dr inż. Sławomir Szymański Politechnika Gdańska Wydział Mechaniczny

1. PRZETWÓRSTWO TWORZYW SZTUCZNYCH dr inż. Sławomir Szymański Politechnika Gdańska Wydział Mechaniczny

2. PRZETWÓRSTWO TWORZYW SZTUCZNYCH Jest to samodzielna specjalność naukowa oraz zawodowa, jak również branża gospodarki.

3. ISTOTA I CEL PRZETWÓRSTWA WYTWARZANIE MASZYN • Technologia Maszyn • (Techniki Wytwarzania ) • obróbka skrawaniem • odlewnictwo • techniki spajania • przetwórstwo tworzyw sztucznych • Celem przetwórstwa - jest otrzymanie w sposób najbardziej racjonalny, ekonomiczny i ekologiczny gotowych do użytkowania w danych warunkach wyrobów lub przetworów z materiałów polimerowych • Istotą przetwórstwa - jest przeprowadzenie w polimerze w sposób świadomy i kontrolowany złożonych przemian fizyko – chemicznych celem pozyskania gotowych do użytkowania wyrobów

4. KLASYFIKACJA WYROBÓW Z TWORZYW SZTUCZNYCH • wyroby bryłowe– otrzymywane metodą wtryskiwania, prasowania, odlewania, rozdmuchiwania, laminowania) • wyroby porowate, otrzymywane metodą wytłaczania • wyroby piankowe-otrzymywane metodą odlewania, wtryskiwania, wytłaczania • wyroby ciągłe– otrzymywane metodą wytłaczania, kalandrowania, odlewania)_ • wyroby zespolone– wyroby składające się z dwóch różnych materiałów, otrzymywane metodą wtryskiwania, odlewania, prasowania, laminowania

5. Metody fizyczno- chemiczne Metody PFC – I rodzaju zgrzewanie, spawanie porowanie (spiekanie, formowanie rozrostowe), suszenie, aktywowanie, podgrzewanie Metody PFC – II rodzaju wtryskiwanie, wytłaczanie, prasowanie, laminowanie, odlewanie, kalandrowane formowanie z preform Metody chemiczno-fizyczne klejenie, kitowanie, zamszowanie, drukowanie, metalizowanie, fluidyzacja PODZIAŁ PRZETWÓRSTWA

6. KLASYFIKACJA MATERIAŁÓW POLIMEROWYCH • Polimery termoplastyczne - termoplasty materiały zdolne do wielokrotnego przechodzenia pod wpływem ciepła ze stanu stałego w plastyczny następnie ciekły oraz odwrotnie bez uszkodzenia struktury oraz utraty właściwości fizycznych • Polimery utwardzalne– duroplasty materiały przekształcające się nieodwracalnie pod wpływem dostarczonego ciepła lub substancji chemicznej ze stanu plastycznego (ciekłego) w ciało stałe nietopliwe w procesie sieciowania. Rozróżnia się w tej grupie polimery termoutwardzalne (proces sieciowania wymaga podwyższonej temperatury i chemoutwardzalne (proces sieciowania wymaga obecności zw. chemicznego zwanego utwardzaczem.

7. KLASYFIKACJA MATERIAŁÓW POLIMEROWYCHze względu na wydłużenie • PLASTOMERY – materiały polimerowy, którego współczynnik sprężystości wzdłużnej E (moduł Younga) wynosi powyżej 1000MPa, a wydłużenie przy rozciąganiu do 100%. Rozróżnia się plastomery termoplastyczne i utwardzalne • Elastomery – materiał polimerowy, którego współczynnik sprężystości wzdłużnej zawiera się w przedziale od 1do 4 MPa, a wydłużenie przy rozciąganiu jest większe od 100%. Rozróżnia się elastomery termoplastyczne i utwardzalne

8. KLASYFIKACJA MATERIAŁÓW POLIMEROWYCHze względu na strukturę • Hopolimer- polimer otrzymany z jednego rodzaju monomeru • Kopolimer – polimer otrzymany z wiecej niż jednego rodzaju monomeru • Mieszanina polimerowa- polimer będący makroskopowo jednorodną mieszaniną dwóch lub większej ilości różnych polimerów o różnym stopniu mieszalności, które tworzą różne fazy • Kompozyt polimerowy- materiał utworzony z polmeru napełnionego co najmniej jedną substancją w postaci włókna lub proszku nie będącą polimerem.

9. Produkcja tworzyw sztucznych na świecie do 2005 roku

10. produkcja tworzyw sztucznychna świecie w 2007 roku

11. Produkcja tworzyw sztucznych w Polsce(2007r) na tle państw Uni Europejskiej Polska 2.35 mln. ton

12. Polimery (pół fabrykat)

13. Przykłady wyrobów z polimerów PA (nylon) LDPE HDPE ABS PC PET

14. Przykłady wyrobów zespolonych Turbine with spool insert Heater circuit insert Brass inserts with thread

15. ZESTAWIENIE TECHNOLOGII PRZETWÓRSTWA TWORZYW SZTUCZNYCH

16. ZESTAWIENIE TECHNOLOGII PRZETWÓRSTWA TWORZYW SZTUCZNYCH

17. WTRYSKIWANIE • Jest to proces cykliczny, w którym materiał w postaci najczęściej granulatu podawany jest do ogrzewanego cylindra uplastycznia się a następnie podawany jest przez dyszę do gniazda formy. W formie pod ciśnieniem tworzywo przechodzi w stan stały po czym jest usuwany w postaci gotowego wyrobu

18. WTRYSKIWANIE RYS HISTORYCZNY • 1872 opatentowano pierwszą wtryskarkę tłokową (bracia HEAT) • 1955 opatentowano pierwszą wtryskarkę ślimakową (R. BECK) • 1961 opatentowano zasadę wtrysku dwuskładnikowego • 1970-1980 wprowadzono do produkcji wtryskarki do duroplastów • 1980-1985 wprowadzono do produkcji wtryskarki do wtrysku elastomerów wulkanizujących (przemysł obuwniczy) • po1990 – wprowadzono do produkcji wtryskarki CNC

19. Cechy charakterystyczne procesuwtryskiwania • proces cykliczny, • wysokociśnieniowy, • do produkcji wyrobów bryłowych pełnych, kompozytowych, dwuskładnikowych, wielokolorowych, wyrobów o zmiennej gęstości, zespolonych (tworzywo - metal,itp) o masie rzędu 10-2grama do 105grama, • bezodpadowy, • o dużej wydajności, • w pełni zautomatyzowany, • elastyczny, • mobilny.

20. Zautomatyzowane gniazdowtryskowe wtryskarka CNC (jednostka centralna) forma (narzędzie, które nadaje kształt wyrobom) urządzenia pomocnicze (termostat, podajnik materiału, suszarka separator wlewków, transporter taśmowy, manipulator lub robot, urządzenie pomiarowe, młynek do mielenia odpadów. Podajnik materiału (suszarka, dozownik) wypraska manipulator robot urządzenie pomiarowe forma Wtryskarka CNC termostat wypraska transporter taśmowy separator wlewków odpady, wlewki młynek

21. Przykład współczesnego gniazda wtryskowego

22. IDEA PROCESU WTRYSKIWANIA polimer (materiał) maszyna forma (narzędzie)

23. ZALETY możliwość wytwarzania bardzo skomplikowanych wyrobów w jednej operacji technologicznej otrzymujemy wyrób gotowy do użytkowania, praktycznie bez obróbki wykańczającej wysoka jakość i powtarzalność kształtu i wymiarów, estetyka wyrobu możliwość pełnej automatyzacji, komputeryzacji procesu możliwość masowej produkcji niska pracochłonność Niska emisja szkodliwych substancji WADY wysoki koszt oprzyrządowania technologicznego technologia nie ekonomiczna przy krótkich seriach produkcyjnych wymagane wysokie kwalifikacje pracowników technicznych długi czas przygotowania i spore nakłady finansowe związane z wdrożeniem do produkcji nowego wyrobu Wady i zalety procesu wtryskiwania

24. ODMIANY WTRYSKIWANIA • Wtryskiwanie ślimakowe- uplastycznienie tworzywa w układzie ślimak cylinder • Wtryskiwanie tłokowe – uplastycznienie materiału w cylindrze a wtryśnięcie za pomcą tłoka • Wtryskiwanie intruzyjne – możliwość wtryskiwania kształtek, których objętość leży daleko powyżej maksymalnej objętości wtryskowej ślimaka • Wtryskiwanie wielobarwne lub wieloskładnikowe – możliwość formowania wyrobów złożonych z różnych materiałów lub kolorów, połączenie materiałów następuje w formie na gorąco, wtryskarka wymaga co najmniej dwóch jednostek wtryskowych. • Wtryskiwanie gazowe GIT lub gazowe ze spienianiem GIT-S- podczas procesu wtryskiwania do formy podawany jest gaz obojętny w ten sposób można formować wyroby o różnych grubościach ścianek. W technice GIT – S pęcherzyki gazu w formie powodują spienienie tworzywa. • Wtryskiwanie z rozdmuchiwaniem lub z rozciąganiem – metoda dwuetapowa do formowania pojemników wewnątrz pustych. W pierwszym etapie wytwarza się wypraskę, w drugim wypraskę się rozdmuchuje się (wprowadzając do środka gaz) lub rozciąga za pomocą rdzenia

25. Schemat budowy wtryskarki Wtryskarka składa się trzech układów • Układ uplastyczniający (uplastycznia materiał i wtryskuje go do formy) • Układ narzędziowy (forma plus układ zamykania składający się z trzech stołów • Układ napędowy i sterujący Układ uplastyczniający Układ narzędziowy

26. Współczesna wtryskarka CNC

27. Współczesna forma wtryskowa

28. Formy wtryskowe

29. Formy wtryskowe

30. Formy gorąco i zimno kanałowe

31. Rysunek złożeniowy formy wtryskowej

32. Wypraski

33. Urządzenia peryferyjnewsmomagające pracę wtryskarki Podajnik tworzywa termostat sekcyjny przenośnik rolkowy młynki

34. Manipulatory i roboty

35. Cykl wtryskiwania i parametry procesu Cykl wtryskiwania - etapy • uplastycznienie materiału • zamknięcie formy • dojazd jednostki uplastyczniającej do formy • wtrysk • docisk • chłodzenie • usunięcie wypraski z formy Parametry procesu • temperatury - (stref grzewczych na cylindrze i dyszy, temp. połówek formy na termostacie) • Ciśnienia - (wtrysku, docisku, zwarcia połówek formy-siła zamykania, uplastycznienia) • Drogi - (skok formy, skok ślimaka lub tłoka, skok wypychaczy, skok jednostki uplastyczniającej) • Prędkości - (zamykania i otwierania formy, wypychaczy, wtrysku, jednostki uplastyczniąjącej, prędkość obrotowa ślimaka) • Czasy (cyklu, wtrysku, docisku, chłodzenia formy)

36. Schemat graficzny cyklu wtryskiwaniadrogi ślimaka i stołów formy w funkcji czasu 2 droga ślimaka czas Tg Tf Ta Tb Tc Td droga formy Te czas Ta – czas zamykania formy, Tb – czas dojazdu jednostki uplast. do formy, Tc czas wtrysku i docisku, Td- czas odjazdu jednostki uplast., Te- czas chłodzenia, Tg - czas otwierania formy, Tf - czas przerwy miedzy cyklami

37. Okno procesowe Prawidłowy proces wtryskiwania można opisać za pomocą okna procesowego Okno procesowe temperatura Degradacja termiczna przetrysk niedolew stop ciśnienie

38. Charakterystyka układów uplastyczniających wtryskarki

39. Charakterystyka układów narzędziowych wtryskarki

40. Charakterystyka układów napędowychi sterowania

41. V1 V2 TŁOKOWY UKŁAD UPLASTYCZNIAJĄCY 2 Budowa układu uplastyczniającego 4 5 3 6 1 Tch T3 T2 T1 T4 T1 >T2 • Oznaczenia: • tłok, 2. lej zasypowy, 3.cylinder, 4. opaski grzewcze, • 5. Dysza wtryskowa, 6.kanały chłodzące

42. ŚLIMAKOWY UKŁAD UPLASTYCZNIAJĄCY 4 5 2 3 1 6 OZNACZENIA: 1. ślimak, 2.cylinder, 3. opaski grzewcze, 4. dysza wtryskowa, 5. lej zasypowy, 6. kanały chłodzące

43. Hybrydowy układ uplastyczniający 1 2 • Oznaczenia: • Ślimakowa jednostka uplastyczniająca • .Tłokowa jednostka wtryskowa

44. Układ narzędziowyhydrauliczny 5 3 6 2 4 1 Oznaczenia: 1. Stół mocujący stały, 2 stół ruchomy, 3. stół mocujący tylni, 4 forma, 5 siłownik hydrauliczny dwustronnego działania, 6. kolumny prowadzące

45. 1 2 3 4 5 6 7 8 Układ narzędziowyDźwigniowo – hydrauliczny OZNACZENIA:1. siłownik hydrauliczny, 2. stół tylni, 3. kolumny prowadzące, 4. zespół dźwigni, 5. stół dystansowy, 6. stół ruchomy, 7. forma, 8. stół przedni

46. Układ narzędziowymechaniczny 1 2 3 4 5 6 7 8 9 OZNACZENIA: 1. Stół tylni, 2. kolumny prowadzące, 3 układ dźwigni, 4 stół pośredni, 5. stół ruchomy, 6. forma, 7. stół przedni, 8. koła zębate, 9. korba

47. Wtrysk dwuskładnikowy 1 2 3 4 OZNACZENIA 1. forma, 2 zawór sterujący, 3.rozdzielacz masy, 4. dwie jednostki uplastyczniające

48. Wtrysk dwukolorowy 5 4 3 6 2 1 Oznaczenia: 1.forma, 2, dwie jednostki uplastyczniające, 3 stół obrotowy, 4. stół stały przedni, 5. stół ruchomy, 6 mechanizm obrotowy

49. Wtrysk tworzyw termoutwardzalnych Podstawy przetwórstwa • Po wysuszeniu półfabrykat tłoczywo (żywica + napełniacz) podawany jest do leja w postaci granulatu, proszku. • W cylindrze wtryskarki materiał jest uplastyczniony, odgazowany i homogenizowany w temperaturze około 135 oC • Cały uplastyczniony materiał jest wtryskiwany do formy ogrzewanej o temperaturze 180 -200 oC, gdzie następuje proces sieciowania żywicy η lepkość tłoczywa 1 2 3 4 Lepkość graniczna ΔT Tczas nagrzewania zależność lepkości od czasu nagrzewania ΔT – czas wtryskiwalności Oznaczenia: 1. Strefa gorąca formy, 2. izolacja termiczna, 3. strefa zimna formy, 4. wypraska

50. Wtrysk elastomerów wulkanizujących Podstawy przetwórstwa gumy i mieszanek kauczukowych • półprodukt w postaci granulatu lub taśmy zasypywany jest do leja wtryskarki w temperaturze pokojowej • w cylindrze tworzywo jest podgrzewane do 60 – 90 stopni • tworzywo jest wtryskiwane do termostatowanej formy o temp. 180-2400C w której zachodzi wulkanizacja Park maszynowy • Wtryskarka wymaga specjalnej konstrukcji ślimaka. Stosuje się ślimaki śrubowe o stopniu sprężenia 3:1 i L/D = 14 lub ślimaki walcowe o stopniu sprężania 1:1 i dużym współczynniku tarcia • Forma jest mocowana na obrotowym stole (praca w systemie karuzelowym) Zalety W stosunku do klasycznej technologii wulkanizacji gumy wtrysk gumy i silikonów zapewnia lepszą jednorodność mieszanki, wysoką jakość wyrobów, możliwość formowania wyrobów o skomplikowanych kształtach