Modelowanie komputerowe procesów wytlaczania i wtryskiwania Prof. Krzysztof Wilczyński Politechnika Warszawska

Transkrypt

1 WYDZIAŁ INŻYNIERII PRODUKCJI Zakład Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych Spis treści Computer Aidet design of Extrusion Dies Prof. John Vlachopoulos Mc Master University Modelowanie komputerowe procesów wytlaczania i wtryskiwania Prof. Krzysztof Wilczyński Politechnika Warszawska Hybrydowe polimery organiczno-nieorganiczne na bazie fosforanów glinu Mgr inż. Krzysztof Łokaj Politechnika Warszawska Polimery biodegradowalne Prof. Zbigniew Florjańczyk Politechnika Warszawska Recykling surowcowy w piecach hutniczych Tworzywa sztuczne przekształcają rudy żelaza w stal Dr inż. Anna Kozera - Szałkowska Plastics Europe Lignocel / Arbocel a jego wpływ na proces wytwarzania i parametry gotowego wyrobu Dr inż. Jacek Gajewski J. Rettenmaier & sohne Szybkie prototypowanie na potrzeby przetwórstwa tworzyw sztucznych - DLP (Digital Light Projection) Mgr inż. Marcin Knieć Car Technology Zastępowanie części metalowych przez tworzywa w motoryzacji Mgr inż. Michał Pijewski EMS Efektywność produkcji wyrobów wtryskiwanych z tworzyw sztucznych Mgr inż. Henryk Zawistowski PLASTECH, Politechnika Warszawska Zastosowanie ultradźwięków w przetwórstwie tworzyw sztucznych Dr inż. Tomasz Rusiecki Sonictech Projektowanie połączeń wciskowych Mgr inż. Szymon Zięba Politechnika Warszawska 20 kwietnia

2 POLITECHNIKA WARSZAWSKA Koło Naukowe Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych POLIMER Profesor John Vlachopoulos Mc Master University, Hamilton, Kanada Profesor John Vlachopoulos urodził się w 1942 roku, w portowym mieście Volos w Grecji. Studia inżynierskie odbył na Uniwersytecie w Atenach (the National Technical University of Athens) i ukończył je w 1965 r. Studia magisterskie odbył na Uniwersytecie im. Washingtona w St. Louis w Stanach Zjednoczonych (Washington University, St. Louis, MO, USA). Tam, w 1968 roku obronił pracę magisterską i już w 1969 roku pracę doktorską. Następnie rozpoczął pracę naukową na Wydziale Inżynierii Chemicznej Mc Master University w Hamilton w Kanadzie, kolejno jako Assistant Professor (w latach ), Associate Professor (w latach ) i od 1979 r. jako (full) Professor. W 1987 r. utworzył na uniwersytecie Mc Master University, cenione na całym świecie, centrum badawcze Centre for Advanced Polymer Processing and Design (CAPPA-D). Prof. J. Vlachopoulos jest autorem ponad 250 fundamentalnych prac z zakresu reologii i przetwórstwa tworzyw sztucznych, m.in. w zakresie: - modelowania procesów przetwórstwa tworzyw, np. wytłaczania jednoślimakowego tworzyw, wytłaczania tworzyw reaktywnych, kalandrowania tworzyw, termoformowania tworzyw, formowania rotacyjnego, wytłaczania folii, - analizy i modelowania podstawowych zjawisk towarzyszących przepływom tworzyw polimerowych, np. efektu Barusa w procesie wytłaczania, efektu fontannowego w procesie wtryskiwania, zagadnienia koalescencji, - modelowania przepływów polimerowych w głowicach wytłaczarskich, np. w głowicach do wytłaczania folii, płyt, różnego typu profili, głowicach do wytłaczania wielowarstwowego, - reologii i przetwórstwa kompozytów drzewnych, tworzyw biodegradowalnych itp. Jest też autorem lub współautorem wielu ważnych opracowań książkowych, np: - Fundamentals of Fluids Mechanics, Mc Master University, Hamilton, Kanada Rheological Fundamentals of Polymer Processing (współautor: J.A. Covas, J.F. Agassant, K. Walters), NATO ASI Series, Kluwer, Dordrecht, Holandia The SPE Guide on Extrusion Technology and Troubleshooting (współautor: J.R. Wagner), Society of Plastics Engineers, SPE, Brookfield, CT, USA Lecture Notes on Polymer Rheology and Processing, Polydynamics Inc., Hamilton, Kanada Badania podstawowe prof. Vlachopoulosa w zakresie modelowania procesów przetwórstwa doprowadziły do opracowania licznych programów komputerowych wspomagających projektowanie tych procesów: PO- LYCAD 2-D, EXTRUCAD, NEXTRUCAD, FLATCAD, SPI- RALCAD, PROFILECAD, LAYERCAD, T-FORMCAD, CA- LENDERCAD, RHEOMWD, XTRU-XPERT. Te programy, licencjonowane przez założoną i kierowaną przez prof. Vlachopoulosa firmę POLYDYNAMICS INC., są stosowane na szeroką skalę w przemyśle na całym świecie, w ponad 500 przedsiębiorstwach w 27 krajach. Prof. Vlachopoulos był w latach prezydentem Międzynarodowego Towarzystwa Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych (the Polymer Processing Society). Został wyróżniony wieloma znakomitymi nagrodami, wśród których wskazać można na: Stanley G. Mason Award of the Canadian Society of Rheology (Kanada, 2007), Distinguished Peter Benham Lecturer (Ireland, 2000) czy Fred E. Schwab Award for Outstanding Achievements in Education (SPE, USA, 2001). Prof. John Vlachopoulos należy obecnie do najważniejszych postaci światowego przetwórstwa tworzyw sztucznych. Zajmuje ważną pozycję w świecie nauki przetwórstwa tworzyw i w świecie przemysłu. Jego wykłady i seminaria, prowadzone w sześciu językach, cieszą się ogromnym uznaniem na całym świecie. W kwietniu tego roku był gościem specjalnym Konferencji Polimer 2011, organizowanej na Politechnice Warszawskiej przez studentów Koła Naukowego POLIMER. Krzysztof Wilczyński Politechnika Warszawska 2 POLIMER 2011

3 WYDZIAŁ INŻYNIERII PRODUKCJI Zakład Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych Computer Aided Design of Exstrusion Dies Prof. John Vlachopoulos Mc Master University Extrusion dies are used for the production of film, sheet, profiles, tubing and pipes, wire and cable coating, fibers and other products. The first requirement of extrusion die design is balancing of the flow, which means same local area-average velocity at the die exit. Other problems relate to local wall shear rates and stresses, residence times, temperature rise due to viscous dissipation, regions of stagnating flow and the rheological behavior of polymer melts. Despite the recent advances in numerical methods and rheology, trial and error procedures continue to be used by many designers and manufacturers throughout the world. When computer flow simulation packages are employed they seldom go beyond the generalized Newtonian fluid (power-law, Carreau or Cross shearthinning viscosity) for the description of material behavior. Several examples will be presented illustrating how rational approaches in extrusion die design and optimization can be implemented on the factory floor by using computer flow simulation software and rheological characterization of polymer melts. These examples include coat-hanger flat dies and spiral dies for film production, profile dies, coextrusion dies, wire coating and pipe extrusion dies. Several important design criteria will be discussed such as uniform flow distribution, shear stress levels below those for onset of sharkskin/melt fracture phenomena, but also lesser known ones, such as the importance of a minimum wall shear rate in the case of transparent film production. It will be argued that using computer flow simulation software it is possible not only to design, but also to troubleshoot extrusion lines. Thickness non-uniformities, flow lines, streaks and surface or interfacial instabilities might be due to poor die design geometry. However, proof of absence of poor flow geometry might lead to search for other root causes of extrusion defects such as poor mixing, humidity or unsuitable rheological behavior for the raw material. 20 kwietnia

4 POLITECHNIKA WARSZAWSKA Koło Naukowe Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych POLIMER Modelowanie komputerowe procesów wytłaczania i wtryskiwania Prof. Krzysztof Wilczyński Politechnika Warszawska, Warszawa Procesy wytłaczania i wtryskiwania tworzyw wykazują znaczne podobieństwa. Uplastycznianie tworzywa i generowanie ciśnienia zachodzi w obydwu tych procesach w układach uplastyczniających, jednoślimakowych lub dwuślimakowych. Zasadnicza różnica między wytłaczaniem a wtryskiwaniem polega na tym, że ślimak w procesie wytłaczania wykonuje ruch obrotowy, natomiast w procesie wtryskiwania dodatkowo również ruch posuwisto-zwrotny. Te podobieństwa, przy świadomości różnic w mechanizmie transportu tworzywa, mechanizmie uplastyczniania i przepływu tworzywa uplastycznionego, nasuwają koncepcję budowy wielozadaniowego, modułowego modelu komputerowego procesów wtryskiwania i wytłaczania. Taki system umożliwi symulację procesów wtryskiwania oraz wytłaczania jednoślimakowego i dwuślimakowego, współbieżnego i przeciwbieżnego. Warto zauważyć, że te procesy mogą być realizowane przy zasilaniu z dozowaniem tworzywa lub zasilaniu bez dozowania. W świetle aktualnego stanu wiedzy, budowa wielozadaniowego systemu modelowania wymaga przede wszystkim opracowania odpowiednich modeli procesu wtryskiwania, procesu wytłaczania przeciwbieżnego oraz procesu wytłaczania jednoślimakowego z dozowanym zasilaniem. Modułowa budowa systemu, jednolita koncepcja wprowadzania danych oraz jednolita koncepcja generacji, archiwizacji i wizualizacji wyników, stanowi o jego przyjaznym charakterze. Taki spójny koncepcyjnie system może być podstawą do rozwiązywania problemów optymalizacji procesów wytłaczania i wtryskiwania. W tym zakresie szczególnie interesującym rozwiązaniem jest metoda algorytmów genetycznych. Podstawę modelowania procesów wytłaczania i wtryskiwania stanowi analiza mechanizmu transportu i uplastyczniania tworzywa oraz opracowanie odpowiednich, elementarnych modeli matematycznych tych zjawisk. Połączenie takich elementarnych modeli, przy zastosowaniu właściwych warunków brzegowych, prowadzi do kompleksowego modelu procesu, opisującego przepływ tworzywa w całym procesie przetwórczym. Ogólnie można stwierdzić, że w procesach przetwórstwa stosunkowo dobrze są opisane przepływy tworzywa w stanie uplastycznionym. Znacznie słabiej jest rozumiany i opisany transport tworzywa w stanie stałym, a zwłaszcza przebieg uplastyczniania tworzywa. Odpowiedni model uplastyczniania stanowi zawsze podstawę budowy pełnego modelu procesu przetwórczego. Ze względu na dużą złożoność i różnorodność zjawisk zachodzących w procesach wytłaczania i wtryskiwania, skomplikowaną geometrię przepływu, a także dużą czasochłonność obliczeń, znane modele komputerowe tych procesów, jak dotąd, nie wykorzystują możliwości metody elementów skończonych. Stosowanie tej metody jest trudne i dlatego jest ona rzadko wykorzystywana w praktyce przemysłowej. Dlatego też warta uwagi jest koncepcja zastosowania do całościowego modelowania procesów wytłaczania i wtryskiwania bezwymiarowych charakterystyk przepływowych ślimaków. Takie charakterystyki można uzyskać na podstawie zaawansowanego modelowania numerycznego, a następnie można je odpowiednio modelować i implementować do całościowego modelu procesu. W rezultacie uzyskuje się rozwiązania, zapewniające dużą dokładność obliczeń, wynikającą ze stosowania zaawansowanych metod numerycznych, przy rozsądnym czasie tych obliczeń i przystępnym sposobie użytkowania. 4 POLIMER 2011

5 WYDZIAŁ INŻYNIERII PRODUKCJI Zakład Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych Hybrydowe polimery organiczno-nieorganiczne na bazie fosforanów glinu. Mgr inż. Krzysztof Łokaj Politechnika Warszawska, Warszawa Coordination polymers based on aluminum dialkylphosphates (DAP-Al) were obtained in reaction between wide range of diesters of phosphorous acid and aluminum L-lactate, bohemite (aluminum γ-oxyhydroxide) and Al(OH) 3 (gibbsite). Structure and properties of this products were determined in solids and solutions by means of FT-IR, 1 H, 27 Al, 31 P NMR and MAS-NMR, XRD and other methods. It was found that though structure of such obtained aluminium dialkylphosphates is alike, properties are highly dependant on length and properties of organic part as well as on the source of aluminium 1,2. Possibility of incorporation of alu-minium dialkylphospha-tes into classic organic polymers by creating blends and chemical bondage of DAP-Al with matrix were investigated. 20 kwietnia

6 POLITECHNIKA WARSZAWSKA Koło Naukowe Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych POLIMER Polimery biodegradowalne Prof. Zbigniew Florjańczyk Politechnika Warszawska, Warszawa PW Zagospodarowanie odpadów z tworzyw sztucznych pozostaje ciągle wielkim wyzwaniem cywilizacyjnym. Zaledwie w ośmiu krajach europejskich udaje się wykorzystać ponad 80% zużytych materiałów polimerowych, jako surowiec do ponownego przetwórstwa lub jako paliwo. Na ogół jednak znakomita większość odpadów trafia na wysypiska (w Polsce ponad 70%) i może tam zalegać przez setki lat. W tym stanie rzeczy czynione są wysiłki, aby przyspieszyć rozpad tworzyw, których czas życia jest krótki i przez to stanowią główny składnik odpadów. Szczególnie dotyczy to tworzyw stosowanych do produkcji opakowań. Jeden ze sposobów polega na przyspieszeniu ich dezintegracji poprzez dodatek substancji powodujących utleniania łańcuchów, ale jest to metoda dość kontrowersyjna gdyż jedynie niewielka część materiału ulega biodegradacji. Z punktu widzenia bezpieczeństwa ekologicznego dużo lepszym rozwiązaniem jest stosowanie polimerów, które są w stanie całkowicie rozłożyć się do dwutlenku węgla i wody w warunkach kompostowania. Taką cechę posiadają polimery naturalne i niektóre polimery syntetyczne z rodziny poliestrów. W przemyśle opakowań wykorzystuje się głównie polimery skrobiowe i Polilaktyd, do produkcji, którego wykorzystuje się kwas mlekowy otrzymywany w procesie fermentacji skrobi. Na mniejsza skalę wykorzystuje się także poliestry otrzymywane z surowców petrochemicznych lub wytwarzane przez niektóre gatunki bakterii poli- (hydroksyalkaniany). W czasie wykładu zostaną przedstawione bliżej podstawowe typy takich materiałów, a także inicjatywy podejmowane przez Politechnikę Warszawską i inne ośrodki naukowe zmierzające do uruchomienia produkcji niektórych tworzyw biodegradowalnych w Polsce. 6 POLIMER 2011

7 WYDZIAŁ INŻYNIERII PRODUKCJI Zakład Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych Recykling surowcowy w piecach hutniczych Tworzywa sztuczne przekształcają rudy żelaza w stal Anna Kozera - Szałkowska Plastics Europe Nowa metoda recyklingu Recykling surowcowy w piecach hutniczych, to dodatkowa oprócz recyklingu mechanicznego i odzysku energii możliwość zagospodarowania odpadów z tworzyw sztucznych. Technologia ta wykorzystywana jest np. w Austrii, gdzie funkcjonuje zintegrowana infrastruktura oparta na współpracy trzech partnerów: producenta stali (Voestalpine) oraz dwóch firm zajmujących się gospodarką odpadami. Dzięki temu możliwe jest wykorzystanie 220 tys. t rocznie odpadów z tworzyw sztucznych jako czynnika redukującego w piecu hutniczym, integralny element stanowi także współpraca z dwiema instalacjami do odzysku energii z odpadów o łącznej wydajności 600 tys. t rocznie. We wstępnej obróbce odpadów przemysłowych wytwarzane są dwa strumienie materiałowe: niskoenergetyczną frakcję do odzysku energii oraz bogatą w odpady tworzywowe frakcję do dalszego przetwarzania na potrzeby przemysłu hutniczego, gdzie surowiec mieszany jest z przemysłowymi i pokonsumenckimi odpadami opakowaniowymi. W efekcie powstaje standaryzowany pelet o określonych właściwościach wykorzystywany podczas wytopu surówki. PW wędrówki w dół pieca. Temperatura gazu syntezowego wynosi od 900 do 1200 C, toteż powstające żelazo jest w postaci stopionej. Ciekła surówka gromadzi się na dole pieca, skąd jest okresowo odbierana. Wydajność pieca hutniczego wynosi do t dziennie. Rys. Produkcja żelaza z wykorzystaniem odpadów z tworzyw sztucznych. Od rudy żelaza do stali proces wytopu Podczas produkcji stali ruda żelaza, składająca się głównie z tlenowych związków żelaza, jest przekształcana w surówkę żelaza w procesie tzw. wytapiania redukcyjnego. Jeśli jako czynnik redukujący zostaną wykorzystane odpady z tworzyw sztucznych, które w sensie chemicznym są węglowodorami, powstający wówczas gaz syntezowy zawiera oprócz tlenku węgla także wodór. Gaz ten, w porównaniu to tradycyjnych czynników redukujących jak koks czy ropa naftowa, dodatkowo zwiększa efektywność procesu redukcji. Technologia Produkcja żelaza odbywa się w piecu hutniczym o wysokości od 30 do 40 m i objętości do 4000 m3. Tlenki żelaza podawane są od góry (rys.). W dolnej części pieca podawane są paletyzowane odpady plastikowe, a temperatura w tej części sięga od 2100 do 2300 C. W tych warunkach materiał organiczny ulega gazyfikacji z wytworzeniem gazu syntezowego, zawierającego m.in. tlenek węgla. Gaz ten redukuje tlenki podczas ich 20 kwietnia 2011 Odpady z tworzyw w centrum zainteresowania Tlenek węgla jako czynnik redukujący otrzymywany jest zazwyczaj z ropy naftowej, węgla i koksu. Te paliwa kopalne można zastąpić zużytymi tworzywami sztucznymi, efektywnie oszczędzając w ten sposób surowce naturalne. Czynnik redukujący otrzymywany jest z odpadów z tworzyw sztucznych, pozyskiwanych ze zbieranych selektywnie odpadów opakowaniowych z gospodarstw domowych oraz z odpadów przemysłowych, a także z pozostałości po strzępieniu pojazdów wycofanych z eksploatacji i/lub ze zużytego sprzętu elektronicznego. Po wstępnej obróbce odpady te są mieszane, a następnie odpowiednio aglomerowane i paletyzowane. Czynnik redukujący w formie pelet jest transportowany rurociągami do przesyłu na duże odległości i podawany do pieca hutniczego bezpośrednio poniżej strefy redukcji. Opisana technologia działa 7

8 POLITECHNIKA WARSZAWSKA Koło Naukowe Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych POLIMER od 2003 r. na terenie huty w Linzu (Austria). Jeden z reaktorów procesu wielkopiecowego został zbudowany w ten sposób, aby możliwe było utylizowanie odpadów z tworzyw sztucznych ( t odpadów rocznie) przy jednoczesnej produkcji surówki żelaza. Do wyprodukowania 1000 t surówki należy użyć ok. 370 t koksu oraz 90 t ropy naftowej, w zależności od składu rudy i rodzaju procesu technologicznego. Te 90 t ropy naftowej można częściowo zastąpić (do 70 t) poprzez wykorzystanie zużytych tworzyw sztucznych. Dla producenta stali oszczędności wynoszą obecnie ok t ropy naftowej rocznie. Każdy wygrywa środowisko i gospodarka Wydajność 220 tys. t peletyzowanych i specyfikowanych zmieszanych odpadów z tworzyw sztucznych zużytych w piecu hutniczym to: m 3 przestrzeni oszczędzonej na wysypisku, czyli pełnych ciężarówek, oszczędność ponad 10 mln GJ energii, co odpowiada zapotrzebowaniu na energię do ogrzewania i podgrzania wody dla ponad 400 tys. ludzi, oszczędności emisji ponad 400 tys. t CO 2 rocznie oraz redukcja emisji gazów jak SO 2 oraz pyłów 8 POLIMER 2011

9 WYDZIAŁ INŻYNIERII PRODUKCJI Zakład Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych LIGNOCEL / ARBOCEL wpływ na proces wytwarzania i parametry wyrobu gotowego Dr inż. Jacek Gajewski J. Rettenmaier & sohne W ostatnich latach jednym z najdynamiczniej rozwijających się kierunków modyfikacji materiałów polimerowych jest napełnianie ich surowcami pochodzącymi z źródeł odnawialnych. Firma J. Rettenmaier & Sohne GmbH+Co opracowała pod kątem nisko napełnionych kompozytów drewno - polimer rodzinę drewnianych surowców włóknistych o handlowej nazwie Lignocel / Arbocel. W zależności od rodzaju są to mieszanki miękkich włókien drzew: sosny i jodły (grupa C), lub buku i dębu (grupa HB). Produkt ten charakteryzuje się ściśle zdefiniowaną frakcją zarówno od strony barwy jak i długości włókna. W ramach prezentacji pokazany zostanie wpływ niewielkiej ilości włókien drewna na parametry wyrobu gotowego z PVC oraz PP i HDPE. Przedstawione zostaną obserwacje z procesu wytwarzania jak i użytkowania produktów nisko napełnionych Lignocelem. 20 kwietnia

10 POLITECHNIKA WARSZAWSKA Koło Naukowe Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych POLIMER Szybkie prototypowanie na potrzeby przetwórstwa tworzyw sztucznych - DLP (Digital Light Projection) Mgr inż. Marcin Knieć Car Technology Amerykańska firma Z Corporation od początku swojej działalności skupiała się na rozwoju i doskonaleniu technologii szybkiego prototypowania bazującej na warstwowym klejeniu proszków kompozytowych 3DP (3D Printing). Dążąc do wypełnienia luki technologicznej w zakresie prototypów z tworzyw sztucznych firma Z Corporation zdecydowała się na odważny krok wprowadzenie do oferty nowej technologii szybkiego prototypowania DLP (Digital Light Projection). Urządzenie wykorzystujące DLP to model ZBuilder Ultra, który swój debiut na rynku polskim miał jesienią ubiegłego roku. Model w technologii DLP budowany jest warstwowo dzięki addytywnemu utwardzaniu (naświetlaniu) kolejnych warstw do postaci monolitycznego plastiku. Co ważne - jednocześnie naświetlana jest cała, pojedyncza warstwa, dlatego nie ma znaczenia jej pole powierzchni. Tym samym szybkość wydruku nie zależy od ilości elementów ułożonych na platformie co znacząco skraca czas tworzenia prototypów i zmniejsza koszty ich wykonania. W procesie budowy modelu wykorzystywany jest jedynie ruch w kierunku tylko jednej osi Z co wpływa znacząco na poprawę dokładności wykonywanych prototypów. Prototyp budowany jest na platformie wraz z podporami, które po całkowitym wytworzeniu modelu są usuwane. Wydrukowane elementy nie muszą być dodatkowo naświetlane światłem UV - tak jak w przypadku stereolitografii (SLA) jedynie poddawane są krótkiej kąpieli alkoholowej. Materiałem bazowym urządzenia ZBuilder Ultra jest SI500 ciekły polimer, który po utwardzeniu wykazuje właściwości ABS (patrz tabelka). Firma Z Corporation pracuje już nad kolejnymi rodzajami materiałów, które rozszerzą paletę tworzyw dostępnych dla urządzenia ZBuilder Ultra. Materiał SI500 został uznany przez firmy testujące za najbardziej uniwersalny i odpowiadający najszerszemu gronu odbiorców, dlatego też został wprowadzony do sprzedaży i użytkowania jako pierwszy. Tabela: W a ciwo ci materia owe tworzywa SI500 Wytrzyma o na rozci ganie PSI (43.0 MPa) Wyd u enie przy zerwaniu 4,5% Wytrzyma o na zginanie 8740 PSI (60.2 MPa) Modu spr ysto ci przy zginaniu 263 ksi (1 810 MPa) Twardo 86D Główną zaletą technologii DLP jest bardzo dobra jakość powierzchni wydrukowanych części porównywalna z elementami wykonanymi na stereolitografii lub bezpośrednio z wypraskami z form wtryskowych. Prototypy DLP wyróżnia brak schodków odwzorowujących kolejne warstwy oraz bardzo dobre odwzorowanie szczegółów. DLP to jedna z niewielu technologii Rapid Prototping umożliwiająca wykonanie ostrych krawędzi. Cechą odróżniającą DLP od np. zadomowionego już na rynku FDM (Fused Deposition Modeling) są jednakowe właściwości mechaniczne prototypu we wszystkich kierunkach XYZ. Projektor DLP dostarcza jednakową ilość światła do każdego voxela (piksela 3D), co pozwala na uzyskanie wysokiej powtarzalności procesu. Powstałe prototypy są mocne i wytrzymałe ale jednocześnie elastyczne, co umożliwia pracę ewentualnych ruchomych części lub połączeń. 10 POLIMER 2011

11 WYDZIAŁ INŻYNIERII PRODUKCJI Zakład Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych Tabela: Parametry urz dzenia ZBuilder Ultra pracuj cego w technologii DLP Rozdzielczo XY 138 m Rozdzielczo Z m Dok adno +/-0,2mm Szybko budowy w osi Z do 12,7 mm/h Wielko komory roboczej 260 x 160 x 190 mm Importowane formaty wej ciowe stl, 3ds, dxf, obj, wrl, zpr Wymiary urz dzenia 71.1 x 77.5 x cm z opcjonaln szafk Waga 163 kg Zasilanie 230V, 6A 20 kwietnia

12 POLITECHNIKA WARSZAWSKA Koło Naukowe Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych POLIMER Zastępowanie części metalowych przez tworzywa w motoryzacji Mgr inż. Michał Pijewski EMS Poliftalamidy dzięki swoim wyjątkowym właściwościom zapoczątkowały nowy trend w zastępowaniu części wykonanych z mosiądzu, aluminium i stopów Zn/Al. Grivory to seria materiałów opartych na semikrystalicznych termoplastycznych poliftalamidach. Wyróżnia się trzy podstawowe matryce HT1, HT2 oraz najnowszą HT3 całkowicie opartą na monomerze pochodzącym z surowca odnawialnego. Każdą z nich charakteryzują doskonałe właściwości w wysokich temperaturach, sztywność, stabilność wymiarowa oraz wysoka wytrzymałość i odporność na hydrolizę. Cechą charakterystyczną wszystkich poliamidów jest obniżenie wytrzymałości pod wpływem zaabsorbowanej wilgoci. W przypadku Grivory jest to kwestia marginalna, a części wykonane z tego materiału nie wymagają sezonowania. Niespotkany charakter tych materiałów powoduje, że można wykorzystać Grivory w aplikacjach w których PW inne tworzywa nie sprostałyby ekstremalnym warunkom pracy- pod maską samochodu, w kontakcie z gorącą wodą, pracy pod obciążeniem lub kontakcie z chemikaliami. Dzięki zastąpieniu metalu poliftalamidami: redukujemy masę wyrobu i jego cenę unikamy obróbki końcowej wyrobu otrzymujemy wysoką jakość powierzchni i barwienie w masie doskonała sztywność/wytrzymałość w wysokich temperaturach Wszystkie te argumenty sprawiają, że zarówno w Polsce jak i na całym świecie powstaje coraz więcej projektów związanych bezpośrednio z zastępowaniem części metalowych częściami wykonanymi z Grivory. 12 POLIMER 2011

13 WYDZIAŁ INŻYNIERII PRODUKCJI Zakład Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych Efektywność produkcji wyrobów wtryskiwanych z tworzyw sztucznych Mgr inż. Henryk Zawistowski PLASTECH, Politechnika Warszawska We współczesnym przemyśle pojęcie efektywność produkcji jest nierozdzielnie związane z polityką jakości. Polityka ta określa sposoby zachowania i kontroli powtarzalności ściśle określonych warunków produkcji, gwarantujących powtarzalność jakości efektywność produkcji jest wartością wynikową. W tej sytuacji zwiększenie efektywności może odbywać się albo kosztem świadomego obniżenia jakości, albo metodą eliminacji przestojów, nieoczekiwanych awarii itp. Warunkiem obecności na rynku jest konkurencyjność cenowa. Wymaga to jednak działania systemowego, które polega na stałym inwestowaniu w rozwój produktu, począwszy od zmiany konstrukcji wyrobu, zastosowania nowych materiałów i bardziej wydajnych form, aż do wprowadzenia gniazd produkcyjnych i nowej organizacji pracy i nadzoru. W krajach rozwiniętych technicznie wdrażaniem nowego, kompleksowego projektu zajmują się wyspecjalizowane biura inżynierskie. Wymaga to współpracy projektantów z producentami tworzyw, wyspecjalizowanymi narzędziowniami, producentami wtryskarek i wyposażenia oraz z uczelniami technicznymi. Produktem finalnym jest gotowe gniazdo produkcyjne, gwarantujące terminowość uruchomienia i jakość wyrobów. Rozwiązaniem częściowym jest zakup takiego gniazda, ale tylko u renomowanego producenta wtryskarek. Uzyskanie wzrostu efektywności wymaga bardzo dużych nakładów, lecz w dzisiejszej sytuacji rynkowej kto nie inwestuje, ten ginie. Typowe u nas sporadyczne działania naprawcze, polegające np. wyłącznie na zakupie nowej (możliwie taniej) wtryskarki, nie połączone z wymianą starej formy, są tylko świadectwem ignorancji technicznej. W świecie przemysłu obowiązuje dzisiaj żelazna zasada: nie jest ważne, jakie są koszty, lecz to, kiedy się zamortyzują. Niezależnie od spraw technicznych, nieuniknione są zmiany organizacyjne. Dla zapewnienia stałego wzrostu zysków przy zachowaniu założonej jakości stworzono systemy filozofie zarządzania, takie jak TQM, Six-Sigma, a zwłaszcza Lean Manufacturing. 20 kwietnia

14 POLITECHNIKA WARSZAWSKA Koło Naukowe Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych POLIMER Zastosowanie ultradźwięków w przetwórstwie tworzyw sztucznych Dr inż. Tomasz Rusiecki Sonictech Technologia zgrzewania ultradźwiękowego jest powszechnie stosowana w wielu gałęziach przemysłu tj. motoryzacji, medycynie, AGD, opakowaniach, tekstyliach, elektrotechnice itd. W wyniku rozpowszechnienia się zastosowań tworzyw sztucznych w ostatnich trzech dekadach, zgrzewanie za pomocą ultradźwięków stało się jednym z najważniejszych procesów ich łączenia. Do podstawowych zalet zgrzewania ultradźwiękowego należą: - energooszczędność, - nieszkodliwość dla środowiska, eliminacja trujących klejów i rozpuszczalników, - krótki czas łączenia (ułamek sekundy), - duża wydajność, - wygodny i czysty sposób łączenia, - łączone powierzchnie nie muszą być idealnie czyste, - możliwość łączenia różnych materiałów. W przypadku zgrzewania ultradźwiękowego bardzo istotne jest, aby zastosowane urządzenie zapewniało odpowiednią dla danej aplikacji jakość, wytrzymałość i powtarzalność połączeń. W przeciwnym wypadku pozorna oszczędność polegająca na zakupie tańszej zgrzewarki, przysporzy ogromnych problemów w trakcie produkcji w postaci dużej brakowości i nie terminowej realizacji zleceń. Wybór odpowiedniej zgrzewarki dla konkretnej aplikacji nie może być przypadkowy, dlatego wymaga wiedzy i doświadczenia. Każdorazowo należy określić optymalną częstotliwość roboczą (20-40 khz), amplitudę drgań, moc urządzenia oraz jego rozwiązania konstrukcyjne, wymagany stopień zaawansowania pod względem możliwości sterowania procesem jak również zaprojektować i wykonać odpowiednie narzędzie (sonotrodę). Tabela1. Przegląd programów roboczych zaawansowanej zgrzewarki ultradźwiękowej. Tryb pracy Zasada działania Czas t [s] Czas generowania ultradźwięków - proste aplikacje; łatwość użycia; mała powtarzalność Energia W [J] Energia zużyta w trakcie działania ultradźwięków - łączenie elementów bez spoiny (wyroby wytłaczane, filmy, tekstylia) Moc P [W] Moc maksymalna pobrana w trakcie działania ultradźwięków, - łączenie punktowe, nitowanie Głębokość DRM [mm] Droga względna zagłębienia w detal podczas zgrzewania - łączenie sztywnych wyrobów z zaprojektowaną drogą zgrzewania; duża powtarzalność Dystans ABS [mm] Droga absolutna ograniczona zadaną wysokością pracy narzędzia - łączenie detali precyzyjnych o określonej wysokości (układy scalone, baterie laptopów) Nie bez znaczenia jest również znajomość właściwości mechanicznych i reologicznych tworzyw sztucznych, co wraz ze zrozumieniem zasady działania zgrzewarek ultradźwiękowych pozwala na dobór odpowiednich parametrów zgrzewania także ze względu na rodzaj łączonych tworzyw. 14 POLIMER 2011

15 WYDZIAŁ INŻYNIERII PRODUKCJI Zakład Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych Tworzywo Częstotliwość - Amplituda 35 khz 20 khz ABS 14 μm 25 μm PMMA 16 μm 28 μm PC 20 μm 30 μm PP 26 μm 38 μm POM 32 μm 40 μm PA 6,6 35 μm 45 μm Zgrzewarki do łączenia tworzyw sztucznych działają na zasadzie dostarczenia dużej dawki energii mechanicznej do materiałów umieszczonych między drgającym narzędziem (sonotrodą) a kowadłem. Energia ultradźwiękowa wydzielana na styku łączonych materiałów wywołuje miejscowe podgrzanie i uplastycznienie tworzywa na skutek tarcia między łączonymi powierzchniami, co przy odpowiedniej sile docisku prowadzi do ich trwałego połączenia. Charakter połączenia zależny jest od spajanych materiałów. Najczęściej zachodzi miejscowe przetopienie i zmieszanie łączonych materiałów, ale również możemy mieć do czynienia ze zjawiskiem adhezji i mikropołączeń mechanicznych polegających na wtłoczeniu cząstek materiału uplastycznionego w pory materiału nie uplastycznionego. Wyżej opisany mechanizm pozwala na szerokie spektrum zastosowań ultradźwięków w przetwórstwie tworzyw sztucznych, obejmujące: - zgrzewanie, a) łączenie detali konstrukcyjnych b) łączenie tekstyliów c) łączenie filców/włóknin i detali konstrukcyjnych - nitowanie, - osadzanie/wtapianie, - drążenie (w tym łączenie płyt), - cięcie. 20 kwietnia

16 POLITECHNIKA WARSZAWSKA Koło Naukowe Przetwórstwa Tworzyw Sztucznych POLIMER Projektowanie połączeń wciskowych Mgr inż. Szymon Zięba Politechnika Warszawska, Warszawa Połączenie wciskowe powstaje w wyniku montażu części o większym wymiarze zewnętrznym(np. czop wałka) z częścią obejmującą(oprawą) o mniejszym wymiarze wewnętrznym. Podstawowym parametrem charakteryzującym połączenia wciskowe jest tzw. luz ujemny. Przy montażu połączenia w obu częściach powstają odkształcenia sprężyste wywołujące docisk na powierzchniach styku. Dzięki temu jest możliwe przenoszenie obciążeń przez to połączenie(siły wzdłużnej lub momentu skręcającego). W przypadku łączenia elementów wykonanych z tworzywa z elementami metalowymi przyjmuje się, że całe odkształcenie odnosi się do elementu wykonanego z tworzywa. Połączenia wciskowe charakteryzują się nieskomplikowaną konstrukcją, niskim kosztem wykonania oraz prostotą elementów przewidzianych do łączenia. Technologia ta jest bardzo często stosowana w połączeniu metal-tworzywo takich jak: osadzenie koła zębatego wykonanego z tworzywa na wałku metalowym, złączek napędowych np. łańcuchów do napędu przenośników, wiatraków chłodzących silniki, pozycjonowania różnych elementów i tym podobnych. Innym ważnym zastosowaniem jest osadzanie łożysk ślizgowych wykonanych z tworzywa i osadzonych w obudowach metalowych. Połączenia wciskowe mają następujące zalety w porównaniu do innych rodzajów połączeń: - prostota projektowania, - prostota montażu, - trwałość połączeń, - dokładną współosiowość części łączonych. Wady: - znaczne naprężenia montażowe. Takie połączenia mają mniejszą zdolność do przenoszenia sił i momentów niż elementy wykonane z metalu, jednak prostota konstrukcji oraz niższe koszty wykonania powodują, że tego typu rozwiązania stosuje się coraz częściej. Projektowane połączenia wciskowe muszą przenosić założone siły zewnętrzne(lub momenty) w ten sposób aby nie występował poślizg pomiędzy powierzchniami stykającymi się. Stosując odpowiedni wcisk doprowadzamy do dokładnego dopasowania się powierzchni współpracujących poprzez sprężyste odkształcenie się łączonych elementów. Wielkość sił przenoszonych przez połączenie wciskowe zależy od typu połączenia wciskowego oraz od współczynnika tarcia pomiędzy powierzchniami kontaktowymi. Typ połączenia wciskowego zależy od luzu min. i luzu max. pomiędzy otworem a wałkiem. Jeżeli z obliczenia wynika dla lmin wartość ujemna(luz ujemny) to mamy do czynienia z połączeniem wciskanym. Stosując te zasady konstruktor połączenia jest w stanie sprawdzić czy projektowanie połączenie spełni przyjęte założenia. Parametrami wyjściowymi do projektowania połączeń wciskowych są: - współczynnik tarcia pomiędzy łączonymi elementami μ 0, - różnica wymiarowa średnic łączonych elementów l (wielkość luzu l min ), - moduł relaksacji, zależny od czasu E r(t). 16 POLIMER 2011