4. INJEKCIONO PRESOVANJE
Injekciono presovanje je najvažniji cikli čni postupak prerade polimera, a prema dostignutom tehnološkom nivou i najusavršeniji. Ovaj postupak spada u primarnu preradu polimera, jer se oblik otpreska dobija od polaznog materijala koji nema odre đenu formu (granule, komadi ći i sl.) Injekcionim presovanjem se oblikuju svi polimeri: duromeri, elastomeri, elastoplastomeri, a posebno je rasprostranjena prerada plastomenih materijala. Prema prerađenim količinama injekciono presovanje polimera je odmah iza tehnologije ekstrudiranja. Može se smatrati da je injekciono presovanje polimera sli čno livenju metala pod pritiskom. Injekcionim presovanjem se osim polimera prera đuju i keramičke smeše, kombinacije različitih materijala (npr. plastika, metal i keramika). Prema prof. Čatiću [1] postoji najmanje 240 postupka postupka sli čnih injekcionom presovanju polimera. Procesom injekcionog presovanja obra đuju se mnogi materijali koji su ve ćinom iz grupe plastomera. Na slici 2.1 dati su udeli pojedinih vrsta materijala prera đenih ovim procesom u Zapadnoj Evropi Evropi 2002. godine.
Slika 4.1 Procentualna raspoedala u č eš eš ća pojedinih vrsta plastomera u preradi injekcionim presovanjem [1]
Savremeni obradni sistem za injekciono presovanje je u potpunosti automatizovan a vođenje procesa odvija se pomo ću mikroprocesora ili centralnog ra čunara u pogonu. Delovi dobijeni injekcionim presovanjem imaju veliku primenu u: •
automobilskoj industriji i tarnsportnoj tehnici i saobra ćaju uopšte
•
elektro i elektronskoj industriji
•
hemijskoj i farmaceutskoj industriji
•
industriji hrane, pi ća i poljoprivrednoj tehnici
•
medicinskoj industriji
•
industriji kućnih aparat i ure đ aja aja itd.
Na slici 4.2 prikazani su primeri složenih delova dobijenih injekcionim presovanjem. Ova tehnologija omogu ćuje izradu ugradbeno gotovih delova visokog kvaliteta, po pristupačnoj ceni.
Slika 4.2 Ilustracija primene proizvoda dobijenih injekcionim presovanjem
Slika 4.2 Ilustracija primene proizvoda dobijenih injekcionim presovanjem
4.1. Definicija injekcionog presovanja
Injekcijono presovanje je cikli čni proces primarnog oblikovanja (praoblikovaja) polimera koji se izvodi ubrizgavanjem rastopljenog polimera oder đene viskoznosti iz injekcione jedinice u temperiran kalup. Obradak u kalupu o čvršćava hlađenjem (u slučaju plastomera) ili umrežavanjem u slučaju elastomera, elastoplastomera i duromera.
Slika 4.3 Šema mašine sa alatom za injekciono presovanje
Injekciono presovanje se izovdi na specijalnim mašinama (slika 4.3) koje se sastoje od injekcione jedinice, pogonskog sisitema, jedinice za zatvaranje kalupa, ure đaja za temperiranje kalupa i upravlja čke jedinice. Proces injekcionog oblikovanja odvija se u nekoliko faza (slika (slika 4.4) od kojih tri osnovne: osnovne: 1. U prvoj fazi, aksijalnim pomeranjem puža, rastopljeni materijal se preko ulivnih kanala ubrizgava u šupljinu kalupa. Pri tome je isklju čena rotacija rotacija puža, puža, a njegovo njegovo aksijlno pomeranje ostvaruje hidrauli čni cilindar. 2. U drugoj fazi obradak se hladi uz intezivnu cirkulaciju rashladnog sredstva kroz sistem za hlađenje alata. Pri tome, puž deluje na rastopljeni materijal naknadnim pritiskom, kako bi se nadoknadio nedostatk materijala usled skupljanja otpreska. Nakon završenog hlađenja otpreska, tj. na kraju faze delovanja naknadnog pritiska, puž se vraća unazad, rotira i uvla či novu koli činu granulata, topi ga i plastificira. 3. Poslednja faza je otvaranje kalupa i izbacivanje obratka. Injekciona jedinica se vraća u nazad, a mlaznica se zatvara pomo ću ventila. Otvaranje kalupa obezbeđeno je sistemom za otvaranje koji s obzirom na pogon može biti mehanički ili hidrauli čni. Obradak se iz kalupa izbacuje pomo ću izbacivača a izvlačenje viška materijala iz ulivne čaure vrši izvlakač.
Slika 4.4 Faze injekcionog presovanja:1- ubrizgavanje, 2-plastifikacija, 3-izbacivanje [4]
Otpresci dobijeni injekcionim presovanjem razli čitih su dimenzija i mase koja se kreće u granicama od ispod miligrama pa do približno 180 kg. Najmanji poznati plastomerni otpresak koji se koristi u medicini ima toliku masu da od 1 kg materijala nastaje 7,25 miliona komada. Injekciono presovanje je pogodno za proizvodnju vrlo komplikovanih obradaka sa tolerancijama od nekoliko mikrometara. Otpresci dobijeni ovom tehnologijom mogu biti višedelni i višebojni, mogu se proizvoditi u kombinaciji sa metalnim ulošcima, mogu biti kruti (čvrsti) i penasti. Proizvodnja otpresaka može te ći neprekidno dvadeset četiri sata na dan. 4.2. Analiza ciklusa injekcionog presovanja
Radni ciklus injekcionog presovanja je vreme potrebno za izradu jednog (ili više otpresaka ako alat sadrži više kalupnih šupljina), odnosno to je vreme koje protekne izme đu dve istoimene faze u procesu injekcionog presovanja. Radni ciklus zapo činje komandom zatvaranje kalupa, a završava se komandom posluživanje kalupa. Vremenski dijagram sa aktivnostima tokom injekcionog presovanja otpresaka plastomera, prikazan je na slici 4.5a i sadrži sledeće faze. •
•
Zatvaranje kalupa, koje u vrlo kratkom vremenskom periodu izvodi jedinica za zatvaranje. Potom sledi približavanje injekcione jedinice ka nepokretnoj plo či, a ova faza se završava naslanjanjem mlaznice na ulivnu čauru.
•
•
•
•
•
•
Ubrizgavanje rastopljene mase u kalupnu šupljinu je slade ća faza. Potreban pritisak rastopa obezbeđen je aksijalnim kretanjem puža, odnosno, hidrauli čnim cilindrom. Pritisak ubrizgavanja zavisi od vrste polimera a kre će se od 500 do 3000 bara, što obezbeđuje pritisak u kalupu reda veli čine 1000 bara. Brzina ubrizgavanja je 2 m/s. Sa završetkom faze ubrizgavanja po činje faza hlađenja otpreska. U jednom delu ove faze pritisak u cilindru ima nižu vrednost od pritiska ubrizgavanja i predstavlja naknadni pritisak. Naknadni pritisak obezbe đuje dodatnu koli činu rastopa u kalupnoj šupljini zbog skupljanja otpreska pri hla đenju. Odmicanje mlaznice i po čtak ponovne plastifikacije po činje u trenutku prekida dejstva naknadnog pritiska, kada puž po činje da se obr će i uvlači novu koli činu granulata. Ako hlađenje otpreska nije završeno ono se nastavlja u periodu dodatnog vremena hlađenja. Otvaranje kalupa i izbacivanje otpreska izvodi se nakon njegovog potpunog očvršćavanja, odnosno hlađenja. Na kraju ciklusa injekcionog presovanja kalup se priprema za naredni ciklus, čisti se i podmazuje i eventualno se ubacuju metalni ulošci.
Radni ciklus injekcionog presovanja kau čuka sličan je ciklusu pri oblikovanju plastomera, a razlika postoji u fazi hla đenja, odnosno umrežavanja koje je prisutno kod elastomera [1]. Vreme radnog ciklusa u najve ćoj meri određeno je vremenom hla đenja otpreska. Na slici 4.5b prikazan je odnos veli čina pojedinih faza u ciklusu injekcionog presovanja. Zatvaranje kalupa Približavanje mlaznice
Ubrizgavanje Naknadni pritisak Plastificiranje i odmicanje mlaznice
Dopunsko hlađenje otpreska
th
Hlađenje otpreska Otvaranje kalupa i izbacivanje otpreska Posluživanje kalupa (npr. podmazivanje)
Ciklus inekcionog presovanja
a)
b)
Slika 4.5 Ciklus injekcionog presovanja (a) i uč eš će pojedinih faza u ciklusu (b)
4.3. Toplotni procesi pri injekcionom presovanju
Proces injekcionog presovanja baziran je na zagrevanju i hlađenju polimernog materijala, što zahteva detaljno poznavanje toplotnih pojava u obradnom sistemu tokom radnog ciklusa kako bi se optimirao sisitem i potršnja energije svela na minimum. Tokom radnog ciklusa injekcionog presovanja prisutna je veoma intenzivna razmena toplote u radnom cilindru mašine i samom kalupu. Toplota u radnom cilindru generiše se unutršnjim trenjem u materijalu, koje je izazvano obrtanjem puža i dovođenjem toplote iz grejača koji su raspoređeni oko cilindra. Rastopljen polimer se ubrizgava u kalup i u kratkom vremenskom periodu od njega je potrebno odvesti toplotu, tj. ohladiti otpresak, što se potiže uređajem za temperiranje. Za skraćenje vremena hlađenja, odnosno radnog ciklusa potrebno je da se razmena toplote između kalupa i medija za temperiranje odvija velikom brzinom. Toplotni proračun pri injekcionom presovanju baziran je na bilansu energije, odnosno prvom zakonu termodinamike. Za uspešno projektovanje uređaja za temperiranje potrebno je poznavati temperaturno polje u kalupu. Razmena toplote u sistemu injekcionog presovanja vrši se provođenjem kroz materijal, kalup i medijum za temperiranje, zatim konvekcijom između kalupa i rastopljenog polimera, između kalupa i okoline i zračenjem između kalupa i okoline. Toplotni proračun pri injekcionom presovanju zahteva poznavanje toplotnih osobina polimera i njihovu promenu u funkciji pritiska i temperature. Detaljnije o toplotnim pojavama pri injekcionom presovanju može se videti u referencama [1,2]. 4.4. Vreme hlađenja pločastog otpreska
Za optimiranje trajanja radnog ciklusa pri injekcionom presovanju potrebno je precizno odrediti vreme hlađenja otpreska. Prema DIN 24450 vreme hlađenja otpreska se definiše kao vreme koje započinje komandom “ubrizgavanje” a završava se komandom “otvaranje kalupa” Proračun vremena hlađenja za pločasti otpresak detaljnije je prikazan u knjizi [1] a baziran je na rešenju Furijerove jednačine, koja definiše promenu temperature u pravcu debljine otpreska u funkciji vremena i toplotnih svojstava polimera. Na osnovu izvršene teorijske analize dobijen je izraz za hlađenje otpresaka od plastomera [1]:
th
=
b02 KOπ 2 aef
ln( K U
TT T K ) TU T K −
−
gde je: b0 - karakteristič na dimenzija otpreska K o - koeficijent oblika obratka (v. 1) K u - koeficijent unutrašnjosti otpreska T t - temperatura rastopljenog polimera T k - temperatura zida kalupa sa strane šupljine
T u - unutrašnja temperatura otpreska, obič no je T k = T p
Slika 4.6 Temperaturni profil u kalupu [1]
Slika 4.7 Temperaturno polje u kalupu [1]
4.5. Parametri procesa injekcionog presovanja
Parametri procesa injekcionog presovanja direktno utiču na kvalitet otpreska, te se njihove vrednosti moraju pratiti i održavati u toku radnog ciklusa. Radi njihovog pravilnog shvatanja potrebno je, najpre, da se pravilno terminski definišu, što je učinjeno standardom Evropske zajednice (EEC-Europian Economic Community). Ti standardi poznati su pod nazivom EUROMAP [4]. Najbitniji ulazni parametri injekcionog presovanja su: • • •
Pritisak Temperatura i Brzina puža
4.5.1. Pritisak Hidrauli čn i pritisak - je
pritisak u pogonskom cilindru mašine, potreban da se savladaju otpori u mlaznici, ulivnom sistemu i otpori te čenja u kalupu. Sličan je pritisku
na čelu puža. Generalno, naglo raste u kratkom vremenskom periodu u skladu sa otporima tečenja rastopljenog polimera (slika 4.8). Hidraulični pritisak zavisi od brzine aksijalnog pomeranja puža (v s ), temperature ulja (T oil ), temperature rastopljenog polimera (T M ) i temperature kalupa (T c ), , slika 4.9.
Slika 4.8 Pritisak u karakteristič nim tač kama pri injekcionom presovanju [4]
Slika 4.9 Uticaj različ itih faktora na pritisak u hidraulič nom cilindru [4] Pritisak u kalupu – menja
se od tačke do tačke u kalupnoj šupljini (slika 4.8) i veoma je važan za kvalitet otpreska. Na snimljenom dijagramu pritiska u kalupu u zavisnosti od vremena (slika 4.10) uočavaju se tri segmenta, odnosno faze: 1. punjenje kalupa (ubrizgavanje) 2. kompresija polimera 3. zadržavanje pod pritiskom
Slika 4.10 Promena pritiska u kalupu tokom ciklusa injekcionog presovanja [4]
Pritisak u kalupu u tesnoj je vezi sa kvalitetom otpreska. Pritisak u fazi ubrizgavanja utiče na izgled obratka a pritisak u fazi naknadnog delovanja utiče na dimenzije obratka. Pritisak u fazi ubrizgavanja zavisi od otpora u mlaznici i ulivnom sistemu, ali ne utiče bitnije na proces oblikovanja. Kompresioni i naknadni pritisak ( faza 2 i 3) su važniji za proces oblikovanja. Profil pritiska u kalupu ukazuje i na eventualne probleme i teško će u procesu presovanja. Previsok pritisak u fazi kompresije ukazuje na ozbiljne probleme. Rezultat je nekorektno postavljenog prelaza na niži pritisak i uzrokuje lošiji kvalitet otpreska. Zbog toga se trenutak promene (snižavanja) pritiska mora podešavati. Na profil pritiska u kalupu utiče brzina puža u fazi ubrizgavanja i temperatura šupljine kalupa. Pritisak ubrizgavanja za pojedine polimere dat je u tabeli 4.1 Tabela 4.1 Pritisak ubrizgavanja pojedinih polimera [4]
Naknadni pritisak i promena pritiska (switch-over). Naknadni predstavlja pritisak koji započinje fazom hlađenja i, kao što je već rečeno,
pritisak njime se
obezbeđuje dopunsko popunjavanje kalupa pri hlađenju otpreska. Naknadni pritisak je u principu niži od pritiska u fazi ubrizgavanja, a posebno je važno proceniti vremenski trenutak njegove promene. Pokazalo se da se trenutak promene pritiska može odrediti ako se neprekidno prati promena pritiska u kalupu. 4.5.2. Temperatura
Značajan uticaj na proces injekcionog presovanja ima: 1. temperatura rastopljenog polimera 2. temperatura ulja u hidraulič nom sistemu 3. temperatura kalupa Temperatura rastopljenog polimera
Termodinamičke karakteristike rastopa, kao na primer viskoznost, entalpija i specifična zapremina, zavise od temperature rastopljenog polimera, što utiče i na pritisak u kalupu i kvalitet otpreska. Proizvođači granulata daju podatke o relevantnim parametrima obrade izabranog materijala pri injekcionom presovanju i terba ih koristiiti pri podešavanju mašine. Temperatura hidrauli čn og ulja
Energetski gubici u ventilima, pumpi i cevovodu, zavise od viskoznosti ulja, a viskoznost veoma zavisi od temperature. Zbog toga sva kretanja prilikom injekcionog presovanja zavise od temperature ulja. Radi toga, mašina mora imati mogućnost kontrole i podešavanja temperature hidrauličnog ulja pre početka proizvodnje. Temperatura kalupa
Temperatura kalupa je glavni uticajni faktor ekonomičnosti procesa, tačnosti dimenzija i kvaliteta popunjavanja kalupa. Temperatura kalupa zavisi od sistema hlađenja. Uticaj temperature kalupa na profil pritiska u kalupu (pC ) i u hidrauličnom sistemu (p H ) dat je na slici 4.11.
Slika 4.11 Uticaj temperature kalupa na pritisak u kalupu [4] 4.5.3. Brzina puža
Brzina aksijalnog pomeranja puža ima uticaj na proces injekcionog presovanja u fazi ubrizgavanja. Na slici 4.12 prikazan je uticaj brzine puža na pritisak u kalupu i hidraulični pritisak gde vidimo da porastom brzine puža raste i hidraulični pritisak (p H ) i pritisak u kalupu (pC ). Pad pritiska u kalupu opada porastom aksijalne brzine puža.
Slika 4.12 Uticaj brzine pomeranja puža na hidraulič ni pritisak i pritisak u kalupu [4] 4.6. Alati za injekciono presovanje
Alat je jedan od osnovnih elemenata obradnog sistema za injekciono presovanje koji neposredno oblikuje otpresak. Za svaki novi oblik obradka potreban je novi alat. Otpresak se nakon ubrizgavanja hladi u kalupu, pa zbog toga alat mora biti priključen na uređaj za temperiranje. Nakon završnog očvršćavanja otpreska sledi otvaranje kalupa i njegovo izbacivanje pomoću izbacivača. Izvlačenje ostataka ulivnog sistema izvodi izvlakač. Kalupi su postavljeni na odgovarajuće ploče kućišta alata, od kojih se jedna polovina vezuje za pokretnu ploču mašine, a druga za nepokretnu. Vođenje ploča kućišta obezbeđeno je cilindričnim vođicama. Ploče kućišta mogu biti pravougaone ili kružne. Ukupna sila presovanja, koja zvisi od projekcije grozda obradaka i pritiska polimera, prenosi se preko ploča na sisitem za zatvaranje.
Slika 4.13 Elementi alata za injekciono presovanje [9]: 1- č aura za centriranje mlaznice, 2 - ulivna č aura, 3 - ploč a, 4 - nepokretni kalup, 5 stub vođ ice, 6 - vodeća č aura, 7 - pokretni kalup, 8 - potporna ploč a, 9 - izbacivač , 10 šipka za vraćanje izbacivač a, 11 - prateće ploč a izbacivač a, 12 - pogonska ploč a izbacivač a, 13 - kućište izbacivač a, 14 - garavura (šupljina) kalupa, 15- izvlakač .
Kalupna šupljina sastoji se iz dva dela koje razdvaja podeona ravan. Pokretanje izbacivača ostvaruje se automatski pri vraćanju pokretne ploče u otvoreni položaj. Profil izvlakača može se različito oblikovati sa ciljem da se obezbedi izvlačenje zaostalog materijala iz ulivne čaure. Specijalizovani proizvođači proizvode unificirane delove alata za injekciono presovanje. Osnovni elementi alata za injekciono presovanje prikazani su na slici 4.13 Ubrizgavanje rastopljenog polimera iz cilindra mašine izvodi se preko ulivnog sistema koji započinje ulivnim kanalom, zatim slede razvodni kanali, a na ulazu u šupljinu nalazi se ušće. Presek ulivnih i razvodnih kanala može biti različit, kao i oblik ušća, za koje postoje posebne preporuke u specijalizovanoj literaturi, [1,4,9]. Vrsta ušća i njegove dimenzije utiču na karakter tečenja polimera kroz šupljinu kalupa. Ulivni sistem može biti hladan i topao (vruć). U prvom slučaju ulivni sitem se mora odvojiti od otpreska nakon završenog hlađenja. Kod presovanja sitnijih komada postoji mogućnost izrade više otpresaka istovremeno koji se napajaju rastopljenim materijalom preko razgranatog ulivnog sistema (slika 4.14b), koji mora biti projektovan tako da se popunjavanje svih gravura vrši istovremeno.
mlaznica
ulivak
gravura
ušće
kanal
a) b)
Slika 4.14 Elementi hladnog ulivnog sistema [1,9, 18, 24]: a) šema, b) konstrukcione varijante
a)
b)
c)
d)
Slika 4.15 Topli ulivni sistem [22, 23]: a) šema tople mlaznice, oblikovanje složene rešetke sa toplim ulivnim sistemom c)alat sa toplim ulivnim sistemom Husky d) optimiranje položaja toplog ulivnog sistema Husky
Topli ulivni sistem (slika 4.15) je idealni ulivni sistem koji obezbeđuje besprekorno napajanje kalupa rastopljenim polimerom, bez gubitka materijala, bez pada pritiska u kalupu i uz skraćenje ciklusa pri injekcionom presovanju.
Šupljina u kalupu (gravura) po svom obliku u potpunosti odgovara obliku obratka sa dimenzijama uvećanim zbog hlađenja obratka nakon izbacivanja. Broj podeonih ravni zavisi od oblika obratka, a u tom smislu kalupi se dele na: kalupi sa jednom podeonom ravni kalupi sa dve podeone ravni kalupi sa tri i više podeonih ravni • • •
a)
b)
c) Slika 4.16 Vrste kalupa [9]
Prema obliku obratka kalupi mogu biti:
• • • • •
kalupi za jednostavne olike obtarka (slika 4.16a) kalupi za složene oblike kalupi za obratke sa umetcima (slika 4.16b) kalupi za obratke sa spoljnim navojem kalupi za obratke sa unutrašnjim navojem (slika 4.16c)
Slika 4.17 Linije zavarivanja
Linije zavarivanja (slika 4.17) su čest problem kod injekcionog presovanja, a nastaju usled susreta struja rastopljenog polimera koje teku u suprotnim smerovima. Posebno se pojavljuju u zonama otvora i umetaka od drugog materijala (na primer, metalni ulošci). Linije zavarivaja generalno su nepoželjne, a problem se rešava pravilnom konstrukcijom alata.
a)
b)
Slika 4.18 Alat za injekciono presovanje(a) otpresak (b)
Konstrukcija alata u najvećoj meri određena je stepenom složenosti otpreska, vrstom materijala, zahtevanom tačnošću, veličinom serije i drugim parametrima. Na slici 4.18 prikazan je izgled jednog složenog alata za izradu poklopca usisivača injekcionim presovanjem.
4.7. Mašine za injekciono presovanje
Mašina za injekciono presovanje definiše se kao postrojenje diskontinulnog – cikličnog dejstva koja omogućuje primarno oblikovanje predmeta od makromolekularnog materijala. Oblikovanje se izvodi u kalupu pod dejstvom pritiska. Rastopljeni polimer se iz cilindra pod dejstvom pritiska puža, pomoću mlaznice i ulivnog sistema, ubrizgava u gravuru kalupa i hladi do temperature potpunog očvršćavanja obratka. Nakon toga sledi otvaranje kalupa i izbacivanje gotovog komada. Važne funkcije mašine za injekciono presovanje su: • • • •
priprema rastopa (plastifikacija) za ubrizgavanje ubrizgavanje rastopa u kalup otvaranje i zatvaranje kalupa vađ enje otpreska.
Mašina za injekciono presovanje (slika 4.19) se sastoji od sledećih podsistema: • • • • • • • • •
Injekciona jedinica Sistem za zatvaranje kalupa Pogonski sistem Sistem za podmazivanje Uređ aj za temperiranje Kontrolnoupravljač ki sistem Sistem za zaštitu poslužioca od povreda Sistem t zaštitu mašine od havarije Noseća struktura mašine
Slika 4.19 Šema mašine za injekciono presovanje
4.7.1. Jedinica za ubrizgavanje
Jedinica za ubrizgavanje ima zadatak da prihvati sirovi materijal, da ga zagreje, rastopi, plastificira, zatim da ga ubrizga u kalup i održi pod naknadnim pritiskom određeno vreme.
Jedinica za ubrizgavanje može biti: • • •
linijska sa aksijalno pomeriljivim pužem. jednostepena sa klipom dvostepena sa klipom i pužem sa pužnom plastifikacijom
Jednostepena injekciona jedinica sa klipom je interesantna za manje mašine, sa klipom prečnika 10-20mm. Današnje moderne mašine grade se sa aksijalno pomerljivim pužem (slika 4.20).
Slika 4.20 Jedinica za ubrizgavanje [4]
Najvažnije funkcije injekcione jedinice su: • • • • •
pomeranje do kontakta mlaznice i ulivne č aure generisanje kontaktnog pritiska izmeđ u mlaznice i ulivne č aure rotiranje puža aksijalno pomeranje puža za vreme ubrizgavanja stvaranje naknadnog pritiska
Injekciona jedinica sadrži dva osnovna elementa: cilindar za topljenje i element za ubrizgavanje - puž ili klip. Vrste jedinica za ubrizgavanje, kao i mašine za injekciono presovanje razlikuju se prema načinu plastifikacije polimera (pužna ili klipna plastifikacija). Za preradu plastomera najčešće se primjenjuje tzv. univerzalni pužni vijak. To je univerzalni trozonski puž dužine (12 – 24)D, pa i više.
a)
b)
Slika 4.21 Univerzalni trozonski puž: a) L f - zona punjenja, Lc - kompresiona zona , Lm zona potiskivanja [4]; b)Dimenzije puža
Na vrhu cilindra nalazi se mlaznica sa odgovarajućim ventilom kojim se reguliše protok rastopljeng polimera. Mlaznica sa spoljne strane ima sferični oblik radi smanjenja kontaktnog pritiska pri naleganju na ulivnu čauru. Zadatak mlaznice je da spoji cilindar sa ulivnim sistemom i da obezbedi potrebnu brzinu ubrizgavanja.
Slika 4.22 Mlaznica sa automatskim ventilom koji se aktivra: 1), 2) kontaktnim pritiskom 3) pomoću opruge [1]
Mlaznice mogu biti otvorene i samozatvarajuće (slika 4.22). Otvorene mlaznice su jednostavnije, mogu se upotrebljavati kod plastomera visoke viskoznosti, npr. PS-a ili
CA-a. Samozatvarajuće mlaznice imaju veliku primenu kod savremenih mašina za injekciono presovanje. Sistemi aktiviranja mogu biti različiti (slika 4.22) [1,4]. Vođ ice injekcione jedinice
Standardna konstrukcija mašina je takva da se jedinica za ubrizgavanje nalazi sa desne strane nepokretne ploče. Vođice injekcione jedinice obično su saosne sa osom cilindra. Vođice mogu biti izgrađene kao samostalni stubovi ili u kombinaciji sa klipom odnosno cilindrom. Jedna od varijanti vođenja injekcione jedinice data je na slici 4.23.
Slika 4.23 Vođ enje injekcione jedinice [4] Pogonski sistem za obrtanje puža
Kod obrade plastomera 60% energije potrebne za plastifikaciju (a 90% kod duromera) dobija se trenjem usled obrtanja puža. Zbog toga je prisutna značajna potrošnja energije u fazi punjenja cilindra, pa pogonski sistem mora biti na adekvatan način dimenzionisan i mora raspolagati odgovarajućim obrtnim momentom. Rotacioni pogonski sistem puža odlikuje se načinom i pozicijom pogona i može biti: elektromotor sa reduktorom (puž ili zupč anici) hidromotor sa reduktorom direktan hidropogon U pogledu pozicije pogona moguće su dve varijante (slika 4.24) • • •
•
•
položaj izmeđ u puža i hidrocilindra iza hidrocilindra
Slika 4.24 Položaj pogona rotacionog i aksijalnog pogona puža [4] 4.7.2. Jedinica za zatvaranje kalupa
Zadatak jedinice za zatvaranje kalupa je dovođenje u dodir pokretnog i nepokretnog dela kalupa (zatvaranje kalupa), održavanje u dodiru delova kalupa tokom ubrizgavanja i delovanja naknadnog pritiska i otvaranje kalupa radi vađenja otpreska iz kalupne šupljine. Varijante sistema za zatvaranje kalupa su: 1. mehanič ki sistem, 2. hidraulič ni sistem, 3. mehanič ko-hidraulič ni sistem.
Mehanički sistem zatvaranja je superiorniji u pogledu brzine u odnosu na hidraulični. Hidraulični sistem ima veće mogućnosti regulacije hoda i smanjene elastične deformacije. Generalno, ne može se dati prednost ni jednom od sistema za zatvaranje.
Slika 4.25 Hidraulič ni sistem za zatvaranje kalupa: 1, 2 - hidraulič ni cilindar, 3 – vođ ice,4 - pokretna ploč a, 5 - pokretni kalup, 6 - nepokretni kalup, 7 - nepokretna traverza [4]
Slika 4.26 Dvopolužni mehanič ki sistem za zatvaranje sa boč nim hidraulič nim cilindrom za aktiviranje [4] 4.7.3. Jedinica za temperiranje [1]
Održavanje pravilnog toplotnog režima linije za injekciono presovanje plastomera zahteva postizanje potrebnog temperaturnog polja u kalupu i propisanu temperaturu ulja injekcione jedinice, što se ostvaruje “temperiranjem”. Postignute temperature potrebno je precizno održavati, što se ostvaruje odgovarajućim regulacionim krugovima. Od temperaturnog polja u kalupu, koje se karakteriše temperaturom površine kalupne šupljine, direktno zavisi vreme hlađenja otpreska, a time i kvalitet otpreska. Propisanu temperaturu površine šupljine kalupa moguće je postići: vodom iz vodovodne mreže (sa ili bez dodataka), posebnim uređajem u kojem kruži medijum za temperiranje i impulsnim temperiranjem.
Temperiranje vodom iz vodovodne mreže je najjednostavnije, najčešće je u primeni, a moguće je samo kada se od kalupa odvodi toplota. Međutim, ima velike nedostatke: nepovratno se troši voda, u procesu se bitno menjaju uslovi promenom godišnjeg doba, pa i tokom radnog dana, dolazi do taloženja kamenca u kanalima, što bitno pogoršava izmenu toplote, itd. Zbog toga su razvijeni posebni uređaji za temperiranje o kojima ovde neće biti reči jer svojom kompleksnošću zahtevaju suviše detaljnu analizu. Još bi trebalo napomenuti da se ne temperira samo kalup na mašini ve ć i sama jedinica za ubrizgavanje i sistem za zatvaranje alata. Posebno važan problem kod mašina za injekciono presovanje je održavanje temperature hidrauličnog ulja, koja standardno treba da se nalazi na nivou od 500C. Ovaj problem se rešava posebnim uređajem za temperiranje ulja ili pomoću već ugrađenog uređaja u mašinu. Održavanje potrebne temperature u pogonu (grejanje i hlađenje) može biti povezano sa temperiranjem sistema za injekciono presovanje, čime se štedi energija i potrošnja vode. Temperiranje pogona (grejanje odnosno, hlađenje) može se vršiti pogonskom toplotom iz mašine, tj. kalupa i uređeja za temperiranje ulja uz dodatak toplotne pumpe koja omogućuje zagrevanje odnosno hlađenje pogona. Na slici 4.27 prikazan je sistem za temperiranje mašine i pogona za injekciono presovanje.
Slika 4.27 Sistem za temperiraje pogona i mašine za injekciono presovanje [1] 4.7.4. Sistem upravljanja
Sistem upravljanja mašine za injekciono presovanje obuhvata (sadrži) sve uređaje koji kontrolišu temperaturu cilindra po zonama, temperaturu kalupa, silu zatvaranja, temperaturu, pritisak i protok ulja kao i redosled izvo đenja faza pri injekcionom presovanjau. Kvalitet otpreska kod injekcionog presovanja određen je sa dva osnovna parametra procesa, a to su: pritisak i temperatura ubrizgavanja, dok brzina ubrizgavanja ima limitiran uticaj. Sistem upravljanja mora da obezbedi logičan redosled u izvođenju
pojedinih sekvenci u procesu oblikovanja, kao što je zatvaranje i otvaranje kalupa, približavanje injekcione jedinice, otvaranje i zatvaranje mlaznice i pokretanje klipa i dr. Svi relevantni parametri procesa se zapisuju i memorišu, kako bi praćenje kvaliteta otpreska u funkciji istih bilo efikasnije i lakše i kako bi se po potrebi mogla vršiti korekcija. Sistem upravljanja ima ulogu nadzora (kontole) procesa sa zadatkom dobijanja kvalitetnog obratka. Elementi koji služe za upravljanje parametrima procesa imaju svoje upravljačke jedinice. Metode upravljanja procesom
Osnovni sistemi upravljanja kod mašina za injekciono presovaje prema [4] su: Manuelni Open-loop Closed loop sistem Sistem upravljanja kod mašina za injekciono presovanje zasniva se na merenju osnovnih veličina kao što su temperatura, pritisak, protok, sila idr. U tom smislu primenjuju se odgovarajući senzori koji su ugra đeni u karakterističnim zonama mašine i kalupa. Postavljanje i praćenje parametara procesa izvodi se pomoću mikroprocesora, u slučaju pojedinačnih mašina, odnosno, pomoću centralnog kompjutera za slučaj nadgledanja pogona sa više mašina [4]. • • •
4.7.5. Tehni čk e karakteristike mašina za injekciono presovanje
Tehnologija injekcionog presovanja primenjuje se u vrlo širokom dijapazonu dimenzija, tj. mase ili zapremine obratka. Delovi ručnog sata su primer sitnih delova koji se dobijaju ovom tehnologijom. Pojedini zupčanici su toliko mali da se u jedan naprstak može spakovati i 10.000 komada. Na suprot tome, ovom tehnologijom se izrađuju delovi površine veće od 3,5m2 i mase do 180 kg. Mašine koje se koriste za injekciono presovanje ne mogu da pokriju kompletan asortiman sa jednom injekcionom jedinicom. Tako, na primer za elektro-komponente, mase od 1-10g primenjuju se standardne mašine, dok se za delove satova o kojima je gore bilo reči koristi druga oprema. Mašine sa pužem Ø15 koriste se za delove od 4-12g, sila zatvaranja je od 100-250 kN. Postoje mašine sa silom zatvaranja od 100.000 kN na kojima je moguća izrada delova mase od 70 kg. Ovakve mašine teško bi se mogle nazivati standardnim. Mašine standardne namene imaju kapacitet presovanja od 1g do 25kg, a silu zatvaranja do 50.000 kN. Mašine većih dimenzija su nestandardne. Osnovni tehnički podaci su zapreminski kapacitet i sila zatvaranja. Ove karakteristike proizilaze iz niza pojedinačnih osobina mašine. U tabeli 4.1 date su tehničke karakteristike mašina za injekciono presovanje prema EUROMAP normama: Tabela 4.1 Tehnič ke karakteristike mašina za injekciono presovanje
Veli či na
Jedinica
Sila zatvaranja
kN
Hod otvaranja
mm
Dimenzije ploč a za alat
mm
Rastojanje izmeđ u stubova
mm
Instalisana ukupna snaga motora
kW
Snaga motora za pogon hidraulike
kW
Preč nik puža
Mm
Relativna dužina puža L/D
-
Kapacitet ubrizgavanja
cm3
Kapacitet plastifikacije materijala
Kg/h
Maksimalni pritisak ubrizgavanja
bar
Maksimalni protok ubrizgavanja
Cm3 /s
Obrtni moment ppuža
Nm
Gabariti mašine AxBxC
m
Masa mašine
kg
Kod mašina za injekciono presovanje moguće je uspostaviti korelacionu vezu između pojediniih tehničkiih karakteristika. Na slici 4.28 data je zavisnost između kapaciteta ubrizgavanja i sile zatvaranja (a) i snage mašine i kapaciteta ubrizgavanja prema (b) [4].
a)
b) Slika 4.28 Korelacija tehnič kih karakteristika mašina za injekciono presovanje [4]
4.7.6. Prizvođ ač i mašina za injekciono presovanje
U nastavku su prikazane mašine za injekciono presovanje pojedinih evropskih proizvođača, sa osnovnim tehničkim karakteristikama. Detaljniji podaci o mašinama ovih i drugih proizvođača mogu se pronći na sajtovima navedenim u literaturi.
Slika 4.29 Mašina za injekciono presovanje Arburg, Austrija
The C series are available in mid-range clamp forces from 200 to 650 tonnes. The C series is popular and successful in the market thanks to its great flexibility, cost efficiency and reliability.
The CX series covers the small and medium sized clamp force ranges. It is distinguished by its high flexibility, cost effectiveness and high part quality. CX series machines are available in clamp forces from 350 to 1,600 kN. In coming months, the CX series will be continually expanded up to clamp forces of 4,200 kN.
Slika 4.30 Mašina za injekciono presovanje Krauss-Maffei, Nemač ka
ENGEL DUO 7050H / 1050W / 1000 Combi ENGEL DUO machine with 2 injection units. Innovative machine concept for clamping forces ranging from 6,500 kN to 55,000 kN.
Slika 4.31 Mašina za injekciono presovanje Engel, Austrija
4.7.7. Specijalne mašine za injekciono presovanje
U nastavku su prikazani različiti tipovi mašina koji po svojoj konstrukciji i na činu funkcionisanja na neki način odstupaju od osnovne mašine za injekciono presovanje. Mašine za ubrizgavanje pored centra alata
Ponekad postoji zahtev da osa ulivne čaure bude izvan ose radnog cilidra, što podrazumeva da se cilindar može naginjati pod određenim, malim uglom ili pomerati u horizontalnoj ravni (slika 4.32).
Slika 4.32 Mašina za ubrizgavanje pored centra alata [4]
Mašine za izradu višekomponentnih delova
U praksi postoji veliki broj delova koji se sastoje iz više komponenti i predstavljaju kombinaciju metal-plastika ili kombinaciju delova različite boje. Danas su u primeni sledeće varijante materijala: • • •
materijali sa dve ili više razli č itih boja, kombinacija č vrstih i mekih mateijala, oblikovanje sendvič otpresaka, u višekomponentnom tehnikom.
kombinaciji
sa
penom
i
Moguće varijante mašina za multikomponentalno oblikovanje su: •
•
•
horizontalna konstrukcija sa više injekcionih jedinica postavljenih paralelno ili pod uglom, vertikalna konstrukcija sa vertikalnim uređ ajem za zatvaranje i boč nom injekcionom jedinicom, mašine sa dve injekcione jedinice i jednom mlaznicom koje omogućuju paralelno ubrizgavanje istovremeno ili naizmenič no.
Kod horizontalne mašine postoje dva nezavisna cilindra, a alat se obrtanjem pokretnog dela dovodi u radni položaj. Obrtanje je moguće u otvorenom položaju alata.
a)
b) Slika 4.33 Mašine za višebojno presovanje sa obrtnim alatom: a) horizontalna, b) vertikalna [4]
Vertikalana mašina ima vertikalno postavljenu jedinicu za zatvaranje alata (i horizontalno postavljene radne cilindre). Obrtanjem pokretnog dela alata (oko vertikalne ose) ostvaruje se radni položaj alata. Mašine za ko-injekciono presovanje
Prethodne mašine za multikomponentno presovanje koriste isti osnovni materijal (polimer) različite boje na svim pozicijama. Današnje mašine omogućuju kombinovanje različitih materijala kako bi se dobila tražena mehanička, termička i estetska svojstva. Na slici 4.34 prikazana je mašina za dvokomponentno presovanje. Pri tome je za uspešno koinjekciono presovanje potrebno izabrati materijale koji imaju dobru međusobnu athezivnost (tabela 4.2). Tabela 4.2.Athezivnost polimera [4]
a)
b)
Slika 4.34 Ko-injekciono presovanje dvokomponentnog obrataka a) faze rada mašine b )varijante položaja injekcionih jedinica [4] Injekciono presovanje potpomognuto gasom
Upotreba gasa kod injekcionog presovanja omogućuje izradu delova koji se sastoje od segmenata različite debljine. Kod ovog postupka (slika 4.35) prvo se u kalup ubrizgava određena količina rastopljenog polimera, a potom se uvodi neutralan gas, obično azot. Upotreba vazduha se ne preporučuje jer može doći do stvaranja eksplozivne smeše. Uvođenje gasa sa pritiskom od 30MPa, može se izvršiti na dva načina: a) pomoću klipnog uređ aja (slika 4.35b), b) pomoću uređ aja sa pumpom – kompresorom.
Druga varijanta pokazala se boljom, a omogućuje i snabdevanje više mašina. Kod prve varijante dolazi do pada pritiska zbog ekspanzije koju cilindar ne može da nadoknadi.
a)
b)
Slika 4.35 Injekciono presovanje pomoću gasa: a) šema procesa, b)mašina sa specijalnom pumpom za ubrizgavanje gasa [4] Literatura:
[1] Čatić I.: Proizvodnja polimernih tvorevina, BIBLIOTEKA POLIMERSTVO – SERIJA ZELENA, Zagreb, 2006. [2] Čatić I.: Uvod u proizvodnju polimernih tvorevina, BIBLIOTEKA POLIMERSTVO, Zagreb, 1990. [3] Rapajić B.: Prerada plastičnih masa ekstrudiranjem, Privredni pregled, Beograd, 1976. [4] Johanaber F.: Injection Molding Machines, A Users guide 3rd Edition, Hanser Publisher, Munich Viena New Yoork, 1994.
