LABORATORIUM z PRZEDMIOTU TECHNOLOGIE MATERIAŁOWE Instrukcja laboratoryjna do ćwiczenia nr 3 Technologia kształtowania wyrobów z tworzyw sztucznych SPIS TREŚCI 1. Cel i zakres ćwiczenia.. 2 2. Tematyka ćwiczenia. 2 2.1. Charakterystyka wyrobów z tworzyw sztucznych.. 2 2.2. Dobór tworzywa polimerowego na wyroby określonego przeznaczenia...... 4 2.3. Technologiczność konstrukcji wyrobów z tworzyw sztucznych.... 7 2.4. Charakterystyka wad występujących w procesie formowania wyrobów z tworzyw sztucznych...... 7 3. Przebieg ćwiczenia... 8 3.1. Dobór materiału dla przykładowego wyrobu formowanego różnymi metodami... 8 3.2.Wybór metody formowania. Określenie optymalnych parametrów technologicznych formowania dla przykładowego wyrobu.... 8 3.3. Opis wad otrzymanego wyrobu i propozycje sposobów ich usuwania.... 9 4. Literatura.. 9
1. Cel i zakres ćwiczenia Ćwiczenie ma na celu zapoznanie studentów z inżynierskimi podstawami kształtowania wyrobów z tworzyw polimerowych na przykładzie metody wtryskiwania wysokociśnieniowego tworzyw termoplastycznych. Zakres ćwiczenia obejmuje: charakterystykę wyrobów z tworzyw sztucznych, dobór materiału na wyroby z tworzyw sztucznych, technologiczność konstrukcji wyprasek, określenie optymalnych parametrów dla wytwarzanego wyrobu, charakterystyka wad występujących w procesie formowania, opisanie wad otrzymanego wyrobu i zaproponowanie sposobów ich usunięcia. 2. Tematyka ćwiczenia 2. 1. Charakterystyka wyrobów z tworzyw sztucznych Wyroby z tworzyw sztucznych produkowane są na skalę przemysłową od ponad 100 lat. Ze względu na dużą różnorodność polimerów i ich właściwości, wyroby z tworzyw sztucznych można spotkać w każdej dziedzinie życia. Metody przetwórstwa tworzyw polimerowych rozwinęły się szczególnie w drugiej połowie XX wieku. Wyroby z tworzyw sztucznych można podzielić na: bryłowe, ciągłe, porowate, piankowe, zespolone. Wyroby bryłowe mają stały kształt i masę rzędu od 10-3 gram (mikrowyroby - np. koło zębate w zegarku) do 10 6 gram (makrowyroby np. kadłuby 15 metrowych łodzi motorowych wykonanych z laminatu). Wyroby ciągłe (wstęgowe) maja stały kształt przekroju poprzecznego, ale ich długość (czyli jeden z ich wymiarów liniowych) jest zmienna (np. rury, węże, płyty, uszczelki, folie). Wyroby porowate otrzymywane są poprzez dodanie w procesie produkcji do tworzywa podstawowego specjalnego dodatku - spieniacza, który powoduje powstanie struktury komórkowej wyrobu (styropian). Wyroby piankowe otrzymywane są w procesie chemicznym spieniania poprzez dodanie do żywicy związku chemicznego spieniacza. Odbywa się to podczas procesu mieszania. Wyroby te mogą mieć postać bryłową lub ciągłą. Cechą charakterystyczną wyrobów piankowych jest ich zmienna gęstość. Wyroby zespolone to takie, które zawierają co najmniej dwa różne materiały połączone ze sobą na stałe, w sposób nierozłączny (np. podzespoły elektroniczne i elektryczne, motoryzacyjne). Przykłady wyrobów z tworzyw sztucznych przedstawiono na rysunku 1.
a) otrzymywanych metodą wtryskiwania: b) otrzymywanych metodą wytłaczania: Rys. 1. Przykładowe wyroby otrzymywane z różnego rodzaju tworzyw sztucznych
Wyroby z tworzyw sztucznych wytwarza się z zastosowaniem określonych metod. Przykłady wyrobów oraz metody ich wytwarzania przedstawia tabela 1. Tabela 1. Przykłady wyrobów oraz metody ich wytwarzania. Metoda Otrzymywane wyroby wytwarzania Wtryskiwanie Wyroby bryłowe o różnej masie (np. kształtki techniczne, dla Wytłaczanie Wytłaczanie z rozdmuchem Rozdmuchiwanie Kalandrowanie Odlewanie budownictwa, obudowy sprzętu AGD oraz dla przemysłu elektronicznego, wyroby medyczne). Folie płaskie i rękawowe, płyty (lite, wielowarstwowe, spieniane), profile budowlane, listwy, kształtowniki, rury, węże, izolacje kabli, pręty, uszczelki wstęgowe. Opakowania i pojemniki (butelki, fiolki, beczki), zabawki. Uwaga: metodą tą pojemniki otrzymuje się przez rozdmuchiwanie rękawa foliowego, wytworzonego wcześniej za pomocą metody wytłaczania. Jest to połączenie dwóch metod przetwórstwa tworzyw sztucznych i zazwyczaj realizowane jest na jednym stanowisku produkcyjnym. Pojemniki (uwaga: metodą tą pojemniki wytwarzane są w dwóch etapach z tzw. preform otrzymanych wcześniej metodą wtryskiwania. Rozdmuchiwanie jest drugim etapem wytwarzania pojemników). Obie metody mogą być realizowane na jednym stanowisku produkcyjnym lub mogą być rozłączne (realizowane na dwóch osobnych stanowiskach). Folie, wykładziny podłogowe, tapety. Wyroby bryłowe, wyroby puste wewnątrz, folie, zalewanie żywicą części elektronicznych. Termoformowanie Tace, kubki, naczynia jednorazowego użytku. Laminowanie Prasowanie Korpusy, kadłuby (np. łodzi), kontenery. Wyroby bryłowe (kształtki techniczne, wyroby dla przemysłu elektrotechnicznego (izolatory), płyty. 2.2. Dobór tworzywa polimerowego na wyroby określonego przeznaczenia Do rodziny materiałów polimerowych zaliczamy takie tworzywa, w składzie których można wyodrębnić cząstkę podstawową (związek chemiczny) zwaną merem, która w kontrolowanym procesie chemicznym tworzy makrocząsteczkę. Makrocząsteczki mogą być
jednorodne (homopolimery) lub wieloskładnikowe (kopolimery). Polimery mogą tworzyć stopy, mieszanki oraz kompozyty (rys. 2). MER (podstawowa cząstka chemiczna) POLIMER (makrocząsteczka stworzona z merów) HOMOPOLIMER KOMOPOLIMER STOPY POLIMEROWE (co najmniej dwuskładnikowe) KOMPOZYTY POLIMEROWE (o osnowie polimerowej, zbrojone cząstkami lub włóknami) Rys. 2. Różne postaci materiałów polimerowych Sposoby klasyfikacji tworzyw polimerowych: 1. Klasyfikacja polimerów ze względu na procesy zachodzące podczas formowania (klasyfikacja wg Fishera): termoplasty jest to grupa tworzyw, które pod wpływem wzrastającej temperatury (ogrzewania) topnieją i przechodzą w stan ciekły (w którym odbywa się formowane różnych wyrobów), a następnie po ochłodzeniu przechodzą w stan stały. Jest to proces odwracalny. Tworzywa termoplastyczne nadają się do wielokrotnego przetwórstwa (recyklingu). duroplasty jest to grupa tworzyw, które pod wpływem temperatury lub związku chemicznego tworzą trwałe wewnętrzne wiązania (sieciują) - przechodząc jednocześnie w stan stały. Jest to proces nieodwracalny.
2. Klasyfikacja materiałów polimerowych ze względu na zastosowanie: farby, lakiery, powłoki antykorozyjne, kleje, kity, lepiszcza, masy szpachlowe, włókna, tkaniny, pianki (polimery o strukturze komórkowej), materiały lite (wyroby bryłowe lub ciągłe). W ramach każdej z grup tworzyw polimerowych można otrzymać różne odmiany tego samego polimeru poprzez zastosowanie różnego rodzaju modyfikatorów - specjalnych związków chemicznych dodawanych do polimeru w małej ilości (0,2 10%), nadających mu charakterystyczne cechy i właściwości. Najczęściej stosowane dodatki (czyli modyfikatory) do tworzyw sztucznych to: katalizatory, inhibitory, stabilizatory, plastyfikatory, barwniki i pigmenty, rozjaśniacze, antypiryny (opóźniacze palenia), porofory, środki smarne, antystatyki. Inną grupą dodatków zmieniających właściwości tworzyw sztucznych są to napełniacze. Na bazie napełniaczy do polimerów można wytwarzać kompozyty, w których osnową jest polimer a zbrojeniem włókno (np. szklane, węglowe, aramidowe, borowe) lub cząstki (kredy, ceramiki, miki, itp.) Udział zbrojenia w kompozycie może wynosić od 10 do 70%. Rodzaj i udział zbrojenia ma decydujący wpływ na własności fizyczne wyrobów kompozytowych otrzymywanych z polimerów. Dobór rodzaju polimeru na określony wyrób zdeterminowany jest przyjętą metodą wytwarzania. Z uwagi na ograniczenie czasu trwania laboratorium, w dalszej części instrukcji przedstawione zostaną zasady doboru tworzywa sztucznego na wypraski wytworzone metodą wtryskiwania. Przy doborze materiału polimerowego na wyroby kształtowane metodą wtryskiwania należy uwzględnić następujące czynniki: dopuszczalny przedział długotrwałego obciążenia termicznego wyrobu, maksymalna temperatura pracy ciągłej, maksymalna temperatura pracy krótkotrwałej, rodzaj obciążenia mechanicznego (stałe, zmienne), typ naprężeń wynikający z obciążenia (rozciąganie, zginanie, skręcanie, ścinanie), wymagana twardość powierzchni, odporność na uderzenia, odporność na odkształcenia (dopuszczalne odkształcenia w określonej temperaturze), odporność elektryczna, ścieralność, zużycie cierne, współczynnik tarcia, chłonność wody.
2.3. Technologiczność konstrukcji wyrobów z tworzyw sztucznych Technologiczność wyrobu to proces polegający na wprowadzeniu do konstrukcji wyrobu modyfikacji kształtu wyrobu (określonych pochyleń, żeberek, itp.) umożliwiających jego wykonanie lub poprawiających warunki formowania wyrobu tak, aby otrzymany wyrób był jak najwyższej jakości. Podstawowe cechy decydujące o technologiczności wyrobu: wyrób musi mieć możliwość uformowania i rozformowania. (np. wyrób ma płaszczyznę podziału, która dzieli go na część matrycową i stemplową), pochylenia technologiczne, stałą lub płynnie zmieniająca się grubość ścianki, odpowiednią grubość ścianki, nie mniejszą od dopuszczalnej dla danego tworzywa, wzmocnienia w postaci żeberek. 2.4. Charakterystyka wad występujących w procesie formowania wyrobów z tworzyw sztucznych Wady wyrobu można podzielić na kategorie: wady kształtu, wady powierzchni, wady technologiczne. Pod pojęciem jakość wyrobów rozumiemy szereg cech wyrobu, z których najważniejsze to: stabilność wymiarów geometrycznych wyrobu w ramach przyjętego pola tolerancji, stabilna masa wyrobu, wytrzymałość mechaniczna określona w karcie wyrobu, dopuszczalne odkształcenia podczas eksploatacji, stan powierzchni (linie łączenia smugi zapady). Głównymi przyczynami powstawania wad wyrobów jest: projekt wyrobu (nie technologiczna konstrukcja), wady konstrukcyjne narzędzia (formy), źle dobrany materiał (polimer), źle dobrana maszyna, nieprawidłowy proces technologiczny, nieprawidłowa eksploatacja wyrobu. Kryteria oceny jakości geometryczne (wymiarowe, kształtowe), materiałowe (strukturalne, masowe) wytrzymałościowe, organoleptyczne, reologiczne, technologiczne.
3. Przebieg ćwiczenia 3.1. Dobór materiału dla przykładowego wyrobu formowanego za pomocą różnych metod W oparciu o charakterystykę materiałów podaną w materiałach pomocniczych do ćwiczeń określ według kryterium użytkowego najlepszy materiał i jego zamiennik na wskazany wyrób przez prowadzącego z tworzywa sztucznego. Tabela 2. Dobór optymalnego tworzywa parametry nazwa eksploatacyjne wyrobu parametr wartość jedn. maksymalna temp. ciągłej pracy rodzaj obciążenia i naprężenia max. twardość udarność odporność elektryczna odkształcenie przy zerwaniu klasa niepalności chłonność wody Uzasadnienie wyboru: tworzywo najlepsze (polimer 1) tworzywo dopuszczalne (polimer 2) 3.2. Wybór metody formowania. Określenie optymalnych parametrów technologicznych formowania dla przykładowego wyrobu W oparciu o literaturę dokonać wyboru technologii formowania przykładowego wyrobu i określić podstawowe parametry technologiczne formowania. Tabela 3. Dobór parametrów technologicznych formowania dla przykładowego wyrobu podstawowe parametry technologiczne nazwa polimer temperatura ciśnienie pozostałe pozostałe wyrobu tworzywa formowania 1 2 temperatura formy lub głowicy czas chłodzenia/ grzania
3.3. Opis wad otrzymanego wyrobu i propozycje sposobów ich usunięcia Dokonaj oceny jakości otrzymanego wyrobu z tworzywa sztucznego na podstawie kryterium organoleptycznego i wskaż sposób usunięcia wady. Tabela 4. Opis wad występujących w wyrobie i metod ich usuwania Nazwa Opis zaobserwowanych wad wyrobu wady powierzchni wady kształtu wady technologiczne wady pozostałe Sposoby usunięcia wad poprzez: zmianę parametrów technologicznych zmiany w konstrukcji narzędzia poprawę kształtu wyrobu 4. Literatura 1. Sikora R. Przetwórstwo tworzyw wielkocząsteczkowych, PWN Warszawa, 1994, 2. Saechtling Tworzywa Sztuczne poradnik, WNT, Warszawa, 2000, 3. Zawistowski H., Frenkler D. Konstrukcja form wtryskowych do tworzyw termoplastycznych, WNT, Warszawa, 1984.