Technologia wtryskiwania tworzyw ...

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Poradnik
przetwórcy tworzyw sztucznych
AnAlizA bezPieczeństWA PrAcy nA stAnoWisku oPerAtorA WtryskArki

cz.1
technologia wtryskiwania
tworzyw polimerowych
Wtryskiwanie jest jednym z podstawowych procesów stosowanym w przetwórstwie tworzyw polimerowych.
z racji swojej specyfiki, może być przyczyną różnego typu zagrożeń powodowanych głównie przez występu-
jące w procesie pracy niebezpieczne czynniki mechaniczne, takie jak ciężkie przedmioty, wysoka tempe-
ratura, duże ciśnienia mediów roboczych oraz ruchome elementy maszyn, jak również inne czynniki niebez-
pieczne lub szkodliwe, takie jak energia elektryczna, hałas czy szkodliwe substancje chemiczne.

Jacek Iwko

Laboratorium Tworzyw Sztucznych

Politechnika Wrocławska

Popularność tworzyw
Tworzywa polimerowe stosowane są
obecnie niemal w każdej dziedzinie
życia codziennego, głównie dzięki
takim ich zaletom, jak mała gęstość,
duża odporność na działanie czynni-
ków chemicznych, łatwość przetwór-
stwa i barwienia, mała kancerogen-
ność oraz estetyczny wygląd. Wymie-
nione korzyści powodują, że mate-
riały te są coraz szerzej stosowane,
głównie w takich gałęziach przemy-
słu, jak budowa maszyn i urządzeń,
budownictwo, transport, elektronika
i elektrotechnika, medycyna, meblar-
stwo, gospodarstwo domowe itp.
Warto zwrócić uwagę, iż dyna-
mika produkcji tworzyw sztucznych
wykazuje cały czas silną tenden-
cję wzrostową. Ponad 20 lat temu
wielkość produkcji (liczona w jed-
nostkach objętościowych) przekro-
czyła produkcję stali i tendencja ta
wydaje się pogłębiać.
Wzrost produkcji materia-
łów polimerowych pociąga za sobą
intensywny rozwój procesów prze-
twórczych tych materiałów, pro-
wadzących do otrzymywania kon-
kretnych wyrobów lub półwyro-
bów. Procesy te obejmują głównie
wytłaczanie i wtryskiwanie two-
rzyw sztucznych (razem – ponad
80% przetwórstwa całkowitej ilo-
ści wytworzonych materiałów poli-
merowych), ponadto stosowane są
procesy laminowania, odlewania,
prasowania, kalandrowania i inne.
sem wytwarzania wyrobów z mate-
riałów polimerowych, polegającym
na stopieniu tworzywa (podawa-
nego do maszyny najczęściej w for-
mie granulatu, wiórek lub płatków,
rzadziej proszku), a następnie wtry-
śnięciu tak uplastycznionego mate-
riału do zimnej formy wtryskowej,
gdzie tworzywo zestala się, przyj-
mując kształt gniazd formujących.
Z racji specyfiki obu proce-
sów widać wyraźnie, iż zakładów
produkujących profile z tworzyw
sztucznych, a więc wykorzystują-
cych technikę wytłaczania, będzie
znacznie mniej od irm wytwarzają-
cych wyroby z materiałów polime-
rowych metodą wtrysku. Mniejszy

Wtryskiwanie
a wytłaczanie
Wytłaczanie tworzyw sztucznych
polega na ciągłym formowaniu upla-
stycznionego materiału polimero-
wego w odpowiednio ukształtowa-
nej głowicy wytaczarskiej, w wyniku
którego otrzymuje się różnego typu
profile: rury, płyty, folie, profile
okienne i inne. Proile te są na dal-
szym etapie produkcji cięte na ele-
menty o odpowiedniej długości.
W przeciwieństwie do wytła-
czania, wtryskiwanie tworzyw
sztucznych jest cyklicznym proce-

Rys. 1. Dynamika wzrostu produkcji tworzyw sztucznych i stali
(dane z roku 2004)
Źródło: Materiały Laboratorium Tworzyw Sztucznych PWr

Rys. 2. Względne znaczenie różnych grup materiałów konstrukcyjnych
na przestrzeni cywilizacji ludzkiej
40
PlastNews 04’2010
Poradnik
przetwórcy tworzyw sztucznych
jest bowiem zdecydowanie asorty-
ment proili polimerowych od wyro-
bów wtryskowych. Wtryskiwanie
jest bowiem podstawowym proce-
sem wytwarzania z tworzyw sztucz-
nych gotowych wyrobów o masie
od 0,01g do 70 kg. Wykorzystując
tą technikę przetwórstwa, wytwa-
rza się tysiące różnego typu wyro-
bów, począwszy od bardzo małych
elementów konstrukcyjnych, nie-
dużych przedmiotów codziennego
użytku, opakowań po wielkie, skom-
plikowane elementy typu części
nadwozi samochodowych, skrzynie
i inne. To wszystko sprawia, że tylko
w Polsce istnieje setki firm prze-
twórczych zajmujących się produk-
cją tego typu wyrobów z materia-
łów polimerowych. Wtryskarki sto-
sowane jako maszyny produkcyjne
są urządzeniami niezwykle złożo-
nymi i precyzyjnymi, co jest przy-
czyną ich wysokich cen. Koszt typo-
wej wtryskarki to ok. 50 000 zł za
maszynę używaną, natomiast nowa
kosztuje w granicach 200 000 –
1 000 000 zł w zależności od wiel-
kości płyt, siły zamykania, rodzaju
napędu itd. Istotny jest również koszt
narzędzia – formy wtryskowej mon-
towanej na wtryskarce. Najtańsze
formy to wydatek rzędu ok. 20 000 –
30 000 zł, natomiast dla dużych,
skomplikowanych wyrobów i nie-
standardowych technik wtrysko-
wych ich koszt może nawet przekro-
czyć 300 000 zł. Są również znane
formy, których wytworzenie koszto-
wało ponad 1 000 000 zł, np. forma
do wytwarzania jednorazowych
maszynek do golenia irmy Gilete
(koszt determinowany przede
wszystkim przez takie czynniki, jak
wtrysk dwukomponentowy, zamo-
cowanie nożyków w formie i inne).
Jest sprawą oczywistą, że aby pro-
ces produkcyjny był opłacalny, pro-
dukcja wyrobów musi być wielkona-
kładowa w celu szybkiej amortyza-
cji kosztów narzędzia oraz maszyny.
Przedsiębiorstwa, szczególnie
mikroprzedsiębiorstwa lub firmy
produkujące wyroby wtryskowe
w niewielkich ilościach w celu mini-
malizacji kosztów wykorzystują nie-
kiedy maszyny własnej produkcji lub
kupują maszyny zamortyzowane.
Skutkuje to często nie tylko mniej-
szą funkcjonalnością takiej wtry-
skarki, ale również mniejszymi kosz-
tami poniesionymi na zapewnienie
bezpieczeństwa operatorowi takiej
maszyny, co w konsekwencji może
prowadzić do różnego typu zdarzeń
wypadkowych. Oczywiście zdarze-
nia wypadkowe występują również
w dużych zakładach wytwórczych,
wykorzystujących maszyny nowe.
Są one wówczas związane przede
wszystkim z nieprawidłowym zacho-
waniem się pracownika, jego nie-
uwagą, zaniedbaniem lub błędami
konstrukcyjnymi maszyny.
technologicznym,

mały, bądź żaden udział obróbek
wykańczających,

wysoka jakość i powtarzalność
własności i wymiarów,

możliwość pełnego zautomatyzo-
wania, komputerowego sterowa-
nia i kontroli procesu,

w porównaniu z obróbką metali,
znaczne zmniejszenie liczby ope-
racji technologicznych, mniejsze
zużycie energii bezpośredniej
i wody, niewielka pracochłon-
ność, niska emisja związków szko-
dliwych dla otoczenia.
Proces ten nie jest oczywiście
pozbawiony wad, do najważniej-
szych z nich zaliczyć można:

wysoki koszt maszyn (wtryska-
rek) i niejednokrotnie dorów-
nujący mu koszt oprzyrządo-
wania (form), powodujący
wydłużenia czasu amortyzacji
i wysokie koszty uruchamiania
produkcji,

ze względu na powyższe, techno-
logia wtrysku jest opłacalna prak-
tycznie tylko przy produkcji wiel-
koseryjnej i masowej,

konieczność wysokich kwali-
fikacji pracowników nadzoru
technicznego, którzy muszą znać
specyikę przetwórstwa tworzyw
sztucznych,

konieczność zachowania
wąskich tolerancji parametrów
przetwórstwa,

długi czas przygotowania produk-
cji ze względu na pracochłonność
wykonania form wtryskowych.
Ze względu na specyiczne właściwo-
ści tworzyw sztucznych, wtryskiwa-
nie jest złożonym procesem techno-
logicznym. W odróżnieniu od pozor-
nie pokrewnego procesu odlewania
ciśnieniowego metali nie jest pro-
cesem mechanicznym, lecz mecha-
niczno - izycznym. W procesie wtry-
skiwania uzyskuje się wypraskę cha-
rakteryzującą się nie tylko określo-
nym kształtem, lecz także specyiczną
strukturą, wynikającą ze sposobu pły-
nięcia uplastycznionego tworzywa
w formie oraz przebiegu jego zesta-
lania. Ponieważ procesy te zacho-
dzą w formie wtryskowej, konstruk-
tor tego narzędzia musi uwzględniać,
prócz zagadnień typowo mechanicz-
nych, również zagadnienia związane
z izycznym charakterem przemian
tworzywa (skurcz, anizotropia).
Skonstruowanie racjonalnie pracują-
cej formy wymaga równocześnie od
konstruktora gruntownej znajomości
możliwości technicznych wtryskarki,
ponieważ jest to maszyna o wyjąt-
kowo bogatych możliwościach,
zapewnionych przez jej wyposażenie
i liczne programy pracy.

technologia wtrysku
tworzyw
Wtryskiwanie to proces cykliczny,
w któr ym materiał wy jściowy
w postaci granulatu, wiór lub
proszku, podany z leja zasypowego
do ogrzewanego cylindra, uplastycz-
nia się i następnie jest wtryskiwany
przez dyszę i tuleję wtryskową do
gniazd formujących formy wtrysko-
wej. Tworzywo w gniazdach ulega
zestaleniu, a następnie jest usuwane
z formy w postaci gotowej wypraski
(elementu końcowego), po czym cykl
procesu rozpoczyna się od nowa. Pro-
ces wtryskiwania znajduje zastosowa-
nie do produkcji elementów o złożo-
nej geometrii oraz dużej wymaganej
precyzji kształtowo-wymiarowej, jak
również wyrobów o prostych kształ-
tach i małych gabarytach, których nie
można otrzymać wykorzystując inne
techniki przetwórcze. Związany jest
on głównie z przetwórstwem two-
rzyw termoplastycznych, choć znaj-
duje także zastosowanie w przetwór-
stwie duroplastów.
Wtryskarki
Współczesne wtryskarki są skompli-
kowanymi, wielofunkcyjnymi maszy-
nami do przetwórstwa tworzyw
sztucznych. Ogólna budowa wszyst-
kich ich typów (rys. 3) jest podobna,
ponieważ składają się one z pełnią-
cych tę samą rolę zespołów funkcyj-
nych. W zależności od rodzaju prze-
twarzanego tworzywa, sposobu pracy,
rodzaju formy itp., są dostosowy-
wane do wymogów poszczególnych
wariantów technologii w sposób kon-
strukcyjny bądź przez zastosowanie
specjalnego wyposażenia technicz-
nego. Możliwości wytwórcze wtry-

Rys. 3. Schemat
typowej wtry-
skarki ślimakowej
z zaznaczonymi
najważniejszymi
zespołami funk-
cyjnymi: układem
uplastyczniająco
- wtryskowym oraz
układem zamy-
kania
Źródło: Materiały
www.alexpb.com
Wady i zalety
Do podstawowych zalet procesu
wtryskiwania należą:

wytwarzanie nawet najbardziej
skomplikowanych wyrobów
w jednym, trwającym od kilku do
kilkudziesięciu sekund procesie
PlastNews 04’2010
41
 Poradnik
przetwórcy tworzyw sztucznych
skarki charakteryzują przede wszyst-
kim takie parametry, jak siła zamyka-
nia, objętość wtrysku i wymiary prze-
strzeni, w której mocowana jest forma
wtryskowa.
Podstawowe zespoły funk-
cyjne wtryskarki (rys. 3) to zespół
uplastyczniająco - wtryskowy oraz
zespół zamykania.
drogi wycofania oznacza, że została
uplastyczniona odpowiednia por-
cja tworzywa i następuje wyłącze-
nie obrotów ślimaka. W zależno-
ści od potrzeb stosuje się ślimaki
uplastyczniające o różnej geometrii
wykonane z różnych materiałów.

wielogniazdowe – wielokrotne,
wykorzystywane do otrzymywa-
nia niewielkich wyrobów o pro-
stej budowie.
Podzespoły formy tworzą nastę-
pujące części: gniazdo lub gniazda
formujące, układ przepływowy
(wlewowy), układ chłodzenia lub
grzania, układ wypychania wypra-
ski (lub wyprasek) oraz wlewka,
obudowa i elementy ustalające oraz
prowadzące, jak również układy
uzupełniające.
Zespół zamykania
Drugim zespołem funkcy jnym
wtryskarki jest zespół zamyka-
nia (rys. 5). W jego skład wcho-
dzi przede wszystkim forma wtry-
skowa oraz elementy pomocnicze.
Forma wtryskowa, ważąca od kilku-
dziesięciu do kilkuset kg, składa się
przeważnie z dwóch podzespołów
(płyt): podzespołu mocowanego do
ruchomego stołu wtryskarki, zwa-
nego podzespołem ruchomym oraz
podzespołu mocowanego do nieru-
chomego stołu wtryskarki, zwanego
podzespołem nieruchomym. W pro-
cesie wtryskiwania, stół ruchomy
z zamontowaną połówką formy jest
dociskany do stołu nieruchomego,
na którym zamontowana jest druga
połówka formy wtryskowej. Stosuje
się najczęściej hydrauliczne układy
zamykania, choć obecnie coraz bar-
dziej popularne stają się wtryskarki
z układem zamykania elektrycznym.
Forma wtryskowa, w której nastę-
puje zestalenie tworzywa po proce-
sie wtryskiwania, jest najczęściej ter-
mostatowana wodą lub olejem do
temperatury 40 - 140°C, w zależno-
ści od rodzaju materiału.
Proces zamykania obu połó-
wek formy następuje z bardzo dużą
siłą, rzędu kilkudziesięciu do nawet
kilku tysięcy ton, w zależności od
gabarytów wytwarzanego elementu,
rodzaju tworzywa itd. Zastosowanie
tak dużej siły, o której będzie jeszcze
mowa z punktu widzenia bezpie-
czeństwa pracy, jest spowodowane
koniecznością uniknięcia rozszczel-
nienia obu połówek formy podczas
wtrysku do niej stopionego two-
rzywa pod dużym ciśnieniem, rzędu
kilkudziesięciu do nawet 300 MPa.
Formy wtryskowe dzielą się na:

jednogniazdowe – jednokrotne,
stosowane do dużych detali,
Zespół
uplastyczniająco-wtryskowy
We wtryskarkach stosowane są dwa
podstawowe typy zespołu upla-
styczniająco - wtryskowego: tło-
kowy i ślimakowy. Jednak zespół
tłokowy, ze względu na liczne jego
wady, został już niemal całkowi-
cie wyparty przez układ ślimakowy.
Obecnie dla pojemności wtryski-
wania powyżej 20 cm
3
stosowane
są już wyłącznie zespoły ślimakowe,
w których to obracający się ślimak
znajdujący się w ogrzewanym cylin-
drze uplastycznia i homogenizuje
materiał polimerowy. Uplastycz-
nione tworzywo znajdujące się na
czole ślimaka ma temperaturę zbli-
żoną do temperatury ogrzewanej
części cylindra, która zazwyczaj
przyjmuje wartości od ok. 150°C
do 400°C, w zależności od rodzaju
materiału. Wtryśnięcie tworzywa
do formy odbywa się pod wpływem
przesuwu ślimaka powodowanego
przez siłownik hydrauliczny. Prze-
bieg uplastyczniania tworzywa jest
podobny do występującego przy
wytłaczaniu, z tą różnicą, że ślimak
obracając się gromadzi tworzywo
przed swoim czołem, a równocze-
śnie pod wpływem ciśnienia tego
tworzywa przesuwa się do tyłu.
Osiągnięcie określonego miejsca

Rys. 4. Przykładowy wygląd
zespołu uplastyczniająco -
wtryskowego
Źródło: Materiały firmy Arburg

Podsumowanie
Wypadkiem w miejscu pracy
nazywa się najogólniej każde zdarze-
nie, które wywołało szkodę. Deini-
cja ZUS-owska wypadku przy pracy
mówi, iż jest to nagłe zdarzenie spo-
wodowane przyczyną zewnętrzną,
które spowodowało uraz lub
śmierć pracownika i miało związek
z pracą. Jeśli przeanalizować struk-
turę wypadków przy pracy w Pol-
sce w 2008 r. wg sekcji gospodarki
narodowej (rys. 7), widać wyraźnie,
iż prawie połowa wszystkich wypad-
ków przy pracy ma miejsce w prze-
twórstwie przemysłowym. Pro-
cesy produkcyjne bowiem, szcze-
gólnie z racji występujących w miej-
scach pracy czynników niebezpiecz-
nych i szkodliwych, takich jak czyn-
niki mechaniczne, energia elek-
tryczna, hałas, wibracje, zapylenie,
czynniki chemiczne czy biologiczne
będą miejscem, gdzie ilość zdarzeń
wypadkowych w procesie pracy
jest największa. Z tego względu, ze
względów wymienionych powy-
żej oraz z innych powodów, o któ-
rych będzie mowa w kolejnych czę-
ściach artykułu, szczegółowo prze-
prowadzona analiza bezpieczeństwa
pracy na stanowisku operatora wtry-
skarki wydaje się być bardzo istotna.
W swoim zamierzeniu powinna ona
przede wszystkim wskazać pewne
kierunki czy obszary działalności
związanej z produkcją wtryskową,
na które należy zwrócić szczególną
uwagę w aspekcie zmniejszenia ilo-
ści zdarzeń wypadkowych oraz
poprawy bezpieczeństwa pracy.


Rys. 5. Przykładowy wygląd
zespołu zamykania o napędzie
hydraulicznym; widoczny
srebrzysty stół ruchomy
Źródło: Materiały firmy Arburg

Rys. 6. Przykładowy wygląd
formy wtryskowej wraz
z wypadającą wypraską
Źródło: Opracowano na podst.
Beaumont J. Runner and Gating
Desing Handbook, Hanser,
Monachium 2004

Rys. 7.
Struktura
wypadków
przy pracy
w Polsce
w 2008 r.
według sekcji
gospodarki
narodowej
Źródło:
Materiały
GUS
42
PlastNews 04’2010
[ Pobierz całość w formacie PDF ]