Műanyagfeldolgozó gépek és szerszámok

Átírás

1 Műanyagfeldolgozó gépek és szerszámok V. előadás Fröccsöntés 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 Fröccsöntés Szakaszos automatizálás szükséges MFI fröccs típus vs. extrúziós típus Polimer megömlesztése alakadó szerszám hűtés (alak rögzítése) kidobás Méretpontosság, komplex geometriájú termékek gyártása szerszámtervezés Nincs éles átmenet a laboreszköz és gyártóberendezés között! Legfőbb gyártók: Arburg Engel Fanuc Krauss-Maffei Sumitomo Demag Wittman-Battenfeld 3/51

4 Fröccsöntés Szerszámzárás Záróerő felépülése Fröccsegység előre Fröccsöntés Utónyomás Hűtés Tehermentesítés Plasztikálás Fröccsegység hátra Záróerő megszűnés Szerszámnyitás Kidobás Teljes (?) ciklusidő Idő [s] 4/51

5 Fröccsöntés Fröccsöntő gép kiválasztásának szempontjai: Maximális fröccsnyomás [bar] Maximális fröccstérfogat [cm 3 ] Maximális záróerő [kn vagy t] Szerszámfelfogólap mérete (vezetőoszlopok!) [mm] Elektromos, hidraulikus vagy hibrid? Anyag (szilárd) Alakadás (ömledék) Termék (szilárd) Hőbevezetés Hőelvonás Fröccsegység: szilárd granulátum megömlesztése és szerszámba juttatása 5/51

6 Fröccsöntő gép részei 6/51

7 Vezérlés Felhasználóbarát kezelőfelület Gyártási paraméterek beállítása, elmentése Gyártás folyamatos online ellenőrzése Nyomás- és útdiagramok kirajzolása, hibaüzenetek Út szerinti vezérlés Nyomás szerinti vezérlés Idő szerinti vezérlés 7/51

8 Meghajtási lehetőségek hidraulikus gépek Hidraulikus meghajtás az első fröccsöntő gépek Hengerek, dugattyúk és nagy nyomással préselt olaj végzi a mozgásokat és az erő fenntartását Motorok, szivattyúk, szelepek, csőrendszer, tömítések, olajtartály A tartály méretezése fontos Olaj minőségét ellenőrizni kell Habosodás kilevegőztetés Szennyeződés, dugulás olajcsere Analóg vagy digitális vezérlés 8/51

9 Meghajtási lehetőségek hidraulikus gépek Az olajtartályból szivattyú segítségével nagy nyomású folyadék lesz Szelepeken, csöveken áramolva munkát végez a munkahengerben A nyomásvesztett olaj visszakerül a tartályba Az áramló olaj ellátja a kenési és hővezetési funkciókat is Olaj viszkozitása fontos T függés 1) Olajtartály; 2) Szivattyú; 3) Nyomáshatároló szelep; 4-5) Útváltó szelepek; 6) Nyomáshatároló szelep; 7) Fojtószelep ;8) Dugattyús munkahenger; 9) Mozgatandó egység; P) Nyomóág; T) Visszafolyó ág 9/51

10 Meghajtási lehetőségek elektromech. gépek Állandó vagy változtatható sebességű villamos motorok Csiga forgatása váltó segítségével A tekercsbe meghatározott áramot és feszültséget juttatva a csiga fordulatszáma fokozatmentesen állítható Kenőzsír/olaj használata szükséges (mozgások itt is vannak) Nyomások mérése szenzorokkal Villamos áramot alakít át mechanikus energiává 10/51

11 Meghajtási lehetőségek elektromech. gépek Szervomotorok alkalmazása (villamos, pneumatikus, hidraulikus) Bemenő jel: feszültség vagy áram, kimenő jel: szögelfordulás, elmozdulás Rendkívül rövid, gyors indulás, adott pozícióba nagyon pontos beállás Követelmények: Fordulatszám változtatás tág határok között Forgásirány gyorsan és egyszerűen változtatható legyen Gyors működésű legyen (nagy indítónyomaték) Stabil fordulatszám-nyomaték jelleggörbe széles határok között Lehet AC vagy DC 11/51

12 Meghajtási lehetőségek elektromech. gépek A meghajtás főbb részei Szervomotor Távadó Fordulatszám szabályozó egység Hajtómű Szerszám nyitás-zárás könyökemelős mechanizmussal Olaj vagy zsírkenés mozgó elemeknél Szabályozórendszer 12/51

13 Meghajtási lehetőségek elektromech. gépek Zárásra, csiga forgatásra, csiga előre mozgatására (dugattyú mozgás) és a kilökésre külön motor Mikroprocesszorok alkalmazásával gyors visszacsatolások a különböző egységek motorjai között Akár mikrométeres pontosság a mozgásokban A különböző egységek mozgásai átfedhetnek ciklusidő Állítható sebességű meghajtások egyszerre növelik a hatékonyságot és kímélik a gépet ( lágy indítások) 13/51

14 Meghajtási lehetőségek összehasonlítás Elektromechanikus gépek előnyei a hidraulikussal szemben: Olajmentes mozgás (tömítettség, szennyeződések, HŰTÉS!) Kisebb átadott hő a környezetnek Különböző mozgások átlapolhatók Gyors indítás és mozgások Kevesebb felügyeletet igényel az operátor részéről Jobb hatásfok és reprodukálhatóság Alacsonyabb zajszint (70 db alatti) Hátrányok: Drágább Kisebb méretű fröccsöntő gépekhez Sokkal több alkatrész, minden mozgáshoz külön szervomotor Szerszámzárás és befröccsöntés nagysága 14/51

15 Meghajtási lehetőségek összehasonlítás Hidraulikus és elektromechanikus gépek összehasonlítása: g 15/51

16 Meghajtási lehetőségek hibrid gépek Elektromechanikus gépek hátrányai (sokkal kisebb záróerő, kisebb fröccstérfogat, gyengébb alkatrészek, drága csere) Megoldás: hibrid meghajtás A két korábbi technika előnyeinek ötvözése: a hidraulikus gépek kiváló záróereje (kialakítása és megtartása egyaránt) és az elektromechanikus gépek gyors, precíz mozgása egyben Sokszínűség lehetséges kombinációk növelik a gyártás rugalmasságát Változtatható sebességű AC meghajtás a fix DC szivattyúk helyett Kevesebb leállás 16/51

17 Meghajtási lehetőségek hibrid gépek Hibrid meghajtású fröccsöntő gép: 17/51

18 Záróegység, zárószerkezet Záróegység feladata: szerszám mozgatása és záróerő megtartása, kidobó szerkezet mozgatása Záróerő > nyitóerő Két fészkes szerszám Levetített felület A záróegység összetartó erejét lehetőleg 80 %-nál nagyobb mértékben nem szokás igénybe venni! Beömlő Termék Záróerő kn = p A 18/51

19 Záróegység, zárószerkezet Szerszám zárva Magasságállítás, nullpont állítás szerszámcserénél Oszlopos és oszlop nélküli gépek Nyitás-zárás során a sebességprofil állítható 19/51

20 Oszlopos szerszámzárás csoportosítás Az álló szerszámfelfogó és támasztólap közötti 4 hengeres elem a mozgó szerszámlap vezetéséhez Két alsó vezetősín 20/51

21 Hidraulikus szerszámzárás Mozgólap és támasztó lap között hidraulikus munkahengerek Gyorsjáratú henger és zárásért felelős henger Dugattyú a támasztólaphoz, hengere egy sokkal nagyobb záródugattyúval közvetlenül a mozgó laphoz csatlakozik Kis keresztmetszet miatt kevés olajjal gyors mozgás, nagy záróerő kialakítására nem alkalmas 0,2-0,3 mm-ig ezzel mozgatunk Mozgás közben a záródugattyú is előre mozog, a mögötte lévő térrész olajjal telítődik A szelep lezár, nagynyomású olaj a nagy felületű záródugattyúhoz jut +Megfelelő temperálás mellett precíz záróerőbeállítás +A záróerő széles határok között változtatható -Maximális záróerő közelében dolgozva könnyen nyílik 21/51

22 Hidraulikus szerszámzárás 22/51

23 Mechanikus szerszámzárás Fontos a hátsó támasztólap megfelelő pozícionálása Könyökemelős mechanizmus teljesen kifeszített állapotába kerül (Fogaskerekek szinkronban történő mozgatásával lehet elérni) +Karok kifeszítéséhez kis erő szükséges, ezt követően a könyökemelő öntartó -A csuklók folyamatos kenése szükséges -Záróerő csak szűk határok között változtatható 23/51

24 Kombinált vagy DUO szerszámzárás Gyorsjáratú szerszámzárás Mozgó lapot mechanikusan az oszlopokhoz reteszelik Minden oszlopot hidraulikus munkahengerrel meghúznak Záróerő DUO: a támasztólap elhagyása Nagy záróerő (5000 kn felett) Támasztólap elhagyása miatt a gép lerövidül Kis záróerők esetén a könyökemelőssel nem tudják felvenni a versenyt 24/51

25 DUO szerszámzárás DUO fröccsöntő gép: 25/51

26 Oszlop nélküli szerszámzárás 1989-ben mutatták be elsőként kn +Nagyobb szerszám is felhelyezhető +Az oszlopok nem akadályozzák a megközelíthetőséget +Termék eltávolítás egyszerűbb +Nem szükséges kenés az oszlopokon -Hatalmas gépek, nagy tömeggel -A kilökő szerkezet korlátozott megközelíthetősége -Nehéz hozzáférés a fúvókához 26/51

27 Oszlop nélküli szerszámzárás 27/51

28 Fröccsegység 1)Henger; 2)Csiga; 3)Csigacsúcs, zárógyűrű; 4)Fűtőtest; 5)Fúvóka; 6)Hőszenzor; 7)Fűtőtestek, védőburkolat; 8)Adagolótölcsér; 9-10) Hajtómű; 11) Csigaforgató motor; 12)Álló szerszámfelfogó lap; 13)Egységet mozgató munkahenger; 14)Gépállvány; 15)Garathűtés; 16)Garat; 17)Fröccsegység csúszósín; 18-19) Meghajtás 28/51

29 Fröccsegység Csiga forgatásával anyagot plasztikál a csigacsúcs elé Szerszámzárás után szorosan az álló laphoz illeszkedik Nagy nyomással az ömledéket a fúvókán keresztül a szerszámba juttatja (csiga dugattyú mozgást végez) Az egész fröccsegység előre-, illetve hátra mozgást végez Utónyomás után hátrajár (mindig?) a káros hőtranszport miatt Csiga és csigaelemek kopásának mértéke fontos tényező Az alkalmazható fordulatszám az átmérővel fordítottan arányos Kis átmérő: 400 min -1 Nagy átmérő: min -1 Függ az anyagtól is 29/51

30 Fröccsegység Garat hőmérséklete Fúvóka hőmérséklete T öml [ C] T csiga [ C] T megömlési [ C] Homogenizáló zóna Kompressziós zóna Behúzó zóna L csiga [mm] 30/51

31 A csiga kialakítása Komplett kialakítás (zónák, keverőelemek, zárógyűrű, csigacsúcs) Általában 20 L/D Igények: jó keverési hatásfok, jó ömledék- és termikus homogenitás, minimális kopás, öntisztuló legyen, univerzális legyen (amorf és kristályosra egyaránt jó) Univerzális, Barrier, kigázosító 31/51

32 A csiga kialakítása Anyaga: acél, elvárások: kiváló korrózióállóság, hőállóság, szilárdság és szívósság, illetve kopásállóság Üvegszál, ásványi töltőanyagok: felületkezelés kell Hőkezelés: nitridált, nikkelezett, krómozott, átedzett Befogatás Csiga Csigacsúcs Keverőelem 32/51

33 A csiga kialakítása Kis L/D arányú csiga Ömledék rövidebb tartózkodási ideje a fröccshengerben Fröccsöntő gép kisebb helyet foglal el Kisebb nyomaték szükséges, kisebb csiga kevésbé hajlik ki Csigára kisebb erő hat Olcsóbb berendezés, olcsóbb karbantartás Nagy L/D arányú csiga Változtatható csigakonfiguráció, így egyenletesebb kihozatal és jobb keveredés érhető el Nagyobb teljesítmény, nagyobb anyagkihozatal Nagyobb fröccsnyomásokat lehet kialakítani Homogénebb ömledék kisebb nyírás mellett a több fűtési zónával 33/51

34 A csiga kialakítása Befogatás: csigakialakítástól függetlenül leggyakrabban bordás tengely könnyű kialakíthatóság, jó alkalmazhatóság forgó és vízszintes irányú mozgásnál egyaránt Csiga: 20 L/D (8-7-5), magprogresszív, menetprogresszív Keverőelemek: statikus és dinamikus Csigacsúcs a zárógyűrűvel (visszaáramlás gátló): lehetővé teszi a dugattyúmozgást 34/51

35 Keverőelemek Az ömledék megfelelő homogenitását (hőmérsékletben is) biztosítják Diszperzív vagy disztributív keverés Adalékanyagok (mesterkeverék) tökéletes elkeverése A szilárdanyag- és ömledék-szállítási zónában a keveredés csekély, kompressziós zónában nagy nyíró igénybevétel A keverőelemek intenzív irányváltozást okoznak 35/51

36 Keverőelemek Dinamikus keverőelemek a csigával együtt mozognak, a csiga egy különálló része (ömledékszállító zóna után) Csökkenti a csiga hatékony hosszát Csökkenti a plasztikálási teljesítményt A termikus degradáció érzékeny anyagoknál kerülni kell (tartózkodási idő) 36/51

37 Keverőelemek Statikus keverőelemek a fúvókába integrálható Nem mozog, keverőhatást bonyolult geometriával éri el (az ömledéket folyamatos irányváltásra kényszeríti) Nem csökkenti a csiga hasznos hosszát StaMixCo LLC. 90 -ban elforgatott keverőelemek Zeg-zugos áramlás 1 elem mm 37/51

38 Csigacsúcs, visszaáramlás gátló A fröccsöntő csiga legfontosabb eleme 3 fő részből áll: csigacsúcs (alaptest), zárógyűrű, tartógyűrű Általában 3 áttörés a csigacsúcson Plasztikálás: ömledék nyomása miatt a zárógyűrű előre mozog szabad áramlás Fröccsöntéskor a csiga előre mozdul, az ömledék a zárógyűrűt a támasztógyűrűre nyomja nincs visszaáramlás PVC és hőre nem lágyuló anyag esetében nem használjuk (η) 38/51

39 Csigacsúcs, visszaáramlás gátló Golyós visszáramlás gátló 39/51

40 Csigacsúcs, visszaáramlás gátló 1-3D közötti adagolási úthossz (1D: anyagpárna) Anyagpárna: ne koppanjon fel a csiga (fúvóka és csigacsúcs) >3D úthossz: levegő juthat a szerszámba (degradáció, termékhibák) Nyomásesés fröccsöntés során: rossz zárás, zárógyűrű kopása, szennyeződés szorult alá 40/51

41 Fúvóka kialakítások Fröccsegység és szerszám közötti kapcsolat megteremtése Hogyan fog az ömledék a szerszámba jutni? Fúvóka tökéletes felfekvése a beömlő perselyre Mindkét felület tökéletesen sík Beömlő persely felületének sugara nagyobb, mint a fúvóka felületének sugara A fúvóka furatának sugara kisebb legyen, mint a beömlő perselyé (hirtelen irányváltás, degradáció) Megfelelő erő kialakítása a fröccsegység és a szerszám között Egytengelyűség 41/51

42 Fúvóka kialakítások A hengerhez menetes véggel csatlakoznak De legalább könnyen cserélhető 42/51

43 Fúvóka kialakítások Fúvóka (és furat) átmérője Típusai: nyitott, merülő, zárt (önzáró) Fröccsegység hátra, majd plasztikálás, vagy plasztikálás és fröccsegység hátra? Az ömledék viszkozitásától és az alkalmazott fúvóka típusától függ Ha a két folyamat egyszerre megy, rövidebb ciklusidő 43/51

44 Fúvóka kialakítások Nyitott fúvóka Egyszerű geometria, könnyű kialakítás, könnyebb tisztítás Az ömledék áramlása kíméletes, kisebb a beégés veszélye Gázképződés esetén ezt használják Az ömledék nem folyhat ki a nyitott résen keresztül a plasztikálás után (hogyan?) R = r+1 (beömlő persely íve 1 mm-el nagyobb sugarú, mint a fúvókáé) D = d+1 (beömlő persely átmérője 1 mm-el nagyobb, mint a fúvókáé) 1) Fúvóka 2) Fűtés 3) Beömlő persely 4) Szerszámtest 44/51

45 Fúvóka kialakítások Merülő fúvóka Síkfelületű, forrócsatornás szerszámok esetében Zárt fúvóka Kis viszkozitású anyagok esetében (pl. PA, PBT) Bonyolultabb kialakítás Ömledék útját nyitni, zárni kell Zárás lehet mechanikusan, rugóval, sűrített levegővel 45/51

46 Fúvóka kialakítások Sűrített levegős zárás Mechanikus zárás Rugós fúvóka zárás 46/51

47 Henger fűtése, hűtése Elsősorban elektromos fűtőelemek Szorosan illeszkedik a hengerhez, első felfűtés után csavarok meghúzása Garat hűtése Csigacsúcs, fúvóka fűtése 47/51

48 Fröccsöntő gép kiválasztása 48/51

49 Fröccsöntő gép kiválasztása 49/51

50 Fröccsöntő gép kiválasztása 50/51

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