Vad är formsprutning?

1. Formsprutning för termoplaster & termoelaster

Formsprutning är en av de viktigaste tillverkningsprocesserna för termoplast. Vid volymtillverkning av både enkla och komplicerade detaljer har formsprutning fördelar som t.ex.

• Inga mellanprodukter mellan råvara (granulat) och färdig produkt.
• Ingen eller litet behov av efterbearbetning.
• Processen kan göras helautomatisk med god reproducerbarhet

2. Formsprutningsmaskinen

Formsprutningsmaskinens uppgift är att smälta och homogenisera plastmaterialet till rätt nivå så att smältan är lättflytande under tryck, utan att riskera nedbrytning.  Därefter skall maskinen förflyta smältan genom formverktyget och fylla samt packa upp formrummet med en snabb och jämn flytfrontshastighet. Avslutningsvis skall sedan formverktyg kyla smältan under tryck, för att sedan öppnas och avforma (stöta ut) den färdiga produkten.

En modern formsprutningsmaskin är reglerad och justerar så att dessa funktioner utförs automatiskt och under kontroll av temperatur, tid, rörelser och tryck så att den färdiga produkten kan produceras med hög precision och god kvalitet.

2.1 Maskinens uppbyggnad

De formsprutor som finns kan variera ganska mycket i form av utrustning och konstruktion, på marknaden erbjuds det ett stort antal olika fabrikat, storlekar och utföranden. I detta dokument kommer den vanligaste typen av formsprutningsmaskin, den hydrauliskt drivna att i huvudsak beröras.

Huvudkomponenterna är:

• Maskinstativet, som i sin tur bär upp övriga enheter.
• Insprutningsenheten, som plasticerar och sprutar in materialet i formen.
• Låsenheten, som öppnar och stänger samt låser formen med tillräcklig låskraft så att inte trycket som uppstår i formrummet under formfyllnaden klara av att öppnar formen.
• En hydraulisk pump med tillhörande oljetank, och/eller en eller flera elektriska motorer för drivning.
• Styrenheten som koordinerar och reglerar formsprutans rörelser.

2.2 Maskinstativ

Maskinstativet bär upp insprutnings- och låsenheten och är vanligtvis en svetsad stålkonstruktion. Oljetanken är normalt även den integrerad i konstruktionen tillsammans med övriga hydrauliska delar som pump med tillhörande elmotor samt ventiler.

2.3 Insprutningsenhet

Insprutningsenheten som förenklat består av en cylinder och en skruv har till uppgift att utföra följande tre moment:

• Bearbeta plasten till en mjuk formbar smälta (massa) med bra homogenitet.
• Pressa in smältan i formrummet och hålla det på plats tills den stelnat.
• Förflyttar munstycket fram och tillbaka.

2.4 Skruven

Skruven i insprutningsenhetens cylinder roterar för att plastificera plastgranulatet. Drivningen sker med hjälp av en hydraulisk eller elektrisk servomotor.

Formsprutor levereras vanligtvis med en så kallad standardskruv. Detta är en skruv som passar de flesta tillverkningssituationer och tål temperaturer upp till ca 350°C. Speciella stålkvalitéer krävs vid högre temperaturer, detsamma gäller för bearbetning av fyllda termoplaster då det gäller att minimera nötning samt risken för korrosion etc. De vanligaste förekommande skruvarna är 3-zons skruvar där de tre är Inmatningszon, Kompressionszon och Utmattningszon.

2.5 Backströmsspärr

Skruvens funktion under insprutningen är som en kolv d.v.s. skruven roterar inte. För att inte smältan skall tryckas tillbaka längs med skruven finns det en ventil, kallad backströmsspärr, längst fram på skruven. Denna tillåter smältan att gå framåt men inte bakåt. Detta sker genom att ”kanaler” öppnas respektive stängs mellan backspärrsringen och dess anliggningsyta på skruven.

2.6 Låsenhet

Låsenhetens uppgift är att medge fastspänning av, samt öppning/stängning av formverktyget, samt därutöver skapa en tillräcklig hög låskraft som förhindrar att formverktyget öppna sig p.g.a. det höga tryck som skapas i formrummet under insprutnings- och eftertrycksfasen. Utöver detta är även den drivningen för utstötare m.m. monterat på enheten.

Alla formsprutor har två formbord, det fasta samt det rörliga. Det fasta formbordet är fast förankrat i maskinstativet och har ett runt hål genom vilket insprutningsenhetens munstycke kan komma i kontakt med formverktyget, hålet tjänar även till för att centrera formverktyget med hjälp av centreringsringen. Denna centring är viktig för att munstycket skall få en korrekt styrning mot ingötsbussningen i formverktyget.

Det rörliga formbordet kan förskjutas längs med maskinstativet för att öppna och stänga verktyget, den har också ett runt hål genom vilket utstötarmekanismen kan sammankopplas med formen.

Förekommande indelningar av formsprutnings-maskiner återspeglar vilken typ av formlåsning dessa är utrustade med t.ex. knäledsmaskin eller hydraulisk maskin. Detta då formlåsningen i huvudsak förekommer i tre utföranden mekanisk låsning, hydraulisk låsning och hydromekanisk låsning.

2.6.1 Låsenhet, knäled

Principiellt är detta en låsenhet som bygger på en enkel eller dubbelverkande knäled som sträcks ut, samt för själva låsningen går en lite bit förbi detta utsträckta läge – vilket skapar en ”överbockning” som fungerar som en låsning. Drivningen av knäleden sker normalt med hjälp av en hydraulcylinder eller en servomotor med tillhörande kulskruv.

2.6.2 Hydraulisk låsenhet

Hydraulisk låsning innebär att en hydraulcylinder verkar direkt på det rörliga formbordet. Detta kan låta enkelt men medför en del svårigheter t.ex. beroende av den mängd hydraulolja som skall förflyttas vid formöppning respektive stängning.  För att komma runt detta problem använder man sig av en mindre transportcylinder som utför större delen av förflyttningen med hjälp av en mindre arbetsdiameter och därmed ett mindre behov av hydraulolja.

2.7 Styrsystem

På moderna maskiner är styrsystemet nästa alltid baserat på mikrodatorer, vilket innebär att önskade processparametrar matas in via ett tangentbord och maskindata görs visuell via en bildskärm. Detta skapar förutsättningar för avancerad processtyrning samt statistik, samtidigt som maskinen har kapacitet att övervaka samt styra förkommande process-parametrars ÄR-värden mot inställda BÖR-värdena.

3. Formsprutningsprocessen

Det plastificerings- & insprutningssystem som på de senaste årtiondena har tagit över den största delen av marknaden använder en skruv för plastificering (smältning) och insprutning av plastmaterialet. Skruvar har länge använts för extrudering av termoplaster och dess förmåga att under kort tid leverera en kvalitetsmässigt homogen smälta ledde till att man också började använda den inom formsprutningstekniken.

3.1 Beskrivning av formsprutningscykeln

För att producera detaljer från plastråvaran d.v.s. granulat eller pulver, till färdig produkt måste det fasta plastmaterialet omvandlas till en smälta för att därefter formas och kylas till en färdig produkt.

Vid formsprutning sker detta sker genom följande processteg:

• Plastificering & dosering
• Insprutning
• Omkoppling
• Eftertryck
• Förseglingspunkt
• Avkylning
• Utstötning eller avformning

3.2 Arbetssätt för en formsprutningsmaskin.

Materialet plastificeras (smälts) och doseras genom skruvens rotation. Efter det att formverktyget har stängts, sprutas det smälta materialet in i formrummet genom att skruven rör sig i axiell led framåt. Materialet kyls därefter i verktyget. I det sista steget öppnas formen och detaljen avformas.

3.3 Tänkvärt

Processcykeln har en direkt inverkan på den slutliga kvaliteten hos den detalj som tillverkas. För att kunna tillverka detaljer som motsvarar kundens önskemål är det viktigt att veta vilka parametrar och processteg som ingår i en cykel och hur de påverkar processen.

Kraven på detaljer tillverkade av termoplast är i regel stora både vad det gäller detaljens toleranser och utseende. Detta innebär att det ställs stora krav processens precision och repeternoggrannhet. Formsprutningscykeln innehåller ett antal processteg, som måste optimeras noggrant för att resultatet ska bli det som kunden förväntar sig.

För att få bästa möjliga ekonomi är det nödvändigt att optimera de ingående processtegen för att förkorta cykeltiden. För att spruta kvalitativ bra formgods med så kort cykeltid som möjligt bör inställningsförfarandet följa en viss ordning. Gör man inte det kan det hända att formgodset inte blir optimalt producerat.

För att uppnå en optimal formsprutningsprocess d.v.s. ett formgods som motsvarar kundens kvalitetskrav samtidigt som det tillverkas under kortast möjliga cykeltid, bör operatören väl känna till kraven och användningen för produkten. Detta eftersom tolerans-, hållfasthets- och utseendemässiga krav har stort inflytande på den slutgiltiga inställningen av formsprutprocessen.

Det ligger alltså på operatörens ansvar att producera, mäta, beräkna, utvärdera och korrigera sina processinställningar så att en optimal formsprutprocess erhålls.

För att underlätta processoptimering och för att kvalitetssäkra produkterna används normalt styrprogram i formsprutningsmaskinen för övervakning och lagring av processdata.

1. Maskinen plasticerar och doserar en bestämd volym homogen smälta i insprutningsenheten.
   

   

2. Därefter sker en kontrollerad formfyllnad och uppackning med plastmaterialet i kaviteten inuti formverktyget, som maskinen håller ihop med kraft.
   

   

3. När materialet i formrummet har stelnat öppnas formen och detaljen avformas.
   

   

4. Formsprutningscykeln

Vid bearbetning av plastmaterial som vid formsprutning, menas med cykel, de efter varandra följande maskinrörelser som fordras för att producera en färdigsprutad produkt. Observera att vissa maskinrörelser alternativt tider kan överlappa varandra tidsmässigt.

4.1 Formstängning

Cykeln inleds med formstängning. För att få en mjuk och kontrollerad rörelse stängs den rörliga verktygshalvan med en inställd hastighets- och tryckprofil bestående av flera hastighetssteg. När formskyddsvägen nåtts, aktiveras ett formskydd, som har till uppgift att sänka stängningskraften så att inte verktyget skadas om någon detalj skulle ligga kvar mellan formhalvorna.

När formsprutade detaljer har stora underskärningar eller håligheter, drivs (körs) kärnor in samtidigt som verktyget stänger eller vid bestämda positioner. En kärna är en verktygsdel, som ofta drivs in i verktygets formrum (hålrum) parallellt med formverktygets delningsplan.

När formverktyget är stängt, låser man dess rörelse genom att t.ex. lägga på ett bestämt hydraultryck på det rörliga formbordets hydraulcylinder. Detta görs för att hålla verktyget stängd så att den inte öppnas på grund av det forminnertrycket som uppstår när plasten sprutas in i formrummet. Detta hydraultryck generera därmed en mekanisk ”Låskraftet” som håller ihop formverktygets halvor.

Låskraften anges i kN (eller ton) och är den låskraften, som maskinen måste uppbringa, för att hålla verktyget stängt och motverka insprutningstrycket. En för låg låskraft leder till gradbildning på detaljen, en för hög låskraft kan skada verktyget eller formplattorna.

4.2 Insprutningsenheten, framåt

När verktyget har stängts och uppnått sin låskraft flyttas sprutenheten fram så att munstycket anligger mot verktygets ingötsbussning. När munstycket har nått ingötsbussningen byggs ett anliggningstryck upp för att läckage inte ska ske mellan munstycket och verktyget under insprutningen av plastsmältan. Insprutningsenheten kommer att hållas tryckt mot formverktyget fram till dess av nästa dosering är avklarad, detta sker för att smältan inte ska läcka ut. Anliggningstrycket skapas med hjälp av hydraulcylindrar eller elektriska motorer på insprutningsenheten. Det är vanligt att man därefter dra tillbaka insprutningsenheten från formverktyget för att förhindra en avkylning av munstycket från formverktyget.

4.3 Insprutning

Under insprutningen förflyttas skruven framåt utan att rotera och backströmsspärren stänger på grund av det massatryck som uppstår i smältan framför backströmsspärren.

Skruven fungerar nu som en kolv och det plastificerade materialet framför backströmsspärren sprutas genom munstycket och via fördelningskanaler in i formverktygets olika formrum.

Under insprutningsfasen är processen hastighetsstyrd. Hydraultrycket i insprutningscylindern anpassar sig då beroende på det ”arbete” som krävs för att uppnå den inställda insprutningshastigheten. Anledningen till detta är att snabbare insprutning, mer trögflytande smälta och längre flytvägar kräver mer energi, och därmed högre hydraultryck för att upprätthålla den önskade insprutningshastigheten.

När formrummet är volymetriskt fyllt med smält material, komprimeras denna och trycket i formrummet stiger snabbt. Det maximala insprutningstrycket kan bli så högt som mellan 600 och 2500 bar beroende på maskintyp och formverktyg. När man nått volymetriskt fyllnad är det dags att avsluta insprutningen och koppla över till eftertrycksfasen. För att styra och kontrollera omkoppling till eftertryck ställs en omkopplingspunkt in.

4.4 Omkopplingspunkt

Övergången från den hastighetsreglerade insprutningsfasen till den tryckreglerade eftertrycksfasen sker när omkopplingspunkten uppnås. Detta kan ske på följande sätt:

• Väg- eller volymstyrd (skruvens position)
• Trycksstyrd (hydraultryck eller massatryck)
• Tidstyrd
• Forminnertrycksstyrd (trycket i formrummet)

Vid väg- eller volymomkoppling sker omkoppling till eftertryck, när en viss inställd skruvposition nås. Denna typ av omkoppling är den vanligaste och har visat sig fungera bra vid bl.a. normala viskositets- och temperatursvängningar i smältan, vilket är en vanligt förekommande störning.

Vid hydrauliktrycksomkoppling sker omkoppling till eftertryck, när det inställda hydrauliktrycket i sprutcylindern och omkopplingsfönstret nåtts. Omkopplingstrycket måste alltid ställas in lägre än processens inställda maximala insprutningstryck (spruttrycksgränsen). Hydrauliktrycket i insprutnings-cylindern står alltid i ett bestämt förhållande till forminnertrycket. Under kompressions-fasen kommer trycket att snabbt stiga i formrummet och denna tryckstigningsramp är den som skall användas för att åstadkomma (styra) omkopplingen. Hydrauliktrycksomkoppling har visat sig pålitlig vid stora volymsvängningar och störningar som uppstår vid inblandning av regranulat, låg låskraft eller oregelbunden funktion av backströmsspärren.

Vid tidstyrd omkoppling sker omkoppling till eftertryck med hjälp av en inställd tid d.v.s. samtidigt som insprutningen startar, startas en klocka och omkoppling sker när den inställda tiden uppnåtts. Tidstyrd omkoppling är den enklaste och även den äldsta metoden för omkoppling till eftertryck. På moderna maskiner med noggrannare styrning och t.ex. servomotorer fungerar tidstyrd omkoppling i princip lika bra som väg- & volymstyrd omkoppling.

Vid forminnertrycksomkoppling sker omkoppling till eftertryck, när det inställda forminnertrycket uppnåtts. Detta kräver att en inbyggd forminnertrycksgivare är placerad i formverktygets formrum. Denna typ av omkoppling är den noggrannaste metoden för eftertrycksomkoppling och gör det också möjligt att grafiskt se forminnertrycket under insprutnings- och eftertrycksfasen.

4.5 Eftertryck

För att kompensera för plastens minskande volym (krympning) när den kyls av från smält till fast form (fryser/ stelnar), måste mer material pressas in i formrummet. För delkristallina termoplaster handlar det om i storleksordningen 20-25 % av volymen, emedan amorfa plaster kräver ca 10 %. Nivån på eftertrycket bestäms av materialet, detaljens utformning och kraven på den färdiga detaljen.

Om eftertrycket är för lågt vid omkopplingen kommer smälta att pressas tillbaka in i cylindern (skruven backar) och risk för sjunkningar och orienteringar uppstår. Vid för högt eftertryck under processen riskerar man s.k. överpackning med gradbildning och inbyggda spänningar som följd.

Under eftertrycksfasen rör sig skruven sakta framåt så länge som en eftertrycket tillräcklig högt och förseglingspunkten inte är uppnådd. Allt eftersom smältan stelnar i formrummet sjunker trycket och blir det svårare att påverka materialet. När intaget till formrummet har fruset uppnås förseglings-punkten och eftertrycksfasen kan avslutas.

Ett vanligaste sätt att optimera eftertryckstiden är med den så kallade viktmetoden. Eftertryckstiden stegas då upp och detaljen vägs. När ökad eftertryckstid inte ger ökad vikt har förseglingspunkten uppnåtts. Förklaringen till detta är att när intaget väl har stelnat och maskinens eftertryck inte längre kan påverka detaljen, d.v.s. ingen mer smälta kan tryckas in i eller läcka ut ur formrummet, har förseglingspunkten uppnåtts.

4.6 Förseglingspunkt

Förseglingspunkt är när intaget till formrummet har stelnat och maskinens eftertryck inte längre kan påverkar detaljen d.v.s. att ingen smälta kan tryckas in i eller läcka ut ur formrummet.

Om däremot eftertryckstiden är för kort kommer smältan att tryckas tillbaka (läcka) in i fördelnings-kanalen eller tillbaka ut i insprutningsenheten när eftertrycket släpps, vilket resulterar i en ”studsade” skruv samt en detalj med eventuella sjunkningar samt kraftig orientering kring intaget.

4.7 Kyltid

Vid eftertrycksfasens måste detaljen kylas ytterligare någon tid för att få tillräcklig stabilitet. Tiden mellan eftertrycksfasen och den tidpunkt då verktyget öppnas kallas kyltid. Men man måste skilja på detaljens totala kyltid och den kyltid som ställs in på maskinen. Detaljens totala kyltid är från det att formrummet börja fyllas (start insprutning) till dess att verktyget öppnas (kyltid slut). Detta innebär att den totala kyltiden för en detalj är = eftertryckstid + maskinställd kyltid.

Godstjockleken är den parameter som har störst inverkan, en fördubbling av godstjockleken hos en detalj kräver i princip en fyra gånger längre kyltid. Det finns formler och dataprogram för att teoretisk beräkna och optimera både kyltiden för en detalj och det formverktygs tempereringskanaler.

Under kyltiden sker även doseringen d.v.s. plastificering av materialet för nästa skott. Normalt är kyltiden lika lång eller längre än doseringstiden. Om man vill kunna dosera efter kyltidens slut måste ett förslutningsmunstycke användas eller formverktyget hållas stängt för att inte material ska läcka ut.

4.8 Dosering

I insprutningsenheten plastificeras (smälts) plastgranulaten genom att skruven roterar och drar in granulaten (plastkorn) i skruvgängan. Genom skruvens rotation plastificeras (smälts) materialet i huvudsak genom den friktionsvärme som uppstår i och emellan material, skruv- och cylindervägg. Den av värmebanden uppvärmda cylindern tillför resterande värme (energin) som också medför att granulaten klibbar mot cylinderväggen och därmed tvingas till att rotera och skjuvas mellan skruvgängorna.

Under doseringen är munstycket längst fram på cylindern normalt stängt genom att insprutnings-enheten ligger an mot verktygets ingötsbussning och detaljen i formrummet. Det smälta materialet matas och skjuvas framåt med hjälp av gängorna på skruven till utrymmet framför skruven via den öppna backströmsspärren som har funktionen av en backventil.

Smältan som matas genom backströmsspärren och fram framför skruven, skapar ett ökat tryck som tillfälligt stänger backströmsspärren och tvingar skruven bakåt. Detta medför att även den hydrauliska insprutningskolven tvingas tillbaka. Genom att bromsa/ hindra hydrauloljan från att lämna insprutningskolven alstras ett mottryck som den doserade smältan måste övervinna.

4.9 Kompressionsavlastning

Efter doseringen är trycket i cylindern högt (upp till ca 400 bar), Om insprutningsenheten dras tillbaka från formverktyget i detta läge, kan trycket orsaka att smältan läcker ut genom munstycket. För att undvika läckage dras skruven tillbaka något för att minska trycket i smältan.

4.10 Sprutenhet tillbaka

Beroende på process kan sprutenheten backas efter utförd dosering, detta görs bl.a. för att undvika så att formverktyget inte värms upp, alternativt att insprutningscylinderns munstycke inte kyls av. Om formverktyget är utrustat med varmkanaldysa eller varmkanalssystem låter man oftast sprutenheten stå kvar med ett lägre anliggningstryck under formöppning och avformning. Detta görs för att undvika läckage samt hålla en jämn och stabil temperatur i varmkanalssystemet.

4.11 Formöppning

När kyltiden är avslutad öppnas formverktyget med en inställd hastighetsprofil tills positionen ”formöppningsväg” nås. För att bryta det vakuum som kan ha uppstått i formrummet under avkylningen, eller under den inledande formöppningen, ska formverktyget öppnas långsamt därefter sker öppningen med en snabbare hastighet. Om formverktyget har snedpinnar för styrning av verktygsbackar och kärnor, kan verktyget behöva öppnas långsamt en längre sträcka för att inte skada dessa. För minsta möjliga cykeltid ska den totala formöppningsvägen inte vara längre än nödvändigt underförutsättning att det finnas plats för att detaljen ska kunna avformas och ramla ner mellan formhalvorna eller att roboten ska kunna ta detaljen.

4.12 Utstötning

Efter formöppning avformas oftast detaljen ur formverktygets formrum med hjälp av utstötare eller avstrykare som är monterad i den rörliga formhalvan. Dessa kan stötas ett repeterande antal gånger om så önskas.

4.13 Paustid

Därefter startar paustiden d.v.s. den tid som detaljerna behöver för att falla ut ur verktyget. När denna tid är avslutad kan en ny processcykel påbörjas och maskinen startar då åter med en formstängning.