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