Ugrás a tartalomhoz

A polimertechnika alapjai

Czvikovszky Tibor, Nagy Péter, Gaál János (2007)

Kempelen Farkas Hallgatói Információs Központ

9. fejezet - FRÖCCSÖNTÉS

9. fejezet - FRÖCCSÖNTÉS

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 eljárásJellege

Nyíró-sebesség

γ (1/sec)

Viszkozitás

η (Pa·s)

Átlagos móltömeg

Mw(g/mol)

Folyási mutatószám

MFI (g/10 min)

Sajtolásszakaszos1010 000>1060,5
Kalanderezésfolytonos1021 000>1051
Extruziófolytonos103-104100>1055
Fröccsöntésszakaszos104-106100>10410
Szálgyártásfolytonos>10610>10350

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

LDPE125–13510–40134–14520–50
HDPE140–17010–40200–26060–120
PP185–24015–40200–28080–150
PS170–20015–20160–24060–150
lPVC155–16010–20160–17080–100
ABS180–20015–25180–22080–120
PA250–30015–25260–32070–100
PMMA160–1805–10180–24050–100
POM180–2005–10180–23080–140
CA190–21015–25170–210100–140
PC250–30015–25270–350100–140
PTFEpor 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.

Egy 300 t záróerős tipikus fröccsöntő gép (Peco MM) „áttört” szerkezeti képe

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].