T-M 2 BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR POLIMERTECHNIKA TANSZÉK Extrúzió és fröccsöntés HŐRE LÁGYULÓ POLIMEREK FELDOLGOZÁSA A JEGYZET ÉRVÉNYESSÉGÉT A TANSZÉKI WEB OLDALON KELL ELLENŐRIZNI! WWW.PT.BME.HU
1. A gyakorlat célja A gyakorlat célja az extrudálási és a fröccsöntési technológia elemzése, valamint a berendezések megismerése. Cél továbbá a fröccsöntési technológia beállításának alapszintű megismerése (fröccsnyomás, hűtési idő, befröccsöntött anyagmennyiség). 2. Elméleti háttér 2.1. Extrudálás A polimerekből készülő termékek közel 40%-a extrúziós eljárással készül. Az eljárás lényegében folyamatos üzemben történik és fő tulajdonsága, hogy a termék 3 dimenziós kiterjedése az egyik dimenzióban potenciálisan végtelen, így ezzel a technológiával előállítható cső, síklap, profilos hasáb, fólia fúvással készült fólia henger, stb. A feldolgozás utolsó fázisában mindig tekercseléssel vagy darabolással történik a termék méretre vágása, tárolása. Az alapanyag por vagy granulátum formájú lehet, amelyhez adalékanyagokat szoktak keverni. Ilyen adalékok lehetnek a hőstabilizátorok, amelyek csökkentik a degradációs hajlamot, UV stabilizátorok, amelyek a természetes fény elleni védelmet biztosítják, lágyítók, amelyek a feldolgozást segítik elő, lángállóságot biztosító adalékok, csúsztató szerek, amelyek a csigasúrlódást csökkentik, stb. A mai modern extruderek (6.1. ábra) felépítésben nem sokban térnek el a korai típusoktól, azonban a termoplasztikus polimerek feldolgozásához a csigát geometriailag módosítani kellett. Az 1. ábrán egy tipikus extruder sematikus rajza látható. 1. ábra Az extruder felépítése. 1. garat, 2. csiga, 3. törőtárcsa, 4. csőszerszám, 5. mag, 6. alakadó szakasz, 7. vasaló (simító) szakasz, 8. fűtőbetétek, 9. henger Hőre lágyuló polimerek fröccsöntése 2/7
Az extruzió során a következő folyamatok zajlanak: 1. Alapanyag eljuttatása az adagoló tölcsérbe, garatba, 2. Az alapanyag szállítása és megömlesztése, keveredése, 3. Az ömledék átjuttatása a törőtárcsán (homogén az ömledék, innen nem keveredik tovább), 4. Fejszerszámon való átjuttatás, alakadás, 5. A kívánt alak rögzítése hűtéssel, úgynevezett kaliber szerszámmal, vagy hűtőfürdővel, esetleg ventillációs hűtéssel, 6. A késztermék felcsévélése, vagy kívánt méretre való vágása. Az extruderben létrejövő nyomás általában egy nagyságrenddel kisebb, mint a fröccsöntésnél. 2.2. Fröccsöntés A fröccsöntés a polimer termékek előállítására alkalmas módszerek közül a legsokoldalúbb és a legdinamikusabban fejlődő, szakaszos (ciklikus) eljárás. Alapelve, hogy az olvadáspontja fölé melegített, viszkózusan folyós ömledékállapotba hozott polimer alapanyagot nagy sebességgel és nyomással, szűk beömlőnyíláson át a temperált (hűtött), zárt szerszámba juttatjuk. Ebben a zárt szerszámban a nagy nyomás alatt kihűlő polimer ömledékből gyakorlatilag hulladékmentesen alakul ki az alkatrész. A technológia sajátossága, hogy az alkalmazott szerszámmal csak egyféle termék állítható elő, tehát ezek a szerszámok ellentétben a fémmegmunkáló szerszámok egy részével nem univerzálisak. A fröccsöntés szerszámai ugyan nagyon drágák (leginkább a fémmegmunkálás költségei miatt), de mivel egy szerszámmal akár több millió darab termék is készíthető, így egy-egy termék előállítási költsége alacsony. A fröccsöntéssel sokféle nagyságú, alakú és anyagú terméket lehet előállítani, amelyek optimális gyártásához különböző felépítésű, nagyságú, és a legkülönbözőbb kiegészítő egységekkel ellátott gépeket fejlesztettek ki. Általánosságban megállapítható, hogy egy fröccsöntőgép fő egységei az alábbiak (2. ábra): Hőre lágyuló polimerek fröccsöntése 3/7
2. ábra A fröccsöntő gép fő egységei A gépállvány és hidraulikus rendszer (2. ábra 1) feladata a többi egység rendszerbe foglalása, azok rezgésmentes kapcsolásának a megvalósítása. A fröccsöntéshez szükség van alakadó szerszámra (2. ábra +), de azt nem sorolják a fő egységek közé, mivel az több gépen is felhasználható, illetve egy gép több szerszámmal is üzemelhet. A szerszám jellemzően két félre nyitható szét (álló, illetve mozgó szerszámfél), amely a termék eltávolításánál játszik szerepet. A szerszámzáró egység (2. ábra 2) feladata a gépvázon rögzített álló szerszámfélhez képest a mozgó szerszámfél megfelelő mozgatása, az osztósíkban történő nyitás-zárás. Amíg a befröccsöntés alatt a nagy fröccsnyomásból származó erőkkel szemben a szerszámot tökéletesen zárva kell tartani, addig a termék adott hőmérsékletre történő lehűtése után a szerszámot nyitni kell, hogy a gyártmány eltávolítható legyen. A plasztifikáló- és fröccsegység (2. ábra 3) a fröccsöntőgép legfontosabb egysége, ebben dolgozik a fröccs-csiga, amelynek feladata az alapanyag tökéletes megömlesztése (plasztifikálása) és a szerszámüregbe juttatása. A vezérlőegység (2. ábra 4) feladata a fröccsöntőgép teljes körű felügyelete. Hőre lágyuló polimerek fröccsöntése 4/7
Fröccsöntéssel leginkább hőre lágyuló (termoplasztikus) műanyagokat dolgoznak fel késztermékké. Ebben az esetben a gyártási folyamat az alábbi lépésekből áll: az alapanyag eljuttatása az adagoló tölcsérbe (2. ábra 3). az alapanyag szállítása, plasztifikálása azaz megömlesztése és homogenizálása (alakítható állapotba hozás), az ömledék bejuttatása (befröccsöntése) a zárt szerszámba, nagy nyomással (alakadás), az ömledék lehűtése a hűtött (temperált) szerszámban (alakrögzítés), a késztermék eltávolítása a szerszámból. A plasztifikáló- és fröccsegység részei és azok funkciói A plasztifikáló- és fröccsegység (3. ábra) a folyamat szempontjából a legfontosabb részegység, amelynek fő funkciói az alábbiak: az alapanyag megömlesztése, az ömledék szállítása, homogenizálása, az ömledék tárolása, az ömledék befröccsöntése a szerszámba, a szükséges utónyomás biztosítása. 3. ábra Plasztifikáló- és fröccsegység A plasztifikálási folyamat a következő: Az adagoló tölcsérből a szilárd alapanyag a csiga behúzó zónájába kerül. Az anyagot a fúvóka irányába a csiga forgó mozgása által szállítja, miközben az anyag a szabályozhatóan fűtött hengerfallal való érintkezés és a súrlódás hatására folyamatosan melegszik, végül megolvad. A csiga forgása következtében a fúvókához érkező polimer ömledék nem kerül azonnal a szerszámba. Az anyag szerszámba juttatásának ugyanis nagy Hőre lágyuló polimerek fröccsöntése 5/7
sebességgel kell történnie, hogy a polimer ömledék állapotban töltse ki a szerszámüreget. A plasztifikáló egység teljesítményét nem lehet úgy beállítani, hogy az a jó homogenizálás mellett a kívánt sebességgel be is juttassa az ömledéket a szerszámüregbe. A plasztifikálás és a befröccsöntés között tehát az ömledéket tárolni kell. Ebből kifolyólag a csigadugattyús fröccsöntőgép csigája axiálisan elmozdítható. A fúvóka irányába történő anyagáramlás következtében az ömledék a csigacsúcs előtt gyűlik. Ekkor a csiga miközben tovább forog a csigacsúcs előtt ébredő torlónyomás hatására hátrafelé elmozdul. Egy meghatározott, előre beállítható visszafutás után a kívánt ömledék mennyiség a csigacsúcs előtt felgyülemlik. Ekkor a csiga forgása leáll, és ezzel együtt a további anyagszállítás is megszűnik. A fröccshenger szerszám felöli végét a fúvóka (dűzni) zárja le. Ezen a fúvókán keresztül jut majd az ömledék a szerszámba, de a befröccsöntési fázison kívül máskor nem szabad anyagnak kikerülni innét. Ezért a fúvókának a plasztifikálási folyamat alatt zárhatónak kell lennie. A befröccsöntés a plasztifikáló- és fröccsegység másik fontos feladata a csigacsúcs előtt összegyűlt plasztifikált és homogenizált ömledék bejuttatása a zárt szerszámba. Ezt nagyon gyorsan kell végrehajtani, nehogy a hideg szerszámmal érintkező anyag még idő előtt megdermedjen. Mivel az ömledéknek viszonylag nagy a viszkozitása, a gyors befröccsöntéshez nagy nyomás szükséges. Ahhoz, hogy ez a nagy nyomás létrejöjjön, a csigának nagy sebességgel és nagy erővel kell előre mozognia. Ezt az axiális mozgást a hidraulikus dugattyú biztosítja (3. ábra). A nagysebességű befröccsöntést követően az ömledék a hűtött (temperált, azaz állandó hőmérsékleten tartott) szerszámüregben lehűl és eközben zsugorodik. Az ekkor fellépő térfogatcsökkenést további ömledékadagolással még pótolni kell. Ez az ún. utónyomás szakasza, amikor is a csiga még lassan előre mozog, további ömledéket juttat a szerszámba mindaddig, amíg általában a legszűkebb keresztmetszetben meg nem szilárdul az anyag (lepecsételődési pont). A csigacsúcs előtt tehát a teljes folyamat alatt egy ömledék tartaléknak kell lennie, és ezen a párnán keresztül adódik át a csigadugattyú nyomása. Az utónyomás befejezése után a csiga forogni kezd és a torlónyomás hatására axiálisan hátrafelé elmozdul mindaddig, amíg a következő befröccsöntéshez szükséges anyagmennyiség plasztifikálását el nem végzi. Közben a szerszámüregben megszilárdul az ömledék. A késztermék kellő merevségének elérése után a szerszám kinyílik, a gyártmány eltávolítható, majd egy adott várakozási idő után a szerszám ismét zár, és kész az új ömledék befogadására. Hőre lágyuló polimerek fröccsöntése 6/7
3. Ajánlott irodalom 1. Czvikovszky T., Nagy P., Gaál J.: A polimertechnika alapjai, Műegyetemi Kiadó, Budapest, 2000 2. Dunai A., Macskási L.: Műanyagok fröccsöntése, Lexica Kft., Budapest, 2003 MÉRÉSI JEGYZŐKÖNYV Név: Jegy: Neptun kód: Dátum: Ellenőrizte: Gyakorlatvezető: 1. Feladat: Polipropilén extrudálása és granulálása 2. Feladat: A granulátumból termék fröccsöntése Fröccsöntési paraméterek: 1. Zóna [ºC] 2. Zóna [ºC] 3. Zóna [ºC] 4. Zóna [ºC] 5. Zóna [ºC] Szerszámhőmérséklet [ºC] Adagtérfogat [cm 3 ] Fröccsnyomás [bar] Átkapcsolási pont [cm 3 ] Befröccsöntési sebesség [cm 3 /s] Utónyomás [bar] Utónyomás ideje [s] Maradék hűtési idő [s] Ciklusidő:. Hőre lágyuló polimerek fröccsöntése 7/7