Transcript FORMSPRUTNING

BEARBETNING FRÅN A TILL Ö
A
Ö
De polymera materialen formas till produkter med en lång rad olika bearbetningsmetoder. I det här numret av Plastforum startar vi en artikelserie där de
olika bearbetningsmetoderna ingående kommer att beskrivas av vår medarbetare
Lars-Erik Edshammar. Serien startar med en översikt av den största bearbetningsmetoden, formsprutning. Under hösten kommer sedan olika tekniker inom formsprutning att beskrivas, liksom det centrala i formsprutningen; formen.
Formsprutning
Den sto¨ rsta
metoden
Utbudet av formsprutor är
stort med cirka 100 tillverkare. Konstruktionerna
skiljer sig från varandra i
funktion, storlek och typ.
I standardutförandet är
insprutnings- och formlåsningsenheten monterad
på en horisontell maskinbädd. Andra utrustningar
har vertikalt utförande,
skilda plasticerings- och
insprutningscylindrar för
tillverkning av cellulära
plaster, kombinationer av
formsprutor vid multikomponentsprutning, tandemformsprutning samt möjligheter till out-sert teknik,
back-moulding etc.
■ Formsprutning av plast har
sitt ursprung i pressgjutning av
metaller som mässing och zink.
Pressgjutning började praktiseras
kring år 1850. Vid pressgjutning
fylls en cylinder med smält metall.
Cylindern är försedd med en kolv,
som pressar smältan in i ett kallt
verktyg av stål. Injektionstrycket är
högt och verktyget är högt belastat
och monterat i en kraftig press.
På liknande sätt fungerade de
första formsprutningsmaskinerna.
En viss mängd plastgranulat pressas med hjälp av en kolv genom
en uppvärmd cylinder. Granulatet
smälter på grund av cylinderns
värme och insprutas via ett
munstycke in i en kyld form (verktyg kallas form vid formsprutning).
Tekniken beskrivs i ett patent från
1872. Uppfinnarna var bröderna
Hyatt i USA, som också uppfann
celluloid - den första termoplasten.
Hyatts vidareutvecklade tekniken
och kunde senare fylla en form
innehållande flera formrum.
De första serietillverkade formsprutorna med kolv kom 1926.
Kolvcylindern uppvärmdes på
utsidan av värmeband. På grund
av plastens dåliga värmeledning,
var plastsmältan varmare nära
cylinderytan än i centrum av
cylindern. Genom att införa en
”torped” i cylindern försökte man
tränga undan den kalla delen av
smältan. Man införde också spår
och räfflor på cylinderns insida för
att öka plastsmältans turbulens och
därmed åstadkomma en jämnare
temperaturfördelning. Den plastsmälta, som nådde formrummet
blev trots alla förbättringar relativt
inhomogen. Tekniken fungerade
emellertid relativt tillfredställande
för de termoplaster, som fanns
tillgängliga på marknaden fram till
slutet av 1940-talet. Därefter lanserades plaster som krävde en effektivare bearbetningsteknik.
En helautomatisk formsprutmaskin med kolvinsprutning beviljades patent år 1936. År 1938 patenterade den franska firman Quillery
en maskin med en roterande skruv
i en cylinder för bearbetning av
gummi. Därmed kom skruven för
att stanna vid bearbetning av polymerer. En formsprutningsmaskin
med skruvinsprutning i stället för
kolvinsprutning pantenterades
1943. Tekniken innebar att skruven, förutom sin rotation, hade en
fram- och återgående rörelse. År
1956 marknadsförde Ankerverk
Nüremberg (Demags föregångare) den första formsprutan med
denna typ av skruv. Skruven knådar
och smälter plasten när den roterar (plasticering) och smält plast
transporteras framåt i cylindern
och samlas i ett förråd framför skruven. Förrådet bildades genom att
skruven tvingades bakåt. Därefter
avstannar skruvens rotation och
skruven fungerar som en kolv, som
sprutar in den uppsamlade plastsmältan i formen.
Under 1950-talet fanns det
praktiskt taget endast maskiner
med kolvinsprutning. I början av
1960-talet inleddes en övergång till
maskiner roterande skruv i en cylinder. De flesta var av ovannämnda
typ med en skruv som både matade
fram material och fungerade som
kolv vid insprutningen. Vissa
maskiner var konstruerade med
en separat plasticeringsenhet, som
fyller en ansluten cylinder utrustad
med kolv. Plastsmältan uppsamlas
framför kolven och sprutas in i
formen då kolven skjuts framåt.
Konstruktionen lever kvar i maskiner för formsprutning av expanderade plaster. ✯
Lars-Erik Edshammar
PLASTFORUM Nr 7/8 2004
27
BEARBETNING FRÅN A TILL Ö
Formsprutning
kontra pressgjutning
■ Den stora skillnaden mellan pressgjutning och formsprutning ligger
i att metallsmältan uppför sig som
vatten medan plastsmältan med
viss överdrift är tandkrämsliknande.
Den smälta plasten har en flytfront,
som skrider fram genom inloppsbussningen och in i formen i motsats
till metallsmältan, som formas till
en stråle i inloppet. Strålen stänker
då den möter motstånd i formen.
Pressgjutgodset blir därför fullt av
porer medan formsprutgodset bli
porfritt. Formsprutade plastdetaljer kan emellertid också få relativt
hög porhalt om smältan sprutas på
liknande sätt med en s k fristråle in
i ett formrum. En fristråle uppstår
om munstycket har fel geometri och
plastsmältan är mycket lättflytande.
Pressgjutning innebär en rad
fördelar, som kommit formsprutningen till del:
1.hög dimensionsnoggrannhet
2. ringa eller liten efterbearbetning
3. möjligheter att införa under skärningar, slitsar och hål
4. ingjutning av insatser
5. komplicerade former
Till nackdelarna hör dyra formverktyg och formar, vilket
gör att de båda metoderna är
ekonomiska först i långa serier.
Formsprutningen sker med jämförelsevis hög produktionstakt. Ett
plastformgods går visserligen att
tillverka genom vertikal formpressning i varmt verktyg men metoden
är betydligt långsammare och mer
energikrävande.
Formsprutning är en av de viktigaste av bearbetningsprocesserna
för plast och den viktigaste i tekniska tillämpningar. Formsprutning
är en rationell tillverkningsmetod. Man utgår vanligen från en
färdigblandad plast i granulatform.
Formstycket kan ha hög komplexitet utan att behöva efterbearbetas.
Omkring 25 procent av termoplasterna formsprutas i vikter mellan
något gram och upp till cirka
75 kg och undantagsvis 100 kg.
Väggtjockleken ska vara så konstant
som möjligt men tjockleken kan
variera mellan 0,5 till 10 mm. Den
vanliga tjockleken ligger vid 3-4
mm. Kyltiden blir längre för allt
tjockare formsprutgods. Ett tjockt
gods ger således långa cykeltider
och därmed dålig ekonomi.
PLASTFORUM Nr 7/8 2004
Formsprutans olika delar och medel för sprutenhetens rörlighet
Formsprutans
huvudenheter
■ Formsprutan består av två
huvudenheter: Formlås-ningsenheten och sprutenheten. För att
minska cykeltiden arbetar enheterna samtidigt under en del av formsprutningsprocessen. Sprutenheten
fylls med nytt material medan
formstycket kyls och stelnar i
formen. Formlåsningsenheten står
fast på maskinbädden medan sprutenheten kan förskjutas med anordningar. Det varma munstycket kan
därför skjutas bakåt för att inte stå
i kontakt med den fasta formplattan. Därmed påskyndas kylningen
av formen. Kylningen tar nämligen
lång tid eftersom plasten har liten
värmeledningsförmåga. Förutom
huvudenheterna tillkommer en
styrande enhet, som kontrollerar
formsprutans funktion samt bredvidutrustning som torkugn, robotar,
transportband o s v.
Storleken hos formlåsningsenheten uttrycks i dess maximala formlåsningskraft eller låskraften som
kan variera mellan 30 kN och
100 000 kN men vanligen är 300 kN
(30 ton) till 50 000 kN (5 000 ton).
Låskraften är summan av alla de
krafter, som verkar på låsningsenhetens kolonner (dragstänger) under
plastsmältans insprutning. Storleken
hos sprutenheten uttrycks i sprutvolymen, som är beroende av skruvens
diameter.
Formen
■ Det centrala i formsprutningsprocessen är formen, som utgörs av
minst två delar. Formen monteras
i formsprutans formlåsningsenhet
och dess storlek är beroende av
formsprutans storlek. Varje form
A
Ö
innehåller minst ett formrum, som
fylls med smält plast och därefter
kyls till färdig detalj. Insprutningshastigheten är inställningsbar
och tillsammans med smältans
temperatur viktiga parametrar för
smältans transport till formrummet.
Inne-håller formen flera formrum
transporteras smältan från inloppsbussningen via formens fördelningskanaler till formrummen, som
fylls genom sina intag. Kanalerna är
utformade med hänsyn till smältans
viskositet så att transporten löper så
smidigt som möjligt.
Formhalvorna ska tåla ett högt
tryck utan att deformeras. De ska
tåla snabba rörelser och nötning
under loppet av hundra tusen
cykler eller mer. Formen tillverkas
av smidda ämnen av låglegerat
stål, som härdas efter bearbetning.
Formen fungerar i princip som ett
tjockväggigt tryckkärl. Om smältans tryck är 50 MPa och förhållandet mellan kavitetens diameter och
väggtjockleken är 4:1 blir ringspänningen i väggen 100 MPa. Eftersom
det även förekommer hörn, kring
vilka det uppstår spänningskoncentrationer måste formstålets hållfasthet överstiga 300 MPa.
Formlåsningsenheten
■ Formlåsningsenheten har till
uppgift att
1. uppbära formen, som kan vara
mycket tung
2. öppna och stänga formen.
3. utöva tillräcklig låskraft, som håller formen låst under
insprutningen d v s låsnings
trycket ska vara är högre än
insprutningstrycket
4. öppna formen efter avkylning av sprutstycket
29
BEARBETNING FRÅN A TILL Ö
5. frigöra formstycket (utstötar-
funktionen behandlas då formen
beskrivs)
Vid val av formspruta tas hänsyn
till formlåsningsenhetens energiförbrukning, behov av underhåll, driftsäkerhet, formens storlek, utrymmet
vid öppning etc.
Låsningsenheten är en press som
vanligen manövreras med två typer
av mekanisk påverkan: knäledssystem eller hydrauliska system.
Det senare kan bestå av ett direkt
hydrauliskt system men består
vanligen av ett tvåstegssystem, som
omfattar en snabb och lätt hydraulik
i kombination med en tyngre, som
ger låsverkan. Det förekommer
också elektriska system i s k helelektriska maskiner.
Formlåsningsenheten består
vanligen av:
1. stödplatta
2. rörligt formbord med infäst formhalva
3. fast formbord med infäst
formhalva
4. anordning för att flytta det
rörliga formbordet mekaniskt
eller hydrauliskt.
Stödplattan är under processens gång fixerad vid formsprutans
fundament Stödplattan kan emellertid förflyttas axiellt vid byte av
form. Det rörliga formbordet påverkar formens utstötaranordning för
att avlägsna formstycket. Det fasta
formbordet fäst vid fundamentet
och placerat på insprutningssidan.
Formbord benämns också formplatta eller uppspänningsplatta.
Den rörliga plattan kallas också den
bakre plattan och den fasta för den
främre plattan.
Insprutningen sker under betydligt högre tryck än den omgivande
atmosfärens tryck. Formhalvorna
måste därför sluta helt tätt till varandra för att inte plast ska tränga ut
genom formens delningsplan. Den
utträngande plasten kommer då att
bilda en spalt och ett skägg på formstycket, som måste avlägsnas manuellt, vilket medför extra kostnader.
Dessutom visar spalten en tendens
att öka i mått under den fortsatta
bearbetningen.
Låsningsenheten utsätts för stora
påfrestningar under sin livstid.
Formsprutning innebär en följd
av snabba rörelser, som måste vara
exakta. Den rörliga plattan styrs
därför av kraftiga parallella pelare
(kolonner) med minimal svikt
mellan infästen. Konstruktionen är
robust och arbetar med hög precision utan att den rörliga plattan får
vicka det minsta så att formhalvorna snedställs i förhållande till
PLASTFORUM Nr 7/8 2004
varandra och förändras under sin
kalkylerade livslängd.
För att skydda formen är
låsningsenheten försedd med en
säkerhetsanordning, som stänger av
slutningsrörelsen om något hinder
uppstår och skadar formen. Öppningsrörelsen sker inledningsvis
långsamt och försiktigt för att inte
formstycket ska slitas sönder av
det sug, som uppstår mellan formväggen och formstyckets yta. Om
formen innehåller rörliga kärnor
och backar krävs också en långsam
rörelse i början av formöppningen
trots att rörelsen måste vara kraftig.
Under öppningsrörelsen träder
utstötarna i funktion.
Den vanligaste låsningen sker med
ett knäledssystem. Knäleden sträcks
vanligen med hjälp av en hydraulisk
cylinder. Då knäleden sträcks blir
låsningsenhetens kolonner elastiskt spända. Formlåsningen och
låskraften utövas därför egentligen
av kolonnerna, som blivit förspända.
Hydraulkolven har ingen låsande
funktion. Knäledsmekanismen
kan vara utformad på många sätt. I
Figuren som visar formsprutningsprocessen ingår en enkel knäled med
sidoställd hydraulcylinder.
Fördelen med en enkel knäledslösning är att de två formhalvorna
först närmar sig varandra långsamt
därefter ökar hastigheten och når
ett maximum för att åter minska då
formhalvorna möts försiktigt Den
slutna formen blir kraftigt och fullständigt låst av de sträckta knäleden. Totalt sett öppnar och sluter
knäledsystemet formen snabbare
än ett hydrauliskt system. Detta
gäller emellertid endast vid låstryck
upp till 6 500 kN (650 ton). Vid
högre låstryck har inte knäledsmekanismen någon fördel när det
gäller hastigheten.
Hydrauliska system kan operera
med lägre tryck och sluter formen
med lägre kraft än knäledssystemet.
Därmed utsätts formen för mindre
risker för skador.
Tvåstegs hydraulisk låsning ger
fördelar framför ett system med en
enkel hydraulisk kolv. Framskjutningen av det rörliga formbordet
kräver små krafter och kan utföras
av en eller två mindre hydraulisk
cylinder. Den slutliga stängningen
sker med en kraftig cylinder. I vissa
system låser man det framskjutna
formbordet varefter den slutliga
stängningen sker med en kraftigare
cylinder eller en tryckkudde, som
förtätas bakom det rörliga formbordet. Fördelar med tvåstegsförfarandet är följande:
1. formhalvorna sluts snabbare
2. den behövliga oljevolymen
minskar med energivinster som
följd
3. mindre skada på formen på grund av exaktare rörelse
A
Ö
Tvåstegs hydraulisk låsning
Den hydrauliska låsningen kan
inställas exakt och utövar ett jämnt
tryck över formplattans yta, vilket
minskar risken för deformation hos
formen. Stödplattan behöver ej
förflyttas vid formbyte. Kostnaderna
för det hydrauliska systemet är lägre
än för ett knäledssystem. Till nackdelarna hör att oljan inte är en ideal
vätska utan har en viss kompressibilitet vilket gör att systemet ej är
så styvt som ett knäledsystem. Eftersom stora mängder olja pumpas
genom systemet är energiåtgången
hög särskilt vid enkel hydraulisk
låsning.
Olika typer av plasticeringsskruvar
Universalskruvar
■ Beredningen av plastsmältan i
en cylinder med skruv betyder en
mycket jämn värmefördelning på
grund av den intensiva frammatningen under tryckhöjning. Skruvar
och cylindrar är utformade ungefär
som motsvarande vid strängsprutning. Skruvarna är vanligen universalskruvar eller utformade enligt
materialleverantörens anvisningar.
Längd till diameterförhållande
(L/D) brukar variera mellan 18:1
till 24:1.
Tidigare förekom L/D 12:1 men
för universalskruvar gäller 20:1.
Kravet på längre skruvar berodde
på att man önskade en högre
kapacitet av plasticerad massa,
31
BEARBETNING FRÅN A TILL Ö
A
Ö
Återflödesspärrens läge
vid plasticering
homogenare smälta och mindre
slitage på skruvarna. Förhållandet
20:1 ger tillräcklig kapacitet för de
flesta termoplaster. Skruvarnas L/D
bör emellertid ej överskrida 20:1,
eftersom plastsmältan då kommer
att uppehålla sig i cylindern under
lång tid med risk för nedbrytning.
Skruvens rotationshastighet är beroende på plastmassans egenskaper.
En vanlig skruv för konstruktionsplaster, som ej är utrustad med
blandningselement indelas i tre
zoner. För lågviskös polyamid gäller
vid L/D 20:
1. inmatningszon, cirka 50 procent av skruvlängden
2. övergångszon eller
kompressionszon, cirka 25 procent av skruvlängden
3. utjämningszon eller utmatnings
zon (på engelska metering zone), cirka 25 procent av skruvlängden
Detta är exempel på en högkristallin plast. Smältan flyter lätt genom
utjämningszonen där gängdjupet
endast är cirka 1,5 mm vid en skruvdiameter av 50 mm. I inmatningszonen är gängdjupet cirka 7,5 mm.
För-hållandet mellan gängdjupen
i utjämnings- och matningszonen
brukar kallas kompressionsförhållandet, som i detta fall är 7,5:1,5 =
5:1. Kompressionsförhållandet är
vanligen 2:1 till 3:1. Vid bearbetning
av styv PVC används en skruv med
likformig kompression.
Volymen hos den plastsmälta
som samlas framför skruven eller
”skottet” (s) får ej överstiga ett visst
värde. Visserligen kan volymen nå
stora värden genom att skruven
trycks tillbaks men vid L/D 20
rekommenderas s < 3D och i specialfall s < 4D. Om s ligger vid 6D
– 7D blir plastsmältan inhomogen
eftersom den verksamma delen av
skruven blir kortare.
Undersökningar har även visat
att plastsmältan suger upp luft om
s har för stort värde vilket yttrar sig
i strimmor, pärlemoeffekt och t o m
små kratrar i plastdetaljens yta.
För att inte plastsmältan ska
tryckas bakåt från utrymmet
framför skruven är skruven utrustad med en återflödesspärr eller
bakströmsspärr. Återflödesspärr
32
används inte vid bearbetning av
styv PVC eftersom spalten mellan
skruv och cylinder är tunn nära
munstycket. Återflödesspärren kan
bestå av en ring- eller kulventil men
även vara uppbyggd på annat sätt.
Ringventilen utsätts för erosion,
utformas på olika sätt och tillverkas
av härdiga material och/eller ytbehandlas.
Kulventilen har en roterande
mekanism, som kan orsaka nedbrytning av skjuvningskänsliga plaster
som polykarbonat och PMMA,
vilket missfärgar formstycket.
kaviteter i formen samlats framför
skruen avstannar skruvens rotation.
3. Formen sluts
Formen sluts genom att det rörliga
formbordet med sin uppspända
formhalva rör sig mot den formhalva, som är fäst vid det fasta formbordet på insprutningssidan.
4. Insprutning
Skruven som eroterar fungerar nu
som insprutningskolv och skjuts
axiellt framåt med hjälp av hydrauliken i skruvens ände. Smältan
sprutas in i formen genom ett
formsprutningsprocessen
Formsprutningsprocessen
1. Plasticering
■ Skruven roterar och munstycket
är skilt från de fasta formbordet.
Via en tratt förs råmaterial i form av
granulat eller pulver kontinuerligt
ned i formsprutans placticeringscylinder. Den roterande skruven
transporterar smältan framåt i
cylindern. Cylinderns temperatur
är noggrant reglerad och den del av
cylindern, som är närmast tratten
måste hållas kall så att det tillförda
materialet ej smälter. Materialtransporten förutsätter nämligen
att oplasticerat material trycker
på den smälta massan längre fram
i cylindern. Massan smälter på
grund av friktion och värmebandens inverkan.
2. Plasticeringen avslutas
Längst fram i cylindern samlas smält
plast framför skruvens spets. Den
smälta plasten framför skruven
växer i volym och utövar ett tryck
på den roterande skruven. Skruven,
som är axiellt rörlig, trycks bakåt och
rörelsen motverkas av en hydraulkolv i skruvens bakre ände. När den
volym smälta, som ska fylla alla
munstycke och formen fylls.
Skruvens främre del är i de flesta
fall utrustad med en återflödesspärr. Spärren hindrar smält plast
att flöda bakåt då skruven trycks
framåt medan den tidigare släppt
igenom flytande material till förrådet framför skruven.
5. Eftertryck
Formen blir vid insprutningen
fylld med flytande plast. Formen
är kall och plasten börjar stelna i
formen. När plasten stelnar krymper den gradvis och krympningen
kompenseras genom att trycka in
mer flytande plast (eftertryck) Man
brukar ibland säga att man packar
plasten. Man kan inte trycka på
med flytande plast hur länge som
helst. När plasten fryser på kritiska
ställen verkar ej eftertrycket längre.
Man kan aldrig kompensera krympningen till 100 procent.
6. Utstötning
Formen öppnas då formstycket är
så kallt och stelt att det kan utstötas
utan att deformeras. Avkylningen
tar tid och sprutenheten skiljs från
det fasta formbordet och börjar
fyllas med ny plast, enligt moment
1 - och cirkeln är sluten. ✯
PLASTFORUM Nr 7/8 2004