- nagynyomású hab fröccsöntés
- Cellmould: a gép koncepciója
- milyen lehetőségeket kínál a nagynyomású hab fröccsöntés?
- magasfényű felületek dinamikus penészedéssel
- az elasztomerek habzásra is alkalmasak
- Wittmann Battenfeld MŰSZAKI papírja
a könnyű kialakítás egyre inkább áthatja a feldolgozóipar minden ágazatát. Ezen a területen a műanyagok létfontosságú szerepet játszanak a Teljesítményadatok és az alacsony fajsúly közötti kedvező kapcsolatnak köszönhetően. De könnyű potenciáljuk még tovább növelhető habzással, például hab fröccsöntéssel. Ezen a területen az egyik úttörő az osztrák fröccsöntő gépgyártó Wittmann Battenfeld. Cellmould nagynyomású folyamata viszonylag kiváló teljesítményparamétereket kínál, a versenytársakhoz képest kevésbé összetett, következésképpen robusztusabb rendszertechnikával együtt. Ez egy 100%-ban házon belüli fejlesztés, amely számos új, innovatív alkalmazás alapjául szolgál, mint például a felületminőség javítására szolgáló megoldások, beleértve a magas fényűséget, a kompakt habosított alkatrészek részleges kombinációját egyetlen öntött részben, valamint a hőre lágyuló elasztomerek habosítására. Ezeket a megoldásokat a Bajor schaumform technológiai céggel együttműködve fejlesztették ki (ábra. 1).
Fig.1: A magasfényű felületű strukturált hab alkatrészek a Wittmann Battenfeld, Kottingbrunn, Ausztria és a Schaumform, Hutthurm, Németország közös fejlesztési projektjének eredményei
a hab fröccsöntési technológia nem új folyamat. Az olyan alkalmazások, amelyekben vegyi anyagokat, például azodikarbonamidot vagy feniltetrazolt kevernek a műanyag granulátumba, és lágyítják vele, amelyek a forma üregébe történő befecskendezést követően hajtógázokat bocsátanak ki, mintegy 50 éve ismertek és használatosak a gyártásban. Mivel ezeknek a kémiailag felszabaduló gázoknak a tágulási nyomása legfeljebb körülbelül 15-40 bar, használatuk viszonylag vastag falú, rövid áramlási utakkal rendelkező részekre korlátozódik.
a hab fröccsöntésének alkalmazási határainak további kiterjesztése érdekében inert gáz, általában nitrogén hozzáadásával habosítást fejlesztettek ki körülbelül 40 évvel ezelőtt. A fő előny az, hogy nitrogénnel nagyobb tágulási nyomás érhető el 100-200 bar tartományban. Ez lehetővé teszi a könnyű tervezési potenciál kihasználását a hab fröccsöntésében a vékony falú alkatrészek és a hosszú áramlási útvonalakkal rendelkező alkatrészek esetében is. A súlycsökkentés mellett az előnyök az üregek kitöltéséhez szükséges fajlagos befecskendezési nyomás, következésképpen a szorítóerő csökkentése, valamint a zsugorodás és a vetemedés hatásainak kompenzálása. Mindkét eljárást hőre lágyuló műgyanta feldolgozásban használják, egészen a PP-től a műszaki műanyagokig, például a PC-ig, PA vagy PBT. A legújabb, ígéretes fejlesztések célja az alkalmazási területek kiterjesztése a hőre lágyuló elasztomerekre is.
Cellmould: a gép koncepciója
a hab fröccsöntő vonal alapvető feladata egy egyfázisú polimer-gáz oldat előállítása, amely a lágyítási folyamat során a lehető legegyenletesebben diszpergálódik. Az összes beszállító által erre a célra alkalmazott technológia nagyon hasonló. Mindazonáltal vannak különbségek a műszaki tervezés részleteiben. Dipl.- Ing.(FH) Wolfgang Roth, a Wittmann Battenfeld Alkalmazástechnológiai vezetője így fogalmaz: “Az elődcégünk, a Battenfeld, a Meinerzhagen által kifejlesztett technológiával kapcsolatos több mint 40 éves gyakorlati tapasztalat szilárd alapot biztosított számunkra. Célunk az volt, hogy csökkentsük a rendszer összetettségét, miközben egyidejűleg bővítjük az alkalmazási területeket, és ezáltal megbízhatóbbá tegyük. Ezért úgy terveztük meg Cellmould hab befecskendező egységünket, hogy a lehető legközelebb kerüljön a szokásos befecskendező egységhez. Ennek megfelelően gépünk egy 20 D szabványos csavarral működik, amelyet elöl meghosszabbítottak egy 5 D keverő szakasz hozzáadásával.”
a Cellmould technológia sajátos Battenfeld jellemzője a csavar lágyító és gázbefecskendező szakaszainak elválasztása, amelyet a csavaron rögzített, hengeres akadály biztosít. Ez egy további hüvely típusú visszacsapó szelep használatának alternatívája. Wolfgang Roth hozzáteszi: “a két visszacsapó szelep minden esetben az üzemi körülményekhez igazításával járó erőfeszítés, hogy azok meghibásodásmentesek, azaz kopásállóak legyenek, arra késztetett minket, hogy egyszerűbb megoldást keressünk, amelyet végül a csavar lágyító és gázbefecskendező szakaszai közötti akadályban találtunk meg. Ezt a megoldást minden gépméretben bizonyították a gyártásban. Ily módon a kopási probléma kiküszöbölhető anélkül, hogy jelentős mértékben kompromisszumot kellene kötni a gáz sűrűségével a csavar lágyító szakaszának irányában.”
a lágyító egység keverőszakaszában cseppfolyósított nitrogént (legfeljebb 300 bar nyomás alatt) injektorral adagolunk a műanyag olvadékba egy adagolási löket alatt, majd ezt követően diffundálunk az olvadékba. A csavar keverési szakaszában a nitrogéneloszlás fokozódik azáltal, hogy az olvadékáramot sok különálló áramra osztjuk.”(Ábra.2) Mivel a hordót egy tűzáró szelep zárja le a forma irányában a lágyítás és a gázbefecskendezés során, az olvadék-és gázkeveréket nyomás alatt tartják a lágyító egység belsejében. Következésképpen egyfázisú polimer / gáz oldatot érünk el a keverési folyamat végére. Az üregbe történő befecskendezés során nyomáscsökkenésnek van kitéve, ami csökkenti a gáz oldhatóságát a műanyag olvadékban. A finoman elosztott gáz az olvadékban nukleálódik, így biztosítja az összetevőt, hogy habszerkezetet képezzen ugyanolyan finoman elosztott sejtekkel.
a Paraméterbevitel és a folyamatszabályozás közvetlenül a gép vezérlőrendszerének gátgeometriáján keresztül történik-Needle elzáró fúvóka-visszacsapó szelep nyomásmérő Injektor 1-adagoló eszköz Injektor 1
ábra.2: A Cellmould lágyító egység: alapvető összetevői egy 25 D hordó, 20 D 3 zónás lágyító csavarral és az azt követő 5D gázbefecskendezéssel és keverési zónával. A csavar két funkcionális zónáját hengeres rögzítőgyűrű (akadály) választja el egymástól.
ennek a szerkezetnek a kialakulása a fröccsöntési eljárás sajátos körülményeitől függ. Ezek közé tartozik a műanyag olvadék viszkozitása, a befecskendezési sebesség (minél nagyobb a sebesség, annál finomabb a hab), végül az előre beállított habzási fok (anyagcsökkentés). Ez utóbbit úgy állítjuk be, hogy egy megfelelő aluladagolást injektálunk egy rögzített üregbe, vagy egy üreg teljes kitöltésével, majd ezt követően előre beállított nagy pontosságú lökettel nyitjuk meg. A nagy Befecskendezési sebesség elérése érdekében, amely elősegíti az egyenletes habeloszlást, a Cellmould berendezéscsomag részeként befecskendező akkumulátort szállítunk (ábra. 3a+3b).
Fig.3a & 3b: a Cellmould vonal alkatrészei azonos konfigurációban kaphatók a Wittmann Battenfeld gépek teljes választékához, amelyet itt egy 110 t gépmodell példája mutat be. A hordó tetejére egy kompakt gázáram-szabályozó modulhoz csatlakoztatott gázbefecskendező kerül.
a Gázinjektor és a gázáramlás-szabályozó modul mellett a Cellmould berendezéscsomag tartalmaz egy befecskendező akkumulátort a gépen (a fénykép közepén) és egy központi nitrogéngenerátort egy kompresszoregységgel kombinálva.
a nitrogént vagy nyomóhengerek akkumulátorából szívják ki, vagy nitrogéngenerátorral vonják ki a környezeti levegőből. Mindkét esetben a gázt ezt követően egy nyomásgenerátoron keresztül továbbítják a gázbefecskendezőbe, amelyet az Airmould gázbefecskendező vezetékekben is használnak. A Battenfeld vonal koncepciójának része, hogy egy gázellátó rendszer egyszerre több gépet is képes ellátni (ábra.4). A gázáram-szabályozó a nyomásgenerátor és a lágyító egység gázbefecskendezője között helyezkedik el. Szabályozható szeleprendszerén keresztül a gázáramot a Cellmould szoftver vezérli és koordinálja a folyamattal (ábra.5). A Cellmould berendezéscsomag a Wittmann Battenfeld gépek teljes portfóliójához elérhető.
Fig.4: A Cellmould vonal konfiguráció. A koncepciót úgy tervezték, hogy egy vagy több lágyító egységet gázzal szállítson egy központi nitrogéngenerátor, beleértve a kompresszor egységet is. A Cellmould szoftver által vezérelt egy gázáram-szabályozó és egy gázinjektor csatlakozik minden lágyító egységhez, hogy megmérje a folyékony nitrogént a hordóba.
Fig.5. a magas felhasználóbarátság és a folyamatok átláthatósága a folyamatfejlesztés legfontosabb prioritásai voltak. Ennek megfelelően minden folyamatparaméter beállítható, nyomon követhető és rögzíthető a gép vezérlőrendszerén keresztül.
milyen lehetőségeket kínál a nagynyomású hab fröccsöntés?
a formaüreg belsejében az olvadék külső héjában a habképződés nagymértékben elnyomódik a lehűtött üregfallal való érintkezése és az ebből eredő viszkozitásnövekedés miatt, míg a forróbb magterület kedvez a sejtszerkezet kialakulásának. Ily módon az öntött rész nagyobb részeiben” szendvicsszerkezetek ” alakulnak ki, amelyek nagy sűrűségű fedőrétegekből és magrészekből állnak, amelyek térfogatsűrűsége 5-20% – kal alacsonyabb (ábra. 6a + b).
Fig. 6a & 6b: könnyű műanyag alkatrészek kompakt külső héjjal és strukturált habmaggal, itt egy 3 mm falvastagságú PP-ből készült házrész példája mutatja.
az öntött rész lehetséges sűrűségcsökkenése közvetlen összefüggést mutat az áramlási út/falvastagság arányával az összes általánosan elérhető műanyagtípus esetében. A PP-feldolgozás során például 15% – os sűrűségcsökkenés érhető el 100 : 1 arány mellett, míg 150 : 1 esetén csak 10% – os sűrűségcsökkenés várható.
a súlycsökkentésen kívül a hab fröccsöntése további lehetőségeket kínál az öntött alkatrészek minőségének javítására, elsősorban a zsugorodás és a vetemedés tekintetében, a habmagon belüli tágulási nyomás egységes hatásának köszönhetően. Ez a hatás olyan erős, hogy a zsugorodás okozta süllyedésnyomok és vetemedés gyakorlatilag 100% – ra kiküszöbölhetők, ezáltal növelve az Általános méretpontosságot. A processzorok számos jelentős technológiai előnyt élveznek, mint például a szükséges szorítóerő akár 50% – kal történő csökkentése az olvadék viszkozitásának és következésképpen a befecskendezési nyomásnak a csökkenése miatt, valamint kereskedelmi előnyök a ciklusidő, különösen a hűtési idő csökkentése révén, a hűtendő öntött rész alacsonyabb tömegének köszönhetően.
magasfényű felületek dinamikus formaedzés révén
annak ellenére, hogy a hab fröccsöntési eljárás által kínált paraméterváltozatok teljes skáláját kihasználják, a könnyű alkatrészek továbbra is jellemző tulajdonságként mutatják a jellegzetes barázdákat vagy a szürke ködképződést a felületen. Ez a felületi hatás annak köszönhető, hogy a befecskendezési folyamat során az olvadék áramlási elülső részébe behatoló gázbuborékok. Ez a szerkezet ezután megszilárdul, amikor érintkezésbe kerül a hűvösebb üreg falával, majd változatlan marad. A polírozott felületek, mint például a ház alkatrészeinek vizuális részeihez szükségesek, nem érhetők el szabványos technológiával. A felületminőség jelentős javulása azonban a hab fröccsöntés ciklikus, dinamikus formaedzés kombinációjával érhető el, amint azt például a Wittmann Battenfeld kínálja a Bfmold és a Variomould technológia formájában. Ezek a változatok az öntőformába integrált hűtőrendszert használnak az öntött rész látható felületének javítására, követve az alkatrész kontúrját, és ciklikusan működve meleg / hideg hőmérséklet-szabályozókkal. Ez a rendszer szabályozza az üreghez közeli korlátozott penészterületek hőmérsékletét. Ha az üregfalat melegítjük, például közvetlenül az olvadék gáztartalmú befecskendezése előtt 180 Kb-ig melegített túlnyomásos vízzel, az anyag először nem érintkezik hideg üregfalral, így a megszilárdulás előtt zárt felület alakulhat ki (ábra. 7). Ily módon kiváló felületi minőség érhető el, amely megegyezik a kompakt műanyag alkatrészekkel. Az alkatrészek összehasonlítása dinamikus hűtéssel vagy anélkül, amint azt az ábra szemlélteti. 8, megmutatja, hogy a dinamikus formaedzés hatása milyen erősen befolyásolhatja a felület minőségét.”
Fig.7: forma dinamikus varioterm hűtőrendszerrel, hogy házpanelt készítsen egy PC/ABS keverékből, magas fényű felülettel.
Fig.8: PC/ABS keverékből készült dekoratív panel, bal oldalon aktív dinamikus hűtéssel gyártva, jobb oldalon a dinamikus formaedzés aktiválása nélkül.
az elasztomerek a
habos fröccsöntésre is alkalmasak hőre lágyuló elasztomerekre. Míg a jó habszerkezetek kémiai és fizikai habzással is elérhetők, például polipropilénnel és poliamiddal, tesztsorozatunk kimutatta, hogy a legtöbb TPE-típust csak fizikai hab fröccsöntéssel lehet habosítani. Csak a hőre lágyuló poliészteren alapuló TPEs mutat elfogadható eredményeket a habszerkezet, a sejtek finomsága és egyenletessége szempontjából. A tesztek kimutatták, hogy minél lágyabb a TPE készítmény, annál erősebben jelennek meg a felületi problémák a habzásban, különösen, ha a hab fröccsöntését nagy pontosságú formanyitással kombinálják. Különösen akkor, ha az üreg rajzolt polírozott vagy akár magasfényű polírozott, A felület gyakran számos horpadást mutat. Számos különböző magyarázatot javasoltak erre a jelenségre. Az egyik az, hogy a levegő már az öntött rész és az üregfal közé van zárva, miközben az üreg tele van, ami nem tud kiszökni. Alternatív feltételezés az, hogy a nagy pontosságú nyílás a habrésznek az üreg falától való elválasztásához vezet, és hogy a táguló habrész, amikor ismét érintkezik az üreg falával, egyes helyeken levegőt vagy műanyag gázt zár be, ami aztán a horpadásokat okozza.”
a tesztsorozatok kimutatták, hogy a merev és szilárd műszaki hőre lágyuló anyagokkal ellentétben a TPE-feldolgozás felületi problémái jelentősen csökkenthetők közepes vagy alacsony befecskendezési sebességek alkalmazásával. Ugyanilyen pozitív hatások érhetők el az üreg falának strukturálásával. A texturált, gyöngyfúvott vagy szemcsés felület lehetővé teszi, hogy az esetleges gáz-vagy légbuborékok mikrocsatornákon keresztül távozzanak az öntött rész és az üregfal közötti érintkezési felületen.
ami a felületen lévő barázdákat illeti, általában ugyanazok az elvek érvényesek, mint a mérnöki műanyagokkal történő hab fröccsöntésnél. Itt a megoldás az is, hogy dinamikus temperálást alkalmazunk a látható oldal kontúrjai körül. Ha egyidejűleg nagy pontosságú nyílást alkalmaznak, akkor alacsony költséggel kiváló minőségű puha habpárnát lehet előállítani, például a járműszerkezetben lévő kartámaszokhoz vagy a kézi készülékek lengéscsillapítóihoz, amelyeket meg kell védeni a leejtett sérülésektől. Ezt a következő kérdések egyikében külön jelentésben tárgyaljuk tovább.
az innovatív penész és gépi technológia széles körű alkalmazása
már említettük kapcsolatban felület javítása, hogy az innovatív penész technológia létfontosságú szerepet játszik a hab fröccsöntés. Egy másik terület a penész és a gép technológia speciálisan kialakított hab fröccsöntés a rendszer részleges penész nyitás keresztül fröccsöntő gép, amely lehetővé teszi a kombináció a kompakt habosított alkatrészek egyetlen fröccsöntött része. Erre akkor van szükség, amikor a meglehetősen kompakt anyagból készült funkcionális elemeket, például horgokat, rugókat vagy csavarokat habosított anyagból készült panelelemekkel kell kombinálni. Ennek megvalósításához az üregnek a habzó löket körül habosítandó része mozgathatóvá válik. Első lépésben az öntött rész teljes üregét kitöltjük, ahogyan azt egy kompakt öntött rész esetében is elvégezzük. Ezt követően csak a habosítandó részt nyitják meg nagy pontosságú lökettel. Ily módon a partnerkomponensekhez komplex mechanikai interfészekkel rendelkező házelemek könnyű kivitelben is megvalósíthatók.
a mechanikus kulcsértékek megbízhatóan megjósolhatók
a nagynyomású habosított fröccsöntött alkatrészek jellegzetes szendvicsszerkezettel rendelkeznek, kompakt fedőrétegekkel és habosított magréteggel. A fedőréteg és a mag közötti határvonal viszonylag éles. Kis vastagságú komponenseknél a magréteg sűrűsége gyakorlatilag állandó a mag teljes szélességében, míg nagy összvastagság esetén jellemző sűrűségprofil van jelen. A folyamat megvalósítása ugyanolyan kevés hatással van a kompakt fedőréteg sűrűségére, mint a választott gázbefecskendezés típusa. Következésképpen a legfontosabb tervezési paraméterek a magrészre és a falvastagságra tervezett sűrűség csökkentése. Ezek a mérési eredményekkel egyértelműen meghatározhatók, és kulcsfontosságú számadatokként szolgálnak egy olyan számítási modellhez, amelyet Dr. Norbert M. Adappller, a Schaumform alapítója dolgozott ki disszertációjának részeként az alkatrészek mechanikai tulajdonságainak előrejelzésére.
Modellszámításon alapuló folyamattervezés
a modellszámítás kiindulópontja egy szimmetrikus szendvicsszerkezet, amelyben kissé leegyszerűsítve a kompakt anyag fajlagos anyagértékeit feltételezzük a fedőrétegekre. A habosított mag esetében a valósághoz közeli kulcsértékeket feltételezzük az E modulra és a töréstörzsre (képlékeny anyagok hozamváltozása). A habosított mag viselkedése a teljes szendvicskomponens viselkedéséből származik, amely jól működik, ha a fedőrétegek vastagsága ismert. Az olyan vizsgálatok, amelyek során a habosított magot kivonják egy komponensből, majd ezt követően mechanikusan tesztelik, lehetségesek, de erősen szétszórt mérési eredményekhez vezetnek, amelyek következésképpen csak nagyon korlátozott jelentőséggel bírnak.
az elmélet és a gyakorlat konzisztens
a merevség és szilárdság tesztelésének optimális módszere a fröccsöntött strukturált hablemezekből készült szabványos tesztrudak használata. Alternatív megoldásként, ha ez az opció nem áll rendelkezésre, 4 x 10 mm keresztmetszetű szabványos tesztrudak (például campus feszítő rudak) használhatók. A mérési értékek elemzésekor azonban figyelembe kell venni, hogy nemcsak a standard rudak 10 mm széles burkolórétegei tömörek, hanem a 4 mm mély oldalfelületek is. Következésképpen egy habosított standard feszítőrúd összehasonlítható egy kis téglalap alakú csővel (10 x 4 mm), amelynek kb. 0,4-1,0 mm falvastagság és habosított mag.
amint az várható volt, a szakítószilárdsági vizsgálatok értékelése azt mutatja, hogy a hab arányának növekedésével a szakítószilárdsági modulus és a szakítószilárdság ennek megfelelően csökken. Ez annak köszönhető, hogy csak az alkatrészben lévő anyagmennyiség képes ellenállni a mechanikai igénybevételnek vagy hozzájárulni a teherbíráshoz. Tehát a habosított fröccsöntött termékek nagyobb tágulási sebességet mutatnak, ha azonos terhelésnek vannak kitéve, és alacsonyabb maximális terhelés mellett törnek. Ehhez hozzáadódnak a fedőréteghez közeli habsejtek által okozott bevágási hatások. A mérési eredmények rendszeresen azt mutatják, hogy a szakítószilárdság csökkenése mindig legalább megegyezik az alkatrész tömegének csökkenésével. (Ábra.9)
szakítószilárdság (N/mm2) – charpy ütésállóság (kJ/m2) – töréstörzs ( % ) – kompakt PP
ábra.9: A PP-SGS 40 szakítószilárdságának, ütésállóságának és töréstörzsének változása a habzás százalékától függően (0, 5, 10, 15%)
szakítószilárdság (N / mm2) – charpy ütésállóság (kJ/m2) – törési törzs ( % ) – kompakt PP
hajlítási terhelés mellett a hajlítási ellenállás és a hajlítási szilárdság abszolút értékei is csökkennek. Mivel azonban a szendvicsszerkezetek sokkal jobban ellenállnak az ilyen típusú terhelésnek, a szilárdságvesztés itt lényegesen kisebb, mint a szakítószilárdság esetén. A hajlítási ellenállás alacsonyabb százalékkal csökken, mint az alkatrész súlya. A 10.és 11. ábrán dokumentálva van, hogy például 15% – os habzási fok mellett a súlyhoz viszonyított merevség 4,8% – kal nőtt a hab nélküli kompakt alkatrészhez képest, vagy más szóval, kisebb súlyú merev alkatrészek kivitelezhetők.
tengely megnevezése-súly rel. merevség-maradék tömeg
ábra.10: a hajlítási ellenállás változása, a ház alkatrészeinek legfontosabb tulajdonsága. A vizsgálati minták tömegéhez viszonyított hajlítási ellenállás csak kismértékben csökken 5% – os habzással, miközben a kompakt rész 10% – os habzással egyenlő marad, sőt észrevehető növekedést mutat a sűrűség 15% – os csökkenésével.
a mért súlyhoz viszonyított hajlítási ellenállás
Fig.11: A modellszámítás (Schaumform) szerinti súlyfüggő hajlítási ellenállás és a 10 x 7 mm keresztmetszetű fröccsöntött hajlítórudak mérési eredményeinek összehasonlítása jó – kiváló kongruenciát mutat.
összefoglaló
a hab fröccsöntési technológia új innovatív lendületet kapott a könnyű alkalmazások felé mutató fokozatosan növekvő tendencia miatt. A legújabb innovációk a felület minőségének javítására szolgáló módszerekre vonatkoznak a magas fényesség irányában, valamint a kompakt habosított szegmensek kombinációjára egyetlen öntött részben. A legfontosabb hozzájárulást a folyamat-és penésztechnológia további fejlesztései tették, kezdve a dinamikus penészedéstől a teljes formák vagy üregszegmensek nagy pontosságú nyitásáig egy vagy több lépésben. A bevált modellszámítások, amelyek ma már általánosan elérhetők, további segítséget nyújtanak az alkatrészek tervezésében és elrendezésében. Összességében tehát a hab fröccsöntési folyamata hasonlóan magas érettségi fokot ért el, mint a hagyományos fröccsöntéssel történő feldolgozás. Pontos, megismételhető sűrűségcsökkentést és szendvicsszerkezeteket biztosít a műanyagok folyamatosan növekvő választékához, beleértve a hőre lágyuló elasztomereket is.