Przetwórstwo tworzyw sztucznych metodą WTRYSKIWANIA

1) Charakterystyka metody

OPIS METODY:

Przetwórstwo tworzyw sztucznych metodą wtryskiwania można opisać jako:

1 -	cykliczny proces kształtowania wyrobów bryłowych (o masie od 1 mg do ponad 10 kg),
2 -	podczas którego materiał w postaci granulatu lub proszku (tworzyw termoplastycznych, termoutwardzalnych lub elastomerów) jest uplastyczniony pod wpływem ciepła w cylindrze wtryskarki (w temperaturze 160 ÷ 320°C),
3 -	a następnie wtryśnięty pod dużym ciśnieniem (rzędu 500 ÷ 2000 bar) za pomocą ślimaka lub tłoka do gniazda formującego wykonanego w narzędziu (w formie wtryskowej).

2) Przetwarzane tworzywa

Tablica 1. Wykaz wybranych tworzyw sztucznych i ich nazw

Tworzywa wielkocząsteczkowe		Nazwa	Ozn.
Elastomery	wulkanizujące	kauczuk naturalny	NR
		kauczuk izoprenowy	IR
		kauczuk chloroprenowy	CR
	niewulkanizujące	polichlorek winylu zmiękczony	PVC-M
		poliuretany	EPU
Termoplasty		polietylen	PE
		polipropylen	PP
		polistyren	PS
		polistyren wysokoudarowy	PSHI
		polichlorek winylu	PVC
		akrylonitryl/butadien/styren	ABS
		poliamid	PA
		poliwęglan	PC
		politeraftalan etylenu	PET
		polimetakrylan metylu	PMMA
Duroplasty	termoutwardzalne	melaminowe	MF
		fenoplasty	PF
		mocznikowe	UF
	chemoutwardzalne	żywica epoksydowa	EP
		żywica poliestrowa	UP
		poliuretan utwardzalny	PUR

3) Postacie półfabrykatów (surowców)

Tablica 2. Wybrane postacie tworzyw sztucznych przeznaczonych
do dalszego przetwórstwa metodą wtryskiwania:

L.p.	Rodzaj tworzywa sztucznego	Postać TS przeznaczonego do przetwórstwa metodą wtryskiwania	Widok
1	Elastomery	wstęgi, krajanka
2	Termoplasty	granulat, regranulat
3	Duroplasty	proszek

4) Rodzaje wyrobów

Rys. 1. Widok bryłowych wyrobów z tworzyw sztucznych,
kształtowanych metodą wtryskiwania

5) Stanowisko

Do otrzymywania wyrobów bryłowych z tworzyw sztucznych, zwanych ogólnie wypraskami wtryskowymi, z użyciem metody wtryskiwania, potrzebne są:

► maszyna robocza - wtryskarka (o sile zwarcia układu
narzędziowego od kilku
kilogramów do kilkudziesięciu
tysięcy ton),

► narzędzie - forma wtryskowa.

Rys. 2. Widok maszyn roboczych - wtryskarek:
a) wtryskarka firmy KuASY z lat 70-tych,
b) wtryskarka firmy BOY z lat 90-tych

Rys. 3. Widok narzędzi do przetwórstwa tworzyw sztucznych
metodą wtryskiwania - form wtryskowych

Rys. 4. Widok fragmentu wtryskarki wraz z zainstalowaną na jej
układzie narzędziowym formą wtryskową

Rys. 5. Widok fragmentu wtryskarki wraz z zainstalowaną na jej
układzie narzędziowym formą wtryskową:
A - układ narzędziowy, B - układ uplastyczniający,
C - układy napędowe i sterowania.

Maszyna robocza - wtryskarka składa się z 4 głównych układów (modułów):

Tablica 3. Wykaz układów, z których zbudowana jest klasyczna
maszyna robocza - wtryskarka, przeznaczona do
realizacji przetwórstwa tworzyw sztucznych metodą
wtryskiwania

Nazwa układu (modułu)	Główne elementy	Funkcja
1) układ uplastyczniający (jednostka wtryskowa)	- zasobnik tworzywa - cylinder - grzałki - ślimak ^*) - napęd ślimaka - dysza wtryskowa	Uplastycznienie oraz wtryśnięcie tworzywa do gniazda formującego
2) układ narzędziowy (jednostka zamykająca)	- płyta ruchoma - płyta nieruchoma - zespół przytrzymania płyty ruchomej (mechaniczny lub hydrauliczny)	Przytrzymanie formy wtryskowej w pozycji zamkniętej podczas fazy wtryskiwania
3) układ napędowy	- silnik (i) elektryczne - silnik (i) hydrauliczne - pompa hydrauliczna	Umożliwiają ruchy i realizację funkcji układu uplastyczniającego i narzędziowego
4) układ sterowania	- czujniki temperatury - regulatory temperatury - regulatory czasu - regulatory ciśnienia - regulatory przepływu chłodziwa - układy pomiaru drogi	Służą do uzyskania optymalnych wyprasek wtryskowych i zapewniają ich niezmienną jakość podczas produkcji

Ad *) w zależności od budowy układu uplastyczniającego
wtryskarki dzielą się na:

- wtryskarki tłokowe (popularne w początkowych latach
rozwoju metody wtryskiwania),

- wtryskarki ślimakowe (obecnie budowane),

- wtryskarki hybrydowe (budowane do celów specjalnych).

Charakterystyczne dane techniczne układów wtryskarki:

1) UKŁAD UPLASTYCZNIAJĄCY:

- objętość (masa) wtryskiwanego tworzywa: największa
objętość [cm³] lub (masa [g]) tworzywa, która zostaje
wypchnięta przy całkowitym skoku ślimaka (tłoka),

- wydajność uplastyczniania: maksymalna masa tworzywa,
jaka wtryskarka jest zdolna uplastycznić w ciągu godziny
przy maksymalnej wielkości wtrysku.

2) UKŁAD NARZĘDZIOWY (ZAMYKANIA):

- siła zamykająca: maksymalna siła, z jaką mechanizm
zamykania zwiera połówki formy wtryskowej. Od niej
zależy powierzchnia wtryskiwanego wyrobu, czyli
największa powierzchnia rzutu wypraski na płaszczyznę
płyty ruchomej, przy której nie następuje jeszcze
rozwarcie formy. Oblicza się ją (w przybliżeniu) według
wzoru:

F_max =

gdzie: F_max - największa powierzchnia wtrysku [m²],

P - siła zamykania,

p_f - przewidywane ciśnienie w formie (dla
tworzyw o małej płynności wynosi
ok. 250 bar, dla trudnopłynących
i cienkościennych - 500 bar,

0,8 - współczynnik skuteczności zamknięcia.

- skok płyty ruchomej: największa wysokość wypraski
możliwa do uzyskania za pomocą danej wtryskarki,

- siła wypychania: siła, z jaką wypychacz wtryskarki działa
na zderzak formy,

- skok wypychacza: wielkość jego względnego
przesunięcia względem płyty ruchomej (w przypadku
wypychacza stałego jego skok jest równy skokowi płyty
ruchomej),

- prześwit między kolumnami: odległości te podawane w
kierunku pionowym i poziomym decydują o
zewnętrznych wymiarach formy wtryskowej, możliwej do
zainstalowania na danej wtryskarce,

- powierzchnia płyt ruchomej i nieruchomej: również
wpływa na wymiary formy wtryskowej. Dopuszcza się
wystawanie niektórych jej elementów poza obszar płyt,
ale nie mogą to być elementy przenoszące obciążenia.

3) UKŁAD NAPĘDOWY:

Służy do realizacji ruchów roboczych wtryskarki oraz do wytworzenia ciśnienia potrzebnego do realizacji metody wtryskiwania.

- ciśnienie wtryskiwania:

zewnętrzne (p_z): największe ciśnienie tworzywa
występujące w cylindrze wtryskowym
na czole ślimaka (tłoka) podczas fazy
wtryskiwania i wynosi około
500 ÷ 2500 bar,

wewnętrzne (p_w): ciśnienie panujące w gnieździe
formującym formy wtryskowej.
Wynosi 30 ÷ 60% ciśnienia
zewnętrznego,

- ciśnienie oleju hydraulicznego (p_H): największe ciśnienie,
jakie może być wytworzone przez pompę hydrauliczną
wtryskarki i wynosi około 100 ÷ 300 bar, w zależności od
typu pompy.

6) Proces

Otrzymywanie wyrobów bryłowych z tworzyw sztucznych
metodą wtryskiwania jest procesem cyklicznym i składa się z następujących (powtarzających się) faz:

1) zamykanie formy wtryskowej,

2) dosunięcie dyszy wtryskowej układu
uplastyczniającego,

3) wtryskiwanie uplastycznionego tworzywa
sztucznego,

4) docisk wtryskiwanego tworzywa w celu
uzupełnienia ubytków skurczowych,

5) chłodzenie tworzywa wtryśniętego do formy,

6) uplastycznienie (dozowanie) porcji tworzywa
potrzebnego do wypełnienia formy
wtryskowej w następnym cyklu,

7) odsunięcie dyszy wtryskowej układu
uplastyczniającego,

8) otwarcie formy wtryskowej (narzędzia),

9) usunięcia gotowego wyrobu z formy
wtryskowej.

Rys. 6. Fazy cyklicznego procesu otrzymywania wyrobów
bryłowych metodą wtryskiwania

Rys. 7. Możliwa kolejność faz cyklicznego procesu
otrzymywania wyrobów bryłowych metodą wtryskiwania

7) Parametry procesu

Parametry procesu wtryskiwania:

Ciśnienie:

- ciśnienie wtryskiwania (ciśnienie zewnętrzne): największe
ciśnienie tworzywa występujące w cylindrze wtryskowym
na czole ślimaka (tłoka) podczas fazy wtryskiwania
(około 500 ÷ 2500 bar),

- ciśnienie docisku: ciśnienie na czole ślimaka (tłoka)

podczas uzupełniania ubytków skurczowych materiału
w formie (około 500 ÷ 2500 bar),

- ciśnienie spiętrzania: ciśnienie tworzywa w przedniej

części cylindra podczas pobierania surowca przez

obracający się ślimak (wtryskarki ślimakowe) i wynosi

około 1 ÷ 500 bar.

Temperatura:

- temperatura wtryskiwania: temperatura (zakres

temperatur) cylindra niezbędna do właściwego

uplastycznienia tworzywa (160 ÷ 320°C),

- temperatura formy: średnia temperatura powierzchni

gniazda formującego (40 ÷ 90°C),

Czas:

- czas wtryskiwania: czas wypełniania formy tworzywem

(0,1 ÷ kilku sekund),

- czas docisku: czas potrzebny na uzupełnienie ubytków

skurczowych tworzywa (0,1 ÷ kilku sekund),

- czas chłodzenia: czas od momentu zakończenia

wtryskiwania do chwili otwarcia formy (0,1 ÷ kilku minut),

- czas przerwy: czas obejmujący ruch otwierania

i zamykania formy, usunięcia gotowej wypraski i inne

czynności dodatkowe (0,1 ÷ kilkunastu sekund),

Prędkość:

- szybkość wtryskiwania: prędkość przesuwania się

ślimaka (tłoka) do przodu podczas wtryskiwania.

8) Ograniczenia metody wtryskiwania

- ekonomiczne: metoda przeznaczona dla wielkoseryjnej
produkcji wyrobów bryłowych z tworzyw
sztucznych,

- technologiczne: brak możliwości stosowania napełniaczy
długowłóknistych i skrawkowych.

9) Wnioski

B

A

Rys. 8. Diagram pracy wtryskarki

zmiany

ciśnienia

przemieszczenie [mm]

płyty ruchomej

ślimaka wtryskowego

czas [s]

Zamknięcie formy

Dosunięcie dyszy

Wtrysk

Docisk

Czas chłodzenia

Plastyfikacja

Odsunięcie dyszy

Otwarcie formy

Usuwanie z formy

wypychanie

chłodzenie

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 [s]

i przerwa

wtrysk

docisk

forma zamknięta

forma

otwarta

zamykanie formy

p_H

p_W

p_z

9) usunięcie gotowego wyrobu z formy

wtryskowej.

1) zamykanie formy wtryskowej,

b)

a)

C

B

C

C

A

C

zasobnik tworzywa

cylinder

grzałki

ślimak

napęd ślimaka

dysza ślimaka

płyta ruchoma

płyta nieruchoma

płyta oporowa

zespół przytrz.

płyty ruchomej

I faza - zamknięcie formy i napełnianie
gniazda tworzywem (ruch ślimaka
do przodu - ślimak pracuje jako
tłok)

II faza - dopełnienie formy (docisk)
(z jednoczesnym rozpoczęciem
czasu chłodzenia). Po upływie
czasu docisku następuje
plastyfikacja nowej porcji tworzywa

III faza - otwarcie formy i usunięcie

gotowej wypraski

---