ALTERNATIV FORMSPRUTNING
BEARBETNING FRÅN A TILL Ö I detta kapitel om tillverkningsteknik tar vi upp två viktiga alternativ till konventionell formsprutning. Båda metoderna ger vinster när det gäller komponentens vikt, insjunkningar och skevhet. Tillverkningen sker i formsprutor med lägre slutryck och ofta i billigare formar än vid vanlig formsprutning. A Ö Formsprutning med ett vattenaggregat är en vidareutveckling av gasformsprutning. Billigt och bra med gas och porer ALTERNATIV FORMSPRUTNING ■ Det har sina begränsningar att konstruera detaljer som ska tillverkas genom konventionell formsprutning. Processen sker under högt tryck i en kraftig utrustning och detaljens väggar bör ej vara för tjocka för att inte cykeltiderna ska bli för långa. Den viktigaste konstruktionsregeln är jämna väggtjocklekar för att undvika insjunkningar. För att åstadkomma en styv konstruktion är man tvungen att införa bommar, som är tunnare än väggen. Formsprutad integralcellplast är en modifiering av konventionell formsprutning. Tekniken ger konstruktören möjligheter att tillverkning styva, lätta och spänningsfria detaljer med varierande godstjocklek utan insjunkningar, inre spänningar och de skevningar som kan uppstår vid avformning av en formsprutad detalj. Kombinationen av hög styvhet och låg vikt, som är så väsentlig när det gäller bl a transportmedel, är integralcellplastens främsta egenskap. Vid tillverkningen är låskraften lägre och formarna billigare i relation till den konventionella formsprutningen. I den vanliga integralcellplasten är porerna störst i mitten av detaljen för att sedan avta i storlek mot detaljens väggar där materialet blir mer eller mindre kompakt och bildar ett skinn. Porerna är så stora att de syns för blotta ögat i ett tvärsnitt. Under mitten av 1990-talet lanserades en ny slags cellplast med så små porer att de inte är synliga i ett vanligt optiskt mikroskop. Fördelarna med denna mikrocellulära plast är emellertid jämförbara men också överlägsna den traditionella PLASTFORUM Nr 1 2005 integralcellplasten.Den mikrocellulära plasten utvecklades vid MIT i USA och var initialt inte en vidareutveckling av den traditionella integralcellplasten. Man införde nämligen de ytterst små porerna för att åstadkomma en segare plast. Tillverkningen av mikrocellulära produkter bygger emellertid på de erfarenheter man har av traditionell tillverkning av integralcellplast men tekniken är ung och nya effektivare metoder kommer säkert att utvecklas. Gasformsprutning har varit en känd teknik sedan 1970-talet och anses vara det största genombrottet inom formsprutningen sedan man införde den fram och återgående skruven. Tekniken har gett konstruktören omfattande designmöjligheter. Gasformsprutningen innebär att formrummet delvis fylls med plastsmälta och följs av en gas som under tryck fullföljer fyllningen av formen och ersätter det eftertryck som sker vid vanlig formsprutning. Gasen bildar kanaler i formgodset som verkar förstyvande. Metoden används både för detaljer med ett stort tvärsnitt, som handtag och rörliknande föremål, och för tunnare utbredda detaljer som bordskivor. Gasformsprutningen ger bättre ytfinish och låskraften är jämförelsevis lägre än vid vanlig formsprutning. Andra fördelar är materialbesparingar, viktminskningar, lägre tryck i formrummet, högre styvhet/vikt och kostnadsbesparingar när det gäller formar och maskinkapacitet. Vid gasformsprutningen används kvävgas. Luft används ej eftersom plasten bryts ned av luftens syre. Alternativt har man använt kolväten som pentan men det senaste är vatten. Vattenformsprutning utvecklades ursprungligen av IKV i Tyskland under 1980-talet och presenterades på plastmässan i Düsseldorf 2001. Sedan dess är inte mindre än ett 15-tal företag engagerade i utveckling av tekniken. Användning av vatten istället för kvävgas har fördelar på grund av vattnets högre värmeledningsförmåga och värmekapacitet, en högre viskositet samt att vattnet inte är kompressibelt som kvävgas. Tekniken framställs ofta som något revolutionerande men den är snarare ett komplement till gasformsprutningen och gör sig gällande främst för tillverkning av rörkonstruktioner för olja- och kylvattendistribution i bilar, handtag, armstöd och ihåliga detaljer med stort tvärsnitt. Med en speciell injektionsenhet går det att formspruta produkter med mikrocellulära porer. Lars-Erik Edshammar 41 BEARBETNING FRÅN A TILL Ö A Ö INTEGRALCELLPLAST ■ Integralcellplasten har massiva ytskikt som omger en porös kärna. Kärnan och ytskiktet är av samma material. Eftersom ytskiktet är integrerat med kärnan kallas materialet för integralcellplast Uppbyggnaden massivt ytskikt/porös kärna/massivt ytskikt påminner om en sandwichkonstruktion uppbyggd av en cellplastskiva med pålimmade täckskikt. En sandwich är idealisk vid böjbelastningar då täckskikten utsätts för böj- och dragpåfrestningar medan den neutrala axeln löper igenom mitten av den svaga cellplastkärnan. Om man expanderar en skiva av termoplast med hjälp av porer till dubbla tjockleken, halveras densiteten och skivan blir fyra gånger styvare. Det är lätt att beräkna när det gäller en homogen cellplast utan täckskikt. Integralcellplasten har emellertid en komplicerad uppbyggnad med låg densitet i kärnans mitt (stora celler) och ökande densitet (allt mindre celler) Formsprutning med granulat, som innehåller expansionsmedel införande av inertgas i extrudern 42 då man närmar sig det yttersta skiktet. Styvheten blir av denna anledning svår att beräkna. Det finns teoretiska beräkningsmodeller men i praktiken används empiriska metoder. En produkt av formsprutad integralcellplast visar dessutom variationer i cellstrukturen vilket bidrar till svårigheter i beräkningarna. Låskraften vid formsprutning av cellplast är lägre än vid konventionell formsprutning av motsvarande geometri eftersom trycket i formrummet är mindre. Dessutom kan man vid låga tryck använda enklare och billigare formar t ex tillverkade av aluminium. En aluminiumform kostar mindre än hälften av en stålform. I jämförelse med solid formsprutad termoplast är integralcellplasten mer eller mindre spänningsfri. Vid vanlig formsprutning orienterar sig materialet kraftigt på grund av friktion mot formytan vilket resulterar i en laminär ytzon med höga inre spänningar. Integralcellplasten trycker friktionslöst mot formytan och ytskikten blir mer eller mindre spänningslösa. Det går att använda en konventionell formspruta för tillverkning av integralcellplast men det kan i så fall innebära stora driftskostnader på grund av överdimensionering och outnyttjad låskraft. Helst används specialmaskiner som är utrustade för att klara olika tryck. Vid konventionell formsprutning är trycket cirka 35 MPa för bearbetning av polypropen. Vid cellplastbearbetning varierar trycket mellan 3,5 MPa (lågtryckssystem) till 10 MPa (högtryckssystem). Dessutom förekommer ett system med motryck i formrummet. Lågtryckstekniken används för tillverkning av stora och tjockväggiga detaljer med hög styvhet som instrumentkåpor, plastbackar och lastpallar. Högtryckstekniken är mer lik konventionell formsprutning. Lågtrycksmetoden Tillverkning vid låga tryck är den vanligaste metoden. Specialmaskinerna har större formbord, lägre låskraft, större skottvolymer och arbetar med snabbare insprutning än konventionella formsprutor. De plaster som vanligen bearbetas är PE-HD, PP, ABS, PC, (ABS+PC)-legeringar och modifierad PPE. Plastgranulaten kan innehålla ett ämne som expanderar plasten (drivmedel). Ämnet består vanligen av en kemisk substans som bildar gaser vid plastens processtemperatur. Kemiska drivmedel av detta slag tillsätts plasten genom kompoundering på samma sätt som man tillför färgämnen och andra tillsatser. Ett sådant kemiskt drivmedel är azodikarbonamid (AZDC), som sönderdelas vid högre temperatur under bildning av kvävgas, koloxid, ammoniak och koldioxid. Det förekommer också att man tillsätter en finfördelat oorganiskt pulver (kalciumkarbonat), som fungerar som kärnbildare för gasblåsorna. Denna kemiska metod påminner om tillsats av bakpulver för att jäsa en deg. Inledningsvis plasticeras blandningen av drivmedel och plast i plasticeringscylindern. Drivmedlet bildar gaser, som löser sig i plasten. Plasticeringsskruven förs framåt och formrummet fylls med blandningen till mellan 10 och 35 procent bero- ende på formrummets storlek, detaljens tjocklek och önskad densitet. Ett massivt ytskikt som trycks mot formväggen bildas då gasen expanderar och trycker på. Formrummet ska vara väl avluftat för att den expanderande gasen ska kunna trycka på plasten tills den fyllt de bortre delarna av formrummet. När formen fyllts trycker gasen på i alla riktningar och tvingar ytskikten mot formens väggar under det att formgodset avkyls. Därmed undviks insjunkningar. Utstötningen av formgodset sker då formstycket är så kallt och styvt att det ej deformeras. Gasen i porerna stannar kvar efter avformningen och om detaljen inte är tillräckligt styv så kan den svälla genom gasens tryck. En annan metod, som betecknas fysikalisk, utvecklades vid Union Carbide. Man inför kvävgas av högt tryck i en plasticeringsextruder. Genom det höga trycket hålls gasen löst i plastsmältan. Den smälta plasten förs in i en ackumulator med kolv, som därefter trycker in en viss mängd smälta i formrummet. När trycket minskar bildar kvävet bubblor i plasten som expanderar. Vispgrädde tillverkas industriellt på liknande sätt genom att trycka in kväve i grädden och därefter lätta på trycket. På samma sätt trycks raklödder ut en aerosolflaska. Metoden att tillföra granulatet PLASTFORUM Nr 1 2005 BEARBETNING FRÅN A TILL Ö ett kemiskt drivmedel är vanlig i Europa medan den fysikaliska metoden med kvävgas är vanligare i USA. Kvävgasen är dessutom billig och genom att variera tillförseln kan man åstadkomma olika densiteter. Azoföreningarna anses ge jämnare ytor och högre slagseghet än den fysikaliska metoden. Med hjälp av lågtrycksprocessen kan man således tillverka stora, tjocka, styva och spänningsfria artiklar utan insjunkningar men det förkommer även nackdelar om vi jämför metoden med vanlig formsprutning. Eftersom den cellulära produkten har en låg värmeledningsförmåga går avsvalningen långsamt, vilket förlänger cykeltiden. Å andra sidan har den cellulära produkten värmeisolerande och ljuddämpande egenskaper. Väggtjockleken hos det cellulära materialet varierar vanligen mellan 5 mm och 10 mm och densitetsminskningen är 10 till 35 procent i jämförelse med en solid produkt. Tunnare gods medför att man måste höja insprutningstrycket och då förlorar man de fördelar som processen ger. Alltför tjocka väggar kräver långa kyltider och cykeltiden har en avgörande betydelse för metodens ekonomi. Polypropendetaljer med en godstjocklek av 6 mm tillverkas på en och en halv minut. Vid en godstjocklek av 12 mm blir cykeltiden cirka tre minuter. Slagseg polystyren (HIPS) har något längre cykeltid medan PE-HD kräver två minuter vid 6 mm och omkring 4 minuter vid 12 mm. Om konstruktionen har en varierande tjocklek är det bättre att placera insprutningen i den tunnare delen eftersom det är lättare för gasen att fylla de tjockare delarna. Denna regel avviker från den som gäller vi vanlig formsprutning. Det är ingen risk för frysning av plastsmältan i tunna sektioner mellan intaget och den tjockare sektionen på grund av det inre gastrycket. Materialet är svagt innanför skinnet och en självgängande skruv får dåligt fäste. Emellertid går det att införa solida upphöjningar på insidan för insatser. Dessutom kan man tillåta sig ett införande av tjockare förstärkande ribbor än vad som är tillåtet vid vanlig formsprutning. Den största nackdelen med lågtrycksmetoden är att det uppstår virvelmönster i ytan, vilket beror på att cellerna kollapsar när de kommer i kontakt med den kalla formytan. Eftersom trycket är lågt trycks inte skinnet så hårt mot PLASTFORUM Nr 1 2005 formväggen så att de kollapsade cellerna fylls ut. Man kan få en jämnare yta om man höjer temperaturen men detta betyder också längre cykeltider och dyrare produkter. Man har utvecklat en rad sofistikerade metoder för att komma tillrätta med problemet men ingen har haft någon större framgång mer än processen med mottryck, som beskrivs nedan. Virvlarna är mindre framträdande i ytor av tunt gods eftersom trycket mot formytan då är större. Virvlarna blir också mindre utvecklade om insprutningen är mycket snabb. Insprutningen är annars mycket snabb med 5 dm3 material per sekund. Virvelmönstret kan utnyttjas eftersom ytan får ett träaktigt utseende, som kan förstärkas genom mönstringar i formytan men vanligen är virvelmönstret till nackdel. I de flesta fall måste man spackla och slipa ytan och därefter grunda och lackera den, vilket innebär extra kostnader. Ytbehandlingen kan inte göras omedelbart efter avformningen eftersom detaljen måste avgasas. Svagheter uppstår också där flytfronter möts, vilket beror på det låga trycket och att flytfronterna är avkylda då de möts långt ifrån inloppet. Situationen kan liknas med två ballonger som möts utan att kunna sammansmälta. Högtrycksmetoder Medan lågtrycksprocessen är den dominerande finns det flera processer som sker vid högre kavitetstryck för att åstadkomma en integralcellplast. Högtrycksprocesser ger bättre ytor än lågtrycksmetoden och är mer lik konventionell formsprutning. Man använder det tryck som är nödvändigt för att fylla hela formen utan att någon nämnvärd expansion sker. Vid vanlig formsprutning behövs ett eftertryck för att kompensera krympningen då plasten stelnar. I detta fall låter man istället godset svälla i formrummet med hjälp av drivmedlet som börjar verka då man lättar på trycket. Tryckfallet sätts in då plasten bildat ett skinn mot formytan. Beroende på typ av utrustning kan tryckfallet åstadkommas med kärnor eller slider, som dras ut eller att formhalvorna säras något. I det senare fallet får godset märken efter delningsplanet vilka måste avlägsnas om de stör detaljens utseende. Det höga trycket innebär att man måste använda dyrare formar och större låstryck än vid lågtrycksprocessen. Metodens ekonomi sätter också gränser för storlek och komplexitet och lämpar sig bäst för flata konstruktioner som inte väger mer än fem kilo. A Ö Strukturcellplast med mottryck Mottrycksprocessen är en modifiering av lågtrycksprocessen som ger bättre ytor och även högre hållfastheter. Processen är mer komplicerad men vinsten ligger i att ytan endast behöver en lättare ytbehandling eller ingen alls. Processen innebär att kaviteten trycksätts med kvävgas innan plastsmältan med drivmedel trycks in. Övertrycket i kaviteten fördröjer smältans expansion tills hela plastmassan fyllt formen medan kvävgasen ventileras ut ur formrummet. Genom att ett skinn bildas mot formytan innan expensionen sker blir virvelmönstret i ytan mindre framträdande än vid lågtrycksprocessen. Dessutom erhålls en jämnare cellstruktur, tjockare skinn och något högre densitet. Böjbrotthållfastheten är hög och kan utnyttjas vid konstruktion av snäppförband. Processen är komplicerad och kräver noggrann styrning av sekvensen tryck, formfyllning och avgasning. Formen måste tåla högt tryck och tätas med O-ringar på utsatta ställen som vid kärnor och utstötare. Kraven ökar kostnaderna för formen och dess underhåll. Mikrocellulära plaster Mikrocellulära plaster uppfanns av Dr Nam P Suh vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) år 1979. Upprinnelsen var en diskussion mellan en industrirepresentant och uppfinnaren under en lunch i samband med genomgången av ett industriprogram om polymerbearbetning vid MIT. Programmet hade startats 1973 för att stärka samverkan mellan industrin och institutet när det gällde forskning och undervisning. De deltagande företagen presenterade var sin lista av problem, som man ansåg viktiga. Ett av företagen, Eastman Kodak, undrade hur man skulle kunna reducera plastmängden i en produkt utan att viktiga egenskaper eller produktens form gick förlorade. Det viktigaste önskemålet var att höja plastens slagseghet. Det var just denna egenskap som diskuterades under lunchen. Suhs idé var att införa små porer i plasten vars storlek var mindre än alla förekommande sprickor i plas43 BEARBETNING FRÅN A TILL Ö A Ö 44 ten. Ett sådant mikrocellulärt material skulle få högre seghet eftersom porerna skulle hejda sprickfortplantningen genom att avtrubba sprickspetsen. Dessutom skulle plastens hållfasthet kunna upprätthållas genom att kontrollera formen på porerna så att de blev sfäriska. En sfär kan nämligen motstå deformering eller buckling bättre än en annan form. Idén såg lovande ut för Eastman Kodak och därmed föddes ett MCP-projekt vid MIT. MCP står för Microcellular Plastics. En av Suhs studenter, Jane Martini, fick uppdraget att undersöka idéns praktiska hållbarhet. Suhs föreslog att man skulle trycka in en gas i plasten under mycket högt tryck och därefter ändra systemets termodynamik genom att plötsligt sänka trycket för att skapa en porig struktur. Martini gick till verket för att undersöka porers kärnbildning. En dag hade hon tillverkat ett polystyrenprov som uppenbarligen var cellulärt, vilket man konstaterade genom att det flöt på vatten. Upptäckten verifierades med hjälp av ett svepelektronmikroskop i vilket man konstaterade mikroporer. Nu visste man att plasten måste vara övermättad med en tillräcklig mängd gas för att cellerna ska bildas samtidigt. Plastens temperatur måste hållas under noggrann kontroll för att styra cellernas deformation under celltillväxten och det behövdes ett högt tryck eftersom gasens löslighet ökade med trycket. Martini fortsatte att studera hur cellerna bildades och växte, vilket utmynnade i en uppmärksammad masteruppsats av hög klass. Studierna av MCP breddades och många av Suhs studenter och doktorander blev involverade i forskningen kring det nya uppseendeväckande materialet. Man studerade tillverkningsprocesser och konstaterade bl a att en delkristallin plast borde mätts med gas i sitt amorfa tillstånd över smälttemperaturen. Man undersökte också mikroporer i SMC och andra härdplastsystem och ett antal patent registrerades. MIT fortsatte sin forskning kring MCP och den kommersiella utvecklingen av MuCell startade 1995 vid Axomatics Corp i Woburn, Massachusetts.(Företagets namn kommer sig av att man använde Axiomatic Design vid framtagningen av tillverkningsprocessen. Axiomatic Design är en akademisk disciplin, som ingår i undervisningen vid flera universitet sedan mitten på 1990-talet.) Intresset för MuCell-teknologin växte snabbt och man var tvungen att utvidga verksamheten. Man sökte stöd bland investerare och den utvidgade verksamhet fick namnet Trexel som introducerades 1996. Tekniken var så lovande att flera företag tog till sig idén. Den mest kända blev Demag Ergotech (Mannesmann-Demag) med systemet Ergocell. År 2001 ingick Trexel och Demag ett avtal för att undvika patentstrider. Avtalet innebar att Trexel fick tillgång till Demags teknologi mot att Demag tillverkade utrustning för bearbetning enligt MuCell-teknologin. Tekniken utvecklades i början för extrudering men utvecklades senare för formsprutning i ett samarbete mellan Trexel och Engel Canada Ltd. Tekniken innebär att man med värme och tryck överför en inert gas av exempelvis koldioxid eller kvävgas till sitt superkritiska tillstånd där ämnet uppträder som en vätska som sedan trycks in i plastmassan och bildar porer vid en trycknedsättning. (Superkritisk koldioxid är ett ovanligt effektivt lösningsmedel, som tidigare använts för att tillverka bl a mikroporös kvarts). Porerna är av storleksordningen 10 mikrometer. Densiteten reduceras med 40 procent och de små cellernas sfäriska form och gynnsamma fördelning gör att plasten behåller sina egenskaper, som den har som solid plast trots att den är så mycket lättare. I praktiken är cellerna mindre än 100 mikrometer vilket motsvar fler än 107 celler per kubikcentimeter. MuCell-processen MuCell-processen används för att formspruta mikrocellulära plastdetaljer. Processen innebär att den superkritiska inertgasen förs in i den främre halvan av plasticitetscylindern. Den vanliga formsprutans hydrauliksystem och styrning är något modifierad men den största skillnaden är att det behövs en lång skruv (28D) med extra blandningsoch skjuvelement, vilket betyder en extra lång maskinbädd. Injektionsdysan regleras genom skruvens läge. Vid blandningen av den smälta plasten och drivmedlet sjunker viskositeten och temperaturen måste sänkas i den zon där blandningselementen verkar. Tekniken är relativt komplex. En eller flera injektorer ansluts cylindern och matas med drivmedlet genom en doseringsanordning. Insprutningen kompliceras av att den del av skruven som utför bland- ningen ändrar läge på grund av skruvens rörelse. Denna nackdel kan delvis kompenseras av att flera injektorer arbetar i kaskad, vilket å andra sidan förutsätter en komplicerad styrning. I övrigt liknar tekniken den som används vid den fysikaliska metoden att tillverka integralcellplast. Granulat med superkritisk koldioxid I likhet med tillverkning av konventionell integralcellplast kan granulaten tillföras ett drivmedel, vilket sker i en autoklav när det gäller mikrocellulära plaster. De fyllda plastgranulaten kan sedan användas i en vanlig formspruta. Koncentrationen av drivmedlet bestäms av autoklavens tryck, temperatur och tiden för behandlingen. När autoklaven arbetat tillräckligt länge reduceras trycket till atmosfärstryck och autoklaven töms på granulaten. Halten av drivmedel sänks under det följande desorptionsförloppet. Förloppet är snabbt i början men därefter avtar hastigheten. Granulaten behöver en relativt lång tid att mogna innan de kan användas i formsprutan. Om formsprutningen sker enligt konstens regler blir resultatet ett formgods med mikrocellulär struktur. Fördelen med denna metod är att man kan använda en vanlig formspruta utan modifiering. Det enda som behövs är en autoklav. Tillförseln av den superkritiska gasen tar cirka två dagar. Det är emellertid svårt att kontrollera halten av drivmedel i granulaten. Plasticerings-processen En annan fysikalisk metod att införa drivmedlet i plastsmältan demonstrerads av tyska Demag Ergotech vid K 2001. En särskild anordning är monterad mellan formsprutans munstycke och plasticeringscylindern. Hjälpanordningen består av en del som levererar drivmedlet, en blandningszon och en ”shot pot” i vilken den homogeniserade blandningen förvaras under tryck. Innehållet i ”shot pot” insprutas i formrummet och gasen expanderar. Den del som levererar drivmedlet består av injektorer som matas med en pump under högt tryck. Pumpens kolvhastighet kan styras oberoende av skruvens hastighet och därför kan halten av drivmedel och därmed graden av cellbildning styras i produkten. PLASTFORUM Nr 1 2005 BEARBETNING FRÅN A TILL Ö GASFORMSPRUTNING ■ Gasformsprutning innebär att man trycker i en gas in en plastsmälta, som delvis fyller formrummet. Gasen kan sprutas in genom formsprutans munstycke eller i annan del av formrummet. Gasen löper sedan vidare genom formrummet där motståndet är som minst. Formrummet måste således var utformat så att gasen kan bild kanaler i formgodset i form av exempelvis ihåliga bommar. Gasen består vanligen av kvävgas som inte bryter ned plasten och dessutom har en kylande effekt. Det förekommer även att man ersätter kvävgasen med ett kolväte som pentan eller på senare tid med vatten för att åstadkomma kanaler. Gasformsprutningen kallas på engelska Gas Assisted Injection Molding, som förkortas GAIM. På tyska brukar tekniken kallas Gasinjektionstechnik med förkortningen GIT och då vatten används i stället för kvävgas heter den Wasserinjektionstechnik, förkortat WIT. Gasformsprutning innebär att insjunkningar kan undvikas, kortare cykeltider och lägre låskraft än vid konventionell formsprutning. Trycket faller successivt från intaget till bortersta delen av formrummet. Exempelvis är trycket 30 MPa vid intaget och 10 MPa i den del av formrummet som ligger längst bort från intaget. Eftersom gasformsprutningen arbetar vid lägre tryck än konventionell formsprutning kan man för motsvarande detalj nöja sig med en mindre formspruta än vid formsprutning av massivt gods. Gasmetoden började användas redan 1971 för att tillverka skoklackar. På 1970-talet utvecklades en gasprocess av Union Carbide som kallades ”structurell-Web process”, vilken innebar att man först fyllde formrummet med en bestämd mängd plastsmälta genom yttre delen av ett munstycke. Med hjälp av ett inre munstycke blockerades plasttillförseln och pressade tryckluft in i smältan så att den blåstes upp och fyllde formen. Gasen bildade ett fint mönster av kanaler i formgodset som kallades webs. Processen fick ingen spridning trots att den hade fördelar när det gällde materialbesparing, jämna ytor och korta cykeltider. Metoden var tänkt som ett alternativ till formsprutad strukturcellplast. Gasformsprutning började praktiseras på allvar i början på 1980talet då den lanserades av Cinpres Ltd i England, som snabbt sålde ett PLASTFORUM Nr 1 2005 stort antal licenser över hela världen. I det första systemet, Cinpres I, pressades kvävgas under tryck genom samma munstycke som plasten. Senare lanserades Cinpres II med en eller flera blåsnålar som levererade gas till flera formrum, som delvis var fyllda med plastsmälta. Cinpress II är således ett system med flera insprutspunkter för gasen och de olika formrummen kan ha olika geometrier. Cinpres hade svårt att få sina metoder patentskyddade och i vissa länder utvecklade en rad andra företag liknande metoder av vilka Battenfelds Airmould är den mest kända. Battenfeld, som hade haft ett visst samarbete med Cinpres, lanserade sitt system Airmould på hösten 1986. Battenfelds system bestod av en kompressor som håller kvävgasen under högt tryck. Under bearbetningscykeln styrs gasflödet och tryckets variation av en reglerbar dysa. Kompressorn kan vara gemensam för flera formsprutor. Varje formspruta måste emellertid vara utrustad med dysa och reglerutrustning. Kvävgaskostnaderna är låga eftersom 90 procent av gasen kan återvinnas. Gastrycket är lågt i början av cykeln då formen fylls med plastsmältan. I slutet av cykeln trycks plasten mot formens väggar och tryckhöjningen ersätter eftertrycket vid normal formsprutning. Gasen trycks vanligen in genom inloppsbussningen men kan också tryckas in med hjälp av en blåsnål. En blåsnål kan t ex användas för att forma en tjock kant till en bordskiva. Kanten blir ihålig eller rörformig genom gasformsprutningen. När det gäller tjocka stavformiga föremål som handtag kan gasformsprutningen liknas vid formblåsning. En viss mängd plastsmälta trycks in i formrummet och blir sedan uppblåst med kvävgas. Genom att övergå från traditionell formsprutning till gasformsprutning kan tjocka föremål göras 50 procent lättare och cykeltiden kan halveras. Exempel på tjocka detaljer är armstöd, penselskaft, ihåliga rammar och kantlister samt handtag av olika slag. När det gäller tunnare och flata föremål banar man väg för gasen genom att införa bommar eller ribbor som är tjockare än vid normal formsprutning. Gasformsprutning av tunna föremål innebär lägre låskraft, mindre inbyggda spänningar, skevningar undviks, viktsreduktion och kortare cykeltider än vid A Ö Gasinsprutning genom munstycke eller verktyg Underskärning undviks Tryckförloppet är lågt vid gasformsprutning 45 BEARBETNING FRÅN A TILL Ö A Ö normal formsprutning Den lägre låskraften innebär att man kan använda mindre formsprutor. En bordsskiva med ytan 1,3 m3 som tidigare formsprutades med solid plast i en maskin med låskraften 30 000 kN kunde gasformsprutas i en 12 000 kN maskin. I princip kan alla formsprutbara termoplaster, även om de är fyllda, bearbetas med Airmould. Vid övergång till gasformsprutning måste man modifiera formsprutningsverktyget. Val av inloppsställe och bommarnas geometri görs med hänsyn till detaljens form. Gasen ska ges möjligheter att breda ut sig genom kanaler, som bildar ihåliga bommar i konstruktionen. De rörliknande bommarna orienteras så att de förstyvar konstruktionen. Bommarna måste vara utformade så att inte gasen ”slår igenom” och läcker ut i tunna partier. I Engels utrustning styrs gasen mellan två ytterligheter. I det ena extremfallet trycks gasen in efter det att formen fyllts med smälta. I det andra fallet sker gastillförseln i samma ögonblick som insprutningen av plastmassan påbörjas. Engels system använder sig av en bestämd gasvolym som levereras med styrd hastighetsprofil. Gasen komprimeras i en ackumulator och överförs sedan till en särskild insprutningscylinder. Battenfeld har kombinerat gasformsprutning med sandwichformsprutning i en teknik man kallar Multifoam. Sandwichformsprutningen utförs i en formspruta med två plasticeringscylindrar för komponenterna A och B. Först insprutas A, som följs av blandningen A+B och cykeln avslutas med endast B, som arbetar med eftertryck. A hamnar således i detaljens ytskikt och B bildar kärnan. A bör ha högre viskositet än B för att undvika genomslag. Multifoam arbetar på samma sätt men gas införs i B. Tillförseln av gas medför att mängden B minskar. Gasen trycker in B i formrummet, som formas till en bubbla vid inloppet. Sedan detaljen fyllts med B utlöses ett gastryck så att B expanderar och trycker detaljens ytskikt mot formväggarna. Multifoam lämpar sig för detaljer som vanligen tillverkas i integralcellplast av PUR. Fördelen med Multifoam är kortare cykeltider, automatik och omsmältbart material. Multifoam blir billigare än ren sandwichformsprutning på grund av mindre materialåtgång och kortare cykeltider. Tekniken används för tillverkning av enklare produkter som handtag, armstöd och liknande. Enligt Battenfelds beräkningar kan övergången från formsprutning till Airmold innebära 30-46 procent lägre kostnader för gods med stort tvärsnitt. I Jämförelse med integralcellplast ligger besparingarna mellan 20 och 43 procent. Den stora skillnaden mellan vatten och gas är att gasen komprimeras under bearbetningen. Då vattnet kommer in i plastsmältan bildas ett mycket visköst membran som trycker plastsmältan framför sig. Gasen arbetar vid ett tryck mellan 2 och 25 MPa medan vattnet arbetar vid tryck upp till 500 MPa. Gasen kan på grund av trycket gå i lösning i kanalens insida och då trycket lättar skummar plasten i ytan och den blir ojämn. Dessutom kan glasfibrer och andra fyllmedel lösgöras i ytan om de förekommer i plasten. Gasformsprutningen har i många avseenden nått sin fulländning, men visat sina begränsningar på grund av gasens låga värmeledningsförmåga och värmekapacitet samt den höga kompressibiliteten hos gasen. Genom att införa vatten i stället för gas utesluter man gasens nackdelar. Metoden är särskilt ekonomisk vid tillverkning av ihåliga plastdetaljer med stort tvärsnitt som rörsystem för kylvatten och olja i bilmotorer. Formsprutning med vatten eller WIT utförs på olika sätt. Ett är att fylla formrummet med en viss mängd plastsmälta och därefter trycka på med vattnet tills formen är fylld (blow-up). Tekniken liknar den vid gasformsprutning. Ett annat sätt är att fylla formrummet med plastsmälta och därefter trycka på med vattnet och låta överflödig smälta flyta ut i ett speciellt fack (blowout). Denna teknik används både vid GIT och WIT. Ytterligare en variant är att låta smältan tryckas tillbaks i cylindern för att ge plats åt vattnet. WIT sker således i stegen: 1. insprutning av smälta, 2. insprutning av vatten som undantränger plastsmältan, 3. bibehållande av vattentrycket (eventuellt kombinerat med återspolning av plastsmältan i cylindern eller fyllning av ett ”spill”fack), 4. trycksänkning och avfuktning, 5. avformning. Processtyrningen för WIT är noggrannare än för GIT. Vattnets obefintliga kompressibilitet medger Vattenformsprutning Värmeledningsförmågan för vatten är 40 gånger och värmekapaciteten 4 gånger större än för gas. Kyltiden kan därför sänkas med 25 procent vid övergång från GIT till WIT. Godset kan göras tunnare och jämnare vilket innebär materialbesparingar. Man har dessutom visat att det går att åstadkomma kanaler så långa som 3 meter med vatten. Ursprungligen utvecklades vattenformsprutningen vid Institute für Kunststoffverarbeitung (IKV) år 1998 och presenterades vid K 2001 i Düsseldorf. 2002 erhöll IKV innovationspriset för sin teknik. Forskning och utveckling kring metoden drivs hos de flesta större maskintillverkare i Europa och av råvaruleverantörer som Rhodia, Bayer och Schulman. De stora problemen ligger hur stort vattentrycket ska vara, flödeshastighet och inverkan på kristallisation. Battenfeld benämner sitt system Aquamold, Engels kallas Water-melt och Ferromatik Milacrons kallas Aquapress. Teknologin är således huvudsakligen en europisk företeelse men utveckling sker också i USA. 46 PLASTFORUM Nr 1 2005 visserligen en noggrannare kontroll men det ställs större fordringar på vatteninsprutningsenheten, som måste leverera en kontinuerlig volymström. I eftertrycks- och avkylningsfasen har vattnet fördelar framför gasen eftersom vatten kyler plasten snabbare från insidan och därmed effektivare och förkortar kyltiden. Vattnet kan avlägsnas på flera sätt. Om plasten har en hög smälttemperatur och högt smältvärme som en polyamid räcker ångtrycket för urspolningen. I annat fall blåser man in tryckluft genom ett speciellt munstycke för att trycka ut vattnet och på en gång torka kanalen. Vattnet som trycks tillbaks i insprutningsmunstycket uppsamlas i en speciell tank. För att evakueringen av vattnet ska ske på ett tillfredställande sätt bör munstycket vara placerad vid formstyckets lägsta punkt så att inte tyngdkraften motverkar evakueringen. Kvävgasen har en viskositet av 23·10-6 Pa s vid 25ºC och 20 MPa medan vattnets viskositet är 890·10-6 Pa s och således cirka 50 gånger högre. Plastsmältans viskositet är oändligt mycket högre. För glasfiberarmerad PA 66 är den således 200 000 gånger högre än vattnets PLASTFORUM Nr 1 2005 vid 300ºC och 20 MPa. Den stora skillnaden pekar på att tryckmediets viskositet borde ha en mycket liten inverkan på processen men ändå visar det sig att WIT ger tunnare väggtjocklekar än GIT och dessutom en jämnare väggtjocklek i böjda kanaler. Eftersom vattnet kyler effektivare än gasen kan kyltiden reduceras med 50 procent jämfört med GIT. Insprutningen sker i början vid ett mycket lågt tryck och ökar därefter till sitt arbetstryck så snabbt som möjligt. Ett mycket högt volymflöde är väsentligt för att åstadkomma en god kvalitet. Injektorn måste utformas med hänsyn till att vattnet har en viskositet som är 50 gånger vattnets. Det går inte att använda en injektor med en liten ringformig öppning som i GIT utan öppningen är betydligt större för att åstadkomma ett tillträckligt flöde. Öppningens storlek är beroende på formstyckets storlek. WIT är ekonomisk vid tillverkning av komponenter med små tvärsektioner som dörrhantag, takräcken, pedaler och armstöd. Vid tillverkning av komponenter med stora ytor är GIT lämpligare. Form med fack för överflöd av plast (spillover cavity) Överskottplast flyter tillbaks i cylindern 47
© Copyright 2024