- Høytrykksskumsprøytestøping
- Cellmould: maskinkonseptet
- hvilke potensialer har høytrykksskumsprøytestøping å tilby?
- høyglans overflater gjennom dynamisk formherding
- Elastomerer er også egnet for skumdannelse
- Teknisk papir Av Wittmann Battenfeld
Lett design er en trend som stadig gjennomsyrer alle sektorer i produksjonsindustrien. På dette området spiller plast en viktig rolle takket være deres gunstige forhold mellom ytelsesdata og lav spesifikk vekt. Men deres lette potensial kan økes ytterligere ved å skumme, for eksempel ved skumsprøytestøping. En av pionerene på dette feltet er Den Østerrikske sprøytestøpemaskinprodusenten Wittmann Battenfeld. Dens Cellmould høytrykksprosess tilbyr relativt overlegne ytelsesparametere sammen med en mindre kompleks og dermed mer robust systemteknologi sammenlignet med konkurrenter. Det er en 100% intern utvikling og tjener som grunnlag for en rekke nye, innovative applikasjoner, for eksempel løsninger for forbedring av overflatekvaliteten, inkludert høyglans, for delvis kombinasjon av kompakt med skumkomponenter i en enkelt støpt del og for skumdannelse av termoplastiske elastomerer. Disse løsningene er utviklet i samarbeid Med Det Bayerske teknologiselskapet Schaumform (Fig. 1).
Fig.1: Strukturerte skumdeler med høyglansflater er resultatet av et felles utviklingsprosjekt mellom selskapene Wittmann Battenfeld, Kottingbrunn, Østerrike Og Schaumform, Hutthurm, Tyskland
Sprøytestøpeteknologi For skum er ikke en ny prosess. Applikasjoner der kjemiske stoffer som azodikarbonamid eller fenyltetrazol blandes inn i plastgranulatet og plastiseres med det, som frigjør drivgasser etter injeksjon i formens hulrom, har vært kjent og brukt i produksjon i rundt 50 år. Siden ekspansjonstrykket av disse kjemisk frigjorte gassene ikke er mer enn 15 til 40 bar, er bruken begrenset til relativt tykke vegger med korte strømningsbaner.
for ytterligere å utvide applikasjonsgrensene for skumsprøytestøping, ble skumdannelse ved tilsetning av en inert gass, vanligvis nitrogen, utviklet for 40 år siden. Den største fordelen er at høyere ekspansjonstrykk i området 100 til 200 bar kan nås med nitrogen. Dette muliggjør utnyttelse av det lette designpotensialet i skumsprøytestøping for tynnveggede komponenter og komponenter med lange strømningsbaner også. Fordelene i tillegg til vektreduksjon er en reduksjon av det spesifikke injeksjonstrykket som kreves for å fylle hulrommene og dermed klemmekraften, og kompensasjon for krymping og krigseffekter. Begge prosessene brukes i termoplastisk harpiks behandling, hele veien FRA PP til engineering plast SOM PC, PA eller PBT. De nyeste, lovende utviklingene tar sikte på å utvide bruksområdene til å inkludere termoplastiske elastomerer også.
Cellmould: maskinkonseptet
den viktigste oppgaven med en skumsprøytestøpelinje er å generere en enfaset polymer-gassløsning dispergert så homogent som mulig under plastiseringsprosessen. Teknologien som brukes av alle leverandører til dette formålet, er svært lik. Likevel er det noen forskjeller i detaljene i teknisk design. Dipl.- Ing.(Fh) Wolfgang Roth, Leder For Applikasjonsteknologi Hos Wittmann Battenfeld, sier det på denne måten: «Med mer enn 40 års praktisk erfaring med teknologien utviklet hos vårt forgjengerselskap Battenfeld, ga Meinerzhagen et solid fundament for oss å bygge videre på. Vårt mål var å redusere kompleksiteten i systemet samtidig utvide bruksområdene og dermed gjøre det mer pålitelig. Derfor har vi designet Vår Cellmould skum injeksjon enhet for å komme så nær som mulig til standard injeksjon enhet. Følgelig opererer vår maskin med en 20 D standardskrue, som er utvidet på forsiden ved å legge til en 5 D blandingsdel.»
den spesifikke Battenfeld-funksjonen I Cellmould-teknologien er separasjonen mellom plastiserings – og gassinjeksjonsseksjonene av skruen, som leveres av en fast sylindrisk barriere på skruen. Det er alternativet til å bruke en ekstra hylse-type tilbakeslagsventil. Wolfgang Roth legger til: «innsatsen med å justere to tilbakeslagsventiler til driftsforholdene i alle tilfeller for å gjøre dem feilsikre, dvs. slitesterke, motiverte oss til å søke en enklere løsning, som vi til slutt har funnet i barrieren mellom plastiserings – og gassinjeksjonsseksjonene av skruen. Denne løsningen har vist seg i produksjon for alle maskinstørrelser. På denne måten kan sliteproblemet elimineres uten å måtte kompromittere i betydelig grad på gassdensiteten i retning av skruens plastiseringsseksjon.»
i blandingsdelen av plastiseringsenheten blir flytende nitrogen (trykksatt med opptil 300 bar) tilsatt i plastsmelten med en injektor i løpet av et målingsslag og diffunderer deretter inn i smelten. I blandingsdelen av skruen intensiveres nitrogenfordelingen ved å dele smeltestrømmen i mange separate strømmer.» (Fig.2) siden tønnen holdes lukket av en nålstengningsventil i formens retning under plastisering og gassinjeksjon, holdes smelte-og-gassblandingen under trykk inne i plastiseringsenheten. Følgelig oppnås en enfaset polymer / gassløsning ved slutten av blandingsprosessen. Under injeksjon i hulrommet blir det utsatt for trykkreduksjon, noe som reduserer oppløseligheten av gassen i plastsmelten. De fint fordelte gass nukleatene i smelten og gir dermed ingrediensen til å danne en skumstruktur med like fint fordelte celler.
Parameterinngang og prosesskontroll utføres direkte via maskinens styresystem barrier geometry – neeedle avstengningsdyse-tilbakeslagsventil trykkmålerinjektor 1-måleanordning injektor 1
Fig.2: Cellmould plasticizing unit: kjernekomponentene er en 25 D fat med en 20 d 3-sone plastiserende skrue og påfølgende 5d gassinjeksjon og blandingssone. De to funksjonelle sonene til skruen er adskilt av en sylindrisk retensjonsring (barriere).
dannelsen av denne strukturen avhenger av de spesifikke forholdene i sprøytestøpeprosessen. Disse inkluderer viskositeten til plastsmelten, injeksjonshastigheten (jo høyere hastighet, jo finere skum) og til slutt den forhåndsinnstilte skumgraden (materialreduksjon). Sistnevnte er satt enten ved å injisere en tilsvarende underdosering i et fast hulrom, eller ved å fylle et hulrom helt og deretter åpne det med et forhåndsinnstilt høyt presisjonsslag. For å nå den høye injeksjonshastigheten som favoriserer en jevn skumfordeling, leveres en injeksjonsakkumulator som en del Av Cellmould-utstyrspakken (Fig. 3a + 3b).
Fig.3a & 3b: Cellmould-linjekomponentene er tilgjengelige i identisk konfigurasjon for Hele spekteret Av wittmann Battenfeld-maskiner, illustrert her ved eksempel på en 110 t maskinmodell. En gassinjektor koblet til en kompakt gassstrømstyringsmodul er plassert på toppen av fatet.
I tillegg til gassinjektoren og gasstrømstyringsmodulen, Inneholder Cellmould-utstyrspakken også en injeksjonsakkumulator på maskinen (midten av bildet) og en sentral nitrogengenerator kombinert med en kompressorenhet.
nitrogenet trekkes enten fra et batteri av trykksylindere eller ekstraheres fra luften av en nitrogengenerator. I begge tilfeller sendes gassen videre til gassinjektoren via en trykkgenerator som også brukes I Airmould gassinjeksjonslinjer. En del Av Battenfeld-linjekonseptet er at flere maskiner kan leveres samtidig med ett gassforsyningssystem (Fig.4). En gassstrømregulator er plassert mellom trykkgeneratoren og gassinjektoren på plastiseringsenheten. Via det kontrollerbare ventilsystemet styres og koordineres gasstrømmen med Prosessen av Cellmould-programvaren (Fig.5). Cellmould utstyrspakken er tilgjengelig for hele porteføljen Av wittmann Battenfeld maskiner.
Fig.4: Cellmould linje konfigurasjon. Konseptet er designet for å ha en eller flere plastiserende enheter som leveres med gass av en sentral nitrogengenerator inkludert kompressorenhet. En gasstrømningsregulator styrt av Cellmould-programvaren og en gassinjektor er koblet til hver plastiseringsenhet for å måle det flytende nitrogen i fatet.
Fig.5: høy brukervennlighet og prosessgjennomsiktighet var topp prioritet i prosessutvikling. Følgelig kan alle prosessparametere settes, overvåkes og registreres via maskinens kontrollsystem.
hvilke potensialer har høytrykksskumsprøytestøping å tilby?
inne i formhulen blir dannelsen av skum i det ytre skallet av smelten i stor grad undertrykt på grunn av sin kontakt med den avkjølte hulromveggen og den resulterende økningen i viskositeten, mens det varmere kjerneområdet favoriserer dannelsen av cellestrukturen. På denne måten dannes» sandwichstrukturer » i store deler av den støpte delen, bestående av dekklag med høy tetthet og kjernedeler, hvis massetetthet er 5 til 20% lavere(Fig. 6a + b).
Fig. 6a & 6b: Lette plastdeler med et kompakt ytre skall og strukturert skumkjerne, her vist ved eksempel på en boligkomponent laget AV PP med 3 mm veggtykkelse.
den mulige tetthetsreduksjonen i den støpte delen viser en direkte korrelasjon med strømningsbane / veggtykkelsesforholdet for alle allment tilgjengelige typer plastmaterialer. I PP-prosessering kan for eksempel en tetthetsreduksjon på 15 prosent oppnås i et forhold på 100: 1, mens ved 150 : 1 kan man forvente en tetthetsreduksjon på bare 10 prosent.
Ganske bortsett fra vektreduksjon, tilbyr skumsprøytestøping ytterligere potensial for forbedring i kvaliteten på støpte deler, primært med hensyn til krymping og vridning, takket være den ensartede effekten av ekspansjonstrykket inne i skumkjernen. Denne effekten er så sterk at synkemerker og vridninger forårsaket av krymping praktisk talt kan elimineres til 100 prosent, og dermed øke den generelle dimensjonsnøyaktigheten. Prosessorer vil også dra nytte av flere betydelige prosessteknologiske fordeler, for eksempel en reduksjon i den nødvendige klemmekraften med opptil 50 prosent på grunn av en reduksjon i smelteviskositet og dermed injeksjonstrykket, samt kommersielle fordeler ved reduksjon i syklustid, spesielt kjøletid, takket være den nedre massen av den støpte delen som må avkjøles.
høyglansede overflater gjennom dynamisk formherding
til tross for å utnytte hele spekteret av parametervariasjoner som tilbys av skumsprøytestøpeprosessen, viser lette deler fortsatt karakteristiske striper eller grå tåke på overflaten som en vanlig egenskap. Denne overflateeffekten skyldes at gassbobler trer inn i strømningsfronten av smelten under injeksjonsprosessen. Denne strukturen stivner da når den kommer i kontakt med kjølerens hulromsvegg og forblir deretter uendret. Polerte overflater, som kreves for visuelle deler av boligkomponenter, kan ikke oppnås med standard teknologi. Imidlertid kan en betydelig forbedring i overflatekvaliteten oppnås ved en kombinasjon av skumsprøytestøping med syklisk, dynamisk formherding, som tilbys for Eksempel Av Wittmann Battenfeld i form Av BFMold og Variomould teknologi. Disse variantene bruker et kjølesystem integrert i formen for å forbedre den synlige overflaten av den støpte delen, etter delens kontur og opererer syklisk med varme/kalde temperaturregulatorer. Dette systemet styrer temperaturen på begrensede muggområder nær hulrommet. Ved oppvarming av hulromsveggen, for eksempel med trykkvann oppvarmet opp til 180°c umiddelbart før injeksjon av smelten med gassinnhold, kommer materialet ikke i kontakt med en kald hulromsvegg først, slik at en lukket overflate kan dannes før den størkner (Fig. 7). På denne måten kan utmerket overflatekvalitet oppnås, som er på nivå med kompakte plastdeler. Sammenligningen mellom deler med og uten dynamisk kjøling, som illustrert I Fig. 8, viser hvor sterkt effekten av dynamisk muggherding kan påvirke overflatenes kvalitet.»
Fig.7: Mold med dynamisk variotermisk kjølesystem for å produsere et huspanel fra EN PC / ABS-blanding med en høyglanset overflate.
Fig.8: Dekorativt panel laget AV EN PC / ABS-blanding, til venstre produsert med aktiv dynamisk kjøling, til høyre uten å aktivere dynamisk formherding.
Elastomerer er også egnet for skumdannelse
skumsprøytestøping kan også utvides til termoplastiske elastomerer. Mens gode skumstrukturer kan oppnås ved kjemisk så vel som fysisk skumdannelse, for eksempel med polypropylen og polyamid, har vår testserie avslørt at de fleste typer TPE kun kan skummes ved fysisk skumsprøytestøping. Og bare tpes basert på termoplastisk polyester viser akseptable resultater når det gjelder skumstruktur, finhet av celler og jevnhet. Tester har vist at jo mykere EN TPE-formulering, desto sterkere overflateproblemer vil dukke opp i skumdannelse, spesielt hvis skumsprøytestøping kombineres med høy presisjonsformåpning. Spesielt når hulrommet er tegnet polert eller høyglanset polert, viser overflaten ofte mange bukser. Flere forskjellige forklaringer har blitt foreslått for dette fenomenet. Den ene er at luften allerede er innelukket mellom den støpte delen og hulromveggen mens hulrommet fylles, som ikke kan unnslippe. En alternativ antagelse er at høy presisjonsåpning fører til en adskillelse av skumdelen fra hulromveggen, og at den ekspanderende skumdelen, når den kommer i kontakt med hulromveggen igjen, omslutter luft eller plastgass noen steder, som da forårsaker bulkene.»
Testserier har vist at, i motsetning til stive og solide tekniske termoplastiske materialer, kan overflateproblemene i tpe-behandling reduseres betydelig ved å bruke middels til lave injeksjonshastigheter. Like positive effekter kan oppnås ved å strukturere hulromveggen. En strukturert, vulstblåst eller kornet overflate gjør det mulig for potensielle gass-eller luftbobler å unnslippe via mikrokanaler i kontaktflaten mellom den støpte delen og hulromveggen.
når det gjelder striper på overflaten, gjelder de samme prinsippene generelt som i skumsprøytestøping med ingeniørplast. Her er løsningen også å bruke dynamisk temperering rundt konturene på den synlige siden. Hvis høy presisjonsåpning påføres samtidig, kan myk skumpolstring av høy kvalitet, for eksempel for armlener i kjøretøykonstruksjon, eller støtdempere for håndholdte apparater som må beskyttes mot skade, produseres til lav pris. Dette vil bli nærmere omtalt i en egen rapport i en av de neste problemene.
med nyskapende mold – og maskinteknologi for bred applikasjon
det er allerede nevnt i forbindelse med overflateforbedring at nyskapende moldteknologi spiller en viktig rolle i skumsprøytestøping. Et annet område med mold og maskinteknologi spesielt rettet mot skumsprøytestøping er systemet med delvis formåpning via sprøytestøpemaskinen, som muliggjør kombinasjon av kompakt med skumkomponenter i en enkelt sprøytestøpt del. Dette er nødvendig når funksjonelle elementer laget av ganske kompakt materiale, for eksempel kroker, fjærer eller bolter, må kombineres med panelkomponenter laget av skummateriale. For å realisere dette, blir den delen av hulrommet som skal skummes rundt skumslaget bevegelig. I et første trinn fylles hele hulrommet for den støpte delen som gjøres for en kompakt støpt del. Deretter åpnes bare den delen som skal skummes med et presisjonsslag. På denne måten kan boligkomponenter med komplekse mekaniske grensesnitt til partnerkomponenter også realiseres i lett design.
Mekaniske nøkkelverdier kan forutsies på en pålitelig måte
høytrykksskumsprøytestøpte deler har en karakteristisk sandwichstruktur med kompakte dekklag og et skummet kjernelag. Grensen mellom dekklaget og kjernen er relativt brå. I komponenter med lav tykkelse har kjernelaget en nesten konstant tetthet gjennom hele bredden av kjernen, mens i tilfelle av stor total tykkelse er en karakteristisk tetthetsprofil tilstede. Prosessimplementeringen har like liten innflytelse på tettheten til det kompakte dekklaget som hvilken type gassinjeksjon som er valgt. Følgelig er de viktigste designparametrene reduksjonen av tetthet designet for kjernedelen og veggtykkelsen. Disse kan klart defineres av måleresultatene og tjene som nøkkeltall for en beregningsmodell utviklet Av Dr. Norbert Mü, grunnleggeren Av Schaumform, som en del av sin avhandling for å forutsi komponentens mekaniske egenskaper.
prosessdesign basert på en modellberegning
utgangspunktet for modellberegningen er en symmetrisk sandwichstruktur, hvor de spesifikke materialverdiene til det kompakte materialet antas for dekklagene. For skumkjernen antas nøkkelverdier nær virkeligheten For e-modulen og bruddstamme (utbyttestamme for duktile materialer). Oppførselen til den skummede kjerne er avledet fra oppførselen til hele sandwichkomponenten, som fungerer godt hvis tykkelsen på dekklagene er kjent. Tester der skumkjernen ekstraheres fra en komponent og deretter testes mekanisk, er mulige, men fører til sterkt spredte måleresultater, som følgelig bare har en svært begrenset betydning.
Teori og praksis er konsistente
den optimale metoden for å teste stivhet og styrke er ved å bruke standard teststenger produsert av sprøytestøpte strukturerte skumplater. Alternativt, hvis dette alternativet ikke er tilgjengelig, kan standard teststenger med et 4 x 10 mm tverrsnitt (f.eks. Ved analyse av måleverdiene må det imidlertid tas hensyn til at ikke bare de 10 mm brede dekklagene i standardstengene er kompakte, men også de 4 mm dype sideflatene. Følgelig er en skummet standardspenningsstang sammenlignbar med et lite rektangulært rør (10 x 4 mm) med ca. 0,4 til 1,0 mm veggtykkelse og en skumkjerne.
som det kan forventes, viser evalueringen av strekkstamme tester at når andelen skum øker, reduseres strekk elastisk modul og strekkstyrke tilsvarende. Dette skyldes det faktum at bare mengden materiale som fortsatt finnes i komponenten, tåler mekanisk stress eller bidrar til bærende. Så skummede sprøytestøpte produkter viser en høyere ekspansjonshastighet når de blir utsatt for samme belastning og bryter under lavere maksimal belastning. Lagt til dette er hakk effekter forårsaket av skumceller nær dekklaget. Måleresultatene viser regelmessig at nedgangen i strekkfasthet alltid minst tilsvarer reduksjonen i delvekt. (Fig.9)
strekkfasthet (N / mm2) – charpy slagfasthet (kJ/m2) – bruddstamme ( % ) – kompakt PP
Fig.9: Endring i strekkfasthet, slagfasthet og bruddstamme AV PP-SGS 40 avhengig av prosentandel av skumdannelse (0, 5, 10, 15 prosent)
strekkfasthet (N/mm2) – charpy slagfasthet (kJ/m2) – bruddstamme ( % ) – kompakt PP
under bøyebelastning reduseres også de absolutte verdiene for bøyemotstand og bøyestyrke. Men siden sandwichstrukturer er mye mer motstandsdyktige mot denne typen last, er tap av styrke her betydelig mindre enn for strekkstamme. Bøyemotstanden faller med en lavere prosentandel enn delvekten. I figur 10 og 11 er det dokumentert at for eksempel med en skummingsgrad på 15% har stivheten i forhold til vekt økt med 4,8 prosent sammenlignet med den kompakte delen uten skum, eller det er med andre ord mulig å realisere stive komponenter med lavere vekt.
axis betegnelse-vekt rel. til stivhet-restvekt
Fig.10: endringen i bøyemotstand, den viktigste egenskapen for boligkomponenter. Bøyemotstanden i forhold til vekten av testprøvene reduseres bare litt med 5% skumdannelse, mens den forblir lik den kompakte delen med 10% skumdannelse, og viser til og med en merkbar økning med en 15% reduksjon i tetthet.
bøyemotstand i forhold til vekt målt beregnet
Fig.11: En sammenligning mellom den vektrelaterte bøyemotstanden i henhold til modellberegningen (Schaumform) og resultatene av målinger på sprøytestøpte bøyestenger med 10 x 7 mm tverrsnitt viser god til utmerket kongruens.
Sammendrag
Skumsprøytestøpingsteknologi har fått en ny innovativ boost på grunn av den stadig økende trenden mot lette applikasjoner. De nyeste innovasjonene gjelder metoder for å forbedre overflatekvaliteten i retning av høy glans, samt kombinasjonen av kompakt med skumsegmenter i en enkelt støpt del. De viktigste bidragene har blitt gjort av videre utvikling i prosess og mold teknologi, alt fra dynamisk mold temperering til høy presisjon åpning av hele former eller hulrom segmenter i ett eller flere trinn. De påviste modellberegningene, som nå er allment tilgjengelige, gir ekstra potensial for hjelp i deledesign og layout. Alt i alt har skumsprøytestøpeprosessen dermed nådd en tilsvarende høy grad av modenhet som konvensjonell behandling ved sprøytestøping. Den gir presise, repeterbare tetthetsreduksjoner og sandwichstrukturer for et stadig voksende utvalg av plastmaterialer, inkludert termoplastiske elastomerer.