Polymeerimateriaalien perusteet osa

Transkriptio

1 Polymeerimateriaalien perusteet osa

2 Polymeerimateriaalien valintaan vaikuttavat tekijät elektroniikkatuotteissa 16. Polymeerimateriaalien prosessointi

3 Polymeerimateriaalien prosessointi Polymeerimateriaalien prosessoinnilla tarkoitetaan prosesseja, joiden avulla polymeerimateriaaleista valmistetaan lopullisia tuotteita tai tuoteosia. Prosessointi on tällöin hyvin laaja käsite riippuen kyseessä olevasta raaka-aineesta ja lopullisesta tuotteesta; polymerointi voi tarkoittaa kaikkia mahdollisia vaiheita polymeroinnista lopputuotteen tai tuoteosan valmistukseen. jokjkjhkjkioiuoiu 3

4 Polymeerimateriaalien valintaan vaikuttavat tekijät elektroniikkatuotteissa 16. Polymeerimateriaalien prosessointi:raaka-aineiden esikäsittely

5 Raaka-aineiden esikäsittely Raaka-aineiden esikäsittelyyn ennen varsinaista tuotteen tai tuoteosan muodonantoa kuuluvat varastointi, sekoittaminen, raaka-ainesiirrot ja prosessointijätteiden uudelleenkäyttö raaka-aineena. Nämä vaiheet ovat sekundäärisiä prosessoinnin vaiheita verrattuna prosessointivaiheeseen, jossa kappaleelle annetaan muoto. Ne ovat kuitenkin tärkeitä esimerkiksi prosessoidun tuotteen laadun kannalta. jokjkjhkjkioiuoiu 5

6 Polymeerimateriaalien valintaan vaikuttavat tekijät elektroniikkatuotteissa 16. Polymeerimateriaalien prosessointi:raaka-aineiden esikäsittely:varastointi

7 Varastointi Varastoinnin aikana pyritään raakaaineiden ominaisuudet säilyttämään spesifikaatioiden mukaisissa arvoissa sekä pitämään raaka-aineet puhtaana prosessointiin asti. Tällöin varastoinnille asetetut kriteerit riippuvat voimakkaasti raaka-aineesta, jota varastoidaan. jokjkjhkjkioiuoiu 7

8 Varastointi:Kestomuovit ja niiden lisäaineet Pääosalla kestomuoveista ei ole erityisiä varastointivaatimuksia. Yleisvaatimuksena pidetään valolta suojattua viileää tilaa, jossa materiaali ei pääse likaantumaan. Kestomuovit ovat yleensä kiinteässä muodossa granulaatteina, joiden säilytys tapahtuu pääasiassa varastosiiloissa tai kuljetussäiliöissä kuten säkeissä. jokjkjhkjkioiuoiu 8

9 Varastointi:Kestomuovit ja niiden lisäaineet Alla on lueteltu erikoistapauksia, joissa kestomuovien varastointiin on kiinnitettävä erityistä huomiota: Kosteutta absorboivat raaka-aineet: Varastointi niin, että sen kosteuspitoisuus ei pääsisi nousemaan varastoinnin yhteydessä. Yleensä kosteudelle arat kestomuovit on pakattu kosteudelta suojattuihin pakkauksiin, kuten alumiinipinnoitettuihin säkkeihin. Ponneaineella (pentaania, heptaania) imeytetyt raaka-aineet: Varastointiaika on pidettävä rajallisena ja säilytys tulee tapahtua riittävän kylmässä tilassa, jottei ponneaine ajan funktiona haihdu raaka-aineesta. Sulatoimitettavat raaka-aineet: Huolehdittava siitä, ettei materiaalissa pääse tapahtumaan termistä hajoamista. Samalla on myös varottava materiaalin jähmettymistä. jokjkjhkjkioiuoiu 9

10 Varastointi:Kertamuovit ja niiden lisäaineet Yleensä kertamuovien lähtökomponentit ovat nestemäisessä muodossa olevia monomeereja tai pienimolekyylisiä yhdisteitä. Näiden säilyvyys sellaisenaan on hyvä. Mikäli kuitenkin kyseessä on: a) hartsiseos, on sen säilyminen suhteellinen rajallinen. Hartsiseoksissa voi myös tapahtua separoitumista, mikäli ne koostuvat eri tiheyden omaavista komponenteista. b) Fenoliformaldehydipohjaiset liimat säilyvät joitakin viikkoja viileässä, noin 10 C lämpötilassa ja epoksihartsi-impregnoidut prepregit joitakin kuukausia pakastimessa. jokjkjhkjkioiuoiu 10

11 Varastointi:Kertamuovit ja niiden lisäaineet Hartsit tuodaan enimmäkseen 200 litran peltitynnyreissä, 1000kg muovikonteissa tai noin 20tonnin erissä säiliöautolla. Kovettajat ovat puolestaan yleisesti 30kg muovikannuisa, mutta myös 5 ja 10 litran kannuja käytetään kovettimien määrien ollessa pieniä. Kiihdyttimet, koboltti, DMA n.5kg ovat peltipurkeissa, kun taas kuidut tuodaan trukkilavoilla. jokjkjhkjkioiuoiu 11

12 Polymeerimateriaalien valintaan vaikuttavat tekijät elektroniikkatuotteissa 16. Polymeerimateriaalien prosessointi:raaka-aineiden esikäsittely:sekoittimet

13 Sekoittimet Sekoittaminen on prosessi, jolla vähennetään polymeerimateriaalin tai polymeeriseosten rakenteen epäyhdenmukaisuutta. Polymeerituotteiden valmistajien sekoittaessa lisäaineita polymeerimateriaaliin tai tehdessä polymeeriseosta, tulee sekoittamiseen kiinnittää erityistä huomiota, sillä rakenteen epäyhdenmukaisuus vaikuttaa lopputuotteen ulkonäköön sekä sen mekaanisiin, fysikaalisiin ja kemiallisiin ominaisuuksiin. jokjkjhkjkioiuoiu 13

14 Sekoittimet Melkein kaikissa polymeerimateriaalin prosessointilinjoissa tapahtuu jonkinlaista sekoittumista. Polymeerituotteiden valmistajan lisätessä lisäaineita tai tehdessä polymeeriseoksia, tarvitaan kuitenkin hyvin usein ulkoisia sekoittimia riittävän rakenteen yhdenmukaisuuden saavuttamiseksi. Tällöin tulisi olla tietoinen sekoittamisen peruskäsitteistä ja mekanismeista. jokjkjhkjkioiuoiu 14

15 Kompoundi ja polymeeriseos Polymeerimateriaalin seosta kiinteän täyteaineen kanssa kutsutaan kompoundiksi. Eri polymeerimateriaalien seosta taas nimitetään polymeeriseokseksi. jokjkjhkjkioiuoiu 15

16 Rajallinen liukoisuus ja komponenttien pintajännitys Suurimmalla osalla polymeeriseoksista on rajallinen liukenevuus. Liukoisuusrajan ylittyessä seoksessa esiintyy monifaasirakenne. Myös polymeeriseoksen komponenttien välisen pintajännityksen ollessa nollasta poikkeava, esiintyy monifaasirakenne polymeeriseoksessa. jokjkjhkjkioiuoiu 16

17 Agglomeraatio Agglomeraatio tarkoittaa partikkelien kasaantumista. Se on toivottua silloin, kun valmistetaan pellettejä tai tabletteja, mutta epätoivottu vapaasti virtaavissa systeemeissä. Agglomeraatteja muodostuu partikkelien välillä vaikuttavien sidosvoimien ansiosta. Kolme pääasiallista voimaa ovat elektrostaattiset voimat, van der Waals voimat ja kosteuden aiheuttamat voimat. Muita vaikuttavia voimia ovat mekaaninen lukkiutuminen, sidosaineiden aiheuttamat voimat ja partikkelien sintraantumisen aiheuttamat voimat. jokjkjhkjkioiuoiu 17

18 Agglomeraatio Yksi hyvä esimerkki agglomeraatiosta on savimineraali, joka luonnossa esiintyy agglomeroituneessa muodossa. Kuvassa on esitetty savimineraalin rakenne. Käytettäessä savea kestomuovin täyteaineena, voi kiinteä-sula sekoituksessa savimineraalin agglomeraatit hajota primäärisiksi partikkeleiksi tai jopa krystalliiteiksi, josta primääripartikkelit koostuvat. Agglomeraattien hajotessa krystalliiteksi, voidaan puhua nanotäyteaineesta; yksi krystalliitin dimensioista on nanokoossa. Nanokoossa olevalla mineraalitäyteaineella on esimerkiksi pystytty parantamaan muun muassa polymeerimateriaalien barrier-ominaisuuksia, mekaanisia ominaisuuksia, termisiä ominaisuuksia ja palonkestoa. jokjkjhkjkioiuoiu 18

19 Kuva Luonnossa esiintyvän savimineraalin (montmorilloniitti) rakenne. jokjkjhkjkioiuoiu 19

20 Sekoittamisen perustyypit Sekoittamisen perustyypit polymeerimateriaalien kohdalla voidaan jakaa neljään luokkaan niiden komponenttien olomuodon mukaan. Näitä ovat: Kiinteä-kiinteä seos. Esimerkiksi kahden eri kestomuovin kiinteiden granulaattten sekoittaminen toisiinsa. Kiinteä-neste seos. Esimerkiksi talkin, joka toimii kiinteänä täyteaineena, sekoittaminen sulaan kestomuoviin. Neste-neste seos. Esimerkiksi kahden eri kestomuovin sekoittaminen toisiinsa sulassa tilassa. Neste-kaasu seos. jokjkjhkjkioiuoiu 20

21 Distributiivinen ja dispersiivinen sekoittaminen On hyvin yleistä erottaa kaksi sekoitustapaa, distributiivinen ja dispersiivinen sekoittaminen, jotka on esitelty kuvassa Dispersiivinen sekoittaminen käsittää kohesiivinen komponentin pienenemisen. Kohesiivinen komponentti voi olla joko kiinteä tai neste. Siten dispersiivistä sekoittumista voi tapahtua kiinteä-kiinteä, kiinteä-neste ja nesteneste systeemeissä. Esimerkki dispersiivisestä sekoittumisesta on pigmentin sekoittuminen sulaan polymeerimateriaaliin, missä pigmentin aggloremaatin koko pienenee niin, että lopputuotteen hyvä pinnanlaatu saavutetaan. Distributiivinen sekoittaminen on puolestaan seoksen komponenttien uudelleenjärjestäytyminen, jolla seoksen epäyhdenmukaisuutta vähennetään koheesin voimien avulla. jokjkjhkjkioiuoiu 21

22 Distributiivinen ja dispersiivinen sekoittaminen Lisäaineiden sekoittaminen polymeerien joukkoon voi tapahtua raakaaineen valmistajalla ja/tai prosessoinnin yhteydessä tuotteen valmistajalla. Sekoituksessa tulee ottaa huomioon seuraavat seikat: Sekoituskone Seostettavan lisäaineen määrä: Seostettavan aineen olomuoto Kuinka lisätään Likaako ympäristön Vaatimuksen sekoituskoneelta Sekoituslaitteen kyky sekoittaa Aiheutunut vääntö Aiheutunut paine puhdistettavuus Kuivaus Punnitus ja syöttö sekoituslaitteeseen Sekoitustapa ja ajankohta riippuu sekoitettavasta lisäaineesta ja polymeerimateriaalista, johon lisäaine sekoitetaan. jokjkjhkjkioiuoiu 22

23 Kertamuovit ja niiden lisäaineet Kertamuovien pääkomponentti esiintyy yleensä nestemäisessä muodossa, jolloin lisäaineiden sekoittaminen niihin tapahtuu märkäsekoittamisen avulla. jokjkjhkjkioiuoiu 23

24 Kestomuovit ja niiden lisäaineet Kestomuovien lisäaineiden lisääminen tapahtuu pääasiassa raaka-aineen valmistajalla, mutta tuotteen valmistaja saattaa vielä modifioida raaka-ainetta erilaisilla lisäaineilla, jotta se soveltuisi paremmin tuotteeseen ja/tai prosessointimenetelmään, jolla tuotetta valmistetaan. Tällöin sekoittaminen voi tapahtua kuiva tai märkäsekoituksen avulla. jokjkjhkjkioiuoiu 24

25 Kestomuovit ja niiden lisäaineet Kuivasekoituksella tarkoitetaan sekoitusta, jossa pääkomponentti on kiinteä aine sekoituksen aikana ja johon lisätään muita komponentteja, jotka ovat kiinteässä tai nestemäisessä olomuodossa. Kuivasekoitusta voidaan käyttää esimerkiksi täyteaineiden sekoittamisessa polymeerimateriaalin joukkoon. Kuivasekoitusta suoritettaessa sekoituslaitteen ovat erilaisia mekaanisia sekoittimia, joita on esitetty kuvassa jokjkjhkjkioiuoiu 25

26 Kuva Kuivasekoittimia. jokjkjhkjkioiuoiu 26

27 Kestomuovit ja niiden lisäaineet Kuivasekoituslaitteiden käyttö ei aina kuitenkaan ole välttämätöntä, mikäli lisäaineiden riittävä sekoittaminen voi tapahtua prosessointilaitteessa. Tällainen tilanne on esimerkiksi masterbatchin muodossa olevalla väriaineella, joka voidaan lisätä suoraan syöttöjärjestelmän kautta jatkuvatoimiseen prosessointilaitteeseen. Tällöin tasaisen värin aikaansaamiseksi väriaineena oleva masterbatch ja polymeerimateriaali annostellaan painon mukaan gravimetrisen syötön avulla prosessointilaitteeseen. jokjkjhkjkioiuoiu 27

28 Kestomuovit ja niiden lisäaineet Sulasekoituksella tarkoitetaan sekoitusta, jossa pääkomponentti on sulassa tilassa ja johon lisätään muita komponentteja, jotka ovat kiinteitä, nestemäisiä tai kaasumaisia aineita. Sulasekoitusta voidaan suorittaa joko panos- tai jatkuvatoimisella sekoittimella. Tuotevalmistajat käyttävät lähinnä jatkuvatoimisia sulasekoittimia. Kuvassa on esitetty. kaksiruuviekstruuderin toiminta jatkuvatoimisessa sulasekoituksessa. jokjkjhkjkioiuoiu 28

29 Kuva Kaksiruuviekstruuderin toiminta sulasekoituksessa.aluksi granulaatit syötettään hopperista kaksiruuviekstruuderiin, josta se ajetaan suuttimen läpi nauhana jäähdytysaltaaseen. Tämän jälkeen nauha pilkotaan granulaateiksi, jota voidaan sellaisenaan käyttää prosessoinnissa. jokjkjhkjkioiuoiu 29

30 Kumit ja niiden lisäaineet Kumisekoitusten valmistaminen aloitetaan mastisoinnilla, jossa elastomeerin rakennetta pilkotaan niin, että sen viskositeetti on riittävän alhainen lisäaineiden seostamisen kannalta. Mastisoinnin avulla elastomeerin rakenne saadaan myös valmistuserästä riippumattomaksi ja toisaalta sen viskositeetti saadaan prosessointimenetelmää varten riittävän alhaiseksi. Esimerkiksi luonnonkumin viskositeetti muuttuu tyypillisesti erästä toiseen, joten mastisointi varmistaa kumituotteen tasaisen laadu.n jokjkjhkjkioiuoiu 30

31 Polymeerimateriaalien valintaan vaikuttavat tekijät elektroniikkatuotteissa 16. Polymeerimateriaalien prosessointi:raaka-aineiden esikäsittely:kuivaus

32 Kuivaus Polymeerimateraialit voivat imeä kosteutta, joka prosesoinnin yhteydessä höyrystyy korotetuissa lämpötiloissa ja voi huonontaa prosessoidun tuotteen pinnanlaatua ja mekaanisia ominaisuuksia. Erityisesti joidenkin kestomuovien, termoelastien ja lasikuitupuolivalmisteiden käytössä kosteuden imeytyminen raaka-aineeseen saattaa muodostua ongelmaksi. jokjkjhkjkioiuoiu 32

33 Kuivaus Kosteutta voi imeytyä raaka-aineeseen ennen prosessointia aina polymeerimateriaalin valmistuksesta lopputuotteen valmistukseen asti. Kosteutta voidaan poistaa joko panos- tai jatkuvatoimisilla kuivauslaitteilla ennen prosessointia tai itse prosessoinnin aikana Kuivausmenetelmiä ovat esimerkiksi kuivaaminen kuivailmakaapissa, kuumailmakuivaimet, kuivailmakuivaimet, alipainekuivaus, kaasunpoistovyöhykkeiden käyttö prosessoitaessa, IRsäteilyn käyttö ja mikroaaltojen käyttö. jokjkjhkjkioiuoiu 33

34 Polymeerimateriaalien valintaan vaikuttavat tekijät elektroniikkatuotteissa 16. Polymeerimateriaalien prosessointi:raaka-aineiden esikäsittely:raaka-aineiden siirrot ja annostelu

35 Raaka-aineiden siirrot ja annostelu Raaka-aineiden siirrot prosesointipaikalle riippuvat siitä, missä muodossa raaka-aine on ja miten se on säilytetty. Mikäli raaka-ainetta säilytetään säiliössä, johdetaan se yleensä siirtoputkien avulla suoraan säiliöstä prosessointilaitteen raaka-aineannostelijaan, mikä sellainen on käytössä. Raaka-aineet voidaan myös siirtää suoraan prosessointilaitteisiin säkeistä raaka-aineannostelijaan. jokjkjhkjkioiuoiu 35

36 Polymeerimateriaalien valintaan vaikuttavat tekijät elektroniikkatuotteissa 16. Polymeerimateriaalien prosessointi:raaka-aineiden esikäsittely:uusioraaka-aineet

37 Uusioraaka-aineet Kestomuovien prosessoinnissa voidaan prosessointijätteeksi muodostunut polymeerimateriaali (esimerkiksi ruiskuvalussa syntyneet valukanavat ja virheelliset ruiskuvalutuotteet) ottaa suoraan uudelleenkäyttöön rouhimisen avulla, mikäli jäte on puhdasta ja se ei ole merkittävästi menettänyt ominaisuuksiaan prosessoinnin aikana. Prosessointijätettä rouhittaessa kestomuovi pilkotaan mekaanisesti ilman että sitä lämmitetään. Syntynyt rouhe kuivataan, mikäli se on tarpeen ja annostellaan uudelleen puhtaan, prosessoimattoman raaka-aineen joukkoon. jokjkjhkjkioiuoiu 37

38 Uusioraaka-aine Yleensä rouhittua raaka-ainetta annostellaan noin p-% prosessoimattoman raaka-aineen joukkoon. Tällöin tuotteen mekaaniset ominaisuudet eivät heikkene, vaikka rouheen polymeerimateriaali olisi menettänyt mekaanisia ominaisuuksia prosessoinnin yhteydessä. Prosessoinnissa syntynyttä jätettä käytetään myös sellaisenaan uusioraaka-aineena uusien tuotteiden valmistuksessa. Esimerkiksi Muovix Oy vastaanottaa polymeerimateriaalien prosessointijätettä, josta se rouhii uusioraaka-ainetta ja jälleenmyy sekä valmistaa uusiotuotteita rouheesta. jokjkjhkjkioiuoiu 38

39 Polymeerimateriaalien valintaan vaikuttavat tekijät elektroniikkatuotteissa 16. Polymeerimateriaalien prosessointi:prosessointimenetelmät

40 Prosessointimenetelmät Muoveilla, kumeilla, termoelasteilla ja komposiittituotteilla voidaan käyttää samoja prosessointimenetelmiä tai prosessointimenetelmillä on yhtäläisyyksiä toisiinsa. Elastomeerimateriaalien prosessointi eroaa kestomuovien prosessoinnista vulkanoinnin osalta. Vulkanoinnissa elastomeerimateriaalit yhdistetään kemiallisten reaktioiden ja lämmön avulla toisiinsa. Vulkanointi on ajasta ja lämpötilasta riippuvainen reaktio, joka voi kestää muutamasta sekunnista useisiin vuorokausiin tuotteen koosta ja sekoituksesta riippuen. Vulkanoinnissa käytetyt lämpötilat vaihtelevat huoneenlämpötilasta aina 250 C:een asti. Muottimenetelmissä tuote vulkanoituu heti muotoilun yhteydessä. jokjkjhkjkioiuoiu 40

41 Prosessointimenetelmät Ekstrudoimalla valmistetut tuotteet vulkanoidaan jatkuvatoimisissa linjoissa, joissa vulkanointi voi tapahtua esimerkiksi suolahauteessa, leijukerroksessa, höyryputkessa, mikroaalloilla tai radioaktiivisella säteilyllä. Kalanterilla valmistetut levyt vulkanoidaan usein ns. mattokoneella. Kumilevy painetaan teräshihnan avulla suuren kuumennettavan rummun pintaa vasten. Suuret kappaleet (telat, säiliöt) tai sarja pieniä kappaleita (kumisaappaat) vulkanoidaan autoklaaveissa. jokjkjhkjkioiuoiu 41

42 Valaminen Polymeerimateriaaleja valetaan vain harvoin perinteisellä metallivalun kaltaisella sulatusprosessilla, sillä muovisulan viskositeetti on yleensä liian suuri. Valamiseen käytetyt raaka-aineet ovatkin yleensä monomeerimuodossa. Ennen valua monomeerit sekoitetaan keskenään joko jatkuvatoimisesti tai erissä. Sekoituksen jälkeen seos kaadetaan muottiin syöttökanavan kautta, jolloin muottiin jäänyt ilma pääsee poistumaan varsinaisen muottionkalon kautta. Valumuotin rakenne on esitetty kuvassa Koska valussa muottiin ei kohdistu suuria rasituksia, voidaan muotti valmistaa metallien lisäksi halvemmista materiaaleista kuten puusta tai muovista. jokjkjhkjkioiuoiu 42

43 Kuva Valumuottirakenteita: [O] Avoin muotti, [T] Kaksiosainen muotti, (C) Muottionkalo, (F) Syöttökanava, (V) Ilmanpoisto. jokjkjhkjkioiuoiu 43

44 Valaminen Valamisen suurin ongelma on kutistumisen hallinta. Kutistuma voi olla jopa 15 tilavuusprosenttia. Toinen ongelma on ilmanpoiston järjestäminen siten, että tuotteeseen ei synny huokosia. Kolmantena ongelmana saattaa joillakin materiaaleilla esiintyä erittäin suurta lämpötilan nousua kemiallisten reaktioiden seurauksena. Valamisen etuna on se, että materiaalissa ei tapahdu laisinkaan orientoitumista, jolloin tuotteisiin saadaan erittäin hyvät optiset ominaisuudet. jokjkjhkjkioiuoiu 44

45 Puristusmenetelmät Puristusmenetelmät voidaan karkeasti jakaa ahto- ja siirtopuristusmenetelmiin. Ahtopuristusta, joka on esitetty kuvassa , käytetään lämpökovettuvien kertamuovien ja vulkanoitujen kumien prosessointiin. Yleensä esilämmitetty muovimassa-annos annostellaan lämpimään muottiin, jonka jälkeen muottipuoliskot puristetaan yhteen, jolloin materiaali virtaa melko hitaasti täyttäen muottionkalon kokonaan. Puristusta jatketaan kunnes materiaali on kovettunut. jokjkjhkjkioiuoiu 45

46 Puristusmenetelmät Muottiin annostellaan aina hieman ylimääräistä materiaalia, jolloin osan materiaalista täytyy poistua muotista puristuksessa. Ylimääräinen muovi poistuu muotissa olevien kapeiden rakojen kautta. Raoissa massan virtaus hidastuu, jolloin paine muotissa kasvaa ja tuotteeseen syntyy vähemmän huokosia. Syntyneet purseet täytyy poistaa valun jälkeen. Muottien yhteenpuristamiseen käytetään hydraulisia puristimia. Muottiin kohdistuvat voimat ovat suuria, joten muotti tehdään yleensä teräksestä ja muottionkalot on lisäksi usein kromattu. Muotin lämmitykseen voidaan käyttää sähkövastuksia, kuumaa höyryä tai öljylämmitystä jokjkjhkjkioiuoiu 46

47 Kuva Ahtopuristus. (C) Muottionkalo, (J) Jakotaso, (T) ja (T`) Muottipuoliskot, (L) Kapea pursealue, (R) Ylimääräinen purse. jokjkjhkjkioiuoiu 47

48 Puristusmenetelmät Siirtopuristusta käytetään ahtopuristuksen lailla lämpökovettuvien kertamuovien ja vulkanoitujen kumien prosessointiin. Siirtopuristus on muuten hyvin samanlainen menetelmä kuin ahtopuristus, mutta valettava materiaali puristetaan erillisestä annostelukammiosta muottiin, kuten kuvassa on esitetty Myös siirtopuristuksessa annostellaan raaka-ainetta hieman enemmän kun kappaleen valmistamiseen kuluu. Tällöin ylimääräinen materiaali jää työntimen eteen, jolloin edelleen puristettaessa paine muotissa kohoaa ja kappaleeseen saadaan puristettua lisää materiaalia kutistumien ja huokosten ehkäisemiseksi. Koska materiaali puristetaan erillisestä kammiosta muottiin, jää kappaleeseen valutappi, joka täytyy poistaa. jokjkjhkjkioiuoiu 48

49 Kuva Siirtopuristuksen kaaviokuva: [L] Annostelu, [M] Valu, [U] Kappaleen poisto, (C) Muottionkalo, (G) Portti, (L) Kammio, (M) Annosteltu materiaali, (P) Tuote, (R) Puristusmäntä, (S) Valutappi, (T) ja (T ) Muottipuoliskot. jokjkjhkjkioiuoiu 49

50 Ruiskuvalu Ruiskuvalua käytetään perinteisesti kestomuovisten tuotteiden valmistamiseen, mutta se soveltuu myös kertamuovi- ja kumituotteiden valmistamiseen. Ruiskuvalussa muottionkalo täytetään nopeasti paineen avulla nestemäisellä materiaalilla, jonka jälkeen ruiskutettu materiaali jähmettyy tuotteeksi. Menetelmää käytetään silloin, kun kappaleet ovat muodoltaan epäsymmetrisiä ja tuotantomäärät ovat suuret. jokjkjhkjkioiuoiu 50

51 Ruiskuvalu: Laitteisto Ruiskuvalukone voidaan jakaa useampaan toiminnalliseen yksikköön, joita ovat ruiskutusyksikkö, sulkuyksikkö, käyttöyksikkö ja ohjausyksikkö. Näiden lisäksi muotti muodostaa tärkeän kokonaisuuden. Ruiskutusyksikön tehtävänä on plastisoida syötetyt raaka-aineet, ruiskuttaa muovimassa muottiin ja muodostaa jälkipaine, jolla muotti täytetään loppuun asti. Sulkuyksikkö huolehtii muotin avaamisen ja sulkemisen lisäksi siitä, että muotti pysyy suljettuna ruiskutuksen aiheuttaman paineen aikana. Käyttöyksikkö tuottaa eri toimintojen tekemiseen tarvittavan energian ja ohjausyksikön avulla huolehditaan, että toiminnot tapahtuvat oikeanlaisesti ja oikea-aikaisesti. jokjkjhkjkioiuoiu 51

52 Ruiskuvalu: Laitteisto:Ruiskutusyksikkö Ruiskutusyksikön tärkeimmät osat ovat syöttösuppilo, sylinteri, ruuvi, sulkuventtiili, suutin ja lämmitysvastukset. Syöttösuppilon kautta raaka-aine syötetään koneeseen. Sylinteri on paksuseinäinen putki, jonka sisällä ruuvi sijaitsee. Sylinterin takaosassa on reikä ruuvin käyttökoneistoa varten ja heti sen etupuolella sylinterin yläpinnalla on aukko raaka-aineen syöttöä varten. Etuosastaan sylinteri liittyy suuttimeen. Joissakin sylintereissä voi näiden lisäksi olla kaasunpoistoaukko. jokjkjhkjkioiuoiu 52

53 Ruiskuvalu: Laitteisto:Ruiskutusyksikkö Ruuvin tehtävänä on sulattaa muovia ja kuljettaa sitä eteenpäin. Ruuveja on monentyyppisiä, mutta useimmista löytyvät seuraavat vyöhykkeet: syöttövyöhyke, kompressiovyöhyke ja homogenointivyöhyke. Joissakin ruuveissa voi lisäksi olla kaasunpoistovyöhyke. Ruuvin kärkiosa on useimmilla ruuveilla (ei PVC-ruuvit) varustettu sulkuventtiilillä, joka estää massan takaisin virtauksen ruiskutuksen aikana. jokjkjhkjkioiuoiu 53

54 Ruiskuvalu: Laitteisto:Ruiskutusyksikkö Sylinteriin liittyvä suutin on halkaisijaltaan huomattavasti pienempi kuin sylinteri, sillä suutin on se osa ruiskutusyksiköstä, joka ajetaan muottiin kiinni ruiskutuksen aikana. Massaa voidaan ulkoisesti lämmittää joko sähkövastuksilla tai nestelämmityksellä. Sähkövastusten käyttö on selvästi yleisempää, sillä niiden hinta on kohtuullinen ja tarvittaessa ne voidaan helposti korvata uusilla vastuksilla. Nestelämmityksen etuna on, että massaa voidaan tarvittaessa jäähdyttää hyvinkin nopeasti. jokjkjhkjkioiuoiu 54

55 Ruiskuvalu: Laitteisto:Ruiskutusyksikkö Sulkuyksikössä muotin sulkeminen voi tapahtua joko mekaanisesti polvinivelien avulla, hydraulisesti tai näiden menetelmien yhdistelmällä. Sulkutapahtumassa liikkuva muottipöytä ja siihen liitetty takamuotti työnnetään kiinni kiinteään muottipöytään ja siihen liitettyyn etumuottiin. jokjkjhkjkioiuoiu 55

56 Ruiskuvalu: Laitteisto:Käyttöyksikkö Ruiskuvalukoneen käyttöyksikkö voi olla joko hydraulinen tai sähköinen. Sähköisellä käyttöyksiköllä saadaan aikaiseksi nopeammat liikkeet ja tarkempi liikkeiden ohjaus kuin hydrauliikalla, mutta suuria ruiskutuspaineita ja keernatoimintoja on vaikea saada aikaiseksi ilman hydrauliikkaa. Hydrauliikan etuna on myös se, että energia on helppo siirtää putkia pitkin paikasta toiseen. Haittapuolena on taas se, että hydraulivoiman tuottamiseen tarvitaan sähkömoottoria ja öljypumppua, jolloin tapahtuu energianhukkaa suoraan sähkökäyttöön verrattuna. jokjkjhkjkioiuoiu 56

57 Ruiskuvalu: Laitteisto:Ohjausyksikkö Ohjausyksikön avulla ohjataan ja säädetään ruiskuvalun toimintoja ja parametrejä. Aloitettaessa valamaan kappaleita ruiskuvalukoneella, syötetään koneeseen ainakin seuraavat parametrit: ruiskutusnopeus ja -paine, paineenvaihtomatka, jälkipaine ja jälkipaineaika, jäähdytysaika, annostusmatka ja -nopeus, vastapaine ja sylinteri- ja muottilämmöt. Lisäksi ohjausyksiköstä säädetään muottipöydän ja ruiskutusyksikön liikkeitä. Syötettyjen parametrien toteutumista voidaan tarkkailla ohjausyksikön avulla. jokjkjhkjkioiuoiu 57

58 Ruiskuvalu: Laitteisto:Ruiskuvalumuotti Ruiskuvalumuotin, jonka kokoonpanopiirros on esitetty kuvassa , tulee kestää suuria paineita, joten se valmistetaan yleensä teräksestä siten, että mittojen kannalta kriittiset osat tehdään nuorrutusteräksestä tai karkaistaan. Muotti jakautuu jakosauman kohdalta vähintään kahteen puoliskoon, jolloin takimmainen puolisko kiinnitetään sulkuyksikön liikkuvaan muottipöytään ja etummainen muotinpuolisko kiinnitetään kiinteään muottipöytään. Takamuotti on rakenteeltaan yleensä hieman monimutkaisempi kuin etumuotti, sillä kappaleen ulostyöntö tapahtuu takamuotin kautta. jokjkjhkjkioiuoiu 58

59 Ruiskuvalu: Laitteisto:Ruiskuvalumuotti Kummassakin puoliskossa on muottipesien läheisyyteen porattu kanavisto, johon johdettu neste joko jäähdyttää (kestomuovit) tai lämmittää (kertamuovit) muottia. Jos kanavisto, jonka kautta sula syötetään muottiin, on lämmitetty, sanotaan muottia kuumakanavamuotiksi. Kuumakanavamuotin avulla voidaan vähentää syntyvän muovijätteen määrää, sillä tällöin kappaleeseen ei synny valutappeja. jokjkjhkjkioiuoiu 59

60 Kuva Ruiskuvalumuotin osien nimitykset: 1) Ulostyönnön palautusjousi, 2) Ulostyöntötanko, 3) Kiinnityslevy, 4) Ulostyöntö- ja ulostyönnöntukilevy, 5) Ulostyöntötappi, 6) Valutapin ulostyöntötappi, 7) Välilevy, 8) Holkki, 9) Muottilevy, 10) Ohjaustappi, 11) Ohjausholkki, 12) Jakotaso, 13) Muottilevy, 14) Kiinnityslevy, 15) Jäähdytysnesteen liitin, 16) Ohjausrengas, 17) Muotin suutin, 18) Muottipesäistukas (insertti), 19) Jäähdytyskanava, 20) Muottipesäistukas (insertti), 21) Tukipala. jokjkjhkjkioiuoiu 60

61 Polymeerisulan eteneminen ruiskuvalukoneessa ja ruiskuvalusykli Polymeerimateriaalin prosessointi tuotteeksi alkaa siitä kun joko jauhe- tai granulaattimuodossa oleva raakaaine syötetään hopperin (syöttösuppilo) kautta sylinteriin. Sylinterissä oleva ruuvi kuljettaa polymeeriä eteenpäin sulattaen sitä samalla kitkalämmön avulla. Sulamiseen tarvittava lisälämpö saadaan sylinterin ulkopuolella olevista lämmitysvastuksista. jokjkjhkjkioiuoiu 61

62 Polymeerisulan eteneminen ruiskuvalukoneessa ja ruiskuvalusykli Kun riittävästi polymeeriä on kertynyt ruuvin eteen, ruiskutetaan sula muovi muottiin. Muovisula johdetaan muottionkaloon valukanavistoa pitkin. Valukanavisto muodostuu syöttökanavasta, jakokanavasta ja portista. Syöttökanava on ensimmäinen osa kanavistoa, johon sula polymeeri tulee. jokjkjhkjkioiuoiu 62

63 Polymeerisulan eteneminen ruiskuvalukoneessa ja ruiskuvalusykli Tämän jälkeen polymeeri virtaa jakokanaviston ja kapeamman portin kautta muottionkaloon. Muotissa oleva sula jähmetetään jäähdyttämällä (kestomuovi) tai lämmittämällä (kertamuovi). Kumeilla muotopysyvyys saavutetaan vulkanoinnilla jokjkjhkjkioiuoiu 63

64 Polymeerisulan eteneminen ruiskuvalukoneessa ja ruiskuvalusykli Kappaleiden jatkuvassa tuotannossa tapahtuvat tietyt toiminnot aina samassa järjestyksessä. Tätä samassa järjestyksessä tapahtuvien toimintojen sarjaa kutsutaan ruiskuvalusykliksi, joka on esitetty kuvassa Ruiskuvalusykli alkaa muotin sulkeutumisella. jokjkjhkjkioiuoiu 64

65 Polymeerisulan eteneminen ruiskuvalukoneessa ja ruiskuvalusykli Kiinni olevaan muottiin ruiskutetaan polymeeri, jonka jälkeen siirrytään jälkipainevaiheeseen, jossa pyritään syöttämään polymeeriä kutistumien kompensoimiseksi. Jälkipainevaiheen jälkeen alkaa kappaleen jäähdytys ja uuden massan plastisointi samanaikaisesti. Kappaleen jäähdyttyä muotti aukaistaan ja kappale poistetaan. Ennen muotin uudelleen sulkeutumista on yleensä lyhyt tauko. jokjkjhkjkioiuoiu 65

66 Kuva Ruiskuvalusyklin eri vaiheiden pituus. jokjkjhkjkioiuoiu 66

67 Polymeerisulan eteneminen ruiskuvalukoneessa ja ruiskuvalusykli Plastisointivaiheen aikana ruiskutusyksikkö on yleensä irti muotista. Plastisoinnin alussa ruuvi on sylinterin etuosassa, mutta sulan materiaalin kertyessä ruuvien eteen siirtyy pyörivä ruuvi vähitellen sylinterin takaosaan. Ruiskutuksen alkaessa ruiskutusyksikkö ajetaan muottiin kiinni ja pyörimätön ruuvi liikkuu eteenpäin työntäen sulan muottiin. Jälkipainevaiheen jälkeen ruiskutusyksikkö irrotetaan jälleen muotista ja ruuvi alkaa pyörien siirtyä taaksepäin. Ruiskutusyksikön toiminta ruiskuvalusyklin aikana on esitetty kuvassa jokjkjhkjkioiuoiu 67

68 Kuva Ruiskutusyksikön toiminta ruiskuvalusyklin eri vaiheissa. jokjkjhkjkioiuoiu 68

69 Ruiskuvalu:Erikoissovellukset Marmorointiruiskuvalussa eri materiaalit sekoitetaan samalla ruuvilla, jolloin huonon sekoituksen johdosta kappaleeseen syntyy marmorin kaltainen pinta. Rinnakkaisruiskuvalussa valetaan eri materiaalit kappaleeseen joko rinnakkain tai päällekkäin. Valaminen onnistuu käyttämällä vaihdettavaa muottipuoliskoa tai keernoja. Sisäkkäisruiskuvalussa toinen materiaali ruiskutetaan kokonaan toisen materiaalin sisään, jolloin sisäosassa voidaan käyttää halpaa polymeeriä ja pinnassa kalliimpaa polymeeriä. Sisempi materiaali voidaan korvata myös kaasulla, jolloin puhutaan kaasuavusteisesta ruiskuvalusta. jokjkjhkjkioiuoiu 69

70 Ekstruusio Ekstruusiota käytetään pääasiallisesti kestomuovien prosessointiin, mutta myös joitakin kertamuoveja ja vulkanoimattomia kumeja voidaan prosessoida ekstruuderilla. Ekstruusiossa raaka-aine saatetaan juoksevaan tilaan, jonka jälkeen se johdetaan suulakkeen, joka antaa sille halutun muodon, läpi. Ekstruusiolla valmistetaan poikkipinta-alaltaan muuttumattomia tuotteita, kuten putkia, kalvoja ja erilaisia profiileja. Lisäksi ekstruuderilla valmistetaan aihioita puhallusmuovaukseen ja granuloidaan raaka-ainetta esimerkiksi ruiskuvaluun. jokjkjhkjkioiuoiu 70

71 Ekstruusio:Laitteisto Ekstruuderit voidaan jakaa toimintatavan ja ruuvien lukumäärän perusteella neljään ryhmään, joita ovat: yksiruuviekstruuderit, kaksi- ja moniruuviekstruuderit, mäntäekstruuderit ja muut ekstruuderit. Yksiruuviekstruuderi on eniten käytetty ekstruuderimalli. jokjkjhkjkioiuoiu 71

72 Ekstruusio:Laitteisto Tavallisesti yksiruuviekstruuderissa on ainakin seuraavat elementit: ruuvi, sylinteri, hopperi, suutin, välikappale, käyttöyksikkö ja lämmitys- ja jäähdytysyksikkö. Käyttöyksikön moottori pyörittää ruuvia, joka on sylinterin sisällä. Hopperi on sylinterin takaosassa ja suutin on liitetty siihen välikappaleen avulla. Sylinterin alkuosa on jäähdytetty materiaalin syötön helpottamiseksi, mutta loppuosaa lämmitetään materiaalin plastisoimiseksi. jokjkjhkjkioiuoiu 72

73 Ekstruusio:Laitteisto Ruuvit ja sylinterit joutuvat kovalle rasitukselle, joten sylinterit ja ruuvit on usein valmistettu nitratusta teräksestä. Ruuveja on geometrialtaan monenlaisia ja geometria valitaan yleensä prosessoitavan materiaalin mukaan. Kaikissa ruuveissa on kuitenkin yleensä syöttövyöhyke, puristusvyöhyke ja homogenointivyöhyke, jotka on esitetty kuvassa jokjkjhkjkioiuoiu 73

74 Kuva Ekstruuderin osat ja ruuvin vyöhykkeet. (a) Syöttösuppilo, (b) Kuumennusvaipat, (c) Syöttöruuvi, (d)lämpötilan mittaus, (e) Vastapaineen säätöventtiili, (f) Sihtilevy. jokjkjhkjkioiuoiu 74

75 Ekstruusio:Laitteisto Syöttövyöhykkeellä ruuvin ura on syvä, jotta granulaatit pääsevät hyvin kulkeutumaan ruuvin mukana. Puristusvyöhykkeellä ruuvin urien syvyys pienenee loppua kohden, jolloin sulava polymeeri puristuu pienempään tilaan ja ilma poistuu takaisin syöttövyöhykkeelle. Homogenointivyöhykkeellä sulanut materiaali homogenisoituu ennen suulakkeeseen joutumistaan. Ruuvien kokoa kuvataan L/D-suhteella, joka tarkoittaa ruuvin pituuden suhdetta halkaisijaan. jokjkjhkjkioiuoiu 75

76 Ekstruusio:Laitteisto Ekstruusiossa voidaan käyttää hyvin erilaisia suuttimia. Kalvoa tehtäessä suutin on leveä ja siinä on vain hyvin ohut rako, josta muovi pääsee virtaamaan. Putkia tehdessä suuttimen keskellä on tuurna, jotta keskiosa putkesta jää ontoksi. Erilaisia profiileja tehtäessä suutin voi olla hyvinkin monimutkainen. jokjkjhkjkioiuoiu 76

77 Ekstruusiolinja Ekstruusiolinjaan kuuluu usein ekstruuderi, suulake, kalibrointiyksikkö, jäähdytyslaitteet, vetolaitteet, katkaisulaitteet ja jälkikäsittelylaitteet. Granulaatit syötetään hopperin kautta sylinteriin, jossa ne vähitellen sulavat ulkoisen lämmityksen ja kitkan seurauksena kulkiessaan ruuvin kuljettamana eteenpäin. Muovisula puristetaan ennen suutinta sihtipakan lävitse epäpuhtauksien poistamiseksi, virtauksen muuttamiseksi ekstruuderin suuntaiseksi ja paineen nostamiseksi. Suuttimessa muodon saaneen tuotteen poikkipinnan mitta säädetään kalibrointiyksikössä, jossa tapahtuu myös jäähdytystä. Vetolaitteet huolehtivat jäähtyvän tuotteen muokkaamisesta oikean paksuiseksi ja kuljettamisesta eteenpäin. Jäähtynyt tuote voidaan katkaista halutun pituiseksi katkaisulaitteella, jonka jälkeen tuotteet voidaan jälkikäsitellä ja pakata. jokjkjhkjkioiuoiu 77

78 Erikoissovellukset Ekstruusiopäällystyksessä, joka on esitetty kuvassa , polymeerisula johdetaan leveän ja ohutrakoisen suuttimen lävitse toisen tuotteen, kuten paperin tai teräslevyn päälle. Päällysteen hyvän tarttumisen takaamiseksi pinnoitettava materiaali käsitellään usein jollain kemikaalilla, kaasuliekillä tai koronalla. jokjkjhkjkioiuoiu 78

79 Kuva Ekstruusiopäällystyksen kaaviokuva. Kuvassa sininen nauha on pareria ja punainen sulaa polymeerimateraalia. jokjkjhkjkioiuoiu 79

80 Ekstruusiolinja Kaapelin tai langan pinnoituksessa pinnoitettava tuote johdetaan ristipääsuuttimeen, jossa sula muovi tarttuu tiiviisti tuotteen pintaan joko paineen tai tyhjiön vaikutuksesta. Painemenetelmässä pinnoite tarttuu tuotteeseen suuttimessa ekstruuderissa vallitsevan paineen avulla. Tyhjiömenetelmässä pinnoite ekstrudoidaan tuotteen pinnalle suuttimen ja erillisen ohjaimen välissä ja imetään tyhjiön avulla tuotteeseen kiinni. Tyhjiömenetelmällä saavutetaan tasaisempi pinnoitteen paksuus. jokjkjhkjkioiuoiu 80

81 Ekstruusiolinja Koekstruusiossa voidaan yhdistää useampia materiaaleja tai saman materiaalin eri värejä. Materiaalien yhdistäminen tapahtuu joko suuttimessa tai vasta sen ulkopuolella. Eri materiaaleja ekstrudoitaessa on materiaaleilla oltava hyvä tartunta toisiinsa. Koekstruusiolla tehdään mm. monikerroskalvoja, jolloin pintakerroksiin voidaan ajaa hyvin saumautuvaa materiaalia ja keskikerroksiin barriermateriaalia. jokjkjhkjkioiuoiu 81

82 Kalvonpuhallus Kalvon puhallus on käytännössä yksi ekstruusioprosessin sovellusmuoto, sillä puhallettava termoplastinen materiaali plastisoidaan ekstruuderissa ja muotoillaan suuttimen avulla letkumaiseksi. Tuotteen jatkokäsittely poikkeaa kuitenkin tavallisesta ekstruusiosta, sillä letkumaisen tuotteen halkaisija venytetään ilmaa puhaltamalla moninkertaiseksi alkuperäiseen verrattuna. Kalvonpuhalluksella tehdään esimerkiksi muovipusseihin käytettyä kalvoa. jokjkjhkjkioiuoiu 82

83 Kalvonpuhallus:Laitteisto Kalvonpuhalluslaitteistoon, joka on esitetty kuvassa , kuuluu ekstruuderin lisäksi yleensä edestakaisin pyörivä suutin, jäähdytysrengas, ilmanpuhallus laitteisto, kalvon vetolaitteisto ja nippitelat. Pyörivä suutin on suorassa kulmassa ekstruuderiin nähden, jotta kalvoa päästään vetämään suoraan ylöspäin. Suuttimen päällä on jäähdytysrengas, josta puhalletaan viileää tai huoneenlämpöistä ilmaa vinosti letkun päälle. Jäähdytysrenkaan jälkeen voi linjassa olla seuraavaksi kuplan paksuutta sääteleviä laitteita. Kuplan yläpäähän on kuplan asteittaiseksi litistämiseksi asennettu supistussäleikkö, jonka kärjessä on lopullisen litistämisen tekevät nippitelat. Litistetty kalvo kelataan rullille joko suoraan tai halkaisun jälkeen. jokjkjhkjkioiuoiu 83

84 Kuva Puhalluskalvolinjan kaaviokuva. jokjkjhkjkioiuoiu 84

85 Kalvonpuhallus:Puhallusprosess Kalvon tekemiseen käytetty letkumainen aihio muodostetaan pyörittämällä suutinta edestakaisin, jotta mahdolliset kalvon paksuusvaihtelut jakautuisivat tasaisesti koko kalvon leveydelle. i Jos suutinta ei pyöritettäisi, olisi kalvossa vuorotellen ohuempia ja paksumpia kohtia, jolloin kalvorullissa olisi vuorotellen uria ja harjanteita ja auki rullatussa kalvossa olisi ryppyjä. jokjkjhkjkioiuoiu 85

86 Kalvonpuhallus:Puhallusprosess Ekstruuderilta tulevan letkumaisen aihion sisään puhalletaan ilmaa, jolloin letku laajenee kuplaksi. i Letkun laajetessa sen seinämän paksuus ohenee kalvomaiseksi. Puhallusilman määrää säätelemällä voidaan säädellä kalvon paksuutta. jokjkjhkjkioiuoiu 86

87 Kalvonpuhallus:Puhallusprosess Puhalluksen seurauksena kalvo orientoituu leveyssuuntaan. Kalvon venytyksen määrää leveyssuunnassa kuvataan blow-up suhteella, joka on kuplan halkaisijan suhde suuttimen reiän halkaisijaan. Normaalisti blow-up suhde on välillä 1,5-4. Kalvoa voidaan orientoida myös pituussuunnassa, muuntelemalla kalvon vetonopeutta. i jokjkjhkjkioiuoiu 87

88 Kalvonpuhallus:Puhallusprosess i Letkun laajeneminen lopullisiin mittoihin tapahtuu kuplan alaosassa heti jäähdytysrenkaan jälkeen. Vähän jäähdytysrenkaan yläpuolella on niin sanottu freeze line, jonka jälkeen kuplaa ei voi enää muovata. Jäähtynyt kupla litistetään yläpäästä yhteen, jonka jälkeen kalvo kelataan rullille. Ennen kelausta kalvo voidaan halkaista tai siitä voidaan leikata pois reunat. jokjkjhkjkioiuoiu 88

89 Muottiinpuhallus Muottiinpuhallusta käytetään onttojen säiliöiden, kuten pullojen tekemiseen termoplastisista materiaaleista. Muottiinpuhallusta on kolmea eri tyyppiä: ekstruusiopuhallusmuovausta, ruiskuvalupuhallusmuovausta ja venytyspuhallusmuovausta. Kaikille menetelmille on yhteistä se, että ensin valmistetaan esiaihio, josta lopullinen tuote tehdään. jokjkjhkjkioiuoiu 89

90 Muottiin puhallus: Ekstruusiopuhallusmuovaus Ekstruusiopuhallusmuovauksessa viedään ekstruuderilla tehty pehmeä letkuaihio muottipuoliskojen väliin ja muotti suljetaan, kuten kuvassa on esitetty. Sulkeutuessaan muotti nipistää toisen pään letkusta umpeen. Letkun toisen pään kautta puhalletaan ilmaa, jolloin aihio venyy muotin pinnalle. Ilma voidaan puhaltaa aihioon joko ekstruuderin suuttimen kautta tai erillisen puhallustuurnan kautta. Puhallettua tuotetta jäähdytetään hetken aikaa, kunnes muotti avautuu ja tuote poistetaan. Tämän jälkeen uusi sykli voi alkaa. jokjkjhkjkioiuoiu 90

91 Kuva Ekstruusiopuhallusmuovaus. (1) Aihion valmistus, (2) Ilman puhallus, (3) Valmiin tuotteen poisto. jokjkjhkjkioiuoiu 91

92 Muottiin puhallus: Ekstruusiopuhallusmuovaus Suurten kappaleiden tuotantoon ei ekstruudereiden tuotantokyky usein riitä, sillä aihioiden puristuksen tulee tapahtua lyhyessä ajassa, jotta ne olisivat vielä puhaltamalla muokattavissa. Tällöin ekstruudereissa voidaan käyttää akkupäitä, jotka varastoivat sulaa massaa, kunnes sitä on riittävästi aihion nopeaan puristukseen. jokjkjhkjkioiuoiu 92

93 Muottiin puhallus: Ruiskuvalupuhallusmuovaus Ruiskuvalupuhallusmuovauksessa puhallettava aihio tehdään ruiskuvalamalla. Aihio voidaan siirtää heti valun jälkeen tai vasta myöhemmin puhallusasemalle. Jos aihio puhalletaan vasta myöhemmin, pitää se ensin lämmittää pehmeäksi. Suoraan ruiskuvalukoneelta siirrettäessä aihio on riittävän lämmin puhallusta varten. jokjkjhkjkioiuoiu 93

94 Muottiin puhallus: Ruiskuvalupuhallusmuovaus Suoraan ruiskuvalukoneelta siirrettäessä aihio valetaan puhallustuurnan ympärille, jolloin se voidaan siirtää tuurnan avulla puhallusmuovausmuottiin. Kun ilmaa puhalletaan tuurnan lävitse, aukeaa sen päässä oleva venttiili, joka estää sulan pursuamisen tuurnan sisälle valun aikana. Ruiskuvalupuhallus-muovauksen periaate on esitetty kuvassa jokjkjhkjkioiuoiu 94

95 Kuva Ruiskuvalupuhallusmuovaus: [I] Aihion ruiskuvalu, [D] Aihon muotista poisto, [P] Puhallusmuottiin siirto, [B] Puhallus, [D ] Muotista poisto, (A) Paineilma. (C) Puhallustuurna, (F) Aihio, (R) Kaulusrengas, (T) Ruiskuvalumuotti, (T ) Puhallusmuotti, (V) Ilmaventtiili. jokjkjhkjkioiuoiu 95

96 Muottiin puhallus: Ruiskuvalupuhallusmuovaus Ruiskuvalupuhallusmuovauksessa saadaan seinämänpaksuutta paremmin säädettyä kuin ekstruusiopuhallusmuovauksessa. Seinämän paksuutta voidaan säätää valamalla aihion seinä paksummaksi niistä kohdista, joista se joutuu eniten venymää. jokjkjhkjkioiuoiu 96

97 Muottiin puhallus: Venytyspuhallusmuovaus Venytyspuhallusmuovauksessa, joka on esitetty kuvassa , puhallettavaa aihiota venytetään ennen puhallusta. Venytys tehdään ilman puhaltamiseen käytettävällä tuurnalla. Aihio ruiskuvaletaan tuurnan ympärille, jonka jälkeen se siirretään puhallusmuottiin. Aihion ollessa muotissa, puhallustuurna liikkuu venyttäen aihiota. jokjkjhkjkioiuoiu 97

98 Muottiin puhallus: Venytyspuhallusmuovaus Venytyksen jälkeen aihio puhalletaan muotin muotoon. Venytyspuhallusmuovauksessa materiaali saadaan orientoitua biaksiaalisesti, jolloin tuotteella on parempi läpinäkyvyys ja kiilto. Lisäksi tuotteen mekaaniset ominaisuudet, kuten jäykkyys ja iskunkestävyys paranevat. jokjkjhkjkioiuoiu 98

99 Kuva Venytyspuhallusmuovauksen periaate. jokjkjhkjkioiuoiu 99

100 Lämpömuovaus Lämpömuovausta käytetään lähinnä kestomuovien prosessoinnissa. Lämpömuovauksessa kestomuovista tehdystä levyaihiosta muovataan lämmön ja muotin avulla tuote. Amorfiset muovit lämmitetään Tg:n (lasisiirtymälämpötilan) yläpuolelle ja kiteiset muovit lähelle sulamispistettä. Yleisimmin käytettyjä materiaaleja ovat kova PVC ja eri styreenimuovit. Lämpömuovausta voidaan käyttää monenlaisten melko ohutseinäisten tuotteiden valmistukseen. Suurimmillaan tuotteet ovat veneitä ja jääkaapin oviverhoiluja ja pienimmillään erilaisia pakkauksia kuten jogurttipurkkeja. jokjkjhkjkioiuoiu 100

101 Lämpömuovaus Lämpömuovauslaitteisto koostuu levyn kiinnityslaitteesta, lämmityslaitteesta, muotista, vakuumi- tai paineilmalaitteesta ja muotin liikuttamiseen käytetystä laitteesta. Lämpömuovausprosessin alussa muovattava levy kiinnitetään yleensä muotin päälle, jossa se lämmitetään pehmeäksi. Kun levy on pehmeä, puristetaan muotti sitä vasten, jolloin levy saa tuotteen karkean muodon. Lopullinen muoto saadaan puristamalla paineilmalla tai imemällä vakuumilla levy tiukasti muottia vasten. jokjkjhkjkioiuoiu 101

102 Lämpömuovaus Muotit jaotellaan yleensä positiivi- ja negatiivimuotteihin. Positiivimuotti on kupera ja antaa tuotteelle sisäpuolisen muodon. Negatiivimuotti on kovera ja se antaa tuotteelle ulkopuolisen muodon. Nykyisin on käytössä myös yhteensopivia muottipuoliskoja, jolloin tuote muotoutuu muottipuoliskojen välissä. Muotit voidaan valmistaa pienille sarjoille puusta tai lujitemuovista ja suuremmille sarjoille alumiinista. jokjkjhkjkioiuoiu 102

103 Lämpömuovaus Lämpömuovaus voidaan jakaa moneen menetelmään riippuen siitä, käytetäänkö positiivi- vai negatiivimuottia ja käytetäänkö kappaleen lopulliseen muotoiluun paineilmaa vai vakuumia. Ennen varsinaista muovausta levyä voidaan venyttää paineilman tai erilaisten työntimien avulla, jolloin saadaan tasaisempi seinämänpaksuus tuotteisiin ja tuotteeseen voidaan tehdä syvempiä muotoiluja. jokjkjhkjkioiuoiu 103

104 Kuva Erilaisia lämpömuovausmenetelmiä: (a) Levyn painemuovaus, (b) Kuuman levyn muovaus muottipuoliskojen välissä, (c) Levyn muokkaus männän ja tyhjiön avulla, (d) Levyn tyhjiömuovaus. jokjkjhkjkioiuoiu 104

105 Rotaatiovalu Rotaatiovalulla valmistetaan onttoja kappaleita, kuten säiliöitä, tynnyreitä ja palloja kestomuoveista ja plastisoleista. Myös joitakin kertamuoveja voidaan käyttää rotaatiovaluun. Kestomuoveja valettaessa materiaali ja leviää tasaisesti muotin pinnalle kesipakoisvoiman johdosta ja sulaa muotin pinnalle.. jokjkjhkjkioiuoiu 105

106 Rotaatiovalu Kertamuoveilla muotin lämmitys aikaansaa nestemäisen monomeeriliuoksen polymeroitumisen jähmeäksi kerrokseksi muotin pintaan. Plastisoleilla lämmitys aikaansaa polymeerin ja plastisointiaineen geeliytymisen. Rotaatiovalun etuna on, että sillä voidaan valmistaa suuria jännitysvapaita kappaleita. Haittapuolena on prosessin hitaus. jokjkjhkjkioiuoiu 106

107 Rotaatiovalu:Laitteisto Rotaatiovalussa muotti ei joudu koville mekaanisille rasituksille, joten muottimateriaalin ei tarvitse olla mitään erikoisterästä. Muotin tulee kuitenkin kestää lämmitystä ja jäähdytystä, joten se on yleensä tehty alumiinista tai teräksestä. Muotin rakenteen tulee olla sellainen, että sen lämmitys ja jäähdytys voidaan tehdä hallitusti. Muottia voidaan lämmittää kuumalla ilmalla, lämmönsiirtonesteellä tai kaasuliekillä. jokjkjhkjkioiuoiu 107

108 Rotaatiovalu:Laitteisto Muottipöytä on rakenteeltaan sellainen, että muotti pääsee pyörimään vähintään kahden akselinsa ympäri. Muottipöytiä on kahdenlaisia. Sukkulakärry (shuttle cart, Kuva 17a) rakenteessa muotti pyörii yhden akselin ympäri ja heilahtelee toisen akselinsa ympäri. Koko rakennelma rullaa uuniin/jäähdytyskammioon ja ulos. Tämä muottipöydän rakennelma sopii erityisesti suurten tuotteiden tekemiseen. Pyörivien varsien (rotary arms, Kuva 17b) järjestelmässä muotti on kiinnitetty pyörivään varteen, joka on liitetty toiseen pyörivään varteen. Tällaista muottipöytää käytettäessä ainoastaan muotti voidaan siirtää uuniin/jäähdytyskammioon ja muu osa koneistosta jää ulkopuolelle. jokjkjhkjkioiuoiu 108

109 Kuva (a) Sukkulakärrylaitteisto: (C) Jäähdytys/lämmityskammio, (R) Heilahdusakseli, (R ) Pyöritysakseli, (T) Muotti, (W) Kärry. (b) Pyöriviin varsiin perustuva laitteisto: (R) ja (R ) Varsien pyöritysmoottorit; (T) ja (T ) Muotit; (W) Vastapaino. jokjkjhkjkioiuoiu 109

110 Rotaatiovaluprosessi Rotaatiovaluprosessi alkaa muotin latauksella, jolloin raaka-aine annostellaan muottiin. Annoksen suuruus riippuu kappaleen koosta ja halutusta seinämän paksuudesta. Annostelun jälkeen muottia kuumennetaan ja pyöritetään samanaikaisesti, jolloin sulava/polymeroituva muovi leviää tasaisesti muotin seinämille. Lopuksi muottia jäähdytetään mahdollisimman tasaisesti, jotta kappaleeseen ei jää sisäisiä jännityksiä tai jotta se ei vääntyile. Jäähdytyksen jälkeen kappale poistetaan, muotti valmistetaan uuteen sykliin ja poistettu kappale trimmataan. jokjkjhkjkioiuoiu 110

111 Kalenterointi Kalenterointi soveltuu kestomuoveille, kumeille ja termoelasteille. Kalanteroinnissa sula termoplastinen polymeerimateriaali johdetaan kahden vastakkaisiin suuntiin pyörivän telan välisen raon läpi, jolloin tuotteeksi saadaan kalvoa tai levyä riippuen raon suuruudesta. Kalanterointiin eniten käytettyjä muoveja ovat pehmeä ja kova PVC. Myös muita muoveja kuten iskunkestävää polystyreeniä ja akryylinitriilibutadieenistyreeniä (ABS) kalanteroidaan. Kalenterointi soveltuu myös kumeille ja termoelasteille. jokjkjhkjkioiuoiu 111

112 Kalenterointi Kalanterointilinja koostuu useammasta laitteesta, jotka annostelevat, sekoittavat, plastisoivat ja antavat muodon tuotteelle. Annostelu voidaan tehdä manuaalisesti tai automaattisesti annostelulaitteella. Annostelulaitteet on usein yhdistetty sekoittimeen, jolloin komponentit saadaan annosteltua suoraan sekoittimeen. Käytettäessä pulverimaisia lähtöaineita, materiaalin sekoitus tehdään erillisenä vaiheena ennen plastisointia. Granulaattimuodossa olevaa raaka-ainetta käytettäessä esisekoitus ei ole tarpeen, sillä lisäaineet saadaan sekoitettua myös plastisoinnin aikana. Sekoittimet voidaan jakaa hitaasti pyöriviin nauha- ja planeettasekoittimiin ja nopeasti pyöriviin intensiivisekoittimiin. jokjkjhkjkioiuoiu 112

113 Kalenterointi Sekoitetun muovimassan plastisointiin käytetään joko jatkuva- tai panostoimista sulasekoitinta. Panostoimiset sekoittimet ovat yleensä vaivaussekoittimia, joissa sulasekoitusprosessi tapahtuu suljetussa tilassa. Jatkuvatoimiset sekoittimet ovat planeetta- tai kaksiruuviekstruudereita. Sekoitettu muovimassa kuljetetaan lopuksi kalanteriin. jokjkjhkjkioiuoiu 113

114 Kalenterointi Kalanteri antaa tuotteelle lopullisen muodon. Kalanterointiyksikkö koostuu yleensä rungosta ja 3-5 telasta, jotka on asennettu eri rakennemuodoiksi. Yleisimmät rakennemuodot ovat I-, F-, L-, Z- ja S-rakennemuodot, jotka on esitelty kuvassa Teloista ainakin kaksi on sulatusteloja, jonka lisäksi kalanterissa voi olla myös muita teloja, kuten martiotela. Sulatustelat on tehty yleensä teräksestä tai pallografiittivaluraudasta ja ne on pinnasta kiillotettuja. Valmis tuote irrotetaan kalanterista, jonka jälkeen se voidaan martioida eli sen pintaan painetaan kuviota. Tämän jälkeen kalvo tai levy jäähdytetään ja reunat leikataan tasaiseksi. Lopuksi kalvo kelataan rullalle jokjkjhkjkioiuoiu 114

115 Kuva Kalanteritelojen yleisimmät rakennemuodot. jokjkjhkjkioiuoiu 115

116 Polymeerimateriaalien valintaan vaikuttavat tekijät elektroniikkatuotteissa 16. Polymeerimateriaalien prosessointi:komposiittien prosessointi

117 Polymeerikomposiittien valmistus Komposiitilla tarkoitetaan homogeenista materiaalia, joka on valmistettu yhdistämällä keinotekoisesti kahta tai useampaa materiaalia haluttujen ominaisuuksien saavuttamiseksi. Komposiitti koostuu täyte- tai lujiteaineesta sekä matriisimateriaalista. jokjkjhkjkioiuoiu 117

118 Polymeerikomposiittien valmistus Komposiitit voidaan jaotella joko niiden rakenteen tai niissä käytettävien materiaalien perusteella. Rakenteen mukaan jako tapahtuu kuitukomposiitteihin, hiutalekomposiitteihin, laminaatteihin, kerroslevyrakenteisiin, partikkelikomposiitteihin sekä luurankorakenteisiin. Käytettävien materiaalien mukaan komposiitit luokitellaan matriisimateriaalin mukaan joko polymeeri-, metalli- tai keraamimatriisikomposiitteihin. jokjkjhkjkioiuoiu 118

119 Polymeerikomposiittien valmistus Komposiitteja käytetään niiden mahdollistaminen hyvien ominaisuusyhdistelmien vuoksi, komposiittimateriaalin ominaisuudet ovat usein parempia kuin niissä käytettävien raakaaineiden summa. Tyypillisesti komposiiteilla on esimerkiksi hyvä lujuus ja jäykkyys suhteessa tiheyteen ja lisäksi hyvä ympäristön kestävyys. jokjkjhkjkioiuoiu 119

120 Polymeerimateriaalien valintaan vaikuttavat tekijät elektroniikkatuotteissa 16. Polymeerimateriaalien prosessointi:komposiittien prosessointi:matriisit

121 Matriisit Hyvältä matriisimateriaalilta vaaditaan hyviä mekaanisia ominaisuuksia, hyvää adheesiota lujitteisiin sekä hyvää sitkeyttä ja ympäristönkestävyyttä. Tavallisimmin käytettyjä kertamuovimatriiseja ovat polyesteri, vinyyliesteri sekä epoksi. jokjkjhkjkioiuoiu 121

122 Matriisit Polyestereitä käytetään erityisesti vene- ja laivateollisuudessa. Käytettävät polyesterihartsit ovat tyydyttymättömiä ja yleisimmin komposiittien valmistuksessa käytettävät polyesterit ovat ortoftaalinen ja isoftaalinen polyesteri. Polyesterihartsit ovat yleensä vaikeasti juoksevia ja juoksevuutta voidaan parantaa lisäämällä styreeniä, joka myös ristisilloittaa polymeerin molekyyliketjut. Polyesterin kovettuminen saadaan aikaan katalyytin ja kiihdyttimen avulla. Täyteaineita voidaan lisätä jopa 50 painoprosenttia ominaisuuksien parantamiseksi ja hinnan alentamiseksi. jokjkjhkjkioiuoiu 122