Ugrás a tartalomhoz

A polimertechnika alapjai

Czvikovszky Tibor, Nagy Péter, Gaál János (2007)

Kempelen Farkas Hallgatói Információs Központ

8.6 Extruderszerszámok

8.6 Extruderszerszámok

Az extrudercsiga végső pontja után kialakuló, a legtöbbször kör-keresztmetszetű polimer anyagáramot elvileg bármilyen szabályos vagy szabálytalan keresztmetszetű anyagárammá alakíthatjuk, majd lehűtése után féltermékké, szerkezeti elemként szolgáló csővé, lemezzé, profillá stb. dolgozhatjuk fel. A polimerek viszkoelasztikus karaktere azonban, és különösképpen azok a „szabálytalan” áramlási jelenségek, amelyeket az 5. fejezet végén érintettünk (kifolyási duzzadás, die swell stb.) korlátozzák a profilkialakítás szabadságát. A lehűtéskor az extrudált termékbe, profilokba befagyott feszültségek ugyanis később, a tartós igénybevétel során helyileg eltérő relaxációs jelenségeket, méretváltozást, torzulást, feszültségi repedezést, korai tönkremenetelt okozhatnak. Ezek jórésze az extruderszerszám tervezése során elkerülhető. Célszerű tehát áttekintenünk a polimer extruzió szerszámainak bevált alaptípusait.

Az extruder végére illesztett szerszámok közös vonása, hogy az anyagáramot a következő szakaszokon vezetik át:

  • átmeneti szakasz

  • alakadó szakasz

  • simító („vasaló”) szakasz

Az átmeneti szakasz a kör-keresztmetszetű viszkózus anyagáram átvezetését biztosítja a kívánt profilhoz közelítő keresztmetszetű szelvénybe. Az alakadó szakasz már a kívánt végső keresztmetszet képét alakítja ki. Ezt a keresztmetszetet a következő szakaszban valamelyest még szűkíteni érdemes. A profilt ebben a szakaszban stabilizálják, a helyi nyomás enyhe növelésével az anyagáramot még „kivasalják”.

A szerszámból kilépő polimer anyagáram még nem teljesen szilárd. A végső megszilárdulás az extrudersoron a következő kalibráló egységben következik be, amelyben a kívánt méretpontosságot biztosítjuk.

8.6.1 A csőgyártás szerszáma

A szintetikus polimerek építőipari, épületgépészeti alkalmazásai között a legfontosabb a műanyag-csőgyártás. A 21. század környezetének tisztasága nagymértékben az infrastruktúrától függ. A legkisebb település is el kell hogy legyen látva HDPE-ből és kPVC-ből készült víz-, gáz és csatorna-csőhálózattal.

Az extruziós csőgyártás bevált szerszámtípusát a 8.24 ábra mutatja be.

Csőgyártó-szerszám

8.24 ábra: Csőgyártó-szerszám [8.8] a) kétrészes „tüske”(mag), b) az extruderhez csatlakozó elem, c) torpedó, d) sűrített levegő bevezetés a kalibrációhoz, e) tüske-rögzítés, f) szerszámház, g) központosító csavar, h) központosítható szerszámelem.

A 8.24 ábra csőszerszámában a kép jobb felén elhelyezkedő extruderből érkező ömledékáram egy torpedó-formájú központi maggal (a, c) (tüskével) találkozik. Ezt a központi szerszámelemet rögzítő elem (e) az ömledékáramot helyenként megosztja, de ezután az anyagfolyam újra egyesül. Az f) szakaszban, ill. elemben történik az alakadás, a h) szakasz szolgálja az ún. vasalást, simítást. Ez a h) elem egyúttal három rögzítőcsavar finombeállításával a központosítást, a készülő cső szigorúan egyenletes falvastagságát is biztosítja.

Ilyen típusú szerszámokon készülnek a kPVC csatornacsövek, villamos és távközlési kábeleket vezető csövek, vízvezeték-csövek. Hasonló a HDPE gázcsövek szerszáma is. A csőátmérő elérheti az 1500 mm-t is, a falvastagság gyakran 25 mm-nél is nagyobb.

A csőszerszám után következő kalibrálás módját, eszközeit a későbbiekben (8.7.1 fejezet) tárgyaljuk.

8.6.2 A lemezgyártás szerszáma

Lemeznek a műanyagiparban a 0,5 mm-nél (sőt: a leggyakrabban 1 mm-nél) vastagabb síklapot nevezik. A vékonyabb termék, a néhány tized mm vastag, vagy annál is vékonyabb fólia ugyanis alkalmazástechnikájában eléggé elkülönül. A fólia elsősorban rövidtávú célra (csomagolástechnika, agro-fólia stb.) használatos, tekercsben forgalmazott termék.

A sokféle technikai alkalmazású féltermék, a merevlemez extruziója a gyártási technika, a szerszám felől tekintve is elválasztható a fóliától. A merevlemez tipikus gyártószerszáma az ún. szélesrésű szerszám a 8.25 ábrán látható.

Az alapvető feladatot az jelenti, hogy egy kör-keresztmetszetű anyagáramot kell egyenletesen, síkban szétterítenünk, akár 2000 mm-nél is szélesebb 15 mm-nél is vastagabb lemezzé. A szétterített anyagáram leginkább egy delfin vagy egy cápa farkához hasonlít, de a szétterítő csatornák formája miatt hívják vállfa (Kleiderbügel, coathanger) szerszámnak is (8.26 ábra).

A szélesrésű szerszám feladata az egyenletes vastagságú, feszültség- és elhúzódás- („kardosság”)-mentes lemezgyártás. A lemezgyártó sor természetesen nemcsak extruderből és szélesrésű szerszámból, hanem ezt követően kalander hengerekből is áll (l. 8.7.3 fejezet, 8.37, 8.8.2 fejezet 8.41 ábrák). Valójában nagyon sok múlik a szerszám, a széles rés pontos finombeállításán. Ezt a 8.25 ábra c) és d) jelű kilépő ajaknyílásának szabályozásával érjük el, egy vagy (ahogyan itt a 8.25 ábrán) két oldalról. Egy 1600 mm széles lemezt gyártó szerszámon akár 40 ilyen állítócsavar is lehet. Az egyenletes lemezminőség feltétele az, hogy a szélesrésű szerszámból való kilépés minden pontján az anyagáram sebessége azonos legyen. Ezt a szabályozást szolgálja a torlóléc is. (8.25 ábra, b) jelű alkatrész). A legkritikusabb azonban a „vállfa” formájú elosztócsatorna konstrukciója.

A 8.26 ábra kétfajta konstrukciót is bemutat: a baloldalon (A) a gyakoribb, közelítőleg kör-keresztmetszetű elosztócsatornát látunk, amelynek átmérője csökken a középponttól távolodva. A jobboldalon (B) az újszerűbb megoldás látszik: négyszög- keresztmetszetű az elosztócsatorna, amelynek egyik mérete változatlan, míg másik mérete (vastagsága) csökken a középponttól távolodva a kilépési (lemez) vastagságig. Nyilvánvaló a B megoldás korszerűsége, az egyszerűbb kivitelezhetőség. Ez abból adódik, hogy az elosztócsatorna kiképzéséhez csak az egyik szerszámfelet kell marással kialakítani, a másik szerszámfél síklap.

Szélesrésű, lemezgyártó szerszám oldalnézetű metszetben és felülnézetben

8.25 ábra: Szélesrésű, lemezgyártó szerszám oldalnézetű metszetben (fent), és felülnézetben (lent) [8.8] a) elosztócsatorna, b) torlóléc, c) és d) állítható szerszámajkak, e) fűtőelemek

A szélesrésű szerszám elosztócsatornája felülnézetben (kétféle változatban)

8.26 ábra: A szélesrésű szerszám elosztócsatornája felülnézetben (kétféle változatban) [8.8] A) körkörös elosztócsatorna, B) négyszögszelvényű elosztócsatorna

8.6.3 A kábelgyártás extruderszerszáma

Villamosvezeték szigetelőanyaggal való borítása volt az extruzió egyik legkorábbi technikája, a gumiipar kezdetén, már a 19. század közepén. A villamos-szigetelőkábelek, zsinórok gyártására az 1930-as évek óta lPVC-t, 1950 óta pedig igen sok LDPE-t is használunk.

Az extruderszerszám szempontjából itt a fő feladat: körgyűrű keresztmetszetű bevonat kialakítása adott mag körül de úgy, hogy a kiindulási, osztatlan polimer-anyagáram fő iránya és a késztermék fő iránya nem azonos, hanem jelentős szöget – rendszerint 90 °-ot – zár be.

Kábelbevonó „keresztfej” szerszám

8.27 ábra: Kábelbevonó „keresztfej” szerszám [8.8]

Ilyen „keresztfej” szerszámot használnak a kábelgyártásnál (8.27 ábra) és ahogyan azt később látni fogjuk a fúvott fóliatömlők (8.29 ábra), sőt a fúvott üreges testek gyártásánál is (10.8 ábra, 278. oldal).

Az ilyen u.n. pinolén-szerszámmag alapelve az, hogy az oldalirányból érkező anyagáramot úgy teríti rá a keresztirányú hengerpalástra, hogy abban csak egyetlen vonal mentén legyen anyagáram–összecsapás. Az ideális esetben a kilépő, köpeny-bevonat sebessége a körgyűrű minden pontján azonos. A feladat ennyiben a szélesrésű szerszám vállfa terítési elvéhez hasonlít, és a pinolén-fej elosztó csatornája kissé olyan, mintha a „vállfát” hengerpalástra borították volna. Érdemes megjegyeznünk, hogy az extrudálás sebessége igen nagy: híradástechnikai (pl. telefon) kábelek gyártásánál nem kizárt az 1000 m/perc-et is meghaladó – gyorsvonat! – sebesség. Vékony kábelek gyártásánál már az 50 m/perc extrudálási sebesség is γ = 106 s-1, vagyis igen magas nyírósebességet jelent.

A többezer, sodrott fémszálból álló vezetők extruziós bevonásánál a nyomás alatti ömledék találkozik a fémsodrattal (Druck-Ummantelung). A többezres, már szigetelt vezetékcsalád burkolatának kialakításánál nyomásra nincs szükség, ott elég a központi kábelgyűjtemény körüli enyhe vákuum is (Schlauch-Ummantelung).

8.6.4 Fóliatömlő extruzió és szerszáma

A csomagolástechnika leheletvékony tasakjaitól a mezőgazdasági hajtatóházak (0,2 mm vastag és) akár 16 m szélességű agro-fóliájáig a vékony PE filmek nagyrésze tömlő extruzió (fóliafúvás) technikájával készül. (8.28, 8.29, 8.30 ábra). A vízszintes extruder anyagáramát itt is 90 °-kal elfordítják, mégpedig tipikusan felfelé. A fordítószerszám lehet itt is pinolén típusú (8.28 ábra), de lehet több anyagáramra osztó, majd az anyagáramokat egyesítő alapelvű is.

A tömlőfúvás technológiájának elve jól hasznosítja a polimerek viszkoelasztikus állapotban megfigyelhető jelentős nyújthatóságát és az ezzel együtt megjelenő szilárdságnövekedést. A tömlőfúvás technológiáját kifejezetten az LDPE típusokra optimálták, de hasonló módszerrel fel lehet dolgozni HDPE-t, LLDPE-t, sőt PS habfóliát is.

A fóliatömlő extruzió elvi vázlatát a 8.29 ábra mutatja.

Az eljárás lényege, hogy a függőlegesen felfelé kilépő tömlőt még a teljes lehűlés előtt enyhe túlnyomással „felfújjuk”: átmérőjét kétszeres vagy annál is nagyobb arányban megnöveljük, egyidejűleg az elhúzás sebességének beállításával hasonló arányú hosszirányú nyújtást is alkalmazva. Az átmeneti szakasz után a tömlő hőmérséklete a polimer kristályos olvadáspont alá kerül, mérete már nem változik, a felmenő szakasz további része már csak a természetes hűlést szolgálja. A „háztető” formájú terelő lapok (görgőcsatorna) között a tömlőt lapított formában tekercselik fel. A több emeletnyi magas gyártósor fényképét és néhány adatát a 8.30 ábra mutatja. Magyarországon két ilyen gyártósor működik, összesen 30 000 to/év kapacitással.

Fóliatömlő extruzió pinolén szerszámmal

8.28 ábra: Fóliatömlő extruzió pinolén szerszámmal [8.10]

A fóliatömlő extruzió elvi vázlata

8.29 ábra: A fóliatömlő extruzió elvi vázlata

A fóliatömlő extruzió, mint tipikus képlékeny polimer alakítási eljárás szemléletesen bizonyítja a polimertechnika sajátos előnyeit. Anyagunk viszonylag alacsony hőmérsékleten alakítható (a PE típusok kristályolvadási hőmérséklete 110–130 °C közötti) s akár egy óriási légbuborékra is – mint „szerszám”-magra – felhúzható.

Agrofólia extruziója LDPE-ből

8.30 ábra: Agrofólia extruziója LDPE-ből. A tömlő átmérője 5 m, kiterített szélessége 16 m, vastagsága 0,15 mm. Gyártási sebesség: 60 m/h. Az extruder ömlesztő teljesítménye 1500 kg/h, éves gyártókapacitás: 12.000 to [8.9]

A légpárna túlnyomása mindössze néhány tized bar a tömlő-buborékban. A fólia lehűl, mielőtt a néha több emelet magasságban elhelyezett tekercselő berendezéshez érne.

A tömlőfúváshoz felhasznált alapanyagnak ömledékállapotban is megfelelő szilárdságot kell felmutatnia. Ez a megfelelően magas ömledékszilárdság minden egyéb technikájú extruziónak is fontos előfeltétele. A tömlőfólia gyártáshoz felhasznált PE esetében a megkívánt ömledékszilárdságot a százezres nagyságrendű móltömeg biztosítja.

A minőségbiztosításnak szigorúan vett előírása a körkörösen egyenletes falvastagság. A tömlőfúvásban ezt egyrészt a leleményes technika biztosítja: a fúvás során az esetleg (helyenként) vastagabb előtermék ömledéke nagyobb hőkapacitással rendelkezik, lassabban hűl, tovább fog nyúlni, vékonyodni. Másfelől a szerszám külső gyűrűje (l. 8.29 ábra) lassú forgó mozgást (vagy lassú oda-vissza ingamozgást) végezve is kiegyenlíti az esetleges helyi vastagodást. Végül ugyanezt a kiegyenlítést úgy is szolgálhatjuk, hogy megfelelő spirális hornyokkal a szerszámban már felfelé áramló polimer ömledéknek adunk a kilépés előtt egy kiegyenlítő áramlást.

8.6.5 Többüreges profilok extruziója

Az extruzió technikája sokféle bonyolult alakú, többszörösen üreges profilok gyártását is lehetővé teszi. A kPVC-ből készült mérettartó és viharálló ablakprofil jó mechanikai „tartását”, merevségét és hőszigetelő képességét többszörösen összetett üreges (szekrényes) szerkezetének köszönheti. (8.31 ábra)

kPVC ablakprofilok

8.31 ábra: kPVC ablakprofilok [8.8]

Az extrúzió hossz-toldott fa-lécekre is történhet (8.32 ábra).

kPVC extruziója fa-lécekre

8.32 ábra: kPVC extruziója fa-lécekre [8.9]

A szerszámkonstruktőr előtt álló feladat hasonló, mint a csőszerszámnál vagy a tömlőszerszámnál: az alapanyag ömledékáramát meg kell osztani, hogy körbejárhassa a szerszám magjait, majd újra egyesülve kialakítsa a profilokat. Az ablakprofil szerszámnál még szigorúan síkba illeszkedő homloklapokat és kifogástalan felületi fényességet is biztosítani kell. Ezzel szemben a belső felületek alakja, felülete, sőt a belső bordák vastagsága is bizonyos tűréseket megenged. A kérdés: a külső mérettűrés szigorú betartásához milyen kalibrálási módszereket, szerszámokat alkalmazunk?

Az üreges profilextruzió szerszáma

8.33 ábra: Az üreges profilextruzió szerszáma [8.1]

A 8.33 ábrán is felismerhető az extruderszerszámok közös vonása: itt a három lapból felépített szerszám betétei hordozzák a fő funkciókat: az első szakasz az extruder kör-keresztmetszetű anyagáramát egy

  • átmeneti szakaszban megosztja, majd egy

  • alakadó szakaszban kialakítja a profil-közeli alakot, s végül egy

  • vasaló szakaszban „lesimítja”, végleg megformálja.

Ezekben az egymás utáni szakaszokban az anyagáram fokozatosan felgyorsul, a torlónyomás növekszik.

A profilextruzió még számos kombinációs lehetőséget tartogat. Szó esik még majd (8.8.2 fejezet) a ko-extruzióról, amikor kétfajta polimer anyagáramát egyesítjük az extruderben, hogy a profil megfelelő részében eltérő terméktulajdonságokat kapjunk.