- högtrycksskum formsprutning
- Cellmould: maskinkonceptet
- vilka potentialer har högtrycksskum formsprutning att erbjuda?
- högglansiga ytor genom dynamisk formhärdning
- elastomerer är också lämpliga för skumning
- tekniskt papper från Wittmann Battenfeld
Lätt design är en trend som alltmer genomsyrar alla sektorer inom tillverkningsindustrin. På detta område spelar plast en viktig roll tack vare deras gynnsamma relation mellan prestandadata och låg specifik vikt. Men deras lätta potential kan ökas ytterligare genom skumning, till exempel genom skuminsprutning. En av pionjärerna inom detta område är den österrikiska formsprutningsmaskintillverkaren Wittmann Battenfeld. Dess Cellmould högtrycksprocess erbjuder jämförelsevis överlägsna prestandaparametrar tillsammans med en mindre komplex och följaktligen mer robust systemteknik jämfört med konkurrenter. Det är en 100% intern utveckling och fungerar som grund för ett antal nya, innovativa applikationer, såsom lösningar för förbättring av ytkvaliteten inklusive högglans, för partiell kombination av kompakt med skummade komponenter i en enda gjuten del och för skumning av termoplastiska elastomerer. Dessa lösningar har utvecklats i samarbete med det bayerska teknikföretaget Schaumform (Fig. 1).
Fig.1: Strukturerade skumdelar med högglansiga ytor är resultatet av ett gemensamt utvecklingsprojekt från företagen Wittmann Battenfeld, Kottingbrunn, Österrike och Schaumform, Hutthurm, Tyskland
Foam injection molding technology är inte en ny process. Tillämpningar där kemiska ämnen som azodikarbonamid eller fenyltetrazol blandas i plastgranulatet och mjukas med det, som släpper ut drivgaserna efter injektion i formens hålighet, har varit kända och använts i produktion i cirka 50 år. Eftersom expansionstrycket för dessa kemiskt frigjorda gaser inte är mer än cirka 15 till 40 bar, är deras användning begränsad till relativt tjockväggiga delar med korta flödesbanor.
för att ytterligare utvidga tillämpningsgränserna för formsprutning av skum utvecklades skumning genom tillsats av en inert gas, vanligtvis kväve, för cirka 40 år sedan. Den största fördelen är att högre expansionstryck i området 100 till 200 bar kan nås med kväve. Detta möjliggör utnyttjande av den lätta designpotentialen i formsprutning av skum för tunnväggiga komponenter och komponenter med långa flödesbanor också. Fördelarna utöver viktminskning är en minskning av det specifika insprutningstryck som krävs för att fylla hålrummen och följaktligen klämkraften, och kompensation av krympning och skevnings effekter. Båda processerna används i termoplastisk hartsbearbetning, hela vägen från PP till tekniska plaster som PC, PA eller PBT. Den senaste lovande utvecklingen syftar till att utvidga tillämpningsområdena till att även omfatta termoplastiska elastomerer.
Cellmould: maskinkonceptet
den väsentliga uppgiften för en skuminsprutningslinje är att generera en enfas polymer-gaslösning dispergerad så homogent som möjligt under mjukningsprocessen. Tekniken som används av alla leverantörer för detta ändamål är mycket likartad. Ändå finns det vissa skillnader i detaljerna i teknisk design. Dipl.- Ing.(FH) Wolfgang Roth, chef för applikationsteknik på Wittmann Battenfeld, uttrycker det så här: ”Den mer än 40 års praktiska erfarenheten av den teknik som utvecklats hos vårt föregångare Battenfeld, gav Meinerzhagen en solid grund för oss att bygga vidare på. Vårt mål var att minska systemets komplexitet och samtidigt utöka tillämpningsområdena och därmed göra det mer tillförlitligt. Därför har vi utformat vår Cellmould skuminjektionsenhet för att komma så nära standardinjektionsenheten som möjligt. Följaktligen arbetar vår maskin med en 20 D standardskruv, som har förlängts framtill genom att lägga till en 5 D blandningssektion.”
den specifika Battenfeld-funktionen hos Cellmould-tekniken är separationen mellan skruvens mjuknings-och gasinjektionssektioner, som tillhandahålls av en fast, cylindrisk barriär på skruven. Det är alternativet att använda en extra hylsventil. Wolfgang Roth tillägger: ”ansträngningen med att justera två backventiler till driftsförhållandena i alla fall för att göra dem felsäkra, dvs slitstarka, motiverade oss att söka en enklare lösning, som vi i slutändan har hittat i barriären mellan skruvens mjuknings-och gasinjektionssektioner. Denna lösning har bevisats i produktion för alla maskinstorlekar. På detta sätt kan slitageproblemet elimineras utan att behöva kompromissa i betydande utsträckning med gastätheten i riktning mot skruvens mjukgörande sektion.”
i blandningssektionen av mjukningsenheten tillsätts flytande kväve (trycksatt med upp till 300 bar) i plastsmältan av en injektor i under en doseringsslag och diffunderar därefter i smältan. I skruvens blandningssektion intensifieras kvävefördelningen genom att dela smältflödet i många separata strömmar.” (Fig.2) eftersom pipan hålls stängd av en nål avstängningsventil i formens riktning under mjuknings-och gasinjektion hålls smält-och-gasblandningen under tryck inuti mjukningsenheten. Följaktligen uppnås en enfas polymer / gaslösning vid slutet av blandningsprocessen. Under injektion i kaviteten utsätts den för tryckminskning, vilket minskar lösligheten hos gasen i plastsmältan. Den finfördelade gasen kärnnar i smältan och ger sålunda ingrediensen en skumstruktur med lika finfördelade celler.
Parameterinmatning och processtyrning sker direkt via maskinens styrsystem barriärgeometri – neeedle avstängningsmunstycke-backventil tryckmätare injektor 1-doseringsanordning injektor 1
Fig.2: Cellmould mjukgörande enhet: dess kärnkomponenter är en 25 D fat med en 20 D 3-zon mjukgörande skruv och efterföljande 5D gasinsprutning och blandningszon. Skruvens två funktionella zoner separeras av en cylindrisk retentionsring (barriär).
bildandet av denna struktur beror på de specifika förhållandena för formsprutningsprocessen. Dessa inkluderar viskositeten hos plastsmältan, injektionshastigheten (ju högre hastighet, desto finare skum) och slutligen den förinställda skumningsgraden (materialreduktion). Den senare ställs in antingen genom att injicera en motsvarande underdosering i ett fast hålrum eller genom att fylla ett hålrum helt och därefter öppna det med en förinställd hög precisionsslag. För att nå den höga injektionshastigheten som gynnar en jämn skumfördelning, levereras en injektionsakkumulator som en del av cellmould-utrustningspaketet (Fig. 3a + 3b).
Fig.3a & 3b: cellmould line-komponenterna finns i identisk konfiguration för hela sortimentet av Wittmann Battenfeld-maskiner, illustrerade här med exemplet på en 110 t-maskinmodell. En gasinjektor ansluten till en kompakt gasflödesstyrmodul placeras ovanpå cylindern.
förutom gasinjektorn och gasflödeskontrollmodulen innehåller Cellmould-utrustningspaketet också en injektionsakkumulator på maskinen (mitt på fotot) och en central kvävegenerator kombinerad med en kompressorenhet.
kvävet dras antingen från ett batteri av tryckcylindrar eller extraheras från den omgivande luften av en kvävegenerator. I båda fallen överförs gasen därefter till gasinjektorn via en tryckgenerator, såsom också används i luftgasinjektionslinjer. En del av Battenfeld line-konceptet är att flera maskiner kan levereras samtidigt med ett gasförsörjningssystem (Fig.4). En gasflödesregulator placeras mellan tryckgeneratorn och gasinjektorn på mjukningsenheten. Via sitt styrbara ventilsystem styrs gasflödet och koordineras med processen av Cellmould-programvaran (Fig.5). Cellmould-utrustningspaketet är tillgängligt för hela portföljen av Wittmann Battenfeld-maskiner.
Fig.4: cellmould linje konfiguration. Konceptet är utformat för att ha en eller flera mjukgörande enheter som levereras med gas av en central kvävegenerator inklusive kompressorenhet. En gasflödesregulator som styrs av Cellmould-programvaran och en gasinjektor är anslutna till varje mjukningsenhet för att mäta det flytande kvävet i tunnan.
Fig.5: hög användarvänlighet och process öppenhet var högsta prioritet i processutveckling. Följaktligen kan alla processparametrar ställas in, övervakas och registreras via maskinens styrsystem.
vilka potentialer har högtrycksskumformsprutning att erbjuda?
inuti formhålan undertrycks skumbildningen i smältens yttre skal till stor del på grund av dess kontakt med den kylda kavitetsväggen och den resulterande ökningen i viskositet, medan det varmare kärnområdet gynnar bildandet av cellstrukturen. På detta sätt bildas ”sandwichstrukturer” i större delar av den gjutna delen, bestående av täckskikt med hög densitet och kärndelar, vars bulkdensitet är 5 till 20% lägre (Fig. 6a + b).
Fig. 6a & 6b: lätta plastdelar med ett kompakt yttre skal och strukturerad skumkärna, här visas med exempel på en huskomponent Tillverkad av PP med 3 mm väggtjocklek.
den möjliga densitetsreduktionen i den gjutna delen visar en direkt korrelation med flödesbanan/väggtjockleksförhållandet för alla allmänt tillgängliga typer av plastmaterial. Vid PP-bearbetning kan till exempel en densitetsreduktion på 15 procent uppnås i förhållandet 100 : 1, medan vid 150 : 1 kan en densitetsreduktion på endast 10 procent förväntas.
bortsett från viktminskning erbjuder skumformsprutning ytterligare potential för förbättring av kvaliteten på gjutna delar, främst med avseende på krympning och vridning, tack vare den enhetliga effekten av expansionstrycket inuti skumkärnan. Denna effekt är så stark att sjunkmärken och skevhet som orsakas av krympning praktiskt taget kan elimineras till 100 procent, vilket ökar den totala dimensionsnoggrannheten. Processorer kommer också att dra nytta av flera betydande processtekniska fördelar, såsom en minskning av den erforderliga klämkraften med upp till 50 procent på grund av en minskning av smältviskositeten och följaktligen insprutningstrycket, samt kommersiella fördelar genom en minskning av cykeltiden, särskilt kyltiden, tack vare den lägre massan av den gjutna delen som behöver kylas.
högglansiga ytor genom dynamisk formhärdning
trots att man utnyttjar hela utbudet av parametervariationer som erbjuds av skuminsprutningsprocessen, visar lätta delar fortfarande karakteristiska strimmor eller grå dimma på ytan som ett vanligt attribut. Denna yteffekt beror på att gasbubblor tränger in i smältens flödesfront under injektionsprocessen. Denna struktur stelnar sedan när den kommer i kontakt med den svalare hålrumsväggen och förblir därefter oförändrad. Polerade ytor, som krävs för visuella delar av huskomponenter, kan inte uppnås med standardteknik. En väsentlig förbättring av ytkvaliteten kan emellertid uppnås genom en kombination av skumformsprutning med cyklisk, dynamisk formhärdning, som exempelvis erbjuds av Wittmann Battenfeld i form av bfmold-och Variomould-teknik. Dessa varianter använder ett kylsystem integrerat i formen för att förbättra den synliga ytan på den gjutna delen, efter delens kontur och arbetar cykliskt med varma/kalla temperaturregulatorer. Detta system styr temperaturen på begränsade mögelområden nära kaviteten. Genom att värma hålrumsväggen, till exempel med tryckvatten uppvärmt upp till 180 CCG omedelbart före injektion av smältan med gasinnehåll, kommer materialet inte i kontakt med en kall hålrumsvägg först, så att en sluten yta kan bildas innan den stelnar (Fig. 7). På detta sätt kan Utmärkt ytkvalitet uppnås, vilket är i nivå med kompakta plastdelar. Jämförelsen mellan delar med och utan dynamisk kylning, såsom illustreras i Fig. 8, visar hur starkt effekten av dynamisk formhärdning kan påverka ytans kvalitet.”
Fig.7: mögel med dynamiskt variotermiskt kylsystem för att producera en huspanel från en PC/ABS-blandning med en högglansig yta.
Fig.8: dekorativ panel tillverkad av en PC/ABS-blandning, till vänster tillverkad med aktiv dynamisk kylning, till höger utan att aktivera dynamisk formhärdning.
elastomerer är också lämpliga för skumning
Skumformsprutning kan också utvidgas till termoplastiska elastomerer. Medan bra skumstrukturer kan uppnås genom kemisk såväl som fysisk skumning, till exempel med polypropen och polyamid, har våra testserier visat att de flesta typer av TPE endast kan skummas genom fysisk skuminsprutning. Och endast tpes baserade på termoplastisk polyester visar acceptabla resultat när det gäller skumstruktur, finhet av celler och jämnhet. Tester har visat att ju mjukare en TPE-formulering, desto starkare ytproblem kommer att dyka upp i skumning, speciellt om skumformsprutning kombineras med hög precision mögelöppning. Speciellt när kaviteten är rita polerad eller till och med högglanspolerad, visar ytan ofta många bucklor. Flera olika förklaringar har föreslagits för detta fenomen. En är att luft redan är innesluten mellan den gjutna delen och hålrumsväggen medan hålrummet fylls, vilket inte kan fly. Ett alternativt antagande är att öppning med hög precision leder till en separation av skumdelen från hålrumsväggen och att den expanderande skumdelen, när den kommer i kontakt med hålrumsväggen igen, omsluter luft eller plastgas på vissa ställen, vilket sedan orsakar bucklorna.”
testserier har visat att, i motsats till styva och fasta tekniska termoplastiska material, kan ytproblemen vid TPE-bearbetning minskas avsevärt genom att använda medel till låga injektionshastigheter. Lika positiva effekter kan erhållas genom att strukturera hålrumsväggen. En texturerad, pärlblästrad eller kornad yta tillåter eventuella gas-eller luftbubblor att fly via mikrokanaler i kontaktytan mellan den gjutna delen och kavitetsväggen.
när det gäller strimmor på ytan gäller i allmänhet samma principer som i skumformsprutning med teknisk plast. Här är lösningen också att använda dynamisk härdning runt konturerna på den synliga sidan. Om hög precisionsöppning appliceras samtidigt kan högkvalitativ mjuk skumplastning, till exempel för armstöd i fordonskonstruktion, eller stötdämpare för handhållna apparater som måste skyddas mot skador som tappas, produceras till låg kostnad. Detta kommer att diskuteras ytterligare i en separat rapport i en av de kommande frågorna.
med innovativ form-och maskinteknik för bred tillämpning
det har redan nämnts i samband med ytförbättring att innovativ formteknik spelar en viktig roll i formsprutning av skum. Ett annat område av mögel och maskinteknik speciellt inriktad på skum formsprutning är systemet med partiell formöppning via formsprutningsmaskinen, vilket möjliggör kombinationen av kompakt med skummade komponenter i en enda formsprutad del. Detta är nödvändigt när funktionella element av ganska kompakt material, såsom krokar, fjädrar eller bultar, måste kombineras med panelkomponenter av skummat material. För att förverkliga detta görs den del av hålrummet som ska skummas runt skumslaget rörligt. I ett första steg fylls hela hålrummet för den gjutna delen som görs för en kompakt gjuten del. Därefter öppnas endast den del som ska skumas med en hög precisionsslag. På detta sätt kan huskomponenter med komplexa mekaniska gränssnitt till partnerkomponenter också realiseras i lätt design.
mekaniska nyckelvärden kan förutsägas tillförlitligt
Högtrycksskumade formsprutade delar har en karakteristisk sandwichstruktur med kompakta täckskikt och ett skummat kärnskikt. Gränsen mellan täckskiktet och kärnan är relativt abrupt. I komponenter med låg tjocklek har kärnskiktet en praktiskt taget konstant densitet genom hela kärnans bredd, medan i fallet med stor total tjocklek är en karakteristisk densitetsprofil närvarande. Processgenomförandet har lika lite inflytande på densiteten hos det kompakta täckskiktet som den typ av gasinjektion som valts. Följaktligen är de viktigaste designparametrarna minskningen av densitet utformad för kärndelen och väggtjockleken. Dessa kan tydligt definieras av mätresultat och fungera som nyckeltal för en beräkningsmodell som utvecklats av Dr.Norbert m Obbller, grundaren av Schaumform, som en del av hans avhandling för att förutsäga komponenternas mekaniska attribut.
processdesign baserad på en modellberäkning
utgångspunkten för modellberäkningen är en symmetrisk sandwichstruktur, där, i något förenklade termer, de specifika materialvärdena för det kompakta materialet antas för täckskikten. För den skummade kärnan antas nyckelvärden nära verkligheten för e-modulen och sprickstammen (avkastningsstam för duktila material). Beteendet hos den skummade kärnan härrör från beteendet hos hela sandwichkomponenten, som fungerar bra om tjockleken på täckskikten är känd. Tester där den skummade kärnan extraheras från en komponent och därefter testas mekaniskt är möjliga, men leder till starkt spridda mätresultat, som följaktligen endast har en mycket begränsad betydelse.
teori och praktik är konsekventa
den optimala metoden för att testa styvhet och styrka är genom att använda standard teststavar framställda av formsprutade strukturerade skumplåtar. Alternativt, om detta alternativ inte är tillgängligt, kan standardprovstänger med ett tvärsnitt på 4 x 10 mm (t.ex. spännstänger på campus) användas. Vid analys av mätvärdena måste det emellertid beaktas att inte bara de 10 mm breda täckskikten av standardstavarna är kompakta utan även de 4 mm djupa sidoytorna. Följaktligen är en skummad standardspänningsstång jämförbar med ett litet rektangulärt rör (10 x 4 mm) med ca. 0,4 till 1,0 mm väggtjocklek och en skummad kärna.
som kan förväntas visar utvärderingen av dragspänningstester att när andelen skum ökar minskar draghållfasthetsmodulen och draghållfastheten i enlighet därmed. Detta beror på det faktum att endast den mängd material som fortfarande finns i komponenten kan motstå mekanisk stress eller bidra till bärande. Så skummade formsprutade produkter visar en högre expansionshastighet när de utsätts för samma belastning och bryts under en lägre maximal belastning. Till detta läggs hakningseffekter orsakade av skumceller nära täckskiktet. Mätresultaten visar regelbundet att nedgången i draghållfasthet alltid åtminstone motsvarar minskningen av delvikt. (Fig.9)
draghållfasthet (N/mm2) – charpy slagtålighet (kJ / m2) – frakturstam ( % ) – kompakt PP
Fig.9: förändring i draghållfasthet, slagmotstånd och sprickstam av PP-SGS 40 beroende på procentuell skumning (0, 5, 10, 15 procent)
draghållfasthet (N/mm2) – charpy slagmotstånd (kJ / m2) – frakturstam ( % ) – kompakt PP
under böjbelastning reduceras också de absoluta värdena för böjmotstånd och böjhållfasthet. Eftersom sandwichstrukturer är mycket mer motståndskraftiga mot denna typ av belastning är förlusten av styrka här betydligt mindre än för dragbelastning. Böjmotståndet faller med en lägre procentandel än delvikten. I figurerna 10 och 11 dokumenteras att till exempel med en skumningsgrad på 15% har styvheten i förhållande till vikten ökat med 4,8 procent jämfört med den kompakta delen utan skum eller med andra ord är det möjligt att realisera styva komponenter med lägre vikt.
axel beteckning-vikt rel. till styvhet-restvikt
Fig.10: förändringen i böjmotstånd, det viktigaste attributet för huskomponenter. Böjmotståndet i förhållande till testprovens vikt minskar endast något med 5% skumning, medan det förblir lika med den kompakta delen med 10% skumning och visar till och med en märkbar ökning med en 15% minskning av densiteten.
böjmotstånd i förhållande till uppmätt vikt beräknad
Fig.11: En jämförelse mellan det viktrelaterade böjmotståndet enligt modellberäkningen (Schaumform) och resultaten av mätningar på formsprutade böjstänger med 10 x 7 mm tvärsnitt visar god till utmärkt kongruens.
sammanfattning
Foam injection molding technology har fått en ny innovativ boost på grund av den gradvis ökande trenden mot lätta applikationer. De senaste innovationerna gäller metoder för att förbättra ytkvaliteten i riktning mot högglans, liksom kombinationen av kompakt med skummade segment i en enda gjuten del. De viktigaste bidragen har gjorts av ytterligare utveckling inom process-och formteknik, allt från dynamisk formhärdning till hög precisionsöppning av hela formar eller kavitetssegment i ett eller flera steg. De beprövade modellberäkningarna, som nu är allmänt tillgängliga, erbjuder ytterligare potential för hjälp vid design och layout av delar. Sammantaget har skuminsprutningsprocessen sålunda nått en lika hög grad av mognad som konventionell bearbetning genom formsprutning. Den levererar exakta, repeterbara densitetsminskningar och sandwichstrukturer för ett ständigt växande utbud av plastmaterial, inklusive termoplastiska elastomerer.