1.              Proces wtryskiwania polimerów              1

1.1.              Wprowadzenie              1

1.2.              Charakterystyka procesu wtrysku              2

1.3.              Etapy procesu wtryskiwania              3

1.4.              Wady i zalety              6

2.              Rodzaje procesów wtryskiwania              7

3. Budowa wtryskarki              9

4. Cykl procesu wtryskiwania              17

5. Parametry procesu wtryskiwania.              18

1.     Proces wtryskiwania polimerów

1.1.  Wprowadzenie

Proces przetwórstwa dzieli się pod względem kryterium zjawisk wiodących (dominujących) na przetwórstwo fizyczno-chemiczne i przetwórstwo chemiczno fizyczne.

Przetwórstwo tworzyw

Przetwórstwo chemiczno-fizyczne

Przetwórstwo fizyczno-chemiczne

Przetwórstwo fizyczno-chemiczne II rodzaju

Przetwórstwo fizyczno-chemiczne I rodzaju

Schemat 1. Klasyfikacja przetwórstwa według kryterium zjawisk wiodących

Przetwórstwo fizyczno-chemiczne II rodzaju są następującymi po sobie i powiązanymi przyczynowo oraz skutkowo określonymi zmianami przetwórczymi w których wiodącą rolę spełniają zjawiska i procesy fizyczne zwłaszcza cieplne oraz reologiczne, a znaczenie zjawisk i procesów chemicznych jest mniej istotne lub nie są one ważne.

Ważniejsze metody: wytłaczanie, wtryskiwanie, prasowanie, laminowanie, odlewanie, kalandrowanie, mieszanie i zgarnianie.

Wtryskiwanie jest procesem cyklicznym, w którym materiał wyjściowy w postaci granulek, krajanki lub taśmy, podawany jest z pojemnika poprzez lej zasilający do ogrzewanego cylindra, uplastycznia się i potem jest wtryskiwany przez dyszę i tuleję wtryskową do gniazd formujących. Po czym w formie wtryskowej następuje zestalenie się tworzywa (termoplasty) lub usieciowanie (elastomery i tworzywa termoutwardzalne). W zależności od użytego materiału czas procesu zawiera się w granicach od kilku sekund (dla tworzyw termoplastycznych) do kilkunastu minut (dla elastomerów oraz duroplastów).

W przypadku termoplastów realizacja procesu wtryskiwania wymaga przeprowadzenia tworzywa w stan płynny (150-3150C). Natomiast w przypadku mieszanek kauczukowych prawidłowo proces wtryskiwania należy prowadzić w warunkach gdy mieszanka kauczukowa jest w stanie plastycznym (150-2000C). Jednakże ze względu na możliwość podwulkanizacji proces wtryskiwania należy prowadzić w stanie lepko-elastycznym (do 110C0 , zazwyczaj: 60-700C ). W przypadku przedwczesnej wulkanizacji nie możliwe byłoby przeprowadzenie procesu wtrysku.

Temperatura formy podczas wtryskiwania tworzyw termoplastycznych jest niższa w porównaniu z wtryskiwaniem mieszanek kauczukowych lub tworzyw termoutwardzalnych. Dla termoplastów  stosuje się temperaturę zazwyczaj 20-500C. Natomiast dla elastomerów lub tworzyw termoutwardzalnych wynosi: 160-1900C.

1.2.  Charakterystyka procesu wtrysku

Cechą charakterystyczną procesu wtryskiwania jest to, że w przeciągu liczonego w sekundach czasu cyklu kształtowane są wszystkie własności użytkowe wyrobu. Zostaje wykształtowana struktura wewnętrzna wypraski, następuje skurcz, kształtowane są wymiary. Poprawne ustawienie procesu ma na celu wyeliminowanie występujących równocześnie wad wewnętrznych i zewnętrznych i zapewnienie powtarzalnej jakości produkowanych wyprasek.

Ze względu na specyficzne własności tworzyw sztucznych, wtryskiwanie jest bardzo złożonym procesem technologicznym; w odróżnieniu od pozornie pokrewnego procesu odlewania ciśnieniowego metali nie jest procesem mechanicznym, lecz mechaniczno- fizycznym. W procesie wtryskiwania uzyskuje się wypraskę charakteryzującą się nie tylko określonym kształtem, lecz także specyficzną strukturą, wynikającą ze sposobu płynięcia uplastycznionego tworzywa w formie oraz przebiegu jego krzepnięcia. Ponieważ procesy te zachodzą w formie wtryskowej, konstruktor tego narzędzia musi uwzględniać, prócz zagadnień typowo mechanicznych, również zagadnienia związane z fizycznym charakterem przemian tworzywa (skurcz). Skonstruowanie racjonalnie pracującej formy wymaga równocześnie od konstruktora gruntownej znajomości możliwości technicznych wtryskarki, ponieważ jest to maszyna o wyjątkowo bogatych możliwościach, zapewnionych przy jej wyposażenie i liczne programy pracy.

1.3.  Etapy procesu wtryskiwania

Proces wtryskiwania tworzyw składa się z kilku etapów:

Pierwszym etapem wtryskiwania polimerów jest uplastycznianie tworzywa. Faza ta odbywa się w układzie plastyfikacyjnym wtryskarki i polega na doprowadzaniu granulatu termoplastu do temperatury przetwórstwa. Temperatura przetwórstwa wynosi zwykle (w zależności od rodzaju tworzywa) ok. 200-400° C.

Następnym etapem jest wtryskiwanie uplastycznionego tworzywa do formy wtryskowej. Proces ten odbywa się pod ciśnieniem od około 800 do 2300 bar i następuje do zamkniętej formy wtryskowej. Aby zapobiec otwieraniu formy wtryskowej w czasie wtrysku uplastycznionego termoplastu, wtryskarki posiadają hydrauliczne zabezpieczenie polegające na zastosowaniu wielotonowego docisku na zamknięta formę wtryskową.. Parametr ten określany jest jako siła zwarcia wtryskarki. Generalną zasadą jest stosowanie tym większej siły zwarcia wtryskarki im większa ilość tworzywa jest wtryskiwana do formy w czasie wtrysku.

Po wtryśnięciu tworzywa do formy wtryskowej następuje skurcz tworzywa. Jest to kolejna faza procesu wtrysku termoplastu określana mianem chłodzenia. W czasie chłodzenia termoplast powraca do stałego stanu skupienia. Na tym etapie najważniejszą sprawą jest utrzymanie stałej temperatury formy wtryskowej. Forma wtryskowa posiada specjalne kanały wodne służące do jej chłodzenia. Chłodzenie formy wtryskowej odbywa się na skutek przepływu wody przez kanały wodne formy.

 

Po schłodzeniu (długość chłodzenia termoplastu uzależniona jest od gabarytów produktu finalnego) ukształtowanego termoplastu następuje otwarcie formy wtryskowej i ‘wyrzucenie’ z niej ukształtowanego do zadanego kształtu termoplastu.

Przebieg procesu wtrysku i kształtowanie własności wyrobu w procesie wtryskiwania charakteryzuje krzywa ciśnienia.

Rys. . Przebieg zmian ciśnienia w formie podczas trwania cyklu

Wtrysku

W poszczególnych fazach procesu następuje:
w fazie wtrysku: przepływ tworzywa, orientacja i rozciąganie cząsteczek kształtują się następujące własności tworzyw:
- mechaniczne,
- powierzchniowe,
- widoczność linii płynięcia,
- odkształcenie.

w fazie sprężania: ostateczne ukształtowanie konturów wyrobu, tworzywo zastaje silniej sprężone w gnieździe formy, własności wyrobu:
- całkowite wypełnienie i odwzorowanie kształtu gniazda
- tworzenie się wypływek

w fazie docisku: uzupełnienie strat skurczowych tworzywa w gnieździe formy, występujących podczas ochładzania sprężonego stopu, własności wyrobu:
- ciężar,
- stabilność wymiarowa,
- skurcz,
- pęcherze,
- zapady,
- charakterystyka (siła)wypychania,
- wytrzymałość linii łączenia,
- dokładność wymiarowa (odkształcenia),

w fazie chłodzenia: albo zastaje zachowana budowa amorficzna w wyprasce lub wykształca się struktura częściowo krystaliczna.
Następuję zamrożenie i uwalnianie stanu orientacji oraz stopnia rozciągnięcia cząsteczek. Pod koniec fazy ochładzania w zastygniętej wyprasce następuje kurczenie się tworzywa już jako ciała stałego wypraski.

Wstępne ustalenie procesu odbywa się podczas prób. Po uzyskaniu wyrobu o zadowalającej jakości następuje optymalizacja wydajności produkcji. Nastawy parametrów określających „punkt przetwórstwa” są zapisane w postaci karty operacyjnej procesu lub zapisane w pomięci sterownika.

1.4.  Wady i zalety

Zalety procesu wtryskiwania
- wytwarzanie nawet najbardziej skomplikowanych wyrobów w jednym procesie technologicznym;
- mały bądź żaden udział obróbek wykańczających;
- wysoka jakość i powtarzalność własności i wymiarów;
- możliwość pełnego zautomatyzowania, komputerowego sterowania i kontroli procesu;
- w porównaniu z obróbką metali, znaczne zmniejszenie liczby operacji technologicznych, mniejsze zużycie energii bezpośredniej i wody, niewielka pracochłonność, niska emisja związków szkodliwych dla otoczenia.

Wady procesu wtryskiwania
- wysoki koszt maszyn (wtryskarek) i niejednokrotnie dorównujący mu koszt oprzyrządowania (form), powodujący wydłużenia czasu amortyzacji i wysokie koszty uruchamiania produkcji;
- ze względu na powyższe, technologia wtrysku opłacalna tylko przy produkcji wielkoseryjnej i masowej;
- konieczność wysokich kwalifikacji pracowników nadzoru technicznego, którzy muszą znać specyfikę przetwórstwa tworzyw sztucznych;
- konieczność zachowania wąskich tolerancji parametrów przetwórstwa;
- długi czas przygotowania produkcji ze względu na pracochłonność wykonawstwa form wtryskowych.
 

2.     Rodzaje procesów wtryskiwania

Wyróżniamy kilka rodzajów procesów wtryskiwania:

·                     Wtryskiwanie termoplastów

Wtryskiwanie termoplastów  jest to proces cykliczny, w którym materiał wyjściowy w postaci granulek lub krajanki, podany z pojemnika do ogrzanego cylindra, uplastycznia się i następnie jest wtryskiwany przez dyszę i tuleję wlewka do gniazd formującego. Tworzywo zestala się w nich, a następnie jest usuwane z formy w postaci gotowej wypraski, po czym cykl procesu rozpoczyna się od nowa. W przypadku termoplastów realizacja procesu wtryskiwania wymaga przeprowadzenia tworzywa w stan płynny. Dlatego też konieczne jest zastosowanie wysokiej temperatury cylindra, w zależności od tworzywa wynosi: 150-3150C. Temperatura formy natomiast charakteryzuje się dużo niższą temperaturą, ze względu na konieczność zestalenia tworzywa (10-200C lub 60-1200C - przy produkcji wyrobów jakościowych technicznych). Stosunek L/D ślimaka wynosi najczęściej: 18-22.

·                     Wtryskiwanie elastomerów

Wtryskiwanie elastomerów. Ogólna charakterystyka temperaturowa procesu jest podobna jak w przypadku wtryskiwania tworzyw utwardzalnych ale temperatura formy wtryskowej osiąga wartość nawet 2400C. Wymagana jest wysoka wartość ciśnienie wtryskiwania, w układzie uplastyczniającym tłokowym przekracza nawet 200 MPa. Ślimak wtryskowy ma na ogół kanał śrubowy na całej długości, a częstotliwość obrotów do 5 razy mniejszą niż stosowaną do wtryskiwania tworzyw termoplastycznych. Stosunek L/D wynosi około 12-15. Aby uniknąć przedwczesnej wulkanizacji ślimaki do przetwórstwa elastomerów są najczęściej wydrążone wewnątrz aby umożliwić chłodzenie wodą.

·                     Wtryskiwanie tworzyw termoutwardzalnych

Wtryskiwanie to odznacza się następującymi cechami głównymi. Celem uniknięcia przedwczesnego procesu sieciowania tworzywa zastosowano kilka metod przeciwdziałania temu zjawisku. Temperatura cylindra wtryskowego wzdłuż jego długości podnosi się łagodnie osiągając najwyższą wartość w dyszy (zazwyczaj <1000C). Temperatura formy wtryskowej jest znacznie wyższa od temperatury dyszy (o  70-90%; około 150-2000C). Ślimak wtryskowy charakteryzuje się mniejszą głębokością zwojów oraz małą redukcją objętości kanału śrubowego, a nawet nieznaczną deredukcję (np. 0,8). Ślimaki w wtryskarkach do tworzyw utwardzalnych są także krótsze w porównaniu ze ślimakami do termoplastów, stosunek L/D wynosi 10-14. Podczas prowadzenia procesu wtryskiwania tworzyw duroplastycznych konieczne jest odgazowanie.

·                     Konwencjonalne

Wtryskiwanie konwencjonalne – wtryskiwanie przebiegające zgodnie z konwencjonalnym cyklem procesu wtryskiwania:

Zamykanie – wtrysk – docisk – uplastycznianie – otwieranie – przerwa

·                     Dokładnościowe

Wtryskiwanie dokładnościowe jest to proces wtryskiwania o ściśle ustalonych cechach jakościowych, głównie tolerancji wymiaru, kształtu i położenia. Odznacza się ono zawężonym zakresami wartości parametrów wtryskiwania , stosowaniem statystycznych metod sterowania jakością i dużymi kosztami.

·                     Wtryskiwanie wieloskładnikowe

Wtryskiwanie wieloskładnikowe proces wtryskiwanie za pomocą którego otrzymuje się wypraskę wielotworzywową z jednoczesnym użyciem kilku wtryskarek i jednej formy wtryskowej. Liczba tworzyw wynosi zazwyczaj od 2 do 3 i jest równa liczbie użytych wtryskarek.

·                     Wtryskiwanie wysokotemperaturowe

Wtryskiwanie niskociśnieniowe - zwane też odlewaniem wtryskowym charakteryzuje się tym, że wypełnianie gniazda formy wtryskowej odbywa się przy obracającym się ślimaku o stożkowym i uzwojonym zakończeniu, utrzymywanym w przednim położeniu bezpośrednio przy dyszy wtryskowej, co powoduje szybkie doprowadzanie tworzywa do żądanej temperatury i ułatwiania wypełniania gniazda formującego. Wtryskiwanie niskociśnieniowe stosuje się do wytwarzania przedmiotów grubościennych o dużych wymaganiach co do wymiarów, kształtu i położenia.

·                     Wtryskiwanie wspomagane gazem

Metoda ta polega na wtryśnięciu do gniazda formy pewnej ilości tworzywa, a następnie za pomocą specjalnej dyszy wprowadza się do wypraski wstępnej gaz pod wysokim ciśnieniem (do 300bar) formując za jego pomocą pustą przestrzeń lub puste przestrzenie w wyprasce, a następnie wtryskuje się pozostała część tworzywa. W efekcie wytwarza się wypraski wewnątrz puste. Za pomocą tej techniki można otrzymywać kształtki wtryskowe o różnych grubościach ścianek co prowadzi do oszczędności surowca, przy zredukowanym czasie chłodzenia.

Podział technik wtryskiwania tworzyw wspomaganych gazem:

1.                  Wtryskiwanie tworzyw wspomagane gazem

·                    Wtrysk gazu przez dyszę wtryskarki

·                    Wtrysk gazu bezpośrednio do gniazda formującego

·                    Wtrysk gazu na ścianę zewnętrzną

·                    Wtrysk gazu i zapewnienie jego przepływu w całym cyklu chłodzenia

·                    Wtrysk gazu z wycofaniem rdzenia

·             ...