- Hogedrukschuim spuitgieten
- Cellmatrijs: het machineconcept
- welke mogelijkheden heeft hogedrukschuim spuitgieten te bieden?
- hoogglanzende oppervlakken door middel van dynamische matrijsverharding
- elastomeren zijn ook geschikt voor schuimvorming
- technisch papier van Wittmann Battenfeld
lichtgewicht ontwerp is een trend die in toenemende mate alle sectoren van de verwerkende industrie doordringt. In dit domein spelen kunststoffen een cruciale rol dankzij hun gunstige relatie tussen prestatiegegevens en een laag soortelijk gewicht. Maar hun lichtgewicht potentieel kan nog verder worden vergroot door schuimvorming, bijvoorbeeld door schuim spuitgieten. Een van de pioniers op dit gebied is De Oostenrijkse spuitgietmachinefabrikant Wittmann Battenfeld. Het Hogedrukproces van Cellmould biedt relatief superieure prestatieparameters in combinatie met een minder complexe en daardoor robuustere systeemtechnologie in vergelijking met concurrenten. Het is een 100% in-house ontwikkeling en dient als basis voor een aantal nieuwe, innovatieve toepassingen, zoals oplossingen voor de verbetering van de oppervlaktekwaliteit inclusief hoogglans, voor de gedeeltelijke combinatie van compact met geschuimde componenten in een enkel gegoten onderdeel en voor het schuimen van thermoplastische elastomeren. Deze oplossingen zijn ontwikkeld in samenwerking met het Beierse technologiebedrijf Schaumform (Fig. 1).
Fig.1: Gestructureerde schuimdelen met hoogglanzende oppervlakken zijn het resultaat van een gezamenlijk ontwikkelingsproject van de bedrijven Wittmann Battenfeld, Kottingbrunn, Oostenrijk en Schaumform, Hutthurm, Duitsland
Schuimspuitgiettechniek is geen nieuw proces. Toepassingen waarbij chemische stoffen zoals azodicarbonamide of fenyltetrazool in het plastic granulaat worden gemengd en ermee geplastificeerd, die drijfgassen afgeven na injectie in de holte van de mal, zijn al zo ‘ n 50 jaar bekend en worden gebruikt in de productie. Aangezien de expansiedruk van deze chemisch vrijgekomen gassen niet meer dan ongeveer 15 tot 40 bar bedraagt, wordt het gebruik ervan beperkt tot relatief dikwandige delen met korte stromingstrajecten.
om de toepassingsgrenzen voor het spuitgieten van schuim verder uit te breiden, werd ongeveer 40 jaar geleden schuimvorming door toevoeging van een inert gas, meestal stikstof, ontwikkeld. Het belangrijkste voordeel is dat met stikstof hogere uitzettingsdrukken in de regio van 100 tot 200 bar kunnen worden bereikt. Dit maakt het mogelijk om het lichtgewicht ontwerppotentieel van schuimspuitgieten te benutten voor dunwandige componenten en componenten met lange stromingsbanen. De voordelen naast gewichtsvermindering zijn een vermindering van de specifieke injectiedruk die nodig is om de holtes en daarmee de klemkracht te vullen, en compensatie van krimp-en vervormingseffecten. Beide processen worden gebruikt in de verwerking van thermoplastische hars, van PP tot technische kunststoffen zoals PC, PA of PBT. De meest recente, veelbelovende ontwikkelingen beogen de toepassingsgebieden uit te breiden tot thermoplastische elastomeren.
Cell Mould: het machineconcept
de essentiële taak van een schuimspuitgietlijn is het genereren van een eenfasige polymeer-gasoplossing die zo homogeen mogelijk wordt gedispergeerd tijdens het weekmakingsproces. De technologie die door alle leveranciers voor dit doel wordt gebruikt, is zeer vergelijkbaar. Toch zijn er enkele verschillen in de details van het technische ontwerp. Dipl.- Ing.(FH) Wolfgang Roth, Head of Application Technology bij Wittmann Battenfeld, zegt het zo:: “De meer dan 40 jaar praktijkervaring met de technologie die bij onze voorganger Battenfeld, Meinerzhagen, werd ontwikkeld, vormde voor ons een solide basis om op voort te bouwen. Ons doel was om de complexiteit van het systeem te verminderen en tegelijkertijd de toepassingsgebieden uit te breiden en het zo betrouwbaarder te maken. Daarom hebben we onze Cellmould foam injection unit ontworpen om zo dicht mogelijk bij de standaard injection unit te komen. Dienovereenkomstig werkt onze machine met een 20 D standaardschroef, die aan de voorzijde is verlengd door een 5 D menggedeelte toe te voegen.”
het specifieke Battenfeld-kenmerk van de Celmatrijstechnologie is de scheiding tussen de weekmakers en de gasinjecties van de schroef, die wordt verkregen door een vaste cilindrische barrière op de schroef. Het is het alternatief voor het gebruik van een extra huls-type terugslagklep. Wolfgang Roth voegt hieraan toe: “de inspanning die gepaard ging met het aanpassen van twee terugslagkleppen aan de bedrijfsomstandigheden in elk geval om ze faalveilig te maken, dat wil zeggen slijtvast, motiveerde ons om een eenvoudigere oplossing te zoeken, die we uiteindelijk hebben gevonden in de barrière tussen de plastificeer-en gasinjecties van de schroef. Deze oplossing is bewezen in de productie voor alle machinegrootte. Op deze manier kan het slijtageprobleem worden geëlimineerd zonder dat de gasdichtheid in de richting van het weekmakende gedeelte van de schroef aanzienlijk moet worden aangetast.”
in het menggedeelte van de weekmaker wordt door een injector tijdens een doseerslag vloeibaar stikstof (onder druk tot 300 bar) aan de plasticsmelt toegevoegd en vervolgens in de smelt verspreid. In het menggedeelte van de schroef wordt de stikstofverdeling geïntensiveerd door de smeltstroom in vele afzonderlijke stromen te verdelen.” (Fig.2) aangezien het vat gesloten wordt gehouden door een naald afsluitklep in de richting van de vorm tijdens het plastificeren en gasinjectie, wordt het smelt-en-gasmengsel onder druk gehouden in de plastificerende eenheid. Bijgevolg wordt aan het einde van het mengproces een eenfasige polymeer/gasoplossing bereikt. Tijdens injectie in de holte wordt het onderworpen aan drukvermindering, waardoor de oplosbaarheid van het gas in de plastic smelt vermindert. De fijn verdeelde gaskernen in de smelt en levert zo het ingrediënt om een schuimstructuur te vormen met net zo fijn verdeelde cellen.
de parameterinvoer en de procesregeling worden rechtstreeks via het regelsysteem van de machine uitgevoerd, barrièregeometrie – neeeedle shut-off nozzle – terugslagklep manometer injector 1 – doseerinrichting injector 1
Fig.2: De celmatrijs plastificerende eenheid: de kerncomponenten zijn een 25 D vat met een 20 D 3-zone plastificerende schroef en daaropvolgende 5D gasinjectie en mengzone. De twee functionele zones van de schroef worden gescheiden door een cilindrische retentiering (barrière).
de vorming van deze structuur is afhankelijk van de specifieke omstandigheden van het spuitgietproces. Deze omvatten de viscositeit van de kunststof smelt, de injectiesnelheid (hoe hoger de snelheid, hoe fijner het schuim) en tenslotte de vooraf ingestelde mate van schuimvorming (materiaalreductie). Deze laatste wordt ingesteld door het injecteren van een overeenkomstige onderdosering in een vaste holte, of door het vullen van een holte volledig en vervolgens te openen met een vooraf ingestelde hoge-precisie slag. Om de hoge inspuitsnelheid te bereiken die een gelijkmatige schuimverdeling bevordert, wordt een injectieaccumulator geleverd als onderdeel van het pakket Cellmatrijs-apparatuur (Fig. 3a+3b).
Fig.3a & 3b: de componenten van de Cellmatrijs zijn in identieke configuratie beschikbaar voor het gehele gamma Wittmann Battenfeld machines, hier geïllustreerd door het voorbeeld van een 110 t machine model. Een gasinjector verbonden met een compacte gasstroomregelmodule wordt bovenop het vat geplaatst.
naast de gasinjector en de regelmodule voor de gasstroom omvat de apparatuur van de Celmatrijs ook een injectieaccumulator op de machine (midden op de foto) en een centrale stikstofgenerator in combinatie met een compressoreenheid.
de stikstof wordt uit een batterij van drukcilinders gehaald of door een stikstofgenerator uit de omgevingslucht gehaald. In beide gevallen wordt het gas vervolgens doorgegeven aan de gasinjector via een drukgenerator, zoals ook wordt gebruikt in Luchtgietgasinjectielijnen. Een onderdeel van het Battenfeld-lijnconcept is dat meerdere machines gelijktijdig door één gastoevoersysteem kunnen worden geleverd (Fig.4). Tussen de drukgenerator en de gasinjector op de weekmaker wordt een gasstroomregelaar geplaatst. Via het regelbare klepsysteem wordt de gasstroom geregeld en gecoördineerd met het proces door de Cellmould software (Fig.5). Voor het volledige gamma van Wittmann Battenfeld-machines is het gereedschapspakket beschikbaar.
Fig.4: de configuratie van de Cellmould-lijn. Het concept is ontworpen om een of meerdere plastificerende eenheden voorzien van gas door een centrale stikstof generator met inbegrip van compressor eenheid. Eén gasstroomregelaar die door de Cellmould-software wordt gecontroleerd en één gasinjector worden aangesloten op elke plastificerende eenheid om de vloeibare stikstof in het vat te meten.
Fig.5: hoge gebruiksvriendelijkheid en procestransparantie waren topprioriteiten in procesontwikkeling. Zo kunnen alle procesparameters via het besturingssysteem van de machine worden ingesteld, bewaakt en geregistreerd.
welke mogelijkheden heeft het spuitgieten van schuim onder hoge druk?
in de vormholte wordt de vorming van schuim in de buitenste schil van de smelt grotendeels onderdrukt door het contact met de gekoelde spouwwand en de resulterende toename van de viscositeit, terwijl het warmere kerngebied de vorming van de celstructuur bevordert. Op deze manier worden” sandwichstructuren ” gevormd in grote delen van het gegoten deel, bestaande uit afdeklagen met een hoge dichtheid en kerndelen, waarvan de bulkdichtheid 5 tot 20% lager is (Fig. 6a + b).
Fig. 6a & 6b: lichte kunststofonderdelen met een compacte buitenwand en een gestructureerde schuimkern, hier te zien aan het voorbeeld van een behuizingscomponent van PP met een wanddikte van 3 mm.
de mogelijke vermindering van de dichtheid van het gegoten onderdeel vertoont een directe correlatie met de verhouding stromingspad/wanddikte voor alle gangbare soorten kunststofmaterialen. Bij PP-verwerking kan bijvoorbeeld een dichtheidsreductie van 15% worden bereikt bij een verhouding van 100: 1, terwijl bij 150: 1 een dichtheidsreductie van slechts 10% kan worden verwacht.
afgezien van gewichtsvermindering biedt het spuitgieten van schuim extra mogelijkheden voor verbetering van de kwaliteit van gegoten onderdelen, vooral wat krimp en vervorming betreft, dankzij het uniforme effect van de uitzettingsdruk in de schuimkern. Dit effect is zo sterk dat zinksporen en vervorming veroorzaakt door krimp vrijwel kunnen worden geëlimineerd tot 100 procent, waardoor de totale dimensionale nauwkeurigheid. Processoren zullen ook profiteren van een aantal belangrijke voordelen op het gebied van procestechnologie, zoals een vermindering van de benodigde sluitkracht met maximaal 50 procent door een afname van de smeltviscositeit en daarmee de injectiedruk, evenals commerciële voordelen door een vermindering van de cyclustijd, in het bijzonder de koeltijd, dankzij de lagere massa van het te koelen gegoten onderdeel.
hoogglanzende oppervlakken door dynamische matrijsverharding
ondanks het volledige scala aan parametervariaties die door het spuitgietproces van schuim worden geboden, vertonen lichte delen nog steeds karakteristieke strepen of grijze Mist op het oppervlak als veelvoorkomend kenmerk. Dit oppervlakte-effect is te wijten aan gasbellen doordringen in de stroom voorkant van de smelt tijdens het injectieproces. Deze structuur stolt dan bij contact met de koeler spouw en blijft vervolgens onveranderd. Gepolijste oppervlakken, zoals vereist voor visuele delen van behuizingscomponenten, kunnen niet worden bereikt met standaardtechnologie. Een aanzienlijke verbetering van de oppervlaktekwaliteit kan echter worden bereikt door een combinatie van schuimspuitgieten met cyclisch, dynamisch matrijzenharden, zoals bijvoorbeeld wordt aangeboden door Wittmann Battenfeld in de vorm van Bfmold-en Variomould-technologie. Deze varianten maken gebruik van een in de mal geïntegreerd koelsysteem om het zichtbare oppervlak van het gegoten onderdeel te verbeteren, volgens de contour van het onderdeel en cyclisch te werken met warm/koud temperatuurregelaars. Dit systeem regelt de temperatuur van beperkte schimmelgebieden dicht bij de holte. Door de spouwwand te verwarmen, bijvoorbeeld met tot 180°C onder druk verwarmd water vlak voor het injecteren van de smelt met gasgehalte, komt het materiaal in eerste instantie niet in contact met een koude spouwwand, zodat zich een gesloten oppervlak kan vormen voordat het stolt (Fig. 7). Op deze manier kan een uitstekende oppervlaktekwaliteit worden bereikt, die vergelijkbaar is met die van compacte kunststof onderdelen. De vergelijking tussen delen met en zonder dynamische koeling, zoals afgebeeld in Fig. 8, laat zien hoe sterk het effect van dynamische schimmel temperen de kwaliteit van het oppervlak kan beïnvloeden.”
Fig.7: schimmel met dynamisch variothermisch koelsysteem om een behuizingspaneel van een PC/ABS-mengsel met een hoogglans oppervlak te produceren.
Fig.8: Decoratief paneel gemaakt van een PC/ABS-mengsel, links vervaardigd met actieve dynamische koeling, rechts zonder het activeren van dynamische vorm temperen.
elastomeren zijn ook geschikt voor schuimvorming
het spuitgieten van schuim kan ook worden uitgebreid tot thermoplastische elastomeren. Terwijl goede schuimstructuren kunnen worden bereikt door zowel chemisch als fysiek schuimen, bijvoorbeeld met polypropyleen en polyamide, hebben onze testreeksen aangetoond dat de meeste soorten TPE alleen kunnen worden geschuimd door fysiek schuim spuitgieten. En alleen TPE ‘ s op basis van thermoplastisch polyester vertonen aanvaardbare resultaten in termen van schuimstructuur, fijnheid van cellen en gelijkmatigheid. Tests hebben aangetoond dat hoe zachter een TPE-formulering, hoe sterker oppervlakteproblemen zullen optreden bij schuimvorming, vooral als schuim spuitgieten wordt gecombineerd met een zeer nauwkeurige matrijsopening. Vooral wanneer de holte wordt getrokken gepolijst of zelfs hoogglans gepolijst, het oppervlak vertoont vaak tal van deuken. Er zijn verschillende verklaringen voor dit fenomeen voorgesteld. Een daarvan is dat lucht al ingesloten is tussen het gegoten deel en de spouwwand terwijl de spouw wordt gevuld, die niet kan ontsnappen. Een alternatieve veronderstelling is dat een zeer nauwkeurige opening leidt tot een scheiding van het schuim deel van de spouwwand, en dat het schuim deel, wanneer het weer in contact komt met de spouwwand, op sommige plaatsen lucht of plastic gas omsluit, wat vervolgens de deuken veroorzaakt.”
Beproevingsreeksen hebben aangetoond dat, in tegenstelling tot stijve en vaste technische thermoplastische materialen, de oppervlakteproblemen bij de TPE-verwerking aanzienlijk kunnen worden verminderd door middelmatige tot lage injectiesnelheden te gebruiken. Even positieve effecten kunnen worden verkregen door het structureren van de spouwwand. Een gestructureerd, door kralen gestraald of korrelig oppervlak laat potentiële gas-of luchtbellen ontsnappen via microkanalen in het contactoppervlak tussen het gegoten deel en de spouwwand.
voor de groeven op het oppervlak gelden in het algemeen dezelfde principes als voor het spuitgieten van schuim met kunststoffen voor de techniek. Hier is de oplossing ook om dynamisch temperen te gebruiken rond de contouren van de zichtbare zijde. Als tegelijkertijd een zeer nauwkeurige opening wordt aangebracht, kunnen zachte schuimvulling van hoge kwaliteit, bijvoorbeeld voor armleuningen in de voertuigconstructie, of schokdempers voor handapparaten die moeten worden beschermd tegen valschade, tegen lage kosten worden geproduceerd. Dit zal verder worden besproken in een afzonderlijk verslag in een van de volgende kwesties.
met innovatieve vorm-en machinetechniek voor brede toepassing
werd reeds in verband met oppervlakteverbetering vermeld dat innovatieve vormtechnologie een essentiële rol speelt bij het spuitgieten van schuim. Een ander gebied van schimmel-en machinetechnologie dat speciaal is afgestemd op schuim spuitgieten is het systeem van gedeeltelijke matrijsopening via de spuitgietmachine, waardoor de combinatie van compact met geschuimde componenten in een enkel spuitgietonderdeel mogelijk is. Dit is nodig wanneer functionele elementen van vrij compact materiaal, zoals haken, veren of bouten, moeten worden gecombineerd met paneelcomponenten van geschuimd materiaal. Om dit te realiseren, wordt het deel van de holte dat rond de schuimende slag moet worden geschuimd beweegbaar gemaakt. In een eerste stap wordt de gehele holte voor het gegoten onderdeel gevuld zoals bij een compact gegoten onderdeel. Vervolgens wordt alleen het te schuimen deel door een zeer nauwkeurige slag geopend. Op deze manier kunnen behuizingscomponenten met complexe mechanische interfaces met partnercomponenten ook in een lichtgewicht ontwerp worden gerealiseerd.
mechanische sleutelwaarden kunnen betrouwbaar worden voorspeld
hogedrukschuimde spuitgietonderdelen hebben een karakteristieke sandwichstructuur met compacte afdeklagen en een schuimkernlaag. De grens tussen de afdeklaag en de kern is relatief abrupt. Bij componenten met een lage dikte heeft de kernlaag een vrijwel constante dichtheid over de gehele breedte van de kern, terwijl bij grote totale dikte een karakteristiek dichtheidsprofiel aanwezig is. De procesimplementatie heeft net zo weinig invloed op de dichtheid van de compacte afdeklaag als het gekozen type gasinjectie. Bijgevolg zijn de belangrijkste ontwerpparameters de vermindering van de dichtheid ontworpen voor het kerndeel en de wanddikte. Deze kunnen duidelijk worden gedefinieerd door meetresultaten en dienen als sleutelfiguren voor een rekenmodel ontwikkeld door Dr.Norbert Müller, de oprichter van Schaumform, als onderdeel van zijn proefschrift om de mechanische eigenschappen van componenten te voorspellen.
procesontwerp gebaseerd op een modelberekening
het uitgangspunt voor de modelberekening is een symmetrische sandwichstructuur, waarbij, in enigszins vereenvoudigde termen, de specifieke materiaalwaarden van het compacte materiaal worden aangenomen voor de afdeklagen. Voor de geschuimde kern worden belangrijke waarden aangenomen die dicht bij de werkelijkheid liggen voor de e-module en de breukspanning (vloeigrens voor nodulair materiaal). Het gedrag van de geschuimde kern is afgeleid van het gedrag van de gehele sandwichcomponent, die goed functioneert als de dikte van de afdeklagen bekend is. Proeven waarbij de geschuimde kern uit een onderdeel wordt geëxtraheerd en vervolgens mechanisch wordt getest, zijn mogelijk, maar leiden tot sterk verspreide meetresultaten, die bijgevolg slechts een zeer beperkte betekenis hebben.
theorie en praktijk zijn consistent
de optimale methode voor het testen van stijfheid en sterkte is door gebruik te maken van standaardteststaven die zijn vervaardigd uit spuitgegoten gestructureerde schuimplaten. Als deze optie niet beschikbaar is, kunnen ook standaardteststaven met een doorsnede van 4 x 10 mm (bijvoorbeeld campusspanningsstaven) worden gebruikt. Bij het analyseren van de meetwaarden moet er echter rekening mee worden gehouden dat niet alleen de 10 mm brede afdeklagen van de standaardstaven compact zijn, maar ook de 4 mm diepe zijvlakken. Daardoor is een geschuimde standaard trekstang vergelijkbaar met een kleine rechthoekige buis (10 x 4 mm) met ca. 0,4 tot 1,0 mm wanddikte en een geschuimde kern.
zoals te verwachten is, blijkt uit de evaluatie van de trekspanningsproeven dat naarmate het aandeel schuim toeneemt, de elastische trekmodulus en de treksterkte dienovereenkomstig afnemen. Dit komt door het feit dat alleen de hoeveelheid materiaal die nog in het onderdeel is bestand is tegen mechanische belasting of bijdraagt aan het dragen van de belasting. Dus geschuimde spuitgegoten producten vertonen een hogere uitzettingsgraad bij blootstelling aan dezelfde belasting en breken bij een lagere maximale belasting. Daarbij komen nog inkeping-effecten die worden veroorzaakt door schuimcellen dicht bij de afdeklaag. Uit de meetresultaten blijkt regelmatig dat de afname van de treksterkte steevast ten minste gelijk is aan de afname van het gewicht van de onderdelen. (Fig.9)
treksterkte (N / mm2) – charpy – slagvastheid (kJ/m2) – breukspanning ( % ) – compacte PP
Fig.9: verandering in treksterkte, slagvastheid en breukspanning van PP-sgs 40 afhankelijk van het percentage schuimvorming (0, 5, 10, 15%)
treksterkte (N/mm2) – charpy slagvastheid (kJ / m2) – breukspanning (%) – compacte PP
bij buigbelasting worden ook de absolute waarden van buigvastheid en buigsterkte verlaagd. Aangezien sandwichconstructies echter veel beter bestand zijn tegen dit type belasting, is het krachtverlies hier aanzienlijk minder dan bij trekspanning. De buigweerstand daalt met een lager percentage dan het gewicht van het onderdeel. In de figuren 10 en 11 is bijvoorbeeld aangetoond dat bij een schuimgraad van 15% de stijfheid ten opzichte van het gewicht met 4,8% is toegenomen ten opzichte van het compacte deel zonder schuim of dat het met andere woorden mogelijk is stijve onderdelen met een lager gewicht te realiseren.
asaanduiding-gewicht rel. tot stijfheid-restgewicht
Fig.10: de verandering in buigweerstand, het belangrijkste kenmerk voor behuizingscomponenten. De buigweerstand ten opzichte van het gewicht van de testmonsters neemt met 5% schuimvorming slechts licht af, terwijl deze gelijk blijft aan het compacte deel met 10% schuimvorming en zelfs een merkbare toename vertoont met een vermindering van de dichtheid met 15%.
buigweerstand ten opzichte van het gemeten gewicht berekend
Fig.11: Een vergelijking tussen de gewichtsgerelateerde buigweerstand volgens de modelberekening (Schaumform) en de meetresultaten van spuitgegoten buigstangen met een doorsnede van 10 x 7 mm toont een goede tot uitstekende Congruentie.
samenvatting
Schuimspuitgiettechnologie heeft een nieuwe innovatieve impuls gekregen als gevolg van de geleidelijk toenemende trend naar Lichtgewicht Toepassingen. De meest recente innovaties betreffen methoden om de oppervlaktekwaliteit in de richting van hoogglans te verbeteren, evenals de combinatie van compact met geschuimde segmenten in een enkel gegoten onderdeel. De belangrijkste bijdragen zijn geleverd door verdere ontwikkelingen in de proces-en matrijstechnologie, variërend van dynamische matrijzenharden tot zeer nauwkeurige opening van volledige matrijzen of holtesegmenten in één of meerdere stappen. De beproefde modelberekeningen, die nu algemeen beschikbaar zijn, bieden extra mogelijkheden voor ondersteuning bij het ontwerpen en lay-out van onderdelen. Al met al heeft het schuim spuitgietproces dus een even hoge mate van rijpheid bereikt als conventionele verwerking door spuitgieten. Het levert nauwkeurige, herhaalbare dichtheidsreducties en sandwichstructuren voor een voortdurend groeiend scala aan kunststof materialen, waaronder thermoplastische elastomeren.