A polimerek szívének meglágyításához vezető út – A fröccsöntő csigák

A műanyagok feldolgozásakor mindig körültekintően kell eljárnunk, hisz külső tényezők (hő, nyírás, oxigén jelenléte) degradációt okozhatnak, mely a tulajdonságok nagymértékű romlásához vezethet. A degradáció elkerülésére a polimereket leggyakrabban adalékolják, de nem megfelelő feldolgozási paraméterek mellett már ezek sem képesek meggátolni az esetleges lánctördelődést, térháló pontok kialakulását, vagy az oxidatív csoportok megjelenését. Belátható tehát, hogy a műanyag feldolgozás során nagy hangsúlyt kell fektetni a berendezés és a beállított paraméterek megfelelő kiválasztására. Jelen cikkünkben a fröccsöntés során a műanyagok megömlesztésére leggyakrabban alkalmazott csigatípusokat és azok felépítését tárgyaljuk.

A csigák kialakításához minden esetben olyan acélt használnak fel, melynek kiváló a korrózióállósága, hőállósága, szilárdsága és szívóssága, habár mindezek mellett általában a kopásállóságuk csekély. A műanyagok feldolgozásakor jelentkező koptató hatás (mely fokozottan jelentkezik üvegszállal vagy ásványi töltőanyaggal rendelkező rendszerekben) csökkentése érdekében a csigákat minden esetben felületkezelési eljárásoknak vetik alá. Leggyakrabban nitridált, de emellett krómozott, nikkelezett, porszórással keményített és akár teljesen átedzett csigákkal is találkozhatunk. A választott eljárással a csigák felületi keménységét 60 – 70 HRC értékre állítják be. A felületkezelési eljárásokról részletesebb leírás korábbi cikkünkben olvasható.

A csigáknak három fő részét különböztetjük meg, úgymint a csiga befogási szakasza, maga a csiga rész, illetve a legtöbb esetben visszaáramlásgátlóval ellátott csigacsúcs. Manapság már nagyon ritkán találhatunk olyan fröccsöntő gépet, amelyben ne használnának valamilyen keverőelemet az ömledék megfelelő homogenitásának elérése érdekében. Ennek egyik típusa magának a csigának egy szakaszát alkotja, így ma már a leggyakrabban használt csigákat a keverőelemmel együtt négy részre tudjuk osztani. Nézzük meg ezek felépítését és funkcióját külön-külön!

Csiga_abra_1

A Krauss-Maffei cég által gyártott fröccsöntő csigán jól megfigyelhető a négy legfontosabb szakasz: befogás, csiga, dinamikus keverőelem, csigacsúcs

A befogást a csigakialakítástól függetlenül leggyakrabban bordás tengellyel oldják meg, habár egyes gyártók ettől eltérő egyedi megoldásokat is alkalmazhatnak. A bordás tengely alkalmazásának előnye a könnyű kialakíthatósága és jó alkalmazhatósága a csiga forgó és vízszintes irányú mozgatását illetően.

Mielőtt belevágnánk a következő részbe fontos megemlíteni a csigával történő műanyag feldolgozás alapkritériumát, amely kimondja, hogy adott műanyag csak akkor dolgozható fel adott gépen, hogyha annak tapadása a henger felületén nagyobb, mint a csigán. (Röviden: az anyag a csigán csússzon meg.) Ha ez valamilyen oknál fogva nem teljesül, akkor a tapadást a henger felületének érdesítésével, illetve a csiga hűtésével javíthatjuk.

A második és egyben az egyik legfontosabb részt, a csiga szakaszt, további három részre bonthatjuk: szilárdanyag szállítási, kompressziós, illetve az ömledékszállítási zónára. Ezek együttes hossza általában az átmérő 20-szorosa (L/D = 20), melyek közül az első zóna körülbelül 8D a második 7D, az utolsó pedig 5D hosszúságú. A legelső szakasz feladata a garaton érkező szilárd granulátum szállítása a kompressziós szakasz felé. A kompressziós szakaszban a granulátumok tömörülése, és az ezzel együtt bekövetkező megömlés is lejátszódik, miközben a szilárd granulátumok között található levegő a garat irányában távozik. Itt fontos kitérni arra is, hogy a műanyagok megömléséhez szükséges hő három fő forrásból származik: az anyag hőtartalmából, külső fűtésből (hengerfűtés) és végül a legfontosabb, a frikciós hőből (súrlódásból eredő hőmennyiség). A műanyagok területén jártas ipari szakemberek gyakran felemlegetett példája a frikciós hő nagyságának bizonyítására, hogy egy stacioner állapotban működő extruder a külső fűtés lekapcsolását követően is stabilan tovább üzemeltethető a frikciónak köszönhetően. Ezen állítással kapcsolatban a szakemberek véleménye erőteljesen megoszlik, személy szerint pedig én még ilyen „önfűtő” extruderrel nem találkoztam. (Az extruziós technológiára való áttérést csak a példa kívánta, a frikciós hő természetesen a fröccsöntésnél is fontos szerepet tölt be, a két technológiában alkalmazott csigák pedig nagymértékben hasonlítanak egymásra.)

A csigák esetében a kívánt kompressziót két féle módon lehet megoldani, mely alapján megkülönböztetünk menet- illetve magprogresszív csigákat. A menetrogresszív csigák esetében a kompressziót a menetemelkedés csökkentésével, míg a magprogresszív esetében a mag átmérőjének növelésével érik el. Mivel a magprogresszív csigák előállítása egyszerűbb, ezek terjedtek el jobban, így manapság menetprogresszív csigákkal csak nagyon ritkán találkozhatunk.

Csiga_abra_2

Menetprogresszív (fent) és magprogresszív (lent) csiga sematikus ábrája

Extruzió esetében a kompressziós zóna hossza nagymértékben függ a feldolgozandó anyagtól, míg a fröccsöntő csigák kevésbé anyagspecifikusak. Extruziós technológiákban amorf anyagoknál viszonylag hosszú, akár a csiga egyharmadát kitevő (6-8D) kompressziós szakasszal találkozhatunk, ezzel szemben a kristályos anyagok megömlesztéséhez akár 1-3D is elegendő lehet. Ha fröccsöntő csigákat nézzük, azt tapasztalhatjuk, hogy a korábban említett 7D-s kompressziós szakasz általánosnak vehető.

Az utolsó szakaszban az ömledék szállítása és egyúttal kismértékű homogenizációja is lejátszódik. Az ömledék keveredését és a homogenizáció fokozását keverőelemek beépítésével érhetjük el. A keverőelem mozgása szerint megkülönböztetünk statikus és dinamikus keverőket. Ez utóbbi az ömledékszállító zóna után helyezkedik el, ezáltal a csiga egy önálló részét alkotja, forgás közben a csigával együtt forog, hossza általában 2D. Az általa létrehozott nyírás segít a homogenizáció növelésében, ám fontos megjegyezni, hogy ezáltal a csiga hatékony hossza és plasztikálási kapacitása csökken. Ennek kiküszöbölésére ma már ezt a keverőszakaszt a csigacsúcsba, vagy magába az ömledékszállítási zónába integrálják.

Csiga_abra_3

Dinamikus keverőelem

Ezzel szemben a statikus keverőt a csigacsúcs előtti fúvókába építik, mely így nem mozog, a keverőhatást a bonyolult geometriai kialakítással éri el, mely a rajta keresztüláramló ömledéket folyamatos irányváltoztatásra készteti. Statikus keverők tekintetében világ szinten leggyakrabban a StaMixCo LLC. nevezetű cég keverőit alkalmazzák, mely az 1960-as évek óta foglalkozik keveréstechnológiákkal.

Csiga_abra_4

Fúvóka a beépíthető statikus keverőelemekkel

A csiga utolsó és mondhatni a fröccsöntés szempontjából legfontosabb eleme a visszaáramlásgátlóval ellátott csigacsúcs. Gyakorlatilag ez a részegység biztosítja a csiga dugattyúként való alkalmazhatóságát, ezáltal a csigadugattyús gépek létét, s ez az az elem, amely leggyakrabban első ránézésre megkülönböztethetővé tesz egy extruder csigát egy fröccsöntésre használt csigától. A visszaáramlásgátlóval ellátott csigacsúcs három fő részből áll: alaptest (csigacsúcs), a záró- illetve a támasztógyűrű. A csigacsúcson általában három darab áttörést képeznek. Plasztikálás során a zárógyűrű az ömledék nyomásától előre tolódik el, ezáltal biztosítva az ömledék szabad áramlását az áttöréseken keresztül a csigacsúcs előtti térrészbe. Mindeközben a csiga lassan hátrafelé mozdul el, felgyűjtve maga előtt az ömledéket. A plasztikálás végén fröccsöntéskor a csiga előre mozdul, az ömledék a zárógyűrűt a támasztógyűrűre tolja, így megakadályozva az ömledék visszafelé történő áramlását.

Optimális esetben a fröccsöntés során 1-3D közötti adagolási úthosszt alkalmazunk. Ez a térfogat-intervallum meghatározza, hogy mekkora méretű terméket tudunk legyártani az adott plasztikáló egységgel. Az első 1D-s szakasz az úgynevezett anyagpárna, mellyel megakadályozzuk, hogy a csiga és a fúvóka egymást károsítsa (szakzsargonnal élve, hogy a csiga felkoppanjon). Ha ettől nagyobb adagolási úthosszt próbálunk alkalmazni (> 3D), nagy valószínűséggel levegő jut az ömledékbe, mely a polimerben degradációt, a termékben pedig buborékokat, felületi hibákat okoz.

Csiga_abra_5

Visszaáramlásgátlóval ellátott csigacsúcs

A visszaáramlásgátló egyszerűségéből eredően meghibásodásai mögött is egyszerű okok állhatnak. Ha fröccsöntéskor nyomásesést tapasztalunk, annak hátterében a zárógyűrű nem megfelelő zárása miatt bekövetkező visszaáramlás állhat. Ennek oka leggyakrabban a záró- és/vagy támasztógyűrű kopásában, vagy a zárógyűrű alá szorult szennyeződésben keresendő.

Csiga_abra_6

Tipikus visszaáramlásgátló nélküli PVC csiga (Engel)

A korábbiakban felvázolt csiga összeállítás gyakorlatilag általánosnak mondható. Természetesen egyes esetekben ettől kisebb-nagyobb mértékig eltér a csiga konstrukciója, melynek hátterében a speciális feldolgozott anyag, vagy a gazdaságosabb termelés áll. Vannak olyan polimerek, amelyeket a fentebb felvázolt csigával gyakorlatilag nem, vagy csak nagy nehézségek árán lehetne feldolgozni. Ide tartozik például a poli(vinil-klorid) (PVC), illetve a térhálós gyantás is. Mindkét esetben az anyag maximálisan kíméletes feldolgozására van szükség, hiszen PVC esetében degradáció, gyanták esetében pedig térhálósodás játszódna le a nagymértékű nyírásból eredő frikció hatására. Az erre a célra használt csigák kis kompresszióval működnek, zárógyűrű pedig nem található rajtuk. (A PVC nagy viszkozitása ezt nem is feltétlen indokolná.) A kompresszió kis mértéke a frikció alacsony szinten tartását, a zárógyűrű elhagyása pedig a frikció kiküszöbölése mellett az anyagpangás, az esetleges anyaglerakódás teljes kiküszöbölését szolgálja.

A másik fontos és gyakran alkalmazott speciális csigakonstrukció a több bekezdésű csiga. Ezek közül is a legelterjedtebb, azaz az ömledék elválasztó vagy más néven Barriere-csigát tárgyaljuk, melyet Maillefer 1959-ben szabadalmaztatott. Ennél a konstrukciónál a második bekezdés csak a kompressziós zónában kezdődik. A Barriere-csiga lényege, hogy a második csigaszárny kialakításából fakadóan a csigaszalag és a henger közötti résben az ömledék át tud jutni, de a granulátum nem. A két csigaárok egymáshoz viszonyított arányának szabályozásával elérhetjük, hogy a megömlött műanyag mindig a második csigaárokba kerüljön át. (Ömledékszállító csatorna térfogata – árok mélysége – fokozatosan nő, a szilárdanyag-szállítóé ennek megfelelően csökken.) Ennek a csigakialakításnak az alapötletét az adta, hogy a rossz hővezetésű polimer ömledéket a granulátumtól elválasztva a henger és a polimer közötti hőátadás és a frikciós hő is sokkal jobban tud érvényesülni. Ez értelemszerűen jobb hőtranszporthoz, nagyobb plasztikáló kapacitáshoz vezet, mely fontos gazdasági szempont.

Csiga_abra_7

Barrier-szalaggal ellátott csigakonstrukció (csigacsúcs nélkül)

Érdekességként megjegyzendő, hogy a Barriere-csigák esetében, a speciális kialakítás következtében, a beállított hőmérséklet profil a fűtött zónákban nem növekvő, hanem fordított, azaz csökkenő tendenciát mutat. Az első fűtött zóna magas hőmérséklete miatt fokozottan ügyelni kell a garat megfelelő hűtésére, a folyamatos anyagáram biztosítására, valamint a beboltozódás elkerülésére. Láthattuk, hogy a Barriere-csigával alacsonyabb hőmérsékleten (akár rövidebb csigával), gazdaságosabban termelhetünk. Fontos viszont megjegyezni, hogy számos jó tulajdonsága mellett magas előállítási ára és az alkalmazásával elérhető aránylag rossz ömledék homogenitás negatívumként róható fel ennek a technológiának. Természetesen a korábbiakban tárgyalt keverőelemek (dinamikus vagy statikus egyaránt) beépítésével az ömledék termikus és például színbeli inhomogenitása nagymértékben csökkenthető.

Összefoglalásként elmondható, hogy a feldolgozási technológia és annak beállított paramétereinek gondos megválasztása nagyban befolyásolhatja a termék minőségét. Láthattuk, hogy a plasztikáló egység központi eleme, a csiga, milyen egyszerű, ennek ellenére kiválasztására és paramétereinek optimalizálására fokozott figyelmet kell fordítani. Megállapítható, hogy a legtöbb polimer egy univerzális csigával feldolgozható, ám egyes polimerekhez speciális csigákra van szükség, mások esetében egy-egy jobb csigakonstrukció jobb minőségű, gazdaságosabban előállított terméket eredményezhet.

Források:
Dominick V. Rosato, Donald V. Rosato, Marlene G. Rosato: Injection Molding Handbook
Dunai Antal – Macskási Levente: Műanyagok fröccsöntése, Lexica Kft. (2003).
Pukánszky Béla: Műanyagok feldolgozása
http://static1.squarespace.com/static/560d7d10e4b04535948081c6/56109705e4b0147725aa1b7a/56928bafa2bab8b5b8e57c88/1452445054315/screw_smaller.jpg?format=1500w
http://www.stamixco-usa.com/Images/products/P-05.0Injection%20Molding%20Static-Mixing-Nozzle%28tiqhq3%29.jpg
http://www.arenz-gmbh.de/bilder/rueckstromsperren-1-g.jpg
http://www.kraussmaffeigroup.com/media/files/kmnews/de/PM_IMM_2013-09_HPS_M.jpg
http://reiloyusa.com/content/upload/images/zoomed/westland%20barrier%20eagle.jpg
http://plasticker.de/requipment/images/st_17783_1449573793.02.jpg