Wpływ tarcia na zużycie układu plastyfikującego wtryskarki

Andreas Blutmager, Wittmann Battenfeld GmbH

Układ plastyfikujący jest elementem wtryskarki, który ma styczność z tworzywem sztucznym w każdym z jego stanów skupienia. Elementy układu plastyfikującego w postaci końcówki ślimaka, zaworu zwrotnego, ślimaka i cylindra poddawane są działaniu czynników powodujących zużycie tych elementów. W zależności od stanu tworzywa wyróżnia się ścieranie, korozję i adhezję jako czynniki odpowiadające za żywotność układu plastyfikującego. Zrozumienie sposobu działania tych czynników pozwala na wykonanie układów plastyfikujących o odpowiedniej trwałości.

Układ plastyfikujący jest głównym elementem wtryskarki odpowiadającym za jakość wyprasek oraz osiąganą wydajność produkcji. Wszystkie elementy układu plastyfikującego pozostają w bezpośrednim, stałym i intensywnym kontakcie z przetwarzanym tworzywem i są poddawane oddziaływaniu wysokiej temperatury i ciśnienia. Skutkuje to często zużyciem układu, za które odpowiadają wspólnie trzy główne mechanizmy: ścieranie, korozja i adhezja.

Główne mechanizmy zużycia

Efekt ścierania spowodowany jest często używanymi w tworzywach wypełniaczami i materiałami wzmacniającymi. Dodatki te wpływają pozytywnie na parametry tworzywa, a tym samym - wyrobów z niego wykonanych. Wiele z materiałów stosowanych jako dodatki do tworzyw, takich jak np. włókna szklane, ma jednak wysoką twardość (> 1200 HV). Wypełniacze oddziałują ściernie na powierzchnię ślimaka, powodując powstawanie mikronacięć. W strefie zasilania i kompresji ślimaka efekt ten może być dodatkowo wzmocniony. Fragmenty wypełniaczy osadzają się na granicy ziarna częściowo uplastycznionego tworzywa, tworząc efekt tzw. jeża. Efekt ten zanika dopiero po osiągnięciu przez stop tworzywa odpowiednio niskiej lepkości. Wielkość cząsteczek wypełniacza, ich geometria i twardość mają decydujący wpływ na działanie efektu ścierania.

Korozja spowodowana jest reakcjami chemicznymi powstającymi między materiałami dodawanymi do tworzywa a produktami rozkładu polimerów. Powstałe związki atakują elementy układu uplastyczniającego. Szczególny wpływ na efekt korozji mają środki uniepalniające i barwiące stosowane w tworzywach. Materiały te stawiają nowe wyzwania dla budowy układów plastyfikujących.

Adhezja lub zużycie adhezyjne występuje zwykle pomiędzy wchodzącymi we wzajemny kontakt elementami układu plastyfikującego: końcówką a pierścieniem zwrotnym, ślimakiem i cylindrem. Teoretycznie pomiędzy tymi elementami znajduje się tworzywo, które powinno działać jako środek smarny. W zależności jednak od stanu maszyny, np. podczas rozgrzewania tworzywa może dojść do kontaktu między tymi elementami. Kontakt ślimaka z cylindrem może być także spowodowany także wyboczeniem ślimaka wywołanym przez wysokie ciśnienie i wysoką prędkość obrotową. Wywołana kontaktem siła może być wyższa niż wytrzymałość wewnętrzna materiału, z jakiego wykonany jest ślimak lub cylinder. Wzajemne przemieszczanie elementów układu może powodować głębokie zarysowania ich powierzchni i powstawanie obszarów o osłabionej wytrzymałości. Sprzyja to pogłębianiu efektu ścierania, a także prowadzi do zwiększonych oporów przepływu tworzywa. W skrajnym przypadku może dojść do zatrzymania ślimaka. Na efekt adhezji duży wpływ ma rodzaj przetwarzanego tworzywa oraz parametry procesu.

Budowa układu plastyfikującego

Końcówka ślimaka, a w szczególności grot i pierścień zwrotny, uważane są za elementy podlegające intensywnemu zużyciu. Nie należy zapominać, że między tymi elementami może dojść do przerwania strugi tworzywa i do bezpośredniego kontaktu między elementami. Przyczyną zwiększonego zużycia wskutek adhezji i ścierania skrzydełek grotu końcówki ślimaka jest oddziaływanie temperatury, powstałe w strudze tworzywa między końcówką a pierścieniem na skutek wysokich prędkości ścinania. Efekt ten jest szczególnie widoczny w przypadku tworzyw wzmocnionych włóknami, wypełniaczami, MIM. Efekt zużycia adhezyjnego może być ograniczony poprzez wykonanie elementów układu końcówki ślimaka z proszków metali spiekanych. Struktura proszków spiekanych oparta o rozproszone drobne, twarde elementy zapobiega zużyciu adhezyjnemu. Odporność korozyjna końcówki wymagana jest przy przetwórstwie tworzyw typu PVC, PA 6.6 GF. W przypadku takich materiałów zaleca się, by końcówka była z dużą zawartością chromu.

W przypadku typowego ślimaka trzystrefowego rodzaj dominującego zużycia ślimaka zależy od danej strefy. Zadaniem strefy zasypu jest zagwarantowanie transportu tworzywa. W strefie tej tworzywo występuje w stanie stałym. W strefie sprężania rozpoczyna się uplastycznianie granulek tworzywa. Na tym etapie występuje opisany wcześniej efekt jeża, a tworzywo zachowuje się jak szczotka druciana działająca na powierzchnię ślimaka pod ciśnieniem. W strefie sprężania występują podobne wymagania i sytuacja dotycząca zużycia jak w przypadku końcówki ślimaka. Obok zużycia wywołanego tarciem metal o metal występuje zużycie korozyjne ślimaka. Także tutaj, przy przetwórstwie tworzyw typu PVC, PA 6.6 GF pomocnym może być wykorzystanie proszków metali spiekanych i stali o wysokiej zawartości chromu.

Odporność cylindra ślimaka zapewniona jest przez tzw. warstwę pancerną. Także dla cylindra obowiązujące są wymagania stawiane końcówce ślimaka i ślimakowi. Dzięki składowi chemicznemu warstwy wzmocnionej cylindra zapewniona jest nie tylko odporność na ścieranie, ale i też na korozję. Najwyższą odporność na zużycie uzyskuje się w technologii z wykorzystaniem węglików wolframu osadzonych w stali odpornej korozyjnie.

Układ plastyfikujący jest kluczowym elementem funkcjonalnym wtryskarki, który ma bezpośredni wpływ na produkt końcowy. Tworzywo wymaga od układu plastyfikujacego zrealizowania funkcji plastyfikacji, homogenizacji, dozowania i wtrysku. Zwykle najważniejsze wymagania dotyczące układu plastyfikującego stawiane są przez przetwarzane tworzywo i oczekiwania dotyczące spełnienia wymaganej wydajności produkcji. Wymagania te spełniane są przez Wittmann Battenfeld poprzez szeroka ofertę jednostek plastyfikujących, o różnej konstrukcji i różnym wykonaniu.