Műanyagfeldolgozó gépek és szerszámok

Átírás

1 Műanyagfeldolgozó gépek és szerszámok III. előadás Az extrúzió szerszámai Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszék

2 Fontos információk I. Zárthelyi Október 10. BME H épület fsz. előadó 08:30 09:30 Előkészítési lépések Termékgyártás feltételei Extruder felépítése, működése Ömledékáramlás az extrúzió során Cső-, lemez-, fólia-, profilgyártás szerszámai, kihívásai Laborlátogatás Október 10. BME Polimertechnika Tanszék 14:00-16:00 Extrúziós technológiai sorok (extrúziós fúvás, fóliafúvás, síkfóla gyártás) 2/62

3 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 3/62

4 Extrúziós termékpaletta Fólia Termék Méret Szerszám Alak <0,5 mm Szélesrésű, fóliafúvás Lemez >0,5 mm Szélesrésű Profil - szál Profil - nyitott Profil - üreges Profil Profil Profil Cső kisméretű (tube) d<20-25 mm Cső Cső nagyméretű (pipe) d>20-25 mm Cső 4/62

5 Kihívások Folyási rendellenességek? Viszkozitást befolyásoló tényezők? 5/62

6 Koncepciók a szerszámtervezésben A szerszám feladata: kívánt keresztmetszetű (alak, méret) termék formálása a lehető legjobb termelékenység mellett Az ömledék a kisebb ellenállás irányába áramlik Nyírás hatására η jelentősen csökken (kis változásokra is érzékeny) Egyenletes áramlási sebesség a kilépésnél Az egyenletes áramlást a lehető legkisebb nyomáseséssel elérni Pangó helyek ( dead spots ) elkerülése 6/62

7 Koncepciók a szerszámtervezésben Hirtelen irányváltások elkerülése Moduláris kialakítás Egyszerű, pontos szét- és összeszerelhetőség Egyszerű karbantartás és tisztíthatóság Tökéletes illesztések (ömledék szivárgása) Megfelelő anyag kiválasztása (nyomás kisebb, mint fröccsszerszám esetében) Kopásállóság Vasalási szakasz hossza legalább 10-szer hosszabb legyen, mint a vastagság Egyenletes fűtés Alacsony költségek 7/62

8 A szerszám szakaszai Az extruder szerszámok közös vonása Átmeneti szakasz az extruderből kilépő kör keresztmetszetű anyagáram átvezetése a kívánt geometriához Alakadó szakasz Vasalási szakasz nyújtásból származó orientáció megszűntetése Anyag végső megszilárdulása (kalibrálás?) Ömledék belépése Átmeneti szakasz Alakadás Vasalás 8/62

9 Szimulációk Szükséges bemeneti információk A szerszámcsatorna geometriai modellje A bemeneti sík 2D profilja A céltermék 2D profilja Átmeneti szakasz, vasalási szakasz jellemzői A polimer termomechanikai jellemzői (sűrűség, hőkapacitás, hővezetőképesség) A polimer reológiai tulajdonságai Feldolgozási körülmények 9/62

10 Szimulációk Szimmetria sík 1: Alakadó szakasz 2: Vasalási szakasz 3: Extrudátum geometriája 4: Szimmetria sík 10/62

11 Csőgyártás- bevezetés Angol nyelvterületen: tube pipe (méretfüggő) Fűrész 11/62

12 Csőgyártás bevezetés 12/62

13 Csőgyártás bevezetés Az extruderből érkező köralakú ömledék gyűrűszerű alakot vesz fel Az ömledékáramot megosztja a torpedó formájú mag/tüske Az ömledékáramot a magot/tüskét tartó csavarok szintén megosztják Az ömledék később újra egyesül Ezt követően az anyag a vasalási szakaszba jut (hossz:magasság 10:1 30:1) Szerszámvég (ajak) központosítása állítócsavarokkal 13/62

14 Egyenes áramlású csőszerszám (in-line dies) 5: cserélhető elem! Különböző falvastagságú csövek gyártása Extruderből kilépő anyagáram 1) torpedó; 2) levegő bevezetés; 3) tüskerögzítő csavar; 4) központosító csavar; 5) szerszám gyűrű (központosítható szerszámelem); 6) vasalási szakasz 14/62

15 Egyenes áramlású csőszerszám (in-line dies) A folyási nyomok (hegesedési vonal) eltávolításának lehetőségei Az ömledékhőmérséklet vagy a tartózkodási idő növelése A szerszám tengelye körül forgó elemekkel (további meghajtást igényel) A rögzítőcsavarok bevonása pl. PTFE-vel (gyorsan elhasználódik) Folyásutak növelése (nyomásesésre figyelni kell) (a) Rögzítőcsavarok fűtése (b) Erősen konvergens áramlás biztosítása a csavarok után Egyenletes ömledékeloszlatás a kerület mentén áramlástörőket használva (c) a b c 15/62

16 Eltérített áramlású csőszerszám (crosshead dies) A tüske csatornás kialakítása lehetővé teszi, hogy az ömledékáram egyenletes legyen Kábelbevonás egyik lehetséges módja 16/62

17 Eltérített áramlású csőszerszám (crosshead dies) 1) levegő, huzal bevezetése; 2) ömledék bevezetése 90 -kal eltérítve; 3) extrudátum; 4) kábel/levegő kivezetése 5) tüske/mag; 6) ömledék eltérítő ; 7) szerszámház; 8) vasalási szakasz; 9) külső gyűrű; 10) szorítógyűrű; 11) rögzítőcsavar; 12) központosítócsavar; 13) fűtőtestek 17/62

18 Cső méretezése Draw-down ratio (DDR) és draw ratio balance (DRB) számítások elvégzése elengedhetetlen a pontos méret megadásához. DDR = lehúzási arány = D t + D d D 0 + D i WDR = falvastagság arány = D t D d D 0 D i ADR = keresztmetszet arány = D d 2 D t 2 D 0 2 D i 2 DRB = húzási arány egyensúly = D d/d t D 0 /D i SR = méretezési arány = WDR DDR SR=1,0-1,3 D t = tüske átmérő (cső belső átmérője szerszámban); D d = szerszám átmérő (cső külső átmérője a szerszámban); D o = szerszámból kilépett cső külső átmérő; D i = szerszámból kilépett cső belső átmérő 18/62

19 Csőgyártás problémái Tüske Tömlő A mag megfelelő központosítása fontos! Tűrések alkalmazása 19/62

20 Kábelbevonás Jellemzően eltérített áramlású csőszerszámmal A bevonandó huzalt a magon keresztül vezetik Általában 30 vagy 90 -ban 1) Torpedó; 2) gyűrű alakú rés; 3) tüske (furattal); 4) tüske nyílás; 5) huzal; 6) szerszám gyűrű a) Bevonás nyomással; b) csőbevonás; 1) huzal; 2) tüske; 3) szerszámtest; 4) vákuum (ha szükséges) 20/62

21 Kalibrálás Kalibrálás feladata: A szerszámból kilépő cső végső méretét rögzíti A szerszámból kilépő ömledéknek nincs akkora ömledékszilárdsága, hogy megtartsa a formát Reológiai duzzadás kiküszöbölése Az ömledék a kaliber falához simul, ahol lehűl. Ez egy kontrollált hűtési folyamat. A termék szilárdsága a kaliberből való kilépés után már megfelelő a további elhúzáshoz Kalibrálás lehetőségei: Vákuum vagy túlnyomás Nedves vagy száraz Belső vagy külső 21/62

22 Vákuumos kalibrálás Lehet külső (külső átmérőre kalibrálunk) vagy belső A megfelelő érintkezést a cső és a kaliber között vákuum biztosítja Egyszerűbb kialakítás, egyszerűbb gyártás indítás A vákuum apró furatokon keresztül érvényesül A cső belsejében fenn kell tartani a légköri nyomást (levegő bevezetése tüskén keresztül) Dp < 1 bar Kisebb csövek esetén, illetve üreges részek esetén profilextrúziónál Lamellás megoldás: a kaliber elején sűrűbben vannak furatok 22/62

23 Túlnyomásos kalibrálás Lebegő dugót alkalmaznak tömítés céljából (ne szökjön ki a levegő a nyitott csőformából) Ez a dugó egy rögzített helyen van tartva, megfelelő távolságra, hogy a cső mindenképpen lehűljön A Dp nagyobb lehet, mint 1 bar Gyártás indítása nehezebb (mestercső használata) Általában nagy átmérőjű PVC és poliolefin csövek gyártásánál Levegő bevezetés a tüskén keresztül Lehetőleg közvetlen csatlakozás a szerszámhoz (a túlnyomás ne fújja fel a csövet) 23/62

24 Belső kalibrálás A cső belső átmérőjének pontos beállítása Általában a külső átmérőre szabványosítanak, de kis méretű pneumatikus csövek esetében inkább belső kalibrálást használnak Az anyag rázsugorodik a kaliberre Az elhúzáshoz szükséges erő pontos beállítása fontos! Kis falvastagság esetén görgős magot használhatnak 24/62

25 Elhúzás Hengerpár Lánctalpas vagy hernyótalpas elhúzó Hűtés történhet levegővel, vízpermettel, vízfürdővel 25/62

26 Gégecső gyártása Túlnyomásos kalibrálással Az elhúzó lényegében egy melegen formázó szerszám, hernyótalpas kialakítás A kaliber egyben elhúzó is, ami biztosítja a termék továbbítását Dugó szükséges a cső belsejébe Nagyobb hajlékonyságú termékek esetén (PVC, poliolefinek) 26/62

27 Lemezgyártó technológiai sor Kalander ~ kaliber Ko-extruder Tekercselés, darabolás Vastagságmérő Extruder Elhúzó (elhúzási sebesség!) 27/62

28 Szélesrésű szerszámok síkfólia, lemez Nagy szélesség-vastagság arányok esetén fóliák és lemezek A kör keresztmetszetben érkező ömledéket lapos termékké kell alakítani Az ömledék a szerszámba közepébe jut, majd szimmetrikusan, két irányba szétterül Az ömledék egy vasalási szakaszba jut Fólia (< 0,5 mm), lemez (> 0,5 mm) 28/62

29 Szélesrészű szerszámok elosztócsatorna Fő feladat a kör keresztmetszetű ömledékáram egyenletes szétterítése A kör keresztmetszetű csatorna átmérője csökken a szerszám széle felé 29/62

30 Szélesrésű szerszámok T-szerszám A geometria egyszerűen kialakítható Az ömledékáram nem egészen egyenletes Nagy viszkozitású, kis hőstabilitású polimerek feldolgozására alkalmatlan Bevonási feladatokra alkalmazzák Fishtale szerszám Sokkal egyenletesebb ömledékáram, de még mindig nehéz megfelelően egyenletes eloszlást elérni Ruhafogas szerszám Általában lemez extrúziónál Egyenletes eloszlást biztosít Tervezés és megmunkálás nehéz, ennél fogva drágább 30/62

31 Szélesrésű szerszámok Állítócsavar Rugalmas torlóléc, állítócsavarral Állítható felső ajak - akár digitális állítás Cserélhető alsó ajak Elosztócsatorna 31/62

32 Síkfólia gyártás szerszámai Az egyenletes anyagáramlást a szerszám egész szélességében biztosítani kell (anyag tulajdonságai, előállítás körülményei, reológia) A lokális ingadozások kiküszöbölhetők a szerszámajkak résméretének állításával (ajkak enyhe meghajlítása csavarokkal vagy lokálisan fojtással) 32/62

33 Lemezgyártás szerszámai Fojtó szelepek használata alapvető az egyenletes áramlás biztosítása miatt A finomhangolásra szintén használnak flexibilis szerszámajkakat A hőmérsékletprofil beállítása is segít az egyenletes eloszlatásban (csak speciális esetekben alkalmazzák) 33/62

34 Lemezgyártó technológiai sor Kalanderhengerek kialakítása: A jó tapadáshoz kis felületi érdesség kell, nagy kopásállóság (króm henger) A kis réseken nagy erők ébrednek, ezt kompenzálni kell profilköszörülés (bombírozás), szögállítás, visszahajlítás ellennyomatékkal Hengerek távol: lemez szélessége csökken A polimer a melegebb, a mattabb vagy a nagyobb kerületi sebességű hengerre tapad 34/62

35 Buborékfólia, BO fólia gyártása LDPE fóliából vákuumformázással majd kasírozással állítják elő Két vagy három réteg, szabályos henger alakú levegős cellák Biaxiálisan nyújtott fólia A fóliát mindkét irányból nyújtják (nagyobb szilárdság) Elhúzási sebesség akár m/perc Fólia szélessége: ~ 10 m, vastagsága: mm 35/62

36 Profilgyártás Szabálytalan keresztmetszetű termékek előállítása, legnagyobb kihívás Nyitott vagy üreges kialakítás Vastag, akár többüreges profilok (falvastagság!) Szelvényekből épül fel Több tüske és mag elhelyezése szükséges Ömledékáram irányváltásai erőteljesek Szükség esetén alkalmazható légnyomás 36/62

37 Profilextrúzió Általában több különálló lapból, egységből állnak, amelyek egy komplex szerszámot adnak Ez egy nagyon komplex utat biztosít a kör alakú csatornából érkező extrudátumnak a végső forma irányába A különálló egységeknek köszönhetően a megmunkálás olcsóbb, a szerszám szerelése, tisztítása egyszerűbb, illetve a beállítás leegyszerűsödik 37/62

38 Profil szerszám Egy profil szerszám részei: Bemeneti szakasz: a kör alakú anyagáramot a profil alakjára formálja Átmeneti szakasz: egyenletesebb áramlási profilt biztosít az elővasalás irányába Elővasalási szakasz: jelentős változás az áramlásban vastagság csökkentése a nagy sebességű helyeken, növelése a kis sebességű helyeken Vasalási szakasz: egyenletes áramlást biztosít a profil keresztmetszetében, általában 10-szer hosszabb, mint a résméret (relaxáció) 38/62

39 Profil szerszám 39/62

40 Profil szerszám hirtelen keresztmetszet változás egyszerű kialakítású szerszám, egyszerű módosítani pangó anyag (degradáció veszély) egyenletes keresztmetszet-változás a kezdeti szakasztól a simító szakaszig komplex kialakítás, nehezebb megmunkálás, nehezebb módosítani drágább nincs pangó anyag, jóval kisebb esély degradációra 40/62

41 Profil szerszám tervezési szempontjai 5 faktor, amely hatással van az extrudált profil minőségére A különböző dimenziók pontossága Keresztmetszeti alak pontossága a szerszám egész hosszában A különböző funkciók pontos illeszkedése Felületi megjelenés Speciális elemek A profil keresztmetszete egyszerű legyen, amennyire csak lehet Belső falakat kerülni kell (közvetlenül nem hűthetők) A belső falak vastagsága %-al kisebb legyen, mint a külső falaké Az élek lekerekítettek legyenek A profil legyen alaktartó a szerszámból való kilépést követően, de még alakítható Kerülni kell a hirtelen változásokat a fal vastagságában (egyenletes áramlás) Az üregek ne legyen túl kicsik A szimmetrikus profilok okozzák a legkisebb torzulást (a feszültségek a hűtés során kiegyenlítődnek) 41/62

42 Előforduló hibák profil gyártás esetén 42/62

43 Előforduló hibák profil gyártás esetén 43/62

44 Fóliafúvás Termékek Mezőgazdasági fóliák Bevásárló műanyag zacskók Gyűjtőzsákok Simítózáras, visszazárható tasakok Tekercselő fólia 44/62

45 Fóliafúvás sematikus ábrázolás Terelőhenger Szorító görgőpár Terelőlemez/terelő görgősor Felvágatlan, kétrétegű fólia Hűtő gyűrű Fújt műanyag tömlő Dermedési vonal (magasság állítható) Csévélő, feltekercselő henger feszítő görgővel Terelőhenger Légbevezetés Extruder 45/62

46 Fóliafúvás sematikus ábra, valóság 1) gyűrű-alakú ömledékáram; 2) szerszámtest; 3) spirálisan forgó mag; 4) méretező gyűrű; 5) szórófej; 6) műanyag tömlő; 7) dermedési vonal; 8) megszilárdult film; 9) görgők; 10) összezáró görgők; 11) külső hűtés; 12) belső hűtés; 13) hűtő csonk; 14) meleg levegő ki 46/62

47 Filmfúvás megvalósítás 47/62

48 Fóliafúvás feladata Ömledék irányának eltérítése 90 -al A szerszámból kilépő ömledék egyenletes elterítése Összecsapási vonalak kerülése/kiküszöbölése (termékminőség) Ömledékáram nem állítható ajkakkal (kevésbé pontos) Tömlő belsejében légáramot alkalmazni, enyhe túlnyomás Hűtés a levegővel való érintkezés során Fólia összeszorítása, elhúzása, tekercselése Tipikus termékvastagság: 0,01 0,5 mm Poliolefinekre max. 1 mm falvastagság 48/62

49 A fóliafúvás szerszáma pinolén szerszám Egyszerű, olcsóbb kialakítás, hegedési vonalra érzékeny, tüske megfogatás! Ömledék 90 -ban elforgatva Egyenletes falvastagság szinte lehetetlen (még úgy is, hogy a vastagabb fólia hőkapacitása nagyobb, lassabban hűl és tovább tud nyúlni így) A képződő tömlőt enyhe túlnyomással felfújják még a megdermedés előtt (csak pár tized bar túlnyomás!) Dermedési vonal felett már nem változik a méret, a további felfelé irányuló áramlás már csak a megfelelő hűtést szolgálja (ez a magasság több emelet lehet) A tömlő megfelelő ömledékszilárdsága Szerszám külső gyűrűje lassan forgatható, egyenetlenség kiküszöbölhető levegő bevezetés 49/62

50 A fóliafúvás szerszáma spirális Általában spirálisan forgó magot alkalmaznak Fontos, hogy 90 -ban irányt kell váltania az ömledéknek A spirálisan forgó mag jó ömledék eloszlást biztosít és csökkenti a hegesedési vonalak számát Helikális áramlást hoz létre jó keverési hatékonyság 25 mm átmérőre 1 futó spirál jusson Sok esetben koextrudált fóliák gyártására van igény 50/62

51 A fóliafúvás szerszáma spirális Alacsony nyírású relaxációs kamra reológiai duzzadás nagy része le tud játszódni itt még a szerszámban Egyenletesebb áramlási kép a szerszámból való kilépés után Nyomásesést okoz 51/62

52 Buborék kialakítása Az egységek kialakítása hatással van a buborék geometriájára A szerszámból való kilépés után nagy falvastagság és kis átmérő jellemzi, ez alakul át később vékony fallá és nagy átmérővé Statikus légáramlás: levegő bevezetése a zárt buborékba, stacioner állapot lassan alakul ki, mivel a levegő a forró környezet miatt melegszik Dinamikus légpárna: levegő be/ki szívható, cserélhető. egyenletes hőmérséklet jobb hűtés stabilabb buborék 52/62

53 A buborék hűtése Hűtőgyűrű Az ömledék elhagyja a szerszámot orientáció a fújástól és húzástól buborék szilárdítás A szorítógörgő előtt fontos a dermedési pont meghatározása 53/62

54 Terelőelemek és görgők, buborék stabilizálás A buborék nem kívánt mozgása egyenletlen falvastagságot eredményez Ennek elkerülése érdekében külső rögzítőelemeket kell alkalmazni (pl. ketrec) A fóliát tovább kell vezetni a feltekercseléshez A különböző elemek (ketrec, görgők) szintén hűthetők 54/62

55 Elhúzás Adott térfogatú levegő van a buborék belsejében A buborék kisimítása egy szorítókeret segítségével történik Ez az egység a kör alakú tömlőt összezárja és kilapítja Anyagát tekintve lehet fából készült léc, fém henger, teflon bevonatú henger, stb. Segít a ráncosodás elkerülésében is Görgőkön vezetve tovább feszítik a fóliát 55/62

56 Tekercselés, szélezés Tekercselés Tekercselő henger csévélő mozgása Oszcilláció Szerszám egyenetlenségből származó eltérő falvastagság kiküszöbölése Nem szabad túl meleg fóliát tekercselni, mert magára zsugorodik 56/62

57 Fóliafúvás néhány paramétere A szerszámajkak vastagsága a vasalási szakasz végén általában 0,7-3,0 mm A szerszám átmérője néhány cm-től akár 1 méternél is nagyobb lehet Nagyobb elhúzási sebesség vékonyabb falvastagságot eredményez Egyszerre van kereszt- és hosszirányú nyújtás Keresztirányú orientáció Kereszt- és hosszirányú orientáció 57/62

58 Állítható paraméterek Csiga fordulatszáma (térfogatáram) Elhúzás sebessége (fólia vastagsága szabályozható) Befúvott levegő mennyisége (oldalirányú nyújtás) Hűtővíz bevezetése (gyorsabb hűtés, dermedési szakasz, gyártási sebesség) hűtővíz ki hűtővíz be hűtővíz be levegő 58/62

59 Minőségellenőrzés Online visszacsatolás a gyártás során (pontos mérettartás) Légáram szabályozás Folyamatos vastagságmérés (külső átmérő mérése) Fólia átlátszóság vizsgálata Hőmérséklet mérése Feldolgozó, kiértékelő egység és szabályozó egység 59/62

60 Gyártósor típusok Offline gyártósor (alapfólia előgyártmány) Online gyártósor (konkrét fóliatípus, konfekcionálás, nyomtatás, hajtogatás egy gyártósoron) - CÉLGÉP 60/62

61 Linkgyűjtemény PVC csőgyártás habosított maggal: Gégecső gyártás (hernyótalpas): Gégecső gyártás (szalagprofil extrudálással): mm átmerőjű HDPE cső gyártás: Nagyméretű csőgyártás (szimulációval): PVC cső (minőségellenőrzéssel): Lemez extrúzió 1: Lemez extrúzió 2: Ko-extrudált fólia/lemez: PVC lemez: Ablakprofil 1: Ablakprofil 2: Fóliafúvás (animáció): Fóliafúvás: 61/62

62 Köszönöm a figyelmet! Bartos András bartos.andras@mail.bme.hu /62