BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR POLIMERTECHNIKA TANSZÉK Polimerek melegalakítása és prototípusgyártás A JEGYZET ÉRVÉNYESSÉGÉT A TANSZÉKI WEB OLDALON KELL ELLENŐRIZNI! WWW.PT.BME.HU
1. A gyakorlat célja Hőre lágyuló műanyagok vákuumformázási technológiájának megismerése, a vákuumformázó gép működésének tanulmányozása. A gyakorlat további célja a kisszériás gyártástechnológiák, valamint az ehhez szükséges gyors szerszámozási technológiák, megismerése. Tanulmányozandók a gyakorlat során a 3D nyomtató berendezések (3D printer, PolyJet) és azok részegységei, valamint a gravitációs öntés technológiákhoz kapcsolódó alapanyagok és azok tulajdonságai. 2. Elméleti háttér 2.1. Melegalakítási technológiák anyagai A melegalakítás folyamatának a lényege a következő: A műanyag lemezt általában sugárzó hővel a kívánt hőmérsékletre előmelegítjük, kilágyítjuk (alakítható állapotba hozás), majd ezt a lágy anyagot a viszonylag hideg (temperált) szerszámba (szerszámra) préseljük, vagy szívjuk (alakadás). A szerszámban (szerszámon) az anyag lehűl (alakrögzítés), és végül a termék eltávolítható. A módszer legnagyobb előnye abban rejlik, hogy a termoelasztikus állapotban lévő, lágy műanyag kis erőkkel, nagymértékben alakítható. Ebből következik, hogy a szerszám anyagköltsége alacsony (kis szilárdságú merevségű anyagból is előállítható, pl. fa, gipsz, alumínium), ami még kis sorozatok esetén is gazdaságos gyártást biztosít. Hátrányként meg kell említeni a magasabb alapanyagköltséget, hisz a granulátumból valamilyen más technológiával elő kell állítani az alakítandó lemezt, ill. azt, hogy többnyire csak olyan vékonyfalú, nem túl bonyolult, alámetszés nélküli 3D-s termékek gyárthatók vele, amelyek esetenként jelentős anizotrópiával rendelkeznek. A részben kristályos szerkezetű termoplasztok ezzel a technológiával csak a meglehetősen szűk kristályolvadási hőmérséklettartományban alakíthatóak. Ezen hőmérséklet felett az anyag megömlik, alatta pedig a kristályos fázis gátolja az alakíthatóságot. Melegalakításra a termoplasztikus műanyagok közül az amorf szerkezetűek az alkalmasabbak, mert ezeknél az anyagoknál szélesebb a melegalakíthatósági hőmérséklettartomány. Az 1. táblázat néhány polimer melegalakítási hőmérséklettartományát tartalmazza. Polimer termékek kisszériás gyártása 2/10
Melegalakítási Melegalakítási Részben kristályos hőmérséklettartomány Amorf polimerek hőmérséklettartomány polimerek [ºC] [ºC] Kis sűrűségű Akrinitril-butadiénsztirol (ABS) 112 117 polietilén (LDPE) 100 150 Nagy sűrűségű polietilén (HDPE) 130 135 Polikarbonát (PC) 150 210 Polipropilén (PP) 160 164 Polivinilklorid (PVC) 90..150 Polioximetilén Polimetil-metakrilát 164 167 (POM) (PMMA) 130 170 Poliamid (PA) 205 210 Polisztirol (PS) 95..135 1. TÁBLÁZAT NÉHÁNY POLIMER MELEGALAKÍTÁSI HŐMÉRSÉKLETTARTOMÁNYA 2.2. A vákuumformázás technológiája Vákuumformázással általában nagyméretű, vékonyfalú termékeket állítanak elő. Alapelve szerint a formázandó meleg lemez és a szerszám között vákuumot létesítenek, és ez a max. 1 bar (0,1 MPa) nyomáskülönbség alakítja a lágy polimert. A szerszámkialakítástól függően negatív és pozitív vákuumformázást különböztetünk meg (1. ábra). Egy-egy termék elvileg mindkét szerszámmal előállítható, hogy mégis mikor melyiket alkalmazzák, annak eldöntésére ismertetünk néhány szempontot: A terméknek mindig a szerszámmal érintkező felülete a pontosabb, így a pozitív szerszámmal gyártottnak a belső, a negatívval előállítottnak pedig a külső mérete. Pozitív szerszámra a termék rázsugorodik, eltávolítása problémás, amíg negatív szerszámból kizsugorodik, tehát könnyen eltávolítható. A pozitív szerszám előállítása egyszerűbb és olcsóbb, mivel a külső felületeket kell megmunkálni. Polimer termékek kisszériás gyártása 3/10
a, b, 1. ábra A negatív és a pozitív vákuumformázási eljárások összehasonlítása a., pozitív b., negatív Az előgyártmány megfelelő hőmérsékletre történő melegítése történhet az alakító gépen, melegítő kemencében vagy kontakt fűtőlemezek segítségével. Vákuumformázás esetén ez többnyire a gépen, infravörös hősugárzókkal történik, mivel a nagyméretű, meleg, lágy lemez mozgatása problematikus. Sőt, azokat a polimereket, amelyeknek a melegalakítás hőmérsékletén minimális a szilárdságuk (PE, PP), célszerű a melegítés alatt a formázógépen légpárnával alátámasztani. Tekintettel arra, hogy a műanyagok rossz hővezetők, a felmelegítést csak viszonylag lassan lehet elvégezni. A túlzottan gyors melegítés a felületen károsodást (elszíneződést, hólyagképződést) okozhat, amíg a lemez belseje még hideg. Vastagabb lemezek, igen jó hőszigetelő képességű habfóliák alakítására ajánlatos a kétoldali (alsó-felső) fűtés alkalmazása. Ezzel elkerülhető a jelentős hőmérsékletkülönbség a lemez két oldalán. Az alakítandó lemez hőmérsékletének a felület minden pontján azonosnak kell lennie, ellenkező esetben egyenlőtlen lesz a hűléskor fellépő zsugorodás, aminek következtében jelentős vetemedések, elhúzódások jönnek létre. A lemez homogén hőmérséklet-eloszlását az infravörös hősugárzók különböző (középen kisebb, a szélső zónában nagyobb) teljesítményre állításával lehet biztosítani. 3. A prototípusgyártás elméleti háttere Napjainkban a tervezési és gyártási folyamatoknak is együtt kell haladni a korral. Ennek köszönhetően gyártmányfejlesztés hagyományos módját, amelyben az egyes tervezési és gyártási folyamatok egymást követték, átvette az egyidejű, úgynevezett szimultán tervezés. Igen nagy szerepe van a tervezési folyamatban a gyorsaságnak, amelyet a gyors tervezés közbeni ellenőrzésekkel érhetünk el. Ezeknek az ellenőrzéseknek az alapját a prototípusok jelentik, amelyeken elvégezhetjük a kívánt vizsgálatokat. Polimer termékek kisszériás gyártása 4/10
A 3D-s számítógépes tervezés során a számítógéppel tervezett test láttatására gyakran alkalmazzák a különböző számítógépes térbeli megjelenítéseket, amelyeknek ma már igen széles választéka áll rendelkezésünkre. Ez a megjelenítési forma lehetővé teszi a virtuális térben létező test szemléltetését, geometriai és mechanikai vizsgálatát is, azonban egy kézzel fogható modell elengedhetetlen a terv teljes átlátására. A 80-as évek második felétől kezdődően a mérnökök rendelkezésére állnak olyan anyaghozzáadás elvén működő technológiák (Additive Manufacturing) eljárások, amelyek lehetővé teszik, hogy a CAD rendszerekkel tervezett 3D-s modelleket egy valós térbeli modellé transzformálják. Ahhoz azonban, hogy a 3D-s modellből a készterméket elő tudjuk állítani, szükséges a 3D-s modellünk szeletekre darabolása (bontása). Erre szolgálnak a prototípus berendezések saját programjai, amelyek szabványos bemenete az 1987-ben a 3Dsystems által először alkalmazott háromszög-leíró nyelv (Standard Tessellation Language STL) lett. A prototípusok készítésének három fő oka lehet. Az első az, amikor a termék megjelenését, külsejét szeretnénk megnézni (vizualizációs modell), valós 3D-s formában szeretnénk kézbe venni. Erre a forma (design) kialakítása közben van nagy szükség, amikor még nem a funkció teljesítését vizsgáljuk. Ebben az esetben tehát nem az a cél, hogy a mintánk egy az egyben funkcionálisan megegyezzen a jövőbeli termékünkkel, hanem csak az, hogy geometriailag pontosan utánozza azt. A második eset az, amikor a modell éppen a funkció vizsgálásának céljából készül (funkcionális modell). Ebben az esetben jóval nagyobbak a modellel szemben támasztott követelmények, hiszen itt nem csak a látszat számít, hanem a szilárdság, merevség és egyéb fizikai jellemzők is, valamint a méretpontosságnak is nagyobb a jelentősége. Számos esetben követelmény lehet az is, hogy a prototípusunk még anyagában is megegyezzen a tervezett jövőbeli termékkel. Harmadik eset, amikor a prototípus egy előzetes gyártásnak az alapja, azaz egy ősminta, amely segítségével az adott terméket előállító szerszám készül. Ez a szerszám többnyire csak kissorozatú gyártásra alkalmas, amellyel többnyire további prototípusokat állítunk elő egy pontosabb vizsgálathoz. Ez azért számít nagy előrelépésnek, mert az előző prototípusokkal szemben az így előállított darab tökéletes mása az eredetileg tervezettnek, hiszen tulajdonságában, anyagában, sőt gyártástechnológiájában is megegyező darabot állítunk így elő. Polimer termékek kisszériás gyártása 5/10
3.1. Additív gyártástechnológiák Az additív gyártástechnológiák (korábbi nevén gyors prototípusgyártás) alatt olyan technológiák összességét értjük, amelyekkel mellőzni lehet a hagyományos lebontó (substractive) eljáráson alapuló modellkészítést, valamint a képzett modellkészítők munkáját. Amíg a legtöbb gyártási technológia lebontó jellegű, azaz a kívánt geometria előállítását az alapanyag eltávolításával forgácsolás, marás érik el, addig az additív gyártástechnológiák esetén a kívánt alakot rétegről-rétegre (layer by layer) anyaghozzáadás útján hozzák létre. 3.1.1. 3D nyomtatási technológia 3D nyomtatás (3D printing) technológiával előállítható bármilyen alakú modell, szinte bármilyen anyag felhasználásával. Ezek az anyagok lehetnek kerámiák, polimerek, fémek, vagy akár kompozit anyagok. A berendezés a korábban bemutatott alapelvnek megfelelően a számítógépen megtervezett 3D-s modellt szeletekre bontja, majd átlagosan 100 mikron vastag rétegek egymásra építésével hozza létre a valós fizikai terméket. A rétegek építése az előzőleg elkészült modellrétegekre történő porfelvitellel kezdődik (2. ábra). 2. ábra A 3D nyomtatás működési elve A tintasugaras (ink-jet) nyomtatókhoz hasonlóan működő berendezés az adott rétegben, ahol a modell elhelyezkedik, kötőanyagot helyez el, így kialakítva az adott réteg geometriáját. Ezután a munkaasztalt mozgató henger lesüllyed egy rétegvastagságnyit, ezzel helyet adva a következő réteg számára felviendő pornak. Ezeket a lépéseket addig ismétli a berendezés, amíg a termék teljes Polimer termékek kisszériás gyártása 6/10
kialakítása meg nem történik. A termék végleges formáját a felesleges por eltávolítása, valamint az utókezelés (gyantával történő átitatás, hőkezelés) után nyeri el. Az eljárás gyors, egyszerű, olcsó és megbízható. Mivel a terméket por veszi körül, így alátámasztást nem igényel. Hatalmas előnye, hogy igen gyorsan lehet vele előállítani kerámia öntőformákat precíziós öntéshez. Hátrány viszont, hogy utólagos kezelés szükséges, pontossága és felületi érdessége korlátozott és a belső felületekhez gyakran nem lehet hozzáférni. 3.1.2. PolyJet technológia A PolyJet technológiát ahogy a korábban bemutatott 3D nyomtatás technológiáját is a tintasugaras nyomtatókhoz hasonló működési mód jellemzi. A különbség az, hogy itt a nyomtatófejből nem tinta, hanem egy speciális fényérzékeny műgyanta jut a munkatérbe, amelyet UV fényforrással szilárdítanak meg. Mivel a nyomtatás térben történik, és a 3D nyomtatási eljárással ellentétben itt a modellt nem veszi körbe por, ami megtámassza, ezért külön támaszanyag alkalmazására van szükség. Nagy előnyt jelent, hogy a támaszanyag vízzel oldható, így könnyebb és egyszerűbb eltávolítani, mint a többi technológia esetén. További előnye, hogy az UV fényforrásnak köszönhetően sokkal kedvezőbb a berendezés ára, mint a hasonló elven működő, de lézer fényforrást használó társáé (Sztereolitográfia SLA). A berendezés pontosságát jól jellemzi a 16-30 μm-es építési rétegvastagság, a legvékonyabb függőlegesen elkészíthető falvastagsága 0,6 mm, amíg a teljes modell pontossága ±0,05 mm. 3.2. Gyors szerszámkészítés Az additív gyártástechnológiák folyamatos terjedésével a gyors szerszámozás (RT - Rapid Tooling) is egyre nagyobb teret hódít a műanyagfeldolgozás-technológiákban. A gyors szerszámozás célja, hogy a milliós darabszámú termékek gyártására alkalmas szerszámok gyártási idejének és költségének a töredékéért olyan, általában kis sorozatú (10-100 db) termékgyártásra alkalmas szerszámot hozzunk létre, amellyel a valós gyártástechnológiával (pl. fröccsöntés), további prototípusokat tudunk előállítani a pontosabb vizsgálatok érdekében. Manapság egyre inkább arra irányulnak a törekvések, hogy ezeket a gyors szerszámkészítési módszereket ne csak a prototípuskészítéshez, hanem a kis és közepes szériák költséghatékony gyártáshoz is fel lehessen használni. A gyors szerszámkészítésnek indirekt és direkt módját különböztetjük meg. Polimer termékek kisszériás gyártása 7/10
A gyors szerszámkészítés indirekt módjának az az alapja, hogy valamely gyártástechnológiával (additive, substractive) elkészített munkadarabot úgy használjuk fel, mint alakadó mestermintát (ősminta). A mesterminta felületét egy másik anyaggal körül öntve elkészíthető az ősminta negatív formája, azaz a szerszám, amely már megfelelően ellenáll a sorozatgyártáskor kialakuló nyomásnak, hőmérsékletnek, mechanikai koptató hatásnak. A szilikon szerszámozás az indirekt technológiák közé tartozik, amellyel olyan viasz, műanyag és alacsony olvadáspontú fém alkatrészek készíthetők, amelyek nem támasztanak magas követelményeket a szerszám anyagával szemben, vagyis az öntés során alacsony a nyomás és a hőmérséklet. A szerszám anyaga hőre térhálósodó szilikongumi, amelynek a térhálósodás kémiai reakciója szerint két csoportja létezik: addíciós szilikongumi, ami zsugorodás nélkül térhálósodik, valamint kondenzációs szilikongumi, amely a térhálósodás alatt kb. 2% zsugorodást szenved az elillanó alkoholok miatt. Az egyik legnépszerűbb alkalmazása a szilikon szerszámoknak, amikor gyorsan térhálósodó pre-poliomert (poliuretán PUR) öntenek a szerszámba. Ebben az esetben egy szerszámmal legalább 20-30 db alkatrész készíthető. Nagy előnye az eljárásnak, hogy alámetszett termékek is gyárthatók, mivel a rugalmas szilikon szerszám szétfeszíthető a darabok kivételekor (3. ábra). 3. ábra PUR öntés szilikon gumi szerszámba (1: ősminta minta előkészítése beömlővel, légelvezetőkkel, formaleválasztó réteg felvitelével, 2: az így összeállított rendszert körülöntése szilikon gumival, 3: térhálósodás után a szerszám szétvágása az osztóvonal mentén, minta kivétele, 4: PUR öntés) Direkt szerszámkészítésnél nincs szükség mestermintára, ezáltal gyorsabb, egyszerűbb, valamint jobban automatizálható lesz a folyamat. Ezek az eljárások jellemzően az additív gyártástechnológiákra épülnek, illetve azok valamilyen továbbfejlesztett, módosított változatai. Ebben az esetben nem az ősmintát, hanem közvetlenül a szerszámot hozzuk létre az additív gyártórendszerekkel (3D nyomtatás, PolyJet, SLA, ). Polimer termékek kisszériás gyártása 8/10
Ajánlott irodalom 1. Czvikovszky T., Nagy P., Gaál J.: A polimertechnika alapjai, Egyetemi tankönyv, Műegyetemi Kiadó, Budapest, 2006, 291-299. old. 2. Dunai, A., Macskási, L.: Műanyagok fröccsöntése, Lexica Kft, Budapest, 2003 3. A. Gebhardt: Understanding Additive Manufacturing, Hanser Publications, Munich, 2011 4. Osswald T.A., Turng L., Gramann P.J.: Injection Molding Handbook, Hanser Publishers, Munich, 2002 5. Kovács, J. G.: Gyors prototípus eljárások II. Gyakorlati megvalósítások, Műanyag és Gumi, 39, 2002, 103-107 6. Falk, Gy., Bartha, L., Kovács, J. G.: Rapid Prototyping Rapid Tooling a gyakorlatban, Műanyag és Gumi, 42, 2005, 84-87 7. Schwarz, P.: Ősminta- és szerszámkészítés epoxi és poliuretán alapú műanyagokból, Műanyag és Gumi 41, 2004, 167-170 8. http://www.custompartnet.com/wu/additive-fabrication 9. www.varinex.hu (RPT, RT) 10. H. Belofsky: Plastics: Product Design and Process Engineering, Hanser Verlag, München, 1995, 373-384. 11. W. Michaeli: Plastic Processing an Introduction, Hanser Publishers, München, 1995, 172-177. 12. A. Illig: Thermoforming A Practical Guide, Hanser Publishers, München, 2001, 54-85. Polimer termékek kisszériás gyártása 9/10
MÉRÉSI JEGYZŐKÖNYV Név: Jegy: Neptun kód: Dátum: Ellenőrizte: Gyakorlatvezető: 1. Feladat Kisszériás gyártás megtervezése, anyag választása. A termékre vákuumformázott csomagolás készítése Polimer termékek kisszériás gyártása 10/10