoºe má �rma Linet svojí nástrojárnu,jedná se o drahý a £asov¥ náro£ný úkon.

3.2. Navlhavost

Nevýhodou polárních materiál· je, ºe granulát sep°ed samotným zpracování musí vysu²it. Tento pro-ces není technologicky náro£ný, ale je limitován do-stupnou kapacitou su²i£ek, a zárove¬ je tato operacespojena s negativním nár·stem hmotného toku vevýrobních prostorách. Firma Linet disponuje t°emitakovými su²i£kami a jiº te¤ se projevují kapacitníproblémy.

P°ed uvedením polárního materiálu do výroby, jenutné zajistit volnou kapacitu su²i£ek, p°ípadn¥ nazáklad¥ výrobního plánu kapacitu naplánovat. Tzn.aby p°i výrob¥ byl vºdy dostupný vysu²ený materiál.

1P°i styku více proud· taveniny ve form¥ vznikne nedokonalý spoj, který je náchylný na lom p°edev²ím p°i ohybu a rázu.2Zm¥na objemu plastového dílu, které vzniká p°i chladnutí.

Studentská tv·r£í £innost 2018 | �eské vysoké u£ení technické v Praze | Fakulta strojní

3.3. Dostupnost

Portfolium polymerních materiál· je tak obsáhlé, ºene v²echny jsou distribuovány v �eské republice. Po-kud by �rma Linet m¥la zájem vyuºívat jeden z t¥chto�h·°e� dostupných materiál·, bylo by nutné provéstkalkulaci, kde by byla zahrnuta cena za dopravu auskladn¥ní v porovnání s alternativní materiálem do-stupným v �R.Dal²í moºností je, nechat si vyrobit konkrétní ma-teriál na zakázku u £eských výrobc·. Nevýhodou vý-roby plast· na zakázku je vy²²í cena v porovnání s ko-mer£n¥ prodávanými plasty.

3.4. Zabíhavost

Konstrukce dílu nemusí odpovídat viskozit¥ danéhomateriálu. Tzv. je nutná rozdílná viskozita pro dílytenkost¥nné a tlustost¥nné. Nap°. p°i pouºití materi-álu s vysokým indexem toku nemusí dojít k úplnémuvypln¥ní formy u tenkost¥nných díl·.

Tento problém se dá regulovat zm¥nou teploty ta-veniny, formy, p°ípadn¥ rychlostí vst°ikování. Rych-lost vst°ikování, vlivem smykových nap¥tí, souvisí snár·stem teploty a p°i p°íli² vysokém teplotním ná-r·stu m·ºe dojít k degradaci materiálu.

Tomuto problému lze op¥t p°edejít simulovánímvý²e zmín¥ným softwarem Moldex 3D.

3.5. Teplota tavení

Horní hranice teplot u vst°ikolis· ve �rm¥ Linet, je350◦C. V p°ípad¥ zpracování materiál· p°esahujícíchtuto teplotu, by bylo nutné vyráb¥t díly extern¥, coºje �nan£n¥ nevýhodné.

4. Puvodní materiálP·vodní, nevyhovující materiál je dodáván od £es-kého výrobce Silon pod obchodním názvem je ozna-£en TABOREN-PH 82 T20. Jedná se o PP homopoly-mer pln¥ný 20% talku. Vlastnosti udávané výrobcemjsou uvedeny v tabulce 5.

• Cena: 49,-/kg

Obr. 5. Taboren-PH 82 T20 - vlastnosti udávané výrob-cem

Dílec byl podroben dv¥ma test·m. První je dy-namická zkou²ka dle normy �SN EN 60601-2-52,£l.15.3.3. Jedná se o náraz ocelové koule o φ 50 mm a

o hmotnosti 500 g do dílu p°ipevn¥ného do postranice3.Druhý test je provád¥n podle normy �SN EN 60601-2-52, £l. 9.8.3.3.3. Jedná se o statické namáhání dílu.Díl je op¥t p°ipevn¥n k postranici, která je zatíºenakonstantní silou sm¥°ující vn¥ l·ºka.

Díly pevnostn¥ nevyhovují. Z výsledk· je patrné,ºe polymerní materiál má velmi ²patnou houºevna-tost. Zásadní vliv na tuto problematiku má jednakzvolená struktura PP, která je tvo°ena z homopoly-mer· a jednak 20% obsah talku.

5. Polymerní smes PP/PA6

Zajímavá je kombinace plast· polypropylenu a polya-midu. PA zaji²´uje dobré mechanické vlastnosti a PPp°idá sm¥si na chemické odolnosti, rozm¥rové stálosti,nízké hustot¥. Zárove¬ p°idáním PP dojde ke zlevn¥nívýsledného materiálu. [1]

Obr. 8. Schématické znázorn¥ní sm¥si PP-PA6

Za normálních okolností by tyto polymery netvo-°ily homogenní sm¥s. Proto se p°idává kompatibili-zátor, který zajistí vzájemnou adhezi. Pro sm¥s PP-PA6 je vhodné jako kompatibilizátor vyuºít anhydridkyseliny maleinové.

PA6 je polární, coº je spojeno s neºádoucí navlha-vostí a zárove¬ na povrchu snadn¥ji ulpívají ne£istoty.Pro pohledový díl není tato vlastnost ideální. P°idá-ním PP dojde ke sníºení navlhavosti. Jako vedlej²íefekt dojde ke sníºení mechanických vlastností ni-koliv v²ak pod poºadované hodnoty. P°edpokládanévlastnosti této sm¥si jsou zobrazeny v grafu 9.

Obr. 9. P°edpokládané vlastnosti sm¥si

Dal²ím d·vodem navrºení této sm¥si je skladovádostupnost obou materiál·, �rma Linet oba materi-ály vyuºívá b¥ºn¥ v jiných aplikacích. Konkrétn¥ se

3Postranice je ozna£ení pro postranní £ást l·ºka

Studentská tv·r£í £innost 2018 | �eské vysoké u£ení technické v Praze | Fakulta strojní

jedná o standardní PA6 pod obchodním názvem Pro-myde B30 P PP pod obchodním názvem PPC5TF2Natural HI.

Aby sm¥s m¥la o£ekávané vlastnosti, je nutné, abyz chemického hlediska do²lo k vhodnému spojení oboumateriál·. Rozdíl homogenity je znázorn¥n na snímkuz elekronového mikroskopu (10)

(a) (b)

Obr. 10. a) - Nehomogenní sm¥s [2] , b) - Homogennísm¥s [2]

6. Testování smesi PP/PA6

V této £ásti experimentu byly vyrobeny díly s od-li²nými koncentracemi polypropylenu a polyamidus pouºitím rozdílných kompatibiliztátor·. Variantyexperimentu jsou znázorn¥ny následující tabulce. Po-rovnávaly se kompatibilizátory od £eského výrobceSilonu - TABOND 2002 a kompatibilizátor G-3003od �rmy Eastman, který byl poskytnut od polskéhododavatele. Byly vyrobeny tyto materiálové varianty:

Obr. 11. Testované varianty

Z makroskopického hlediska do²lo ke spojení v²echsm¥sí. Pod optickým mikroskopem je ov²em patrné,ºe materiály o stejných koncentrací sloºek sm¥si, majírozdílnou homogenitu. Je z°ejmé, ºe kompatibilizátorG-3003 od �rmy Eastman daleko lépe �spojí� jednot-livé sloºky sm¥si.

(a) (b)

Obr. 12. Struktura sm¥si (PP-T20)50+(PA)50 (20xzv¥t²ení) s odli²nými kompatibilizátory a) TABOND 2002b) Eastman G-3003

(a) (b)

Obr. 13. Struktura sm¥si (PP-T20)50+(PA)50 (50xzv¥t²ení) s odli²nými kompatibilizátory a) TABOND 2002b) Eastman G-3003

V navazujícím experimentu dojde k otestovánímechanických vlastností a £istitelnosti. V návaznostit¥chto experiment· dojde k vytipování optimálnísm¥si pro na²í aplikaci a bude realizováno srovnánís komer£n¥ dostupnými materiály, které budou spl-¬ovat zadaná kritéria.

7. Záverecné informaceTato práce vznikla na základ¥ dat diplomové práce.Vzhledem k omezenému prostoru mohou informaceobsaºené v tomto £lánku p·sobit útrºkovit¥ a nepo-skytnout £tená°i plynulý náhled do problematiky.

Zkoumáním vlastností polymerní sm¥si PP/PA6zji²´ujeme, ºe se jedná o konstruk£ní materiál se zna£-nými výhodami. Konkrétní koncentrací jednotlivýchsloºek, lze docílit speci�ckých poºadavk· pro výrobukonkrétního výrobku.

V dob¥ odevzdávání tohoto £lánku nebyly data zporovnání optimální varianty sm¥si s ostatními na-vrºenými materiály kompletní. Výsledky budou pre-zentovány na prezentaci projekt· studentské tv·r£í£innosti.

PodekováníRád bych vyjád°il pod¥kování vedoucí diplomovépráce paní Ing.Zde¬ce Jeníkové,Ph.D. za odborné ve-dení, cenné rady a trp¥livost p°i vedení mé diplomovépráce. Rovn¥º bych cht¥l pod¥kovat panu Ing. Vlas-timilovi Jahodovi za ochotný p°ístup, poskytnutí in-formací a konzultace ve �rm¥ Linet spol. s.r.o.

Seznam symbolu

PP PolypropylenePA6 Polyamide 6PP-T20 Polypropylen s 20% talku

Literatura

[1] JMATPROTEC. �Investigation on PA/PP mixtureproperties by means of DMTA method�. In: Journalof Materials Processing Technology 175.1-3 (2006),s. 212�217. issn: 0924-0136. doi: 10 . 1016 / J .JMATPROTEC . 2005 . 04 . 020. Dostupné z: http :/ / www . sciencedirect . com / science / article / pii /S0924013605004292.

[2] Pentac. �The alloy of polyamide and polypropyleneis close to picture perfect�. In: A dream team � PEN-TALLOY BP: the best from two worlds (2018).