- vysokotlaké pěny vstřikování
- Cellmould: koncepce stroje
- Jaký potenciál má vysokotlaké pěny vstřikování nabídnout?
- Vysoce lesklých povrchů prostřednictvím dynamické formy, temperování
- Elastomery jsou vhodné také pro napěnění
- Technický papír Wittmann Battenfeld
Lehký design je trend, stále více proniká do všech odvětví zpracovatelského průmyslu. V této oblasti hrají plasty zásadní roli díky jejich příznivému vztahu mezi údaji o výkonu a nízkou měrnou hmotností. Jejich lehký potenciál však může být ještě více zvýšen pěněním, například vstřikováním pěny. Jedním z průkopníků v této oblasti je rakouský výrobce vstřikovacích strojů Wittmann Battenfeld. Jeho vysokotlaký proces Cellmould nabízí poměrně vynikající výkonnostní parametry spolu s méně složitou a následně robustnější systémovou technologií ve srovnání s konkurencí. To je 100% in-house vývoj a slouží jako základ pro řadu nových, inovativních aplikací, jako jsou řešení pro zlepšení kvality povrchu, včetně vysokého lesku, pro dílčí kombinace kompaktní s pěnové součásti v jednom lisované části a pro napěnění termoplastické elastomery. Tato řešení byla vyvinuta ve spolupráci s bavorskou technologickou společností Schaumform (obr. 1).
obr.1: Strukturované pěny dílů s vysoce lesklé povrchy jsou výsledkem společného vývojového projektu společnosti Wittmann Battenfeld, Kottingbrunn, Rakousko a Schaumform, Hutthurm, Německo
Pěna technologii vstřikování není nový proces. Aplikací, v nichž chemické látky, jako jsou azodikarbonamid nebo phenyltetrazole jsou smíchány do plastového granulátu a měkčený, což uvolněte hnací plyny následující injekce do dutiny formy, byly známé a používané ve výrobě za 50 let. Od expanzní tlak těchto chemicky vznikajícím plynům je ne více než o 15 až 40 bar, jejich použití je omezeno na relativně silnostěnné díly s krátkými tok cesty.
pro další rozšíření aplikačních hranic pro vstřikování pěny bylo asi před 40 lety vyvinuto pěnění přidáním inertního plynu, obvykle dusíku. Hlavní výhodou je, že s dusíkem lze dosáhnout vyšších expanzních tlaků v oblasti 100 až 200 barů. To umožňuje využití lehkého konstrukčního potenciálu při vstřikování pěny pro tenkostěnné komponenty a komponenty s dlouhými průtokovými cestami. Výhody kromě redukce hmotnosti je snížení specifický vstřikovací tlak potřebný k vyplnění dutin a následně upínací síly a kompenzace smrštění a deformace efektů. Oba procesy se používají při zpracování termoplastických pryskyřic, od PP po technické plasty, jako je PC, PA nebo PBT. Nejnovější, slibný vývoj má za cíl rozšířit oblasti použití o Termoplastické elastomery.
Cellmould: koncepce stroje
základní úkol pěnový vstřikovací linky, je vytvořit jeden-fáze polymer-plyn řešení rozptýlené homogenně, jak je to možné během plastifikační proces. Technologie používaná všemi dodavateli pro tento účel je velmi podobná. Přesto existují určité rozdíly v detailech technického návrhu. Ing.-Ing.(FH) Wolfgang Roth, vedoucí aplikační technologie ve Wittmann Battenfeld, to říká takto: „Více než 40 let praktických zkušeností s technologií vyvinutých na naše předchůdce společnosti Battenfeld, Meinerzhagen za předpokladu, solidní základ pro nás stavět. Naším cílem bylo snížit složitost systému a současně rozšířit oblasti použití a zvýšit jeho spolehlivost. Proto jsme navrhli naši vstřikovací jednotku Cellmould tak, aby se co nejvíce přiblížila standardní vstřikovací jednotce. V souladu s tím náš stroj pracuje se standardním šroubem 20 D, který byl vpředu rozšířen přidáním míchací sekce 5 D.“
konkrétní Battenfeld funkce Cellmould technologie je vzdálenost mezi plastifikační a vstřikování plynu části šroubu, která je poskytována prostřednictvím pevné, válcová bariéra na šroub. Je to alternativa k použití přídavného zpětného ventilu typu pouzdra. Wolfgang Roth dodává: „úsilí spojené s přizpůsobením dvou zpětných ventilů provozním podmínkám v každém případě, aby byly bezpečné, tj. Toto řešení bylo prokázáno ve výrobě pro všechny velikosti strojů. Tímto způsobem by mohl být problém s opotřebením odstraněn, aniž by bylo nutné do značné míry ohrozit hustotu plynu ve směru plastifikační části šroubu.“
V míchání část plastifikační jednotky, zkapalněného dusíku (pod tlakem až 300 bar) je přidán do plastové taveniny do vstřikovací ventil v průběhu měření zdvihu a následně difunduje do taveniny. V mísící části šroubu je distribuce dusíku zesílena dělením toku taveniny na mnoho samostatných proudů.“ (Obr.2) Jelikož hlaveň je uzavřena tím, že jehla uzavíracího ventilu ve směru plísní během plastifikační a plynové injekce, taveniny-a-směs plynů je udržován pod tlakem uvnitř plastifikační jednotky. V důsledku toho se na konci procesu míchání dosáhne jednofázového roztoku polymer/plyn. Během vstřikování do dutiny je vystaven poklesu tlaku, což snižuje rozpustnost plynu v plastové tavenině. Jemně distribuovaný plyn nukleuje v tavenině a poskytuje tak složku pro vytvoření pěnové struktury se stejně jemně distribuovanými buňkami.
Parametr vstup a proces kontroly se provádí přímo prostřednictvím ovládacího systému bariéru geometrie – neeedle uzavírací tryskou – zkontrolujte, zda ventil manometr ventil 1 – dávkovací zařízení, vstřikovače 1
Obr.2: plastifikační jednotka Cellmould: její základní komponenty jsou 25 D barel s plastifikačním šroubem 20 D 3 a následnou 5D zónou vstřikování a míchání plynu. Dvě funkční zóny šroubu jsou odděleny válcovým retenčním kroužkem (bariérou).
tvorba této struktury závisí na specifických podmínkách procesu vstřikování. Patří mezi ně viskozita plastové taveniny, rychlost vstřikování (čím vyšší je rychlost, tím jemnější je pěna) a nakonec předem nastavený stupeň pěnění (redukce materiálu). Ten je nastaven buď injekcí odpovídající underdosage do pevné dutiny, nebo vyplněním dutiny úplně a následně otevření s pre-set vysoce přesné mrtvice. Aby se dosáhlo vysoké rychlosti vstřikování, která zvýhodňuje rovnoměrné rozložení pěny, je součástí balení zařízení Cellmould dodáván vstřikovací akumulátor (obr. 3a+3b).
obr.3a & 3b: komponenty cellmould line jsou k dispozici ve stejné konfiguraci pro celou řadu strojů Wittmann Battenfeld, ilustrované zde na příkladu modelu stroje 110 t. Vstřikovač plynu spojený s kompaktním modulem řízení průtoku plynu je umístěn na horní straně válce.
kromě injektoru plynu a průtoku plynu kontrolní modul, Cellmould zařízení balíček také zahrnuje injekci akumulátor na stroji (uprostřed fotografie), a centrální generátor dusíku v kombinaci s kompresorem jednotka.
dusík je buď odebírán z baterie tlakových lahví, nebo extrahován z okolního vzduchu generátorem dusíku. V obou případech je plyn následně veden do vstřikovače plynu prostřednictvím tlakového generátoru, který se také používá v potrubích pro vstřikování plynu Airmould. Součástí konceptu Battenfeld line je to, že několik strojů může být dodáváno současně jedním systémem přívodu plynu (obr.4). Regulátor průtoku plynu je umístěn mezi generátorem tlaku a vstřikovačem plynu na plastifikační jednotce. Prostřednictvím regulovatelného ventilového systému je tok plynu řízen a koordinován s procesem pomocí softwaru Cellmould (obr.5). Balíček vybavení Cellmould je k dispozici pro celé portfolio strojů Wittmann Battenfeld.
obr.4: cellmould line konfigurace. Koncept je navržen tak, aby jedna nebo několik plastifikačních jednotek dodávaných s plynem jedním centrálním generátorem dusíku včetně kompresorové jednotky. Jeden plynu regulátor průtoku řízené Cellmould software a jeden vstřikovač je připojen k každý plastifikační jednotka metr kapalného dusíku do sudu.
obr.5: Vysoká uživatelská přívětivost a transparentnost procesů byly hlavními prioritami ve vývoji procesů. V souladu s tím mohou být všechny parametry procesu nastaveny, monitorovány a zaznamenávány prostřednictvím řídicího systému stroje.
jaké potenciály nabízí vysokotlaké vstřikování pěny?
Uvnitř dutiny formy, tvorba pěny do vnější skořepiny z taveniny je do značné míry potlačena v důsledku jeho kontaktu s ochladí stěny dutiny a následné zvýšení viskozity, zatímco teplejší oblasti jádra podporuje tvorbu buněčné struktury. Tímto způsobem, „sendvičové struktury“, se tvořil v hlavních částech lisované části, skládající se z krycí vrstvy s vysokou hustotou a základních částí, jejichž objemová hmotnost je 5 až 20% nižší (Obr. 6a+b).
obr. 6a & 6b: lehké plastové díly s kompaktním vnějším pláštěm a strukturovaným pěnovým jádrem, zde znázorněné na příkladu součásti skříně vyrobené z PP o tloušťce stěny 3 mm.
možné snížení hustoty v čelní části ukazuje přímou souvislost s flow path/tloušťka stěny poměr pro všechny běžně dostupné typy plastových materiálů. Například při zpracování PP lze dosáhnout snížení hustoty o 15% v poměru 100: 1, zatímco při 150: 1 lze očekávat snížení hustoty pouze o 10%.
kromě redukce hmotnosti nabízí vstřikování pěny další potenciál pro zlepšení kvality lisovaných dílů, především s ohledem na smrštění a deformaci, díky rovnoměrnému účinku expanzního tlaku uvnitř pěnového jádra. Tento efekt je tak silný, že značky potopení a deformace způsobené smrštěním lze prakticky eliminovat na 100 procent, čímž se zvyšuje celková rozměrová přesnost. Procesory budou také těžit z několika významných procesu technologické výhody, jako je snížení požadované upínací síly až o 50 procent v důsledku poklesu viskozitu taveniny a následně vstřikovací tlak, stejně jako obchodní výhody tím, snížení doby cyklu, zejména doba chlazení, díky nižší hmotnosti lisované části, které musí být chlazeny.
Vysoce lesklých povrchů prostřednictvím dynamické formy, temperování
navzdory tomu, že využívá plný rozsah parametr variace, které nabízí pěnové procesu vstřikování plastů, lehké díly stále vykazují charakteristické rýhování nebo šedá zamlžení na povrchu jako společný atribut. Tento povrchový efekt je způsoben plynovými bublinami pronikajícími do průtokové přední části taveniny během vstřikovacího procesu. Tato struktura pak tuhne při styku se stěnou dutiny chladiče a následně zůstává nezměněna. Leštěné povrchy, které jsou vyžadovány pro vizuální části součástí skříně, nelze dosáhnout standardní technologií. Nicméně, podstatné zlepšení kvality povrchu lze dosáhnout kombinací pěny vstřikování s cyklické, dynamické formy, temperování, jako je nabídl, například, od firmy Wittmann Battenfeld v podobě BFMold a Variomould technologie. Tyto varianty používají chladicí systém integrovaný do formy na zlepšení viditelný povrch čelní části, v návaznosti na část obrysu a působící cyklicky s teplou/studenou regulátory teploty. Tento systém řídí teplotu omezených oblastí plísní v blízkosti dutiny. Zahříváním stěny dutiny, například s tlakovou vodou, zahřeje na 180°C bezprostředně před vstřikování taveniny s obsahem plynu, materiál nepřichází do styku s chladným stěně dutiny, na první, tak, že uzavřený povrch může tvořit před tím, než ztuhne (Obr. 7). Tímto způsobem lze dosáhnout vynikající kvality povrchu, která je na stejné úrovni jako u kompaktních plastových dílů. Srovnání mezi částmi s dynamickým chlazením a bez něj, jak je znázorněno na obr. 8, ukazuje, jak silně může vliv dynamického temperování formy ovlivnit kvalitu povrchu.“
obr.7: forma s dynamickým variotermickým chladicím systémem pro výrobu panelu skříně ze směsi PC/ABS s vysoce lesklým povrchem.
obr.8: dekorativní panel vyrobený ze směsi PC / ABS, vlevo vyrobený s aktivním dynamickým chlazením, vpravo bez aktivace dynamického temperování formy.
elastomery jsou také vhodné pro pěnění
vstřikování pěny lze také rozšířit na Termoplastické elastomery. Zatímco dobrých pěnových struktur lze dosáhnout chemickým i fyzickým pěněním, například polypropylenem a polyamidem, naše testovací série odhalily, že většinu typů TPE lze pěnit pouze vstřikováním fyzické pěny. A pouze TPE na bázi termoplastického polyesteru vykazují přijatelné výsledky z hlediska struktury pěny, jemnosti buněk a rovnoměrnosti. Testy ukázaly, že měkčí a TPE formulace, více silně povrch problémy se objeví v pěnění, zvláště pokud pěna vstřikování je v kombinaci s vysoce přesné otevřením formy. Zvláště když je dutina vyleštěna nebo dokonce leštěna vysokým leskem, povrch často vykazuje četné promáčknutí. Pro tento jev bylo navrženo několik různých vysvětlení. Jedním z nich je, že vzduch je již uzavřen mezi tvarovaným dílem a stěnou dutiny, zatímco je dutina naplněna,která nemůže uniknout. Alternativním předpokladem je, že vysoce přesné otevření vede k oddělení pěnové části od stěny dutiny, a že expandující pěnová část, když znovu přichází do styku se stěnou dutiny, uzavírá na některých místech vzduch nebo plastový plyn, což pak způsobuje promáčknutí.“
Zkušební série ukázaly, že, na rozdíl od tuhých a pevných technických termoplastických materiálů, povrch problémy v TPE zpracování může být významně snížena pomocí střední až nízká rychlost vstřikování. Stejně pozitivní účinky lze dosáhnout strukturováním stěny dutiny. Texturovaný, perličkový tryskaný nebo zrnitý povrch umožňuje únik případných plynových nebo vzduchových bublin přes mikrokanály v kontaktní ploše mezi tvarovanou částí a stěnou dutiny.
pokud jde o rýhování na povrchu, obecně platí stejné zásady jako při vstřikování pěny pomocí technických plastů. Zde je řešením také použití dynamického popouštění kolem obrysů viditelné strany. Pokud vysoce přesné otevření je aplikován současně, vysoce kvalitní měkké pěnové polstrování, například pro arm spočívá v konstrukci vozidla, nebo tlumiče pro ruční spotřebiče, které musí být chráněny před poškozením upustil, může být produkován při nízkých nákladech. To bude dále diskutováno v samostatné zprávě v jednom z dalších otázek.
s inovativní technologií forem a strojů pro široké použití
již bylo zmíněno v souvislosti se zlepšením povrchu, že inovativní technologie forem hraje zásadní roli při vstřikování pěny. Další oblastí, formy a zařízení technologie, speciálně zaměřené na pěnové vstřikování je systém parciálních formy otevírání pomocí vstřikovacího stroje, která umožňuje kombinaci kompaktní s pěnové součásti v jednom vstřikovaných součástí. To je nutné vždy, když funkční prvky vyrobené z poměrně kompaktní materiál, jako jsou háčky, pružiny nebo šrouby, musí být v kombinaci s panely součásti vyrobené z pěnového materiálu. Realizovat tuto část dutiny být pěnového kolem pěnění mrtvice je vyroben pohyblivé. V prvním kroku je vyplněna celá dutina pro tvarovaný díl, jako je tomu u kompaktního tvarovaného dílu. Následně se vysoce přesným zdvihem otevře pouze část, která má být napěněna. Tímto způsobem mohou být součásti skříně se složitými mechanickými rozhraními s partnerskými komponenty realizovány také v lehkém provedení.
Mechanické hodnoty klíče lze předvídat spolehlivě
vysokotlakého pěnového vstřikovaných dílů mají charakteristický sendvičové konstrukce s kompaktní krycí vrstvy a pěnové jádro vrstvy. Hranice mezi krycí vrstvou a jádrem je relativně náhlá. U komponentů s nízkou tloušťkou má vrstva jádra prakticky konstantní hustotu po celé šířce jádra, zatímco v případě velké celkové tloušťky je přítomen charakteristický profil hustoty. Implementace procesu má stejně malý vliv na hustotu kompaktní krycí vrstvy jako zvolený typ vstřikování plynu. V důsledku toho jsou nejdůležitějšími konstrukčními parametry snížení hustoty určené pro jádrovou část a tloušťku stěny. Ty mohou být jasně definovány výsledky měření a slouží jako klíčové údaje pro výpočet model vyvinutý Dr. Norbert Müller, zakladatel Schaumform, jako součást své disertační práci předpovídat mechanické atributy komponent.
Proces návrhu na základě modelového výpočtu,
výchozí bod pro model výpočet je symetrický sendvičové konstrukce, ve které, mírně zjednodušeně řečeno, konkrétní materiální hodnoty kompaktního materiálu se předpokládá, že pro krycí vrstvy. Pro pěnové jádro se předpokládají klíčové hodnoty blízké realitě pro modul E a lomové napětí (mez kluzu pro tvárné materiály). Chování pěnového jádra je odvozeno z chování celé sendvičové složky, která dobře funguje, Je-li známa tloušťka krycích vrstev. Testy, ve kterých pěnové jádro se extrahuje z komponent a následně testovány mechanicky jsou možné, ale vést k silně rozptýlené výsledky měření, které v důsledku toho mají jen velmi omezený význam.
teorie a praxe jsou konzistentní
optimální metodou pro testování tuhosti a pevnosti je použití standardních zkušebních tyčí vyrobených ze vstřikovaných strukturovaných pěnových plechů. Alternativně, pokud tato možnost není k dispozici, lze použít standardní zkušební tyče s průřezem 4 x 10 mm (např. Nicméně, při analýze naměřených hodnot, je třeba vzít v úvahu, že nejen 10 mm-široké pokrytí vrstvy standardní tyče jsou kompaktní, ale také 4 mm-hluboké boční plochy. V důsledku toho je pěnová standardní tažná tyč srovnatelná s malou obdélníkovou trubicí (10 x 4 mm) s cca. 0,4 až 1,0 mm tloušťka stěny a pěnové jádro.
Jak lze očekávat, vyhodnocení tahové napětí testů ukazuje, že podíl pěny zvyšuje pevnost v tahu, modul pružnosti a pevnost v tahu sníží. To je způsobeno skutečností, že pouze množství materiálu, které je stále obsaženo v komponentě, může odolat mechanickému namáhání nebo přispět k zatížení. Pěnové vstřikované výrobky tedy vykazují vyšší rychlost roztažnosti, když jsou vystaveny stejnému zatížení a zlomí se při nižším maximálním zatížení. K tomu jsou přidány vrubové účinky způsobené pěnovými buňkami v blízkosti krycí vrstvy. Výsledky měření pravidelně ukazují, že pokles pevnosti v tahu se vždy alespoň rovná snížení hmotnosti dílu. (Obr.9)
pevnost v tahu (N / mm2) – odolnost proti nárazu charpy (kJ/m2) – deformace lomu ( % ) – kompaktní PP
Obr.9: Změna pevnosti v tahu, odolnost proti nárazu a lomu kmen PP-SGS 40 v závislosti na procento pěnění (0, 5, 10, 15 procent)
pevnost v tahu (N/mm2) – charpy odolnost proti nárazu (kJ/m2) – zlomenina napětí (%) – kompaktní PP
Podle zatížení ohybem, absolutní hodnoty pevnost v ohybu odolnost a pevnost v ohybu jsou také sníženy. Vzhledem k tomu, že sendvičové konstrukce jsou mnohem odolnější vůči tomuto typu zatížení, ztráta pevnosti je zde výrazně menší než u tahového napětí. Odpor v ohybu klesá o nižší procento než hmotnost dílu. Na obrázcích 10 a 11 je zdokumentováno, že, například, s pěnou stupeň 15% tuhost v poměru k hmotnosti se zvýšila o 4,8 procenta ve srovnání s kompaktní část bez pěny, nebo, jinými slovy, je možné realizovat tuhé součásti s nižší hmotností.
označení osy-hmotnost rel. na tuhost-zbytková hmotnost
obr.10: změna odporu v ohybu, nejdůležitější atribut pro součásti pouzdra. Odpor v ohybu ve vztahu k hmotnosti zkušebních vzorků klesá jen nepatrně při 5% pěnění, zatímco zůstává roven kompaktní části s 10% pěnění, a vykazuje dokonce znatelné zvýšení s 15% snížením hustoty.
odolnost v ohybu vzhledem k měřené hmotnosti vypočtená
Obr.11: Srovnání mezi hmotností-související pevnost v ohybu odolnost podle modelového výpočtu (Schaumform) a výsledky měření na vstřikováním ohýbání tyče s 10 x 7 mm průřez ukazuje dobré až vynikající shoda.
shrnutí
technologie vstřikování pěny získala novou inovativní podporu díky postupně rostoucímu trendu směrem k lehkým aplikacím. Nejnovější inovace se týkají metody pro zlepšení kvality povrchu ve směru vysoký lesk, stejně jako kombinace kompaktní s pěnové segmenty v jednom lisované části. Nejdůležitější příspěvky byly provedeny dalším vývojem v procesu a technologii forem, od dynamického temperování forem až po vysoce přesné otevírání celých forem nebo segmentů dutin v jednom nebo několika krocích. Osvědčené modelové výpočty, které jsou nyní obecně dostupné, nabízejí další potenciál pro pomoc při návrhu a rozvržení dílů. Celkově vzato, proces vstřikování pěny tak dosáhl podobně vysokého stupně zralosti jako konvenční zpracování vstřikováním. Poskytuje přesné, opakovatelné redukce hustoty a sendvičové struktury pro neustále rostoucí škálu plastových materiálů, včetně termoplastických elastomerů.