Pultruzní technologie a technologická zařízení

! 1 Pultruzní technologie a technologická zařízení Bronislav Foller FOLLER, s.r.o., Charbulova 10, 618 00 Brno, CZ. foller @ foller.eu Ústav výrobních strojů systémů a robotiky, FSI, VUT v Brně, CZ.foller @ fme.vutbr.cz Anotace Příspěvek v první části uvádí přehled 25 pultruzních technik používaných ve světě a jejich hlavní technologické charakteristiky. V druhé části se věnuje analýze a popisu hlavních částí pultruzních technologických zařízení z hlediska ekologie a bezpečnosti provozu. Úvod Pultruze je technologie umožňující výrobu tažených kompozitních profilů na bázi polymerních reaktoplastických nebo termoplastických matric vyztužených kontinuální skleněnou, uhlíkovou, polymerní nebo kombinovanou výztuží v podobě kombinace svazků přímých nekonečných vláken tzv. rovingů, rohoží, tkanin, pletenin a povrchových roušek. Princip reaktoplastické pultruze spočívá v odvíjení systému výztuže ze zásobníku, jejím předtvarováním do přibližného tvaru budoucího profilu a následném prosycení pryskyřicí v impregnační lázni. Dále pak tvarováním prosycené výztuže v systému preformeru do konečné podoby profilu a protahováním vyhřátou pultruzní formou, ve které dochází ke kontinuálnímu vytvrzování pryskyřice s výztuží ve výsledný kompozitní profil. Touto technologií se vyrábí kompozitní profily nejčastěji na bázi isoftalických polyesterových pryskyřic vyztužených skleněnými rovingy a rohožemi. Mezi další nejčastěji používané matrice pro tyto kompozity patří systémy na bázi vinylesterových, epoxidových a fenolických pryskyřic. Hlavní aplikace těchto profilů jsou ve stavebnictví, elektrotechnice a chemickém průmyslu. 1. Principy pultruzních technologií 1.1 Tandemová pultruze Jedná se o technologii využívající několik krátkých tažných forem v ose za sebou s mezerami. Tyto mezery jsou variabilní a mohou být kryty kanálem zamezujícím úniku tepla. Mezery mezi tažnými formami mohou být též využity pro ohřev materiálu radiací (infrazářiče) nebo mikrovlnami. Jinak se používá přímý ohřev forem. Tato technologie je jednoduchá a nenáročná. Umožňuje táhnout plné profily s menšími nároky na rozměrovou přesnost. Nevýhodou je problematické řízení procesu. Zvláště výhodná je pro tažení tlustostěnných profilů na bázi epoxidových matric za podpory mikrovlnného ohřevu. Vyrábí se tak např. epoxidové vysokopevnostní izolační profily o rozměru 120 x 120 mm. Další výhodou je menší opotřebení tažnic a menší nároky na jejich kvalitu. Jednou z modifikací tandemového tažení je tažení profilů s odstupňovaným průměrem, které umožňuje kombinovat různé druhy matric v jádře profilu a na jeho povrchu. 1.2 Klasická pultruze Klasická pultruze je technologie využívající otevřené impregnační lázně, tvarovačů výztuže a tažné vytvrzovací formy. Tato technologie je nejrozšířenější a patří ve výrobě polymerních reaktoplastických kompozitů k nejproduktivnějším. Existuje nespočet experimentálních aplikací pro nejrůznější druhy matric. Je dobře teoreticky propracovaná i z hlediska technologických simulací a z hlediska potřeb kontinuálního monitorování procesních parametrů jako teplota, tažná rychlost, tvrdost kompozitu, viskozita tekuté matrice, stupně vytvrzení kompozitu. Stroje jsou většinou automaticky řízeny počítačem. Na trhu je řada softwarových

! 2 produktů pro optimalizaci návrhu skladby profilu a pro počítačový návrh tažnic např. TOPDIE firmy Creative Pultrusion, USA. 1.3 RIP - Injekční pultruze RIP - Resin Injection Pultrusion někdy také IP - Injection Pultrusion je technologie využívající možnosti vstřikovat pryskyřici - matrici přímo do pultruzní formy. Tato tzv. uzavřená technologie je výhodná pro tažení složitých dutých tenkostěnných profilů. Vzhledem k způsobu impregnace je tloušťka profilů omezena na cca 3 mm. Velkou výhodou této technologie je zamezení emisí styrenu. Vysokotlaká injekční pultruze vstřikování přímo do tlakově dimenzované formy s impregnační komorou. Nízkotlaká injekční pultruze impregnace v jednotce předřazené pultruzní formě. 1.4 Vertikální pultruze Vertikální pultruze je technologie, která je v zásadě v principech totožná s klasickou pultruzí liší se ovšem uspořádáním technologických uzlů do vertikální polohy. Výztuž je centrálně rozložena kolem tažné osy v horní části linky, impregnační vana je tepelně izolovaná od formy a je s ní fyzicky spojena. Uspořádání eliminuje gravitační vlivy. 1.5 MAP - mikrovlnná pultruze MAP - Microwave Assisted Pultrusion. Mikrovlnami podporovaná pultruze je technologie používající pultruzní formu pro předehřev a předtvarování profilu a následné vytvrzení probíhá v průběžné mikrovlnné komoře za formou. Jiné techniky používají elektromagneticky transparentní materiály pro vytvrzovací formy jako teflon, keramika a borosilikátové sklo (US patent # 5,470,423, 1995). Vlastní aplikace mikrovln se provádí v průběžné laděné komoře odstíněné proti úniku mikrovln. Technologie umožňuje velmi rychlé vytvrzování v celém průřezu profilu. 1.6 UA Pultrusion Ultrasonic Activated Pultrusion - ultrazvukem aktivovaná pultruze je technologie aplikující ultrazvuk v procesu impregnace za účelem její intenzifikace nebo v procesu vytvrzování za účelem snížení tření a tím i tažné síly. 1.7 Vacuum Pultrusion Vakuová pultruze je technologie využívající vakua pro podporu impregnace výztuže. Firma Tufnol využívá tuto techniku v kombinaci s injekční pultruzi a ICF pultruzí pro výrobu profilů s vypěněným jádrem 1.8 Pulforming TM Pulforming ( Goldsworthy s Pulforming TM Process) je technologie kombinující pultruzi a technologii BMC. Tažený roving přes klasickou impregnační lázeň je pomocí RF předehřát a na rovingový plošný svazek je vložena dávka polotovaru pro BMC, která je pak za pohybu taženého profilu příčně tvářena a vytvrzena. 1.9 Pulshaping TM, Pull - Press Pulshaping - Selective Interval Pulshaping TM Process (Creative Pultrusion USA) je kontinuální technologický proces využívající časového intervalu při vytvrzování reaktoplastické matrice, ve kterém je možná částečná tvařitelnost materiálu. 1.10 ICF Pultrusion Technologie ICF Pultrusion nebo-li Integral Core-Filled Pultrusion Processing je kontinuální technologie umožňující výrobu dutých profilů s vypěněným jádrem. Profily vynikají malou hmotností a velkou tuhostí. PulRite TM je obchodní označení těchto výrobků od firmy MPG - Martin Pultrusion Group (USA). 1.11 Pullwinding Pullwinding (Pull - Winding, Pull - Wounding) je kontinuální technologický proces kombinující pultruzi a ovíjení profilu (Pultrex, Strongwell). Skladba výztuže takového profilu vykazuje např. tři axiální vrstvy přímé výztuže a dvě proložené výztuže s protichůdným ovinutím. Profily vykazují vynikající kombinací podélné a příčné pevnosti.

! 3 1.12 Pullbraiding Pullbraiding je technologie pultruze profilů s pletenou výztuží. Používá se pro kontinuální výrobu kompozitních trubek různých průřezů. Oplétací stroj plete na průchozím trnu výztuž ve tvaru punčochy. Ta je následně prosycována a vtahována do formy. Technologie je náročná na řízení pultruzního procesu. 1.13 3D - Pultrusion TM 3D - Pultrusion TM Processing je kontinuální technologie patentovaná v roce 1997 v USA. Její podstatou je aplikace speciálně vyvinuté matrice a pro tuto matrici a zvolený výrobek speciálně navržená jednoúčelová technologická linka. Technologie obsahuje řadu unikátních patentovaných řešení a zatím není komerčně dostupná. 1.14 PDM Pultrusion PDM Pultrusion - Post Die Manipulation Pultrusion ( Bent Pultrusion ) - technologie 3 D pultruze rozvíjena na University of Warwick (UK). Jedná se o metodu pultruze s řízeným proměnným zakřivením profilu. Až po tažnici se jedná o konvenční pultruzi. Tažnice slouží pouze pro předehřev. Vlastní vytvrzení nastává pomocí UV záření za tažnicí. Řízené vytvrzování a tažení umožňuje produkci 3D geometrie profilu. 1.15 Multi Rersin Injection Pultrusion US patent # 5,783,013 z r. 1995, Owens Corning Fibreglass Technology Inc., popisuje multi injekční pultruzi umožňující kombinovat různé druhy pryskyřic v jednom profilu. Impregnovaný vnitřní systém výztuh tvoří s přídavnou externí vrstvou impregnovanou jiným systémem matrice tzv. pultruzní balík. Technologie umožňuje vyrábět profily s odlišnou matricí v jádru profilu a na povrchu profilu. Povrch profilu tak může být vyroben z matrice s vysokou odolností proti UV korozi nebo se selektivní chemickou odolností. Vnější systém výztuže může být navržen z alkáliím odolných vláken (ACR) na rozdíl od jádra z levnějších E vláken. 1.16 Variable Cross-section Pultrusion US Patent # 5,556,496, Joseph E. Sumerak z roku 1996 popisuje metodu tažení profilu majícího proměnlivý příčný řez. Technologie využívá upravenou programově teplotně regulovanou pultruzní formu, která je ve vybraných částech podél osy profilu speciálně přizpůsobená. 1.17 UV Cured Pultrusion US patent #5,700,417 z roku 1997 (Kabushiki Kaisha Seiko Sho, Kobe) popisuje pultruzní proces umožňující výrobu kompozitních tyčí pro vysoko pevnostní aplikace použitím matrice s monomerem obsahujícím rozpuštěný nebo dispergovaný UV fotoiniciátor a polymerující pomocí UV záření. K vytvrzovacímu procesu může docházet mimo pultruzní formu nebo v UV transparentní formě, jak popisuje US patent # 4,861,621 z roku 1988. 1.18 Melt Pultrusion Melt Pultrusion tavná termoplastická pultruze. US patent (# 5,741,384) z roku 1994 (Hoechst AG, Germany) popisuje proces výroby sklem vyztužených kompozitních profilů s termoplastickou matricí. Skleněná rovingová výztuž je tažena ve víru tekuté disperze práškového pojiva. Prášek je natavený na předehřáté vlákno, které je postupně impregnováno tavnou pultruzí pak dochází k vytvoření kompozitu. 1.19 Twintex Melt Pultrusion Termoplastická pultruzní technologie využívající speciálních Twintex rovingů (Vetrotex Saint Gobain). Twintex rovingy jsou rovnoměrně promíchána skleněná a polymerní vlákna. Např. sklo a PP v poměru 60:40. Technologie vyžaduje pouze přímé natavení termoplastických vláken ve formě. Výrobky jsou tepelně

! 4 tvarovatelné. Recyklovatelné. Proces vykazuje velmi vysokou produktivitu. Ekologicky bezproblémová technologie. 1.20 Dynamic Die Pultrusion Termoplastická pultruzní technologie využívající Twintex rovingů. Technologie vyžaduje přímé natavení termoplastických vláken v pohyblivé rotační formě na principu kalandru. Lze tak vyrábět tvarově jednoduché profily menších rozměrů. Výrobky jsou tepelně tvarovatelné. Recyklovatelné. Proces vykazuje velmi vysokou produktivitu. Ekologicky bezproblémová technologie. 1.21 Reactive Pultrusion Proces pultruze termoplastických kompozitů na bázi polyamidových matric popisuje US patent # 5,374,385 z roku 1994 firmy Monsanto Europe S.A., Brussels. Systém výztuže je kontinuálně impregnovaný polyamidovou reaktivní směsí (zahrnující přinejmenším jeden monomer, iniciátor a katalyzátor) a pak tažen formou. Technologie je náročná na přesné řízení procesních parametrů vzhledem k velmi krátkým reakčním časům směsi, která se míchá kontinuálně. 1.22 Pulextrusion Pulextrusion je technologie kombinující pultruzi a extruzi, přičemž extruder může prosycovat jak suchou výztuž tak již impregnovanou výztuž. Jedná se o druh termoplastické pultruze. 1.23 Fulcrum V roce 1999 vyvinula firma Dow Plastics technologii Fulcrum. Tato technologie je kombinací nového systému matrice a nového pultruzního procesu. Využívá inženýrského termoplastického polyurethanového polymerního systému (EPTU). Kompozity vykazují vynikající mechanické vlastnosti zvláště pevnost v tahu a rázovou houževnatost. Výroba je vysoce produktivní a ekologická. Výrobky jsou recyklovatelné. Rychlost tažení dosahuje až 10m/min. 24. Pultruze kompozitů na bázi cementových matric Ve svém článku z roku 2003 popisuji A. Peled a B. Mobasher (BMC 7, 2003 Warsaw, Poland) technologii pultruze kompozitu na bázi alkalicky rezistentní skleněné tkaniny impregnované cementovou matricí. Popisovaná technologie neobsahuje klasickou vyhřívanou formu. Impregnace je pomocí rotačních protiběžných válců. 25. Pultruze kompozitů na bázi matric vysoce plněných dřevem Ve svém rešeršním článku z roku 2002 popisuje K. Englund (SDT, 25.02.2002, Spokase, Washington) technologie pultruze kompozitu na bázi skleněné, polymerní nebo celulosové výztuže impregnované matricí vysoce plněnou celulosovými vlákny (US patent # 4,983,453). 2. Analýza pultruzního procesu z hlediska technologického zařízení Podrobnou analýzou uvedených pultruzních technologií byly pro každou jednu technologii vybrány soubory technologických parametrů a jim přiřazených konstrukčních prvků a uzlů strojního zařízení. Na základě těchto souborů byly sestaveny morfologické matice univerzálního pultruzního stroje (pultruzní stroj = pultrudér) vyjadřující průnik společných technologických a konstrukčních parametrů a byla definována metodika výběru parametrů nutných pro optimální návrh univerzálního pultrudéru. Základním cílem bylo tedy pomocí obecných morfologických matic definovat technologické a konstrukční parametry pro návrh universálního pultruzního stroje. Dalším cílem bylo vypracovat efektivní metodiku pro účinné přizpůsobení obecného nebo již realizovaného konstrukčního řešení technologického zařízení specifickým požadavkům zákazníka tzv. customizace.

! 5 Vypracovaná metodika zohledňuje nové legislativní požadavky na strojní a technologická zařízení, které vyžadují analýzu rizik s jejich explicitním popisem. Tato analýza je pak základem pro posouzení shody strojního zařízení podle evropských směrnic a norem zejména pak zákona č. 22/1997 Sb., NV č. 24/2003 Sb., NV č. 23/2003 Sb, NV č. 17/2003 Sb., NV č. 18/2003 Sb., NV č. 342/2003 Sb.) a následně pro certifikaci stroje autorizovanou osobou. Dále jsou důsledně zohledněna doporučení pro konstrukci nových technologických zařízení tak, jak jsou deklarována v dokumentu European Best Practise Guide: Low Energy Plastics Processing z října 2006 vypracovaném v rámci projektu eurecipe a podporovaném Evropskou komisí v programu Inteligent Energy Europe. 3. Syntéza procesních a konstrukčních parametrů univerzálního pultrudéru Na základě sestavených morfologických matic byla sestavena morfologická matice univerzálního pultrudéru a provedena syntéza jeho procesních a konstrukčních parametrů. Výsledkem jsou analyticky verifikované podklady pro konstrukci stroje univerzálního pultrudéru jehož konstrukce splňuje náročná kritéria na bezpečnost provozu, enviromentální zátěž, nízkou provozní energetickou náročnost, nízkou poruchovost, modularitu a rozšiřitelnost a velmi vysokou životnost se zohledněním trvalého provozu při zachování vysoké technologické variabilitě. 4. Popis základních prvků matice technologických uzlů univerzálního pultrudéru A 000 A 010 A 020 A 030 A 040 A 050 A 060 A 070 A 080 A 090 A 100 A 110 A 120 A 130 A 140 A 150 Technologické uzly Zásobník rovingů Zásobník rohoží Zásobník kombimat Zásobník roušek Předimpregnační preformer Impregnační preformer Impregnační lázeň Zásobník matrice Preformer Forma Chladící sekce Tažná sekce Postupová technologická sekce Dělící sekce Odběrová sekce A 160 A 170 A 180 A 190 A 200 A 210 A 220 A 230 A 240 A 250 A 260 A 270 A 280 A 290 A 300 Ohřev výztuže Ohřev matrice Infra sušení výztuže Mikrovlnné sušení výztuže Vakuování výztuže Desorpce výztuže Termo impregnace Tlaková impregnace Dynamická impregnace Ultrazvuková impregnace Injekční impregnace UV vytvrzování Mikrovlnné vytvrzování Elektronové vytvrzování Post Forming Příklad rozvoje prvku A 010 A 010 A 011 A 012 A 013 A 014 A 015 A 016 A 017 A 018 A 019 Zásobník rovingů Zásobník rovingů s centrálním odvinem prostým tahem Zásobník rovingů s centrálním odvinem motorickým tahem Zásobník rovingů s tangenciálním odvinem prostým tahem Zásobník rovingů s tangenciálním odvinem motorickým tahem Zásobník rovingů s tangenciálním odvinem regulovaným motorickým tahem Podtlakový zásobník rovingů s tangenciálním odvinem regulovaným motorickým tahem Temperovaný zásobník rovingů s tangenciálním odvinem regulovaným motorickým tahem Podtlakový, temperovaný zásobník rovingů s tangenciálním odvinem regulovaným motorickým tahem Temp. Tangenciální, reg. zásobník s automatickou kontrolou a navazováním rovingů

! 6 Příklad rozvoje prvku A 100 A 100 A 101 A 102 A 103 A 104 A 105 A 106 A 107 A 108 Forma Forma prostá samonosná Forma prostá - výměnná vložka Forma segmentová Forma s jádrem Forma vícedutinová Forma vícedutinová s jádry Forma s nízkotlakou impregnací Forma s vysokotlakou impregnací A 109 A 110 A 111 A 112 A 113 A 114 A 115 A 116 A 117 A 118 Forma s integrovaným elektrickým topením Forma s integrovaným olejovým topením Forma s integrovaným indukčním topením Forma s integrovaným olejovým topením/chlazením Forma s chlazeným vstupem Forma elektromagneticky transparentní Forma tandemová Forma ultraakusticky aktivovaná Forma flexibilní Forma dynamická 5. Závěr Prezentovaný princip aplikace metodiky rizikového managementu v procesu návrhu konstrukce pultruzního stroje, vytvoření struktury znalostní databáze pomocí morfologických matic, v konečném důsledku zvyšuje konkurenceschopnost firem využívajících tuto metodiku. V konkrétním případě je například výsledkem aplikace tohoto přístupu pojetí pultruzního stroje jako modulárního celku. Tažná jednotka je pojata jako ucelený, kompaktní mechatronický systém s integrovaným servopohonem, lineárním vedením, tribotechnickými uzly a modulárním konstrukčním uspořádáním rámu umožňujícím bez dodatečných konstrukčních zásahů násobit tažnou sílu stroje násobením počtu tažných jednotek. Je umožněna rychlá sestava stroje podle požadavků zákazníka. Zvláštností tohoto metodického přístupu je možnost vytvářet dosud nerealizované, teoretické kombinace jak konstrukce, tak příslušné technologie, což je novou formou poznání s výrazným inovačním potenciálem. Obrázek 1: Servoelektrický reciprokační pultruzní automat Pultrumatic R 40 firmy FOLLER, s.r.o.