Ugrás a tartalomhoz

A polimertechnika alapjai

Czvikovszky Tibor, Nagy Péter, Gaál János (2007)

Kempelen Farkas Hallgatói Információs Központ

9.7 Különleges fröccsöntési technikák

9.7 Különleges fröccsöntési technikák

9.7.1 Kétkomponensű fröccsöntés

A ko-extruzió alapelvéhez hasonlóan a fröccsöntés során is egyesíthetünk két (vagy akár több) polimeranyagot is. A 9.12 ábra mutatja be a kétkomponensű fröccsöntés alaptípusait. Mindkét alapeljárás kiinduló pontja: a kétkomponensű fröccsöntő gépnek két fröccsegysége (fröccs-agregátja) van. Az ún. 2F eljárásban (2 Farben) a kétféle polimert (pl. két különböző színű akrilát polimert a gépkocsik stop-lámpájának burkolataként) egymás mellé fröccsöntik két elhatárolt szerszámfélben, egymás utáni lépésben. Ehhez különleges, további mozgó alkatrészt is tartalmazó szerszámra van szükség, hiszen a második anyag térfelét az első lépésben zárva kell tartani.

A kétkomponensű fröccsöntés két alaptípusa

9.12 ábra:A kétkomponensű fröccsöntés két alaptípusa Baloldalt: 2F (két szín, egymás mellett), Jobboldalt: 2K (két komponens egymás alatt, szendvics-szerűen)

A 2K (2 Komponenten) eljárás úgy hajtja végre a fröccsöntést, hogy először A anyaggal kezdi meg a szerszámüreg kitöltését, majd átkapcsolva B anyaggal fejezi azt be, és az utónyomás során újra A anyaggal pecsételi le a „szendvics” szerkezetű terméket. Ezt az eljárást a 9.13 ábra mutatja be vázlatosan. A szendvics fröccsöntésnél a szerszám akár egy hagyományos szerszám is lehet, mert a két anyagáram átkapcsolása történhet ugyan a szerszámban (mint a 9.13 ábrán), de történhet magán a két aggregáttal felszerelt fröccsgépen is. (Manapság ez a gyakori.)

A 2F eljárás tehát bonyolultabb szerszámot igényel. Egy közismert épületgépészeti alkatrész: a fürdőszobák keverőszelepe („vízcsapja”) forgatókereke a leggyakrabban átlátszó külsejű és fekete maggal készülő kétkomponensű (2F) fröccstermék. Ennek szerszámát mutatja be a 9.14 és 9.15 ábra.

A kétkomponensű („szendvics”) fröccsöntés alapelve

9.13 ábra:A kétkomponensű („szendvics”) fröccsöntés alapelve [9.5] a) a (sötét) borítóanyag befröccsöntése, b) a (világos) maganyag befröccsöntése c) teljes kitöltés a (világos) maganyaggal, d) utánnyomás a (sötét) borítóanyaggal

Az első lépésben tehát a sötét anyagból a belső, hengeres előgyártmány készül el. Rövid hűtés után a szerszám nyit, majd fogazott léc és fogaskerék alkalmazásával a szerszám középső része 180 °-os fordulatot tesz.

Újrazárás után megtörténik a külső (átlátszó) poliakrilát ráfröccsöntése az előgyártmány (azonos anyagú, csak sötét színű) hengerre. A két anyag összehegedése a gyártási paraméterek beállításával biztosítható.

A 2K eljárás szerszáma kevéssé látványos, e módszer azonban sokat ígér másodlagos anyagok (pl. reciklátumok, kissé elszíneződött anyagok) vagy különleges mechanikai tulajdonságú, de nem esztétikusan „szép” megjelenésű polimeranyagok hasznosítására. Ez tehát nem igényel bonyolult szerszámot, de nagyon fontos, hogy az ömledékek viszkozitásából képezhető arányszám bizonyos határok között maradjon.

Kétkomponensű (2F) fröccstermék zárt szerszáma

9.14 ábra:Kétkomponensű (2F) fröccstermék szerszáma (nyitva l. 9.15 ábra) [9.8] 1,2) felső felfogólapok, 3) csésze az előgyártmányhoz 4) tárcsa 5,6) forgó lapok, 7) központosító gyűrű, 8) alaplap, 9) távtartó gyűrű) 10) alsó felfogólap), 11) az előgyártmány belső furatát kialakító persely, 12) kúposfejű kidobócsap, 13) visszahúzó rugó, 14) a második munkahely háza, 15) a második munkahely szerszámürege, 16) négyszögletes fejű tengely) 17) fogaskerék, 18) fogazott léc, 19) pneumatikus henger

Kétkomponensű (2F) fröccstermék nyitott szerszáma

9.15 ábra:Kétkomponensű (2F) fröccstermék szerszáma (Zárva l. 9.14 ábra) [9.8] 20) pneumatikus henger, a munkadarab kiemeléséhez, 21) illesztő tárcsa, 22) beömlő persely, 23) rugó, 24) vezérlőrúd, 25) kampós kar, 26) keresztcsap, 27) csapágybak, 28) rugó, 29) hűtővíz-csatlakozás, 30) lökethatároló csavar, 31) lökethatároló csavar, 32) vezetőcsap, 33) tengely a 27-hez, 34) illesztő gyűrűk, 35) tárcsa, 36) persely a 16-hoz, 37) anya a 12-höz, 38) gumi tömítőlap, 39) „O” gyűrű, 40) teleszkóp hüvely a 30-hoz

A 2K (szendvics) fröccsöntés rétegeloszlását befolyásoló legfontosabb tényezők:

  • a viszkozitások aránya B / ηA)

  • a viszkozitások átlagos szintje

    9.5. egyenlet -


  • a fenti két adatból kapott viszonyszám:

    9.6. egyenlet -


  • a szimultán időfázis (két anyag egyidejű áramlása) hossza,

  • az anyagáramok viszonya az átfedő szimultánfázisban,

  • anyagmennyiségek, anyagsebességek, hőmérséklet,

  • szerszám hőmérséklet,

  • szerszámgeometria (folyási úthossz, falvastagság-különbségek) stb.

9.7.2 Gázzal hajtott fröccsöntés

A korszerű fröccsöntési eljárásban alkalmazott igen nagy ömledéknyomások műszaki indokát a 9.4 fejezetben (242. oldal) már részletesen ismertettük. A jelentős zsugorodást a szerszámban csak ezzel a nagy nyomással kompenzálhatjuk, és még ennek a kiegyenlítésnek is határa van. A vastag falú és változó falvastagságú termékek fröccsöntése nehezen oldható meg „beszívódások”, felületi besüllyedések nélkül. A gázbefúvásos, „gázzal segített” (gas-assisted) fröccsöntés egyik előnye ezek kiküszöbölése. Alapelvét a 9.16 ábra mutatja be.

A gázzal hajtott (gázbefúvásos) fröccsöntés alapelve

9.16 ábra:A gázzal hajtott (gázbefúvásos) fröccsöntés alapelve [9.5]

A gázbefúvásos fröccsöntés koncepcióját hasonlíthatjuk a kétkomponensű (2K) szendvics fröccsöntéshez is, amelyben a „mag”: légbuborék. Innen már csak egy lépés a hab-magú 2K fröccsöntés, amelynek során a helyben felhabosodó belső mag „buborékja” fejti ki a gáznyomást.

A gázbefúvásos fröccsöntés előnyei:

  • a zsugorodás csökkentése,

  • kisebb az ömledéknyomás, nagyobb alkatrész gyártható az adott gépen,

  • súlycsökkentés, anyag megtakarítás, költség-előny,

  • ciklusidő csökkentés: a leghosszabb rész-idő, a hűtés lerövidül,

  • minőségi javulás: esztétikus (beszívódás mentes) felület.

A gázbefúvásos fröccsöntés előnyei lényegében onnan vezethetők le, hogy a zsugorodás kompenzálásánál felhasznált Spencer-Gilmore alapelv, ill. összefüggés (244. old.) csak formálisan hasonlít a reális gázok összenyomhatóságát leíró van der Waals egyenlethez,

9.7. egyenlet -


A p* és V* állandók, a kohéziós nyomást és a molekula saját térfogatát figyelembe vevő korrekciós tényezők a polimerömledékre vonatkozólag óriásiak, míg a gázokra igen csekélyek. És innen adódik a gázbefúvás előnye: a könnyen, kis nyomásokkal is jól komprimálható gáz a szerszám falához szorítja a polimer ömledéket, csökkenti a szerszámhoz képest kialakuló zsugorodást, meggyorsítja a hűlést, stb.

A gázbefúvásos fröccsöntés alapvető problémája a szendvics fröccsöntéssel összevetésben derül ki. A 2K szendvics fröccsöntés gyakorlatában kiderült, hogy ott a mag ömledéke magasabb viszkozitású kell, hogy legyen, mint a héj ömledék viszkozitása, az egyenletes héjvastagság elérése céljából.

A gázzal hajtott fröccsöntésnél ez a viszkozitás-viszony fordított: a hajtógáznak sokkal kisebb a viszkozitása, mint a polimerömledék viszkozitása, ez váratlan elvékonyodásokhoz, sőt gáz-áttörésekhez (kilyukadáshoz) vezethet.

9.7.3 Fröccsöntés olvadóbetétes szerszámba

A fémöntészetben régtől fogva alkalmazzák az ún. mag-öntést, azaz egyszer használt magú öntőformába történő öntés (lost core vagy fusible core) technikáját bonyolult formájú üreges öntvények gyártására. Ezek az öntőmagok lehetnek viaszból, porladásra, szétesésre képes homok, só vagy polimer keverékekből. Az ilyen anyagok szilárdsága azonban nem teszi lehetővé, hogy fröccsöntő szerszámok egyszer használatos magjaként felhasználjuk azokat.

A fémből készült, kiolvasztható betét alkalmazása a fröccsöntő szerszámban önmagában nem új ötlet. Már az 1950-es évek végén felmerült, hogy kisebb üreges alkatrészek prototípusát így is lehetne gyártani. A mai technológiát egy 1968-as szabadalom védte, ennek lejárta után, az 1980-as évek második felében terjedt el az eljárás. Elsősorban a robbanómotorok levegő-beszívó csatornarendszerének (intake manifold) sorozatgyártásával értek el nagy sikereket a BASF alkalmazástechnikai fejlesztői (9.17 ábra).

Olvadóbetétes fröccsöntéssel készült 35 % (vágott) üvegszál tartalmú PA-66 kompozitból a BMW motorblokkjához illeszkedő beszívó csatorna öntvény

9.17 ábra:Olvadóbetétes fröccsöntéssel készült 35 % (vágott) üvegszál tartalmú PA-66 kompozitból a BMW motorblokkjához illeszkedő beszívó csatorna öntvény [9.12]

Az 1990 óta készült 4 és 6 hengeres BMW motorok már ilyen technológiával fröccsöntött üvegszálas PA-66 kompozit beszívócsonkkal működnek. Ez a megoldás 1992-ben Detroitban is díjat nyert, azóta a Chrysler és a GM új V6 és V8- motor típusai is műanyagból készült levegő beszívó-csatornarendszerrel készülnek, amelyeket fémötvözetből készült olvadóbetétes maggal működő szerszámba fröccsöntenek. Az ilyen bonyolult térformájú, 8–16 levegőcsatornát egymáson átvezető üreges alkatrész azelőtt csaknem kizárólag könnyűfém öntvényből készült.

A műszaki műanyagok lehetővé teszik az osztott darabokból műanyaghegesztéssel történő előállítást is, egyszerűbb, négyhengeres (főleg diesel-) motoroknál a hasonló polimer részegységek vibrációs hegesztését alkalmazzák. A legbonyolultabb, a levegőáramlás-technika szempontjából is optimált műanyag beszívó-feltétek azonban igen jó minőségben, utómegmunkálást nem igénylő, nagy méretpontossággal, olvadóbetétes fröccsöntéssel készülnek.

A technológia főbb elemei:

  • magkészítés, az olvadóbetét elhelyezése a szerszámban,

  • fröccsöntés, a fröccstermék kiemelése a fémbetéttel együtt,

  • a fémbetét kiolvasztása, az alkatrész megtisztítása,

  • az olvadó fémbetét anyagának újrafeldolgozása.

A könnyen olvadó fémből készült betét előnye a fröccsöntésben a következő tényezőkből adódik:

  • nagy szilárdságú, méretpontos magot ad,

  • nagy hőkapacitású, jó hővezető és így gyors hő-disszipációt eredményez,

  • viszonylag alacsony hőmérsékleten, kevés energiával kiolvasztható,

  • veszteség nélkül újrafeldolgozható,

  • a kiolvasztás sebessége nagy, jól illeszthető a fröccsöntés rövid ciklusidejéhez, és mindezt egybe véve:

  • gazdaságos megoldás.

Az olvadóbetétek anyagának többféle ötvözet szolgálhat. Két tipikus ötvözetet a következő, 9.4 táblázat mutat be.

9.5. táblázat - A főbb polimerfeldolgozási technológiák összehasonlító adatai

TípusBi SnSn Pb Sb
Összetétel (tömeg %)58/4256/41/3
Olvadási hőmérséklet (°C)138,5187
Sűrűség (g/cm3)8,558,50
Szakító szilárdság (MPa)6659
Rug. modulusz (GPa)18,04,0
Szakadási nyúlás (%)0–320–30
Fajhő (kJ/kg °C)0,170,21
Olvadási hő (kJ/kg)44,856,5
Hővezetés (W/m•°C)50,246,0
Hőtágulási együttható (1/ °C•10-6)15,224,0
Szerszámzsugorodás (%)–0,0610,3

A „Bi Sn 138” ötvözetet (9.18 ábra), 138 °C-on olvadó eutektikum, amely 58 (tömeg) % bizmutból és 42 % ónból áll, jól használhatjuk a motorgyártásban sikeres, üvegszál erősítésű PA fröccsöntés olvadóbetétjeként. Az olvadóbetétet magát lényegében a fröccsszerszámokhoz hasonló szerszámban gyártják. Ez a szerszám készülhet alumíniumból is, kisebb sorozatok esetén. Tömeggyártáshoz acél szerszámot használnak itt is.

Az olvadóbetétes fröccsöntésben felhasznált bizmut-ón ötvözetek fázisdiagramja

9.18 ábra:Az olvadóbetétes fröccsöntésben felhasznált bizmut-ón ötvözetek fázisdiagramja [9.12]

A konstrukciós szempontok az olvadóbetétes szerszámba fröccsöntésnél külön megfontolást igényelnek. Az alkatrész konstrukció tipikusan összetett, bonyolult formák létrehozására irányul, – hiszen ezért választják az olvadó magos technológiát. A külső arculat is lehet olyan bonyolult térformájú, hogy még a külső fronton is szükséges lehet olvadó „betét” szerszámrészekre. A konstrukció optimalizálása több fontos tényező minimalizálására, ill. harmonizálására irányul:

  • az érzékeny olvadó betétekre jutó mechanikai és hőterhelést minimumra kell hozni,

  • az olvadómag kiolvasztásának ideje a legrövidebb legyen,

  • szerszámkitöltés optimálása: egynél több beömlés legyen a munkadarabon,

  • az olvadó betét legyen több helyen rögzített a szerszámban,

  • az olvadó betét deformációját (pl. végeselem módszerrel) számításba kell venni,

  • a hőátadást, a fröccsöntés és a szerszám hőmérsékletét gondosan elemezni kell. (pl. a PA-66- GF 35 fröccsöntés esetén a Bi Sn eutektikum 138 °C-on olvad. A fröccsöntés hőmérséklete 290 °C. A PA-66 olvadási hőmérséklet-tartománya: 230–270 °C. A szerszámhőmérséklet: 70 °C.

Az olvadóbetét alkalmazásának vázlata

9.19 ábra:Az olvadóbetét alkalmazásának vázlata [9.12] középen: az olvadó mag nyomás alatti öntése jobbra: a fröccsöntő gép balra: a fémbetét kiolvasztása a kész fröccstermékből forró folyadékfürdőben

Az a látszólagos ellentmondás, hogy a 290 °C-os PA-66 alapú ömledéket ráfröccsöntjük a 138 °C-on olvadó fémbetétre egy olyan szerszámban, amelyet még fűtünk is (70 °C-ra temperáljuk), és az olvadóbetét mégsem olvad meg, könnyen feloldható, ha ismerjük a hőkapacitás adatait. A 9.17 ábrán látható tipikus motoralkatrész falvastagsága ugyanis a legtöbb helyen 2–3 mm közötti, a PA alkatrész hőkapacitása így igen csekély. Az ón-bizmut betét méretét tipikusan a kialakítandó csatornák mérete határozza meg (30–40 mm átmérő), és végül a befoglaló acél szerszám tömege és így hőkapacitása a legnagyobb. Mindehhez figyelembe veendő a fémek kitűnő hővezetőképessége is a polimerrel szemben.

Az eljárás természetesen jelentős beruházást igényel, gazdaságosságára a tömeggyártásban mégis kitűnő példák vannak az autóiparban.