Formsprutning av plaster

Transkript

1 Mälardalens Högskola Formsprutning av plaster Produktutveckling 3 Malin Bånghammar, cke20, mbr07004@student.mdh.se

2 Innehåll 1 Inledning Vad är formsprutning Varför formsprutning Processen Formsprutningsmaskinen Formlåsningsenheten Plasticerings och insprutningsenheten Styrenheten Intervju Kristoffer Kling, Plastkonstruktör ABB Cewe Control Diskussion Källförteckning Tryckta källor Personer

3 1 Inledning Detta PM behandlar tillverkningsmetoden formsprutning av plast. Det tar upp vad formsprutning är, varför man ska formspruta samt hur formsprutning går till. Detta med beskrivning av maskinens olika delar och funktioner. Detta PM innehåller även en intervju med Kristoffer Kling, plastkonstruktör från ABB Cewe Control i Västerås. Intervjun behandlar mestadels hur man konstruerar en produkt med hänsyn till tillverkningsmetoden formsprutning. Som avslutning finns en diskussion med egna tankar och funderingar kring ämnet formsprutning. 3

4 2 Vad är formsprutning Formsprutning är egentligen en vidareutveckling av bearbetningsmetoden pressgjutning som används på metaller. Kort sagt är formsprutning en bearbetningsmetod där smält material sprutas in i en kall form (Björklund Lenner, 2002, s. 388). Det smälta materialet är en homogen rätt tempererad plastmassa. Den sprutas in i formen med ett tryck på <200MPa. Då formen senare öppnas, när smältan kylts och stelnat, stöts ett stabilt formstycke ut (Lindberg, 2008, s. 2). De mest huvudsakliga egenskaperna för formsprutning är att det är komplexa former av varierande storlek som sprutas ut. Produktionstakten är hög och verktygen är dyra. Även snäva toleranser är en egenskap för formsprutning (Björklund Lenner, 2002, s. 388). Då formsprutning är en kapitalkrävande produktion är det därför viktigt med stora seriestorlekar, att processen automatiseras, helst inga efterarbeten med mera (Lindberg, 2008, s. 2). 3 Varför formsprutning Formsprutning är den mest spridda och variationsrika bearbetningsmetoden för plast. Bearbetningsmetoden har i många fall lett till nyskapande tekniska produkter inom olika branscher (Björklund Lenner, 2002, s. 388). Formsprutning av termoplaster är också den bearbetningsmetod som ger volymmässigt störst formgods. I norden finns över 500 formsprutningsföretag och ungefär formsprutor. Plastförpackningar utgör nästan 50 % av formgodset (Lindberg, 2008, s. 2). 4 Processen Vid bearbetning av plast är det viktigt och absolut nödvändigt att känna till plastens viskositet. Viskositet är information om hur tjockflytande plasten är vid en viss temperatur och under påverkan av ett visst tryck under en viss tid. Hos plast är smältviskositeten ett mått på den mängd plast vid bestämd temperatur och tryck som pressas genom ett hål av en viss diameter. Desto högre värde betyder desto mer lättflytande smälta. Detta är viktig information vid formpressning (Björklund Lenner, 2002, s. 377). Då smältans förs in till formrummet genom fördelningskanalerna är det viktigt att det sker på ett sådant sätt att transport underlättas och att överhettning inte inträffar. Formsprutningsmaskiner har sedan slutet av 1950 talet varit utrustade med en plasticeringscylinder samt en skruv. Den bakre delen av skruven är förbunden med insprutningscylindern. Under insprutningen trycks skruven framåt med hjälp av en kolv. Då smältan sedan plasticeras förs skruven bakåt samtidigt som den roterar. Nytt material matas då fram. Materialet som matas in har antingen form utav granulat eller pulver. Detta matas inte in dosvis utan får rinna ned kontinuerligt från en tratt för att sedan komma in i skruvens gängutrymme. Skruvens spets är utrustad med återflödesspärrar. Dessa spärrar ser till att bara plasticerat material släpps in i transportriktningen och omöjliggör flöde bakåt. På så sätt blir skruven tät och kan användas vid nästa operation (Björklund Lenner, 2002, s. 388). 4

5 Figur 1. Smält massa sprutas in i det kylda formrummet Då formen fyllts måste smältan fortfarande hållas under tryck, eftertryck. Detta eftersom formstycket krymper fortsatt inmatning av smälta krävs då för att kompensera krympningen (Björklund Lenner, 2002, s ). Volymminskningen beror av plastens krympning som uppstår till följd av temperatursänkningen och kristallisation. Eftertrycket fortsätter till detaljen uppnår rätt densitet. Detta kontrolleras genom att detaljen vägs då detaljens vikt får genom att multiplicera detaljens volym med densiteten. Ett bevis på en för kort eftertrycks tid, för lågt tryck eller dålig design är insjunkningar i detaljen. Men det är inte heller bra med för högt tryck. Det ger nämligen kraftiga orienteringar i detaljen (Lindberg, 2008, s. 14). Figur 2. En enkel form Vid öppning av enheten ska rörelsen i början vara långsam med stor kraft. Formstycket kan annars slitas sönder. Formstycket hålls fast av det vakuum som bildas mellan plaststycket och de formgivande delarna då luften inte hinner strömma in. Antingen under eller efter formbordets 5

6 öppningsrörelse träder utstötaren i funktion. De verkar direkt mot formstycket och kan ha formen av stift, rör, blad, avtryckare med mera (Björklund Lenner, 2002, s ). Figur 3. Formens rörelse under formsprutningscykeln 5 Formsprutningsmaskinen Formsprutor finns i alla möjliga storlekar, allt från formsprutor stora som hus till formsprutor som kan stå på ett bord. Det finns formsprutor som har en låskraft på hela kn till formsprutor med en låskraft på endast 7kN. Låskraft är den kraft som håller ihop formhalvorna under insprutning och eftertryck. Trycket som avvänds för att spruta in massan kan variera mellan 5 till över 200 MPa. Med detaljerna pratar man om en storlek från ett par gram till över 100kg (Lindberg, 2008, s. 2 3). Det finns många krav som dagens industri ställer på dagens formsprutningsmaskiner. Bearbetningen måste vara ekonomiskt och tekniskt riktig. En formsprutningsmaskin består av tre huvudsakliga delar: Formlåsningsenheten, Plasticerings och insprutningsenheten samt Styrenheten (Björklund Lenner, 2002, s. 389). 5.1 Formlåsningsenheten Formlåsningsenheten kan beskrivas som ett rörligt formbord eller formuppsättningsplatta som kan manövreras både mekaniskt och/eller hydrauliskt. Den ena formhalvan monteras tillsammans med de hjälpmedel som ska stöta ut formstycket ur formen på det rörliga formbordet. Den andra halvan av formen monteras på insprutningsdelens motsvarande formbord (Björklund Lenner, 2002, s ). Den del som är kopplad till insprutningsenheten är fast medan den andra delen är rörlig. Själva formen är den del på maskinen som är specifik. Detta innebär att det är formen som blir den avgörande investeringen och om det är värt att producera detaljen i formspruta (Lindberg, 2008, s. 4 5). 6

7 Då låsningsenheten under sin livstid utför många snabba operationer krävs det att enheten är robust och exakt för att förhindra skador. Eftersom låsningsenheten även är underordnad formen påverkar den formens passningsprecision, täthet och livslängd. Därför finns stränga noggrannhetskrav på enheten. Det finns olika bedömningsgrunder för formlåsningsenheten, dessa är: energiförbrukning, underhållsbehov, driftsäkerhet, dimensionering, uppspänningsstorlek, öppningslängd och installationsmedlens noggrannhet (Björklund Lenner, 2002, s. 391). 5.2 Plasticerings och insprutningsenheten Möjligheten att kunna inställa, bevaka och justera den elektriska uppvärmningen längs cylinderns längd är mycket viktigt då smältans beredning är helt beroende av detta. Det krävs flera regleringszoner längs cylindern och munstycket för att temperaturen noggrant ska kunna anpassas till materialets termiska egenskaper. Skruvens rotationshastighet påverkar skjuvninguppvärmningen, det är därför viktigt att kunna reglera skruvens hastighet. Hydraltrycket mot skruvens bakåtrörelse påverkar trycket i smältan men det påverkar även skjuvningen samt värmetillskottet. Den bakre delen på plasticeringscylindern bör kunna kylas då oplastiskt material måste finnas där för att det framförliggande materialet ska få påskjutning framåt. Ingen matningsfunktion inträffar om allt material runt skruven är plastiskt. Maskinerna brukar ha temperaturavkännare längs med cylinderns utsida för att lättare få rätt inställningar till maskinerna (Björklund Lenner, 2002, s. 392). I formen finns olika inloppskanaler in till formrummen. Detta för att smältan på ett gynnsamt sätt ska kunna förflyttas till formrummen med hänsyn till dess viskositet. Tvära övergångar bör undvikas eller utföras med generösa radier. Insprutningshastigheten är en av de viktigaste parametrarna då formen ska fyllas. Denna beror av insprutningskolvens rörelsehastighet, skruvens area, smältans viskositet och temperatur samt det uppbyggda trycket i smältan (Björklund Lenner, 2002, s. 393). Själva insprutningen ska ske så snabbt som möjligt, under eller omkring en sekund helst. Den korta insprutningstiden ger bra produktegenskaper (Lindberg, 2008, s. 9). Hur detaljen kyls har stor betydelse för detaljens egenskaper. Kyltiden beror främst på godstjockleken samt värmeinnehållet i materialet. Dock har även kylkanalernas utformning i verktyget samt plastens värmeledningsförmåga en betydande del av kylningen. Det bästa resultatet erhålls då detaljen kyls ned långsamt. Krymp och skjuvspänningar hinner då relaxera. Dock brukar formens temperatur sättas lågt för att produktionstakten. Detta strider dock mot detaljens kvalitet genom att mötet mellan varm plastmassa och en kall vägg resulterar i spänningar och orienteringar i detaljen. Om formen istället har samma temperatur som plastmassan motverkas spänningar och man får måttriktiga och spänningsfria detaljer. Dock tillämpas detta bara på specialprodukter då tillverkningskostnaderna annars blir alldeles för höga (Lindberg, 2008, s. 11). 5.3 Styrenheten En optimal formsprutning innebär att alla faktorer är identiska för varje operation. Dessa faktorer arbetas fram vid formens första intrimning för produkten. Under senare år har formsprutningsmaskiners styrning varit föremål för omfattande produktutveckling. Detta på grund av de allt större kraven på konstanta produktionsförhållanden. En formsprutningsmaskin har få rörliga delar, detta medför att det krävs lite underhållsarbete och att det erhålls en lång livslängd. 7

8 Den viktigaste händelsen inom formsprutningstekniken är tillkomsten av processbevakning. Detta styrsystem medger programmering av de viktigaste parametrarna i maskinens arbetsoperation, så som insprutningshastighet, temperaturkurvan i smältcylinern, formtemperatur och eftertryck (Björklund Lenner, 2002, s ). 8

9 6 Intervju Kristoffer Kling, Plastkonstruktör ABB Cewe Control Vad är viktigt då man konstruerar i plast som ska formsprutas? Man försöker konstruera formgodset så enkelt som möjligt då ett avancerat verktyg blir dyrt. Exempelvis om biten kräver att verktyget kommer in från flera olika håll (kallat slid) är en fördyrande aspekt som man försöker undvika. Man försöker hålla en jämn godstjocklek för att plasten ska få ett jämt flöde i formen och undvika flaskhalsar samt för att få en jämnare kylning. Detta medför mindre deformationer på biten som till exempel skevningar, spänningar och porösa fickor i materialet. Det är också viktigt att tänka på hur formgodset ska släppa från formen. Att det krävs olika släppvinklar på olika delar. Vissa delar kräver större släppvinklar osv. Släppvinklar medför även varierande godstjocklek vilket är nått som måste beaktas. Vad är fördelen med att formspruta? Fördelarna med formsprutning är att verktyget som måste tas fram är en engångskostnad, senare krävs bara underhållskostnader. Det får snabbt att producera med formsprutning och det är lätt att producera stora serier. Vad har du för erfarenheter när det gäller materialval? Materialvalet kan vara avgörande vid formsprutning. Om exempelvis skevningar har uppstått i en formsprutad bit behöver det inte vara verktyget det är fel på utan det kan vara materialvalet som ställer till det. 9

10 7 Diskussion Jag tycker att det har varit ett intressant ämne att skriva om. Speciellt eftersom jag har förstått att formsprutning är en vanlig tillverkningsmetod ute i industrin och något man helt enkelt bör känna till som blivande produktutvecklings ingenjör. Det förvånade mig att formsprutning har så stor del av marknaden när det gäller tillverkningsmetod. Men efter de nya kunskaper jag fått så är det inte så konstigt. Formsprutning är ju en väldigt variationsrik tillverkningsmetod och den lämpar sig väl för stora serieproduktioner. Med formsprutning kan man tillverka produkter i alla möjliga storlekar och former. Det jag vill säga är att det går lätt att förstå fördelarna med att formspruta produkter. Att göra en intervju med Kristoffer Kling som faktiskt arbetar med att konstruera plastdetaljer som ska formsprutas uppfattade jag som väldigt givande. Svaren han gav mig stämde väl överrens med den teori jag läst och jag fick direkt återknytning till litteraturen. Detta gjorde att jag fick en bra förståelse för hela processen och jag fick faktiskt veta hur det går till där ute i verkligheten. Det var verkligen intressant att höra en ingenjör berätta om hur han arbetar då jag är en blivande ingenjör som kanske också kommer att konstruera i plast någon gång i framtiden. Det förvånade mig hur mycket en ingenjör faktiskt måste kunna om tillverkningsprocessen och om hur verktygen fungerar. En annan sak som jag tyckte var anmärkningsvärt var hur mycket det betyder för tillverkningskostnaderna, framförallt för framtagningen av verktyg, hur en produkt är konstruerad och ritad. Avslutningsvis är jag glad över att jag skrivit detta arbete. Det har gett mig mycket nya kunskaper och insikter som jag tror att jag kommer ha nytta av i mitt kommande yrkesliv. 10

11 Källförteckning Tryckta källor Modern Produktionsteknik Del 1, (2007), Hågeryd, Björklund, Lenner Att konstruera i plast, (2008), Henrik Lindberg Personer Kristoffer Kling, Design Ingenier, ABB cewe control 11