1. No category

BEARBETNING FRÅN A TILL Ö
A
Ö
BEARBETNING AV
HÄRDPLASTMASSOR
Bearbetning av plast sker
genom formning under värme
och tryck. Formpressning
är den äldsta formningsmetoden. Sprutpressning, som
är en utveckling av formpressning ger möjligheter att
tillverka mer komplicerade
detaljer. Den rationellaste tillverkningen sker genom formsprutning. De tre metoderna
används vid bearbetning av
pressmassor av härdplast.
A. Principen för sprutpressning med kolv
(Plunger Transfer, PT)
B. Principen för insprutning med kolv
C. Principen för sprutpressning med skruv
(Screw Transfer, ST)
D. Principen för insprutning med skruv
(Screw Injection, SI)
uppvärmningstiden, som ökar med tjockleken. I båda fallen är det plastens dåliga
värmeledningsförmåga som är orsaken.
Tillverkning av alltför tjocka detaljer bör
därför om möjligt undvikas.
Den härdande massa som pressas
med olika metoder är en blandning av
ett harts med reaktiva komponenter,
härdare, förstärkningsmedel, utdrygningsmedel, stenmjöl, trämjöl, mineralkorn, mjukgörare, färgämnen med mera.
Blandningen kompounderas i valsverk,
knådare eller extruder och granuleras
till ett så kallat fririnnade pulver eller
granulat av den typ som används vid
formsprutning av termoplaster. Sådana
granulat kan tillverkas då de förstärkande fibrerna är korta. Om förstärkningsfibrerna är långa kompounderas materialet till degmassor som kan varmpressas
till slagsega och robusta detaljer.
Fibrerna kan bestå av glas, cellulosa,
nylon, akryl etc. Pressmassor förstärkta
med långa fibrer och med polyester eller
epoxi som bindemedel brukar kallas
BMC (Bulk Moulding Compound) eller
på grund av den degartade konsistensen
DMC (Dough Mouldnig Compound).
Dessa bulkmaterial framställs enligt
olika recept.
De går alltid att formpressa men vid
formsprutning modifieras plasticeringscylindern och matningen av cylindern
sker med anordningar, som har det
gemensamt att de skonar fibrerna så att
de ej förkortas. Man vill behålla fiberlängden i den färdiga produkten. Långa
fibrer medför hög slagseghet och överlägsna mekaniska egenskaper.
Härdplastprodukter som tillverkas
genom formpressning, sprutpressning
och formsprutning visar i allmänhet
bättre mekaniska egenskaper än termoplastprodukter särskilt vid högre temperatur. Härdplaster har därför under lång
tid funnit tillämpningar när man har
behov av material som klarar höga temperaturer kombinerat med höga belastningar men också för att åstadkomma en
effektiv elektrisk isolering. Härdplaster
har så utmärkta termiska och mekaniska
egenskaper att de i många tillämpningar
kan ersätta metaller.
I det följande beskrivs bearbetning
av härdplaster genom formpressning,
sprutpressning och formsprutning.
(Plunger Injection, PI)
■ Den smälta termoplasten stelnar vid
avkylning medan härdplastmassan får
sin stabilitet genom tvärbindning (härdning) som initieras vid uppvärmning.
Formen kyls därför vid bearbetning av
termoplaster men höjs till temperaturer
mellan 160˚ och 200˚C när det gäller
härdplaster. Detsamma gäller gummi,
som tvärbinds eller vulkas vid högre
temperatur. Värmen tillförs huvudsakligen i själva formen. Temperaturen i
insprutningsenheten måste hållas låg
för att förhindra tidig tvärbindning. En
begynnande tvärbindning eller gelning
sker vanligen mellan 80˚ och 100˚ C.
I gummisammanhang kallas en tidig
tvärbindning för anvulkning. Om härdplastmassan plasticeras i en cylinder med
skruv uppstår värme genom friktion och
för att minska värmestegringen införs vattenkanaler i plasticeringscylindern.
VID FORMSPRUTNING av termoplaster
omges däremot cylindern med elektriska
värmeband. Gummi tvärbinds snabbare
än härdplast och det förekommer att
även skruven kyls med vatten.
Vid formpressning är förvärmning av
pressmassan en vanlig väg att öka produktionstakten och minska tillverkningskostnaderna. Uppvärmning i formen är
nämligen den mest tidsödande delen av
tillverkningscykeln. Vid formsprutning
av termoplaster ökar kyltiden med formgodsets tjocklek men för härdplaster är det
54
PLASTFORUM Nr 3 2005
BEARBETNING FRÅN A TILL Ö
Här behandlas framställningen av
produkter som i storleksordning
motsvarar formsprutade detaljer av termoplast. Metoder som
handupplagd armerad plast, SMC,
tvåkomponent polyuretan och RIM
behandlas ej. Dessa material och
tillhörande tillverkningsmetoder
har beskrivits tidigare i Materialskolan.
INLEDNINGSVIS BERÖRS här de vik-
tigaste materialen som är fenolplaster, aminoplaster, ester- och
allylplaster samt epoxiplast men
ej härdbara silikoner. Därefter
beskrivs utvecklingen från enkel
formpressning till dagens formsprutning av härdplaster.
Det är således skillnad mellan de
härdplastmassor som levereras som
fririnnade granulat och sådana som
ej går att granulera (bulkmaterial
av typen BMC och DMC). Fririnnande material är lätta att införa
i automatisk tillverkning medan
bulkmaterialen medför problem.
Tillverkningen med fririnnande
material kan indelas i fyra huvudtyper (b och d representerar formsprutning):
A. Sprutpressing med kolv (PT)
B. Insprutning med kolv (PI)
C. Sprutpressning med skruv (ST)
D. Insprutning med skruv (SI)
Presstrycket är beroende på både
godsets konstruktion och pressmassans egenskaper. Förvärmning
minskar presstrycket medan långa
flytvägar och trånga spalter kräver
högre tryck. Val av presstryck är
således en balansgång och beroende
på vilka pressar som finns tillgängliga. Ett högt tryck kan dra med sig
höga kostnader eftersom det för
med sig en större press.
VID FORMPRESSNING kallas härd-
■ Fenoplast eller fenolplast brukar betecknas som den första härdplasten och
upptäcktes av Leo H. Baekeland 1907.
Han blandade fenol med aldehyd som
reagerade under tryck och värme och
fick en varm gulbrun vätska (A-stadiet).
Vätskan stelnade till ett sprött material.
För att minska sprödheten blandades
materialet med fibrer och fyllmedel.
Sedan han dessutom tillfört katalysatorer, smörjmedel, färgämnen och annat
erhöll han en härdplastmassa (moulding
compound). Härdplastmassan genomgick ytterligare en kemisk reaktion
(B-stadiet) då den utsattes för tryck och
värme under en viss tid. Slutligen härdade massan till ett olöslig material som
ej gick att smälta (C-stadiet).
FENOLPLASTEN UTGÖR egentligen en
grupp härdplaster som bildas genom
kondensation av olika fenoler och aldehyder men den helt dominerande plasten fås ur fenol och formaldehyd. Fenolharts står för de smältbara och lösliga
mellanprodukterna som bildas under
bearbetningen medan fenolplast står för
den härdade slutprodukten.
Det förekommer två hartssystem
benämnda novolack och resol. Novolackhartset används i olika härdplastmassor fyllda med fyllmedel och förstärkningsmedel. Blandningarna, är lätta
att kompoundera, har lågt pris och ger
fririnnande granulat. Kompounderade
material baserade på resolharts har den
fördelen att de ej bildar gaser vid pressning men de är temperaturkänsliga och
svåra att bearbeta både vid kompoundering och pressning. Som pressmassa med
tillsatt härdare, smörjmedel, trämjöl,
glasfiber, glimmer etc. används hartsen
för tillverkning av el-komponenter,
handtag, kåpor, lager mm. Fenol och formaldehyd klassas som giftiga ämnen och
kan avges under upphettning av harts.
REDAN FÖRE BAEKELANDS upptäckt hade
Adolf von Beayer (Bayer) år 1872 beskrivit reaktionen mellan fenol och formaldehyd och hur de bildade en hartsliknande produkt. Upptäckten gjordes
då den första termoplasten celluloid
började bli känd. Den nya produkten
blev emellertid betraktad som en akademisk kuriositet fram till 1890-talet.
År 1899 tog Arthur Smith ut ett brittiskt patent rörande fenolformaldehydplast, som var tänkt att ersätta ebonit
som isolator i elektriska tillämpningar.
(Ebonit, som är en styv tvärbunden pro-
dukt, kan om man så
vill betraktas som den
första härdplasten)
Under de kommande
åren var emellertid
intresset lågt för både
plasten och reaktioner mellan formaldehyd och fenol.
Konsumtionen av
Leo Hendrik
Baekeland
lysgas, som erhölls ur
stenkol, var hög under 1890-talet. Stenkolsindustrin expanderade och vid sidan
om lysgasen erhöll man billiga biprodukter, som man sökte avsättning för.
En av dessa var fenol. Fenol användes ett
tag som antiseptikum, men ersattes av
andra preparat på grund av sin giftighet.
Fenol hade således inte funnit någon
användning vid förra sekelskiftet men
fenolformaldehydplasten gav nytt hopp
för fenolets avsättning. Formaldehyden,
som tillverkades av träsprit (metanol)
var å andra sidan relativt dyr men framställningssättet var känt sedan 1867. Det
visade sig svårt att hantera blandningar
av fenol och formaldehyd och då komponenterna reagerade med varandra
bildades odugliga porösa material.
LEO HENDRIK BAEKELAND löste problemet
på ett vetenskapligt och synnerligen
begåvat och intuitivt sätt. Han eliminerade porositeten med hjälp av en tryckkammare. Kondensationsreaktionen
påskyndades genom närvaron av baser
eller alkaliskt reagerande salter i närvaro
av en katalysator.
Processen gav ett hårt oupplösligt
material som Baekeland gav varubeteckningen Bakelite efter tryckkammaren.
Baekeland kallade tryckkammaren för
“Bakelizer”. Ofta härleds bakelit till
upphovsmannens namn, vilket är fel.
Baekeland myntade begreppen resol
och novolak samt A-, B- och C-stadiet
för att beskriva hur reaktionsprodukten
successivt blev olösligare och svårare
att smälta. A-, B- och C-stadiet används
också för att beskriva andra härdplastreaktioner.
År 1907 beviljades Baekeland sitt
första patent rörande framställning av
fenolformaldehydplast under värme
och tryck. Baekeland marknadsförde
omgående sitt material. Ett omfattande
patentskydd säkrade hans monopolställning ända till slutet av 20-talet. Beakelands banbrytande patent 1907 följdes
av ytterligare 118. År 1910 startade han
General Bakelite Company, som senare
▲
ningstiden den tid det tar från det
att pressen slutits tills det att formgodset friläggs. Vid sprutpressning
och formsprutning är det tiden från
det att insprutningen är klar tills avformning sker. Det kemiska förloppet med fullständig tvärbindning
överenstämmer inte med dessa
härdningstider. Avformning sker då
formgodset nått den härdningsgrad
att det ej deformeras vid avformningen. Efter avformningen sker en
efterhärdning som kan ta månader
vid rumstemperatur. Efterhärdningen kan emellertid påskyndas
genom värmebehandling i en ugn.
Baekelands fenolplast
A
Ö
Lars-Erik Edshammar
PLASTFORUM Nr 3 2005
55
BEARBETNING FRÅN A TILL Ö
▲
A
Ö
blev Union Carbide och i vars styrelse han satt till sin död 1944.
Baekeland kom från Belgien. Han
utvandrade som 24-åring till USA
1887 och var bosatt i Yonkers, New
York, då han gjorde sin uppfinning.
Han var doktor i kemi och uppfinnare med elektrokemi och fotografi
som specialiteter. Han hade utvecklat
ett fotopapper Velox, som patenterats. Han sålde patentet till Eastman
Kodak Corporation. Han fick bra
betalt och blev därmed ekonomiskt
oberoende, vilket gav honom möjligheten att utveckla bakeliten.
Den kommersiella tillverkningen
av fenoplast kom snart igång och blev
en framgång. I början av 1900-talet
förstod man egentligen inte hur processen gick till i grunden. I dag vet vi
att processen är mycket komplicerad
på grund av fenolmolekylernas höga
funktionalitet. Den flerfunktionella
fenolens reaktion med formaldehyd
är en kondensationsprocess, som
leder till förgreningar, vilka i slutändan tvärbinds till ett tredimensionellt
nätverk.
FENOLPLASTER BLEV en av dåtidens
konsthartser. Tillsammans med
ebonit, galalit och celluloid blev
materialet ett billigare alternativ till
dyra naturliga material som elfenben,
schelack, ebenholts och horn. Bakelit
vann stor spridning genom det växande behovet av elektriska isoleringsmaterial samt föremål som knappar,
knivskaft och eldfasta handtag. Bakeliten är brun till svart och mörknar
under ljusets inverkan. Materialet är
lätt att känna igen på sin karaktäristiska fenollukt.
Bakeliten har god elektrisk och
termisk isoleringsförmåga, är hård
och resistent mot fuktighet samt
utspädda syror och alkalier. Bakeliten
tål temperaturer upp till 300° C utan
att sönderdelas. Bakelitens framgångar berodde främst på den elektriska
industrins växande behov av isoleringsmaterial och senare på den stora
användningen i radioapparater och
telefoner. Ericssons telefoner bestod
av bakelit innan de började formsprutas i ABS under 1960-talet.
Fenolhartser i form av elektriska
isolerlacker tillverkades 1917 vid
Skånska Ättikfabriken, som senare
blev Perstorp AB. Fenolpressmassor
utvecklades i Perstorp 1920 och kalllades Isolit.
■ Bakeliten fick en snabb spridning
på marknaden och sporrade de stora
kemiföretagen att ta fram andra härdplaster med kanske ännu bättre egenskaper. Bakeliten hade en dyster färg
och helst ville man ha en härdplast
som var genomskinlig och kunde infärgas i ljusa färger.
Det var bara de stora företagen,
som hade råd att satsa på nya material. Dels behövde man tillverkningskapacitet för råvaror och dessutom
krävdes mycket stora investeringar
för att tillverka produkter. Bland de
föreningar som kom i fråga var formaldehyd i kombination med urea
(karbamid) som gav ureaformaldehydplast (UF) och melamin som gav
melaminformaldehydplast (MF). De
båda plasterna går under den gemensamma benämningen aminoplaster.
PÅ 20-TALET hade man studerat reaktioner mellan urea och aldehyder
och framställt patenterade föreningar
användbara som lim och ytbehandlingsmaterial. Ureaformaldehyd för
formpressning framtogs av österrikarna Pollak och Ripper 1923 och
kallades Pollapas.
Materialet beskrevs som ett “organiskt glas”. Det var genomskinligt
och kunde infärgas i ljusa färger men
det var sprött. Man förstärkte då
ureaformaldehyden med blekta cellulosafibrer och erhöll ett starkare
genomskinligt material, som marknadsfördes 1930. Snart kunde man
infärga härdplasten i glada färger i
krontrast till bakeliten.
Förutom pressmassor användes
ureaformaldehyden i lim och lacker
samt vid ytbehandling av papper och
textilier.
De första kommersiella aminoplasterna, som introducerades omkring
1930, var således tjugo år yngre än
fenolplasterna. De första produkterna fick varubeteckningen Beetle
eftersom materialet hade förmågan
att ”beat all others”. Aminoplasterna
är helt giftfria och luktar ej fenol som
bakelit.
Melamin- och ureaplasten har likartade egenskaper. De har goda elektriska och mekaniska egenskaper vid
normal användning och produkter
kan tillverkas i en bred färgskala.
Ofyllda är plasterna halvgenomskinliga, något gulaktiga, slagsegheten
är dålig men de är motståndskraftiga
mot de flesta lösningsmedel.
Melaminplasten (MF) har i flera
avseenden bättre egenskaper än ureaplasten (UF). Högsta användningstemperaturerna är 120˚ C för MF och
80˚ C och för UF. Melaminplasten tål
således högre temperaturer men är
också dyrare.
Båda bildas genom en kondensationsreaktion som avger vatten. Ett
formgods innehåller således vatten
som gradvis avgår under det att godset krymper. Krympningen fortgår
tills fuktighetshalten i materialet
kommer i jämvikt med den omgivande luftens fuktighet. Pressformning
sker vid 10–50 MPa. Ureapressmassan pressas vid 130–160˚ C och melaminpressmassan vid 140–177˚ C.
Vanliga användningsområden för
aminoplaster är eldetaljer, kåpor,
skruvlock och olika förslutningar.
Ureaplasten har hög resistens mot
kosmetiska produkter, som kan vara
aggresiva.
DET SCHWEIZISKA företaget CIBA sökte sitt första patent för melaminformaldehyd 1936. Melaminprodukter
har tillverkats i Sverige sedan 1940talet. I så gott som alla hem finns det
hushållsgods av melaminplast, som
lanserades på 50- och 60-talet. De är
av en robust kvalitet och saknar den
typiska plastkänslan.
Av fylld melaminplast tillverkas
slagtåliga tallrikar och fat som formpressades. Produkterna ger en känsla
av porslin och melaminplasten är
hårdast bland de kommersiella plastmaterialen. Av materialet tillverkades
också färggranna askkoppar eftersom
det klarade cigarrettglöd. En sådan
askkopp var ”kulan”, som blev en
designsuccé på 1960-talet.
Aminoplaster från Perstorp AB
■ Perstorp AB innehar 40 procent av
europamarknaden för aminoplaster.
Man marknadsför en serie plaster
med särskild inriktning på formsprutning med handelsbeteckningarna
Amitec™ och Animel™.
Materialen är fririnnande med korn
av jämn storlek och levereras som
granulat med en medeldiameter av
1 mm eller som man kallar pellets
med dimensioner som motsvarar
traditionella termoplastgranulat. Pellets används för material fyllda med
glasfiber, som får en längd av omkring
2 mm i den formsprutade produkten.
Materialen bearbetas i en traditionell
formspruta efter byte av skruv och
cylinder samt inställning av maskinprogrammet.
Arnitec kan räknas som en traditio-
▲
56
Aminoplaster
PLASTFORUM Nr 3 2005
BEARBETNING FRÅN A TILL Ö
▲
nell aminoplast och består av blandningar
av urea och melamin. Amitec går även att
formpressa. Sprutpressning förekommer
utomlands bland annat i England.
Materialet har goda flytegenskaper och
kan infärgas i en bred färgskala. Materialet
är särskilt lämpat för tillverkning av strömbrytare, handtag och möbelkomponenter.
ANIMEL ÄR EN modifierad aminoplast.
Modifieringen är kemisk och ger en linjär struktur hos molekylerna. Materialet
är unikt, har låg viskositet och liknar en
termoplast vid formsprutning genom att
molekylerna orienteras i flytriktningen.
Man kommer därför runt problem, som
man ofta har när det gäller härdplaster
till exempel i tunna sektioner. Utan
glasfiberförstärkning har materialet
beteckningen Animel FX och med glasfiber Animel GF. Båda kvaliteterna har
på grund av strukturen en mycket god
flytförmåga.
För elektriska komponenter erbjuder
Perstorps ureaformaldehydprodukter
(UF). Produkten 161 ger formgods med
hög dimensionsstabilitet, liten krympning och låg fuktabsorption. Produkten
171 har också hög dimensionsstabilitet
men också hög ytkvalitet och mycket
god flytförmåga. Detsamma gäller 371,
som dessutom kan infärgas i kraftiga färger. Produkterna 171 och 371 används
också för tillverkning av sanitära produkter till exempel toalettsitsar och
badrumsdetaljer.
Aminoplaster utmärks av synnerligen
goda elektriska egenskaper. De är självslocknande utan tillsatser av flamskyddsmedel. Formsprutgodset har en jämn
och blank yta, som är seg och har hög
reptålighet. Materialen är lättbearbetade
och ger produkter som kan vara halvgenomskinliga till opaka i olika nyanser.
Förutom förstärkande glasfiber förekommer cellulosa och mineral som fyllmedel. Cellulosa har en viktig uppgift
att binda det vatten, som bildas vid kondensationsreaktionen under härdning.
Mineralfyllmedel tillsätts
endast till någon procent.
Melaminplast häftar till vissa legeringar till exempel sådana som innehåller koppar. Kopparlegeringar är således
lämpliga material för insatser. Plasten
häftar också mot TiN-belagda ytor.
A
Ö
Hårdbeläggning med TiN är
således en olämplig behandling av formytor och maskinkomponenter som kommer
i kontakt med plastsmältan.
Emellertid fungerar hårdbeläggningar
med CrN.
MISSTÄNKER MAN att formsprutningen
gått snett kan man utföra ett vattenprov
i kokande vatten, som ger ett mönster
i formgodsets yta. Några droppar svavelsyra tillsätts vattnet. Ytmönstret förstärks om man dessutom tillsätter av ett
rött färgämne.
Polygiene™ är en produkt som lanserades av Perstorp Compounds för några
år sedan. Genom att tillsätta ett silversalt
till aminoplasten har man framställt ett
material som tar död på sjukdomsalstrande organismer. Silversaltet tillsätts
både Aminel, Amitec och ureaplaster.
Silverjonerna migrerar synnerligen
långsamt i materialet och produkter har
fungerat på marknaden utan minskad
effekt i över fem år. Materialet är cirka
50 procent dyrare än de övriga aminoplasterna.
Polyester- och allylplaster
■ Omättade polyestrar framställs genom förestring av blandningar mellan
organiska mättade och omättade syror
och glykol. Som hartskomponent tillsätts en monomer som har till uppgift
att tvärbinda polyestermolekylerna. Monomeren är vanligen styren, som också
fungerar som lösningsmedel. Hartset
med sina komponenter (ester + styren)
är i ohärdat tillstånd en lackliknande ofta
svagt gul vätska. Tvärbindning initieras
vid tillsats av en peroxid. Det finns olika
typer av omättade polyestrar som ”orto”
med kemiska och termiska begränsningar,
”iso” som är dyrare men ger bättre egenskaper samt vinylestrar med mycket
goda egenskaper.
PLASTFORUM Nr 3 2005
POLYESTERMASSOR som innehåller långa
fibrer kan ej granuleras men ger vid
pressning höghållfasta produkter med
goda termiska och elektriska egenskaper.
De kan läggas som klumpar i en form för
hand och formpressas vid 100–160˚C.
Metoden ger ett gott resultat men är
långsam (2–3 min).
Används formsputning, som är en
rationellare process, måste man införa
särskilda anordningar för att fibrerna inte
skall brytas ned under processen. En rad
olika metoder har presenterats under de
senaste årtionden för att bearbeta dessa
bulkmaterial.
Allylplaster är härdbara polyestrar som
bildas av en mättad karboxylsyra
till exempel ftalsyra och allylalkohol, CH2
= CH – CH2OH. Allylplasterna har stora
likheter med konventionella omättade
polyesterplaster men de besitter unika
egenskaper för vissa tillämpningar.
Vid förpolymerisering erhålls en förblandning med korta molekylkedjor som
är lättlöslig i många lösningsmedel. Förpolymeren används som bindemedel i
pressmassor. För att åstadkomma önskad
flytbarhet tillsätts vanligen en monomer
av allylester. Peroxider ger tvärbindningar vid förhöjd temperatur. Allylpressmassor är baserade på två typer av
polyestrar: diallylortoftalat (DAP) och
diallylisoftalat (DAIP). Som förpolymerer är de vita pulver med smältpunkter
under 100˚C. DAP dominerar till 90
procent på grund av lägre kostnad och
bättre egenskapsprofil i jämförelse med
DAIP.
ALLYLPRESSMASSOR innehåller vanligen
förstärkande fyllmedel som korta glasfibrer, mineralfyllmedel och organiska
syntetiska fibrer.
Pressmassor förekommer som fririnnande granulat och bearbetas vanligen
genom sprutpressning. Härdningen sker
vid lågt tryck och förlöper snabbt vid
högre temperatur. Lämplig härdningstemperatur är 140–160˚ C. Genom att
materialet förpolymeriseras blir krympningen mindre än 1 procent.
Allylplasterna har mycket goda elektriska egenskaper, låg vattenabsorption
samt hög dimensions- och exceptionellt
god värmestabilitet De pressade produkterna klarar kontinuerliga temperaturer
mellan 180˚ C och 230˚ C.
Allylplasten används för tillverkning
av elartiklar och i tillämpningar där låg
efterkrymp och okänslighet mot fukt är
värdefulla egenskaper till exempel
i medicinska och optiska instrument.
▲
LÖSNINGEN eller polyesterhartset fungerar som bindemedel vid kompoundering med en rad olika fyll- och förstärkningsmedel. Bearbetningsmetoden
sammanhänger med kompoundets sammansättning och reologi. Torra kletfria
pressmassor i granulatform formsprutas
och är ofta baserade på specialpolyestrar
och någon annan monomer än styren.
Kompounden framställs i blandningsextrudrar, valsverk eller knådare och
innehåller mineral, glaskross, korta eller långa glasfibrer, avfallsull, bomull
och andra cellulosafibrer, trämjöl, olika
syntetfibrer, konsistensmedel etc. Dessa
kompound levereras som fririnnande
och kan bearbetas i automatpressar och
vid formsprutning.
Kompounderade material som innehåller fibrer längre än 5 mm (BMC)
hanteras på särskilt sätt. En pressmassa
av typen BMC har en typisk sammansättning av 35 procent harts, 28 procent
5–20 mm lång glasfiber, 35 procent krita,
1,5 procent zinkstearat som släppmedel
och 0,5 procent av magnesiumoxid som
förtjockningsmedel.
57
BEARBETNING FRÅN A TILL Ö
Formpressning (eng. compression moulding)
■ Formpressning är den äldsta metoden
för tillverkning av tvärbundna detaljer
av fenolplast och andra härdplaster. Under 1800-talet var metoden den vanliga
för tillverkning av gummiartiklar.
En viss mängd material placerades
i en öppen enkel form och varmpressades
till en produkt. Pressmassan placerades
i den undre formhalvan. Hela formen
infördes i en hydraulisk press mellan
plattor som kunde upphettas varefter
detaljen formades under värme och
tryck för att fylla formen och ge hög
densitet hos det härdade godset.
Efter tillräcklig härdning öppnades
pressen och formen togs ut för att
plundras på sitt innehåll. Tekniken
kallades förr ”open mould process” och
senare formpressning.
FORMPRESSNING förekommer i dag i la-
boratoriet för att utvärdera blandningar
av gummi eller härdplaster men används
även i produktion.
Formpressningen av härdplaster har
utvecklats till en relativt effektiv tillverkningsmetod med ett antal olika
modeller av pressar. Pressarna arbetar
hydrauliskt först vid ett lågt tryck (cirka
3 MPa) och senare med ett högt (15–20
MPa). Vid det låga trycket sluts formen
med hög hastighet medan det höga
trycket sätts in i slutet av pressningen.
Som medium i hydrauliken används
vatten i ett slutet eller öppet system. Ett
hydrauliksystem kan användas av många
pressar och ytterligare pressar kunde
snabbt införas i systemet.
Tekniken ger gods som utmärks av
hög densitet och utmärkta mekaniska
och termiska egenskaper. Nackdelarna
med metoden blev emellertid uppenbara då man efterfrågade mer komplexa
detaljer och möjligheten till ett rationellt införande av metallinsatser.
Tekniken besväras av en rad nackdelar
som: långsamma rörelser, lång cykeltid,
svårt att införa underskärningar samt
skägg i delningsplanet. Cykeltiden kunde emellertid förkortas genom att införa
förvärmt material i formen.
I jämförelse med andra pressmetoder är
tekniken billig och utförs i maskiner med
jämförelsevis lågt pris. Metoden används
fortfarande vid pressning av pressmassor
innehållande långa fibrer som BMC.
FORMPRESSNING eller varmpressning används också för att tillverka storytiga detaljer av förimpregnerade material som
pressmattor (SMC) samt vid pressning
av termoplastskivor förstärkta med en
glasfibermatta (GMT).
BMC används också för tillverkning av
storytiga detaljer och ger produkter med
mer komplicerad geometri än pressade
Förvärmning
■ Både PTTM och PT-tekniken (se
sidan 59) kompletterades med högrekvensanläggningar för uppvärmning av
pressade tabletter, vilket gjorde cykeltiden betydligt kortare och reducerade
påfrestningarna på formen. Tabletterna
tillverkades av lättrinnande pressmassor i automatiska hydrauliska pressar.
Tabletterna med små avvikelser i vikt
Automatisk tablettpress och
högfrekvensuppvärmning
58
Formpressning – öppen form
i SMC. Exempel är bakluckor till Citroen och VW. I Frankrike utvecklades för
detta ändamål ett särskilt BMC-material
som kallades ZMC.
FENOLPLASTER OCH aminoplaster härdas
genom en kondensationsprocess och det
bildas vatten som måste avledas. Pressmassor av polyester och epoxi bearbetas
på liknande sätt men härdar utan att det
bildas biprodukter men lösningsmedel
och luft måste avledas. Därför ges presssen tillfälle för materialet att andas 2–3
sekunder genom att hanformen lyfts
något och därefter fullbordas pressningen under högt tryck. Formhalvorna
öppnas cirka 1–2 mm då flytningsgraden
är som högst för att släppa ut luft, vattenånga och andra gaser. Om ej materialet ”luftas” bildas porer och eventuellt
sprickor i godset.
Epoxiplaster
och temperatur infördes i presscylindern.
Förvärmda tabletter används också
vid formpressning. Det komprimerade
materialet tar liten plats i formen och
kan innebära besparingar vid tillverkning av formverktyget.
Förvärmning är nödvändig för att
höja produktionstakten eftersom
pressmassan har en låg termisk
ledningsförmåga.
Värmeöverföringen från formens ytor till den komprimerade
pressmassans centrum går annars
långsamt. Följden blir en ojämn
plasticitet i materialet och en lång
presstid.
Genom förvärmning eliminerar
man den del av presstiden som
utgör värmeöverföringstiden.
Förvärmningen gör det inre av
pressmassan varm på mindre än
en minut och temperaturen når
120–130˚ C. Härdningstiden kan
med denna metod minskas med
50–75 procent beroende på godstjockleken.
■ Epoxiplaster förkommer som pressmassor som bearbetas dels vid högt tryck
(12–25 MPa) och dels vid lågt tryck
(4 MPa).
Högtrycksmaterialen är vanligen förstärkta med mineral och glasfiber och
bearbetas i form av fririnnande granulat
både genom sprutpressning och formsprutning.
De förekommer också som bulkmaterial som ger höga hållfastheter. Lågtrycksmaterialen är fyllda med amorf
eller kristallin kiseldioxid och sprutpressas vid lågt tryck.
Båda epoximaterialen har utmärkt
resistens mot höga temperaturer och
bibehåller sina egenskaper även i svårare
miljöer. Lågtrycksmassorna används för
inkapsling av elektronikkomponenter.
Utöver nämnda härdplaster finns det
ytterligare material som fungerar som
bindemedel eller matriser i avancerade
kompositer som exempelvis tvåkomponent polyimid.
Som förstärkningsmedel i dessa dyra
material förekommer bland annat kolfiber.
PLASTFORUM Nr 3 2005
BEARBETNING FRÅN A TILL Ö
Sprutformning med kolv
(Plunger Transfer, PT)
■ Nackdelarna med pressformning
eliminerades till en del genom införandet av sprutformning, som är en
sluten process (closed mould). Formen vid sprutpressning kan vara
vertikalt eller horisontellt delad.
Pressen innehåller en uppvärmd cylinder som fylls med en viss mängd
massa. Därefter sluts de båda formhalvorna under tryck. Den varma
massan pressas med en kolv genom
fördelningskanaler till två eller fler
formrum där pressmassan härdas.
Sprutkolvens hastighet och det
tryck den utövar anpassas till pressmassans mjukningshastighet och
viskositet.
Temperaturen i sprutcylindern
måste vara väl anpassad det aktuella
materialet. Sprutpressning används
ofta inom gummiindustrin istället
för formsprutning. Sprutpressning
brukar beskrivas som ett mellanting
mellan formspressning och formsprutning.
DEN FÖRSTA PRESSEN för sprutform-
1943 och undanträngde kolvmaskinerna. Kolvmaskiner användes
emellertid till slutet av 1940-talet
Show använde en vertikalt opererande press. Pressen slöts på en gång
som den övre delen av formen
tryckte på härdplastmassan, som var
placerad i en presscylinder (pot).
Metoden, som kallades ”Pot Type
Transfer Moulding (PTTM)” hade
en del nackdelar. Formen slöts ej
helt förrän formrummen var fyllda.
Det var därför svårt att undvika att
material sipprade ut vid delningen
av formen.
Det var omöjligt att införa kärnor
vinkelrätt mot formens rörelseriktningen. Dessutom avskiljdes ett
överskottet av plast tillsammans
med ingötstappen vid formgodsets
avformning.
För att undvika dessa nackdelar
infördes ”Plun ger Transfer Moulding (PT)”. Man införde en separat
arbetande den kolv, som tryckte
in pressmassan i fördelningskanalerna till formrummen. Nu kunde
formhalvorna slutas tätt innan
den flytande massan sprutades in i
formen eftersom kolvens tryck verkade oberoende av formhalvornas
rörelse.
Man reducerade det överskott
som avlägsnas med ingötstappen vid
avformning och kunde införa snedpinnar och andra typer av kärnor för
att åstadkomma underskärningar.
MÅNGA BEARBETARE monterade
själva extra kolvar i sina vertikalt
verkande pressar. De kommersiella
pressarna utrustades med kolvenheten monterad i den övre plattan
eller i den undre rörliga plattan.
Vid formpressning kan man
direktinspruta massa i formrummet innan formhalvorna är slutna.
Därefter sluts formhalvorna och
massan komprimeras och präglas
Direktinsprutning i gemensamt satsrum
och komprimering i flera fack
(Commen Pocket Mould, CP)
PLASTFORUM Nr 3 2005
A
Ö
Vertikal sprutpressning med enskilt verkande kolv
(Plunger Transfer Moulding, PT)
Kärndragning med snedpinne
Enkel sprutpressning och sprutpressning med kolv
▲
ning uppfanns av Shaw 1926 och
var av enklare konstruktion än de
som introducerades på 1940-talet.
Formsprutning med kolv fanns
redan då Shaw införde sin metod
och hade sitt ursprung i pressgjutning av metaller, som kom under
1850-talet. Hyatt använde metoden
för att formspruta celluloid senare
under 1800-talet.
Vid pressgjutning fylls en cylinder med smält metall. Cylindern är
försedd med en kolv, som pressar
smältan in i ett kallt verktyg av stål.
På liknande sätt fungerade de första
formsprutningsmaskinerna.
De första serietillverkade formsprutorna med kolv kom 1926,
samma år som Show uppfann sprutformningen. En formsprutningsmaskin med skruvinsprutning i stället
för kolvinsprutning pantenterades
Sprutpressning enligt Shaw, 1926
(Pot Type Transfer Moulding, PTTM)
Direktinsprutning och komprimering
(Direct Sprue Gate, DSG)
59
BEARBETNING FRÅN A TILL Ö
▲
A
Ö
med mycket hög måttnoggrannhet
(DSG). I princip används en sådan
prägling även vid bearbetning av
termoplaster (till exempel CDskivor).
Metoden kan även användas vid
sprutpressning. Man direktinsprutar massa i ett gemensamt satsrum,
varefter formhalvorna sluts för
komprimering i formrummen
(CP).
Användning av ett gemensamt
satsrum ger fördelar vid fyllning av
många fack, vilket framgår av vidstående figur.
Sprutpressning i många fack
Förvärmning med extruder
■ Sprutpressning med kolv belastades av kostnader för tablettering
och föruppvärmning av pressmassan samt att den uppvärmda
tablettens vikt kunde variera. Tabletteringen och uppvärmningen
skedde vid sidan av pressen. Därför
infördes automatisk förvärmning
av kompoundet med hjälp av en
extruder som kunde integreras
med pressen. Pressmassan
infördes i extrudern via
en tratt och plasticerades
av den roterande skruven
i en uppvärmd cylinder.
En given mängd av det
varma extrudratet hamnar
portionsvis i en centralt
belägen sprutkammare för
att därefter pressas in i formen med hjälp av en kolv.
Maskinen bestod av en
horisontell extruder och
en vertikalt opererande
insprutningsenhet. Denna
pressautomat arbetade
med en viss tidsfördröj-
ning för plasticeringen och införandet i sprutkammaren under det att
formen öppnades. Metoden blev
allmänt använd under 1960-talet.
Principen för automatisk sprutpressning
(Screw Transfer, ST, moulding machine)
Formsprutning
■ Förvärmning med hjälp av en extruder
var en uppenbar framgång och nästa steg
blev att använda skruvar med fram och
återgående rörelse som både plasticerade kompoundet och arbetade som kolv.
Vid mynningen av cylindern eller munstycket verkade en avskiljare som skar av
en väl avvägd och förvärmd del av kompoundsträngen som därefter transporterades till ett formrum för pressning till
exempel med hjälp av en överföringsanordning enligt bifogade figur (där förvärmningen sker med en extruder och
pressformning sker med en kolv). Avskiljaren fungerade också som en förslutning under plasticeringsförloppet.
Förvärmning med cylindrar ökade
produktiviteten och nästa steg blev att
spruta det förvärmda materialet direkt
in i en varm form med hjälp av en horisontellt verkande formspruta. Härdtiden
vid formsprutning blir på grund av förvärmningen många gånger kortare än vid
formpressning i varm form utan förvärmning.
Formpressningen och sprutpressningen som varit de traditionella bearbetningsmetoderna för härdplaster kom att
alltmer ersättas med formsprutning som
nu blivit dominerande. Formpressningen
har emellertid som påpekats fördelar
när det gäller material som förstärkts
med långa fibrer.
Vid formpressning tas endast hänsyn
till ett fåtal parametrar som formens
temperatur, presshastigheten och härdtiden. Vid formsprutning kan alla parametrar inklusive plasticerings- och
insprutningsförhållanden justeras automatiskt för att nå maximal kvalitet.
Dessutom dokumenteras vanligen förloppet. Cykeltiden är kort vid form-
sprutning eftersom massan förvärms
något under plasticeringen och blir ännu
varmare på grund av friktion i den trånga
passagen till formrummet (intaget).
Plastmassan införs i formrummet i bästa
fall vid en temperatur nära tvärbindningstemperaturen. Formsprutningen
har i allmänhet en mycket hög tillförlitlighet då man bearbetar härdplaster och
ger hög reproducerbarhet.
Härdplastmassor blir mycket lättflytande efter en tid i plasticeringscylindern för att därefter bli mycket trögflytande när de börjar tvärbindas. Av denna
anledning är smältans uppehållstid i
cylindern begränsad. Formsprutningskvaliteter bör klara en uppehållstid av 3
till 6 minuter. Den höga viskositeten i
det heta formrummet leder till att härdplaster formsprutas vid ett högre tryck
än termoplaster.
Förvärmning genom skruvplasticering
Överföring av förvärmt och avskilt extrudat
Jämförelse mellan cykeltider
vid olika väggtjocklekar
60
PLASTFORUM Nr 3 2005
BEARBETNING FRÅN A TILL Ö
De första kolvmaskinerna för härdplaster
■ De första PT-pressarna verkade
i vertikal led men genom påverkan
av den allmänt förkommande formsprutan började man tillverka horisontella pressar.
På 1940-talet förekom att man
konverterade kolvmaskiner för
termoplaster till bearbetning av
härdplaster genom att införa en vat-
tentempererad cylinder för att inte
pressmassan skulle härdas för tidigt.
Vattnet kylde delvis munstycket som
också var lokalt upphettat under
själva insprutningen för att förkorta
härdningstiden i formen. De kommersiella pressarna hade flera samverkande funktioner:
■ Beredning av förformade kom-
pound eller tabletter som förvärmdes
Självständigt verkande materialkolv
■ Självständig slutning och låsning
av formen
■ Stående plattor med utstötarsystem som underlättade avformningen
■ Automatisk styrning av processen
■
A
Ö
Synpunkter på formens utförande
■ Det är viktigt att formens delningen sluter tätare vid bearbetning
av härdplaster än termoplaster. Anledningen är att härdplastsmältan
i ett visst skede har så låg viskositet
att den tränger ut mellan formhalvorna, vilket ger kvarvarande
grader med ett kvarstående skägg
i delningsplanet. Delningsplanets
kanter utsätts därför efter en tid
för skador då formen sluts. Godsets
skägg avlägsnas genom trumling
eller blästring med mjuka partiklar.
Formen rengörs alltid med tryckluft
före nästa pressning.
Om plastmassan innehåller hårda
Bearbetning av BMC-material
■ Då polyester och BMC bearbetas
sker gasbildning under bearbetningen. Flyktiga ämnen utvecklas och
måste avlägsnas liksom kvarvarande
luft i luftfickor. Om inte avluftningen
sker genom själva formens konstruktion styrs den genom att formhalvorna rör sig med ett speciellt program.
Formhalvorna förs isär några millimeter och sluts igen enligt vad som tidigare beskrivits. Ett alternativ är att
evakuera formrummet innan materialet insprutas. I så fall är det nödvändigt med ett vakuumsystem, som är
anslutet till maskinens kontrollsystem.
Fririnnande pressmassor baserade
på fenol-, melamin- och ureahartser
tillförs plastformsprutan genom en
tratt precis som termoplastgranulat.
Kornen klibbar ej utan rinner fritt ner
i plasticeringscylindern. Blandningar
och degiga massor av typen BMC
eller DMS förekommer ej som granulat. De är vanligen baserade på polyester och vinylestrar och levereras av
kompounderare eller också blandas
PLASTFORUM Nr 3 2005
de av bearbetaren själv efter eget
recept. BMC är en färskvara som skall
förvaras i en tät plastpåse för att inte
avge styren och andra lösningsmedel.
Vid formsprutning med kolveller skruvaggregat måste BMCmaterialet pressas in i insprutningsaggregatet med en ”stuffer” utan att
fibrerna förstörs. Skruven i ett skruvaggregat skall ha en speciell geometri med stort gängdjup för att
inte skada materialet. Alternativet
är att avmätta BMC-satser levereras
med en kolv och därefter trycks in i
formrummet via en torped med ett
kolvaggregat, av den typ som förkommer i äldre kolvmaskiner. Åtskilliga system har utvecklats för att bearbeta bulkmaterial av olika recept
Krauss-Maffei har utvecklat ett system som kallas Polyload i vilket bulkmaterialet via ett materschakt och en
behållare förs vidare med en matarskruv (stuffer) med optimal geometri
till insprutningsaggregatet. Matningen kontrolleras med en tryckgivare.
fyllmedel som stenmjöl och krossad glasfiber förslits formytorna.
Förslitningen kan bli kraftig i tunna
sektioner. Vid längre serier används
därför högvärdigt härdat stål. Då
korroderande substanser ingår i
pressmassan bör formytorna hårdförkromas.
Matning av BMC-material med kolvar
(Stuffer ram feeder)
Polyloads principiella uppbyggnad
(efter Krauss-Maffei)
61