Transcript PRZETWÓRSTWO TWORZYW SZTUCZNYCH

PRZETWÓRSTWO
TWORZYW SZTUCZNYCH
dr inż. Sławomir Szymański
Politechnika Gdańska
Wydział Mechaniczny
PRZETWÓRSTWO TWORZYW
SZTUCZNYCH
Jest to samodzielna specjalność
naukowa oraz zawodowa, jak
również branża gospodarki.
ISTOTA I CEL PRZETWÓRSTWA
WYTWARZANIE MASZYN
Technologia Maszyn
(Techniki Wytwarzania )
• obróbka skrawaniem
• odlewnictwo
• techniki spajania
• przetwórstwo tworzyw sztucznych
• Celem przetwórstwa - jest otrzymanie w sposób najbardziej
racjonalny, ekonomiczny i ekologiczny gotowych do użytkowania w
danych warunkach wyrobów lub przetworów z materiałów
polimerowych
• Istotą przetwórstwa - jest przeprowadzenie w polimerze w sposób
świadomy i kontrolowany złożonych przemian fizyko – chemicznych
celem pozyskania gotowych do użytkowania wyrobów
KLASYFIKACJA WYROBÓW Z TWORZYW
SZTUCZNYCH
• wyroby bryłowe – otrzymywane metodą wtryskiwania, prasowania, odlewania,
rozdmuchiwania, laminowania)
• wyroby porowate, otrzymywane metodą wytłaczania
• wyroby piankowe- otrzymywane metodą odlewania, wtryskiwania, wytłaczania
• wyroby ciągłe – otrzymywane metodą wytłaczania, kalandrowania, odlewania)_
• wyroby zespolone – wyroby składające się z dwóch różnych materiałów,
otrzymywane metodą wtryskiwania, odlewania, prasowania, laminowania
PODZIAŁ PRZETWÓRSTWA
Metody fizyczno- chemiczne
Metody chemiczno-fizyczne
Metody PFC – I rodzaju
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
zgrzewanie, spawanie
porowanie (spiekanie, formowanie
rozrostowe),
suszenie, aktywowanie,
podgrzewanie
Metody PFC – II rodzaju
wtryskiwanie,
wytłaczanie,
prasowanie,
laminowanie,
odlewanie,
kalandrowane
formowanie z preform
•
•
•
•
•
•
klejenie,
kitowanie,
zamszowanie,
drukowanie,
metalizowanie,
fluidyzacja
KLASYFIKACJA MATERIAŁÓW
POLIMEROWYCH
• Polimery termoplastyczne - termoplasty
materiały zdolne do wielokrotnego przechodzenia pod
wpływem ciepła ze stanu stałego w plastyczny następnie ciekły
oraz odwrotnie bez uszkodzenia struktury oraz utraty
właściwości fizycznych
• Polimery
utwardzalne
duroplasty
–
materiały przekształcające się nieodwracalnie pod wpływem
dostarczonego ciepła lub substancji chemicznej ze stanu
plastycznego (ciekłego) w ciało stałe nietopliwe w procesie
sieciowania.
Rozróżnia
się w
tej
grupie
polimery
termoutwardzalne (proces sieciowania wymaga podwyższonej
temperatury i chemoutwardzalne (proces sieciowania wymaga
obecności zw. chemicznego zwanego utwardzaczem.
KLASYFIKACJA MATERIAŁÓW
POLIMEROWYCH
ze względu na wydłużenie
• PLASTOMERY –
materiały polimerowy, którego
współczynnik sprężystości wzdłużnej E (moduł Younga)
wynosi powyżej 1000MPa, a wydłużenie przy
rozciąganiu do 100%. Rozróżnia się plastomery
termoplastyczne i utwardzalne
• Elastomery
– materiał polimerowy, którego
współczynnik sprężystości wzdłużnej zawiera się w
przedziale od 1do 4 MPa, a wydłużenie przy rozciąganiu
jest większe od 100%. Rozróżnia się elastomery
termoplastyczne i utwardzalne
KLASYFIKACJA MATERIAŁÓW
POLIMEROWYCH
ze względu na strukturę
• Hopolimer- polimer otrzymany z jednego rodzaju
monomeru
• Kopolimer – polimer otrzymany z wiecej niż jednego
rodzaju monomeru
• Mieszanina
polimer
będący
makroskopowo jednorodną mieszaniną dwóch lub
większej ilości różnych polimerów o różnym stopniu
mieszalności, które tworzą różne fazy
polimerowa-
• Kompozyt polimerowy- materiał utworzony z
polmeru napełnionego co najmniej jedną substancją w
postaci włókna lub proszku nie będącą polimerem.
Produkcja tworzyw sztucznych na świecie
do 2005 roku
produkcja tworzyw sztucznych
na świecie w 2007 roku
Produkcja tworzyw sztucznych w Polsce(2007r)
na tle państw Uni Europejskiej
Polska 2.35 mln. ton
Polimery (pół fabrykat)
Przykłady wyrobów z polimerów
LDPE
ABS
HDPE
PA (nylon)
PC
PET
Przykłady wyrobów zespolonych
Brass inserts
with thread
Heater circuit
insert
Turbine with
spool insert
ZESTAWIENIE TECHNOLOGII PRZETWÓRSTWA TWORZYW
SZTUCZNYCH
CECHY CHARAKTERYSTYCZNE PROCESU
NAZWA
odmiany
Rodzaj tworzywa
półfabrykat
Wtryskiwanie
•Ślimakowe
• tłokowe,
• intruzyjne
•wieloskładniko
•z gazem(GIT),
• z rozdmuche
termoplasty,duroplasty
(żywice termoutwardalne i
elastomery wulkanizujace
granulat, proszek
wytłaczanie
•jednoślimakowe
•wieloślimakowe
termoplasty,duroplasty
elastomery wulkanizujace
granulat, proszek
•bryłowe, tłoczne, przetłoczne
•płytowe
duroplasty termoplasty
(żywice termoutwardalne)
Granulat, proszek, płyta
prasowanie
kalandrowa
nie
temoplasty
proszek , pasta
maszyn
a
wtryskarka
narzędzie
Charakter
produkcji
stopień
autmatyzacji
forma
wysokciśnienio
wa
cykliczna
---------------
pełna
ciągła
wytłaczarka
głowica
cykliczna
prasa
forma
wysokciśnienio
wa
zestaw co
najjmniej 3
kalandrów
ciągła
kalander
---------------
pełna
---------------
pełna
---------------
pełna
ZESTAWIENIE TECHNOLOGII PRZETWÓRSTWA TWORZYW
SZTUCZNYCH
CECHY CHARAKTERYSTYCZNE PROCESU
NAZWA
odmiany
Rodzaj
tworzywa
półfabrykat
maszyna
narzędzie
Charakter
produkcji/
stopień
autmatyzacji
termoformo
wanie
•pozytywne
•negatywne
termoplasty
płyta
próżniówka
forma
niskociśnieniowa
cykliczna
odlewanie
•grawitacyjne
•odśrodkowe
•Wylewanie
•zalewanie
Duroplasty,
termoplasty
żywica + napełniacz
monomer termoplast.
urządzenie
mieszająco dozujące
Laminowanie
•formowanie
ręczne
•natryskowe
•metoda RTM
duroplasty
żywica + napełniacz
urządzenie
mieszająco dozujące
Kopyto
forma
niskociśnieniowa
cykliczna
formowanie
z
rozdmuchem
•swobodne
• z rozciąganiem
termoplasty
preforma
cyliczna
butelczarka
forma
niskociśnieniowa
---------------
pełna
forma
niskociśnieniowa
taśma
ciągła lub
cykliczna
pełna
---------------
pełna
---------------
pełna
WTRYSKIWANIE
• Jest to proces cykliczny, w którym materiał w
postaci najczęściej granulatu podawany jest do
ogrzewanego cylindra uplastycznia się a
następnie podawany jest przez dyszę do
gniazda formy. W formie pod ciśnieniem
tworzywo przechodzi w stan stały po czym jest
usuwany w postaci gotowego wyrobu
WTRYSKIWANIE
RYS HISTORYCZNY
•
•
•
•
1872 opatentowano pierwszą wtryskarkę tłokową (bracia HEAT)
1955 opatentowano pierwszą wtryskarkę ślimakową (R. BECK)
1961 opatentowano zasadę wtrysku dwuskładnikowego
1970-1980 wprowadzono do produkcji wtryskarki do
duroplastów
• 1980-1985 wprowadzono do produkcji wtryskarki do wtrysku
elastomerów wulkanizujących (przemysł obuwniczy)
• po1990 – wprowadzono do produkcji wtryskarki CNC
Cechy charakterystyczne procesu
wtryskiwania
• proces cykliczny,
• wysokociśnieniowy,
• do
produkcji
wyrobów
bryłowych
pełnych,
kompozytowych, dwuskładnikowych, wielokolorowych,
wyrobów o zmiennej gęstości, zespolonych (tworzywo metal,itp) o masie rzędu 10-2grama do 105 grama,
• bezodpadowy,
• o dużej wydajności,
• w pełni zautomatyzowany,
• elastyczny,
• mobilny.
Zautomatyzowane gniazdo wtryskowe
• wtryskarka CNC (jednostka centralna)
• forma (narzędzie, które nadaje kształt wyrobom)
• urządzenia pomocnicze (termostat, podajnik materiału, suszarka
separator wlewków, transporter taśmowy, manipulator lub robot,
urządzenie pomiarowe, młynek do mielenia odpadów.
wypraska
urządzenie
pomiarowe
termostat
wypraska
Podajnik materiału
(suszarka, dozownik)
manipulator
robot
forma Wtryskarka CNC
transporter taśmowy
separator wlewków
odpady,
wlewki
młynek
Przykład współczesnego gniazda
wtryskowego
IDEA PROCESU WTRYSKIWANIA
polimer
(materiał)
forma
(narzędzie)
maszyna
Wady i zalety procesu wtryskiwania
ZALETY
•
•
•
•
•
•
•
możliwość
wytwarzania
bardzo
skomplikowanych
wyrobów
w
jednej operacji technologicznej
otrzymujemy wyrób gotowy do
użytkowania,
praktycznie
bez
obróbki wykańczającej
wysoka jakość i powtarzalność
kształtu i wymiarów, estetyka
wyrobu
możliwość pełnej automatyzacji,
komputeryzacji procesu
możliwość masowej produkcji
niska pracochłonność
Niska
emisja
szkodliwych
substancji
WADY
•
•
•
•
wysoki
koszt
oprzyrządowania
technologicznego
technologia nie ekonomiczna przy
krótkich seriach produkcyjnych
wymagane wysokie kwalifikacje
pracowników technicznych
długi czas przygotowania i spore
nakłady finansowe związane z
wdrożeniem do produkcji nowego
wyrobu
ODMIANY WTRYSKIWANIA
•
•
•
•
•
•
Wtryskiwanie ślimakowe- uplastycznienie tworzywa w układzie ślimak cylinder
Wtryskiwanie tłokowe – uplastycznienie materiału w cylindrze a wtryśnięcie za
pomcą tłoka
Wtryskiwanie intruzyjne – możliwość wtryskiwania kształtek, których objętość leży
daleko powyżej maksymalnej objętości wtryskowej ślimaka
Wtryskiwanie wielobarwne lub wieloskładnikowe – możliwość formowania
wyrobów złożonych z różnych materiałów lub kolorów, połączenie materiałów
następuje w formie na gorąco, wtryskarka wymaga co najmniej dwóch jednostek
wtryskowych.
Wtryskiwanie gazowe GIT lub gazowe ze spienianiem GIT-S- podczas procesu
wtryskiwania do formy podawany jest gaz obojętny w ten sposób można formować
wyroby o różnych grubościach ścianek. W technice GIT – S pęcherzyki gazu w formie
powodują spienienie tworzywa.
Wtryskiwanie z rozdmuchiwaniem lub z rozciąganiem – metoda dwuetapowa do
formowania pojemników wewnątrz pustych. W pierwszym etapie wytwarza się
wypraskę, w drugim wypraskę się rozdmuchuje się (wprowadzając do środka gaz) lub
rozciąga za pomocą rdzenia
Schemat budowy wtryskarki
•
•
•
Wtryskarka składa się trzech układów
Układ uplastyczniający (uplastycznia materiał i wtryskuje go do formy)
Układ narzędziowy (forma plus układ zamykania składający się z trzech stołów
Układ napędowy i sterujący
Układ narzędziowy
Układ uplastyczniający
Współczesna wtryskarka CNC
Współczesna forma wtryskowa
Formy wtryskowe
Formy wtryskowe
Formy gorąco i zimno kanałowe
Rysunek złożeniowy formy wtryskowej
Wypraski
Urządzenia peryferyjne
wsmomagające pracę wtryskarki
Podajnik tworzywa
młynki
termostat sekcyjny
przenośnik rolkowy
Manipulatory i roboty
Cykl wtryskiwania i parametry procesu
Cykl wtryskiwania - etapy
•
•
•
•
•
•
•
uplastycznienie materiału
zamknięcie formy
dojazd jednostki uplastyczniającej do formy
wtrysk
docisk
chłodzenie
usunięcie wypraski z formy
Parametry procesu
•
•
•
•
•
temperatury - (stref grzewczych na cylindrze i dyszy, temp. połówek formy na termostacie)
Ciśnienia - (wtrysku, docisku, zwarcia połówek formy-siła zamykania, uplastycznienia)
Drogi - (skok formy, skok ślimaka lub tłoka, skok wypychaczy, skok jednostki uplastyczniającej)
Prędkości - (zamykania i otwierania formy, wypychaczy, wtrysku, jednostki uplastyczniąjącej,
prędkość obrotowa ślimaka)
Czasy (cyklu, wtrysku, docisku, chłodzenia formy)
Schemat graficzny cyklu wtryskiwania
drogi ślimaka i stołów formy w funkcji czasu
2
droga
ślimaka
czas
droga
formy
Ta Tb
Tc
Tg Tf
Td
Te
Ta – czas zamykania formy, Tb – czas dojazdu jednostki uplast. do formy,
czas
Tc czas wtrysku i docisku, Td- czas odjazdu jednostki uplast., Te- czas
chłodzenia, Tg - czas otwierania formy, Tf - czas przerwy miedzy cyklami
Okno procesowe
Prawidłowy proces wtryskiwania można opisać za pomocą okna
procesowego
Okno procesowe
temperatura
Degradacja termiczna
przetrysk
niedolew
stop
ciśnienie
Charakterystyka układów uplastyczniających
wtryskarki
nazwa
tłokowy
ślimakowy
hybrydowy
zalety
wady
• prosta budowa
• duża objętość wtrysku
• możliwość przetwarzania
polimerów o dużej lepkości
• stosowany w małych
wtryskarkach
• długi czas uplastycznienia,
który rośnie wraz ze średnicą
tłoka
• słaba termiczna homogenizacja
materiału
•.powoduje degradację
termiczną polimerów wrażliwych
• krótki czas uplastycznienia
• dobra homogenizacja
termiczna polimerów
• lepsza efektywność
ekonomiczna
• ograniczona skokiem ślimaka
objętość wtrysku
•skomplikowana budowa
• nie można przetważać
polimerów o dużej lepkości lub
kompozytów z długim włóknem
• dobra homogenizacja
polimeru
• duża objętość wtrysku
• skomplikowana budowa
składająca się z dwóch
jednostek połączonych
funkcjonalnie
Charakterystyka układów narzędziowych
wtryskarki
nazwa
zalety
wady
hydrauliczny
• wysoka sprawność
• duże siły zamykania
• układ sztywny
• rozbudowany układ
hydrauliczny (zbiornik,
rozdzielacze, chłodzenie
oleju)
dźwigniowohydrauliczny
• wysoka sprawność
• układ sztywny
• efektywny energetycznie
• ograniczone możliwości
kinematyczne układu
mechaniczny
• układy szybkie
• ograniczona sztywność
układu mechanicznego
• zwarta budowa
• niski poziom hałasu
• precyzyjne sterowanie
Charakterystyka układów napędowych
i sterowania
nazwa
zalety
wady
Hedrauliczne
• możliwość ciągłej pracy
przy zmiennych i
ekstremalnych
obciążeniach
• prawidłowa eksploatacja
układu wymaga okresowej
wymiany oleju, filtrów,
uszczelek itp
elektryczne
• układy precyzyjne,
szybkie, łatwe do regulacji
• nie wymagają instalacji
hydraulicznej
• układy elektryczne nie są
przeznaczone do pracy w
zmiennych i skrajnie
ekstremalnych obciążeniach
Sterowane
elektronicznie
• łatwy proces ustawiania
parametrów, monitorowania i
kontrolowania procesu
• w przypadku awarii koniczność
Sterowane
konwecjonalne
• proces ustawiania parametrów
nie wymaga instalowania systemu
komputerowego
• układ można regulować i
serwisować samodzielnie
• parametrów technologicznych nie
można monitorować i kontrolować
podczas procesu
wezwania autoryzowanego
serwisu
TŁOKOWY UKŁAD UPLASTYCZNIAJĄCY
Budowa układu uplastyczniającego
4
5
3
T3
T2
T1
2
6
Tch
T4
T1 >T2
Oznaczenia:
1. tłok, 2. lej zasypowy, 3.cylinder, 4. opaski grzewcze,
5. Dysza wtryskowa, 6.kanały chłodzące
V1 V2
1
ŚLIMAKOWY UKŁAD
UPLASTYCZNIAJĄCY
4
3
2
1
5
6
OZNACZENIA:
1. ślimak, 2.cylinder, 3. opaski grzewcze, 4. dysza wtryskowa, 5. lej zasypowy, 6.
kanały chłodzące
Hybrydowy układ uplastyczniający
1
2
Oznaczenia:
1. Ślimakowa jednostka uplastyczniająca
2. .Tłokowa jednostka wtryskowa
Układ narzędziowy
hydrauliczny
5
3
6
2
4
1
Oznaczenia:
1. Stół mocujący stały, 2 stół ruchomy, 3. stół mocujący tylni, 4 forma, 5 siłownik
hydrauliczny dwustronnego działania, 6. kolumny prowadzące
Układ narzędziowy
Dźwigniowo – hydrauliczny
1
2
3
4
5
6
7
8
OZNACZENIA:
1. siłownik hydrauliczny, 2. stół tylni, 3. kolumny prowadzące,
4. zespół dźwigni, 5. stół dystansowy, 6. stół ruchomy, 7. forma,
8. stół przedni
Układ narzędziowy
mechaniczny
1
2
3
4
5
6
7
8
9
OZNACZENIA:
1. Stół tylni, 2. kolumny prowadzące, 3 układ
dźwigni, 4 stół pośredni, 5. stół ruchomy, 6. forma,
7. stół przedni, 8. koła zębate, 9. korba
Wtrysk dwuskładnikowy
1
2
3
4
OZNACZENIA
1. forma, 2 zawór sterujący, 3.rozdzielacz masy, 4. dwie jednostki
uplastyczniające
Wtrysk dwukolorowy
5
4
3
6
2
1
Oznaczenia:
1.forma, 2, dwie jednostki uplastyczniające, 3 stół obrotowy, 4. stół
stały przedni, 5. stół ruchomy, 6 mechanizm obrotowy
Wtrysk tworzyw termoutwardzalnych
Podstawy przetwórstwa
•
•
•
Po wysuszeniu półfabrykat tłoczywo (żywica + napełniacz) podawany jest
do leja w postaci granulatu, proszku.
W cylindrze wtryskarki materiał jest uplastyczniony, odgazowany i
homogenizowany w temperaturze około 135 oC
Cały uplastyczniony materiał jest wtryskiwany do formy ogrzewanej o
temperaturze 180 -200 oC, gdzie następuje proces sieciowania żywicy
1
2
3
4
η lepkość tłoczywa
Lepkość graniczna
ΔT
Oznaczenia:
T czas nagrzewania
zależność lepkości od czasu nagrzewania
ΔT – czas wtryskiwalności
1. Strefa gorąca formy, 2. izolacja termiczna, 3. strefa zimna formy, 4. wypraska
Wtrysk elastomerów wulkanizujących
Podstawy przetwórstwa gumy i mieszanek kauczukowych
•
•
•
półprodukt w postaci granulatu lub taśmy zasypywany jest do leja wtryskarki
w temperaturze pokojowej
w cylindrze tworzywo jest podgrzewane do 60 – 90 stopni
tworzywo jest wtryskiwane do termostatowanej formy o temp. 180-2400C w
której zachodzi wulkanizacja
Park maszynowy
•
•
Wtryskarka wymaga specjalnej konstrukcji ślimaka. Stosuje się ślimaki
śrubowe o stopniu sprężenia 3:1 i L/D = 14 lub ślimaki walcowe o stopniu
sprężania 1:1 i dużym współczynniku tarcia
Forma jest mocowana na obrotowym stole (praca w systemie karuzelowym)
Zalety
W stosunku do klasycznej technologii wulkanizacji gumy wtrysk gumy i
silikonów zapewnia lepszą jednorodność mieszanki, wysoką jakość
wyrobów, możliwość formowania wyrobów o skomplikowanych kształtach
Wtrysk reaktywny polimerów
utwardzalnych RIM, R-RIM, S-RIM
• RIM - (reactive injection moulding) – odlewanie wtryskowe polimerów
utwardzalnych sieciujących w formie wtryskowej. Półfabrykat ma postać
ciekłą (płyn, past, krem) i podawany jest w temperaturze otoczenia do
miksera gzie następuje homogenizacja mieszanki składającej się z żywicy
utwardzacza i napełniaczy. Wymieszane w mikserze składniki podawane są
w sposób ciągły do cylindra w którym ślimak bez kompresji przemieszcza
tworzywo przez dyszę zaworową. W układzie uplastyczniającym występuje
strefa odgazowania. Tworzywo wtryskiwane pod niskim ciśnieniem do
termostatowanej formy, w której sieciuje. Formy mocowane są na
obrotowym stole (praca w systemie karuzelowym)
• R-RIM - odlewanie wtryskowe z dodatkiem ciętych włókien (szklanych,
węglowych, itp.)
• S-RIM – odlewanie wtryskowe z dodatkiem kompozytów strukturalnych
układanych w postaci mat lub tkanin w formie zalewanej żywicą