Műanyagfeldolgozó gépek és szerszámok

Átírás

1 Műanyagfeldolgozó gépek és szerszámok VIII. előadás Automatizálás, speciális fröccsöntési technikák Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszék

2 Feldolgozási technológiák Hőre lágyuló Hőre nem lágyuló Feldolgozás ömledékállapotban Feldolgozás nagyrugalmas állapotban Kémiai reakciók és alakadás egy időben Kevésbé termelékeny Fúrás, esztergálás, forgácsolás, fűrészelés Extrúzió Fröccsöntés Extrúziós fúvás Kalanderezés Rotációs öntés Termoformázás Fröccsfúvás 2/51

3 Automatizálás Az emberi munkaerőhöz képest az automatizált termékeltávolítás jól meghatározható időtartamot jelent Legfontosabb előnyök: Minőségbiztosítás Rövidebb ciklusidő, gyors termékeltávolítás Jól kalkulálható termelési folyamat Pontosan dokumentálható gyártás Termék nem sérül, kevesebb selejt (nem esik le, nincs szennyeződés) Gyártóeszköz sérülésének esélye kisebb Rövidebb átállás gyakori szerszámcserénél 3/51

4 Automatizálás Robotok alkalmazása lineáris (karteziánus) és csuklós robotok Inzertek behelyezése Automatizált termékeltávolítás Szerelési feladatok Ellenőrzési funkció Mozgatható tömeg többnyire a robotkar végére szerelt egységeket IS jelenti: megfogó/átvevő fej + behelyezni kívánt betét/kivett termék + A és/vagy B tengelyek + kiegészítő egységek (pl. szelepblokk) Maximális tehermozgatási tömeg 4/51

5 Lineáris robotok Egyszerű felépítés, nagy stabilitás, helyzetpontos, gyors Valamilyen mozgatási feladat ellátására: termék kiszedése a szerszámból Az automatizálási feladatok zongoracipelői A berendezés lineáris tengelyek mentén mozog Koordináta rendszerhez hasonlító kialakítás Többnyire fröccsöntési területen Alapkialakítás: 3 lineáris (X, Y, Z) és egy forgó tengely Z tengely X tengely Y tengely 5/51

6 Lineáris robotok felépítés Egyszerű építés, nagy stabilitás 1. Merev, bordázott acélgerenda: minimalizálja a robot vibrációját 2. A csapágyazás a főtengelyen közvetlen erőátvitelt tesz lehetővé egyszerű építés, nagy helyzetpontosság, jelentős sebesség 3. Lineáris vezetősínek: kialakításuk és teherbírásuk határozza meg az elérhető gyorsulás nagyságát (ciklusidő) 4. Profil: kellő merevséget biztosít a csavaró- és hajlító igénybevétellel szemben optimális erőátvitel a teherhordó tengelyről a kereszttengelyre 6/51

7 Lineáris robotok tengelyek Z tengely Leghosszabb, vízszintes tengely ( mm) Sebesség: 1,5-3,0 m/s Erőátvitel fogas szíjon keresztül Mozgás szervomotor segítségével A termék a fröccsgépen kívülre kerül X tengely Z-re merőleges, vízszintes Berakó és átvevő mozgás Hossza: mm Sebesség: 1,5-4,0 m/s Erőátvitel: fogaskerék, fogaslánc Meghajtás: pneumatikus vagy szervo Forgó tengely Y tengely Függőleges Eltávolító és lehelyező mozgás Hossza: mm Sebesség: 1,2-2,0 m/s Erőátvitel: fogas szíj Meghajtás pneumatikus vagy szervo Két Y-tengely is felszerelhető Lefordításhoz, lerakáshoz 0-90, erőátvitel: fogaskerék vagy fogasléc 7/51

8 Könyökkaros vagy csuklós robotok Többkomponensű fröccsöntésnél az előforma forgatása, mozgatása Olyan mozgások esetén, ahol fontos csuklósan mozgatni a robotkart Mozgás körív-pályán történik, emiatt nagyobb hely szükséges Egyszerre akár több gépet is kiszolgálhat Sokoldalú mozgás, akár utómunkára is 8/51

9 Könyökkaros vagy csuklós robotok 3 lineáris és 3 forgó tengely Lehet gépre szerelt: kisebb tömegek mozgatása Lehet gép mellé szerelt: nagyobb tömegek mozgatására +Gyors +Sokoldalú alkalmazhatóság +Termékeltávolítás és utómegmunkálás +Nagy precizitás +Több géphez is alkalmazható -Drága -Gép mellett elhelyezve nagy helyigény -Tengelyméret szűk tartományban változtatható Merev, fordulókaros +Gyors +Egyszerű, merev -Korlátozott mozgás -Csak átadásra alkalmas 9/51

10 Robotok Mobiltelefon burkolat Ovális szívókorongokkal Enguszeltávolító robotok 10/51

11 Robotok 11/51

12 Robotok 12/51

13 Ipar 4.0 A negyedik ipari forradalom Okos gyárak Mit jelent ez? Digitális gyártás, cyber-fizikai rendszerek és Big Data révén hatékonyabbá tenni a termelést 13/51

14 Ipar 4.0 Kiber-fizikai rendszerek informatikai, szoftvertechnológiai, valamint mechanikai- és elektronikai elemek egységbe kapcsolása Dolgok internete (Internet of Things IoT) egyedileg azonosítható fizikai objektumok összekapcsolása egy internethez hasonló struktúrában Big Data nagy mennyiségű, gyorsan változó és komplex adatok feldolgozása A cyber-fizikai rendszerek felügyelik a fizikai folyamatokat, létrehozzák azok virtuális másolatát, decentralizált döntéseket hoznak Az eszközök valós időben kommunikálnak egymással és a felhasználóval egyaránt 14/51

15 Ipar 4.0 Tervezési elvek Összekapcsolás gépek, eszközök, érzékelők és emberek képessége arra, hogy kapcsolatba lépnek és kommunikálnak egymással Információk átláthatósága a kezelők, felhasználók számára a megfelelő döntés meghozatalához szükséges információk biztosítása Technikai segítségnyújtás kettős feladata van: a rendszerek összegyűjtött és akár vizuális információkkal segítik a gyors döntéshozási folyamatot a kiber-fizikai rendszerek olyan feladatokat is végrehajtanak, amelyek a humán munkaerő számára fárasztó, kellemetlen vagy kevésbé biztonságos Decentralizált döntések a kiber-fizikai rendszerek képessége az önálló döntések meghozására, csak ellentmondás esetén kell fordulni magasabb szintekhez (ember) 15/51

16 Ipar 4.0 Kihívások IT biztonsági kérdések Machine-to-machine (M2M) gyors kommunikációjának megbízhatósága Termelési folyamatok integritásának fenntartása Know-how védelme Jelenleg készséghiányok vannak, amelyek nem segítik a folyamatok gyorsítását Vállalati IT részleg létszámcsökkenése Nem tisztázott jogi kérdések az adatbiztonságban Alacsony felsővezetői elkötelezettség Szabályozások, szabványok és tanúsítványok hiánya A munkavállalók szakképzettsége jelenleg még alacsony Bizalmatlanság a gépekkel szemben Kibertámadások Digitális analfabetizmus Szervezeti ellenállás A robotok elveszik a munkát 16/51

17 Ipar /51

18 Speciális fröccsöntési technikák Szálas anyagok fröccsöntés Hagyományos fröccsöntés Fröccsöntés prégeléssel Ömledéfelhordásos technológia Többkomponensű fröccsöntés Mag/héj szerkezet létrehozása Egymás mellé fröccsöntés Forgószerszámos fröccsöntés Indexlapos fröccsöntés Áthelyezéses fröccsöntés Mozgóbetétes fröccsöntés Intervallum fröccsöntés Márványozó fröccsöntés Fóliára, textilre fröccsöntés Végtelen fóliaszalagra fröccsöntés Kivágott fóliára fröccsöntés Textilre fröccsöntés Gáz- és víz-befúvásos fröccsöntés Habosított fröccsöntés Kémiai vagy fizikai adalékkal Elasztomerek, gumik, szilikon Fém és kerámiapor fröccsöntése Olvadóbetétes fröccsöntés Mikrofröccsöntés Tiszta tér fröccsöntés 18/51

19 Szálas anyagok fröccsöntése Társítóanyagok töltő- és erősítőanyagok, különbség? Erősítés feltételei: orientáció, szálhossz, adhézió Erősítőanyagok: üvegszál, szénszál, természetes szálak, másik polimerszál az adhézió fontos Szálak szilárdsága és merevsége általában nagyobb, mint a mátrixé Minimális szálhossz meghatározása: Kelly-Tyson Feldolgozás során a szálak tördelődnek!!! Kelly-Tyson: 19/51

20 Szálas anyagok fröccsöntése Az elérhető maximális száltartalom (maximális töltési fok) korlátozott (laminálás, préselés) A szálak orientáltságát befolyásolja az ömledék áramlása és a szerszámkialakítás (összecsapási vonalak!) 20/51

21 Szálas anyagok fröccsöntése A végleges szálhosszúságot befolyásoló tényezők A szál merevsége Kiindulási hossz Torlónyomás nagysága (kisebb kevésbé töri) Plasztikálás sebessége (kisebb kevésbé töri) Ömledékhőmérséklet (magasabb hőmérsékleten kevésbé törik) Szerszámtervezés (szűk keresztmetszeteket kerülni kell) Megfelelő falvastagság (héj-mag szerkezet) Fröccsnyomás és utónyomás nagysága A félkész termék előélete (pl. extrúzió) 21/51

22 Szálas anyagok fröccsöntése A szálak a zsugorodást is befolyásolják Az orientációra merőlegesen a zsugorodás nő A szálak kisebb hőtágulási együtthatója is csökkenti a zsugorodást 22/51

23 Szálas anyagok fröccsöntése Deposite Compression Molding (DCM) ömledékfelhordásos technika Függőleges elrendezésű záróegység, térben mozgó fröccsegység A mozgó fröccsegység egyenletesen teríti szét a szálakat tartalmazó ömledéket a szerszámon szerszám zárása Sajtolási művelet, rövid folyási utak, minimális száltördelődés 23/51

24 Szálas anyagok fröccsöntése Fröccsöntés prégeléssel Az ömledék a fröccsgépből egy kissé nyitott szerszámba érkezik a szerszám peremes kialakítású, így nem folyik ki az ömledék A teljes kitöltéshez szükséges anyag bejuttatása után a szerszám összezár sajtolási művelet Nyomás egyenletes lesz, utónyomás nincs Száltördelődés mértéke csökken Reprodukálhatóbb termék zsugorodás Akár térhálós gyanták esetén is jó megoldás 24/51

25 Többkomponensű fröccsöntés Cél: két- vagy több különböző típusú, különböző színű anyag egyesítése Annyi fröccsegységre van szükség, ahány féle anyagot szeretnénk fröccsönteni Elrendezések: V- pozíció, L- pozíció, W-pozíció, P-pozíció Összeerősítő fröccsöntés Egymásra fröccsöntés (forgó szerszámlap, indexlapos, áthelyezés) Egymás mellé fröccsöntés Egymásba fröccsöntés (szendvics, intervallum, márványozó) A szerszámtervezés bonyolódik Szabályozni kell az ömledék útját Mozgó alkatrészekre lehet szükség Előzetes szimulációk sokkal bonyolultabbak 25/51

26 Forgószerszámos fröccsöntés Legelterjedtebb technológia Hidraulikus motorral a mozgó szerszámfelfogó lapra elforgatható lapot szerelnek Első állomáson fröccsöntés után nyílik a szerszám, a lap elfordul, a magon maradt előforma egy nagyobb szerszámüregbe kerül, amelyet szerszámzárás után teljesen megtölt az ömledék 26/51

27 Forgószerszámos fröccsöntés Akár többrétegű termék is készíthető Ha a komponenseket külön fröccsöntik: először a legbelső réteg, szerszámot elforgatni, második szerszámban második réteg, stb 27/51

28 Forgószerszámos fröccsöntés 28/51

29 Forgószerszámos fröccsöntés 29/51

30 Indexlapos fröccsöntés A két állomás közötti előforma áthelyezésénél csak egy közbülső szerszámlapot (indexlapot) kell megforgatni Az indexlap előre mozog a szerszámból, a második állomáson készült kész darabok ezáltal kilökődnek Az előforma az indexlapon marad és a lap elfordulásával a második üregbe kerül, ahol az ömledék majd kitölti Speciális eset: szereléses fröccsöntés Az alkotók közötti kötések a fröccsöntés során alakulnak ki Ezek az alkotók egymáson elmozdulni képesek Intenzív hűtés szükséges az első szerszámüregben a második állomásnál ne hegedjen össze a két komponens Az anyagpárok olvadáspontja és zsugorodása jelentősen térjen el, rosszul tapadjon 30/51

31 Indexlapos fröccsöntés 31/51

32 TANDEM fröccsöntés Két általános szerszám használható egyidejűleg Az alakadó üregek kitöltését egyetlen fröccsegység végzi Egy álló és egy mozgó szerszámfél, a két osztósík nyitása nem egyszerre történik A zárás-nyitást bajonettzár végzi: ezt a forgócsapot meghajtással, pneumatikával mozgatják Két eltérő adagmennyiség fröccsöntése fröccsöntőgép programozása külön feladatot igényel A hűtési idő alatt a másik szerszám kitölthető termelékenység nő 32/51

33 Áthelyezéses fröccsöntés Olyan esetekben, amikor: Nem áll rendelkezésre két fröccsegységes berendezés A termék geometriája miatt nem lehet indexlapon tartani az előgyártmányt (pl. csavarhúzó markolat) Az előformát egy robot szállítja át a másik szerszámba (akár két fröccsöntőgép között vagy egyik szerszámüregből a másikba) Hátrány: szállító robot 33/51

34 Egymás mellé fröccsöntés Előnyök: egy termék különböző funkciójú egységét egyszerre lehet gyártani (pl. gépjármű lámpák) Összeerősítő fröccsöntési típus Három különböző funkció Három külön elem 34/51

35 Mozgóbetétes fröccsöntés A második komponensnek kialakított teret eltolható betéttel zárják Az első komponens befröccsöntése és hűlése után a betétet nyitják, ekkor tölti ki a második komponens az üreg maradék részét A befröccsöntési lépések nem párhuzamosan, hanem időben eltolva valósulnak meg hosszabb ciklusidő A ciklus során a szerszámot nem kell nyitni Általános alkalmazás: lágy tömítőélek fröccsöntése a termékre 35/51

36 Egymásba fröccsöntés szendvics technika Kétcsatornád fúvóka kapcsolja össze a két különböző fröccsegységet Zárt fúvóka alkalmazása: a beállított program szerint engedi egyszer az egyik, máskor a másik ömledéket Az első anyag a hideg szerszámfalon megdermed, a második (a maganyagnak szánt anyag) ömledék tovább tolja előre az első anyagot így a héj teljesen körülveszi a magot Szerszámfalak Héj komponens Mag komponens Ömledékfront Megdermed ömledék 36/51

37 Egymásba fröccsöntés szendvics technika 1) A héjszerkezetnek szánt "A" anyag belövése a fúvókán keresztül a szerszámüregbe (a szerszámüreget nem töltjük ki teljesen) 2) Fröccsegység váltása, másik "B" anyag bejuttatása a fennmaradó részbe mag (a korábban bejuttatott anyag a falhoz szorul) 3) Fröccsöntés befejezésével kis mennyiségű "A" anyaggal lepecsételjük a beömlő helyét. (kialakul a mag/héj szerkezet) Hol alkalmazzák? Puha tapintású hely, keményebb mag Magban hő/elektromos vezető anyag Regranulátum mag Szállal erősített mag Habosított mag Színezett héj/natúr mag 37/51

38 Egymásba fröccsöntés intervallum technika A két vagy több különböző színű anyagot a fröccsegységek egymás után váltakozva juttatják be a szerszámüregbe A két meglövésnek nagyon közel kell lennie (időben), más esetben keverőfúvókát használhatnak A színhatásokat jól lehet reprodukálni Két műanyagömledék egymásba folyásával jön létre 38/51

39 Egymásba fröccsöntés márványozó technika Csiga helyett dugattyút használnak Különböző színű, de azonos típusú műanyagok előre bekeverve, amelyek az előrehaladás során megömlenek A sima dugattyú miatt, csak kismértékű keveredés van Torpedó segíti a megömlést A színhatás nem reprodukálható, teljesen véletlenszerű 1) Fűtött henger 2) Torpedó a megömlesztés javítására 3) Ömledék/granulátum 4) Dugattyú menetes véggel (megakadályozza a műanyag visszaáramlását) 39/51

40 Egymásba fröccsöntés Márványozó Szendvics Intervallum 40/51

41 Habosított fröccsöntés Cellaszerkezet létrehozás kémiai vagy fizikai habosítással PP, HDPE, PS, PC, PA, PET Fizikai habosítás Ömledékbe beoldódó inert gáz segítségével Zárt fúvóka A gáz szuperkritikus állapotban beoldódás Nyomás csökken a hűlés során cellák megjelennek (növekedés függ nyomástól, hőmérséklettől) A nyomás megszűnése után teljes keresztmetszetben eloszlatott zártcellás habszerkezet jön létre Utónyomás szerepét átveszi a belső gáznyomás MuCell szabadalom Kémiai habosítás Magasabb hőmérsékleten bomlik Bomlás közben gázképződés Integrálhabok Tömör külső felület, befelé zártcellás, cellák egyre nagyobbak A felszabaduló gáz nem expandálhat (nagy torlónyomás vagy zárt fúvóka) Nagy sebességű befröccsöntés Csak részleges szerszámkitöltés (a habosodás fogja teljesen kitölteni) Nem szükséges utónyomás 4 mm-nél vastagabb termékek, sűrűség: 0,3-0,9 g/cm 3 41/51

42 Habosított fröccsöntés 42/51

43 Habosított fröccsöntés 43/51

44 Gáz- és vízbefúvásos fröccsöntés GIT (gas injection technique), WIT (water injection technique) A késztermék belsejében üreg hozható létre Vékonyabb falú termékek (anyagmegtakarítás) Beszívódásra, vetemedésre kisebb hajlam Ciklusidő csökken (hűtés gyorsabb) Kisebb záróerő szükséges Tömegcsökkentés, formaszabadság Szerszámüreg részleges kitöltése a bevezetett gáz fogja a falhoz nyomni az ömledéket Utónyomás ~ gáz nyomása: idejét úgy kell megválasztani, hogy a késztermék alaktartó legyen Technika hasonló, mint a szendvics technikánál 44/51

45 Gáz- és vízbefúvásos fröccsöntés Lehetséges megoldások: fröccsöntőgépi vagy szerszámfúvóka Kihívások Nehéz beállítás Falvastagság állítása nehéz Termék tömege ingadozik Költségigényes Legtöbb kialakítás szabadalommal védett 45/51

46 In Mold Labeling (IML) technika Dekorációs fóliák, rétegek csomagolótermékeken, játékokon Különleges felületet eredményez Kis fröccsnyomással és fröccssebességgel kell fröccsönteni (gyűrődés, szakadás, elmozdulás elkerülése) Ciklusidő hosszabb, a fólia jól szigetel, de nem olvadhat meg A fólia lehet azonos az ömledék anyagával vagy jobb hőállóságú Fóliával szembeni követelmények Nyomtathatóság Megfelelő hőállóság 46/51

47 In Mold Labeling 47/51

48 In Mold Decoration Végtelen fóliaszalagra fröccsöntenek, előtte a fóliát feszítik, szerszámra vákuumozzák Fólia folyamatos adagolása Vákuum Fröccsöntés Fólia fűtése Textilre fröccsöntés Felső réteg: puha tapintású szálas szövet Középső réteg: hőszigetelő (PU, PET, PP habosítva) Alsó réteg: ráncképződés ellen, ez a réteg tapad az ömledékkel 48/51

49 Mikrofröccsöntés Nagy sorozatban képesek néhány mg tömegű terméket gyártani Rövid tartózkodási idő és kis nyírás kell homogén ömledék Nagyon kicsi szerszámnyitó erők Nagy fröccsnyomás (12 mm átmérőjű csiga), de nagyon kicsi adagút Szerszámban a nyomás függ az elosztócsatorna és a fészkek térfogatarányától A befröccsöntési idő tized másodperc Kisméretű tűszelepes fúvókákat alkalmaznak A hosszú folyási utak (elosztócsatornában, több fészeknél) miatt degradáció 49/51

50 Reaktív fröccsöntés (RIM) Két vagy több reaktív anyag nagy nyomáson történő összekeverése egy speciális keverő-fúvóka fejben Keverék szerszámba juttatása kis nyomáson Tipikusan poliuretánok feldolgozására Poliol+izocianát összekeverése alacsony hőmérsékleten Exoterm reakció Ciklusidő kb. 2 perc 50/51

51 Köszönöm a figyelmet! Bartos András bartos.andras@mail.bme.hu /51