Gliwice 23.10.2007
Politechnika Śląska
Wydział: Mechaniczno-Technologiczny
Kierunek: Automatyka i Robotyka
Grupa dziekańska: II
Semestr: 1
Sprawozdanie
Ćwiczenie 6: Maszyny do przetwórstwa tworzyw sztucznych - nanoszenie powłok, termoformowanie.
Radosław Jabłoński
Nanoszenie powłok z tworzyw sztucznych
Cechą charakterystyczną technologii nakładania powłok organicznych jest znaczna różnorodność technik aplikacyjnych, od malowania pędzlem o wydajności kilku metrów kwadratowych na godzinę do całkowicie zautomatyzowanych instalacji o wydajności powlekania rzędu 5 tys. m2/h. Techniki aplikacyjne cechuje także różny stopień wykorzystania materiału powłokowego od 30 do 100% i znaczne różnice w pracochłonności.
Tworzywa sztuczne do celów powłokowych stosowane są w postaci dyspersji (teflon i inne polifluorowęglowodory), past (plastizoli i organozoli), folii cienkowarstwowych, arkuszy (wykładziny) i proszków o odpowiedniej granulacji. Tworzywo każdej z tych postaci wymaga odmiennej technologii nakładania. Asortyment tworzyw sztucznych stosowanych do celów powłokowych jest bardzo szeroki i obejmuje zarówno tworzywa termoplastyczne takie, jak polichlorek winylu (zwłaszcza pasty i folie nakładane w sposób ciągły na taśmy metalowe), poliamidy, polietylen, żywice epoksydowe, poliestrowe, poliuretanowe itp.( Najczęściej i na największą skalę stosowane są powłoki PVC, poliamidów i polifluorowęglowodorów.
Sposoby nanoszenia pokryć z proszkowych tworzyw sztucznych
napylanie
pneumatyczne
fluidyzacyjne
odśrodkowe
napylanie gazowo płomieniowe
napylanie elektrostatyczne
metoda zanurzeniowa
powlekanie dyspersjami
powlekanie wytłaczaniem
we wszystkich metodach ważne jest odpowiednie przygotowanie materialu na który nanosimy powłoke. Powierzchnia musi być oczyszczona z rdzy, tłuszczu, pyłu, starych powłok lub wilgoci.
Nie przestrzeganie tego skutkuje skazami naniesionej powłoki.
A. Napylanie fluidyzacyjne
Napylanie fluidyzacyjne polega na zanurzaniu i wynurzaniu w złożu fluidy¬zacyjnym nagrzanego przemiotu. Tworzenie się powłoki z proszku polimeru na podłożu metalowym jest wynikiem zetknięcia się cząstek tworzywa z uprzednio nagrzaną powierzchnią przedmiotu metalowego.
W stałym strumieniu cząstek proces ten będzie się powtarzać aż do tak znacznego obniżenia się temperatury przedmiotu, że zaabsorbowana przezeń ilość ciepła nie wystarczy do nadtopienia dalszych uderzających cząstek.
W przypadkach bryły o kształcie sześcianu występują zawirowania strumie¬nia opływających cząstek, w przeciwieństwie do przypadku kształtów kulistych. Zawirowania strumienia gazu powodują różnice temperatur między poszcze¬gólnymi punktami powierzchni przedmiotu, a naroża bryły stanowią punkty o największych stratach ciepła przez przedmiot. Istotnym elementem tworzenia się powłoki, obok odpowiedniej ilości ciepła, jest takie ułożenie luźnego prosz¬ku, aby między ziarnami istniały możliwie liczne punkty styku. Im większa liczba punktów kontaktowych -między ziarnami, tym łatwiej i energiczniej przebiega proces.
Wadą tej metody jest czas. Czas napylania musi być ściśle określony gdyż za długa, lub za krótka ekspozycja skutkuje wadami naniesionej powłoki
Napylanie płomieniowe polega na rozpyleniu tworzywa powłokowego (pasta lub proszek), stopieniu w strefie płomienia lub w jego otoczeniu, celem utwo¬rzenia zwartej i zestalonej powłoki na pokrywanym przedmiocie. Napytanie płomieniowe prowadzi się głównie w odniesieniu do dużych konstrukcji meta¬lowych, betonowych, ceglanych, drewnianych itp. Obecnie napylanie płomie¬niowe ma bardzo ograniczone zastosowanie i wykorzystywane jest w nielicz¬nych przypadkach Do wytwarzania płomienia stosuje się różne gazy palne, przede wszystkim acety¬len, propan, butan, gaz ziemny, wodór, gaz świetlny lub gaz płynny (mieszani¬na propanu i butanu), a jako gazów podtrzymujących palenie używa się powie¬trza lub tlenu. Najczęściej stosowany jest płomień acetylenowo-tlenowy. Naj¬niższą temperaturę, ok. 300°C, notuje się u wylotu dyszy, gdzie znajduje się mieszanina nie spalonego acetylenu i tlenu; w strefie tej nie ma spalania. Do¬piero rozpad acetylenu na węgiel i wodór oraz następne spalanie tych produk¬tów powoduje podniesienie się temperatury do 2000° C lub 3000°C.
Zakłada się, że wstępne uplastycznienie cząstek tworzywa następuje w początkowym odcinku ruchu między dyszą a podłożem w odległości 50-100 mm od dyszy. Działanie płomienia na pozostałym odcinku (100 - 200 mm) po¬lega na dalszym uplastycznianiu cząstek do takich granic, aby padały one .na podłoże w stanie umożliwiającym ich zakotwiczenie i utworzenie jednolitej po¬włoki.
C. Napylanie elektrostatyczne
Istota procesu napylania elektrostatycznego polega na pokrywaniu przed¬miotu naładowanym elektrycznie tworzywem proszkowym. Napylona na przedmiot warstwa proszków zatrzymuje częściowo uzyskany ładunek elek¬tryczny, nawet po zlikwidowaniu pola elektrostatycznego, dzięki czemu może utrzymać się na przedmiocie przez długi okres (nawet kilka godzin). Umożliwia to napylenie niepodgrzanych przedmiotów i spiekanie warstwy w późniejszych etapach procesu.
Elektryzowanie ziaren proszku zachodzi pod wpływem łącznego oddziaływania kilku różnych procesów, takich jak: kon¬taktu ziaren z materiałem głowicy i otaczającym powietrzem, na skutek prze¬wodzenia (od materiału głowicy) na skutek polaryzacji (elektronowej, atomowej lub orientacyjnej) ziaren oraz przez adsorbcję jonów, drogą dyfuzji i bombar¬dowania. Proces ładowania elektrycznego proszku tworzywa odbywa się w spe¬cjalnej głowicy, do której doprowadza się z generatora prąd stały wysokiego napięcia. Najczęściej stosuje się napięcia od 30 do 150 kV.
E. Powlekanie dyspersjami
Powlekanie dyspersjami z tworzyw sztucznych można prowadzić przez na¬tryskiwanie pneumatyczne, zanurzenie i nakładanie walcami. Najczęściej sto¬sowane są wodne dyspersje polimerów (hydrozole). Do wytwarzania powłok ochronnych służą głównie dyspersje z polimerów winylowych, fluorowych, poli¬etylenów i innych
F. Powlekanie wytłaczaniem
wytłaczanie zaliczane jest do najbardziej wydajnych technologii przetwór¬stwa tworzyw sztucznych. Zastosowanie jej do powlekania umożliwia wyfwa-, rzanie powłok z termoplastycznych tworzyw sztucznych z dużą wydajnością w sposób ciągły. Największe zastosowanie metoda ta znalazła w zabezpieczeniu antykorozyjnym rur stalowych. Metoda wytłaczania polega na ciągłym kształ¬towaniu lepko-sprężyste-go tworzywa poprzez przepychanie go przez otwór formujący, w wyni¬ku czego otrzymuje się plastyczny profil, który może być w dalszej kolej¬ności nakładany na po¬krywany profil i ochłodzo¬ny. Nakładanie powłok może być realizowane trze¬ma metodami, a mianowicie:
1) tworzenie zewnętrznych lub wewnętrznych powłok na powierzchniach z uprzednio wykonanych rur (folii rękawowych) z wykorzystaniem tzw. pa¬mięci kształtu rury z tworzywa sztucznego,
2) wytłaczanie folii z tworzywa sztucznego i spiralnie nawijane na rurę stalową z równoczesnym jej zgrzewaniem,
3) nakładanie powłok na rury stalowe przez wytłaczanie bezpośrednio na rurę stalową.
Termoformowanie
Termoformowanie czyli inaczej Formowanie próżniowe polega na nagrzaniu płyty lub folii z termoplastycznego tworzywa sztucznego do temperatury mięknienia, a następnie uformowaniu kształtu wyboru, pod działaniem podciśnienia w formie i jego utrwaleniu przez chłodzenie. Technologia formowania próżniowego zastępuje w znacznym stopniu technologię wtrysku. Metodą tą można wytwarzać wyroby o bardzo małej grubości ścianki (rzędu setnych części mm) i o znacznych gabarytach (rzędu kilku m2), co nie jest możliwe do uzyskania na wtryskarkach. Wyroby produkowane tą techniką to w przeważającej większości opakowania, w formie wszelkiego rodzaju pojemników otwartych, z reguły dzielonych w płaszczyźnie największego przekroju.
Do zalet formowania próżniowego zalicza się:
możliwość wytwarzania wyrobów o bardzo małej grubości ścianek i o znacznych gabarytach
niski koszt form
możliwość stosowania form wielokrotnych, zwiększających wydajność produkcji
swoboda wyboru surowca do formowania
Do wad zaliczyć należy:
wysokie ceny surowca - ceny płyt i folii są ok. 100% wyższe od cen granulatu
powstawanie znacznych odpadów produkcyjnych
nierównomierności w grubości ścianek wyrobu
konieczność wykonywania obróbki wykańczającej
Do formowania próżniowego stosuje się półprodukty z termoplastycznych tworzyw sztucznych w postaci płyt i folii. Do najczęściej przetwarzanych tą metodą tworzyw sztucznych zalicza się:
polistyren (PS)
polichlorek winylu (PVC)
polipropylen (PMM)
polietylen (PE)
polipropylen (PP)
Tworzywa przetwarzane metodą formowania próżniowego muszą spełniać następujące wymagania:
posiadać szeroki zakres temperatur w którym możliwe jest termoformowanie
umożliwiać uzyskanie odpowiedniej głębokości formowania
powinny dobrze płynąć, dokładnie wypełniać zagłębienia i układać się na krawędziach formy
mieć odpowiednią wytrzymałość cieplną
zachować kształt po formowaniu i wytrzymałość wynikającą z cech materiału wyjściowego
Metody formowania próżniowego
Rozróżnia się dwa zasadnicze rodzaje formowania próżniowego: negatywowe i pozytywowe.
Formowanie negatywowe
Polega na wciągnięciu folii lub płyty z tworzywa sztucznego w negatywową formę (wklęsłą matrycę). Wadą tej metody jest pocieranie się ścianek wyrobu wraz z głębokością formowania. Optymalny stosunek formowania (H) do średnicy (D) wynosi: H/D=0,4. możliwość jest nawet dwukrotne zwiększenie przez zastosowanie pochylenia ścianek. Zmniejszenie efektu pocienienia można również uzyskać stosując tzw. Ekranowanie, polegające na osłanianiu przed nagrzewaniem miejsc na folii, które w czasie formowania najbardziej ulegają wyciąganiu, lub stosując częściowe przytrzymywanie folii przez ramę dociskową ze sprężynami. Unowocześniona metoda formowania negatywowego z rozciąganiem folii polega na wykorzystaniu w procesie formowania gorącego, sprężonego powietrza.
Formowanie pozytywowe
Formy w tej metodzie mają kształt wypukłych stempli, na których obciągana jest folia w procesie formowania. W celu uniknięcia pocierania się ścianki stosuje się analogicznie do metody po przedniej, rozciąganie folii mechaniczne i powietrzno-mechaniczne. Wadą metody pozytywowej jest większy odpad produkcyjny w postaci obrzeży, jak również nierównomierna grubość ścianek, z reguły pocieranie ścianek bocznych.
Tradycyjna maszyna do próżniowego formowania wyposażona jest w urządzenie do wytwarzania próżni, urządzenie grzewcze, komorę na formy. Za względu na zbyt niskie wydajności pomp próżniowych w celu umożliwienia formowania wyrobu w czasie rzędu kilku sekund, maszyny wyposażone są w akumulatory próżniowe. Techniki wykonywania form oraz stosowane do tego celu materiały są bardzo różne. Zaletą formowania próżniowego jest jego niski koszt wykonywania form w porównaniu z formami wtryskowymi. Formy mogą być wykonane z drewna, materiałów ceramicznych, żywic syntetycznych, laminatów, metali. Materiał na formę powinien być łatwo obrabialny z możliwością uzyskania gładkiej powierzchni, charakteryzować się odpornością cieplną w zakresie temperatur formowania, nie ulegać odkształceniom.