Kaasuavusteinen ruiskuvalu School of Technology and Management, Polytechnic Institute of Leiria Käännetty ja tarkistettu teksti: Tuula Höök Tampereen teknillinen yliopisto Kaasuavusteinen ruiskuvalu on osoittautunut uusista termoplastien prosessointimenetelmistä lupaavimmaksi. Sen soveltaminen kasvaa jatkuvasti, koska menetelmä on joustava ja kappaleet voidaan muotoilla vapaammin kuin perinteistä ruiskuvalutekniikkaa käytettäessä. Kaasuavusteinen ruiskuvalu on kehitetty säästämään muoviraaka-ainetta, lyhentämään valukiertoja ja parantamaan paksuseinämäisten ruiskuvalukappaleiden pinnanlaatua. Johdanto Yleisimmissä kaasuavusteisen ruiskuvalun sovelluksissa kaasu johdetaan muottipesään kappaleen sisäpuolelle (internal gas injection) tai kappaleen ja muottipesän seinämän väliin vahvistamaan ja tiivistämään kappaleen seinämiä (kaasuavusteinen rinnakkaisruiskuvalu, external gas injection). Jälkimmäistä menetelmää käytetään kappaleen pinnanlaadun parantamiseen. Tässä artikkelissa käsitellään yleisempää menetelmää, jossa kaasu johdetaan kappaleen sisäpuolelle. Kaasu johdetaan jo osin muoviraaka-aineella täytettyyn muottiin siten, että se työntää muovia edellään muottipesään, kunnes pesä on kokonaan täynnä. Tämän jälkeen kaasun paine lasketaan vetämällä ruiskuvalukoneen suutin kauemmas muotin suuttimesta, jolloin kaasu pääsee purkautumaan. Joissain laitteistotyypeissä kaasu puretaan neulaventtiilin kautta siten, että se voidaan ottaa talteen ja kierrättää. Kaasu muodostaa polymeerin kanssa kuoren muottipesän seinämää vasten. Kaasu voidaan johtaa saman suuttimen kautta kuin muovikin tai erillisten neulaventtiilien kautta. Neulaventtiilit voidaan asettaa jakokanavaan tai paksuimpiin seinämiin. Tavallisimmin käytetään typpikaasua, joka ei inerttinä reagoi muovin kanssa. Kun muottipesä on täytetty kokonaan, kaasua käytetään vielä tuottamaan jälkipaine jäähtyvään muoviin. Muovin kutistuma kompensoituu paisuvalla kaasuytimellä. Kun kaikki muovi on kiteytynyt, kaasun paine poistetaan. Kappaletta jäähdytetään usein vielä niin kauan, että se on riittävän jäykkä työnnettäväksi ulos. Kehitteillä on myös vaihtoehtoisia menetelmiä, kuten PEP -ruiskuvalu (plastic expulsion process, PEP). PEP ruiskuvalumuotissa on varsinaisen muottipesän lisäksi yksi tai useampia ylijuoksupesiä. Varsinainen, kappaleen muotoava muottipesä täytetään kokonaan muovilla. Kun se on täynnä, avataan venttiilit ylivuotopesiin ja syötetään kappaleen sisään kaasua. Ylimääräinen muovi pursuaa ylivuotopesiin. Käytössä on myös tekniikka, jossa kaasulla syrjäytetty muovi palautetaan venttiilin kautta takaisin ruiskuvalukoneen ruuville. Muotti on tällöin yksinkertaisempi. Kaasuavusteisen ruiskuvalu on lisenssoitu tekniikka. Lisenssijärjestelmän vuoksi menetelmää ei ole käytetty Euroopassa yhtä runsaasti kuin Yhdysvalloissa. Tärkeimmät lisenssinhaltijat ovat Cinpres (http://www.gasinjection.com) ja Gain Technologies Inc. (http://www.gaintechnologies.com). Kaasuavusteinen ruiskuvalu - 1
Prosessointi Kuva 1: Kaasun johtaminen kappaleen ulkopuolelta kaasuavusteisessa rinnakkaisruiskuvalussa (External gas-assisted injection molding) Muoviraaka-aine Sularintama Jähmettynyt muovikerros Kappaleen ontto sisusta Kaasurintama Kuva 2: Kaasuavusteisen ruiskuvalun periaate Kaasuavusteinen ruiskuvalu - 2
Kaasuavusteinen ruiskuvalu jakaantuu seuraaviin kolmeen vaiheeseen: muovin ruiskuttaminen, ensimmäinen kaasun injektointivaihe ja toinen kaasun injektointivaihe. Prosessointi Vaihe 1 Muovin ruiskuttaminen: Muovi ruiskutetaan muottipesään. Vaihe 2 Ensimmäinen paineistus kaasulla: Sulaan muoviraaka-aineeseen johdetaan kaasua, joka kertyy kuplaksi muovin sisälle. Kaasu korvaa osan muottipesään syötetystä muoviraaka-aineesta ja viimeistelee muotin täyttymisen. Vaihe 3 Toinen paineistus kaasulla: Kaasukupla laajentuu, kun kappale jäähtyy, jähmettyy ja kutistuu. Kutistuma pienentää kappaleen tilavuutta. Tyhjäksi jäänyt tila täytetään kaasulla. Kappale tiivistyy. Kaasuavusteista ruiskuvalua sovelletaan kahdella menetelmällä. Yleisimmässä menetelmässä kaasu johdetaan kappaleen sisälle. Vaihtoehtoisessa menetelmässä kaasu johdetaan kappaleen ja muottipesän väliin. Yleisintä menetelmää sovelletaan kolmella eri tyyppisellä prosessilla (Kuvat seuraavalla sivulla): - Kaasuavusteinen ruiskuvalu, jossa kaasu johdetaan muovin virtaussuuntaan - Kaasuavusteinen ruiskuvalu, jossa kaasu johdetaan muovin virtaussuuntaa vastaan - Kaasuavusteinen ruiskuvalu ylijuoksupesiä käyttäen Kaasuavusteisella menetelmällä valetun ruiskuvalukappaleen mekaaniset ominaisuudet Teknisen komponentin mekaanisista ominaisuuksista tärkeimmät ovat jäykkyys ja lujuus. Molemmat ominaisuudet riippuvat kappaleen geometriasta, valmistusmateriaalista, kuormituksista ja kiinnityksistä. Jäykkyydellä tarkoitetaan kappaleen kykyä vastustaa muodonmuutosta kuormituksen alaisena. Lujuudella tarkoitetaan kappaleen kykyä kestää kuormituksia. Kaasuavusteinen ruiskuvalu parantaa molempia ominaisuuksia, koska se muuttaa kappaleen geometriaa edullisemmaksi. Kappaleen jäykkyys Jos kappale on oikein suunniteltu ja prosessi oikein säädetty, kaasuavusteisella ruiskuvalulla saavutetaan parempi jäykkyys suhteessa kappaleen painoon kuin perinteisellä ruiskuvalutekniikalla. Erityisen hyvät jäykkyysominaisuudet saavutetaan, kun kaasu kulkee kanavan läpi. Putkimaisessa, kaasuavusteisella ruiskuvalulla valetussa kappaleessa, on 40 % parempi jäykkyys-paino -suhde kuin umpinaisella sauvan muotoisella ruiskuvalukappaleella. Rivoitetut tasomaiset kappaleet ovat ainoastaan noin 5 % parempia jäykkyys-paino suhteeltaan kuin rivoittamattomat vastaavan muotoiset kappaleet. Kaasuavusteinen ruiskuvalu - 3
Kaasun virtaus Muovin ruiskuttaminen Kuva 3: Kaasuavusteinen ruiskuvalu, jossa kaasu johdetaan muovin virtaussuuntaan Kaasun virtaus Muovin ruiskuttaminen Kuva 4: Kaasuavusteinen ruiskuvalu, jossa kaasu johdetaan muovin virtaussuuntaa vastaan Kaasun virtaus Muovin ruiskuttaminen Kuva 5: Kaasuavusteinen ruiskuvalu ylijuoksupesiä käyttäen Kaasuavusteinen ruiskuvalu - 4
Kappaleen lujuus Kaasuavusteisen ruiskuvalumenetelmän vaikutus rivoitetun tasomaisen kappaleen lujuuteen on esitetty alla olevissa kuvissa. Toisessa kuvassa lujuutta on tarkasteltu rivan suunnassa ja toisessa kuvassa rivan suuntaa vastaan. Paksuseinämäisen ontelorakenteisen rivoituksen lujuus on merkittävästi suurempi kuin ruiskuvalumenetelmän mahdollistamissa rakenteissa, jos rakennetta taivutetaan rivan suuntaisesti. Sama rakenne on vain hieman lujempi, jos taivutus tehdään ripaan nähden poikittain, koska tällöin pohjalevyn paksuus vaikuttaa kuormankantokykyyn eniten. Kaasukuplan leveys vaikuttaa myös kappaleen lujuuteen. Huonosti muotoillut kaasukanavat, joita ei ole keskitetty ripaan nähden ja/tai joissa on vuotoja reunoilla, voivat huonontaa kappaleen lujuutta. Lujuus heikkenee, koska kappaleeseen muodostuu ohuita seinämiä, jotka eivät jaksa kantaa rasituksia suunnitellusti. Jos tasomaista kappaletta taivutetaan rivan suunnassa, lujuus vähentyy hiukan kaasukanavan ja reunavuotojen suurentuessa. Jos kappaletta taivutetaan kohtisuoraan rivan suuntaa vastaan, sen lujuus voi pienentyä huomattavasti kaasukuplan leveyden kasvaessa suuremmaksi kuin puolet rivan leveydestä. Jos reunavuotoa on paljon, kappaleen lujuus voi pienentyä jopa 20 % verrattuna umpinaisen kappaleen lujuuteen. Jos materiaali on haurasta, esimerkiksi lasikuitulujitteista muovia, lujuus voi laskea erityisen voimakkaasti. Jos rivoitettu kappale joutuu kantamaan taivutuskuormia molempiin sunntiin samanaikaisesti, kaasukanavan leveyden tulee olla korkeintaan 50 % rivan leveydestä. Kappale voidaan myös rivoittaa kahteen suuntaan, mutta tällöin rakenne on melko monimutkainen kaasuavusteiseen ruiskuvaluun. Kuva 6: Lujuus kaasukanavien ja rivoituksen suunnassa. Kuva 7: Lujuus kaasukanaviin ja ripoihin nähden poikittaisessa suunnassa. Kaasuavusteinen ruiskuvalu - 5
Kaasuavusteinen ruiskuvalu tarjoaa mahdollisuuksia, joilla voidaan ratkaista joitakin suunnittelullisia ongelmia järkevällä tavalla. Seuraavassa on listattu joitakin mentelmän hyviä ominaisuuksia ja erilaisia haittapuolia: Hyödyt ja haitat - Kappaleeseen voidaan suunnitella paksuja onttoja kohtia tai kappale voi olla kauttaaltaan ontto. Tällä ominaisuudella ratkaistaan joitakin muotoiluongelmia: - Paksut kappaleen vahvistamiseksi ja jäykistämiseksi tehdyt rivoitukset (ribs) ja muoviraaka-aineen virtausta edistämään suunnitellut rivoitukset (flow leader) on mahdollista toteuttaa ilman prosessointiongelmia (esim. imuja). - Kappaleen jäykkyys suhteessa sen painoon kasvaa. - Voidaan valmistaa poikkileikkaukseltaan paksuja kappaleita, kun paksun kohdan sisus prosessoidaan ontoksi. Tämä ominaisuus mahdollistaa useamman kokoonpantavan osan yhdistämisen yhdeksi kappaleeksi (parts consolidation) kuin perinteisellä ruiskuvalutekniikalla olisi mahdollista. - Yleisesti on niin, että tuotantokustannukset pyritään saamaan niin pieniksi kuin mahdollista. Kaasuavusteinen ruiskuvalu mahdollistaa säästöt seuraavasti: - Kaasuavusteinen ruiskuvalu on periaatteessa vajaavaluprosessi, jossa tyhjä tila on asetettu suunnitelmallisesti. Tämän vuoksi: - Sulkuvoiman tarve on pienempi - Ruiskutuspaine on pienempi - Valukierto on lyhyempi kuin umpinaisella ruiskuvalukappaleella - Kappaleen pintakerroskesta tulee tasaisempi ja kauniimpi, jolloin: - Kappale on miellyttävän näköinen - Kappaleen viimeistelytarve vähenee - Kappaleen mittojen pitävyys paranee, koska kaasu tiivistää muovin tasaisesti muottipesän sisältä. Muut muovikappaleen ominaisuudet linkittyvät mittojen pitävyyteen. Näitä ovat: - Kappaleen sisäiset jännitykset vähentyvät - Vääntyily vähentyy - Imujen määrä vähentyy Seuraava taulukko listaa kaasuavusteisen ruiskuvalun hyviä ja huonoja puolia. Hyödyt - Pienempi sulkuvoiman tarve - Pienempi painehäviö - Yksinkertaisempi ja halvempi muotti - Kevyempi kappale (painon pudostus 40% saakka) - Vähemmän pintajälkiä - Vähemmän vääntyilyä - Suurempi muotoilun vapaus, kappaleen ei tarvitse olla seinämiltään tasapaksu Haitat - Vaatii lisälaitteistoja - Tarvitaan erikoissuuttimia tai neulaventtiilit kaasua varten - Kutistuma kaasun virtauksen suuntaan on suurempi - Materiaalin ominaisuudet ovat yleensä huonommat, jos verrataan vastaavaan perinteisellä menetelmällä valmistettuun kappaleeseen Kaasuavusteinen ruiskuvalu - 6
Kappale: Esimerkki Kuva 8: Valettavan kappaleen CAD -malli Kappaleen pinnan ala on suuri, joten on tärkeää ehkäistä virtausjälkien muodostuminen. Jotta jälkiä ei muodostuisi siinä vaiheessa, kun kaasua aletaan syöttää pesään sisälle, päätettiin ottaa käyttöön ylijuoksupesätekniikka. Muottipesä täytetään aluksi kokonaan, jonka jälkeen kaasu työntää ylimääräisen muovin edellään ylijuoksupesään. Ylijuoksupesä Kappale Kuva 9: Kappale ja ylijuoksupesä, johon kaasun syrjäyttämä muoviraaka-aine johdetaan Kaasuavusteinen ruiskuvalu - 7
Muotti: Kuva 10: Nelipesäinen muotti Kaasun syöttö Ruiskutuskohta Ylijuoksupesä Kaasuavusteinen ruiskuvalu - 8
Kaasun syöttö Ruiskutuskohta Kuva 14: Kuva 11: Kaasun ja muoviraaka-aineen syöttökohdat Valettu kappale: Kuva 12: Ruiskuvalettu kappale Gas entrance Kuva 13: Kappaleen poikkileikkaus Kaasuavusteinen ruiskuvalu - 9
Kirjallisuus Injection Molding Alternatives, Jack Avery, Hanser Press Injection Moulding Gas Assist Guide, GE Plastics Gas injection technology, Bayer Plastics Tech Center (http://tpeu.com/plastics/emea/en/technology/1012/article.jsp?docid=1818&cid=1012) Cinpres Gas Injection (http://www.cinpres.com/technology.php) Kaasuavusteinen ruiskuvalu - 10