Plasttilvirkning og pulverteknologi 8200356116 [PDF]

Zitiervorschau

Tilvirkningsteknologi

Rolf Garbo Comeliussen

Plasttilvirkning og pulverteknologi

l Nasjonalbiblioteket Depotbibhoteket

0?

Rrøcl f°R

Universitetsforlaget bi3UoTS;ET Oslo - Bergen - Stavanger - Tromsø

© Universitetsforlaget 1984 ISBN 82-00-35611-6

Det må ikke kopieres fra denne boka ut over det som er tillatt etter bestemmelsene i «Lov om opphavsrett til åndsverk», «Lov om rett til fotografi» og «Avtale mellom staten og rettighetshavernes organisasjoner om kopiering av opphavsrettslig beskyttet verk i undervisningsvirksomhet». Brudd på disse bestemmelsene vil bli anmeldt.

Omslag: Pål Haugs Trykk: Nye Intertrykk as 1984

Forord Denne boken er et opptrykk av de to første kapitlene, Plasttilvirkningsteknologi og Pulverteknologi, i Mekanisk teknologi 2. Det tredje kapit­ let i Mekanisk teknologi 2 er revidert og utgitt i en egen bok, Tilvirkningsteknologi. Støperiteknikk, 1983.

Oslo, januar 1984 Universitetsforlaget

INNHOLD Tilvirkningsteknologi for plastprodukter Presstøping .................................................. Transpresstøping ....................................... Sprøytestøping ........................................... Ekstrudering ............................................... Statisk støping, fristøping og rotasjonsstøping .......................................................... 1.6 Skumplast .................................................... 1.6.1 Skumplasttyper ....................................... 1.6.2 Fremstilling og egenskaper for forskjel­ lige skumplaster ............... 22 1.7 Laminering ................................................... 1.7.1 Armert plast ........................................... 1.7.2 Glassfiberarmert plast ........................... 1.8 Spinning av fibre ...................................... 1.9 Blåsing .......................................................... 1.9.1 Blåsemetoder ........................................... 1.10 Vakuumforming. Termoforming ............. 1.11 Sintring ........................................................ 1.12 Kalandrering ............................................... 1.13 Metallisering av plast ............................... 1.13.1 Strømløs metallisering ........................... 1.13.2 Galvanisk metallisering ......................... 1.14 Sponfraskillende metoder ......................... 1.15 Sveising av plast ....................................... 1.16 Prøving av plast. Fremstillingsnøyaktighet

1. 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

2. 2.1 2.1.1 2.1.2 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4

2.2.5 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.4 2.4.1 2.4.2

Pulverteknologi Hva er pulverteknologi ........................... Historikk .................................................. Hensikt og fordeler ved pulverteknologien .............................................. Tilvirkningsteknologi ................................. Pulverfremstilling ................................... Pressing av pulver ............................... Sintringsprosessen ................................. Kalibrering og annen bearbeiding av det sintrede materiale ........................... Varmpressing .......................................... Materialegenskaper ....................................... Tetthet .................................................... Strekkfasthet og forlengelse ............... Dempning ............................................... Slitasjestyrke ........................................... Hardhet .................................................... Etterbehandling ........................................... Herding .................................................... Dampbehandling av sinterstål .............

10 12 13 15 20 20 20

2.4.3 2.4.4 2.4.5 2.4.6 2.4.7 3.5 2.6 2.6.1 2.6.1.1

25 27 28 31 31 32 32 36 38 38 39 39 40 40 41

42 43

43 44 44 45 47 49 50 50 50 50 50 51 51 51 51 51

2.6.1.2

2.6.1.3

2.6.1.4 2.6.2

2.6.2.1

2.6.2.2 2.6.2.3 2.7

Impregnering ........................................... Infiltrasjon .............................................. Galvanisk overflatebehandling ............. Sveising .................................................... Lodding ................................................... Retningslinjer for konstruktiv utforming av sinterdetaljer .......................................... Anvendelse av pulverteknologi ............... Produkter som kun kan fremstilles pulvermetallurgisk .................................. Det er bare pulverteknologien som gjør fremstillingen av produkter av metaller med meget høyt smeltepunkt mulig . . I pulvermetallurgiske produkter behol­ der de inngående bestanddelene sine opprinnelige egenskaper ....................... Produktet skal ha en struktur som ikke kan oppnås ved andre metoder .......... Komponenter som inngår i produktet, kan ikke lagres på vanlig måte .......... Produkter som kan fremstilles ved kon­ vensjonelle metoder, men som med for­ del fremstilles pulvermetallurgisk .... Bearbeidingen blir kostbar på grunn av komplisert produktform og trange tole­ ransegrenser (Masseproduksjon av smådeler) ........................................................ Sintermagneter ......................................... Høy reinhetsgrad forlanges .................... Klassifisering av sinterprodukter ..........

Stikkordregister ...........................................................

51 51 52 52 52

52 53 54

54

55 57 60

60

60 61 61 62 63

Formgivingen av plastråmaterialer til ferdige formprodukter, samt overflatebehandling av plastprodukter kan skje etter mange for­ skjellige prosesser. I det etterfølgende er det gitt en kort oversikt over de mest kjente metodene.

1. Tilvirkningsteknologi for plastprodukter 1.1

Presstøping

1.2

Transpresstøping

1.3

Sprøytestøping

1 .4

Ekstrudering

1.5

Statisk støping, fristøping

og rotasjonsstøping

1.6

Skumplast

1.7

Laminering

1.8

Spinning av fibre

1 .9

Blåsing

1 .1 0 Vakuumforming. Termoforming 1.11 Sintring

1.12 Kalandrering 1.13 Metallisering av plast 1.14 Sponfraskillende metoder

1.15 Sveising av plast 1.16 Prøving av plast. Fremstillingsnøyaktighet

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16.

Presstøping Transpresstøping Sprøytestøping Ekstrudering Statisk støping og rotasjonsstøping Skumplastfremstilling Laminering Spinning av fibre Blåsing Vakuumforming. Termoforming Sintring Kalandrering og valsing Metallisering Sponfraskillende metoder Sveising av plast Prøving av plast

Råstoffene leveres som regel i form av pulver, granulert, eller i tablettform. Det meste av råstoffene kommer fra utlandet, men det er også en del innenlandsk produk­ sjon. Hvilken tilvirkningsmetode som skal benyt­ tes, avhenger av om plastmaterialet er varmemyknende eller varmeherdnende. Varmemyknende plast vil ved oppvarming mykne, mens varmeherdnende plast ved oppvarming be­ holder sin hardhet, og vil etter hvert bli sprø og til slutt forkulle. Årsaken kan føres tilbake til den kjemiske struktur. Varmemyknende plast består av lange kjedemolekyler som ved oppvarming kan bevege seg i forhold til hver­ andre, mens varmeherdnende plast består av kjempemolekyler som har knyttet seg sammen i alle retninger til et innfiltret stivt nettverk. Termoplaststoffene stivner i formen på grunn av avkjøling. Varmeherdnende stoffer (duroplast) stivner i formen på grunn av en kjemisk reaksjon som følge av varmen. 9

PLASTTILVIRKNINGSTEKNOLOGI, pulverteknologi og støperiteknikk

1.1

hydrauliske presser med et lukningstrykk på opp til flere hundre tonn, ved små ytelser og lave trykk fins også håndbetjente mekaniske, eventuelt motordrevne presser. Pressformene er for ikke underskårne deler vanligvis todelte hvor formoverdel er fast forbundet med trykkstempelet, og formunderdel festet til pressbordet. For kompliserte gjenstander (underskårne) er formene opp­ delt i flere deler, og utstyrt med f. eks. delvis løst innsatte kjerner. Disse forlater formen sammen med gjenstanden, og fjernes deretter fra denne. Den mest hensiktsmessige presstemperatur avhenger av press-stoffet, og for fenoplastene ligger den mellom 150-180 °C, for melaminplastene mellom 140-165 °C, og for

Presstøping

(eng.: Compression moulding, tysk: Formpressen)

Presstøping er en prosess for forming av plast mest for herdeplast (eng.: thermosetting plastic, tysk: Duroplast). Formgivingen skjer i oppvarmede stålformer, vist skjematisk på fig. 1.1. Formene er av stål, f. eks. kromlegert stål med minimum 0,85-13,5 % Cr. Stålet kan også inneholde andre legeringselementer som 1,5-4 % Ni, 0,2-0,9 % Mo, 0,15-0,45 % V og 0,5-1,2 % Wo. Formene er herdet, og ofte innvendig forkrommet. Ved store ytelser og trykk festes formene i

Fyllestilling, åpen form

Pressing, lukket form b.

Fig. 1.1 Presstøping av herdeplast.

10

TILVIRKNINGSTEKNOLOGI FOR PLASTPRODUKTER

a- I ovn

b. Ved høyfrekvens

Fig. 1.2 Isotermer i pulvertablett ved forskjellig oppvarmingssystem.

karbamidplastene mellom 135-150 °C. Nød­ vendig presstrykk avhenger blant annet av pressmassen og formen på den gjenstanden som skal støpes. Formene oppvarmes elek­ trisk, og man regner med at det medgår 20-30 W pr. kg. formvekt. I oppstartingsperioden mer. Når formen lukkes, får vi først en forpressing under høyt trykk. Varmen fra formen setter nå den kjemiske prosess i gang, plastmassen blir plastisk, og begynner å flyte ut i formen. Ved den kjemiske reaksjon dannes kondensat, som, dersom det ikke kan unnvike, gir blærer i produktet. Formen åpnes derfor litt så kondensatet slipper ut, og deretter lukkes formen helt, og trykket økes til det når plastmassens spesifikke trykkbehov. Presstiden avhenger av presstemperatur og veggtykkelse på de gjenstander som skal fremstilles (presses). Etter hvert presstøp må formens overflate gjøres ordentlig rein med trykkluft. For at produktene lettere skal slippe formen, blir formoverflaten av og til strøket over med formvoks eller en silikonemulsjon. Presstiden er sammensatt av tid for fylling av formen, lukking av formen, plastifiseringsog herdetid, åpning av formen, uttaking av formen og reingjøring av formen. Herdetiden er den lengste av disse enkeltfaser, og repetisjonshastigheten (antall produkter pr. tidsenhet) er derfor i høy grad avhengig av herdetiden. En forvarming av pressmassen er derfor en

fordel. Ved en forvarming oppnås dessuten at massen flyter lettere (lavere formingstrykk), og pressformen blir skånet. Forvarmingen kan skje på varmeplater eller i varmeskap, og temperaturen varierer fra 60-90 °C, varigheten avhenger av materialet, eventuelt tablettstørrelsen. I den seinere tid er de fleste gått over til oppvarming ved høyfre­ kvens, den såkalte dielektriske oppvarmingsmetode. Denne metode har vist seg å være meget bra, idet den forbedrer plastmassens egenskaper (bedre flyteevne), forkorter fremstilhngstiden og gir en penere overflate på de ferdige gjenstander. Den reduserer presskraften med 30 % og herdetiden med 20-30 %. Ved dielektrisk oppvarming blir pulveret gjennomvarmet på få sekunder, i motsetning til den vanlige oppvarming, som skjer ved ledning fra overflaten og innover i massen. (Ved dielektrisk oppvarming anbringes den massen som skal varmes opp, mellom to kondensatorplater.) Plastmassen kan være i form av pulver eller i tablettform. Fig. 1.2 viser isotermer i en tablett som er a) oppvarmet i varmeskap ved 65 °C i 30 minutter, og b) oppvarmet ved høyfrekvens (dielektrisk oppvarming) i løpet av 40 sekunder. Som det fremgår, er overflatetemperaturen etter oppvarming i begge tilfelle den samme. Ved vanlig oppvarming avtar temperaturen innover i tabletten, ved dielektrisk tiltar den. Når tabletten som er oppvarmet dielektrisk 11

PLASTTILVIRKNINGSTEKNOLOGI, PULVERTEKNOLOGI OG STOPERITEKNIKK

kommer ned i en oppvarmet form som holder 130-180 °C, vil yttersjiktet bli raskt opp­ varmet, og pressingen tar til med en tablett med jevn temperatur i hele massen.

1.2 Transpresstøping (eng.: transfer moulding, tysk: Spritzpressen eller Transferpressen) For å korte ned arbeidssyklusen, og utnytte maskinen bedre, kan forplastifiseringen foregå i et rom utenfor (over, under eller på siden av) selve formen, mens sluttherdingen foregår i formen. Når et produkt forlater formen, lukkes denne, og fra forkammeret presses nå den forplastifiserte massen inn i selve formen, hvor den ferdigherder, mens forkammeret doseres igjen. Prosessen er vist i fig. 1.3. Fordelene ved transpresstøping sammenlig­ net med vanlig presstøping er blant annet en mer intensiv oppvarming av pressmassen ved varmeledning i fyllrommet og ved frik­ sjon i sprøytekanalen, en bedre avgassing av formen ved den suksessive inntrengning av plastmassen, og en bedre fiksering av inn-

Fig. 1.3 Transpresstøping. a) Verktøymellomdel i formoverdel. b) Verktøyunderdel i formunderdel. c) Fyllrom i sprøytesylinder. d) Formrommet. e) Verktøyoverdel, sprøytestempel. f) Formkanal med formport.

12

leggsdelen fordi trykket i selve formrommet er lavt. Ulempene er et noe høyere pressmasseforbruk på grunn av dødrom i innsprøytningssystemet og en noe lavere mekanisk styrke av pressdelene fordi vi får en orientering av fyllstoffdelene loddrett på strømningsretningen. Transpresstøpingen foretrekkes ved mindre til middels store kompliserte deler. Store, tynnveggede, flate deler blir fortrinnsvis presstøpt. Den stadig voksende lønnsandel ved frem­ stillingen av presstøpte og transpresstøpte produkter (herdeplast) gjorde det nødvendig å automatisere prosessen. Dette har lenge vært tilfelle ved fremstillingsprosesser for termoplastiske produkter. I dag fins det på markedet en rekke valg­ muligheter fra rene pressautomater til for­ skjellige typer mekaniseringsutstyr for fylling av formene, fjerning,av produktene fra formen og vekktransport. Fig. 1.4 viser forenklet systemet for fremstilling av herdeplastartikler i en automatmaskin. En slik automat sikrer en diskontinuerlig arbeidsprosess med en repetisjon av de enkelte faser i en regelmessig arbeidssyklus, dvs. fylling, lukking av formen, herding under trykk, åpning av formen, ut­ kast av produkt og reingjøring av formen. Auto­ matikken kan innstilles slik at de enkelte arbeidsoperasjoner kan tilpasses produktet hva angår fyllingsmengde, herdetemperatur og herdetid. For å få en riktig herding må herdetemperaturen ikke variere mer enn ± 2 °C. Fig. 1.5 viser eksteriøret av en pressautomat for fremstilling av herdeplastartikler. Pro­ sessen var skjematisk vist i fig. 1.4. Ved for­ skyvning av den øvre formhalvdel kan doser­ ingen kombineres med utkasting av den ferdige del, dermed kan man oppnå en kortere tomgangstid. I den seinere tid er det på markedet kommet sprøytestøpemaskiner for duroplast etter sam­ me prinsipp som for termoplast, og disse maskiner er beskrevet i neste avsnitt.

TILVIRKNINGSTEKNOLOGI FOR PLASTPRODUKTER

Pressing

Dossering og utkast

Fylling

Fig. 1.4 Fremstilling av herdeplastartikler i automatmaskin.

1.3 Sprøytestøping (eng.: injection moulding, tysk: Spritzgiessen)

Når plastmaterialene er termoplastiske (varmemyknende), er sprøytestøping den mest frem­ tredende tilvirkningsmåte. I motsetning til herdeplast som presses i varme former, sprøytestøpes termoplastiske materialer inn i kalde former. Fig. 1.6 viser prinsippet ved sprøytestøping med stempel. En viss mengde plastråstoff fylles i sylinderen. Stempelet be­ veges mot venstre, og lukker for plasttilførsel.

Fig. 1.6 Prinsippet for sprøytestøping.

13

PLASTTILVIRKNINGSTEKNOLOGI, PULVERTEKNOLOGI OG STØPERITEKNIKK

Fig. 1.7 Innløpsuttrekker.

Ved videre bevegelse økes trykket, massen skyves framover i oppvarmingssonen, pas­ serer rundt torpedoen, og sprøytes ut gjen­ nom dysen og inn i formen. Torpedoens oppgave er å fordele plastmassen til et for­ holdsvis tynt skall mot sylinderveggen for å få mest mulig homogen temperatur i massen. Fra dysen passerer den flytende plastmassen et konisk innløp, formromkanalen (løpsystem), og gjennom et fint hull, kalt porten, strømmer plasten inn i formrommet. Begge formhalvdelene flytter seg nå et lite stykke fra dyseåpningen. Etter en kort holdtid (kjøleperiode) åpnes formen ved at den ene formhalvdelen med utstøtersystemet fjernes ytterligere (mot venstre på figuren). Produktet med løpsystem følger med fordi denne formhalvdel er utstyrt med en innløpsuttrekker, detaljen er vist på fig. 1.7. Utstøterpinner fjerner nå produktet fra formen. Formhalvdelene lukkes, og presses mot dysen, og en ny arbeidssyklus kan starte. Formene er innvendig forkrommet og høy­ glanspolert. Produktenes overflate får derfor også en høyglanseffekt. På grunn av det nålfine innløp, porten, fjernes løpsystemet lettvint, og etterarbeid er vanligvis ikke nødvendig. Som for presstøping er en nøyaktig tempera­ tur på plastmassen og formen av stor be­ tydning for produktkvaliteten. Er tempera­ turen for lav, kan det bli vanskelig å få fylt formen ordentlig, og godset får dårligere fasthetsegenskaper. Er temperaturen for høy, kan det skje en termisk nedbryting av plasten,

14

og den kan også klebe til formveggene; derved blir overflaten dårlig. Fremstilling av formene tar lang tid, og er presisjonsarbeid. Formene blir kostbare, og det vil derfor ikke lønne seg ved plastproduksjon i mindre serier. Det er ved større produkter (stort innsprøytningsvolum) nød­ vendig med svære kompakte maskiner med et formlukketrykk på opptil 5000 tonn. Lukk­ ingen skjer etter kneleddsystemet eller ved fullhydraulikk. Investeringsomkostningene kan ble meget høye, og betinger derfor store seriestørrelser. For å bedre de økonomiske forhold ved prosessen har utviklingstendensen gått i retning av større repetisjonshastighet. Dette har ført til at man har gått over til en forplastifisering av massen. Før 1955 var stempelsprøytestøpemaskinene enerådende, siden har stempelsnekke-plastifiseringsmaskinene overtatt i stor utstrekning. Fig. 1.8 viser forskjellige former for forplastifiseringsmetoder. I forhold til stempelsprøytestøpemaskiner

Fig. 1.8 Forskjellige forplastifiseringsmetoder. Øverst: Transferstempel — plastifisering. I midten: Transfersnekke — plastifisering. Nederst: Snekkestempel — plastifisering.

TILVIRKNINGSTEKNOLOGI FOR PLASTPRODUKTER

Herdeplastsprøytestøping

I forrige avsnitt var nevnt at herdeplast også lot seg sprøytestøpe. Mot den vanlige pressstøpeprosess har den følgende fordeler:

a) Kortere utherdetid på grunn av en kontinuerlig kondensasjonsprosess i snekkesylinderen. b) Utmerket overflate på grunn av den intensivere forkondensasjon. c) Bedre målnøyaktighet.

1.4

Ekstrudering

(eng.: extrusion, tysk: Extrudieren)

Fig. 1.9 Sprøytestøping med snekkedrift. 1) Snekken drives framover av et hydraulisk stempel og trykker som et stempel den plastiske massen sammen. 2) Formen er sprøytet ferdig, massen størkner i formen under trykk og ved av­ kjøling. 3) Snekken drives og plastifiserer plastmassen og stuker den opp foran snekkespissen samtidig som det ferdige produkt fjernes fra formen. a) Fylletrakt. b) Drivmotor for snekke, c) Snekkestilling ved innsprøyting 1) ved etter­ trykk 2) ved ferdig plastifisering 3). d) Elek­ trisk oppvarming (hetespiral bandasje), e) Innsprøytingsdyse. f) Formhalvdeler. g) Hydraulikkstempel. h) Manometer.

viser sprøytestøpeautomater med snekkesylinder en øking av plastifiseringsytelsen på over 100 %. Dette gjelder særlig for høyviskose plaster som polystyren, polymetakrylat, polyamider, polyvinylkarbasol og hard PVC. Med basis i samme innsprøytningsytelse ligger skuddvekten 50-80 % høyere (ved hard PVC over 100 % høyere). For at alle arbeidsparametre skal kunne repeteres, kan prosessen styres gjennom et EDB-anlegg. Fig. 1.9 viser arbeidsoperasjonsrekkefølgen ved en enkeltsnekke-sprøytestøpemaskin med snekkestempel-plastifisering.

En ekstruder er en maskin hvis hovedele­ menter er sylinder, snekkeskrue og hode med dyse, og den er beregnet for kontinuerlig forming av profiler, stenger, rør, slanger, band, folier, belegging, isolasjon av kabler, blåsing av hullegemer, flasker, kanner, fat, beholdere, rorfittings etc., og en rekke andre produkter. Fig. 1.10 viser forskjellige maskinanlegg, og fig. 1.11 viser hoveddelene i en ekstruder (for vertikalekstrudering av folier). Ekstruderingsmetoden gir et produktspektrum langt større enn noen annen tilvirkningsprosess for plastartikler, og arbeider meget økonomisk. Det økonomiske utbytte basert på investeringsomkostninger pr. kg ferdigprodukt (pro­ duksjonskapasitet) pr. time, bedres ved øking av maskinstørrelsen. Mens utviklingen i 1950årene var basert på teoretisk-matematisk forsk­ ning, er den i dag basert på eksperimentellvitenskapelig forskning. Fordringene har vært høyere gjennomgangsytelse og en bedre ekstrudat kvalitet. En større plastmassegjennomgang krever større varmetilførsel. Man må ha full kontroll med energiomsetningen i ekstruderen. I fremtiden vil en elektronisk styring av alle arbeidsparametre gjennom EDB bli vanlig. 15

PLASTTILVIRKNINGSTEKNOLOGI, PULVERTEKNOLOGI OG STØPERITEKNIKK

d) Plater.

a) Rør, slanger, stenger og profiler.

b) Sjiktbelegging.

e) Trådmantlingsanlegg.

c) Flakfolier.

f) Blåsefolier.

Fig. 1.10 Ekstruder — produktspektrum. Plast masse

TemperqtyM