Technologie zpracování plastů a kompozitů. Přednáška č. 3 Extruze plastů

Transkript

1 Technologie zpracování plastů a kompozitů Přednáška č. 3 Extruze plastů 1

2 Přednáška č. 3 Extruze plastů 3.1 Princip 3.2 Technologie extruze 3.3 Extrudované výrobky 3.6 Extruze ploché fólie 3.5 Extruze trubic a nafukované fólie 3.4 Extruze profilů 3.7 Fused-deposition-modelling FDM 3.8 Stav vědy a technologie 2

3 3.1.1 Definice extruze Mezinárodní norma ČSN EN ISO 472:2013, definice extrusion process whereby heated or unheated plastic forced through a shaping orifice becomes one continuously formed piece Tvarovací otvor matrice síla plast Průběžně tvořený tvar České synonymum extruze je vytlačování. 3

4 3.1.2 Historie extruze (en: extrusion) Vynálezce, který vynalezl hydraulický lis, vynalezl také vytlačování, když vytlačil tavenou měď a mosaz. Dnes je vytlačování relevantní pro materiály: hliník hořčík měď mosaz oceli uhlíkové oceli legované a nerezové olovo a cín titan zinek Joseph Bramah Extrudované profily z hliníku 4

5 3.1.3 Extruze plastů Jednoduchý vytlačovací stroj pro plasty nefunguje: Problém 1: Plast má nízkou tepelnou vodivost. Ve velké komoře se plast neroztaví (červené šípky). Problém 2: Mezera mezi pístem a válcem není dost těsná. Plastová tavenina vyteče (modré šípky). plast 5

6 3.1.4 Alternativní koncept šneku Šnek se točí ve válce. Tím čerpá v drážkách plastový granulát. komora= válec v šnek v 6

7 3.1.5 Princip extruze ( Extruze (vytlačování) probíhá tak, že za pomocí teploty a tlaku je původní materiál (např. plastový granulát) roztaven, za pomocí šneku a matrice je vytlačen (extrudován) do výsledného tvaru a v chladící vaně je ochlazen, poté osušen a nařezán na požadovanou délku. V současnosti se extrudují: potraviny, např. kukuřičné lupínky, křehký chleba, psí granule, křupky, plasty (např. polystyren, plexisklo), guma EPDM, kovy, keramika a různé jiné materiály. 7

8 3.2.1 Schéma vytlačovacího stroje (en: extruder) Vytlačovací stroj pro extruze plastů nepřetržitě roztavuje materiál v nahřívaném válce, čerpá materiál šnekem a tým zajišťuje homogenní průtok taveniny. násypka granulát komora= válec šnek pažba šneku zóna 1 zóna 2 zóna 3 8 8

9 Konstrukce šneků Konstrukce a výroba šneků Výroba šneků Weingärtner Maschinenbau GmbH 9

10 3.2.3 Princip roztavení plastu v extruderu Průřez drážkou šneku: netěsnost mezi šnekem a válcem Zateplený válec relativní pohyb šneku Tavenina plastu šnek neroztavený granulát plastu 10 10

11 3.2.4 Složky vytlačovacího stroje (extruderu) převodovka lůžka šneku násypka elektrické topení válce vytlačovací hlava motor chlazení válce 11

12 3.2.5 Vlastnosti vytlačovacích strojů (extruderů) Velká vytlačovací výkonnost úměrná otáčkám šneku, co nejmenší závislost na protitlaku Místně i časově rovnoměrný transport taveniny (bez pulsací) Homogenní promíchání polymeru se všemi přísadami Poskytnutí taveniny plastu bez molekulární orientace Vytlačení výrobku bez pórů, bublinek (z vlhkosti nebo degradace polymeru) 12

13 3.2.6 Zlepšený koncept rovnoměrného transportu materiálu Problém: konvenční extrudery nedocílí rovnoměrný transport (přenos) materiálu v případě, že protitlak (odpor) je vysoký, např. víc než 200 baru. V tom případě materiál neteče v drážce šneku vpřed, ale i zpátky směrem k násypce. Výkon se sníží, materiál zůstává déle v extrudru, a proto může degradovat. Řešení: extruder, který má nejen drážky ve šneku ale i ve válci. Drážky ve válci drží granulát pevně, brání je ho otáčení a tím vynucuji stabilní posun i proti 400 bar a víc odporu. pažba šneku granulát směr dopravy drážky ve vložce šnek vložka drážka chlazení vodou komora=válec 13

14 3.2.7 Běžné provedení funkce extruderu Axiální ložisko a dutý hřídel Regulace teploty typu PID Stejnosměrný motor Šnek tlačí Dutý hřídel EM Brno Tepelná bariéra Různé šneky Měření protitlaku Boco Pardubice Boco Pardubice 14

15 3.2.8 Hlava: část pro tvarování taveniny základní tvary deska válec profily desky folie předlisky trubky hadice okna těsnění stavební 15

16 3.2.9 Funkční schéma hlav typu ramínko Obdoba: viskozita el. odpor přítok taveniny distribuční kanál tzv. ostrov výstup desky folie předlisky 16

17 Funkční schéma hlav typu torpedo přítok taveniny torpedo dva držáky torpeda jednotlivý válec trubky předlisky výstup 17

18 Funkční schéma hlav typu závitnice raminko pět polovin ramínka jednotlivý válec přítoky taveniny závitnice trubky folie výstup 18

19 dvě přítoky taveniny Funkční schéma hlav typu válcované ramínko dvojitý válec výstup předlisky trubky hadice 19

20 3.3.1 Tvarování různých výrobků Materiál z hlavy je ještě tavený a nedrží svou formu. Je potřeba ho tvarovat a chladit. Existují tři postupy: Deskutaveniny protahovat a chladit tepelnou vodivosti a vzduchem: deska nebo ploché folie Válectaveniny nafukovat a chladit vzduchem: nafukované folie Profiltaveniny nasávat vakuu skrz kalibraci a chladit tepelnou vodivosti a vodou: profil 20

21 3.4.1 Extruze desky a ploché fólie násypka Postup: deskutaveniny protahovat a chladit na válci kaladeru a vzduchem hlava chladící válce s odtahem úprava povrchu řezací zařízení vytlačovacístroj = extruder vakuové transportní zařízení pro granulát Compuplast/Zlín 21

22 3.4.2 Vybrané výrobky ploché extruze fólie na ochranu displeje PET fólie na obal tablet a pilulek PVC průhledné desky PMMA nebo PC desky HDPE na svaření nádob 22

23 3.4.3 Normy pro extruzi desky a ploché fólie seznamcsn.unmz.cz ČSN IEC 674 Specifikace plastových fólií pro elektrotechnické účely (11 norem) ČSN EN ISO 7765 Plastové folie a tenké desky - Stanovení rázové houževnatosti metodou padajícího tlouku (2 normy) ČSN EN Specifikace pro rázově modifikované extrudované akrylátové desky pro vany pro sprchové kouty pro domácí použití (4 normy) ČSN EN Tepelněizolační výrobky pro budovy - Průmyslově vyráběné výrobky z extrudovaného polystyrenu(xps) (6 norem) ČSN EN 1114 Stroje pro zpracování plastů a pryže -Šnekovévytlačovacístrojea vytlačovací linky - Bezpečnostní požadavky na vytlačovací stroje, na čelní granulovací stroje a na odtahová zařízení (3 normy)... a další 23

24 3.5.1 Extruze trubic a nafukované fólie odtah Postup: válectaveniny nafukovat a chladit vzduchem měření tloušťky násypka ovládání vytlačovací stroj = extruder hlava chladicí prstenec bublina ovíjení 24

25 3.5.2 Vybrané vzory nafukované fólie obaly potravin (4 až 6 vrstev) sáčky na odpad (z plastového recyklátu) smršťovací fólie (orientace) zemědělská fólie 25

26 3.5.3 Normy pro extruzi nafukovaných fólií seznamcsn.unmz.cz ČSN EN Krycí plastovéfoliepro použitív zemědělství a zahradnictví ČSN EN Hydroizolační pásy a fólie (30 norem) ČSN ISO 6590 Obaly -Plastovépytle (10 norem) ČSN EN ISO 3826 Plastovévakynalidskoukrev a krevní komponenty (4 normy) ČSN EN 1114 Stroje pro zpracování plastů a pryže - Šnekové vytlačovací stroje a vytlačovací linky- Bezpečnostní požadavky na vytlačovací stroje, na čelní granulovací stroje a na odtahová zařízení (3 normy)... a další 26

27 3.6.1 Extruze profilů Postup: profiltaveniny vézt přes kalibraci, nasávat na povrh kalibrace a chladit vedením teplá a potom vodou měřící zařízení vytlačovací stroj = extruder hlava vakuová kalibrace 2x chlazení řetězový odtah demontovaná kalibrace Compuplast/Zlín 27

28 3.6.2 Vybrané vzory profilů profil plastového okna PVC-U trubky na pitnou vodou HDPE soklová lišta PP těsnění dvířek automobilu EPDM 28

29 seznamcsn.unmz.cz Normy pro extruzi profilů ČSN EN ISO Požárníhadice - Pryžové a plastovésacíhadice a hadice s koncovkami (2 normy) ČSN Hadice bez koncovek. Pryžové a plastové hadice (45 norem) ČSN EN ISO 7686 Plastové potrubní systémy- Plastové trubky a tvarovky (185 norem) ČSN EN Ohebné izolační trubičky (8 normy) ČSN Výrobky z pryže a plastů- Vytlačovaná profilová těsnění ČSN EN ISO Vytlačované desky z rázově houževnatého polystyrenu (PS-I) ČSN EN ISO Plasty - Vytlačované desky z rázově houževnatých modifikovaných kopolymerů na bázi akrylonitril-styrenu(abs, AEPDS a ASA) ČSN EN ISO Vytlačované desky z polyethylenu (PE-HD) ČSN EN 1114 Stroje pro zpracování plastů a pryže - Šnekové vytlačovací stroje a vytlačovací linky- Bezpečnostní požadavky na vytlačovací stroje, na čelní granulovací stroje a na odtahová zařízení (š normy)... a další 29

30 3.7.1 Fused-deposition-modelling FDM Základní informace: FDM je nejběžnější a nejlevnější metoda pro 3D tiskárny. FDM-tiskárny jsou stroje v malém formátu, které nenaplňují konstrukční zásady strojírenství, ale užívají složky robotiky (servomotory, lineární vedení). FDM nezpracovává granulát, ale polotovar, plastový drát, tzv. filament. tryska filament výrobek stůl Princip: malý extruder taví filament z termoplastu. tryska složí materiál, tím vytváří vrstvu za vrstvou výrobek. konstrukce dovolí pohyb mezi tryskou a stolem v třech směrech. stroje FDM se hlavně užívá pro výrobu prototypů. 30

31 3.7.2 Složky, které zpracovávají plast Filament má tloušťku 1,75-4 mm a délku (skoro) nekonečnou. Roztavený filament má průměr mezi 0,1 a 1 mm. doprava tavenina filament odporové topení FDM Extruder zavádí servomotorem filament nepřetržitě do ohřívací trysky. Funkční princip je velmi jednoduchý a podoba se tavící lepící pistoli. 31

32 3.7.3 Vybrané výrobky FDM prototyp Modellbau-Motor řetěz z ABS rám pro jízdní kolo stínítka na lampu 32

33 3.7.3 Normy pro FDM seznamcsn.unmz.cz ISO/CD Additive manufacturing -- General principles -- Part 1: Terminology, International Standardization Organization (ISO), 2014 ISO/DIS Additive manufacturing -- General principles -- Part 2: Overview of process categories and feedstock, International Standardization Organization (ISO), 2014 ISO/DIS Additive manufacturing -- General principles -- Part 3: Main characteristics and corresponding test methods, International Standardization Organization (ISO), 2013 ISO/DIS Additive manufacturing -- General principles -- Part 4: Overview of data processing, International Standardization Organization (ISO), 2013 ISO/ASTM Standard specification for additive manufacturing file format (AMF) Version 1.1, American Society for Testing and Materials (ASTM), 2013 ISO/ASTM Standard terminology for additive manufacturing Coordinate systems and test methodologies, American Society for Testing and Materials (ASTM),

34 3.8 Stav vědy a technologie Extrudery:optimalizace geometrie šneku, mísící zóny: větší výkon a lepší kvalita taveniny Hlavy:na nafukované fólie, která umí tvořit 11 vrstev: větší flexibilita výroby na stejném zařízení. Materiály:Extruze směsí termoplastu a jemné keramiky: inovativní výrobky jako keramické trubice pro elektrotechniku a keramický nosič v katalyzátoru aut

35 Děkujemeza pozornost 35

36 Technologie= vědět jak! Ing. Stefan Krebs 36