- turnare prin injecție cu spumă de înaltă presiune
- Cellmould: conceptul mașinii
- ce potențiale are de oferit turnarea prin injecție cu spumă de înaltă presiune?
- suprafețe lucioase prin temperarea dinamică a matriței
- elastomerii sunt, de asemenea, potriviți pentru spumarea
- hârtie tehnică a Wittmann Battenfeld
designul ușor este o tendință care pătrunde din ce în ce mai mult în toate sectoarele industriei prelucrătoare. În acest domeniu, materialele plastice joacă un rol vital datorită relației lor favorabile între datele de performanță și greutatea specifică redusă. Dar potențialul lor ușor poate fi mărit și mai mult prin spumare, de exemplu prin turnarea prin injecție cu spumă. Unul dintre pionierii în acest domeniu este producătorul austriac de mașini de turnare prin injecție Wittmann Battenfeld. Procesul său de înaltă presiune Cellmould oferă parametri de performanță relativ superiori, împreună cu o tehnologie de sistem mai puțin complexă și, prin urmare, mai robustă în comparație cu concurenții. Este o dezvoltare 100% internă și servește ca bază pentru o serie de aplicații noi, inovatoare, cum ar fi soluții pentru îmbunătățirea calității suprafeței, inclusiv luciu ridicat, pentru combinarea parțială a compactului cu componente spumate într-o singură piesă turnată și pentru spumarea elastomerilor termoplastici. Aceste soluții au fost dezvoltate în colaborare cu compania Bavareză de tehnologie Schaumform (Fig. 1).
Fig.1: Piesele din spumă structurată cu suprafețe lucioase sunt rezultatul unui proiect de dezvoltare comun al companiilor Wittmann Battenfeld, Kottingbrunn, Austria și Schaumform, Hutthurm, Germania
tehnologia de turnare prin injecție cu spumă nu este un proces nou. Aplicații în care substanțele chimice, cum ar fi azodicarbonamida sau feniltetrazolul, sunt amestecate în granulatul de plastic și plastifiate cu acesta, care eliberează gaze propulsoare după injectarea în cavitatea matriței, sunt cunoscute și utilizate în producție de aproximativ 50 de ani. Deoarece presiunea de expansiune a acestor gaze eliberate chimic nu depășește aproximativ 15 până la 40 Bari, utilizarea lor este limitată la piese cu pereți relativ groși, cu căi scurte de curgere.
pentru a extinde în continuare limitele de aplicare pentru turnarea prin injecție cu spumă, spumarea prin adăugarea unui gaz inert, de obicei azot, a fost dezvoltată în urmă cu aproximativ 40 de ani. Principalul avantaj este că presiunile de expansiune mai mari în regiunea de 100 până la 200 bar pot fi atinse cu azot. Acest lucru permite exploatarea potențialului de proiectare ușoară în turnarea prin injecție cu spumă pentru componente cu pereți subțiri și componente cu căi lungi de curgere. Avantajele pe lângă reducerea greutății sunt o reducere a presiunii de injecție specifice necesare pentru umplerea cavităților și, în consecință, a forței de strângere și compensarea efectelor de contracție și deformare. Ambele procese sunt utilizate în prelucrarea rășinilor termoplastice, de la PP la materiale plastice inginerești, cum ar fi PC, PA sau PBT. Cele mai recente evoluții promițătoare vizează extinderea domeniilor de aplicare pentru a include și elastomerii termoplastici.
Cellmould: conceptul mașinii
sarcina esențială a unei linii de turnare prin injecție cu spumă este de a genera o soluție polimer-gaz monofazată dispersată cât mai omogen posibil în timpul procesului de plastifiere. Tehnologia utilizată de toți furnizorii în acest scop este foarte similară. Cu toate acestea, există unele diferențe în detaliile proiectării tehnice. Dipl.- Ing.(FH) Wolfgang Roth, șeful tehnologiei aplicațiilor la Wittmann Battenfeld, o spune astfel: „Cei peste 40 de ani de experiență practică cu tehnologia dezvoltată la compania noastră predecesoare Battenfeld, Meinerzhagen ne-a oferit o bază solidă pe care să construim. Scopul nostru a fost de a reduce complexitatea sistemului în timp ce extindem simultan domeniile de aplicare și astfel îl facem mai fiabil. Prin urmare, am proiectat unitatea noastră de injecție cu spumă cellmould să se apropie cât mai mult de unitatea de injecție standard. În consecință, mașina noastră funcționează cu un șurub standard 20 D,care a fost extins în față prin adăugarea unei secțiuni de amestecare 5 D.”
caracteristica specifică Battenfeld a tehnologiei Cellmould este separarea dintre secțiunile de plastifiere și injecție de gaz ale șurubului, care este asigurată de o barieră cilindrică fixă pe șurub. Este alternativa la utilizarea unei supape de reținere suplimentare de tip manșon. Wolfgang Roth adaugă: „efortul implicat în reglarea a două supape de reținere la condițiile de funcționare în fiecare caz pentru a le face sigure, adică rezistente la uzură, ne-a motivat să căutăm o soluție mai simplă, pe care am găsit-o în cele din urmă în bariera dintre secțiunile de plastifiere și injecție de gaz ale șurubului. Această soluție a fost dovedită în producție pentru toate dimensiunile mașinii. În acest fel, problema uzurii ar putea fi eliminată fără a fi nevoie să compromită într-o măsură semnificativă densitatea gazului în direcția secțiunii de plastifiere a șurubului.”
în secțiunea de amestecare a unității de plastifiere, azotul lichefiat (sub presiune cu până la 300 bar) este adăugat în topitura de plastic de către un injector în timpul unei curse de măsurare și ulterior difuzează în topitură. În secțiunea de amestecare a șurubului, distribuția azotului este intensificată prin împărțirea fluxului de topire în mai mulți curenți separați.”(Fig.2) deoarece butoiul este ținut închis de o supapă de închidere a acului în direcția matriței în timpul plasticizării și injecției de gaz, amestecul de topire și gaz este menținut sub presiune în interiorul unității de plastifiere. În consecință, se obține o soluție monofazată de polimer/gaz până la sfârșitul procesului de amestecare. În timpul injectării în cavitate, acesta este supus unei scăderi a presiunii, ceea ce reduce solubilitatea gazului în topitura din plastic. Gazul fin distribuit nucleează în topitură și asigură astfel ingredientul pentru a forma o structură de spumă cu celule la fel de fin distribuite.
introducerea parametrilor și controlul procesului sunt efectuate direct prin geometria barierei sistemului de control al mașinii-duza de închidere neeedle-supapa de reținere injector manometru 1-dispozitiv de măsurare injector 1
Fig.2: unitatea de plastifiere Cellmould: componentele sale de bază sunt un butoi 25 D cu un șurub de plastifiere 20 D cu 3 zone și o zonă ulterioară de injecție și amestecare a gazului 5D. Cele două zone funcționale ale șurubului sunt separate printr-un inel de reținere cilindric (barieră).
formarea acestei structuri depinde de condițiile specifice ale procesului de turnare prin injecție. Acestea includ vâscozitatea topiturii din plastic, Viteza de injecție (cu cât viteza este mai mare, cu atât spuma este mai fină) și, în final, gradul prestabilit de spumare (reducerea materialului). Acesta din urmă este setat fie prin injectarea unei subdozări corespunzătoare într-o cavitate fixă, fie prin umplerea completă a unei cavități și, ulterior, deschiderea acesteia cu o cursă de înaltă precizie prestabilită. Pentru a atinge viteza mare de injecție care favorizează o distribuție uniformă a spumei, un acumulator de injecție este furnizat ca parte a pachetului de echipamente Cellmould (Fig. 3a + 3b).
Fig.3A & 3b: componentele liniei Cellmould sunt disponibile în configurație identică pentru întreaga gamă de mașini Wittmann Battenfeld, ilustrate aici prin exemplul unui model de mașină 110 T. Un injector de gaz conectat cu un modul compact de control al debitului de gaz este plasat deasupra butoiului.
pe lângă injectorul de gaz și modulul de control al fluxului de gaz, pachetul de echipamente Cellmould include și un acumulator de injecție pe mașină (centrul fotografiei) și un generator central de azot combinat cu o unitate de compresor.
azotul este fie extras dintr-o baterie de butelii sub presiune, fie extras din aerul ambiant de către un generator de azot. În ambele cazuri, gazul este transmis ulterior injectorului de gaz printr-un generator de presiune, cum este utilizat și în liniile de injecție a gazului Airmould. O parte a conceptului liniei Battenfeld este că mai multe mașini pot fi furnizate simultan de un sistem de alimentare cu gaz (Fig.4). Un regulator de debit de gaz este plasat între generatorul de presiune și injectorul de gaz de pe unitatea de plastifiere. Prin sistemul său de supape controlabile, fluxul de gaz este controlat și coordonat cu procesul de către software-ul Cellmould (Fig.5). Pachetul de echipamente Cellmould este disponibil pentru întregul portofoliu de mașini Wittmann Battenfeld.
Fig.4: configurația liniei Cellmould. Conceptul este conceput pentru a avea una sau mai multe unități de plastifiere alimentate cu gaz de către un generator central de azot, inclusiv unitatea de compresor. Un controler de debit de gaz controlat de software-ul Cellmould și un injector de gaz sunt conectate la fiecare unitate de plastifiere pentru a măsura azotul lichid în butoi.
Fig.5: ușurința ridicată în utilizare și transparența proceselor au fost priorități de top în dezvoltarea proceselor. În consecință, toți parametrii procesului pot fi setați, monitorizați și înregistrați prin intermediul sistemului de control al mașinii.
ce potențiale are de oferit turnarea prin injecție cu spumă de înaltă presiune?
în interiorul cavității matriței, formarea spumei în carcasa exterioară a topiturii este în mare parte suprimată datorită contactului său cu peretele cavității răcite și creșterii vâscozității rezultate, în timp ce zona miezului mai fierbinte favorizează formarea structurii celulare. În acest fel,” structurile sandwich ” se formează în părțile majore ale părții turnate, constând din straturi de acoperire cu o densitate mare și părți de miez, a căror densitate în vrac este cu 5 până la 20% mai mică (Fig. 6a + b).
Fig. 6A & 6b: piese ușoare din plastic cu o carcasă exterioară compactă și miez de spumă structurat, prezentat aici prin exemplul unei componente a carcasei din PP cu grosimea peretelui de 3 mm.
posibila reducere a densității piesei turnate arată o corelație directă cu raportul cale de curgere/grosime perete pentru toate tipurile de materiale plastice disponibile în mod obișnuit. În procesarea PP, de exemplu, o reducere a densității de 15% poate fi realizată la un raport de 100 : 1, în timp ce la 150 : 1 se poate aștepta o reducere a densității de numai 10%.
în afară de reducerea greutății, turnarea prin injecție cu spumă oferă un potențial suplimentar de îmbunătățire a calității pieselor turnate, în primul rând în ceea ce privește contracția și deformarea, datorită efectului uniform al presiunii de expansiune din interiorul miezului de spumă. Acest efect este atât de puternic încât semnele de chiuvetă și deformarea cauzată de contracție pot fi practic eliminate la 100%, crescând astfel precizia dimensională generală. Procesoarele vor beneficia, de asemenea, de mai multe avantaje semnificative ale tehnologiei procesului, cum ar fi o reducere a forței de strângere necesare cu până la 50% datorită scăderii vâscozității topiturii și, în consecință, a presiunii de injecție, precum și avantaje comerciale printr-o reducere a timpului ciclului, în special a timpului de răcire, datorită masei mai mici a piesei turnate care trebuie răcită.
suprafețe lucioase prin temperarea dinamică a matriței
în ciuda exploatării întregii game de variații de parametri oferite de procesul de turnare prin injecție cu spumă, piesele ușoare prezintă încă striații caracteristice sau ceață gri pe suprafață ca atribut comun. Acest efect de suprafață se datorează bulelor de gaz care pătrund în partea din față a topiturii în timpul procesului de injecție. Această structură se solidifică atunci când intră în contact cu peretele cavității răcitorului și ulterior rămâne neschimbată. Suprafețele lustruite, cum ar fi cele necesare pentru părțile vizuale ale componentelor carcasei, nu pot fi realizate cu tehnologia standard. Cu toate acestea, o îmbunătățire substanțială a calității suprafeței poate fi obținută printr-o combinație de turnare prin injecție cu spumă cu temperare ciclică și dinamică a matriței, așa cum este oferit, de exemplu, de Wittmann Battenfeld sub forma tehnologiei BFMold și Variomould. Aceste variante utilizează un sistem de răcire integrat în matriță pentru a îmbunătăți suprafața vizibilă a piesei turnate, urmând conturul piesei și funcționând ciclic cu regulatoare de temperatură la cald/rece. Acest sistem controlează temperatura zonelor de mucegai limitate aproape de cavitate. Prin încălzirea peretelui cavității, de exemplu cu apă sub presiune încălzită până la 180 centimetric c imediat înainte de injectarea topiturii cu conținut de gaz, materialul nu intră în contact cu un perete de cavitate rece la început, astfel încât se poate forma o suprafață închisă înainte de solidificare (Fig. 7). În acest fel, se poate obține o calitate excelentă a suprafeței, care este egală cu cea a pieselor compacte din plastic. Comparația dintre părțile cu și fără răcire dinamică, așa cum este ilustrat în Fig. 8, arată cât de puternic efectul temperării dinamice a mucegaiului poate influența calitatea suprafeței.”
Fig.7: mucegai cu sistem de răcire variotermic dinamic pentru a produce un panou de locuințe dintr-un amestec PC/ABS cu o suprafață lucioasă.
Fig.8: panou decorativ realizat dintr-un amestec PC/ABS, în stânga fabricat cu răcire dinamică activă, în dreapta fără a activa temperarea dinamică a matriței.
elastomerii sunt, de asemenea, potriviți pentru spumarea
turnarea prin injecție cu spumă poate fi extinsă și la elastomerii termoplastici. În timp ce structurile de spumă bune pot fi obținute atât prin spumare chimică, cât și fizică, de exemplu, cu polipropilenă și poliamidă, seria noastră de teste a arătat că majoritatea tipurilor de TPE pot fi spumate numai prin turnare prin injecție cu spumă fizică. Și numai TPEs pe bază de poliester termoplastic prezintă rezultate acceptabile în ceea ce privește structura spumei, finețea celulelor și uniformitatea. Testele au arătat că, cu cât o formulare TPE este mai moale, cu atât problemele de suprafață vor apărea mai puternic în spumare, mai ales dacă turnarea prin injecție cu spumă este combinată cu deschiderea matriței de înaltă precizie. Mai ales atunci când cavitatea este desenată lustruită sau chiar lustruită cu luciu ridicat, suprafața prezintă adesea numeroase lovituri. Au fost propuse mai multe explicații diferite pentru acest fenomen. Unul este că aerul este deja închis între partea turnată și peretele cavității în timp ce cavitatea este umplută, care nu poate scăpa. O presupunere alternativă este că deschiderea de înaltă precizie duce la o separare a părții de spumă de peretele cavității și că partea de spumă în expansiune, atunci când intră din nou în contact cu peretele cavității, Închide aerul sau gazul plastic în unele locuri, ceea ce provoacă apoi scufundările.”
seriile de testare au arătat că, spre deosebire de materialele termoplastice tehnice rigide și solide, problemele de suprafață în procesarea TPE pot fi reduse semnificativ prin utilizarea vitezelor de injecție medii până la mici. La fel de efecte pozitive pot fi obținute prin structurarea peretelui cavității. O suprafață texturată, sablată sau granulată permite oricărui potențial gaz sau bule de aer să scape prin micro canale în suprafața de contact dintre partea turnată și peretele cavității.
în ceea ce privește striațiile de pe suprafață, aceleași principii se aplică în general ca și în turnarea prin injecție cu spumă cu materiale plastice inginerești. Aici, soluția este, de asemenea, de a utiliza temperarea dinamică în jurul contururilor părții vizibile. Dacă deschiderea de înaltă precizie este aplicată simultan, căptușeala de spumă moale de înaltă calitate, de exemplu pentru brațele în construcția vehiculului sau amortizoarele pentru aparatele portabile care trebuie protejate împotriva deteriorării, pot fi produse la un cost redus. Acest lucru va fi discutat în continuare într-un raport separat într-una din următoarele probleme.
cu tehnologie inovatoare de mucegai și mașini pentru aplicații largi
s-a menționat deja în legătură cu îmbunătățirea suprafeței că tehnologia inovatoare a mucegaiului joacă un rol vital în turnarea prin injecție cu spumă. O altă zonă a tehnologiei matriței și a mașinii special adaptată la turnarea prin injecție cu spumă este sistemul de deschidere parțială a matriței prin intermediul mașinii de turnare prin injecție, care permite combinarea compactului cu componentele spumate într-o singură piesă turnată prin injecție. Acest lucru este necesar ori de câte ori elementele funcționale realizate dintr-un material destul de compact, cum ar fi cârligele, arcurile sau șuruburile, trebuie combinate cu componentele panoului din material spumat. Pentru a realiza acest lucru, partea cavității care trebuie spumată în jurul cursei de spumare este făcută mobilă. Într-o primă etapă, întreaga cavitate pentru partea turnată este umplută așa cum se face pentru o parte turnată compactă. Ulterior, numai partea care trebuie spumată este deschisă printr-o cursă de înaltă precizie. În acest fel, componentele carcasei cu interfețe mecanice complexe cu componentele partenere pot fi, de asemenea, realizate în design ușor.
valorile cheie mecanice pot fi prezise în mod fiabil
piesele turnate prin injecție spumate de înaltă presiune au o structură sandwich caracteristică cu straturi de acoperire compacte și un strat de miez spumos. Limita dintre stratul de acoperire și miez este relativ bruscă. În componentele cu grosime redusă, stratul de bază are o densitate practic constantă pe întreaga lățime a miezului, în timp ce în cazul grosimii totale mari este prezent un profil de densitate caracteristic. Implementarea procesului are la fel de puțină influență asupra densității stratului de acoperire compact ca și tipul de injecție de gaz ales. În consecință, cei mai importanți parametri de proiectare sunt reducerea densității proiectate pentru partea de bază și grosimea peretelui. Acestea pot fi definite în mod clar prin rezultatele măsurătorilor și pot servi drept cifre cheie pentru un model de calcul dezvoltat de Dr.Norbert m Okticller, fondatorul Schaumform, ca parte a disertației sale de a prezice atributele mecanice ale componentelor.
proiectarea procesului pe baza unui calcul model
punctul de plecare pentru calculul modelului este o structură sandwich simetrică, în care, în termeni ușor simplificați, valorile materiale specifice ale materialului compact sunt asumate pentru straturile de acoperire. Pentru miezul spumat, se presupun valori cheie apropiate de realitate pentru modulul E și tulpina de fractură (tulpina de randament pentru materialele ductile). Comportamentul miezului spumat este derivat din comportamentul întregii componente sandwich, care funcționează bine dacă se cunoaște grosimea straturilor de acoperire. Testele în care miezul spumat este extras dintr-o componentă și ulterior testat mecanic sunt posibile, dar conduc la rezultate de măsurare puternic împrăștiate, care, prin urmare, au doar o semnificație foarte limitată.
Teoria și practica sunt consecvente
metoda optimă de testare a rigidității și rezistenței este prin utilizarea tijelor de testare standard produse din foi de spumă structurate turnate prin injecție. Alternativ, dacă această opțiune nu este disponibilă, pot fi utilizate tije de testare standard cu o secțiune transversală de 4 x 10 mm (de exemplu, tije de tensiune campus). Cu toate acestea, atunci când se analizează valorile de măsurare, trebuie luat în considerare faptul că nu numai straturile de acoperire cu lățimea de 10 mm ale tijelor standard sunt compacte, ci și suprafețele laterale adânci de 4 mm. În consecință, o tijă de tensiune standard spumată este comparabilă cu un tub dreptunghiular mic (10 x 4 mm) cu aprox. Grosimea peretelui de 0,4 până la 1,0 mm și un miez spumat.
după cum se poate aștepta, evaluarea testelor de tensiune la tracțiune arată că, pe măsură ce proporția de spumă crește, modulul elastic la tracțiune și rezistența la tracțiune scad în consecință. Acest lucru se datorează faptului că numai cantitatea de material încă conținută în componentă poate rezista la solicitări mecanice sau poate contribui la rulmentul de sarcină. Astfel, produsele turnate prin injecție spumate prezintă o rată de expansiune mai mare atunci când sunt expuse la aceeași sarcină și se rup sub o sarcină maximă mai mică. La acestea se adaugă efecte de crestare cauzate de celulele de spumă apropiate de stratul de acoperire. Rezultatele măsurătorilor arată în mod regulat că scăderea rezistenței la tracțiune invariabil cel puțin este egală cu reducerea greutății piesei. (Fig.9)
rezistența la tracțiune (N / mm2) – rezistența la impact charpy (kJ/m2) – tulpina de fractură ( % ) – PP compact
Fig.9: modificarea rezistenței la tracțiune, a rezistenței la impact și a tulpinii de fractură a PP-SGS 40 în funcție de procentul de spumare (0, 5, 10, 15%)
rezistența la tracțiune (N/mm2) – rezistența la impact charpy (kJ/m2) – tulpina de fractură (%) – PP compact
sub sarcină de îndoire, valorile absolute ale rezistenței la încovoiere și rezistenței la încovoiere sunt, de asemenea, reduse. Cu toate acestea, deoarece structurile sandwich sunt mult mai rezistente la acest tip de sarcină, pierderea rezistenței aici este semnificativ mai mică decât pentru tulpina de tracțiune. Rezistența la încovoiere scade cu un procent mai mic decât greutatea piesei. În figurile 10 și 11 este documentat faptul că, de exemplu, cu un grad de spumare de 15% rigiditatea în raport cu greutatea a crescut cu 4,8% în comparație cu partea compactă fără spumă sau, cu alte cuvinte, este posibil să se realizeze componente rigide cu o greutate mai mică.
desemnarea axei-greutate rel. la rigiditate – greutate reziduală
Fig.10: schimbarea rezistenței la încovoiere, cel mai important atribut pentru componentele carcasei. Rezistența la încovoiere în raport cu greutatea probelor de testare scade doar ușor cu 5% spumare, în timp ce rămâne egală cu partea compactă cu 10% spumare și arată chiar o creștere vizibilă cu o reducere de 15% a densității.
rezistența la încovoiere în raport cu greutatea măsurată calculată
Fig.11: O comparație între rezistența la încovoiere legată de greutate conform calculului modelului (Schaumform) și rezultatele măsurătorilor pe tije de îndoire turnate prin injecție cu secțiune transversală de 10 x 7 mm arată o congruență bună până la excelentă.
rezumat
tehnologia de turnare prin injecție cu spumă a primit un nou impuls inovator datorită tendinței crescânde progresiv către aplicații ușoare. Cele mai recente inovații se referă la metode de îmbunătățire a calității suprafeței în direcția luciului ridicat, precum și la combinația de segmente compacte cu spumă într-o singură parte turnată. Cele mai importante contribuții au fost aduse de evoluțiile ulterioare ale procesului și tehnologiei matriței, variind de la temperarea dinamică a matriței până la deschiderea de înaltă precizie a matrițelor întregi sau a segmentelor cavității într-unul sau mai mulți pași. Calculele modelului dovedit, care sunt acum disponibile în general, oferă un potențial suplimentar de asistență în proiectarea și dispunerea pieselor. În ansamblu, procesul de turnare prin injecție cu spumă a atins astfel un grad de maturitate la fel de ridicat ca prelucrarea convențională prin turnare prin injecție. Oferă reduceri precise, repetabile ale densității și structuri sandwich pentru o gamă în continuă creștere de materiale plastice, inclusiv elastomeri termoplastici.