Ruiskuvalu:

24/7 ruiskuvaluprosessia kehitettäessä on satoja muuttujia, ja voi olla vaikea päättää, mihin keskittyä. Jotkin muuttujat ovat tärkeämpiä kuin toiset, mutta riippumatta siitä, mille sijalle sijoitat tietyn muuttujan, tosiasia on, että prosessi ei toimi, ellei jokaista muuttujaa säädetä hartsin ja kappaleen tarpeiden mukaan.

Valintani tässä kuussa on sulan tasalaatuisuus, ja sen pitäisi olla 10 tärkeimmän muuttujan joukossa. Tasalaatuisuudella en tarkoita vain sulan lämpötilaa, vaan sulan johdonmukaisuutta, eli ei pyörteitä, raitoja tai osittain sulamattomia pellettejä. Jos halutaan tasaisia mittoja ja suorituskykyä 24/7, sulan tasalaatuisuus on välttämätöntä.

Keskitymme tässä yhteydessä siihen, miten vaikeaa on saavuttaa sulan tasalaatuisuus amorfisten ja puolikiteisten hartsien välillä. Nämä hartsit sulavat eri tavoin, ja jalostajan on ymmärrettävä, miten kukin näistä polymeereistä sulaa saadakseen sulan tasalaatuisuuden.

Normaalisti erot liittyvät polymeeriketjujen erilaiseen asetteluun kappaleessa. Amorfisissa polymeereissä ketjut ovat satunnaisia eli niillä ei ole tiettyä järjestystä tai linjausta, ne ovat kuin sotkeutuneita narunpätkiä. Puolikiteisillä polymeereillä on rakenne tai järjestetty malli ketjujen kohdistuksesta.

Jos halutaan yhdenmukaiset mitat ja suorituskyky 24/7, sulan on oltava tasalaatuinen.

Etuliitteellä ”semi” halutaan huomauttaa siitä, että kaikki polymeeriketjut eivät ole puolittain kiteytyneitä puolikiteisessä kappaleessa. Osassa on kiteisiä alueita ja alueita, joilla ketjujen suuntautuminen on satunnaista (amorfista). Värit, lisäaineet ja jäähdytysnopeus vaikuttavat kiteisyysasteeseen, mikä muuttaa kappaleen kokoa ja ominaisuuksia.

Riippumatta siitä, onko käsiteltävä polymeeri puolikiteinen vai amorfinen, sulan tasalaatuisuutta tarvitaan kappaleen tasaisten mittojen ja suorituskyvyn saavuttamiseksi. Kun ymmärretään, miten kumpikin sulaa, prosessoija voi hallita käsittelyä paremmin.

Olikpa kyseessä puolikiteinen tai amorfinen polymeeri, kumpikin luottaa samoihin energialähteisiin sulatusta varten: tynnyriin, ruuviin ja lämmittimen nauhoihin. Suurin osa energiasta, noin 80 %, tulee pelletin kitkasta piipun seinämää vasten ja puristuksesta ruuvin siirtymäalueella. Loppuosa tulee piipun ympärillä olevista lämmityskaistoista. Energiansiirtomekanismi on sama sekä amorfisille että puolikiteisille hartseille. Tähän loppuu kuitenkin näiden muovien sulattamisen samankaltaisuus.

Puolikiteiset hartsit pehmenevät jään tavoin vasta, kun ne saavuttavat sulamislämpötilansa.

Tärkeä tekijä, joka erottaa ne toisistaan, on kummankin sulattamiseen tarvittava energiamäärä. Kilo puolikiteistä hartsia, kuten nailon 6, vaatii huomattavasti enemmän energiaa kuin 1 kg amorfista hartsia, kuten ABS. Itse asiassa nylon vaatii noin kaksi kertaa enemmän energiaa sulattamiseen kuin ABS (noin 716 BTU/kg vs. 342), mutta niiden käsittelylämpötilat ovat samanlaiset. Mutta on toinenkin asia, joka vaikeuttaa käsittelyelämääsi. Puolikiteiset hartsit pysyvät kovina, kunnes ne saavuttavat sulamislämpötilansa. Se on kuin jään sulattaminen. Jään kovuus ei muutu merkittävästi, kun se lämpenee -10 C:sta (14 F) -0,5 C:een (31 F). Kaadu jään päälle kummassakin lämpötilassa ja epäilen, ettet tunne mitään eroa kovuudessa. Jään tavoin puolikiteiset hartsit pehmenevät vasta, kun ne saavuttavat sulamislämpötilansa. Ne pysyvät kovina, kunnes ne täyttävät kaksi kriteeriä:

Ensiksi, niihin on laitettava tarpeeksi energiaa, jotta ne saavuttavat sulamispisteensä; ja toiseksi, niihin on laitettava toinen annos energiaa, jotta ne voittavat sulamislämmön (sulamisen) – eli rikkovat järjestetyn ketjumallinsa. Se on kuin sulamisen energiaeste. Miten ruuvi ja piippu selviytyvät tästä vaikeasta tilanteesta? Puolikiteiset pelletit virtaavat suppilosta syöttökurkkuun ja putoavat ruuvin syöttöosan syvien siipien väliin. Syöttöosa työntää pellettejä eteenpäin ja tiivistää ne, jolloin ilma ja jotkin haihtuvat aineet pakotetaan ulos suppilosta (se on tuuletusaukko). Tämä puristus sekä pelletin kitka piipun seinämää vasten lisäävät energiaa pelletteihin ja nostavat niiden lämpötilaa. Ongelmana on, että kaikki rakeet eivät pääse tynnyrin seinämän ja lennon rajapintaan – osa saa sulamiseen tarvittavan energian ja osa ei. Kiinteä kerros hajoaa, mikä johtaa siihen, että osa osittain sulamattomista pelleteistä pääsee siirtymä- ja annosteluvyöhykkeen läpi. Nämä osittain sulamattomat pelletit voivat päätyä kappaleeseen ja kuluttaa ruuvia.

Amorfiset hartsit sulavat kuin jäätynyt voi.

Keskustelun vuoksi sanotaan, että käytät myös nestemäistä väriä ja käytät yleiskäyttöistä ruuvirakennetta. Nestemäisessä värissä käytetään usein öljykantajaa, joka alentaa pelletin kitkaa tynnyriä vasten, mikä puolestaan vähentää energian siirtymistä sulamiseen. Haluatko todella, että näin tapahtuu? Kytke nestemäinen väri pois päältä; lyheneekö ruuvin kiertoaika? Yleiskäyttöisessä ruuvissa, jonka L/D-suhde on 20:1, on vain viisi lentoa siirtymävyöhykkeellä. Tämä on merkittävä ongelma, kun ruiskun koko on suurempi kuin noin 40 % ruiskukapasiteetista. Usein suositellaan sen sijaan käytettäväksi sulkuruuveja, mutta ne aiheuttavat usein hajoamista ja tuottavat liiallisia mustia pilkkuja. Ne vaativat huomattavasti vähemmän energiaa ja ovat helpommin sulavia. Ne sulavat kuin jäätynyt voi. Amorfinen pelletti on huoneenlämmössä kova, mutta lämmetessään se alkaa pehmentyä. Lisäämällä energiaa amorfiset materiaalit jatkavat pehmenemistään, kunnes ne soveltuvat valettaviksi. Ne eivät pysy kovina, ennen kuin ne saavuttavat sulamispisteen, eikä niiden tarvitse voittaa sulamislämpöä. Osittain sulamaton pelletti voi olla kuin taffy tai vaahtokarkki. Jos se kiilautuu ruuvin siiven ja tynnyrin seinämän väliin, se murskautuu ilman vakavia vaurioita tai kulumista ruuvissa tai tynnyrissä. Amorfiset hartsit ovat siis anteeksiantavampia sulamisprosessin aikana. Yleiskäyttöinen ruuvi voi tarjota hyväksyttävän käsittelyn, mutta en suosittele sitä.

Lyhyesti sanottuna puolikiteisiä pellettejä on vaikeampi sulattaa tasaisesti kuin amorfisia pellettejä. Yleiskäyttöinen ruuvi saattaa käsitellä amorfisia pellettejä, mutta kun laukauskoot ovat pienessä päässä (alle 20 % piipun kapasiteetista) ja suuressa päässä (yli 40 %), useimmilla muokkaajilla on ongelmia puolikiteisten pellettien kanssa. En suosittele sulkumalleja. John Bozzelli on Midlandissa, Michelin osavaltiossa sijaitsevan Injection Molding Solutions (Scientific Molding) -yrityksen perustaja, joka tarjoaa koulutus- ja konsultointipalveluja ruiskuvalajille, mukaan lukien LIMS, ja muita erikoisaloja. Ota yhteyttä [email protected]; scientificmolding.com.