A műanyag tömeggyártás gépei, avagy hogyan készülnek a műanyag termékek? - 1. rész

A mostani bejegyzésben megismerhetitek a legfontosabb műanyaggyártó berendezéseket és működésüket. Azokat a tömeggyártó berendezéseket, amelyek óriási számban öntik magukból a mindennapokban használt műanyag eszközeinket és termékeinket. Most a két legfőbb gyártási technológiát mutatom be: az extrúziót és a fröccsöntést, amelyek nagy arányban lefedik a műanyagipari termelést, illetve további gyártási lépések alapjául szolgálnak.

froccsontes.png

A műanyagok két nagy csoportra választhatók szét. A leggyakoribb műanyagok hő hatására megolvaszthatók és folyékony állapotba kerülnek. Ez használható ki a gyártásnál, amikor a megvásárolt kisméretű, lapított műanyag golyócskákat (amelyet granulátumnak nevezünk) a feldolgozó gép megömleszti a közölt hő hatására és a gépre szerelt szerszámmal létrejön a gyártani kívánt termék alakja. Ehhez az szükséges, hogy az olvadt állapotban lévő műanyagot (ömledék) át-, vagy belepréseljék egy szerszámba. Majd, ha a szerszámban felvette a gyártani kívánt termék alakját, akkor az ömledéket le kell hűteni és meg kell szilárdítani. Ezeket a műanyagokat, amik ilyen módszerrel dolgozható fel, hőre lágyuló műanyagoknak hívjuk. A műanyagok másik csoportja a hőre nem lágyuló, térhálósodó gyanták, amelyekhez legtöbbször szálas anyagokat (üvegszál, szénszál, bazaltszál) is adnak, így olyan nagy teljesítményű termékek készíthetők, mint a szélerőművek széllapátjai, a repülőgépek és vitorláshajók teste, a Forma-1-es autók felfüggesztése, felnijei, szárnyai, stb., amelyeknek a tulajdonságaik elérhetik a fémek teljesítményét.

Ma a leggyakoribb műanyaggyártási eljárásokkal fogunk megismerkedni. Ezek pedig az elsőként említett hőre lágyuló műanyagok és technikáik, amelyekkel a közölt hő hatására megolvasztható a műanyag és minden egyes megolvasztással új alakra hozható. Ebből következik, hogy ezek a műanyagok amúgy jól újrahasznosíthatók, hiszen szelektíven történő visszagyűjtésük után számtalanszor újraformázhatók. A hőre lágyuló műanyagok ipara a teljes műanyagtermelés 90%-át teszi ki. Azokkal az anyagokkal, A leggyakrabban használt tömegműanyagok (mint polietilén (PE), polipropilén (PP), polisztirol (PS), polietilén-tereftalát (PET) és polivinil-klorid (PVC)), amelyeket naponta több esetben is használunk, ebbe a csoportba tartoznak. Ezekről az anyagokról már egy korábbi bejegyzésemben részletesen írtam, hogyha érdekel IDE kattintva el tudod olvasni. Ezekből a műanyagokból, mint granulátum formában lévő alapanyagból szinte számtalan formában lévő terméket tudunk létrehozni a következőkben felsorolt műanyagipari technológiákkal. Ezen kívül a hőre lágyuló műanyagokat könnyen lehet anyagukban színezni, így a gyártósoron a kívánt színben is lehet gyártani, amelyet akár a folyamat közben változtatni is lehet. A most következő gyártástechnológiák közös ismérve, hogy évente ezekkel több milliós darabszámban készíthetők el a kívánt termékek.

EXTRÚZIÓ

Az extrúzió, mint műanyagipari technológia, egy olyan gyártási eljárás, ahol a granulátumokat egy nagy tároló tartályba öntik, ahonnan azok folyamatosan adagolva belekerülnek egy zárt, henger alakú feldolgozó részbe, amelyet fűtenek. A henger belsejében található az úgynevezett extruder csiga, amelynek a feladata, hogy folyamatos forgásával a gépbe jutó granulátumokat folyamatosan hajtsa előre, miközben a csiga forgása miatti súrlódásból és a közölt hő hatására ezek a lapított granulátum alapanyagok fokozatosan megolvadnak. A megömlesztett, immáron műanyag folyadékot, aminek a folyósságát egy sűrűbb mézéhez lehet hasonlítani, egy ugyancsak fűtött szerszámon kell átvezetni, amelyet az extruder gép végére szerelnek fel. Ez a szerszám fogja az extruderben létrehozott hengeralakú anyagáramot megtörni és kialakítani a kívánt formát. Extrúzióval tipikusan olyan termékeket lehet létrehozni, amelyek a gyártási irányban "végtelen" hosszúnak tekinthetők a többi mérethez képest. A gyártásra az jellemző, hogy a létrehozott termék folyamatosan készül, a szerszámból folyamatosan áramlik kifelé a termékprofil. Ilyen geometriájú extrúziós termékek lehetnek:

  • A kör keresztmetszetű termékek, mint a szívószál, a víz- és gázcsövek, a locsolótömlő, illetve akár a porszívók gégecsövei, de ugyanúgy készülnek a műanyaggal bevont, szigetelt fémszálak is.
  • A téglalap keresztmetszetű műanyagok, például különböző vastagságú lemezek és vékony fóliák.
  • A szerszámból ennél komplexebb keresztmetszetű termékek is kiléphetnek, amelyeket profiloknak nevezünk. Ilyen profil tipikusan az ablak kerete, az előtte lévő műanyag ablakpárkány, a gyárakban és közintézményekben lévő kábelvezető csatornák, a konyhában és fürdőben lévő vízszigetelő szegély, az élvédők és a függönyfelfogó sínrendszerek is.

extrder-2.png

Extrúzióval készíthető különböző termékek, amelyeket 1 dimenziós (1D) terméknek hívunk, mert a folyamatos gyártás és anyagkiáramlás miatt a termék egyik dimenziójában végtelennek tekinthető a másik két dimenzióhoz képest [1].

Az azonban fontos, hogy egy szerszámmal csak egyféle termék gyártható. Egy csőgyártó szerszámmal nincs lehetőség átállni egy másik gyártásra és ablakprofilt extrudálni vele. Hogyha más alakú termékre van szükségünk, akkor új szerszámot kell gyártani és felszerelni az extruderre.

extrder.pngAz extruder felépítése egyszerűsített ábrán bemutatva, amelyben a szilárd granulátumok megolvadnak, az olvadékot átpréselik egy alakadó szerszámban, amelyből az elkészített termékgeometria folyamatosan kilép. A késztermék a kilépő anyagáram megszilárdításával jön létre [2].

Ahhoz, hogy az extrudált cső, vagy lemez termék elkészüljön, nem elég a feldolgozó gép és a szerszám. Ha csak ez a két egység lenne, akkor a kialakított forma, ahogyan az kilépne a szerszámból összeesne és a gravitáció hatására lefolyna a padlóra. Ilyenkor még ugyanis az anyag folyós állapotában van, amelyet meg kell szilárdítani, hogy használható és méretpontos terméket kapjunk. Ehhez követő berendezésekre van szükség. A termék megszilárdításához nagyon hosszú hűtőkádakat használnak, amelyen keresztülhaladva a termék megfelelően lehűthető. A hűtőkád után kell egy elhúzó egység is, amellyel az extruderből folyamatosan kilépő és a hűtőkádon áthaladó anyag megfelelő erővel elhúzható úgy, hogy a termék ne szakadjon el. Az elhúzás előtt/után több esetben található egy nyomdázó egység is, amellyel a szükséges információk felhelyezhetők a termékre egy festékszalaggal. Az elkészült terméket végül vagy egységes hosszúságokra darabolják, vagy ha az anyag tulajdonsága és a termék alakja lehetővé teszi, akkor hatalmas hengerekre feltekerik, akár többszáz méteres hosszúságban.

Ennek egyik lehetséges módját mutatja be az alábbi videó, ahol egy csövet gyártanak, amelyet lehűtenek a hideg vízfürdőben, közben folyamatosan elhúzzák a továbbító egységgel, végül a terméket állandó hosszúságra darabolják egy körkörösen mozgó fűrésszel. Egy ilyen gyártósor rendkívül hosszú, még a kisebb méretű termékeknél is hosszabb, mint 10 méter, de nem ritka a 20 méter sem.


FRÖCCSÖNTÉS

A fröccsöntő gépekkel (az extrúzióval ellentétben) nem lehet létrehozni egy végtelenítetten gyártott termékalakot, ezzel a módszerrel tipikusan három dimenziós műanyagtermékek készíthetők, rendkívül széles termékpalettán (ládáktól, a játékkockákon és telefonburkolatokon át egészen a műanyag kerti székekig, vagy éppen a PET palackok előformájáig). Tényleg szinte bármilyen komplex geometriájú termék elkészíthető fröccsöntéssel. A fröccsöntő gépeknél is ugyanúgy a granulátumokat egy tároló tartályba töltik, amelyből a műanyag szintén egy csigával felszerelt felfűtött hengerbe érkezik.

froccsontes_termekek.png

A fröccsöntéssel gyártható termékek 3D termékek skálája rendkívül széles: gyártható az eljárással egyszerű háztartási eszköz, játék, csomagolóanyag és műszaki termékhez nélkülözhetetlen alkatrész.

Azonban, itt a fröccsöntő gép csigája nem végez folyamatosan forgó mozgást, hanem a hengerben előre-hátra mozog, ezzel tudja a létrehozott ömledéket bejuttatni a gépre szerelt szerszámba. A hengerben a hő hatására az alapanyag szintén megolvad, a gép csigája ezt az ömledéket maga elé juttatja, miközben a csiga a hengerben hátrahúzódik. Ez az ömledékpárna fog majd a zárt, alakadó három dimenziós szerszámba bekerülni, ugyanis a hátsó pozícióban lévő csiga a folyamat kezdetén folyamatosan előrefelé halad, eközben az előtte lévő ömledéket tolja, préseli bele a szerszámba.

A szerszámba kerülő olvadék felveszi a szerszámüreg alakját, közben a fém szerszámban folyamatosan hideg víz kering, amely arra szolgál, hogy a szerszámban lévő anyag lehűljön és termékké dermedjen. Amikor a terméket sikeresen megszilárdították, akkor a szerszám szétnyílik és a benne lévő termék vagy kihullik egy gyűjtő ládába, vagy egy robot kiveszi és adott helyre szállítja. Miközben a szerszámban lévő termék megszilárdul (ez a leghosszabb folyamat), addig a fröccsöntő gép csigája ismét hátrafelé húzódik a hengerben, maga elé préseli az új ömledékadagot, amelyet a következő gyártási ciklusban fog majd bejuttatni a szerszámba. De szigorúan csak azután, hogy az elkészült terméket már eltávolították a szerszámból. Tehát a gyártás itt anyagáramlás szempontjából nem folyamatos, hanem szakaszos, ciklusról- ciklusra megy a termelés. Ez a folyamat látható a következő videóben 0:40-től:

A fröccsöntésnél is igaz, hogy a fröccsöntő gépre szerelt szerszámmal csak egyféle termék gyártható. Ha elkészítették a szerszám üregét, akkor azzal a szerszámmal már csak az a termék gyártható a jövőben. Amennyiben egy új terméket szeretnénk fröccsöntéssel gyártani, akkor a megvásárolt fröccsöntő géphez új szerszámot kell készíteni.

A fröccsöntő gépekre szerszámok eléggé drágák, több esetben annyi a gyártási költségük, mint maga a fröccsöntő gép ára. A miheztartás végett: egy közepes méretű fröccsöntő gép nagyjából 25-35 millió forintba kerül. Ennek az az oka, hogy a gyártás hatékonyságának növelése miatt egy cikluson belül nem csak egy terméket lehet gyártani a szerszámmal. Vannak többfészkes szerszámok, amelyeknél egyszerre több azonos formaüreg található, így egy cikluson belül annyi darab formailag azonos termék készíthető. Például a fröccsöntött építőkockáknál egyszerre 8-16 db termék esik ki minden ciklusban a gép szerszámából, de a PET palackokra csavart kupakok esetén nem ritka a 72 fészkes fröccsszerszám sem, amelyből 3 másodpercenként potyognak ki az elkészült kupakok (lásd alábbi videó). Éppen ezért a fröccsöntés a tömegtermelés másik igáslova az extrúzió mellett, ezzel a módszerrel is rendkívül nagy hatékonysággal lehet gyártani, évente akár több tízmilliós darabszámmal is.

Ahogyan a bejegyzésben is látható, a két módszerrel sok termék gyárható. Az extrúzió során a termék folyamatosan áramlik ki a szerszámból és azt a szerszámon kívül kell lehűteni egy vizes kádban és a termékáram elhúzását is folyamatosan biztosítani kell egy elhúzó egységgel. A módszerrel tipikusan csöveket, lemezeket, fóliákat és profilokat készítenek. Ezzel szemben a fröccsöntésnél az ömledék megszilárdulása mindig a szerszámban valósul meg, ahonnan minden alkalommal el kell távolítani a készterméket és csak ezután lehet az új ömledéket bejuttatni a szerszámba. Emiatt a fröccsöntést nem tekintjük folytonos gyártásnak, hanem szakaszos üzeműnek. A gyártási kapacitása ettől függetlenül rendkívül nagy, egy géppel évente több tízmillió 3D-s termék is elkészíthető, hiszen a gyártási ciklusok általában rövidek (pár másodperctől pár tíz másodpercig) és a szerszámban egyidőben több formailag azonos termék is gyárható.

A bemutatott két technológiával még nem lehet a teljes műanyagtermék-repertoárt legyártani. Azonban a két technológiával a késztermékek mellett félkész terméket is lehet gyártani, amelyek egy következő feldolgozó gép alapanyagaként szolgálnak. A következő bejegyzésben bemutatom, hogy az extrúzióval létrehozott csövekből hogyan lehet fújt termékeket készíteni (pl. boroskanna), vagy hogyan lesz a fóliából bevásárló reklámtáska, illetve hogyan készül el a végleges PET palack a fröccsöntésnél legyártott előformából.

 

Források:

[1] RPM Industries honlapja.
[2] Bacalhau J.B. és társai: Effect of Ni content on the Hardenability of a Bainitic Steel for Plastics Processing. 24th ABCM International Congress of Mechanical Engineering konferencia, Curitiba (Brazília), 2017. december.