INSTITUTUL NAŢIONAL DE CERCETARE – DEZVOLTARE ÎN SUDURĂ ŞI ÎNCERCĂRI DE MATERIALE

1. TIMIŞOARA INSTITUTUL NAŢIONAL DE CERCETARE – DEZVOLTAREÎN SUDURĂ ŞI ÎNCERCĂRI DE MATERIALE Producerea si asamblarea bilelor deo-roll din propilena Ing. Octavian OANCA ISIM Timisoara, Noiembrie 2009 1

2. CUPRINS Consideraţii teoretice privind materialele polimerice si procedee de sudare Obiectivele cercetărilor aplicative Sudarea cu ultrasunete a bilelor deo-roll Sudarea prin frecare a bilelor deo-roll Sudarea cu element incalzitor a bilelor deo-roll Sudareacu sursa radianta in infrarosu si sudareacu laser Configuratie linie de fabricatie bile deo roll don propilena Concluzii TIMIŞOARA 2 2

3. TIMIŞOARA Consideraţii teoretice Cu toata criza mondiala de materii prime si de energie s-a demonstrat ca actuala conjunctura energetica mondiala tinde sa favorizeze materialele plastice. Acest lucru se datoreaza faptului ca materialele plastice sunt mai mici consumatori de energie in sfera prelucrarii decit multe din materiale traditionale. Pe plan mondial cel mai utilizat procedeu de imbinare a pieselor din materiale plastice este sudura. Alegerea optima a procedeelor de sudare, respectiv a , echipamentelor, agregate si dispozitivarilor specifice in conditiile unui consum energetic minim pe unitate de produs,nu este posibila fara cunoasterea particularitatilor fiecarui procedeu de sudare.

4. TIMIŞOARA Consideraţii teoretice Diversificarea continua a aplicatiilor materialelor plastice a avut drept consecinta introducerea in prelucrarea acestora a aproape tuturor procedeelor de prelucrare utilizate la alte materiale, procedee care utilizeaza energie mecanica, termica sau efectul combinat al acestora, facind necesara cunoasterea principalelor proprietati tehnologice ale polimerilor. Clasificarea polimerilor in functie de comportarea termomecanica: • A. Polimeri termoplastici – pot fi supusi la cicluri repetate de incalzire, respectivracire fara a suferi transformari chimice ireversibile; • B. Polimeri de tip Elastomeri – (de tipul cauciucului) • C. Polimeri termorigizi – prin incalzire se inmoaie permitind prelcrarea, insa dupa aceea se solidifica ireversibil, o noua incalzire ducind la distrugerea acestora.

5. TIMIŞOARA Consideraţii teoretice Din punt de vedere al prelucrarilor prin sudare intereseaza polimerii termoplastici ale caror proprietati vor fi prezentate in continuare: Temperaturile caracteristice polimerilor: • Temperatura de vitrifiere – Tv Din diagrama ilustrata in figura 1, care exprima variatia volumului specific al unui polimer semicristalin in functie de temperatura se constata urmatoarele: • o variatie liniara a volumului specific cu temperatuira, caracteristica fazei sticloase a polimerului - zona A; • O variatie rapid a volumului specific cu temperatura, caracteristica fazei inalt elastice a polimerului – zona B, C; • Temperaturi de vitrifiere a unor polimeri uzuali – tabelul 1.

6. TIMIŞOARA Solid sau lichid elastic Cristalitate şi fază amorfă înalt elastică V Cristalitate şi fază amorfă sticloasă Tv Tt T Figura1. Dependenţa de temperatură a volumului specific al unui polimer semicristalin Consideraţii teoretice A B C Tabelul 1

7. TIMIŞOARA Consideraţii teoretice • Temperatura de topire – Tt Temperatua de topire este caracteristica polimerilor cristalini si semicristalini, marcind trecerea de la starea solida la cea lichida. • Temperatura de curgere – Tc Temperatua de curgere este indicata de aparitia, alaturi de deformatiile elastice reversibile, a deformatiilor ireversibile cauzate de curgerea viscoasa. Temperetura de curgere depinde in principal de gradul de polimerizare, crescind odata cu acesta; In mod normal la polimerii cristalini, viteza de cristalizare este maxima in domeniul cuprins intre temperatura de vitrifiere Tv si temperatura de topire Tt • Temperatura de degradare termica -Td Temperatura de degradare termica este tempertura la care incepe degradarea polimerului sub influenta caldurii.

8. TIMIŞOARA Consideraţii teoretice Caracteristici ale polimerilor termoplastici cristalini, tabelul 2 Tabelul 2 Temperaturile de vitrifiere (tranziţie sticloasă) şi de curgere (topire) sunt parametri importanţi în ceea ce priveşte aplicarea materialelor polimerice. Valorile acestor temperaturi definesc limitele de temperatură inferioară şi superioară pentru numeroase aplicaţii, în special pentru polimerii semicristalini.

9. TIMIŞOARA A B Figura 2. Structura semicristalină a macromoleculelor de polimer: A - zonă neorientată (amorfă); B - zonă orientată (cristalină) Consideraţii teoretice Polimerii termoplasticii semicristalini (figura 2.) sunt materiale bifazice constituite dintr-un domeniu amorf şi un domeniu cristalin ale căror proprietăţi se suprapun. Semicristalinitatea este o proprietate de dorit pentru majoritatea materialelor plastice deoarece combină rezistenţa polimerilor cristalini cu flexibilitatea celor amorfi.

10. TIMIŞOARA Consideraţii teoretice Proportia de zone cristalineraportate la zonele amorfe determină procentul de cristalinitate a polimerului. Valorile acestui coeficient pentru diferite materiale termoplastice sunt prezentate în tabelul 3 Tabelul 3

11. TIMIŞOARA Consideraţii teoretice Perspectivele principalelordomenii de utilizare a materialelor polimerice ca înlocuitori ai otelului si a materialelor neferoase Tabelul 4

12. TIMIŞOARA Consideraţii teoretice • Tehnologii principale de procesare a materialelor polimerice • Materialele termoplastice sunt formate din macromolecule liniare • capabile să devină mobile între ele prin ridicarea temperaturii lor • (de exemplu: PE, PP, PS, PVC, PA, PMMA, ABS, SAN, etc.). • Matriţarea– aplicabilă la formarea pieselor masive sau cave cu pereţi subţiri printr-un proces ce presupune solidificarea materialului într-o cavitate închisă. Procesul de prelucrare este unul discontinuu. • Extrudarea – aplicabilă pentru obţinerea pieselor de tip profil, tub, peliculă prin curgerea dirijată a materialului prin spaţii tehnologice special create în extruder. Procesul este continuu de înaltă productivitate. • Calandrarea – procedeu de formare continuă a peliculelor plăcilor de material termoplastic prin trecere progresivă între role de deformare. • Termoformarea – procedeu asociat deformării materialelor plastice subţiri în matriţe cu elemente active rigide. • Asamblarea/Sudarea – grupează o serie de operaţii ce utilizează încălzirea, presarea şi lipirea pentru a realiza îmbinări demontabile şi mai des nedemontabile.

13. TIMIŞOARA Consideraţii teoretice • Sudarea materialelor plastice (polimeri termoplastici) • Pe plan mondial cel mai utlizat procedeu de imbinare a materialelor • plastice este sudarea care, fata de alte procedee de imbinare cum ar fi lipirea cu adezivi sau imbinarea cu elemente mecanice, prezinta o seri de avantaje: • Productivitate ridicata; • Rezistenta mare a imbinarii sudate; • Volum de munca saczut; • Pret de cost redus; • Imbunatatirea conditiilor de munca; • Micsorarea sensibila a suprafetei de lucru; • Posibilitatea automatizarii fabricatiei in linii automate sau robotizate

14. TIMIŞOARA Consideraţii teoretice • Conditii necesare sudarii materialelor plastice(polimeri termoplastici) • Pentru realizarea sudarii materialeor plastice este necesara asigurarea urmatoarelor conditii de baza: • Incalzirea si mentinerea pieselor in zona de sudare la o anumita temperatura Ts, situata in domeniul Tc<Ts<Td; • Realizarea unui contact cit mai bun al suprafetelor pieselor de sudat in zona de imbinare in procesul de sudare; • Asigurarea unui timp optim de desfasurare a procesului de sudare

15. TIMIŞOARA Consideraţii teoretice • Principalele procedee de sudare a materialelor plastice • Criteriul principal de clasificare a procedeelor de sudare a materialelor plastice il constiutuie natura surselor de incalzire utilizate: • Sudarea cu corpuri solide calde, - cu incalzire directa sau incalzire indirecta; • Sudarea cu gaze calde, - cu material de adaos sau fara material de adaos; • Sudarea cu material topit, - cu material de adaos extrudat; • Sudarea cu energie mecanica, - cu ultrasunete sau prin frecare; • Sudarea prin rezistenta electrica, - cu sirma incandescenta, cu curent cif, prin inductie; • Sudarea cu radiatii, - cu radiatii infrarosii, sudarea cu laser;

16. TIMIŞOARA Obiectivele cercetarii aplicative Obiectiv strategic: Dezvoltarea de tehnologii de fabricatie de mare productivitate in producerea si asamblarea bilelor deo roll din propilena destinate industrie de produse cosmetice Obiectivele punctuale : A. Programe experimentale de sudare bile deo roll din propilena in vederea conceperii si realizarii unui sistem integrat de mare productivitate de asamblare a bilelor deo roll. B. Configuratie sistem integrat de producerea si asamblarea bilelor deo roll din propilena destinate industrie de produse cosmetice

17. TIMIŞOARA a b Schema de Principiu la sudarea cu US a MP Rezultatele cercetării Îmbinarea cu US a materialelor plastice, este determinată de efectele induse de acțiunea ultrasunetelor la suprafața de contact dintre cele doua repere prin micro-vibrația cu frecvență ultrasonoră. 17

18. TIMIŞOARA Rezultatele cercetării Imbinarea cu ultrasunete a bilelor deo-roll • Materialul de bază al asamblării îl constituie reperele de material plastic polipropilenă (PP). sub forma reperelor disticte A si B • Tehnologia de sudare cu ultrasunete impune o configuratie specifica in zona de sudare • Conditii de acceptare tehnologie de sudare: • sudura etansa; • refulare material in interior si in exterior produs sudat cu repetabilitate; A B Repere semisfere ce urmează a fi sudate cu ultrasunete

19. TIMIŞOARA Rezultatele cercetării Echipamanet specializat de sudare cu ultrasunete ESUP 01 pentru sudare bila deo -roll Cracteristici tehnice Frecventa de lucru 20 kHz Generator de ultrasunete in tehnica PWM Puterea maxima 2500 W Transductor cu generator piezoceramic Reglaj parametrii tehnologici in tehnica digitala Memorie de lucre 10 programe tehnologice Ecran tactil Parametrii tehnologici: Forta de sudare 75-500 N; Timpul de sudare max.120 s in functie de aplicatie; Amplitudinea autoreglabila ; Timpul de mentinere dupa sudare 0,1 - 6 s Echipament specializat de sudate cu ultrasunete

20. TIMIŞOARA Rezultatele cercetării Sonotroda specializata si ansamblu rezonator pentru echipamentul de sudare bila deo -roll a. – Material PZT5,Lungime 131mm, frecventa de rezonanta 20 kHz, amplitudinea 10mm b.- Material AlSi1MgMn, Lungimea 138,6mm,frecventa de rezonanta20kHz, Factor de amplificare 1,73 c.- Material otel inoxidabil, Lungimea 125 mm, frecventa de rezonanta20,2kHz,,factor de amplificare 1,56 Forma şi dimensiunile teoretice ale elementelor ansamblului ultrasonic: a – transductor ultrasonic; b – amplificator intermediar (booster) 1.5:1; c – sonotrodă. (simularea cu programul Krell Engineering)

21. TIMIŞOARA Rezultatele cercetării Tehnologia de sudare cu ultrasunete bile deo roll. Analiza critica a oporunitatii utilizarii in linia de fabricatie A B Bila deo –roll sudata pe contur cu ultrasunete A – interior bila sectionata; B- exterior bila sectionata PRODUCTIVITATE ESTIMATA MICA, 50 REPERE SUDATE / MINUT PENTRU UN CAP DE SUDARE

22. TIMIŞOARA Rezultatele cercetării Elemente de caracterizare procedeu de sudare cu ultrasunete bila deo – roll in linie de fabricatie

23. TIMIŞOARA Rezultatele cercetării Îmbinarea prin frecare a materialelor plastice, este determinată de efectele induse de transformarea energiei mecanice de frecare dintre componentele la sudare, in caldura. Procesul de sudare cuprinde urmatoarele faze: • Antrenarea uneia dintre componente de sudat intr-o miscare de rotatie , cu viteza constanta sau variabila si presarea pe aceasta a celeilalte comoponente, fixa cu o forta axiala; • Incalzirea capetelor componentelordatorita frecarii celor doua suprafete In contact, sub actiunea fortei axiale,- componenetele sunt mentinute in miscare relativa sub actiunea fortei axiale pina la atingerea temperturii de necesare sudarii; • Refularea componentelor in vederea sudariilor. Refularea se poate executa dupa oprirea miscarii relative sau in timpul opririi acesteia. Forta de refularepoate fi egala cu forta axiala de incalzire sau mai mare

24. TIMIŞOARA Rezultatele cercetării Tehnologia de sudare prin frecare bile deo roll. Analiza critica a oporunitatii utilizarii in linia de fabricatie B A • Tehnologia de sudare prin frecare impune o configuratie specifica in zona de sudare • Conditii de acceptare tehnologie de sudare: • sudura etansa; • refulare material in interior si in exterior produs sudat cu repetabilitate; Bila deo –roll sudata pe contur prin frecare A – interior/exterior bila sectionata; B- exterior bila deo-roll PRODUCTIVITATE ESTIMATA MICA, 24 REPERE SUDATE / MINUT PENTRU UN CAP DE SUDARE

25. TIMIŞOARA Rezultatele cercetării Tehnologia de sudare prin frecare bile deo roll. Analiza critica a oporunitatii utilizarii in linia de fabricatie

26. TIMIŞOARA Rezultatele cercetării Îmbinarea cu element incalzitor a materialelor plastice, se realizeaza prin incalzirea pieselor de sudat cu ajutorul unui element incalzitor pina la atingerea temperaturii stari fluide Procesul de sudare cuprinde urmatoarele faze: • Incalzirea pieselor de sudat, aflate in contact cu elementul incalzitor; • Indepartarea elementului incalzitor si sudarea propriuzisa, consecinta a apropierii pieselor de sudat , incalzite, si a aplicarii presiunii de sudare • Incalzirea pieselor ce urmeaza a fi sudate, aflate in contact cu elementul Incalzitor se realizeaza datorita transmiterii caldurii prin convectie, conductie si radiatiie de la elementul incalzitor spre piesele de sudat

27. TIMIŞOARA Rezultatele cercetării Tehnologia de sudare cu element incalzitor a bilelor deo roll. Analiza critica a oporunitatii utilizarii in linia de fabricatie • Tehnologia de sudare cu element incalzitor impune o configuratie specifica in zona de sudare • Conditii de acceptare tehnologie de sudare: • sudura etansa; • refulare material in interior si in exterior produs sudat cu repetabilitate; B A Bila deo – roll sudata pe contur prin cu element incalzitor A – interior/exterior bila sectionata; B- exterior bila deo-roll PRODUCTIVITATE ESTIMATA MICA, 20 REPERE SUDATE / MINUT PENTRU UN CAP DE SUDARE

28. TIMIŞOARA Rezultatele cercetării Tehnologia de sudare cu element incalzitor bile deo roll. Analiza critica a oporunitatii utilizarii in linia de fabricatie

29. TIMIŞOARA Rezultatele cercetării Îmbinarea cu radiatii infrarosii a materialelor plastice, consta in incalzirea pieselor de sudat cu ajutorul radiatiilor infrarosii emise de lampa cu halogen, focalizata cu ajutorul unui sistem de lentile sau oglinzi / reflectoare in zona de imbinat Procesul de sudare cuprinde urmatoarele faze:

30. TIMIŞOARA Rezultatele cercetării Îmbinarea cu radiatii infrarosii a materialelor plastice, consta in incalzirea pieselor de sudat cu ajutorul radiatiilor infrarosii emise de lampa cu halogen, focalizata cu ajutorul unui sistem de lentile sau oglinzi / reflectoare in zona de imbinat • Sudarea cu radiatii in infrarosu se poate aplica la sudarea prin suprapunere sau cap la cap 2 1 A B Figura 10.: Sudarea cu radatii infrarosii A – inainte de sudare; B- dupa sudare 1-sursa de radiatii infrarosii; 2- semisfere bila deo-roll 02.06.2014 30

31. Rezultatele cercetării TIMIŞOARA Procesul de sudare cuprinde urmatoarele faze: • Incalzirea pieselor de sudat, aflate in contact cu elementul incalzitor; • Oprirea sursei de radiatii infrarosii si sudarea propriuzisa, consecinta a apropierii pieselor de sudat , incalzite, si a aplicarii presiunii de sudare Parametrii tehnologici la acest procedeu sunt: • Temperatura focarului sursei de radiatii infrarosii • Timpul de incalzire; • Presiunea la sudare; • Viteza de refulare; • Timpul de refulare; 02.06.2014 31 31

32. Rezultatele cercetării TIMIŞOARA • Temperatura focarului determina gradul de incalzire al componentelor in zona imbinarii si este functie de tipul de lampa cu halogeni utilizat si de sistemul de focalizareadoptat; • Timpul de incalzire influenteaza in mod direct calitatea imbinarii, el determinind cantitatea de material in zona imbinarii. Un timp de incalzire prea scurt are ca urmare aducerea in contact a suprafetelor insuficient incalzite si implicitla obtinerea unei imbinari avind caracteristici mecanice scazute. Un timp de incalzire prea mare determina aceleasi efecte, datorate expulzrii masive de material topit la interfata la etapa de refulare. • Presiunea de sudare trebuie aleasa suficient de mare pentu a asigura formarea imbinarii sudate, dar mai mica decit valoarea care produce expulzarea masiva a materialului din zona imbinarii; 02.06.2014 32 32

33. TIMIŞOARA Rezultatele cercetării Tehnologia de sudare cu sursa de radiatii infrarosu bile deo roll. Analiza critica a oporunitatii utilizarii in linia de fabricatie 02.06.2014 33

34. Rezultatele cercetării TIMIŞOARA Îmbinarea cu laser a materialelor plastice, consta in incalzirea pieselor de sudat cu ajutorul unui fascicul laser • Sudarea cu radiatii in infrarosu se poate aplica la sudarea prin suprapunere sau cap la cap 1 2 1 A B Figura 11.: Sudarea cu laser focalizat in sector de cerc A – inainte de sudare; B- dupa sudare 1- fascicul laser; 2- semisfere bila deo-roll 02.06.2014 34 34

35. Rezultatele cercetării TIMIŞOARA Parametrii tehnologici la acest procedeu sunt: • Puterea fasciculului laser – reprezinta energia emisa de acesta in unitate de timp. Putera fasciculului este dependenta de presiunea din cavitatea laserului si de conditiile in care se realizeaza preionizarea si descarcarea mediului • Distanta de lucru – reprezinta distanta focala care este fixa in raport cu sistemul optic datenergia misa de acesta in unitate. Modificarea distantei de lucru se pate face numai prin indepartarea componentelor de sudat si prin folosirea unui sistem de colimare care permite focalizarea sub forma unui sector de cerc • Viteza de sudare – foarte scurta in situatia colimarii fasciculului laser in sector de cerc 02.06.2014 35 35

36. Rezultatele cercetării TIMIŞOARA Tehnologia de sudare cu laser a bilelor deo roll. Analiza critica a oporunitatii utilizarii in linia de fabricatie 02.06.2014 36 36

37. Concluzii TIMIŞOARA Configuratie sistem integrat de producerea si asamblarea bilelor deo roll din propilena destinate industriei de produse cosmetice, componenta constructiva • A.Sistem de extrudare ijectie semisfere bile deo-roll propilena de mare productivitate; • B.Sistem de alimentare orientare semisfere bile deo-roll propilena in doua linii carusel plan paralele; • C.Sistem de aliniere orientare semisfere bile deo-roll propilena in doua linii carusel plan paralele; • D.Sistem de incalzire semisfere bile deo-roll propilena pozitionate in doua linii carusel plan paralele; 02.06.2014 37 37

38. TIMIŞOARA Concluzii • A.Sistem de pozitionare cap la cap si imbinare semisfere bile deo-roll propilena de mare productivitate Sistemul de incalzire si sudare cap la cap semisfere bile deo-roll propilena de mare productivitate A. Incalzire cu sursa radianta in infrarosu B. Incalzire cu sursa radianta gaz cald B. Incalzire cu sursa radianta fascicul laer colimat in sector de cerc 02.06.2014 38