- højtryksskumsprøjtestøbning
- Cellmould: maskinkonceptet
- hvilke potentialer har højtryksskumsprøjtestøbning at tilbyde?
- højglansoverflader gennem dynamisk formhærdning
- elastomerer er også velegnede til skumdannelse
- teknisk papir af Vittmann Battenfeld
letvægtsdesign er en tendens, der i stigende grad gennemsyrer alle sektorer i fremstillingsindustrien. På dette område spiller plast en vigtig rolle takket være deres gunstige forhold mellem ydelsesdata og lav specifik vægt. Men deres lette potentiale kan øges yderligere ved skumdannelse, for eksempel ved skumsprøjtestøbning. En af pionererne på dette område er den østrigske producent af sprøjtestøbemaskiner Vittmann Battenfeld. Dens Cellmould højtryksproces tilbyder relativt overlegne ydelsesparametre sammen med en mindre kompleks og følgelig mere robust systemteknologi sammenlignet med konkurrenter. Det er en 100% intern udvikling og tjener som grundlag for en række nye, innovative applikationer, såsom løsninger til forbedring af overfladekvaliteten inklusive højglans, til delvis kombination af kompakt med skumkomponenter i en enkelt støbt del og til skumdannelse af termoplastiske elastomerer. Disse løsninger er udviklet i samarbejde med det bayerske teknologiselskab Schaumform (Fig. 1).
Fig.1: Strukturerede skumdele med højglansoverflader er resultatet af et fælles udviklingsprojekt fra virksomhederne Vittmann Battenfeld, Kottingbrunn, Østrig og Schaumform, Hutthurm, Tyskland
Skumsprøjtestøbningsteknologi er ikke en ny proces. Anvendelser, hvor kemiske stoffer som f.eks. acodicarbonamid eller phenyltetrasol blandes i plastgranulatet og blødgøres med det, som frigiver drivgasser efter injektion i formens hulrum, har været kendt og anvendt i produktionen i omkring 50 år. 15 til 40 bar, er deres anvendelse begrænset til relativt tykvæggede dele med korte strømningsveje.
for yderligere at udvide anvendelsesgrænserne for skumindsprøjtestøbning blev skumdannelse ved tilsætning af en inert gas, normalt nitrogen, udviklet for omkring 40 år siden. Den største fordel er, at højere ekspansionstryk i området 100 til 200 bar kan nås med nitrogen. Dette muliggør udnyttelse af det lette designpotentiale i skumsprøjtestøbning til tyndvæggede komponenter og komponenter med lange strømningsveje også. Fordelene ud over vægtreduktion er en reduktion af det specifikke injektionstryk, der kræves for at fylde hulrummene og følgelig klemkraften, og kompensation for krympning og vridningseffekter. Begge processer anvendes i termoplastisk harpiksbehandling, hele vejen fra PP til ingeniørplast som PC, PA eller PBT. Den seneste, lovende udvikling sigter mod at udvide anvendelsesområderne til også at omfatte termoplastiske elastomerer.
Cellmould: maskinkonceptet
den væsentlige opgave med en skumsprøjtestøbningslinje er at generere en enfaset polymer-gasopløsning dispergeret så homogent som muligt under blødgøringsprocessen. Teknologien, som alle leverandører bruger til dette formål, er meget ens. Ikke desto mindre er der nogle forskelle i detaljerne i teknisk design. Dipl.- Ing.(FH) Ulvgang Roth, leder af applikationsteknologi hos Vittmann Battenfeld, udtrykker det på denne måde: “De mere end 40 års praktisk erfaring med teknologien udviklet hos vores forgænger firma Battenfeld, gav os et solidt fundament for os at bygge videre på. Vores mål var at reducere systemets kompleksitet og samtidig udvide anvendelsesområderne og dermed gøre det mere pålideligt. Derfor har vi designet vores Cellmould skuminjektionsenhed til at komme så tæt som muligt på standardinjektionsenheden. Derfor fungerer vores maskine med en 20 D standardskrue, som er blevet forlænget foran ved at tilføje en 5 D blandesektion.”
det specifikke Battenfeld-træk ved Cellmould-teknologien er adskillelsen mellem skruens blødgørings-og gasindsprøjtningssektioner, som tilvejebringes af en fast, cylindrisk barriere på skruen. Det er alternativet til at bruge en ekstra muffe-type kontraventil. “Indsatsen med at justere to kontraventiler til driftsforholdene i alle tilfælde for at gøre dem fejlsikre, dvs.slidstærke, motiverede os til at søge en enklere løsning, som vi i sidste ende har fundet i barrieren mellem skruens blødgørings-og gasindsprøjtningssektioner. Denne løsning er bevist i produktion til alle maskinstørrelser. På denne måde kunne slidproblemet elimineres uden at skulle gå på kompromis i væsentlig grad med gastætheden i retning af skruens blødgørende sektion.”
i blandingsafsnittet af blødgøringsenheden tilsættes flydende nitrogen (under tryk med op til 300 bar) i plastsmelten ved hjælp af en injektor ind under et måleslag og diffunderer derefter ind i smelten. I skruens blandesektion intensiveres nitrogenfordelingen ved at dividere smeltestrømmen i mange separate strømme.” (Fig.2) Da tønden holdes lukket af en nåleafslutningsventil i formens retning under blødgøring og gasindsprøjtning, holdes smelte-og gasblandingen under tryk inde i blødgøringsenheden. Følgelig opnås en enfaset polymer / gasopløsning ved afslutningen af blandingsprocessen. Under injektion i hulrummet udsættes det for trykfald, hvilket reducerer opløseligheden af gassen i plastsmelten. De fint fordelte gaskerner i smelten og tilvejebringer således ingrediensen til dannelse af en skumstruktur med lige så fint fordelte celler.
Parameterindgang og processtyring udføres direkte via maskinens styresystem barrieregeometri – neeedle afspærringsdyse-kontraventil trykmålerinjektor 1 – måleindretningsinjektor 1
Fig.2: Cellmould blødgøringsenheden: dens kernekomponenter er en 25 D tønde med en 20 D 3-område blødgøringsskrue og efterfølgende 5D gasindsprøjtnings-og blandesone. Skruens to funktionelle områder adskilles af en cylindrisk retentionsring (barriere).
dannelsen af denne struktur afhænger af de specifikke betingelser for sprøjtestøbningsprocessen. Disse inkluderer viskositeten af plastsmelten, injektionshastigheden (jo højere hastighed, jo finere skum) og til sidst den forudindstillede grad af skumdannelse (materialereduktion). Sidstnævnte indstilles enten ved at injicere en tilsvarende underdosering i et fast hulrum eller ved at fylde et hulrum fuldstændigt og derefter åbne det med et forudindstillet højpræcisionsslag. For at nå den høje injektionshastighed, der favoriserer en jævn skumfordeling, leveres en injektionsakkumulator som en del af Cellmould-udstyrspakken (Fig. 3a + 3b).
Fig.3a & 3b: Cellmould-linjekomponenterne Fås i samme konfiguration for hele serien af Battenfeld-maskiner, illustreret her ved eksemplet på en 110 t-maskinmodel. En gasinjektor forbundet med et kompakt gasstrømstyringsmodul placeres oven på tønden.
ud over gasinjektoren og gasstrømstyringsmodulet indeholder Cellmould-udstyrspakken også en injektionsakkumulator på maskinen (midten af billedet) og en central nitrogengenerator kombineret med en kompressorenhed.
nitrogenet trækkes enten fra et batteri af trykcylindre eller ekstraheres fra den omgivende luft af en nitrogengenerator. I begge tilfælde overføres gassen efterfølgende til gasinjektoren via en trykgenerator, som også anvendes i Airmould gasinjektionsledninger. En del af Battenfeld-linjekonceptet er, at flere maskiner kan leveres samtidigt af et gasforsyningssystem (Fig.4). En gasstrømregulator placeres mellem trykgeneratoren og gasinjektoren på blødgøringsenheden. Via det styrbare ventilsystem styres og koordineres gasstrømmen med processen af Cellmould-programmet (Fig.5). Cellmould – udstyrspakken er tilgængelig for hele porteføljen af Battenfeld-maskiner.
Fig.4: Cellmould line konfiguration. Konceptet er designet til at have en eller flere blødgøringsenheder forsynet med gas af en central nitrogengenerator inklusive kompressorenhed. En gasstrømregulator styret af Cellmould-programmet og en gasinjektor er forbundet til hver blødgøringsenhed for at måle det flydende nitrogen i tønden.
Fig.5: høj brugervenlighed og procesgennemsigtighed var topprioriteter i procesudviklingen. Derfor kan alle procesparametre indstilles, overvåges og registreres via maskinens styresystem.
hvilke potentialer har højtryksskumsprøjtestøbning at tilbyde?
inde i formhulrummet undertrykkes dannelsen af skum i den ydre skal af smelten stort set på grund af dens kontakt med den afkølede hulrumsvæg og den resulterende stigning i viskositet, mens det varmere kerneområde favoriserer dannelsen af cellestrukturen. På denne måde dannes” smørestrukturer ” i store dele af den støbte del, der består af dæklag med en høj densitet og kernedele, hvis bulkdensitet er 5 til 20% lavere (Fig. 6a + b).
Fig. 6a & 6b: lette plastdele med en kompakt ydre skal og struktureret skumkerne, her vist ved eksemplet på en huskomponent lavet af PP med 3 mm vægtykkelse.
den mulige tæthedsreduktion i den støbte del viser en direkte sammenhæng med strømningsbanen/vægtykkelsesforholdet for alle almindeligt tilgængelige typer plastmaterialer. Ved PP-behandling kan for eksempel en tæthedsreduktion på 15 procent opnås i et forhold på 100 : 1, mens der ved 150 : 1 kan forventes en tæthedsreduktion på kun 10 procent.
bortset fra vægtreduktion tilbyder skumindsprøjtestøbning yderligere potentiale for forbedring af kvaliteten af støbte dele, primært med hensyn til krympning og vridning takket være den ensartede virkning af ekspansionstrykket inde i skumkernen. Denne effekt er så stærk, at vaskemærker og vridning forårsaget af krympning praktisk talt kan elimineres til 100 procent, hvilket øger den samlede dimensionsnøjagtighed. Processorer vil også drage fordel af flere væsentlige procesteknologiske fordele, såsom en reduktion i den krævede klemkraft med op til 50 procent på grund af et fald i smelteviskositeten og følgelig injektionstrykket samt kommercielle fordele ved en reduktion i cyklustiden, især køletid, takket være den lavere masse af den støbte del, der skal afkøles.
højglansoverflader gennem dynamisk formhærdning
på trods af at man udnytter hele spektret af parametervariationer, der tilbydes af skumindsprøjtningsprocessen, viser letvægtsdele stadig karakteristiske striber eller grå tåge på overfladen som en almindelig egenskab. Denne overfladeeffekt skyldes, at gasbobler trænger ind i smeltens strømningsfront under injektionsprocessen. Denne struktur størkner derefter, når den kommer i kontakt med kølerhulrumsvæggen og forbliver derefter uændret. Polerede overflader, som kræves til visuelle dele af huskomponenter, kan ikke opnås med standardteknologi. Imidlertid kan en væsentlig forbedring af overfladekvaliteten opnås ved en kombination af skumsprøjtestøbning med cyklisk, dynamisk formhærdning, som f.eks. Disse varianter bruger et kølesystem integreret i formen for at forbedre den synlige overflade af den støbte del, efter delens kontur og fungerer cyklisk med varme/kolde temperaturregulatorer. Dette system styrer temperaturen på begrænsede skimmelområder tæt på hulrummet. Ved opvarmning af hulrumsvæggen, for eksempel med trykvand opvarmet op til 180 liter C umiddelbart før injektion af smelten med gasindhold, kommer materialet først ikke i kontakt med en kold hulrumsvæg, således at der kan dannes en lukket overflade, før den størkner (Fig. 7). På denne måde kan der opnås fremragende overfladekvalitet, hvilket er på niveau med kompakte plastdele. Sammenligningen mellem dele med og uden dynamisk afkøling, som illustreret i Fig. 8, viser, hvor stærkt effekten af dynamisk formhærdning kan påvirke overfladens kvalitet.”
Fig.7: form med dynamisk variotermisk kølesystem til fremstilling af et huspanel fra en PC/ABS-blanding med en højglansoverflade.
Fig.8: dekorativt panel lavet af en PC/ABS-blanding, til venstre fremstillet med aktiv dynamisk afkøling, til højre uden at aktivere dynamisk formhærdning.
elastomerer er også velegnede til skumdannelse
Skumsprøjtestøbning kan også udvides til termoplastiske elastomerer. Mens gode skumstrukturer kan opnås ved kemisk såvel som fysisk skumdannelse, for eksempel med polypropylen og polyamid, har vores testserie afsløret, at de fleste typer TPE kun kan skummes ved fysisk skumsprøjtestøbning. Og kun TPE ‘ er baseret på termoplastisk polyester viser acceptable resultater med hensyn til skumstruktur, finhed af celler og ensartethed. Test har vist, at jo blødere en TPE-formulering, jo stærkere overfladeproblemer vil dukke op i skumdannelse, især hvis skumindsprøjtestøbning kombineres med højpræcisionsformåbning. Især når hulrummet er tegnet poleret eller endda højglans poleret, viser overfladen ofte adskillige buler. Flere forskellige forklaringer er blevet foreslået for dette fænomen. Den ene er, at der allerede er lukket luft mellem den støbte del og hulrumsvæggen, mens hulrummet fyldes, hvilket ikke kan undslippe. En alternativ antagelse er, at åbning med høj præcision fører til en adskillelse af skumdelen fra hulrumsvæggen, og at den ekspanderende skumdel, når den kommer i kontakt med hulrumsvæggen igen, omslutter luft eller plastgas nogle steder, hvilket derefter forårsager bulerne.”
testserier har vist, at i modsætning til stive og faste tekniske termoplastiske materialer kan overfladeproblemerne i TPE-behandling reduceres markant ved hjælp af Mellem til lave injektionshastigheder. Lige positive effekter kan opnås ved at strukturere hulrumsvæggen. En struktureret, perleblæst eller kornet overflade tillader enhver potentiel gas-eller luftbobler at undslippe via mikrokanaler i kontaktfladen mellem den støbte del og hulrumsvæggen.
med hensyn til striber på overfladen gælder de samme principper generelt som i skumsprøjtestøbning med ingeniørplast. Her er løsningen også at bruge dynamisk temperering omkring konturerne på den synlige side. Hvis der anvendes høj præcisionsåbning samtidigt, kan højkvalitets blødt skumpolstring, for eksempel til armlæn i køretøjskonstruktion, eller støddæmpere til håndholdte apparater, der skal beskyttes mod tab af skader, produceres til lave omkostninger. Dette vil blive drøftet yderligere i en separat rapport i et af de næste spørgsmål.
med innovativ form-og maskinteknologi til Bred anvendelse
er det allerede nævnt i forbindelse med overfladeforbedring, at innovativ formteknologi spiller en afgørende rolle i skumsprøjtestøbning. Et andet område med skimmel-og maskinteknologi, der er specielt rettet mod skumindsprøjtestøbning, er systemet med delvis formåbning via sprøjtestøbemaskinen, som muliggør kombinationen af kompakt med skumkomponenter i en enkelt sprøjtestøbt del. Dette er nødvendigt, når funktionelle elementer lavet af ret kompakt materiale, såsom kroge, fjedre eller bolte, skal kombineres med panelkomponenter fremstillet af skummateriale. For at realisere dette gøres den del af hulrummet, der skal skummes omkring det skummende slag, bevægeligt. I et første trin fyldes hele hulrummet til den støbte del, som det gøres for en kompakt støbt del. Derefter åbnes kun den del, der skal skummes, med et højpræcisionsslag. På denne måde kan huskomponenter med komplekse mekaniske grænseflader til partnerkomponenter også realiseres i letvægtsdesign.
mekaniske nøgleværdier kan forudsiges pålideligt
højtryksskummet sprøjtestøbte dele har en karakteristisk smørrebrødsstruktur med kompakte dæklag og et opskummet kernelag. Grænsen mellem dæklaget og kernen er relativt brat. I komponenter med lav tykkelse har kernelaget en næsten konstant densitet gennem hele kernens bredde, mens der i tilfælde af stor total tykkelse er en karakteristisk densitetsprofil til stede. Procesimplementeringen har lige så lidt indflydelse på tætheden af det kompakte dæklag som den valgte gasinjektionstype. Derfor er de vigtigste designparametre reduktionen af densitet designet til kernedelen og vægtykkelsen. Disse kan klart defineres af måleresultater og tjene som nøgletal for en beregningsmodel udviklet af Dr. Norbert M. L., grundlæggeren af Schaumform, som en del af hans afhandling for at forudsige komponenternes mekaniske egenskaber.
procesdesign baseret på en modelberegning
udgangspunktet for modelberegningen er en symmetrisk smørrebrødsstruktur, hvor de specifikke materialeværdier for det kompakte materiale i lidt forenklede termer antages for dæklagene. For den skummede kerne antages nøgleværdier tæt på virkeligheden for e-modulet og brudstammen (udbyttestamme for duktile materialer). Opførelsen af den skummede kerne er afledt af opførelsen af hele smøremiddelkomponenten, som fungerer godt, hvis tykkelsen af dæklagene er kendt. Test, hvor den opskummede kerne ekstraheres fra en komponent og efterfølgende testes mekanisk, er mulige, men fører til stærkt spredte måleresultater, som følgelig kun har en meget begrænset betydning.
teori og praksis er konsistente
den optimale metode til at teste stivhed og styrke er ved hjælp af standard teststænger fremstillet af sprøjtestøbte strukturerede skumplader. Alternativt, hvis denne mulighed ikke er tilgængelig, kan standard teststænger med et 4 * 10 mm tværsnit (f.eks. Ved analyse af måleværdierne skal det dog tages i betragtning, at ikke kun de 10 mm brede dæklag af standardstængerne er kompakte, men også de 4 mm dybe laterale overflader. Følgelig kan en opskummet standardspændingsstang sammenlignes med et lille rektangulært rør (10 * 4 mm) med ca. 0,4 til 1,0 mm vægtykkelse og en opskummet kerne.
som det kan forventes, viser evalueringen af trækstamme-test, at når andelen af skum øges, falder det trækelastiske modul og trækstyrken tilsvarende. Dette skyldes, at kun mængden af materiale, der stadig er indeholdt i komponenten, kan modstå mekanisk belastning eller bidrage til bærende. Så skummede sprøjtestøbte produkter viser en højere ekspansionshastighed, når de udsættes for den samme belastning og går i stykker under en lavere maksimal belastning. Hertil kommer udskæringseffekter forårsaget af skumceller tæt på dæklaget. Måleresultaterne viser regelmæssigt, at faldet i trækstyrke altid mindst svarer til reduktionen i delvægt. (Fig.9)
trækstyrke (N / mm2) – charpy slagfasthed (kJ/m2) – brudstamme ( % ) – kompakt PP
Fig.9: ændring i trækstyrke, slagfasthed og brudstamme af PP-SGS 40 afhængigt af procentdelen af skumdannelse (0, 5, 10, 15 procent)
trækstyrke (N/mm2) – charpy slagfasthed (kJ/m2) – brudstamme ( % ) – kompakt PP
under bøjningsbelastning reduceres de absolutte værdier for bøjningsmodstand og bøjningsstyrke også. Da smørestrukturer imidlertid er meget mere modstandsdygtige over for denne type belastning, er tabet af styrke her betydeligt mindre end for trækstamme. Bøjningsmodstanden falder med en lavere procentdel end delvægten. I figur 10 og 11 dokumenteres det, at for eksempel med en skummende grad på 15% er stivheden i forhold til vægten steget med 4,8 procent i forhold til den kompakte del uden skum, eller med andre ord er det muligt at realisere stive komponenter med en lavere vægt.
akse betegnelse-vægt rel. til stivhed-restvægt
Fig.10: ændringen i bøjningsmodstand, den vigtigste egenskab for boligkomponenter. Bøjningsmodstanden i forhold til testprøvernes vægt falder kun lidt med 5% skumdannelse, mens den forbliver lig med den kompakte del med 10% skumdannelse og viser endda en mærkbar stigning med en 15% reduktion i densitet.
bøjningsmodstand i forhold til vægt målt beregnet
Fig.11: En sammenligning mellem den vægtrelaterede bøjningsmodstand i henhold til modelberegningen (Schaumform) og resultaterne af målinger på sprøjtestøbte bøjestænger med 10 * 7 mm tværsnit viser god til fremragende kongruens.
Resume
Skumsprøjtestøbningsteknologi har fået et nyt innovativt løft på grund af den gradvist stigende tendens til lette applikationer. De seneste innovationer vedrører metoder til forbedring af overfladekvaliteten i retning af højglans samt kombinationen af kompakt med skumsegmenter i en enkelt støbt del. De vigtigste bidrag er blevet ydet ved yderligere udvikling inden for proces-og formteknologi, lige fra dynamisk formhærdning til høj præcisionsåbning af hele forme eller hulrumssegmenter i et eller flere trin. De gennemprøvede modelberegninger, som nu er generelt tilgængelige, tilbyder yderligere potentiale for hjælp til design og layout af dele. Alt i alt har skumsprøjtestøbningsprocessen således nået en tilsvarende høj grad af modenhed som konventionel behandling ved sprøjtestøbning. Det leverer præcise, repeterbare tæthedsreduktioner og smørestrukturer til et konstant voksende udvalg af plastmaterialer, herunder termoplastiske elastomerer.