8. Przetwórstwo tworzyw sztucznych - Charakterystyka wybranych technologii przetwórstwa tworzyw polimerowych

Wytłaczanie

Wytłaczanie ma wśród metod przetwórstwa tworzyw polimerowych największe znaczenie, gdyż przetwarza się nią ponad 50% wytwarzanych tworzyw, których produkcja w 2008 roku przekroczyła 245 mln ton. Proces wytłaczania polega na ciągłym uplastycznianiu tworzywa w układzie uplastyczniającym i przepychaniu przez kanały głowicy wytaczarskiej, następnie na zestaleniu lub utwardzeniu otrzymanej wytłoczyny. Proces wytłaczania jest realizowany w maszynach przetwórczych, jakimi są wytłaczarki. Wytłaczarka ślimakowa składa się z dwóch głównych układów, układu uplastyczniającego oraz układu napędowego. Układ uplastyczniający jest zakończony narzędziem przetwórczym – głowicą wytłaczarską.

W technologii wytłaczania decydujące znaczenie ma uplastycznianie, czyli odpowiednie przejście tworzywa wejściowego, na skutek nagrzewania, sprężania, ruchu i działania sił ze stanu na ogół stałego w stan plastyczny. Proces ten jest najważniejszym czynnikiem determinującym wydajność wytłaczania i jakość otrzymanej wytłoczyny. Tworzywo polimerowe po procesie uplastyczniania musi charakteryzować się określonymi parametrami, a więc temperaturą, ciśnieniem, stopniem homogenizacji, prędkością ruchu i natężeniem przepływu. Przy czym, występują większe lub mniejsze wahania tych wielkości, charakteryzowane określonym okresem i daną amplitudą. Układ uplastyczniający spełnia cztery funkcje podstawowe:

-        nagrzewanie, prowadzone w celu zapewnienia zadanego przebiegu zmian stanów fizycznych tworzywa przetwarzanego, określanego temperaturą i jej fluktuacją,

-        sprężanie, mające na celu uzyskanie w tworzywie przetwarzanym zadanego przebiegu zmian ciśnienia, określanego wartością ciśnienia i jego pulsacją,

-        mieszanie, zapewniające homogenizowanie czyli ujednorodnienie składu i właściwości, głównie cieplnych i mechanicznych, jak również struktury tworzywa przetwarzanego,

-        transportowanie, umożliwiające przemieszczanie tworzywa przez układ z uzyskaniem na jego końcu potrzebnej prędkości wypływu tworzywa z określonym natężeniem i ustaloną fluktuacją oraz pulsacją.

Czasami układ uplastyczniający jest skonstruowany do spełniania także funkcji pomocniczych, którymi mogą być na przykład odgazowanie lub porowanie.

Współcześnie istnieje wiele układów uplastyczniających, które można podzielić na trzy grupy. Do pierwszej grupy zalicza się układy ślimakowe, które mogą być jednoślimakowe lub wieloślimakowe, na ogół dwuślimakowe lub trójślimakowe, czeroślimakowe lub planetarne. Drugą grupę stanowią układy bezślimakowe, którymi są na przykład układy tłokowe, tarczowe, pierścieniowe, teledynamiczne i wirnikowe.  Natomiast trzecią grupę stanowią układy hybrydowe, a w niej najbardziej rozpowszechnione to układy ślimakowo-tłokowe i ślimakowo-tarczowe. Aktualnie zasadnicze znaczenie ma uplastycznianie za pomocą układu ślimakowego.

WYTŁACZANIE JEDNOŚLIMAKOWE jest podstawową technologią przetwórstwa tworzyw. Jednym z ważniejszych kierunków rozwoju wytłaczania jest komputerowe modelowanie tego procesu. Znanych jest kilka modeli komputerowych wytłaczania, głównie dotyczących wytłaczania jednoślimakowego. Ze względu na dużą złożoność i różnorodność zjawisk zachodzących w procesie wytłaczania, skomplikowaną geometrię przepływu, a także dużą czasochłonność obliczeń, te modele dotychczas nie wykorzystują możliwości metody elementów skończonych – MES.

WYTŁACZANIE WIELOŚLIMAKOWE najczęściej spotykamy wytłaczarki dwuślimakowe, są one technicznie trudniejsze do wykonania, droższe ale mają wiele zalet. Przede wszystkim rzadziej występuje zjawisko przegrzania i destrukcji tworzywa gdyż nie przykleja się ono do ślimaka i nie obraca razem z nim. Nie występuje tez przepływ ciśnieniowy co zwiększa wydajność procesu. Maszyny te stosowane są głównie do przetwórstwa polimerów w postaci proszku i homogenizacji tworzyw z dodatkami wprowadzanymi w dużej ilości.

BUDOWA ŚLIMAKA TRÓJSTREFOWEGO Poszczególne strefy geometryczne ślimaka wyznaczane są przez zmieniającą się wysokość kanału ślimaka:

-        w strefie zasilania wysokość kanału jest stała i największa,

-        w strefie sprężania wysokość kanału się zmniejsza (najczęściej liniowo),

-        w strefie dozowania wysokość kanału jest stała i najmniejsza.

NATĘŻENIE PRZEPŁYWU TS W UKŁADZIE WYTŁACZARKI Charakterystyka ślimaka jest definiowana przez przepływ wleczony, wynikający ze względnego ruchu ślimaka i cylindra oraz przepływ ciśnieniowy, wynikający z gradientu ciśnienia. Natomiast charakterystyka głowicy wynika z gradientu ciśnienia tworzywa w głowicy. Na podstawie warunku zachowania ciągłości przepływu w wytłaczarce wiadomo, że natężenie przepływu tworzywa w ślimaku QS i natężenie przepływu tworzywa w głowicy QG są jednakowe. Tak więc, można przyjąć, że: Qs = Qg.

SCHEMAT I CHARAKTERYSTYKA LINII TECHNOLOGICZNEJ PROCESU WYTŁACZANIA

a) głowica, b) Lej zasypowy, c) grzałki, d) obudowa, e) ślimak

PARAMETRY PROCESU WYTŁACZANIA: temperatury - (stref grzewczych na cylindrze i głowicy, temp. połówek formy na termostacie) ; Prędkości - (odciągu, prędkość obrotowa ślimaka)

WYTŁACZANIE Z ROZDMUCHEM Wytłaczanie z rozdmuchem daje bardziej równomierny rozkład grubości ścianki elementu formowanego (wstępne rozciąganie, rozdmuchiwanie). Zbyt mocny rozdmuch prowadzi do wystąpienia niepożądanych fałd w elemencie formowanym.

Wtryskiwanie

Wtryskiwanie jest jedną z dominujących metod przetwórstwa i polega na cyklicznym uplastycznianiu tworzywa w układzie uplastyczniającym, a następnie stapianiu tworzywa w tym układzie i wyciskaniu do zamkniętego gniazda formującego formy wtryskowej, następnie na zestalaniu lub utwardzeniu tworzywa i wyjęciu przedmiotu nazywanego wypraską wtryskową. Proces wtryskiwania odbywa się za pomocą wtryskarek i z użyciem narzędzia jakim jest forma wtryskowa mająca gniazdo lub gniazda formujące. W zależności od budowy układu uplastyczniającego, wtryskarki mogą być tłokowe – stosowane obecnie tylko w niektórych przypadkach oraz ślimakowe – stosowane powszechnie. Każda wtryskarka składa się z trzech układów: układu uplastyczniającego, napędowego i narzędziowego.

Ważną cechą procesu wtryskiwania jest jego cykliczność. Cykl procesu wtryskiwania składa się z sześciu podstawowych faz:

-        zamykanie formy wtryskowej – poprzez ruch zespołu formy zamocowanego do ruchomego stołu wtryskarki w kierunku zespołu formy mocowanego do nieruchomego stołu wtryskarki,

-        wtrysk – dosuwanie układu uplastyczniającego do formy wtryskowej, tak aby dysza wtryskowa zetknęła się z tuleją wtryskową formy, następnie dosuwanie za pomocą układu hydraulicznego ślimaka powodujące wyciśnięcie ciekłego tworzywa z układu uplastyczniającego do zamkniętej formy,

-        docisk – uzupełnienie tworzywa w gnieździe formy, poprzez nieduże dosunięcie ślimaka, w celu wyrównania zmniejszenia się objętości tworzywa w wyniku skurczu pierwotnego podczas jego zestalania lub utwardzania,

-        uplastycznianie – ślimak wprawiony zostaje w ruch obrotowy, co powoduje pobieranie tworzywa z zasobnika i wprowadzanie do układu uplastyczniającego, w układzie tworzywo jest nagrzewane, mieszane, sprężane i transportowane w kierunku dyszy wtryskowej; ciśnienie tworzywa w układzie przesuwa obracający się ślimak w kierunku zasobnika w położenie, które jest wyjściowe.

-        otwieranie – zmniejszenie siły zamykającej formę wtryskową, otwieranie formy i wypychanie wypraski wtryskowej z gniazda,

-        przerwa – zabiegi przy otwartej formie np. zakładanie rdzeni, zaprasek, etykiet, powlekanie powierzchni gniazda środkiem przeciwprzyczepnym, czyszczenie formy.

Czas cyklu procesu wtryskiwania zależy od czasu trwania poszczególnych jego faz. Dąży się do tego, aby czas ten był jak najkrótszy, z tego względu wiele rozwiązań konstrukcyjnych wtryskarek umożliwia łączenie niektórych ruchów elementów poszczególnych układów wtryskarki lub wręcz eliminację innych np. może jednocześnie występować zamykanie formy i dosuwanie układu uplastyczniającego lub nie występuje dosuwanie i odsuwanie układu uplastyczniającego.

PARAMETRY PROCESU WTRYSKIWANIA  Temp. wtrysku, temp formy, czas wtrysku, czas docisku, czas chłodzenia, ciśnienie wtrysku, ciśnienie docisku

WTRYSKIWANIE GAZOWE GIT podczas procesu wtryskiwania do formy podawany jest gaz obojętny w ten sposób można formować wyroby o różnych grubościach ścianek.
WTRYSKIWANIE ZE SPIENIENIEM GIT – S pęcherzyki gazu w formie powodują spienienie tworzywa.

WTRYSK Z DOPRASOWANIEM wprowadzenie stopionego polimeru termoplastycznego do lekko otwartej formy z równoczesnym lub dodatkowym doprasowaniem w kolejnym ruchu zamykania

ZMIANA CIŚNIENIA W GNIEŹDZIE FORMY WTRYSKOWEJ

Wykres ten obejmuje dwa okresy: okres wzrostu ciśnienia i okres jego spadku. Ten podział

jest związany z ruchem ślimaka (pracującego jak tłok) do przodu i jego wzrostu. Odcinek

A wykresu to tzw. okres martwy, w którym następuje upakowanie granulatu w pobliżu

czoła ślimaka. W tym czasie gniazdo formy pozostaje puste. W zakresie B ślimak ruchem postępowym, powoduje wtryśnięcie tworzywa, ciśnienie wewnętrzne zaczyna rosnąć w miarę wypełniania gniazda.

W zakresie C wzrost ciśnienia następuje bardzo szybko, aż do osiągnięcia wartości pmax.             Potem następuje jeszcze nieznaczne dopełnienie gniazda tworzywem, przy jednoczesnym

spadku ciśnienia na skutek studzenia warstw zewnętrznych tworzywa.

Od tego momentu następuje wycofanie ślimaka i jednoczesny dalszy spadek ciśnienia wewnętrznego.

STAN NAPRĘŻEŃ W WYROBACH WTRYSKOWYCH

Zróżnicowanie skurczu objętościowego i jego anizotropia powodują powstanie bliżej nieokreślonego stanu naprężeń własnych w wyprasce. Naprężenia własne są to naprężenia mechaniczne występujące w wyprasce bez oddziaływania jakichkolwiek sił zewnętrznych. Relaksacja naprężeń

zawsze wiąże się ze zmianą kształtu i wymiarów. Podczas przebywania wypraski w formie naprężenia własne wypraski nie znajdują się w stanie równowagi. Dopiero po jej usunięciu z formy następuje zrównoważenie naprężeń, co ujawnia się w postaci odkształceń i wypaczeń wyrobów. Podczas

użytkowania wyrobów naprężenia własne uwidoczniają się w postaci rys naprężeniowych, powstających nawet pod wpływem takich czynników zewnętrznych, jak promieniowanie UV. Naprężenia, będące efektem skurczu objętościowego, podlegają samorzutnej relaksacji, gdy nastąpi skurcz wtórny, lub też można je zrelaksować w procesie wygrzewania (stabilizacji termicznej). Natomiast naprężenia będące wynikiem anizotropii skurczu są już utrwalone i, podobnie jak powstająca z ich powodu deformacja wyrobu, są nieusuwalne.
 

Spośród wielu warunków wtryskiwania istotne znaczenie, ze względu na jakość

wyprasek, wydajność procesu i jego energochłonność, mają:

-        temperatura poszczególnych stref grzejnych układu uplastyczniającego,

-        i dyszy wtryskowej oraz formy,

-        ciśnienie wtryskiwania, ciśnienie docisku,

-        siła zamykania formy,

-        prędkość ruchu obrotowego ślimaka,

-        skok ślimaka,

-        czas cyklu procesu wtryskiwania, czas poszczególnych faz, czas ochładzania wypraski w formie,

-        prędkość wtryskiwania.

Ze względu na masowy charakter wytwarzania przedmiotów z tworzyw metodą wtryskiwania, często o skomplikowanych kształtach i określonych właściwościach mechanicznych, cieplnych, elektrycznych i innych, w tym barierowych, które można zmieniać głównie przez wybór tworzywa, wprowadzenie napełniaczy i środków pomocniczych, odpowiednie przygotowanie tworzywa, ustalenie najlepszych warunków wtryskiwania rozróżnia się wiele metod wtryskiwania. Metody te obejmują również wtryskiwanie kompozytów i mieszanin polimerowych, proszków metali i ceramicznych zawierających spoiwo polimerowe. Rozróżnia się więc wtryskiwanie wieloskładnikowe otwarte i zamknięte, wtryskiwanie mikrowarstwowe, dekoracyjne, otryskiwanie, wtryskiwanie wspomagane wodą lub gazem, wtryskiwanie z rozdmuchiwaniem, porujące, mikroporujące, reaktywne, tworzyw utwardzalnych, pulsacyjne, drganiowe, niskociśnieniowe, sekwencyjne, kaskadowe, zespolone i wiele innych.

Stanowisko technologiczne, z wykorzystaniem którego odbywa się proces wtryskiwania zazwyczaj składa się ze zbiornika tworzywa, urządzenia mieszającego, dozującego, suszącego, wtryskarki, urządzenia oddzielającego wypraski od odpadów wtryskowych i urządzenia odbierającego wypraski. Coraz częściej wypraski są odbierane i układane obok wtryskarki za pomocą robotów, a cały proces jest zautomatyzowany, co obok dużej wydajności tego procesu skutkuje wytwarzaniem wyprasek po bardzo niskich kosztach.

Prasowanie – jest metodą przetwórstwa polegającą na cyklicznych wprowadzaniu tworzywa do zamkniętego gniazda formującego, bardzo często na jego uplastycznieniu a następnie stapianiu w zamkniętym gnieździe formującym, jego utwardzeniu i wyjęciu przedmiotu zwanego wypraską prasowniczą, z gniazda.

Termoformowanie należy do najstarszych i najtańszych sposobów przetwarzania tworzyw termoplastycznych. Technologia ta należy do technologii obróbki wtórnej. Materiał do przetwórstwa (półwyrób) podaje się w postaci płyt lub folii wykonanych z tworzyw sztucznych, głównie o strukturze bezpostaciowej. Półwyrób ten podgrzewa się wstępnie do określonej temperatury, po czym formuje - za pomocą podciśnienia bądź nadciśnienia – wyroby o określonych geometrią form kształtach. Półwyroby produkuje się w procesie wytłaczania.

Stosunkowo tanie i wysoko wydajne przetwórstwo sprawia, że termoformowanie jest powszechnie wykorzystywane w produkcji zarówno opakowań jak i produktów wielkogabarytowych.

Przebieg termoformowania

Cały proces termoformowania można podzielić na etapy tworzące cykl produkcyjny. Należą do nich: nagrzewanie, wstępne rozciąganie (opcjonalnie), formowanie, schładzanie, obróbka wykańczająca. Półwyrób płaski przed przeformowaniem należy najpierw doprowadzić do stanu wysokoelastycznego. Stan taki umożliwi uzyskanie bardzo dużych odkształceń materiału.

Okno procesowe procesu termoformowania

FORMOWANIE POZYTYWOWE I NEGATYWOWE

W formowaniu pozytywowym stosuje się narzędzie w postaci stempla o kształcie formowanego elementu. Umocowane na stole roboczym narzędzie formujące wsuwa się w ogrzany półwyrób. Zapewnia to zwiększenie obszaru odkształceń, ponieważ półwyrób jest na obwodzie mocowany na ramie napinającej. Ostateczne ukształtowanie profilu następuje poprzez włączenie próżni lud nadciśnienia po tym, jak pod koniec przesuwu stołu roboczego nastąpi uszczelnienie pomiędzy półwyrobem a narzędziem.

W formowaniu negatywowym ogrzany półwyrób rozpina się na krawędziach odpowiednio ukształtowanego gniazda narzędzia i formuje sprężonym powietrzem lub próżnią. Miejsca cieńsze przy formowaniu negatywowym pojawiają się w najgłębszych obszarach gniazda formy, gdyż przekształcany element zostaje najmocniej rozciągnięty. Z powodu tarcia pomiędzy półwyrobem a ścianami gniazda formy elementy konstrukcyjne formowane negatywowo wykazują grube ścianki boczne, szczególnie w pobliżu krawędzi napinania.