Wtrysk tworzyw sztucznych

Wtrysk tworzyw sztucznych

Trudno wyobrazić sobie nasze codzienne życie bez tworzyw sztucznych, bo stykamy się z nimi na każdym kroku. Dzięki wyjątkowym właściwościom i stosunkowo niewielkim kosztom przetwarzania tworzywa są wszechstronnymi materiałami użytkowymi stosowanymi we wszystkich praktycznie branżach przemysłu, dlatego od ponad 20 lat każdego roku produkuje się ich więcej niż stali. Wytwarza się z nich przedmioty codziennego użytku: naczynia, opakowania, zabawki, obudowy telefonów i innego sprzętu elektronicznego. Stosuje się je w przemyśle do konstrukcji urządzeń, maszyn i narzędzi; w budownictwie jako izolatory termiczne, materiały ogniotrwałe, elementy wykończeniowe, itp W transporcie tworzywa używane są do budowy pojazdów; w elektrotechnice znajdują zastosowanie jako izolatory i specjalne przewodniki elektryczne.

Szerokie rozpowszechnienie tworzyw przekłada się na wzrost znaczenia przemysłu przetwórstwa tworzyw sztucznych dla gospodarki. Celem każdego procesu produkcji elementów z tworzyw jest zapewnienie jak najlepszej jakości przy możliwie najniższych kosztach produkcji. Dążenie do tego spowodowało dynamiczny rozwój technologii i opracowanie wielu metod przetwórstwa. Obecnie najbardziej rozpowszechnioną metodą jest proces formowania wtryskowego potocznie nazywany wtryskiem tworzyw. Największymi zaletami tej metody są wysoka powtarzalność parametrów wyrobów przy produkcji wielkoseryjnej, a także możliwość produkcji skomplikowanych wyrobów o złożonych kształtach, nie osiągalnych za pomocą innych metodach wytwarzania.

Proces formowania wtryskowego

Formowanie wtryskowe tworzywa sztucznego to technika wytwarzania elementów z tworzyw sztucznych w której uplastycznione tworzywa podawane w postaci granulek lub krajanki, wtryskiwane są do formy, w której następnie zastygają, zestalając się w półprodukt nazywany wypraską. Od gotowego produktu wypraski różnią się obecnością naddatków tworzywa np z kanałów doprowadzających w których tworzywo również zastyga. Naddatki te muszą zostać usunięte po procesie wtrysku. Ze względu na konieczność uplastycznienia wtrysk stosuje się do formowania tworzyw termoplastycznych lub termoutwardzalnych.

Opracowano również odmianę formowania wtryskowego określaną jako reaktywne formowanie wtryskowe. Nie stosuje się w niej gotowego tworzywa lecz prepolimer oraz środek który powoduje jego polimeryzację już po wtrysku do formy.

Rodzaje wtrysku

Wtrysk sekwencyjny. Tworzywo wtryskuje się do formy kilkoma sekwencyjnie otwieranymi kanałami. Najpierw jest otwierany jeden lub najwyżej kilka kanałów, a w miarę jak wypełniana jest tworzywem forma wtryskowa otwierane są kolejne kanały. Tworzywo przesuwa się dalej by spotkać się w połowie drogi między kanałami. Unika się tak osłabienia elementów z tworzyw w miejscu zetknięcia się wypływów z różnych kanałów.

We wtrysku wielokomponentowym stosujemy kilka (przynajmniej dwa) różne tworzywa które kolejno są wtryskiwane i wypełniają jedną formę. W technice tej wytwarza się bardziej złożone produkty, możliwe jest także wytwarzanie części stanowiących połączenie tworzywa i metalowego elementu tak zwany obtrysk wkładek. Do formy można także zaaplikować inne elementy np etykiety.

Wtrysk z doprasowaniem – formy maja budowę pozwalającą na teleskopowe zamykanie gniazda formy. W czasie ochładzania siłowniki zapewniają odpowiednie ciśnienie docisku a tworzywo jest dodatkowo ściskane przez cały czas ochładzania.

Wtrysk z rozdmuchiwaniem. Po wstępnym wtryśnięciu część stemplowa formy z niezastygniętym tworzywem zostaje przesunięta do innej formy w której w wyniku rozdmuchu gazem uzyskuje ostateczny kształt. Można tak uzyskać cienkościenne elementy o różnym kształcie np butelki, bańki, kanistry.

Maszyny do wtrysku

Proces wtrysku prowadzi się na specjalnych maszynach nazywanych wtryskarkami. Opracowano wiele rodzajów konstrukcji wtryskarek różniących się:

• sposobem uplastycznienia (tłokowe, ślimakowe, z wstępnym cylindrem uplastyczniającym);
• położeniem układu wtryskowego (pionowe, poziome, skośne);
• napędem (hydrauliczne, elektryczne, hybrydowe)

Tradycyjnie wtryskarka zbudowana jest z:

Zespołu zamykania – składa się ze stołów ruchomego i nieruchomego na których montuje się części stemplową i matrycową formy. Zespół ten charakteryzuje siła zamykania wtryskarki która musi zrównoważyć ciśnienie wtrysku.

Jednostka plastyfikacji to układ cylindra z obracającym się w środku specjalnym ślimakiem, dodatkowo wyposażony w grzałki. Połączenie wysokiego ciśnienia i temperatury powoduje uplastycznienie tworzywa do postaci umożliwiającej wtrysk.

Agregat wtryskowy to element wtryskarki odpowiadający za bezpośredni wtrysk tworzywa do formy i zapewnienie odpowiedniego ciśnienia wtrysku. W tradycyjnych wtryskarkach jest zintegrowany z jednostką plastyfikacji, przepływ tworzywa do formy następuje w wyniku ruchu postępowego jaki wykonuje ślimak, teraz działający jako tłok. Rzadziej stosowane są modele wtryskarek z rozdzielnymi układami.

Formy wtryskowe

Forma wtryskowa to narzędzie używane w procesie wtrysku, wytwarzane przez wyspecjalizowane warsztaty, składające się z wielu elementów,w którym następuje formowanie tworzywa. Forma dodatkowo wyposażona jest w systemy które zapewniają grzanie i chłodzenie materiału aż osiągnięta zostanie konieczna temperatura, umożliwiają usunięcie gotowej wypraski, wywierają dodatkowe ciśnienie i inne konieczne operacje.

W formie możemy wyróżnić następujace układy:

• gniazdo albo gniazda formujące
• układ wlewowy materiału
• układ chłodzenia wypraski i formy
• układ usuwania wypraski
• układ wypychania wlewka
• różne elementy prowadzące oraz ustalające połówki (segmenty) formy
• napędy segmentów i płyt
• obudowa

Wyróżniamy różne typy form wtryskowych. W zależności od układu wlewowego mamy formy zimnokanałowe i gorącokanałowe. Zależnie od ilości gniazd formujących w ramach konstrukcji mamy formy jednogniazdowe i wielogniazdowe, wyróżniamy również formy z jedną płaszczyzną podziału lub dwoma płaszczyznami podziału. Omówienie wszystkich rodzajów i szczegółów budowy form przekracza ramy tego artykułu.

Przygotowanie formy jest najdroższym etapem przy wprowadzaniu nowej produkcji. Ekonomiczny sens ma budowa form dla produkcji seryjnej i masowej elementów. Od prawidłowego zaprojektowania i dokładnego wykonania formy zależy wysoka jakość końcowego wyrobu.

Przebieg wtrysku tworzyw

Wtrysk tworzyw sztucznych jest procesem sekwencyjnym, we wtrysku tradycyjnym składa się z kilku etapów:

Zamknięcie formy

Ruchoma część stemplowa formy, zamocowana do przesuwnego stołu wtryskarki jest dociskana do nieruchomej części matrycowej, następuje zamknięcie formy.

Dojazd agregatu wtryskowego do matrycy formy

Dysza wtryskowa dosuwana jest do tulei wtryskowej w części matrycowej formy przy użyciu specjalnego układu hydraulicznego.

Ogrzewanie i upłynnienie pobranego tworzywa.

Tworzywo w formie granulatu dozowane ze jest ze zbiornika, najczęściej pobranie tworzywa następuje z leja zasypowego. Tworzywo to trafia do cylindra, gdzie przesuwane jest przez obracający się wewnątrz niego ślimak o specjalnej konstrukcji, wytwarzający wysokie ciśnienie. Cylinder wtryskarki ogrzewany jest przy tym za pomocną specjalnych elementów grzejnych zwykle elektrycznych. W cylindrze wtryskarki tworzywo jest ogrzewane od ścianek oraz w wyniku tarcia. Gdy osiągnieta zostanie odpowiednia temperatura, w warunkach wysokiego ciśnienia materiał ulega upłynnieniu. Ruch obrotowy ślimaka powoduje przesuwanie się tworzywa w cylindrze i jego mieszanie co ułatwia równomierne ogrzanie aż osiągnięta zostaje temperatura wtrysku.

Wtrysk właściwy

Ślimak wtryskarki oprócz ruchu obrotowego może także działać jako tłok. W czasie etapu wtrysku ślimak przesuwany jest specjalnym układem hydraulicznym w kierunku formy wywierając odpowiednie ciśnienie wtrysku, a jego czoło przepycha porcję uplastycznionego tworzywa przez dyszę i system kanałów do gniazda formy, powodując jej wypełnienie. Konstrukcja formy wykonywana jest tak aby została całkowicie napełniana w możliwie krótkim czasie, by czas wtrysku był odpowiedni dla danego tworzywa. Ciśnienie wtrysku i temperatura zwykle dobierane są doświadczalnie w szeregu prób przed wdrożeniem produkcji.

Etap stygnięcia

Po napełnieniu formy jest ona w zależności od rodzaju tworzywa chłodzona lub ogrzewana. Dla tworzyw termoutwardzalnych stosuje się formy ogrzewane, a dla częściej używanych tworzyw termoplastycznych stosuje się formy chłodzone. W wyniku ochłodzenia kształt zostaje utrwalony w formie dokładnie odwzorowując kształt gniazda formy.

Należy zwrócić uwagę na osiągniecie właściwej temperatury gniazda formy wtryskowej. Temperatura formy wpływa na jakość elementu oraz czas trwania całego cyklu wtrysku. Czas chłodzenia formy stanowi często 80% całego czasu wtryskiwania. Formy zwykle chłodzone są za pomocą wody wzbogaconej o środki poprawiające jej właściwości. W każdej formie mamy zwykle kilka stref chłodzenia z których ciepło jest odbierane poprzez poszczególne kanały chłodzące.

Opróżnienie formy

Po zakończeniu wtrysku i ochłodzeniu kształtki, formę rozsuwa się, część stemplowa odjeżdża od części matrycowej a wypraski usuwane są z formy. Najczęściej następuje to przez użycie systemu odpowiednich wypychaczy w formie, lub stosuje się roboty odbierające.

Po opróżnieniu formy proces może rozpocząć się od nowa, formy wtryskowe są zamykane i cykl powtarza się.

Oczyszczanie produktu

Wypraski po usunięciu z formy mają często naddatki tworzywa, zastygającego w kanałach doprowadzających a także na krawędziach styku połówek formy. Resztki te należy usunąć mechanicznie poprzez odcięcie oraz wypolerowanie powierzchni w miejscu ich występowania.

Zalety wtryskiwania

Możliwość wytwarzania wyrobów o złożonych kształtach w jednej operacji technologicznej.

Wyroby wtryskowe nie wymagają stosowania dodatkowych drogich obróbek wykańczających.

Wtryskiwanie charakteryzuje się jakością i powtarzalnością zarówno kształtu jak i wymiaru, daje wyrób gotowy o wysokiej estetyce.

Umożliwia łatwą automatyzację procesu – niska pracochłonność produkcji masowej.

Niska emisja szkodliwych substancji.

Wady wtryskiwania

Wysoki koszt wytworzenia formy wtryskowej, a także długi czas oczekiwania na oprzyrządowanie dla procesu.

W przypadku małych serii produkcyjnych zwiększa się koszt jednostkowy wyrobu, niska efektywność ekonomiczna produkcji małoseryjnej.