MÄLARDALENS HÖGSKOLA FORMSPRUTNING PM 2010 01 11 PM i kursen Produktutveckling 3 KPP039 Examinator: Rolf Lövgren 2010
Innehållsförteckning Inledning... 2 Teori... 3 Grundmaterial... 3 Termoplaster... 3 Härdplaster... 3 Elaster... 3 Formsprutning... 4 Maskinen... 4 Insprutningsenheten... 5 Låsenhet... 5 Verktyget... 5 Processen... 6 Dosering... 6 Insprutning... 7 Omkopplingspunkt... 7 Eftertrycksfasen... 7 Kyltid... 8 Optimering... 8 Fördjupning Alternativa formsprutningsmetoder... 9 Flerkomponentsformsprutning... 9 Sandwichformsprutning... 10 Gasformsprutning... 10 Vattenformsprutning... 10 Insert Outsertmoulding... 11 Reflektioner... 11 Exempel på formsprutade produkter... 12 Referenser... 13 1
Inledning Formsprutning är en av de viktigaste tillverkningsmetoderna för plast. Formsprutning har flera egenskaper som ger metoden fördelar, framför allt vid masstillverkning av komplicerade detaljer. Med hjälp av formsprutning kan man tillverka detaljer i alla storlekar, från detaljvikt på 1mg till 100kg. Både termoplaster, härdplaster och gummi går att formspruta även om de två senare kräver en mer speciell metod. 2
Teori Grundmaterial Plaster indelas i Termoplaster och Härdplaster. Termoplaster går att forma med endast fysiska moment, uppvärmningen, pressning under tryck, nedkylning osv. Härdplaster måste behandlas via kemisk tillvägagångssätt. Det standard material som används vid formsprutning är termoplast, men det går även att formspruta produkter i härdplast eller till och med gummi. För att klara av detta krävs mer avancerade maskiner. Detta varierar självklart beroende vilken produkt som ska framställas. Termoplaster Termoplaster består av linjär eller förgrenade polymerer, som vid uppvärmning stegvis mjuknar eller smälter de blir plastiska vid nerkylning stelnar de. Materialet mjuknar när de krafter (bindningar; (van der Waals bindningar, vätebindningar, dipolbindningar och jonbindningar) som håller ihop molekylkedjorna löses upp på grund utav uppvärmningsenergin. När plasten befinner sig i smält tillstånd kan den bearbetas hur som helst. I princip kan termoplaster bearbetas oändligt antal gånger men i praktiken så bryts de långa molekylkedjorna ned av värme, syre i luften, UV strålning och kemiska föreningar. Detta resulterar i att plasten får sämre och sämre egenskaper för varje omsmältning. Härdplaster En härdplast är ett polymert material, vars långa molekylkedjor försetts med s.k. tvärbindningar. Man säger att materialet är förnätat. Den på detta sätt uppkomna molekylstrukturen får en tredimensionell uppbyggnad, som ser ut ungefär som ett fisknät. Härdplaster är genom förnätningen så starkt sammanfogade att de inte kan lösgöras från varandra genom upphettning. En härdplast kan därför inte formas på nytt genom att upphettas. Detta medför att tillverkning av produkter i härdplast försvåras betydligt. Elaster Elaster, eller gummimaterial, är en grupp material som i första hand definieras med utgångspunkt från sina fysikaliska egenskaper och inte från sin kemiska uppbyggnad eller sitt tillverkningssätt. Kännetecknande för den här typen av material är att de uppvisar stor elastisk återfjädring. Gummitillverkning karakteriseras av den s.k. vulkaniseringen, eller vulkningen. Denna innebär att de långa molekylkedjorna i utgångsmaterialet tvärbinds, ofta med hjälp av svavel. Även här försvåras formsprutning av gummi på grund utav de kemiskt komplicerade processer som måste tillämpas. 3
Formsprutning Formsprutning är en av de viktigaste tillverkningsmetoderna för plast. Formsprutning har flera egenskaper som ger metoden fördelar, framför allt vid masstillverkning av komplicerade detaljer. Med hjälp av formsprutning kan man tillverka detaljer i alla storlekar, från detaljvikt på 1mg till 100kg. Plastprodukter har ökat otroligt mycket under andra halvan av 1900 talet och in på 2000 talet. Tack vare de bra mekaniska egenskaperna plast innehar och den lätta omformningen av materialet så har det gjort succé. Formsprutning av plastprodukter möjliggör ett enkelt sätt att masstillverka mängder av olika produkter. Listan på vilka produkter som har formsprutas är enorm. Det finns överallt i både små och stora utföranden, det kan vara små distanser i elektronik som fungerar som isolatorer eller stora avfallsbehållare. Maskinen De första plastformningsmaskinerna var enkla konstruktioner där smält plast manuellt sprutades in i en form. Genom åren har det skett omfattande utveckling av maskinerna, allt för att anpassa större efterfrågan, andra material och mer omfattande detaljer. Delar i standard formsprutningsmaskin: Maskinstativ som bär upp övriga enheter. Insprutningsenhet som plasticerar och sprutar in materialet i formen. Låsenhet som öppnar och stänger formen och låser formen. Styrenhet som koordinerar och reglerar formsprutans rörelser. Formsprutningsmaskinen fungerar så att granulerad(småkulor) plast matas in i insprutningsenheten som plasticerar (smälter) plasten och sedan sprutar in materialet i formen (hädanefter kallat verktyget). När plasten sprutas in i verktyget så uppstår ett enormt tryck som gör att den delade verktyget vill öppna sig. Detta stora tryck är nödvändigt för att alla små utrymmen i verktyget måste fyllas ut. Inom några sekunder svalnar plasten och verktyget öppnas och detaljen knuffas ut manuellt eller automatiskt med hjälp av s.k. utstötare. 4
Insprutningsenheten Insprutningsenheten uppfyller flera olika funktioner, dessa inkluderar; plasticera, mata, homogenisera(blanda), dosera, förvara och spruta in materialet i verktyget. Insprutningsenhet Bild 1 Låsenhet Låsenhetens uppgift är att medge fastspänning av verktyget, öppna och stänga verktyget samt att kunna uppnå tillräckligt hög kraft för att orka hålla emot trycket som uppstår vid insprutnings och eftertrycksfasen. På låsenheten sitter också utstötar och kärndragningsmekanism monterade. Låsenheten består av två formbord ett fast och ett rörligt, en fast platta och en låsmekanism mellan den fasta plattan och det rörliga formbordet. Insprutningsenhetens munstycke kommer igenom ett hål som finns på det fasta formbordet. Det hjälper även till med att lokalisera verktyget med hjälp av en centreringsring som passar hålet. På det rörliga formbordet finns det hål som är till för utstötningsmekanismerna. Verktyget Verktyget är den form som skapar detaljen. Det är detta verktyg konstruktören av detaljen måste ta stor hänsyn till när han utformar sin produkt. De vanligaste och mest simpla verktyg är tvådelade och öppnas i endast en riktning(horisontellt). Vill man skapa håligheter vertikalt måste verktyget inneha flera delar som glider in efter att verktyget har stängts och innan det öppnas. Detta medför att det tar längre tid i tillverkning men framförallt att verktyget blir betydligt svårare och dyrare att tillverka. Denna aspekt var en stor del av projektarbetet vi utförde i kursen. 5
Processen Den synes till enkla processer som gäller vid formsprutning innehåller ett antal processteg, som måste optimeras noggrant för att resultatet ska bli det bästa. De olika steg som finns i processen är: Plasticering (dosering) Insprutning omkoppling Eftertryck förseglingspunkt Förseglad kylning utstötning Vissa av de här stegen kan överlappa varandra och i vissa fall tillkommer ytterligare steg, såsom insprutningsenhetens anliggning och tillbakadragande från verktyget, dragning av kärnor eller backar, men dessa ändrar inte grundcykeln. Dosering Materialet matas in i cylindern från påfyllningstratten till munstycket med hjälp av skruvens rotation. Termoplaster smälter främst på grund av den friktionsvärme som utvecklas mellan materialet och skruv och cylindervägg då skruven roterar. På utsidan av cylindern sitter det värmeband som tillför resten av den nödvändiga energin genom värmeledning. När formsprutning sker, matas smältan fram tills skruven när en förutbestämd position som ställts in på kontrollpanelen eller genom en gränslägesbrytare på insprutningsenheten. Den sträcka som skruven rör sig för att komma till den förutbestämda positionen kallas för doseringsväg, och volymen av det material som matas fram kallas för skottvolym. Doseringsläget måste noggrant justeras in vid varje formbyte då det skiljer sig från detalj till detalj. 6
Insprutning Under insprutningen fungerar skruven som en kolv och trycks framåt utan att rotera. Den trycker in smältan i verktyget genom munstycket. Hastigheten med vilken smältan trycks in i verktyget regleras med hur mycket hydraulolja som matas framtill insprutningscylindern. Det går även att reglera hastigheten i steg under insprutningen. Normalt så är inte trycket konstant utan det ökar allteftersom insprutningen sker. Detta på grund utav att ju längre flytväg smältan har att fylla, desto högre tryck måste appliceras för att hålla en konstant fyllhastighet. Maximala insprutningstryck beroende på maskin kan variera mellan 1500 och 2500 bar. Omkopplingspunkt När verktyget har fyllts med smälta, komprimeras denna och trycket stiger snabbt! Då måste maskinen övergå från hastighetsstyrning till tryckstyrning av processen (eftertrycksfasen). Detta kallas för omkopplingspunkt. Det finns olika sätt att styra denna omkopplingspunkt. Forminnertrycksstyrd (trycket på smältan i verktyget) Massatrycksstryd (trycket på smältan framför skruven) Hydraultrycksstyrd (trycket på hydrauloljan i insprutningscylindern) Vägstyrd eller volymstyrd (skruvens position) Tidstyrd Jag tar bara upp en här, forminnertrycksstyrd. Det är den noggrannaste men också den dyraste metoden. Det fungerar så att det sitter en tryckgivare placerad i verktyget som mäter upp hur högt trycket är. På så sätt känner den av när det ska kopplas om ifrån hastighetsstyrning till tryckstyrning. Genom att använda denna metod kan man även studera hur forminnertrycket ser ut under insprutnings och eftertrycksfasen. Eftertrycksfasen För att kompensera de stora krympningar som kan uppstå när materialet kyls från smälta till fast fas så används eftertryck. Material kan krympa med så mycket som upp till 20 %. Eftertrycksnivån bestäms av materialet, detaljens utformning och krav på den färdiga detaljen. Om eftertrycket är för lågt kommer material att pressas tillbaka in i cylindern (skruven backar) och risk för sjunkningar och orienteringar uppstår. Vid för högt tryck så finns det risk att gradbildning uppstår och inbyggda spänningar som följd. Allteftersom smältan stelnar sjunker trycket i verktyget. Om eftertryckstiden är för kort kommer smälta att rinna tillbaka in i cylindern när eftertrycket släpps, vilket orsakar problem med sjunkningar och orientering kring intaget. 7
Kyltid Vid eftertrycksfasens slut är normalt detaljen fortfarande för varm för att kunna tas ut ur formen. Den måste kylas ytterligare någon tid för att få tillräcklig stabilitet. Tiden mellan eftertrycksfasen och det att verktyget öppnas kallas kyltid. Detaljens kyltid beror på material, godstjocklek, massatemperatur, verktygstemperatur, detaljens temperatur vid utstötning och verktygets kylförmåga. Godstjockleken är den parameter som har störst inverkan, en fördubbling av godstjockleken kräver en fyrdubblad kyltid. Optimering För alla dessa delar i processen så finns det flera saker man kan göra för att optimera resultatet samt tiden det tar att formspruta. Till dagens maskiner finns det dataprogram som har översikt över de olika parametrarna som måste tas till hänsyn. Det finns framtagna data och formler på flera av parametrarna som t.ex. Hur lång kyltiden blir med hänsyn till; materialets värmeledningsförmåga, godstjocklek, massatemperatur, medelverktygstemperatur och maxtemperatur vid avformning. Finns även för hur stor låskraft man bör använda. 8
Fördjupning Alternativa formsprutningsmetoder På senare tid har det skett stora förändringar inom formsprutning och framtagning av plastdetaljer. Det finns möjligheter att kombinera flera plaster eller olika färger på en och samma detalj. Det krävs att de olika materialen är kompatibla med varandra och har god vidhäftning till andra material. Flerkomponentsformsprutning Med flerkomponentsformsprutning menas att en detalj formsprutas i två eller flera olika material. Ibland använder man samma material men olika färger. Har inte plaster god vidhäftning till varandra så kan man skapa detaljen så de fäster i varandra med hjälp av t.ex. underskärningar. De maskiner som kan formspruta flera material måste vara försedda med flera sprutenheter. Det finns ett annat sätt att göra det på, s.k. falsk flerkomponentsformsprutning. Det är om man använder sig av flera maskiner, gör en detalj som man sedan tar ut och placerar i ett annat verktyg som används i en annan maskin. Verktygen kan se olika ut vid flerkomponentssprutning. Ett sätt är att man först sprutar med ena materialet för att sedan rotera verktyget, öppna det och ta ut eventuella intag och fördelningskanaler. Sedan sätta tillbaka verktyget så den formsprutade biten hamnar vid en annan del av formen. Sedan sprutas det andra materialet in och sedan är detaljen färdigställd. Ett annat sätt är att verktyget är utrustat med backar som kan öppna och stänga olika delar av formrummet. Formspruta med flera insprutningsenheter Bild 2 9
Sandwichformsprutning Vid sandwichformsprutning eller co injection har detaljerna ett yttersikt av ett material och en kärna av ett annat. Det går till genom att formkaviteten först fylls delvis av det material som ska bilda ytterskiktet; därefter insprutas materialet som ska bilda kärnan. Kärnmaterialet pressar det tidigare insprutade materialet så att det lägger sig längs väggarna. Som sista steg kan lite av det första materialet sprutas in så att detaljen förseglas samtidigt som ingötssystemet kan rengöras inför nästa skott. Ofta är kärnan gjort av återvunnet material och yttersiktet av nytt. Gasformsprutning Vid gasformsprutning fylls formkaviteten först med plastsmälta, varefter gas, vanligtvis kvävgas, sprutas in. Gasen tar den vägen som är lättast, dvs. i mitten, därför kommer gasen att bilda kärnan och plasten bildar ytterskiktet på detaljen (se bild 3 under vattenformsprutning, samma princip). Gasformning tillåter tjocka godstjocklekar, vilket hindrar orimliga cykeltider samtidigt som materialåtgången minskas. Om detaljen innehåller både tjocka och tunna sektioner är det rekommenderat att använda sig av gasformsprutning. Vattenformsprutning Istället för gas kan vatten användas för att skapa håligheter i formgods. Vatten har bättre värmeöverföring, varför kyltiderna blir kortare jämfört med att använda gas. Korta kyltider betyder kortare cykeltider vilket betyder mer pengar. Jämfört med gas blir detaljens väggtjocklek tunnare när man använder sig av vatten. Vattenformsprutning Bild 3 10
Insert Outsertmoulding Med denna metod kan man gjuta in andra material eller detaljer i en plastdetalj. Det vanligaste är att olika metallinsatser ingjutes. Det kan vara skruvar eller styrpinnar eller andra förstärkningsdetaljer. Ett exempel är en osthyvel som är helt i plast men har ett skärblad av metall. Vid Outsert moulding formsprutas ett antal mindre plastdetaljer på en bärande platta. Plattans uppgift är att ge konstruktionen styvhet och styrka. Ett vanligt exempel på outsert moulding är elektroniska apparater dör plattans funktion är att ge styvhet och fastsättningsmöjligheter för olika komponenter. Plattan förs in i formrummet innan verktyget stängs. Plasten formsprutas fast i plattan och behöver alltså inte monteras. Vanligtvis behövs det stora serier för att detta ska vara lönsamt då verktygen har en tendens att bli dyra. Reflektioner Anledningen att jag valde att skriva om formsprutning var att jag tyckte det var ett intressant område som jag bara visste en liten del av. Under arbetets gång och faktainsamling har jag insett att det var mycket mer omfattande än jag trodde. Till en början verkar det vara en enkel process som går smidigt och snabbt utan större inverkan ifrån operatörer. Men efter att ha läst mer om ämnet märkte jag att det är många aspekter man måste ta hänsyn till. Samt flera funktioner som kan påverkas för att optimera hela processen. Det är tydligt att formsprutning är beroende av teknisk utveckling vilket också betyder att branschen är under ständig utveckling. Jag tror att i framtiden kommer det finnas ännu mer avancerade maskiner än idag, som kan hantera fler material och på så sätt öka produktutbudet. Den stora nackdelen som det inte talas så mycket om är det faktum att plast är gjort av råolja vilket alla vet att användningen (åtgången) av det ger vissa komplikationer. Återanvändningen av plast är också begränsad då materialet förlorar egenskaper vid omsmältning. Samt att alla olika plaster sorteras tillsammans och på grund utav det så blir det omöjligt att veta vilka egenskaper plasten har. Detta resulterar i att det mesta av den återanvända plasten blir plastpåsar. Jag känner att detta arbete har resulterat i en djupare kunskap i formsprutning och att det är något jag kommer ha nytta av i framtiden. Efter att ha läst mycket om olika material, främst plaster och deras egenskaper i tidigare materialkurser vet jag nu hur man kan använda den informationen i produktion. 11
Exempel på formsprutade produkter Nedan är några exempel på formsprutade produkter. 12
Referenser Materialhäfte från materialkurser. Plasternas uppbyggnad Producera i plast, Hans Erik Strömvall, red. VI Sveriges Verkstadsindustrier 2002 Författarna och Industrilitteratur AB Internetkällor: http://www.primo.se/formsprutning 961.aspx http://sv.wikipedia.org/wiki/formsprutning 13