A fröccsöntés technológiájának fejlődése – Történeti áttekintés

Jelen korunk rohanó világában már elképzelhetetlen lenne bármely iparterület a tömegtermelés nélkül. Nincs ez másképp a műanyagipar sem, ahol a két legfontosabb termelési technológia az extrúzió illetve a fröccsöntés. Cikksorozatunkban a fröccsöntésbe, mint az egyik legfontosabb műanyag feldolgozó technológiába szeretnénk betekintést adni. Véleményem szerint egy jelen kori technológia ismertetése és megértése nehézzé, benne való elmélyülés pedig sokszor lehetetlenné válik a múlt megfelelő ismerete nélkül. Ebből következően először a fröccsöntés technológiai fejlődését tekintenénk át.

A műanyagok szerves részét képezik mindennapi életünknek. Ha kicsit is körülnézünk a környezetünkben, hamar rájöhetünk, hogy műanyagok nélkül nehézkessé válna életünk, egyes problémák megoldhatatlanná válnának. Bele sem gondolunk abba, hogy a műanyagok előállítása és ilyen szinten való alkalmazása mindössze az elmúlt körülbelül 150 év vívmánya. Az 1800-as évek első felében legelőször főként a természetben is megtalálható polimer láncok kinyerésével és azok esetleges módosításával jutottak alkalmazható műanyagokhoz, míg az 1900-as években már a kőolaj alapú műanyagok nyertek egyre bővülő teret. Napjainkban a kisebb műanyag előállító üzemek is az alapanyagok széles választékát (polimer típusa, szín, tulajdonságok) nyújtják.

Froccsontes_abra_1

Napjainkban már a műanyagok széles választéka érhető el

Fontos megjegyezni, hogy a szakzsargon gyakran ekvivalens fogalomként kezeli a makromolekula, a polimer és a műanyag kifejezéseket, érdemes tehát pontosan definiálni ezeket. A makromolekula azonos építőelemekből, ismétlődő egységekből felépített szerves, vagy szervetlen molekula, amelynek molekulatömege általában nagyobb, mint 5000 g/mol. A polimer kifejezés alatt a makromolekulák összességét értjük, míg a műanyag definíció szerint a már egyéb anyagokat (adalékokat és társító anyagokat) is tartalmazó polimer.

Belátható, hogy a műanyagok felfedezése és egyre nagyobb térhódítása az egyik legfontosabb húzóerőt jelentette a műanyag feldolgozó technológiák kifejlesztésében és tökéletesítésében. John Wesley Hyatt munkásságának köszönhetően 1868-ban sikerült előállítani a kámforral társított cellulóz-nitrátot, mely a hajlékony celluloid filmek hordozójának prototípusaként szolgált. Hamarosan a felfedezett műanyagot – nagyfokú gyúlékonysága ellenére – hétköznapi használati tárgyak alapanyagaként használták.

Froccsontes_abra_2

Cellulóz-nitrátból készült használati tárgyak

A felfedezést követően felmerült tehát az igény a rendelkezésre álló műanyag gyors és egyszerű feldolgozására, melyre 1872-ben a Hyatt fivérek találtak megoldást, melynek alapjául az Amerikai Egyesült Államokban 1849-ben készített, könnyűfémek feldolgozására alkalmas berendezés szolgált. A relatíve egyszerű szerkezet egy dugattyúból és egy fűthető hengerből állt. A betöltött műanyagot a megömlést követően a dugattyú segítségével továbbították az akkor még kezdetleges, mindössze két részből álló szerszámba. Ezzel a technológiával állítottak elő például gombokat, fésűket és akár billiárd golyókat is.

Froccsontes_abra_3

A Hyatt fivérek Pyroxyline (cellulóz-nitrát) előállítására alkalmas berendezésének szabadalmi melléklete

A Hyatt fivérek által kifejlesztett berendezés nagyon sokáig egyeduralkodó volt a műanyag feldolgozás területén. 1919-ben Eichengrün továbbfejlesztette a dugattyús fröccsöntő gép fúvókájának kialakítását, mely már nagyban hasonlított a napjainkban is alkalmazottakhoz. Az igazi mérföldkövet viszont Eckert és Ziegler által 1926-ban kifejlesztett termelőeszköz jelentette, mely már horizontális elhelyezkedésű volt. A nagy számban előállított gyártóberendezés dugattyúját sűrített levegővel működtették, míg a szerszám zárását kézi erővel (megfelelően nagy áttétel segítségével) oldották meg. Hyatt fivérek berendezéséhez képest további fejlesztést jelentett a torpedó megjelenése, mellyel a jobb hőátadás biztosításával termelékenyebben (nagyobb megömlesztési kapacitás mellett) tudtak termelni. Megjegyzendő, hogy ezek a fröccsöntő gépek még mindig nagyon kicsi, mintegy 50 grammos fröccsöntési kapacitással tudtak termelni.

1933-ban Franz Braun készítette el az első teljesen automatikus fröccsöntő gépet. A gép elektromos meghajtással rendelkezett, a szerszámok zárását könyökemelős mechanizmussal oldották meg. A motorokat relékkel szabályozták, a fröccsöntés legfontosabb időparamétereit pedig manuálisan lehetett beállítani. Az 1930-as évek vége felé kezdtek megjelenni a hidraulikus meghajtású fröccsöntő gépek is, melyek könnyebb szabályozhatóságuk miatt egyre nagyobb teret nyertek a műanyag feldolgozás területén. Érdekességként megjegyzendő, hogy a hidraulikus szelepeket kezdetben még manuálisan állították, így a technológia fröccsöntő gép kezelőjének folyamatos figyelmét igényelte.

Froccsontes_abra_4

Torpedóval ellátott fröccsöntő gép sematikus ábrája

1946-ban James Watson Hendry építette meg az első csigás előplasztikálással rendelkező dugattyús fröccsöntő berendezést. A berendezés működése során a csiga által megömlesztett műanyagot egy dugattyúhoz továbbította, majd ennek segítségével az ömledéket a szerszámba juttatták. A felfedezés forradalmasította a műanyag feldolgozást, hisz a csigás plasztikálással gyorsabban, kisebb energia befektetéssel, jobb ömledék homogenitás mellett lehetett dolgozni. A nagyobb nyírásnak köszönhető jobb keveredés miatt már társító és töltő anyagok hozzáadására is sor kerülhetett.

Froccsontes_abra_5

James W. Hendry 1946-ban szabadalmaztatott fröccsöntő gépe

Hedry felfedezését követően gyakorlatilag már csak egyetlenegy lépés választotta el a műanyagipart a jelenlegi feldolgozási technológia alapjaitól. 1952-ben William Willert fedezte fel a csigadugattyús fröccsöntő gépet, melyben a csiga már nem csak a műanyag megömlesztését látta el, hanem a dugattyú feladatkörét is átvette.  A csiga forgómozgása által létrehozott frikció és a külső fűtés által megömlesztett műanyag a csigát hátratolja, majd a szerszám kitöltése a csiga forgásának megszűntetését követő előre való elmozdulással történik meg. (A fröccsöntés teljes ciklusleírását egy későbbi cikk folyamán tárgyaljuk.)

Megjegyzendő, hogy a csigadugattyús fröccsöntő gépek felfedezését egyes források Hans Beck nevéhez kötik, aki elvileg 1943 már benyújtotta szabadalmi kérelmét, ám a háborús viszonyok miatt azt csak 1952-ben tárta a nagyközönség elé.

Froccsontes_abra_6

W. Willert fröccsöntő gépe

Willert felfedezésével természetesen nem állt meg a fröccsöntés technológiájának fejlődése. A 19. század második felében egyre bonyolultabb szerszámkonstrukciók, az ömledék visszaáramlását gátló zárógyűrűvel rendelkező csigacsúcs, egyre jobb minőségű és felépítésű csigák, korszerűbb meghajtások és zárószerkezetek jelentek meg. Egyúttal kijelenthető, hogy a fröccsöntés technológiai fejlődése mind a mai napig tart.

Froccsontes_abra_7

Láthattuk tehát, hogy a polimerek megjelenése és egyre nagyobb térhódítása hogyan kényszerítette ki a műanyag feldolgozó gépek (köztük kiemelve a fröccsöntő gépek) nagymértékű fejlődését. A Hyatt fivérek egyszerű dugattyús fröccsöntő gépétől mindössze 150 év alatt a műanyagipar eljutott arra a szintre, hogy a korszerű berendezésekkel a tömeg- vagy akár műszaki műanyagok is kiváló minőségben, igen nagy pontossággal és termelési kapacitással alkalmazhatók műanyag termékek előállítására, ezzel megkönnyítve mindennapi életünket.

Források:

Römpp: Vegyészeti lexikon, Műszaki Könyvkiadó, Budapest (1960)

www.ipcpolymers.ie/gfx/01.jpg

www.avplastics.co.uk/a-short-history-of-injection-moulding

blog.nmai.si.edu/.a/6a01156f5f4ba1970b0120a58beb5c970c-800wi

patentimages.storage.googleapis.com/pages/US133229-1.png

patentimages.storage.googleapis.com/US7122146B2/US07122146-20061017-D00001.png

www.avplastics.co.uk/wp-content/uploads/2012/04/Hendry-Injection-Moulding-Machine.jpg?537774

www.ptonline.com/cdn/cms/Willert-Injection-Moulding-Machine.jpg

lab.vogelitalia.it/wp-content/uploads/2015/05/arburg_30441-02-570h_packaging.jpg