Upload
uriel-bradshaw
View
85
Download
2
Embed Size (px)
DESCRIPTION
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. - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
dr inż. Sławomir SzymańskiPolitechnika GdańskaWydział Mechaniczny
PRZETWÓRSTWO TWORZYW SZTUCZNYCH
PRZETWÓRSTWO TWORZYW SZTUCZNYCH
Jest to samodzielna specjalność naukowa oraz zawodowa, jak również branża gospodarki.
ISTOTA I CEL PRZETWÓRSTWA
Technologia Maszyn
(Techniki Wytwarzania )• obróbka skrawaniem
• odlewnictwo
• techniki spajania
• przetwórstwo tworzyw sztucznych
WYTWARZANIE MASZYN
• 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 PRZETWÓRSTWAMetody fizyczno- chemiczne
Metody PFC – I rodzaju• zgrzewanie, spawanie• porowanie (spiekanie, formowanie
rozrostowe),• suszenie, aktywowanie,
podgrzewanieMetody PFC – II rodzaju
• wtryskiwanie,• wytłaczanie,• prasowanie,• laminowanie,• odlewanie,• kalandrowane• formowanie z preform
Metody chemiczno-fizyczne
• 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 polimerowa- polimer będący makroskopowo jednorodną mieszaniną dwóch lub większej ilości różnych polimerów o różnym stopniu mieszalności, które tworzą różne fazy
• 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 sztucznychna 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 HDPE PA (nylon)
ABS PC PET
Przykłady wyrobów zespolonych
Brass inserts with thread
Heater circuit insert
Turbine with spool insert
ZESTAWIENIE TECHNOLOGII PRZETWÓRSTWA TWORZYW SZTUCZNYCH
NAZWA
CECHY CHARAKTERYSTYCZNE PROCESU
odmiany Rodzaj tworzywapółfabrykat
maszyna
narzędzie Charakterprodukcjistopień
autmatyzacji
Wtryskiwa-nie
•Ślimakowe• tłokowe,
• intruzyjne•wieloskładniko•z gazem(GIT),• z rozdmuche
termoplasty,duroplasty (żywice termoutwardalne
i elastomery wulkanizujace
granulat, proszek
wtryskarkaforma
wysokciśnieniowa
cykliczna---------------
pełna
wytłaczanie •jednoślima-kowe
•wieloślimak-owe
termoplasty,duroplasty elastomery wulkanizujace
granulat, proszekwytłacza-
rkagłowica
ciągła---------------
pełna
prasowanie •bryłowe, tłocz- ne, przetłoczne•płytowe
duroplasty termoplasty(żywice termoutwardalne)Granulat, proszek, płyta
prasaforma
wysokciśnieniowa
cykliczna---------------
pełnakalandrowa
nietemoplasty
proszek , pasta kalanderzestaw co najjmniej 3 kalandrów
ciągła---------------
pełna
ZESTAWIENIE TECHNOLOGII PRZETWÓRSTWA TWORZYW SZTUCZNYCH
NAZWA
CECHY CHARAKTERYSTYCZNE PROCESU
odmiany Rodzaj tworzywa
półfabrykat
maszyna narzędzie Charakterprodukcji/
stopień autmatyzacji
termoformowanie
•pozytywne•negatywne
termoplastypłyta
próżniówka formaniskociśnieniowa
cykliczna---------------
pełnaodlewanie •grawitacyjne
•odśrodkowe•Wylewanie•zalewanie
Duroplasty, termoplasty
żywica + napełniaczmonomer termoplast.
urządzeniemieszająco -
dozująceforma
niskociśnieniowataśma
ciągła lub cykliczna
pełna
Laminowa-nie
•formowanie ręczne
•natryskowe•metoda RTM
duroplastyżywica + napełniacz
urządzeniemieszająco -
dozujące
Kopytoforma
niskociśnieniowa
cykliczna---------------
pełna
formowaniez
rozdmuchem
•swobodne• z rozciąganiem
termoplastypreforma butelczarka
formaniskociśnieniowa
cyliczna---------------
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 procesuwtryskiwania
• 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.
Wtryskarka CNC
Podajnik materiału (suszarka, dozownik)
forma
transporter taśmowyseparator wlewków
manipulatorrobot
termostat urządzenie
pomiarowe
wypraska
wypraska odpady,
wlewkimłynek
Przykład współczesnego gniazda wtryskowego
maszyna
polimer(materiał)
forma(narzędzie)
IDEA PROCESU WTRYSKIWANIA
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 wtryskarkiWtryskarka 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 uplastyczniającyUkład narzędziowy
Współczesna wtryskarka CNC
Współczesna forma wtryskowa
Formy wtryskowe
Formy wtryskowe
Formy gorąco i zimno kanałowe
Rysunek złożeniowy formy wtryskowej
Wypraski
Urządzenia peryferyjnewsmomagające pracę wtryskarki
Podajnik tworzywa termostat sekcyjny przenośnik rolkowy
młynki
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 wtryskiwaniadrogi ślimaka i stołów formy w funkcji czasu
2
czas
czas
droga
ślimaka
droga
formy
Ta Tb Tc Td
Tg TfTe
Ta – czas zamykania formy, Tb – czas dojazdu jednostki uplast. do formy,
Tc czas wtrysku i docisku, Td- czas odjazdu jednostki uplast., Te- czas chłodzenia, Tg - czas otwierania formy, Tf - czas przerwy miedzy cyklami
Okno procesowePrawidłowy proces wtryskiwania można opisać za pomocą okna
procesowego
Okno procesoweDegradacja termiczna
przetrysk
stop
niedolew
ciśnienie
temperatura
Charakterystyka układów uplastyczniających wtryskarki
nazwa zalety wadytłokowy • 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
ślimakowy • 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
hybrydowy • dobra homogenizacja polimeru• duża objętość wtrysku
• skomplikowana budowa składająca się z dwóch jednostek połączonych
funkcjonalnie
Charakterystyka układów narzędziowych wtryskarki
nazwa zalety wadyhydrauliczny • wysoka sprawność
• duże siły zamykania• układ sztywny
• rozbudowany układ hydrauliczny (zbiornik, rozdzielacze, chłodzenie oleju)
dźwigniowo-hydrauliczny
• wysoka sprawność• układ sztywny• efektywny energetycznie
• ograniczone możliwości kinematyczne układu
mechaniczny • układy szybkie • zwarta budowa• niski poziom hałasu• precyzyjne sterowanie
• ograniczona sztywność układu mechanicznego
Charakterystyka układów napędowychi sterowania
nazwa zalety wadyHedrauli-
czne• 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
Sterowaneelektronicznie
• łatwy proces ustawiania parametrów, monitorowania i
kontrolowania procesu
• w przypadku awarii koniczność wezwania autoryzowanego
serwisu
Sterowanekonwecjonalne
• proces ustawiania parametrów nie wymaga instalowania systemu komputerowego
• układ można regulować i serwisować samodzielnie
• parametrów technologicznych nie można monitorować i kontrolować podczas procesu
TŁOKOWY UKŁAD UPLASTYCZNIAJĄCY
Budowa układu uplastyczniającego
V1 V2T1 >T2
6 1
2
345
Oznaczenia:1. tłok, 2. lej zasypowy, 3.cylinder, 4. opaski grzewcze,5. Dysza wtryskowa, 6.kanały chłodzące
TchT1T2T3
T4
ŚLIMAKOWY UKŁAD UPLASTYCZNIAJĄCY
3 124 5
6
OZNACZENIA:
1. ślimak, 2.cylinder, 3. opaski grzewcze, 4. dysza wtryskowa, 5. lej zasypowy, 6. kanały chłodzące
Hybrydowy układ uplastyczniający
Oznaczenia:
1. Ślimakowa jednostka uplastyczniająca
2. .Tłokowa jednostka wtryskowa
1
2
Układ narzędziowyhydrauliczny
Oznaczenia:
1. Stół mocujący stały, 2 stół ruchomy, 3. stół mocujący tylni, 4 forma, 5 siłownik hydrauliczny dwustronnego działania, 6. kolumny prowadzące
5 3 6 2 4 1
Układ narzędziowyDźwigniowo – 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 narzędziowymechaniczny
1 2 3 4 5 6 7
8
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
9
Wtrysk dwuskładnikowy
OZNACZENIA
1. forma, 2 zawór sterujący, 3.rozdzielacz masy, 4. dwie jednostki uplastyczniające
2 3 41
Wtrysk dwukolorowy
Oznaczenia:
1.forma, 2, dwie jednostki uplastyczniające, 3 stół obrotowy, 4. stół stały przedni, 5. stół ruchomy, 6 mechanizm obrotowy
2
1
3
4
6
5
Wtrysk tworzyw termoutwardzalnychPodstawy 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
Oznaczenia:
1. Strefa gorąca formy, 2. izolacja termiczna, 3. strefa zimna formy, 4. wypraska
zależność lepkości od czasu nagrzewania
T czas nagrzewania
Lepkość graniczna
η lepkość tłoczywa
ΔT – czas wtryskiwalności
ΔT
Wtrysk elastomerów wulkanizującychPodstawy 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 wulkanizacjaPark 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