DET CENTRALA I FORMSPRUTNINGSPROCESSEN

Transkript

1 Detta kapitel i Plastforums artikelserie om de olika bearbetningsmetoderna ger en beskrivning av olika typer av formverktyg och de delar plastsmältan möter i sin väg från formsprutans munstycke till formrummet. Plastsmältans reologi och termiska förhållanden behandlas i kommande kapitel. FORMVERKTYGET A Ö DET CENTRALA I FORMSPRUTNINGSPROCESSEN Enligt Svensk Standard benämns verktyg vid plastbearbetning helst form men formverktyg är tillåtet och har kanske blivit den vanligaste benämningen. Formverktyget är det centrala i formsprutningsprocessen. Ett rätt utformat formverktyg är avgörande för detaljens kvalitet och produktionens ekonomi. Formens uppgift vid bearbetning av termoplaster är följande: att distribuera den smälta plasten i formverktyget att forma den smälta plasten i ett formrum till önskvärd geometri att kyla den formade smältan till en solid detalj genom temperering att befria detaljen från formen med hjälp av ett utstötarsystem Figuren här intill ger en schematisk bild av ett enkelt formverktyg en s k tvåplattsform. Den fasta formverktygshalvan till höger innehåller inloppsbussning, fördelningskanaler, intag och formrummets dyna. Den till vänster innehåller ett system för utstötning av den färdiga detaljen. Den del av formen som innehåller formrummet kallas forminsats, som består av två delar. Forminsats 1 på inloppsidan kallas matris eller dyna och forminsats 2 på utstötarsidan kallas patris eller stämpel. Det är denna centrala del med kylkanaler, som tillverkas av en skicklig verktygstekniker. Omgivande komponenter som fästplattor, formplatta, styrpelare, centreringsring, distanslinjaler, bussningar, utstötare med utstötarpaket etc utgör standardkomponenter, som levereras av speciella företag. Plattor finns i olika stålkvaliteter, som kan härdas om det är nödvändigt. Vissa komponenter kan vara billigare att tillverka än att köpa som standard då verktygsteknikern har lämplig maskinpark till förfogande. Det ställs höga krav på formverktyget när det gäller montering i PLASTFORUM Nr formsprutan. Maskinens munstycke ska passa in i formverktygets inloppsbussning och linjäriteten mellan dem ska vidmakthållas under processen. Formhalvorna ska kunna öppnas och slutas utan inbördes avvikelser i parallellitet, vilket åstadkoms med kraftiga styrpelare. Å andra sidan krävs tillräcklig kapacitet hos formsprutan. Verktygsframtagning präglas idag av stark internationell konkurrens när det gäller framtagningstid, kvalitet och kostnad. Framtagningstiden kan röra sig om 15 till 20 veckor från beredning t o m trimning. Kostnaderna varierar vanligen mellan till kr. Kostnaderna är naturligtvis starkt beroende på formverktygets storlek, stålkvaliteter, formrummets geometri, antalet underskärningar, införande av varmkanaler etc. Tillverkningen i verkstad är emellertid den största posten i framtagningen och kan uppgå till 50 procent av de totala kostnaderna. Svensk tillverkning har haft svårt att hävda sig trots utvecklingen av CAD/CAM samt införandet av rationella tillverkningsmetoder, som digitala styrningar, gnistning och höghastighetsfräsning. Fördelen med inhemsk och geografiskt nära tillverkning ligger emellertid i en snabb kommunikation mellan designer, konstruktör, materialleverantör, verktygstekniker, bearbetare och kund samt lägre fraktkostnader och högre servicenivå. Ett intimt samarbete mellan de agerande är nämligen nödvändigt för att nå ett gott resultat (integrerad produktframtagning). Dessutom kräver funktionsprovning, intrimning, mönstring och slutligt godkännande nära kontakter. Asien hävdar sig emellertid väl med hyggliga kommunikationer, snabba framtagningstider och snabba leveranser. Formverktyget är avgörande för plastdetaljens kvalitet. Principskiss av ett formvertyg (källa ICI-manual) Konstruktion och tillverkning av komplicerade formverktyg kräver en samverkan mellan experter med hög kompetens och långvarig erfarenhet på olika områden. I praktiken är framtagningen av formverktyg en omfattande process. Lars-Erik Edshammar 43

2 De tre vanligaste avdragartyperna- Balansering av formrum Inloppsbussning Inloppskanalen löper genom inloppsbussningen (spruebushing)och är länken mellan formsprutans munstycke och formverktygets fördelningskanaler. Inloppsbussningen är härdad och så formad att den sluter tätt mot formsprutans munstycke. Kanalen bör vara så kort som det är möjligt för att minska materialåtgång och cykeltid. För att befria inloppstappen (kallpluggen) från bussningen ska den formas mot en välpolerad yta, som är konisk. Inloppstappen friställs med hjälp av en speciell anordning på den motsatta sidan av inloppet på utstötarsidan. Den kan bestå av en underskärning i form av en ring, en konisk del eller ha en Z- form. Underskärningen drar ut kallpluggen varefter en central utstötarpinne stöter ut underskärningen med vidhängande kallplugg och fördelningskanaler. Inloppstappen och fördelningskanaler befrias automatiskt från formverktyget och formstycket då formverktyget öppnas. De mals vanligen ned i en kvarn för återanvändning av plasten. Fördelningskanaler Tvärsnitt hos fördelningskanaler. Typ d och e är enklast att tillverka Fördelningskanalerna (runners) leder smältan från inloppsbussningen till ett eller flera formrum av en eller olika geometrier (form med flera och olika fack). Under insprutningsförloppet är plasticeringsenhetens munstycke i intim kontakt med inloppsbussningen och pressar in smält plast. Fördelningskanalen ska ha maximala tvärsnittsarea men minimal omkrets, vilket betyder stort förhållande mellan volym och ytarea. Denna geometri betyder låg värmeförlust, minskad risk för att smältan stelnar för tidigt samt att tryckfallet inte blir för stort i kanalen. Den idealiska formen hos kanalen är därför cylindrisk, vilket är en dyr lösning eftersom en halvcylinder måste fräsas i båda formhalvorna. En billigare lösning är att ge kanalen formen av en trapetsoid och helst avrundad i botten eller modifierad. Trapetsoiden ska ha en släppvinkel av 2 till 5 grader per sida. Geometrin ger ett bra volym till ytarea-förhållande. Att införa en kanal med halvcirkelformat tvärsnitt undviks på grund av ett för lågt volym till ytarea-förhållande. Kanaler med kvadratiskt tvärsnitt förekommer sällan av bearbetningstekniska skäl. Det relativa tryckfallet i kanaler med samma tvärsnittsarea är 1 för sfärisk (a), 1,15 för halvsfärisk (c), 1,15 för avrundad trapetsoid (d) samt 1,02 för modifierad trapetsoid (e), vilket är en fördel för den sistnämnda formen. Medeldiametern hos fördelningskanalen beror på formgodsets volym och längd i flytriktningen, fördelningskanalens längd, maskinkapaciteten, intagets storlek och cykeltiden. Som tumregel gäller att kanalens diameter ska överensstämma med formgodsets tjocklek men begränsas till mellan 4 mm och 10 mm för att undvika för tidig frysning av smältan och långa cykeltider. För kraftigt tilltagna kanaler är dessutom oekonomiska eftersom de leder till höga energier vid stelning samt malning av det frysta materialet för återvinning. Formfyllningsanalys med hjälp av mjukvara ger möjligheter att få ned kanalernas diametrar så långt som det är möjligt. Trånga kanaler är en fördel eftersom den ökade skjuvningen leder till en värmebildning, som gör materialet mer lättflytande. Om vi väljer ett formverktyg med flera fack bör systemet av formfyllningskanaler utformas så att alla formrum fylls samtidigt under samma tryck och temperatur. I ett sådant balanserat system, t ex i form av en stjärna, får de formsprutade detaljerna samma egenskaper. Det är emellertid inte alltid möjligt att införa lika längd hos fördelningskanalerna. Formrum nära inloppet fylls då snabbare än de som ligger längre bort. Problemet kan avhjälpas genom att införa trånga intag eller kanaler till de formrum som är placerade nära inloppet men kraftigare hos de som ligger längre bort. Formfyllningsanalyser med mjukvara är ett utmärkt hjälpmedel för att införa balans vid val av kanalsystem. Balanserat H-system och cold slug well Cold Slug Wells Där en fördelningskanal tar en annan riktning förlängs den en bit för att bilda ett fack. Om den primära kanalen har diametern D så ska facket vara minst D djupt. Facket brukar på engelska kallas melt trapp eller cold slug well. Facket fångar upp den del av plastsmältan, som har hög viskositet och den stelnar till en rund äggformad plugg. Pluggen minskar risken för att kallt material når formrummet men underlättar också strömningen av den lågviskösa delen av plastsmälta. PLASTFORUM Nr

3 Uppkomsten av sammanflytningslinjer vid sidointag Sammanflytning undviks genom ett centralt intag Placering av intag med hänsyn till väggtjocklek samt risk för fristråle Intag Plastsmältan löper genom fördelningskanaler för att nå flera formrum via intag. Intaget är således länken mellan fördelningskanalen och ett formrum. Intagets placering, rätt form och storlek påverkar i hög grad detaljens egenskaper. Det finns otaliga exempel på hur ett intag kan utformas och nedan ges exempel på några vanliga typer vid formsprutning av en detalj i ett formrum eller flera detaljer i samma formverktyg. Intaget ska om möjligt ha en liten tvärsnittsyta för att inte ge ett för stort märke hos den formsprutade produkten. Dessutom betyder en trång passage att smältans temperatur höjs på grund av friktion i intaget. Därmed ökar smältans flytförmåga och fyllningen av formrummet underlättas. Plastsmältan har nämligen kylts något och blivit trögflytande under sin väg genom fördelningskanalen. Intagets tvärsnitt måste emellertid vara så väl tilltaget att det inte hindrar smältans flöde. Ett trångt intag underlättar separationen av formstycket och dess fördelningskanal, vilket vanligen sker automatiskt då formen öppnas. Ett trångt intag fungerar som en ventil som tillåter fyllning av formrummet men därefter stängs genom frysning så att inte smält plast flyter tillbaks i fördelningskanalen när plasticeringsenheten rör sig bakåt för att förbereda ett nytt skott. Det finns också anledning att välja intagets storlek med hänsyn till stålets kvalitet när det gäller bearbetning av vissa plastkompounder. Minsta diameter för intaget är 0,75 mm och som regel får inte intagets diameter överskrida diametern hos fördelnings- eller inloppskanalen. Vanligen är intagets dimension halva formstyckets väggtjocklek. Intaget lokaliseras så att sammanflytningslinjer (weld lines, vällinjer ) undviks eller blir så oansenliga som möjligt. Sammanflytningar uppkommer då smältan kommer från flera håll och flytfronter möts, t ex då det förekommer två intag eller då formrummet innehåller en kärna eller annat hinder kring vilket smältan tvingas förbi. Sammanflytningslinjer ger synliga märken i plastdetaljens yta och förorsakar en lokalt reducerad styrka. Sammanflytningar är mer framträdande för glasfiberfyllda material. Sammanflytningar undviks genom ett centralt inlopp. Om sammanflytningar inte går att undvika placeras intaget så att de ger minsta skada. Höga smälttemperaturer och snabb insprutning minskar effekten av sammanflytningar. Ett intag kan ge en synlig rest på formstycket och bör om möjligt placeras på en icke synlig yta. Placera inte intaget nära ett område, som kommer att utsättas för höga spänningar. Dels utsätts området för spänningar då intaget avlägsnas och märket efter intaget kan fungera som en anvisning, vilken utlöser inbyggda spänningar. Intaget bör om möjligt placeras där detaljen är som tjockast för att undvika ofullständig formfyllning och sjunkningar. Använd hög insprutningshastighet för att fylla tunna sektioner längst bort från intaget. Att placera intaget i det tjockaste partiet betyder att plastsmältan kan komprimeras effektivare under formsprutningen. När plasten krymper efter insprutningen i formrummet kompenseras krympningen genom att mer plastsmälta trycks in i formrummet under en eftertrycksfas. Detta är möjligt så länge vägen är öppen genom intaget. Då plasten stelnar i intaget går det inte att trycka in mer smälta. Eftersom de tjockaste delarna stelnar sist så är det därför lämpligt att placera intaget just där. Intaget ska också placeras så att risken för fristråle undviks. En fristråle (jetting) leder till porer och även märken i detaljens yta. Möter plastsmältan ett hinder uppstå turbulens, vilket är en fördel. Dels bildas inte fristrålen och dels minskar den molekylorientering, som annars ger formstycket hållfasthet i framför allt dess längdriktning. Det är också av samma anledning lämpligt att placera intaget så att plastsmältan följer en av formrummets ytor så att det uppstå skjuvkrafter (smältan häftar nämligen till metallytor). Olika typer av intag Olika typer av inlopp och intag Stångintag eller stånginlopp. Vid direkt formsprutning av en enskild detalj (ett formrum) används ofta stånginlopp om detaljen är tjockväggig och cirkulär och ska fyllas symmetriskt. Detaljen avformas med en inloppstapp som måste fräsas bort, vilket betyder en extra arbetsoperation. PLASTFORUM Nr

4 Tvåplattsform med kall fördelningskanal Stånginloppet har en konisk form med en vinkel mellan 2 och 4 grader. Formsprutningen sker i en tvåplattsform. Med stångintaget kan man spruta med ett effektivt eftertryck. Sidointag eller kantintag av cirkulära skivor respektive runda behållare (rotationskroppar) förekommer vid formsprutning med två eller flera fördelningskanaler i en tvåplattsform och används vid tunna och medeltjocka väggtjocklekar. Nackdelen med sådana intag är att plastsmältan packas under högt tryck närmast intaget men att packningen blir sämre på större avstånd från intaget vilket resulterar i en ojämn krymp (problemet kommer att behandlas i kapitlet om tumregler vid konstruktion). Punktintag ersätter punkt- och kantintag då de används i den treplattsform, som beskrivs nedan. Punktintaget ger en jämn fördelning av sprutmassan och en jämnare krympning. En fördel är att intaget kan avlägsnas automatiskt eftersom intaget kan ryckas av. För att undvika sprickbildning kan man gröpa ur material i formen mitt emot intaget. Urgröpningen ger en förstärkning på baksidan av detaljen. Passar tunna väggtjocklekar vid formsprutning av lättflytande smältor. Tallriksintag (Diaphragma Gate) används t ex vid framställning av kugghjul och lager i formar med ett formrum. Tjockleken kan vara upp till 0,8 mm. Med införande av korta och kraftiga centrumkärnor erhålls absolut rundhet och fina toleranser. Ringintag (External Ring Gate) används i formar med flera formrum för att tillverka cylindriska detaljer. Intaget avlägsnas med en särskild operation. Filmintag används vid framställning av plastskivor eller för tillverkning av långsträckta lådor. Tunnelintag (Submarine Gate) är utformade så att de är självrensande. Då formen öppnas fastnar formstycket på kärnan och intaget skjuvas av. PLASTFORUM Nr Tvåplattsform och treplattsform Tvåplattsformar och treplattsformar Placeringen av intag bestämmer vilken typ av formverktyg som kommer att användas och därmed också kostnaderna. Exempelvis kan två eller flera skålformiga detaljer med kantintag tillverkas i en konventionell tvåplattsform med kalla fördelningskanaler. Detta är en billig lösning men burkarna tenderar till att bli skeva på grund av det osymmetriska flödet av smälta. Om intagen istället placeras centralt i botten på skålarna blir flödet symmetriskt. Då är man emellertid tvungen att införa en treplattsform, om man fortfarande vill tillverka två eller flera skålar i samma skott. Nöjer man sig med en skål per skott räcker det med ett centralt stångintag i en tvåplattsform. Treplattsformen måste emellertid delas i två plan vilket gör den dyrare än tvåplattsformen. Om inte särskilda anordningar som varmkanal införs kommer både inloppstappen, fördelningskanalerna och intagen att stelna före avformningen. Man kallar systemet kallkanal och de utstötta och befriade delarna måste vanligen malas för att återanvändas. Även om vi använder oss av punktintag så blir det alltid ett litet märke kvar i botten på skålarna. Märket kan yttra sig som en liten upphöjning, omges av flytmärken och om detaljen är infärgad med ett temperaturkänsligt färgämne kan detta brytas ned närmast intaget på grund av den höga temperaturen i det trånga intaget. Man kan lösa problemet genom att placera intaget på insidan av burkens botten. Lösningen är emellertid mycket dyrare än den konventionella eftersom detaljen måste stötas ut från den stillastående delen av formverktyget, vilket medför en besvärlig mekanism. Billigare är att maskera intaget med A Ö t ex ett varumärke eller att använda sig av ett tunnelintag genom en utstötarpinne, som ändå ger ett märke efter sig. Varmkanalsystem Det finns huvudsakligen två system för att undvika stelning av plastsmälta i fördelningskanalerna; isolerad fördelningskanal och varmkanal. Med hälp av dessa system håller man plastsmältan flytande med i stort sett samma temperatur och viskositet från formsprutans plasticeringsenhet till formrumfördelningskanaler med flytande plastsmälta met. Man förlänger så att säga munstycket till formens intag. Den isolerade fördelningskanalen bildas genom att plastsmältan stelnar i ett skikt närmast kanalens vägg. Skiktet är isolerande och håller plastsmältan flytande under det att nästa skott förbereds. Det isolerade kanalsystemet dimensioneras så att all flytande plast i kanalerna insprutas i formrummen vid varje skott. Smältans volym i en kanal får således ej överskrida sitt formrums volym. I annat fall blir det isolerande skiktet tjockare och plastsmältans temperatur sänks. Till fördelarna hör förutom eliminering av kallkanaler, kortare cykeltid, bättre ytjämnhet och minskat vertygsslitage men på den negativa sidan tillkommer högre formverktygskostnader, besvärlig intrimning, 49

5 höga underhållskostnader och risk för polymerens och färgämnens nedbrytning. Varmkanalsystem är betydligt vanligare än isolerade varmkanaler. Fördelarna är desamma men nackdelarna färre. Största nackdelen med varmkanaler är höga kostnader. Mycket effektiva system säljs som standardkomponenter. De tillåter effektivare produktionskontroll och har stor flexibilitet särskilt när det gäller större formverktyg med många fack. Med hjälp av ett förgreningssystem av varmkanaler kan man hålla plastsmältan ständigt flytande från maskinens munstycke till ett antal formrum. Uppvärmningen sker med värmeelement och styrs genom noggrann temperaturkontroll. Intrimningen av värmelement och termistorer är omfattande och det är svårt att isolera resten av formverktyget för att inte kylningen i formrummet ska påverkas. Varmkanalsystem finns i många utföranden och används vid framställning av små detaljer som pennhuvar till stötdämpare på bilar. Då det finns åtskilliga leverantörer av olika system på marknaden betalar det sig att noggrant utvärdera och välja rätt system för en viss applikation. Formstycken med underskärningar Formrummet fördelar den inkommande smälta plasten, som formar den till den önskvärda formen. Formrummet är således den negativa formen av detaljens yta. Detaljen kan ha mycket komplicerade geometrier med underskärningar. Förekommer underskärningar måste formen innehålla formande rörliga delar som intar sina ursprungliga position då formen sluts efter avformning. Formens utförande är naturligtvis beroende på formgodsets komplexitet och kan indelas i följande kategorier: Detaljer utan underskärningar, t ex en detalj med enkel skålform Detaljer med yttre underskärningar, t ex i form av en trådrulle eller yttre gänga Detaljer med inre underskärningar, t ex en inre gänga Detaljer med både yttre och inre gänga En trådrulleliknande detalj tillverkas genom att införa backar (kärnor), som är rörliga i sidled parallellt med formens delningsplan. Kärndragningen utförs med s k snedpinnar (styrpinnar), som, när formen öppnas, för kärnorna ur sina lägen så att detaljen blir fri för utstötning. Yttre underskärningar kan också åstadkommas med andra typer av kärnor t ex Slip Cavity Mould. Inre gängor formas med kärnor som gängas ur godset. Rent tekniskt kan man således tillverka de mest komplicerade detaljer genom formsprutning men ekonomin sätter gränser. Avluftning Formrummet är fyllt med luft innan det fylls med plastsmältan. Om inte luften har möjligheten att sippra ut ur formen blir den starkt komprimerad och utgör ett hinder för fyllning av formen. Sammantryckning av luften leder dessutom till överhettning av plasten i vissa fickor i formrummet. Plasten kan i värsta fall förkolas och man brukar tala om en dieseleffekt. För att avhjälpa dessa problem inför man tunna avluftningskanaler (venting) i formens delningsplan. Men de måste vara så tunna att plastsmältan inte tränger in i dem så pass mycket att det bildas ett synligt skägg på formgodset. Typiskt djup för en sådan kanal är 0,025 mm och bredden är några mm närmast formrummet. En bit från formrummet kan djupet göras större för att minska strömningsmotståndet. I enklare formar kan spår efter slipning vara tillräckligt för avluftning. Utstötarsystemet Formverktyget består av minst två rörliga delar för att det färdiga formstycket ska kunna stötas ut. Vanligen stöts det ut med hjälp av ett utstötarsystem, som verkar då formen öppnas. Beroende på detaljens utformning kan utstötare ha formen av stavar eller en cylinder som är inbyggd i formen. Formhalvorna måste pressas ihop med stor kraft och exakt passning. För att formhalvorna ska röra sig på rätt sätt styrs de av kraftiga pelare. Formhalvorna måste sluta så tätt att inte plastsmältan kryper ut i delningsplanet men att avluftning sker i nämnda kanaler. Om plasten börjar tränga ut växer spalten i delningsplanet och därmed det skägg, som måste avlägsnas manuellt. Utstötningen av en detalj med underskärningar är besvärligare eftersom formverktyget innehåller fler rörliga delar än två formhalvor. Tempereringssystem Tempereringssystemet kyler formen vid bearbetning av termoplaster för att detaljen ska stelna och kunna avformas. Formens temperatur kontrolleras vanligen med hjälp av en kylande vätska som rinner i kanaler i formen. Vatten används upp till 100ºC och olja vid högre temperaturer. Vid bearbetning av härdplaster och gummi sker istället uppvärmning av formen. Tempereringen är en viktig del av processen eftersom både formgodsets kvalitet och cykeltiden påverkas. Termoplasterna har som smälta en temperatur mellan 200 och 300ºC och ska kylas till en temperatur mellan 50ºC och 110ºC. När härdbara polymerer bearbetas är temperaturen mellan 50ºC och 110ºC vid insprutning och tvärbindningen i formen sker vid cirka 200ºC. Kyltiden från smälttemperaturen till den temperatur formgodset har vid utstötning påverkar cykeltiden och därmed processens ekonomi, ytfinish, toleranser, skevningar och inre spänningar hos formgodset. Höga formtemperaturer ger hög ytfinish, och kan eliminera porer men risken för bildning av skägg och sjunkmärken ökar. Om formtemperaturen är för låg kan i värsta fall smältan stelna i formrummet innan det är fyllt. I de flesta fall blir valet av temperaturen en kompromiss. Möjligheten att beräkna kyltiden ett viktigt moment i kostnadskalkylen. Visserligen går det att bringa ned kyltiden genom att sänka smältans och formväggens temperatur samt den temperatur då avformningen sker. De lägre temperaturerna leder emellertid till nackdelar när det gäller detaljens egenskaper. Låga temperaturer hos smältan ökar tryckfallet i formrummet och då flytfronter möts erhålls svaga sammanflytningar. En låg temperatur hos formväggen minskar ytkvaliteten och eventuella mönster i formen återspeglas då inte i formgodsets yta. Om avformningstemperturen är för hög kan formgodset deformeras och utstötarna ger tydliga märken i formgodsets yta. PLASTFORUM Nr