Formsprutning fyller 140 år
Verkstäderna fortsätter här serien om totalt 10 artiklar som kallas ”Värt att veta om plast”. Här i avsnitt 8 övergår vi från materialet till arbetsmetoderna.
I denna artikel skall vi dock fokusera på termoplaster.
Metoden patenterades redan år 1872 av bröderna Hyatt i USA som började tillverka biljardbollar i celluloid. De första formsprutorna var s.k. kolvmaskiner där man fyllde plastmaterialet i en uppvärmd cylinder. När plasten sedan smält pressades den in i formrummet med hjälp av en kolv. De första svenska formsprutarna, Celluloid (numera Placell), Orionplast, Bladhs Plast och Konstruktionsbakelit m.fl. började alla sin formsprutning av termoplaster under 1940-talet med hjälp av kolvmaskiner. Först under 1950-talet kom de första skruvmaskinerna, d.v.s. den typ som vi använder idag. Från att ha varit en handfull pionjärer för 60 år sedan räknar man med att det idag finns bortåt 500 formsprutare i Sverige.
Att formsprutning har blivit den mest populära bearbetningsprocessen för termoplaster idag beror på att den ger så stora kostnadsfördelar jämfört med konventionell skärande bearbetning eller annan gjutning. Processen har också genomgått stor utveckling under de senaste femtio åren och är idag helt datoriserad.
Egenskaper
Fördelar
Formsprutning är en helautomatisk cyklisk process där:
• Man ofta framställer helt färdiga detaljer i varje skott
• Detaljerna kan ha mycket komplex form utan krav på efterbearbetning
• Man har mycket hög produktionstakt (i extrema fall med tunnväggiga förpackningar en cykeltid på bara 3 – 4 sekunder)
• Man kan tillverka allt från millimeterstora precisions- detaljer (t.ex. kugghjul i armbandsur) upp till stora karosseridelar till lastbilar (med längder över 2 m)
• Man kan tillverka detaljer med mycket tunna väggar (några tiondels millimeter) upp till över 20 millimeter
• Man kan kombinera flera olika plastmaterial i samma skott (t.ex. ett mjukt grepp på ett styvt handtag)
• Man kan överspruta metalldelar (t.ex. bälteslås till säkerhetsbälte i bilar som visas på bilden nedan)
• Man kan få detaljer med allt från s.k. klass A-ytor, som lämpar sig att lacka eller förkroma till texturerade ytor med t.ex. läderstruktur, som man ofta ser i bilinredningar
• Man lätt kan robotisera processen om man önskar efterbearbetning t.ex. avlägsna ingöt, montera (t.ex. svetsa) eller ytbelägga detaljerna
• Man kan återvinna ingöt eller kasserade detaljer direkt vid formsprutningsmaskinen
Begränsningar
Om man skall försöka finna några nackdelar med formsprutning, så är det i så fall att processen kräver relativt dyrbar utrustning (maskiner och formverktyg), vilket i regel kräver stor seriestorlek (> 1000 detaljer) för att metoden skall bli riktigt lönsam. Annat som kan ställa till problem är att detaljerna krymper jämfört med formrummets dimensioner, vilket kan förorsaka toleransproblem. Man måste också ha släppningsvinklar på 0,5 till 1° för att lättare kunna stöta ut detaljerna ur formverktyget.
Formsprutningsmaskinen
En formspruta består av två delar: Sprutenheten, där plastmaterialet fylls på och smälts och låsenheten, där formverktygets två halvor är fixerade. Med hjälp av låsenheten stänger och öppnar man verktyget. Mitt på maskinen sitter den datoriserade kontrollpanelen där man ställer in och styr själva bearbetningsprocessen.
Sprutenheten
Sprutenheten består av en tratt eller doseringsenhet i början på en cylinder som värms upp med hjälp av värmeband. Inuti cylindern finns en skruv som antingen roterar och doserar fram plastmaterialet till nästa skott eller som får en linjär rörelse och fungerar som en kolv när materialet sprutas in i formverktyget. I slutet på skruven sitter en spets i form av backströmsventil som förhindrar att materialet pressas bakåt när man fyller formverktyget. Cylindern övergår i munstycket som ligger an mot verktyget. Materialet flyter in i formrummet genom munstycket under insprutningsfasen.
Låsenheten
Formverktyget består i regel av två halvor (i undantagsfall av tre i s.k. etageverktyg). Den ena halvan, där ingötet finns, fixeras på maskinens fasta formbord och kallas därför för fast formhalva. Den andra, där utstötarplattan finns är monterad på maskinens rörliga formbord och kallas rörlig formhalva. En låsmekanism som antingen är mekanisk (knäledsmekanism) eller hydraulisk ger det rörliga formbordet en linjär fram- och tillbakarörelse och öppnar eller stänger därmed verktyget.
Formsprutningscykeln
Formsprutningscykel börjar med att smält material sprutas in genom munstycket in i formrummen. Vi kallar detta för insprutningsfasen. Skruven roterar inte under denna fas utan styrs av hydraultryck, så att den får en linjär rörelse och fungerar därför som en kolv. En backströmsventil sitter längst fram på skruven och förhindrar att smältan framför skruven pressas tillbaka i cylindern.
Under eftertrycksfasen roterar inte skruven men ligger under högt tryck (50 – 100 MPa). Den rör sig sakta några millimeter framåt när materialet i formrummet packas upp. Anledningen till att man måste ha en eftertrycksfas är att det är stor skillnad (upp till 20%) mellan plastsmältans specifika volym och det stelnade materialets specifika volym (framför allt när det gäller delkristallina plaster). Man måste därför kompensera volymskillnaden med att packa in mer material i formrummet under stelningsförloppet för att undvika att skjunkmärken eller porer ska bildas.
Under doseringsfasen roterar skruven och matar fram ny plastsmälta framför skruvspetsen. Skruvvarvtalet måste anpassas till materialets smältaviskositet så att man inte får för hög skjuvning mellan skruvens flanker och cylinderväggen. Skjuvningen ger friktionsvärme och om denna blir för hög så sönderdelas materialet, vilket kallas för termisk nedbrytning. När doseringen är klar kan man i princip öppna verktyget om man formsprutar delkristallina plaster. Man brukar dock lägga på en liten säkerhetsmarginal (0,5 – 1 sek) för att kompensera för variationer av doseringstiden (paustid). För amorfa material brukar man ha en rejäl paustid utöver doseringstiden så att materialet skall hinna bli tillräckligt styvt för att inte deformeras vid utstötningen. Öppnings-, utstötnings- och stängningsfasen brukar i regel gå på några sekunder även om man låter en robot hämta ut detaljerna från verktyget.
Alternativa formsprutningsmetoder
Under de senaste årtiondena har man utvecklat formsprutningsprocessen så att man kan kombinera olika material i samma detalj eller göra tjockväggiga detaljer ihåliga eller skumma materialet inuti detaljväggen. Man kan även föra in folie i formrummet och få detaljer med textilyta eller träimitation.
Flerkomponentsformsprutning
Vanligast är att man kombinerar två olika material i samma detalj även om fler material kan sprutas i samma skott. Vid flerkomponentsformsprutning har man specialmaskiner med en cylinder för varje material.
Man kan även åstadkomma 2-komponentsformsprut-ning genom att rotera ena verktygshalvan istället för att låta en robot flytta detaljen. Verktyget blir i detta fall betydligt dyrare men man spar en hel del tid.
Gas- eller vatteninjicering
Man kan även göra ihåliga detaljer vid formsprutning. I detta fall måste man utrusta formsprutan, som kan vara av standardtyp, med ett speciellt aggregat som injicerar gas (oftast kväve eller koldioxid) i slutet av fyllningsfasen. Man måste samtidigt ha ett s.k. avstängningsmunstycke så att gasen inte tränger in i cylindern. Det finns olika metoder där man injicerar gasen antingen i ett specialmunstycke eller genom ventiler direkt in i formrummet. I vissa fall fyller man formrummet helt med plast, öppnar sedan s.k. överfyllnadsfickor och låter sedan gasen bilda en blåsa i mitten av formväggen och samtidigt pressa ut motsvarande plastvolym i överfyllnadsfickorna. Man mal sedan ned överfyllnadsfickorna och blandar till dem tillsammans med nyvara.
Med gasinjection kan man minska kravet på låskraft hos formsprutan eftersom man ersätter högt eftertryck med betydligt lägre gastryck. Detta påverkar dock ytfinishen på utsidan negativt. Man kan även finfördela gasen i speciella munstycken och åstadkomma skum inuti formväggen. Det finns flera olika metoder för detta av vilka
Mucell är den mest kända.
Vatteninjicering
Ett nytt alternativ som är på väg att tas j bruk är att ersätta gasen med vatten. Härvid får man ännu kortare cykeltid, bättre ytfinish på insidan och jämnare vägg- tjocklek. Nackdelen är att detaljen måste punkteras för att vattnet skall avlägsnas.
Text Ulf Bruder