1

ODLEWANIE I LAMINOWANIE TWORZYW SZTUCZNYCH

1. ODLEWANIE jest jedną z technik wytwarzania wyrobów z tworzyw sztucznych.

Proces

może odbywać się w sposób cykliczny lub ciągły. Polega na przeprowadzeniu tworzywa ze

stanu ciekłego, plastycznego lub rzadziej stałego w stan stały, bez stosowania ciśnienia, bądź

pod ciśnieniem na ogół nieprzekraczającym 0,3 MPa, często w twardym gnieździe

formującym w temperaturze normalnej lub podwyższonej. Następnie przedmiot (odlew)

wyjmowany jest z gniazda.

Do wytwarzania odlewów można użyć:

płynne żywice utwardzalne ( żywice poliestrowe i epoksydowe)

lane żywice rezolowe

prepolimery ( polistyren i PMMA)

roztwory polimerów w rozpuszczalnikach organicznych ( poliwęglan, octan i

ocantomaślan celulozy)

pastę PVC

różne monomery (polimeryzacja w formie)

Metody odlewania tworzyw sztucznych:



normalne



rotacyjne



wylewanie



zalewanie

1.1. ODLEWANIE NORMALANE

W odlewaniu normalnym wykorzystuje się tworzywa utwardzalne w stanie ciekłym lub

plastycznym. Sporządzenie tworzywa odbywa się przed samym procesem odlewania i polega

na zmieszaniu (przeważnie mechanicznym) w danych proporcjach i ustalonej kolejności;

polimeru, utwardzacza, rozcieńczalnika, napełniacza, środka barwiącego, przyspieszacza i

innych niezbędnych składników dodatkowych , jak również odgazowaniu mieszaniny.

2

Odlewanie normalne polega na wlaniu tworzywa do gniazda formującego formy odlewniczej:

a) bezpośrednio- odlewanie normalne bezpośrednie grawitacyjne (bezciśnieniowe) (Rys.1.) ,

b) pośrednio- odlewanie normalne pośrednie niskociśnieniowe (Rys.1.),

Rys. 1. Schemat odlewania normalnego: a) bezpośredniego, b) pośredniego (niskociśnieniowego)
kanałowego: 1- model odlewniczy, 2- płyta i rama, 3-wlewanie tworzywa, 4- naczynie z tworzywem
sporządzonym do odlewania, 5- matryca, 6- stempel, 7-obudowa stempla, 8- kanały odpowietrzające,
9- kanał odlewniczy, 10- odlew

Odlewanie bezciśnieniowe stosuje się wtedy, gdy jedna strona odlewu w czasie odlewania ma

płaszczyzny poziome, jest to mianowicie strona, od której wlewa się tworzywo do gniazda.

Odlewanie ciśnieniowe pozwala na otrzymywanie odlewów o płaszczyznach również

niepoziomych podczas odlewania. Twierdzi się, że odlewanie ciśnieniowe zapewnia lepsze

właściwości odlewu i dużym stopniu ogranicza emisję do atmosfery ubocznych produktów

procesu utwardzania, np. w przypadku odlewania tworzyw poliestrowych.

Od przebiegu wypełnienia gniazda oraz utwardzenia odlewu, w dużej mierze zależą

właściwości użytkowe odlewu. Na wpływ tego procesu mają następujące czynniki:

•

kinematyka wypełnienia gniazda formującego

3

Jeżeli gniazdo wypełniane jest bezpośrednio tworzywem, zachodzi wówczas odlewanie

bezciśnieniowe i formy są zazwyczaj otwarte. Natomiast, kiedy tworzywo wlewane jest przez

kanał odlewniczy, czyli pośrednio, zachodzi odlewanie ciśnieniowe i formy są zamknięte.

•

temperatura formy

•

ochładzanie odlewu

Przeważnie odlew ochładzany jest razem z formą lub wyjmowany z gniazda, a następnie

umieszczany w specjalnej komorze albo chłodzony na wolnym powietrzu.

ZASTOSOWANIE ODLEWANIA NORMALNEGO

Odlewanie normalne stosuje się efektywnie od dawna do wytwarzania oprzyrządowania

technologicznego, zwłaszcza odlewniczego i stosowanego w obróbce skrawaniem oraz do

wytwarzania narzędzi, głównie wykrojników i narzędzi do obróbki skrawaniem.

Elementami zalewanymi mogą być elementy elektroniczne i wówczas odlewanie takie w

przemyśle elektronicznym nazywa się często hermetyzacją odlewniczą. Hermetyzacja ta

odbywa się na ogół w prostych formach w kształcie prostopadłościanu lub walca,

wykonanych z metali bądź tworzy wielkocząsteczkowych. W formach umieszcza się

elementy elektryczne i zalewa sporządzoną mieszaniną. Po utwardzeniu elementy otoczone

tworzywem wyjmuje się z formy. W niektórych przypadkach tworzywo otaczające elementy

elektroniczne nie może zawierać nawet nielicznych i małych pęcherzyków powietrza i

wówczas trzeba je odlewać pod ciśnieniem ( Rys.2.) luz za pomocą urządzeń bardziej

złożonych, często w dużym stopniu zautomatyzowanych i zrobotyzowanych.

4

Rys. 2. Urządzenie do hermetyzacji odlewniczej pod obniżonym ciśnieniem: 1-pojemnik z tworzywem
do odlewania, 2- forma odlewnicza, 3- zwór, 4- ramie do manipulowania dozownikiem, 5- dozownik,
6- stół obrotowy z podziałką

1.2. ODLEWANIE ROTACYJNE

W procesie odlewania rotacyjnego zwanego również obrotowym lub odśrodkowy,

wykorzystywana jest siła odśrodkowa działająca na tworzywo odlane. Tworzywo

wprowadzane jest do formy najczęściej w postaci proszku, następnie pod wpływem ogrzania

formy ulega stopieniu w jej gnieździe. Zestalenie lub utwardzenie tworzywa następuje w

obracającej się formie, która następnie jest zatrzymywana, otwierana i jej gniazda

wyjmowany jest odlew.

Przy użyciu tej metody można otrzymać takie produkty jak: specjalistyczne zbiorniki i

pojemniki na paliwo, środki chemiczne, wodę, karmniki dla zwierząt, pojemniki na żywność,

obudowy przyrządów, sprzęt medyczny, kaski bezpieczeństwa, bariery i oznakowania

drogowe. Kolejne przykłady wyrobów otrzymanych metoda odlewania rotacyjnego to

zabawki, łodzie, kajaki, foteliki dla dzieci, stoły, doniczki, zagłówki, okładziny do

samochodów i wiele innych.

5

Odlewanie rotacyjne planetarne ma szczególne znaczenie w wytwarzaniu zbiorników z

tworzyw termoplastycznych (głównie PE, PVC, PA, PS, PC i ABS). Proces ten przebiega

następująco:

a)

tworzywo wejściowe, w odpowiedniej ilości, wsypywane jest do gniazda. Tworzywo

na ogół ma postać proszku o rozmiarach ziaren 50÷200 µm;

b)

forma wprawiana jest w ruch planetarny i ogrzewana;

c)

tworzywo w tym czasie osadza się na powierzchni gniazda, która wcześniej została

pokryta środkiem antyadhezyjnym, i stapia się.

Odlewanie rotacyjne kołowe stosowane jest do otrzymywania rur lub elementów

obrotowych z tworzyw utwardzalnych lub termoplastycznych. Można również za pomocą

tej metody odlać rury z tworzyw utwardzalnych wzmacnianych włóknem. W tym

przypadku do gniazda formy rurowej wprowadza się włókna ( najczęściej krótkie włókna

szklane), spoiwo ciekłe oraz ewentualnie napełniacze proszkowe. Następnie formę, która

jest umocowana w maszynie odlewniczej, wprawia się w ruch obrotowy z prędkością

nawet do 42 s

-1

przy małych średnicach rur. Tworzywo utwardza się w podwyższonej

temperaturze. Po zatrzymaniu i ochłodzeniu formy rura bez problemu jest wyjmowana z

gniazda.

ZALETY ODLEWANIA ROTACYJNEGO:



możliwość wytwarzania dużych, pustych w środku wyrobów, np. zbiorniki



nieduży koszt form



cały procesu ( grzanie, topienie, formowanie oraz chłodzenie) przebiega w formie i

nie wykorzystuje się w nim żadnego zewnętrznego ciśnienia



brak linii łączenia na powierzchni wyrobów



ekonomiczne dla niewielkich serii produkcyjnych, ze względu na niski koszt

narzędzi

WADY ODLEWANIA ROTACYJNEGO



bardzo długie czasy cyklu – najczęściej jeden lub dwa na godzinę

6

1.3. WYLEWANIE

Wylewanie jest jedna z technik otrzymywania folii i polega na wypływie ze stałym

natężeniem tworzywa w stanie plastycznym lub rzadziej ciekłym na przesuwające się

podłoże.

Odbywa się ono za pomocą maszyn do wylewania, których zasadnicza częścią składową jest

narzędzie do wylewania. Najważniejszym elementem narzędzia do wylewania jest szczelina o

określonym kształcie i wymiarach, z której wypływa tworzywo. Szczelina może być

międzywalcowa i wówczas narzędziem jest układ na ogół trzech lub czterech walców lub

może być międzypłaszczyznowa i w takim przypadku narzędziem jest głowica wylewająca.

Stosuje się głównie do wytwarzania folii z tworzyw termoplastycznych (np. zmiękczonego

PVC) , w tym ultracienkich o grubości nawet 2÷5µm. Schemat procesu wylewania folii za

pomocą układu trzech walców przedstawiono poniżej na Rys. 3.

Rys. 3. Schemat wylewania walcowego za pomocą układu trzech walców obracających się w tym
samym kierunku: 1- walec powlekający, 2- zgarniacze, 3-walec dozujący, 4- warstwa tworzywa
stanowiąca późniejszą folię, 5- chłodzony walec dociskający i prowadzący podłoże (taśmę), 6- podłoże
(taśma.)

1.4.

ZALEWANIE

Zalewanie jest odmianą odlewania, którego celem jest przede wszystkim regeneracja

elementów maszyn, do uzupełniania ubytków materiału w gniazdach, gdzie osadza się

łożysko tłoczne. Proces zalewania rozpoczyna się od wybrania materiału gniazda zwykle za

7

pomocą obróbki skrawaniem, np. toczenia zgrubnego, prowadzącego do powiększenia

ś

rednicy gniazda. Następnie po zmontowaniu przedmiotu względem, którego ma się

przeprowadzać proces zalewania, z przyrządem, w szczelinę między obrobioną powierzchnia

gniazda

(chropowatą)

a

powierzchnia

trzpienia

(gładką)

pokrytą

ś

rodkiem

przeciwprzyczepnym wprowadza się ciekłe tworzywo. Po zestaleniu lub utwardzeniu

tworzywa następuje demontaż przyrządu i przedmiotu.

Do zalewania stosuje się tworzywa epoksydowe, co jest spowodowane głównie ich małym

skurczem przetwórczym.

Rys. 4. Schemat zalewania: 1- element konstrukcyjny, 2- szczelina do wypełnienia tworzywa, 3- trzpień
przyrządu zalewniczego, 4- końcówka urządzenia do zalewania, 5- doprowadzenie tworzywa
zalewającego, 6- uszczelka.

2. LAMINOWANIE

Proces cykliczny lub ciągły polegający na trwałym łączeniu adhezyjnym warstw napełniacza

( nośnika) w kształcie arkuszy, taśm lub włókien za pomocą spoiwa, na trwałym łączeniu

kohezyjnym warstw tworzywa na ogół w kształcie taśm, bądź na trwałym adhezyjnym folii

polimerowych ze sobą lub z foliami z innego materiału.

8

Laminowanie przebiega bez wywierania ciśnienia, zarówno w temperaturze pokojowej, jak i

podwyższonej ( z zasady nie wyższej niż 150

0

C), często przy zastosowaniu promienników

podczerwieni jako źródeł ciepła.

STOSOWANE NAPŁNIACZE ( NOŚNIKI):



arkusze



tkaniny



maty



taśmy



włókna [ szklane, węglowe, polimerowe, azbestowe, bawełniany, borowe, metalowe i

krzemowe ]

Jako SPOIWA stosuje się substancje z różnych polimerów, które charakteryzują się znaczną

adhezją do wymienionych napełniaczy, duże znaczenie ma jednak stosowanie polimerów

utwardzających się w procesie polimeryzacji addycyjnej lub kopolimeryzacji rodnikowej,

głównie epoksydów i poliestrów. Jak wiadomo, żywice termoutwardzalne pod działaniem

ciepła początkowo miękną i ulegają przemianom chemicznym, po czym zestalają się i staja

się trudnotopliwe; natomiast żywice termoplastyczne zachowują zdolność wielokrotnego

mięknięcia przy ogrzewaniu i twardnienia przy ochładzaniu.

Metoda laminowania dzieli się, ze względu na kształt stosowanego napełniacza lub tworzywa

wejściowego i stan spoiwa, na następujące główne odmiany:



laminowanie natryskowe (spoiwo jest w stanie ciekłym, a napełniacz ma kształt

włókien krótkich)



przeciąganie i laminowanie specjalne (spoiwo jest w stanie ciekłym, a napełniacz ma

kształt włókien długich)



nawijanie (spoiwo jest w stanie ciekłym lub stałym, również tworzywo wejściowe

może być w kształcie taśm w stanie plastycznym, otrzymywanym innymi metodami

przetwórczymi, a napełniacz ma kształt włókien długich lub taśm z włókien)



nakładanie, (spoiwem są substancje w stanie ciekłym lub stałym, a napełniacze są

arkuszami)

9

2.1. LAMINOWANIE NATRYSKOWE

Polega na jednoczesnym nanoszeniu na powierzchnię gniazda formującego mieszaniny

ż

ywicy i włókien ciętych. Klasyczne laminowanie natryskowe przeprowadza się za pomocą

maszyny, która składa się z dwóch podstawowych zespołów: zespołu podawania tworzywa i

włókien oraz pistoletu natryskowego o specjalnej konstrukcji.

Pistolet do laminowania natryskowego przedstawiono na Rys. 5. Widoczne dwie dysze

umieszczone na bokach pistoletu, mają za zadanie podanie mieszaniny żywicy z

utwardzaczem i przyspieszaczem. Podanie mieszaniny przewodami następuję wskutek

sprężonego powietrza, które wytworzone jest za pomocą sprężarki. W centralnej części

pistoletu umieszczona jest również krajanka, do której podawane jest włókno długie a

następnie cięte na odcinki o długości 3÷5cm. W kolejnym etapie natryskiwania wyrzucane

włókno i spoiwo mieszają się ze sobą w czasie lotu, po czym osadzają się na powierzchni w

postaci warstwy, gdzie następuje jej utwardzenie. Jednorazowo możemy otrzymać warstwy o

grubości do 2 mm.

Laminowanie natryskowe stosuje się do produkcji przedmiotów o znacznych rozmiarach, jak

np. nadwozi samochodowych, a także w budownictwie do wytwarzania izolacji

antykorozyjnej w dachach, tunelach, kanałach, zbiornikach itp.

10

Rys. 5. Pistolet do laminowania natryskowego. a) widok ogólny, b) krajanka rowingu; 1- przewód

prowadzący włókno, 2- rolka podająca, 3- rolka dociskowa, 4- nóż obrotowy, 5- rolka z miękką

wykładziną, 6- ekran osłaniający, 7- prowadzenie włókna

Laminowanie natryskowe sekwencyjne jest główną odmianą laminowania natryskowego.

Zasadniczą różnicą laminowania natryskowego sekwencyjnego jest natryskiwanie tylko

włókna, a spoiwo w postaci dwóch warstw nanoszone jest oddzielnie w procesie odlewania

przed i po natryskiwaniu włókien. Proces laminowania natryskowego sekwencyjnego

przedstawiono na rysunku poniżej (Rys. 6.).

11

Rys.6. Schemat laminowania natryskowego sekwencyjnego: 1- folia polimerowa, 2- krajarka włókien,
3- zbiornik ze spoiwem polimerowym, 4- zgarniacz, 5- taśma laminatu pokryta dwustronnie folia

2.2.PRZECIĄGANIE

Przeciąganie polega na ciągłym przesyceniu włókien długich, np. rowningu, ciekłym

spoiwem, uformowaniu przedmiotu, zwanego kształtownikiem laminowanym lub profilem

laminowanym, utwardzeniu bądź zestaleniu i rozdzieleniu go na odcinki.

Za pomocą tej odmiany laminowania możemy otrzymać kształtowniki o przekroju

poprzecznym w kształcie koła, pierścienia, płaskownika, kątownika, ceownika, dwuteownika

itp.

2.3. NAWIJANIE

Podczas nawijania, wskutek ruchu obrotowego, następuje ułożenie zbrojenia ( zwanego

nawojem), na powierzchni rdzenia, który ma kształt otrzymanego przedmiotu. Nawoje mają

postać pasm włókien długich (np. rowingu) lub taśm z włókien lub taśm tworzywa w stanie

plastycznym. Stosowanym spoiwem są przede wszystkim tworzywa poliestrowe i

epoksydowe.

12

Nawijanie przeprowadza się za pomocą maszyn do nawijania, zwanych nawijarkami.

Posiadają one różne rozwiązania konstrukcyjne, jednakże w każdym przypadku rdzeń

wykonuje ruch obrotowy.

Ze względu na kinematykę nawijarki dzielimy na:

-planetarne, w którym w układzie rdzeń-nawój zachodzi złożony ruch obrotowy, czyli ruch

planetarny; jest ono cykliczne (Rys.7.)

Rys. 7. Schemat planetarnego nawijania zbiornika: a) z ruchem planetarnym formy, b) z ruchem

obrotowym formy i głowicy nawijającej; 1- forma do nawijania, 2- włókno nawijane, 3- ramię

obrotowe maszyny do nawijania, 4- głowica nawijająca, α- kąt charakterystyczny

-śrubowe, w którym w układzie rdzeń-nawój zachodzi prosty ruch obrotowy (kołowy) i

jednocześnie poprzeczny ruch postępowo-zwrotny, czyli ruch śrubowy; może ono być

cykliczne lub ciągłe (Rys.8.)

13

Rys. 8. Schemat nawijania śrubowego jednostronnego: 1- wytłaczarka, 2- taśma tworzywa

uplastycznionego,3- rolka prowadząca dociskająca taśmę, 4- forma zewnętrzna- rura stalowa, 5-

wałki obrotowe, 6- wózek.

2.3.NAKŁADANIE

Nakładanie polega na ułożeniu na powierzchni gniazda formującego formy wewnętrznej luz

zewnętrznej liczby warstw napełniacza arkuszowego uprzednio powleczonego spoiwem, czyli

preimpregnowanego na mokro, lub na powlekaniu go bezpośrednio w gnieździe, chwilowym

lekkim dociśnięciu warstw do siebie i przesyceniu ich, a następnie utwardzeniu.

Nakładanie najczęściej przeprowadza się przy użyciu ręcznych narzędzi pracy, takich jak

pędzle, wałki miękkie malarskie i metalowe z nacięciami, nożyce ręczne bądź z napędem

mechanicznym. Stosuje się również pistolety natryskowe.

Metoda ta zalecana jest do otrzymywania przedmiotów skorupowatych o bardzo dużych

rozmiarach, prototypów bądź przedmiotów o znacznych rozmiarach w krótkich seriach, gdzie

wytwarzanie innymi metodami byłoby często wręcz nie możliwe lub bardzo kosztowne.

14

Rys. 9. Schemat nakładania służącego do wytworzenia kadłuba dużej łodzi: 1- forma wewnętrzna, 2-
pomost ruchomy, 3- pomost stały, 4- drabinka, 5- kadłub łodzi, 6- wózek, 7- rusztowanie.

LITERATURA

1.

Robert Sikora, Przetwórstwo tworzyw wielkocząsteczkowych, Wydawnictwo

Edukacyjne Zofii Dobkowskiej, Warszawa 1993;

2.

Praca zbiorowa pod redakcją Roberta Sikory, Przetwórstwo tworzyw polimerowych,

Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, Lublin 2006;

3.

Jan Brzeziński, Laminaty termoutwardzalne, Wydawnictwo naukowo-techniczne,

Warszawa;

4.

A. G. Sorocziszyn, Tworzywa sztuczne wzmacniane włóknem szklanym, Arkady,

1969;

5.

K. Dobrosz, A. Matysiak, Tworzywa sztuczne. Materiałoznawstwo i przetwórstwo.

Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, 1994;

6.

D. śuchowska, Polimery konstrukcyjne. Przetwórstwo i właściwości. Wydawnictwo

Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 1993;