2.4. Оборудование при производстве изделий из термопластичных пластмасс
В зависимости от поведения связующего при нагреве пластмассы разделяются:
реактопласты
термопласты
Термопласты при нагревании плавятся и затвердевают при охлаждении. Процесс может повторяться неоднократно, однако повторный нагрев ухудшает физико-механические свойства материала.
Одним из самых распространенных методов переработки пластических материалов является литьё под давлением. Изделия этим методом получают на литьевых машинах. Метод основан на том, что материал переводится в вязко-текучее состояние вне формы, в материальном цилиндре системы, а затем доза расплава полимера впрыскивается в охлажденную форму. Форма раскрывается и изделие извлекается.
Рассмотрим принципиальную схему работы литьевой машины. Схема самой машины показана на рисунке 12.
Рисунок 12. Литьевая машина
Перерабатываемый материал засыпается в бункер 9,захватывается червяком 7 и за разности коэффициентов трения между материалом и обогреваемый цилиндром 8 и материалом с червяком транспортируется вперед. Доза расплава 12 накапливается в передней части материального цилиндра, перемещая червяк поршня вправо. Это обеспечивается шлицевым соединением холоставика червяка с колесом редуктора 10.
При наборе необходимой дозы расплава вращение червяка поршня прекращается концевым выключателем 13 и одновременно включается подача рабочей жидкости в поршневую полость цилиндра впрыска 11.
Весь узел пластикации и впрыска перед гидроцилиндром 14 подводится к литниковой втулке литниковой формы 5.
Подвижная часть формы 5 закреплена на плите 4, а неподвижная часть на плите 6. Замыкание и раскрытие формы происходит под действием гидроцилиндра 1, штока который связан с подвижной плитой 4. Гидроцилиндр 1 закреплен на регулируемой плите 2.
Подвижная плита с полуформой движется по колонам 3.
Механизмы замыкания предназначены для создания достаточно плотного прилегания обеих половин формы друг к другу. В таком положении форма должна удерживаться во время впрыска в форму расплава, выдержки его под давлением и охлаждения готового изделия.
При ненадежном замыкании формы в момент впрыска может произойти выброс части расплава по линии разъема. В этом случае вокруг изделия в плоскости разъема образуется облой, значительно уменьшается плотность детали, возможны недоливы, т.е. изделие получается некачественным. Для получения качественных изделий, необходимо надежное замыкание формы.
Рассмотрим следующие виды замыкания формы:
- шестизвенный механизм замыкания формы с качающимся гидроцилиндром;
- механизм замыкания формы с горизонтальным гидроцилиндром.
Шестизвенный механизм замыкания формы с качающимся гидроцилиндром. Покажем его конструктивную и кинематическую схему на рисунке 13.
Рисунок 13. Конструктивная (а) и кинематическая (б) схемы шестизвенного механизма замыкания формы с качающимся гидроцилиндром
Гидроцилиндр 1 через систему рычагов 3 и шарниров 4, перемещает подвижную плиту 5. Гидроцилиндр шарнирно закреплен на каретке 9, которая вместе с системой рычагов может перемещаться по колоннам 8, при регулировании расстояния между плитами 5 и 7. Неподвижные плиты 2 и 7 жестко связаны колоннами 8. Смыкание полуформ 6 осуществляется при подаче жидкости в штоковую полость гидроцилиндра.
Изобразим на рисунке 14 механизм замыкания формы с горизонтальным гидроцилиндром.
Рисунок 14. Механизм замыкания формы с горизонтальным гидроцилиндром
I (выше оси) – сомкнутое состояние формы; II (ниже оси) – разомкнутое состояние формы; 1 – подвижная плита; 2 – рычажное устройство; 3 – шток поршня; 4 – гидроцилиндр; 5 – колонны.
Плита 1 перемещается при помощи гидроцилиндра 4 и передаточного сдвоенного рычажного устройства 2. Рычажная система приводится в движение штоком 3 и поршнем гидроцилиндра 4. При перемещении штока 3 вправо (смыкание) рычаги разворачиваются, а при перемещении влево – складываются.
Для устранения утечек материала и повышения его давления при инжекции, применяются механизмы запирания литьевой машины втулочного и шарикового типа.
Покажем на рисунке 15,16 данные механизмы.
Рисунок 15. Шариковый механизм запирания литьевой машины
В материальный цилиндр 1 через бункер 2 поступает исходный гранулированный полимер. Далее с вращением червяка 6, он движется в носовую часть материального цилиндра, где через специально сделанное отверстие поступает в торпеду, поднимает металлический шарик и проходит в полость цилиндра, где, накопившись до необходимого объема, начинает плотно прижимать шарик, закрывая тем самым доступ к поступлению нового материала. Диаметры отверстий в торпеде выполнены с разным диаметром.
Бункер 2 постоянно охлаждается кольцом 3 для того, чтобы материал не прилипал к стенкам и не препятствовал прохождению в цилиндр. На материальном цилиндре также установлены нагреватели 4 и термопары 5 для регулирования температуры.
Втулочный механизм запирания литьевой машины представлен на рисунке 16
Рисунок 16. Втулочный механизм запирания литьевой машины
Принцип действия этого механизма такой же, как и у предыдущего, разница лишь в том, что материал, продвинувшись через червяк 9 проходит через отверстие, образованное втулкой 7 и торпедой 6. Втулка 7 подвижна. Когда материала станет достаточно много, он начинает отодвигать втулку 7 влево, прижимая ее к втулке 8 и одновременно закрывая отверстие для прохода полимера.
Экструзия – это непрерывное выдавливание расплава термопласта для формования. Способом червячной экструзии получают трубы, пленки, листы различного профиля, накладывают изоляцию на провода., получают выдувные изделия, гранулируют термопласты. Основным агрегатом во всех технологических линиях является червячный пресс. Основной характеристикой червячного пресса является его диаметр; длина червяка принимается в зависимости от диаметра и составляет 20-25d. По длине червяк условно разделяется на три зоны: зона загрузки, плавления, дозирования. В первой зоне материал предварительно нагревается и частично проплавляется; во второй – материал находится в виде расплава, гранул и суспензии. Соответственно и геометрия червяка от зоны к зоне претерпевает конструктивные изменения. Шаг нарезки остается постоянным, а объем межвиткового пространства уменьшается от первой к третьей зоне (ориентировочно в 2 раза). Чтобы материал продвигался вдоль оси червяка, а не вращался вместе с ним, необходимо, чтобы коэффициент трения между материалом и цилиндром был выше, чем между материалом и червяком. Это достигается за счет нагрева материального цилиндра и охлаждения червяка. Охлаждение червяка осуществляется за счет подвода охлаждающей жидкости во внутрь червяка через барбатер. Материальный цилиндр обогревается при помощи омических обогревателей. Так как при переработке в результате трения материала выделяется дополнительное тепло, в конструкции материального цилиндра предусмотрено охлаждение. Снаружи по всей длине наносят проточку, в которую закладываются медные трубки, по которым в случае необходимости пропускают холодную воду. На рисунке 17 представлена экструзионная машина.
Рисунок 17. Экструзионная машина
Привод червячных прессов осуществляется от постоянного тока, что позволяет плавно изменить число оборотов червяка.
Материал поступает в бункер, откуда самотеком подается в материальный цилиндр, в котором находится шнек. Привод червяка осуществляется через редуктор от ЭД. Загрузочная воронка охлаждается кольцом охлаждения. Материальный цилиндр гильзуется, ставится несколько гильз, которые легче изготовить с необходимой точностью, нежели сам цилиндр. При выходе из строя одной из гильз ее можно заменить.
Изобразим на риснке 18 цилиндр экструзионной машины.
Рисунок 18. Материальный цилиндр экструзионной машины
2 – материальный цилиндр; 3 – бункер; 4 – охлаждающие кольца; 5 – нагревательный элемент; 6 – термопара; 7 – решетка; 9 – гильза.
Изобразим червяк экструзионной машины на рисунке 19.
Рисунок 19. Червяк экструзионной машины
Червяк полируется; внутри него предусмотрена система охлаждения типа «труба в трубе». В червяке на хвостовой части есть обратная нарезка во избежание утечки материала.
Метод раздувного формования основан на том, что выдаваемая цилиндрическая заготовка из полимера замыкается между двумя полуформами, и затем во внутрь заготовки подается сжатый воздух. Эластичная заготовка раздувается, прижимаясь к стенкам оформляющих полостей, переходит в твердое агрегатное состояние; форма раскрывается и изделие извлекается. Механизм замыкания-размыкания формы гидравлического типа. Строение машины для раздувного формования представлено на рисунке 20, 21.
Рисунок 20. Строение машины для раздувного формования
1 – гидроцилиндр; 2 – подвижные плиты; 3 – полуформы; 4 – направляющие колонны; 5 – неподвижные плиты; 6 – шток; 7 – возвратный цилиндр.
Рисунок 21 Установка экструзионно-выдувного формования
Расплав из экструдера 1 поступает трубную головку 2, из которой выдавливается в виде рукава 3 в раскрытую форму 4. Рукавная заготовка выдавливается определенной длины. После этого полуформы смыкаются. Один конец заготовки отжимается на дорне, а другой сваривается пресскантом формы. После этого заготовку раздувают сжатым воздухом через канал 5 в дорне (либо через ниппель, или иглу). Изделие охлаждается в форме. После чего форма размыкается, и изделие удаляется при помощи сжатого воздуха или вручную.
В случае экструзии пленка выдавливается через профилирующую кольцевую или щелевую головку и раздувается сжатым воздухом и растягивается механическим способом. Направление экструзии рукава вверх наиболее распространен, поскольку не требует установки экструдера и приемно-намоточных устройств на разных уровнях здания или подъема экструдеров на специальные площадки и не вызывает произвольной вытечки материала, выдавливаемого непосредственно из головки.
Экструзионная установка для производства рукавной пленки представлена на рисунке 22.
Экструзионная установка для производства рукавной пленки состоит из червячного экструдера 1; установленной на тележке угловой кольцевой головки 2; обдувочного охлаждающего кольца 3 с вентилятором 11; наклонных плит 5; тянущих валков 6; системы промежуточных роликов 7, смонтированных на металлоконструкции 8, а также приемно-намоточного устройства 9.
Через отверстие в форме подается воздух под небольшим избыточным давлением. Выдавливаемый через кольцевую щель головки рукав раздувается до необходимого размера. В верхней части рукав 4 складывается наклонными плитами и плотно зажимается тянущими валками 6. Пленка в виде двойной плоской ленты наматывается на барабан 10, или каждое полотно наматывается на отдельный барабан. После раздувания рукава до необходимого диаметра подачу воздуха прекращают и толщину пленки окончательно регулируют изменением степени продольной вытяжки.
Рисунок 22. Экструзионная установка для производства рукавной пленки
Поскольку в замкнутом объеме сохраняется постоянное количество воздуха, обеспечиваются стабильные размеры раздуваемого рукава (диаметр и толщина стенки). Рукав по выходе из кольцевой головки охлаждается снаружи воздухом, нагнетаемым вентилятором 11 в охлаждающее кольцо 3.
Производство труб методом экструзии.
На базе червячного пресса разработаны процессы производства труб. С червячного пресса подготовленный расплав полимера идет в формующую головку, оформляется в полуфабрикат, похожий на изделие. Полуфабрикат поступает в калибрующее устройство, где приобретает форму заданного изделия с нужным наружным диаметром (определяется ГОСТ-ом), а толщина стенки трубы определяет ее серию, т.е. какое удельное давление жидкости можно транспортировать по внутренней полости этой трубы. ГОСТ-ом определены легкая, среднелегкая, средняя, среднетяжелая и тяжелая серии. Для легкой серии давление жидкости 2,5 атм, для тяжелой – 10 атм. Калибровочное устройство создает каркас затвердевшего полимера на наружной поверхности трубы, таким образом, что ее форма сохраняется до окончательного охлаждения материала по всему сечению в ваннах охлаждения. Количество шестиметровых ванн охлаждения выбирается в зависимости от толщины изготовляемого изделия. После ванны охлаждения, когда изделие приняло окончательную форму труба попадает в тянущее устройство, которое оттягивает всю плеть от головки до тянущего устройства (рисунок 24) и дальше до отрезного или намоточного устройства. На рисунке 23 представлена схема производства труб
Рисунок 23. Схема производства труб
Агрегат для изготовления труб 9 состоит из экструдера 3 прямоточной трубной головки 4, калибрующей насадки 5, охлаждающей ванны 6, маркирующего приспособления 7,тянущего устройства 8,отрезного устройства 10, бункера для подсушки и подогрева гранул 2, пневмозагрузчик 1. После него трубы с диаметром 50мм наматываются в бухты, а толстые трубы режутся циркулярной пилой .
Рисунок 24. Тянущее гусеничное устройство
Калибрующие устройства.
Калибровка осуществляется по наружному диаметру труб. Калибровочные устройства представлены на рисунке 25.
Рисунок 25. а) калибрующее устройство; б) калибровка сжатым воздухом
Рисунок 25 а) Труба протягивается через охлаждающую втулку к внутренней поверхности головки, к которой заготовка прижимается атмосферным давлением.
Рисунок 25 б) В трубку подается сжатый воздух. Через дорн этот воздух прижимает трубу к поверхности втулки, внутреннюю поверхность которой хромируют и полируют. Давление в трубе поддерживается благодаря резиновой скользящей пробке, которая крепится к дорну тросом головки.
С червячного пресса подготовленный расплав полимера идет в формующую головку, оформляется в полуфабрикат, похожий на изделие. Полуфабрикат поступает в калибрующее устройство, где приобретает форму заданного изделия с нужным наружным диаметром (определяется ГОСТом), а толщина стенки трубы определяет ее серию, т.е. какое удельное давление жидкости либо газа можно транспортировать по внутренней полости этой трубы. ГОСТом определены легкая, среднелегкая, средняя, среднетяжелая и тяжелая серии. Для легкой серии давление жидкости 2,5 атм, для тяжелой – 10 атм. Калибровочное устройство создает каркас затвердевшего полимера на наружной поверхности трубы, таким образом, что ее форма сохраняется до окончательного охлаждения материала по всему сечению в ваннах охлаждения. Количество шестиметровых ванн охлаждения выбирается в зависимости от толщины изготовляемого изделия. После ванны охлаждения, когда изделие приняло окончательную форму труба попадает в тянущее устройство, которое оттягивает всю плеть от головки до тянущего устройства и дальше до отрезного или намоточного устройства.
Оборудование и технология для производства полых изделий из пластмасс методом ротационного формования.
Под полыми пластмассовыми изделиями понимаются пустые изнутри емкости, разной формы и размера, предназначенные для заполнения жидким или твердым содержимым, для использования пустыми или предусматривающие последующую обработку.
В качестве примера: резервуар емкостью 500 л, корзинка для мусора, колонна, статуя.
В зависимости от технических и экономических соображений эти изделия могут производиться посредством выдувания, инжекции, термоформования, а также ротационного формования (спекания).
1. Описание технологического процесса.
Принцип процесса заключается в помещении порошкообразного термопластичного материала, например, полиэтилена, в полую форму. Эта форма нагревается снаружи до 300ОС (для получения внутри формы температуры в 150ОС) и вращается по горизонтальной и вертикальной осям.
Во время этого вращения по двум осям порошок равномерно распределяется по внутренней поверхности формы, плотно прилегая к ее стенкам и растекаясь по ним, образуя, таким образом, особую пленку, увеличивающуюся по толщине по мере набирания нового порошка.
После охлаждения формы внутри нее образуется полая пластиковая цельная оболочка, полностью повторяющая форму и тип внутренней поверхности формы.
На рынке существует много различных машин для работы по этой технологии, и, если мы остановимся на установке с вращающимся агрегатом с тремя рычагами-держателями форм, то стадии обработки будут следующими:
1.1. Загрузка сырья в формы.
Обычно речь идет о порошкообразном полиэтилене, гранулометрия которого равна 400-500 мкм.
После предварительного дозирования нужного количества/веса в соответствии с толщиной стенок будущего изделия сырье засыпается в формы вручную или автоматически.
ПВХ-пластизоль, напротив, будучи вязкой жидкостью, заливается в форму из автоматическ
тического дозатора, снабженного пистолетом.
1.2. Помещение в форму предварительно заданной дозы порошка полиэтилена.
Форма обычно состоит из двух половинок или, в любом случае, является разъемной и состоит их двух или более элементов для облегчения выемки готового изделия.
После помещения порошка в форму две ее половинки (или несколько элементов, составляющих форму) скрепляются между собой карабинами или специальными крепежными крюками.
1.3. Закрытая и установленная на рычаг форма (на один рычаг можно устанавливать несколько форм) приводится во вращение вокруг двух взаимоперпендикулярных осей, горизонтальной и вертикальной, чтобы дать возможность порошку покрыть всю внутреннюю поверхность формы. Вращаясь таким образом, форма перемещается внутрь печи нагрева.
1.4.печь нагрева представляет собой закрытую камеру, в которую нагнетается горячий воздух для нагрева наружной поверхности формы до 300ОС для обеспечения полимеризации находящегося в ней порошка, постоянно набрасываемого на стенки при вращении формы. Горячий воздух создается за счет генератора, работающего от газовой горелки на природном газе или газойле.
1.5. По окончании цикла нагрева карусель перемещается, устанавливая тем самым форму в камеру охлаждения, где принудительно подаваемый холодный воздух и, если надо, распыленная вода, доводят температуру формы и ее содержимого примерно до 40-50ОС
1.6. После еще одного перемещения карусели форма или группа форм оказывается перед оператором, который открывает форму вынимает изделие вручную или при помощи электрической тали, что зависит от веса формы и готового изделия.
1.7. Для производства некоторых изделий, как, например, кукольных головок, кранцев для судов, игрушек из мягкого пластика, клизм и прочих изделий используется жидкая масса, называемая «ПВХ-пластизоль», требующая более низкой температуры для спекания, что позволяет использовать для нагрева печи электрические нагреватели вместо метана или газойля, необходимых для более крупных установок.
И в этом случае жидкий материал растекается по внутренним стенкам формы, полностью ее покрывая, а после спекания и охлаждения превращается в мягкую обволакивающую пленку толщиной 0,4-2 мм.
1.8. Выемка из формы изделий, как мягких, так и жестких, не представляет сложности, т.к. во время охлаждения происходит усадка материала, за счет которой изделие отходит от стенок.
Для некоторых изделий сложной формы и для всех изделий из порошкообразного полиэтилена перед загрузкой порошка в форму рекомендуется набрызгивание на внутреннюю поверхность формы особого отделяющего состава.
При открывании формы изделия больше не подвергаются остаточной деформации и могут считаться нормализованными.
2. Преимущества и недостатки метода.
2.1. Эта технология имеет некоторые отрицательные стороны:
медленный производственный цикл, который при производстве изделий средней величины продолжается 10-20 минут;
трудно поддерживать узкие размерные допуски;
трудно получать большие плоские поверхности;
вариации по толщине +/- 10%;
стоимость исходного сырья выше стоимости гранул, используемых при инжекции/выдувании;
метод не годится для производства крупного серийного производства изделий, превышающего 100000 штук;
не все смолы годятся в качестве сырья.
2.2. Однако, по сравнению с методом выдувания/инжекции есть многочисленные преимущества:
во время одного производственного цикла на один и тот же рычаг можно устанавливать формы для производства одинаковых или разных деталей;
это единственная технология позволяющая выпускать следующее:
изделия сложной формы, с любыми выемками и сложными контурами, поскольку форма состоит только из матрицы, без пуансона, и изделие выходит из нее без особых трудностей;
изделия особо крупных размеров, объемом свыше 20000 л (естественно, на машинах соответствующей величины).
стоимость форм, не подвергающихся внутреннему или наружному давлению, намного ниже, порядка 1:5, по сравнению с пресс-формами для инжекции/выдувания;
необходимы капиталовложения для закупки машин и форм невысоки: практически за 400000-500000$ США можно приобрести работающую линию с 2-3 формами;
установка прекрасно подходит для производства небольших по количеству, но разнообразных по ассортименту партий изделий, для образцов, сериями 100-1000 штук;
отходы производства незначительны или просто сведены к нулю;
во время одного и того же цикла можно производить изделия разного цвета;
стенки изделий могут быть двойными со внутренней рубашкой;
стенки изделий могут быть однослойными и многослойными;
внутрь изделия можно вводить пластмассовые вкладыши или резьбовые шаблоны;
толщина стенок может быть увеличена или уменьшена без изменения самой формы – достаточно увеличить или уменьшить дозу порошка;
толщина стенок является постоянной даже в критических точках: углах, вогнутых ребрах, вогнутых углах и пр.;
любой пользователь может сам сделать себе форму из металлического листа, придать ей нужную форму и сварить ее.