A Ö BEARBETNING AV HÄRDPLASTMASSOR
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
© Copyright 2024