A polimertechnika alapjai|Digitális Tankönyvtár

A fröccsöntés és az extrudálás a polimerfeldolgozási technológiák két legfontosabb alakadási eljárása. Amíg azonban az extruzió csak változatlan keresztmetszetű terméket gyárt tetszőleges hosszúságban (és ilyen értelemben az „egy- és kétdimenziós” termékek eljárása), addig a fröccsöntéssel

tetszőleges alakú 3D alkatrészeket és termékeket gyárthatunk,
zárt szerszámban történő formaadással,
nagy nyomású, kis viszkozitású polimerömledék gyors belövellésével (injection molding, Spritzgiessen),
szakaszos üzemmódban.

Mindkét nagyvolumenű eljárásnak, a fröccsöntésnek és az extruziónak megvan az a nagy előnye, hogy gyakorlatilag hulladékmentes feldolgozást biztosít a hőre lágyuló polimerek plasztikus alakadása révén, a termék pedig újra feldolgozható marad (recycling). Mindkét eljárás rendkívül termelékeny és jól automatizálható, robotosítható. S bár a fröccsöntés tipikusan szakaszos üzemű, szemben az extruzió folytonos üzemmódjával, igen jó termelékenységű azáltal, hogy itt még nagyobb nyírósebességgel dolgozzuk fel, alakítjuk képlékenyen szerkezeti anyagunkat. A polimerfeldolgozás alapeljárásait hasonlítja össze a 9.1 táblázat a nyírósebesség, az alkalmazható ömledékviszkozitás, és az ehhez szükséges optimális polimerlánchossz szempontjából.

9.1. táblázat - A főbb polimerfeldolgozási technológiák összehasonlító adatai

Az eljárás	Jellege	Nyíró-sebesség (1/sec)	Viszkozitás η (Pa·s)	Átlagos móltömeg M_w(g/mol)	Folyási mutatószám MFI (g/10 min)
Sajtolás	szakaszos	10	10 000	>10⁶	0,5
Kalanderezés	folytonos	10²	1 000	>10⁵	1
Extruzió	folytonos	10³-10⁴	100	>10⁵	5
Fröccsöntés	szakaszos	10⁴-10⁶	100	>10⁴	10
Szálgyártás	folytonos	>10⁶	10	>10³	50

A 9.1 táblázat adatai természetesen csak durva, nagyságrendi arányokat jelölve, – a nyírósebesség növekedésével párhuzamosan egyre termelékenyebb eljárásokra utalnak. Azt is világosan láthatjuk e táblázatból, hogy a különféle eljárásokhoz eltérő móltömegű alapanyagokra van szükség. Pl. sajtolásra a különlegesen nagy molekulájú polipropilén is alkalmas, kalanderezéshez, extruzióhoz kisebb, fröccsöntéshez még kisebb móltömeg ad optimális hozamot. A szálgyártáshoz pl. általában még ennél is kisebb átlagos móltömegű, az adott feldolgozási hőmérsékleten még kisebb ömledékviszkozitású PP-t használunk.

Az extruzió és a fröccsöntés polimerfeldolgozási technológiájának – amelyek együttesen manapság a polimerfeldolgozás volumenének jóval több, mint felét adják – főbb paramétereit (hőmérséklet, nyomás) hasonlítja össze a 9.2 táblázat a legfontosabb hőre lágyuló polimerek esetében. Látható, hogy amíg a polimerömledék tipikus nyomása az extruderben 10–40 MPa, addig a fröccsgépben ez a nyomás tipikusan 80–120 MPa, sőt efölötti. Hasonlóan általános érvényű összefüggés, hogy a kisebb viszkozitás elérése érdekében a fröccsgépben az ömledék hőmérséklete jelentős mértékben magasabb, mint az extruderben.

9.2. táblázat - Hőre lágyuló polimerek feldolgozásának főbb (T,p) paraméterei

	Extrúzió hőmérséklete °C	Extrúzió nyomása MPa	Fröccsöntés hőmérséklete °C	Fröccsöntés nyomása MPa
LDPE	125–135	10–40	134–145	20–50
HDPE	140–170	10–40	200–260	60–120
PP	185–240	15–40	200–280	80–150
PS	170–200	15–20	160–240	60–150
lPVC	155–160	10–20	160–170	80–100
ABS	180–200	15–25	180–220	80–120
PA	250–300	15–25	260–320	70–100
PMMA	160–180	5–10	180–240	50–100
POM	180–200	5–10	180–230	80–140
CA	190–210	15–25	170–210	100–140
PC	250–300	15–25	270–350	100–140
PTFE	por szinterezés /ömlesztés/ 370–400 °C-on, forgácsolás

9.1 A fröccsöntés alapelve

A fröccsöntés alapelve tehát az, hogy a polimer ömledéket, – amelyet az olvadáspont fölé melegítve kis viszkozitású folyadékállapotba vittünk, – nagy sebességgel, szűk beömlő nyíláson át zárt szerszámba „fecskendezzük”, és ebben a zárt szerszámban a nagy nyomás alatt kihűlő polimerből alakul ki a tetszőlegesen bonyolult formájú (3D) alkatrész, gyakorlatilag hulladékmentes, képlékeny alakítással, nagy méretpontossággal.

A kis ömledékviszkozitásra a bonyolult szerszámtér gyors és teljes kitöltése miatt van szükség. A szerszám kitöltés ideje tipikusan a másodpercek tartományába esik. A fröccsöntés, mint nagypontosságú és rendkívül termelékeny alkatrészgyártás mérethatárai rendkívül tágak: 50 mg-os fogaskerék és 50 kg-os kád egyaránt gyártható megfelelő méretű fröccsöntő gépen. Az elsősorban a hőre lágyuló polimerekre, tipikusan PE, PP, PS, PVC, PMMA, ABS, POM, PC, stb. anyagokra kidolgozott eljárás alkalmazható a hőre nem lágyuló polimerek feldolgozása terén is. A duromer anyagcsaládban (fenoplasztok, aminoplasztok, melamin-epoxi kombinációk stb.), ill. az elasztomerek (gumik) esetében a térhálósítás magában a fröccsöntő szerszámban történik. Ez utóbbi eljárásokban, amelyeket reaktív fröccsöntésnek (RIM) nevezünk, sokszor prepolimerből (előpolimer) indulnak ki (pl. a szilikonok, poliuretánok esetében tipikusan két folyadékfázisú alapanyagból), és az ilyen fröccsöntést viszonylag kis nyomáson hajtják végre.

A fröccsöntő gép tipikus megvalósítási formáját a 9.1, 9.2 és 9.3 ábra mutatja.

9.1 ábra: Egy 300 t záróerős tipikus fröccsöntő gép (Peco MM) „áttört” szerkezeti képe [9.3]

A fröccsöntés technológiáját származtathatjuk a fémek nyomás alatti öntéséből is, a korai műanyag fröccsöntő gépek azonban valószínűleg ettől független fejlesztés eredményei. Már 1872-ben megjelent egy szabadalom [9.1] a kámforral lágyított nitrocellulóz, a celluloid feldolgozásáról egy ún. dugattyús „töltőgépen”. A korai dugattyús fröccsöntő gépek sorozatgyártása Németországban az 1920-as években indult el. Az igazi áttörés azonban a csigadugattyús fröccsöntő gép megjelenésével az 1960-as évekre tehető. A forgó- és oda-vissza mozgásra is képes csigadugattyús fröccsöntő gépet 1956-ban szabadalmaztatták [9.2].