Considerații generale despre materialele plastice [308271]

Capitolul I

Considerații generale despre materialele plastice

Introducere

În ultimele decenii s-[anonimizat]. [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat], cu precădere plastice sau compozite. [anonimizat], tot mai puține intr-o societate in plină dezvoltare. Acest lucru a dus la dezvoltarea de noi materiale care să corespundă cerințelor lumii moderne: materiale ieftine care în urmă producție să nu fie mari consumatoare de energie sau care să înlocuiască cu succes unele materiale dezechilibrate sau materialele scumpe. [anonimizat], [anonimizat], cu calități de rezistență de înalta superioritate sau cel puțin comparabile cu materiale feroase sau neferoase clasice.

Extinderea domeniilor de utilizare a [anonimizat], ambalaje, conducte, izolații, [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat]. Exemple de materiale clasice cu un grad ridicat de importanță sunt următoarele: lemn, sticlă, lână, bumbac, metale. [anonimizat].

Rolul a cărei importanță crește pe zi ce trece al produselor din materiale plastice în evoluția civilizației actuale a [anonimizat] a [anonimizat] a rețelei și procedeele de comercializare a acestor produse. Principalul factor care a stat la baza lărgirii accelerate a domeniilor de utilizare a [anonimizat]. [anonimizat], într-[anonimizat]. Cel mai important domeniu de prelucrare al materialelor plastice îl reprezintă intervalul de temperatura cuprins între temperatura de solidificare și cea de topire.

[anonimizat].

[anonimizat], din amestecuri de polimeri cu însemnate cantități de substanțe de adaos (coloranți, plastifiați, stabilizanti etc).

Materialele plastice reprezintă grupa de polimeri sintetici care a cunoscut, [anonimizat], [anonimizat] 13,5%. Până în anul 1974, atunci când a avut loc criza petrolului, producția de materiale plastice s-a dublat la fiecare cinci ani. Din această cauza, prognoza emisă de Houwink în 1966, reluată de intreagă literatură de specialitate, prevedea pentru anul 2000 o producție de materiale plastice cu greutatea egală comparativ cu producția mondială de fier și chiar de câteva ori mai mare decât aceasta, dacă era comparată în volume. În situația actuală, după scăderea cunoscută de către producția de materiale plastice în anii 1974-1975, cu toate că în anul 1976 a fost atinsă o producție similară cu cea a anului 1973, dezvoltarea viitoare va avea un ritm de creștere mai mic. Producția se va dubla la fiecare 10 ani, astfel că în anul 2000 s-a prezonizat ca se va ajunge la 240 milioane tone sau 200 milioane m³, aproximativ egală cu producția de oțel din anul respectiv, care s-a estimat la a fi de 220 de milioane m³.

Cu toate că numărul polimerilor sintetizați în ultimele două decenii este însemnat, doar un număr restrâns sunt folosiți pentru fabricarea materialelor plastice de mare consum. Așadar, aproape 70% din producția mondială de materiale plastice se repartizează pentru trei tipuri de polimeri termoplastici, după cum urmează: poliolefine (polietina și polipropilenă), policlorura de vinil și polistiren, și polimerii termorigizi care sunt mai puțini folosiți datorită prelucrării lor mai dificile.

Sectoarele de activitate care consumă cantitățile cele mai mari de materiale plastice se disting de la o țară la alta.

În exemplul de mai jos, avem procentele pentru consumul de materiale plastice într-o țară puternic industrializată repartizat pe sectoarele de activitate: 25% pentru construcții de mașini, 20% pentru ambalaje, 15% pentru industrii electrice, 5% pentru bunuri de consum, 5% pentru mobilă și 30% pentru alte sectoare.

Termenul “plastic” acoperă multe tipuri diferite de polimeri, producția la nivel mondial pentru fiecare tip în parte fiind de multe milioane de tone în anul 2015.

Fig. 1.1.1. Producția la nivel mondial a materialelor plastice in anul 2015

Domeniul materialelor compozite polimerice ocupă fără îndoială, un teritoriu fascinant și interesant, pregatit oricând de noi provocări, în ceea ce privește secretele ce se așteaptă să fie făcute cunoscute. Paleta foarte largă de procese de fabricație, aplicațiile cu totul inedite, problemele ridicate de optimizarea procesului de fabricație, complexitatea datelor ce trebuie luate în considerare atunci când se ia decizia de producere a unui astfel de material constituie factori ce obligă să afirmăm că materialele polimerice reprezintă un domeniu de vârf al științei și tehnicii actuale.

1.2 Structura si constituenții materialelor plastice

Majoritatea materialelor plastice nu pot fi prelucrate în produse finite fără adaosuri de alte materiale care să le dea după cerințe elasticitate, stabilitate la lumina și căldură, duritate, proprietăți dielectrice, culoare etc. După insușirile pe care ele le transmit, aceste substanțe sunt: plastifianti, lubrifianți, coloranți, stabilizatori și materiale de umplutură.

Plastifianții sunt lichide cu temperatura de fierbere ridicată și aceștia reduc temperatura de vitrificare. Ei au rolul de a marii elasticitatea și fluiditatea masei plastice, deci prelucrabilitatea acesteia, folosindu-se pentru această esterii acidului fosforic sau polimeri. Astfel, ei produc gelifierea polimerului în vederea plastifierii.

Lubrifianții sunt substanțe care se adaugă în materialele plastice în proporție de aproximativ între 1% și 2% având rolul de a ușura alunecarea și evitarea lipirii lor în timpul prelucrării. Cei mai des întâlniți sunt: parafină, ceară de petrol și de gudroane, poliglicoli, săpunuri minerale etc.

Coloranții sunt substanțe de natură organică sau anorganică, solubili sau insolubili, care se adaugă materialelor plastice pentru a le colora după necesitate. Aceștia trebuie să fie cât mai uniformi distribuiți, să aibă rezistență la lumina și la temperaturi ridicate.

Stabilizatorii se adaugă în materialele plastice cu scopul de a întârzia sau de a evita degradarea lor că urmare a acțiunii luminii, temperaturii și oxigenului din aer. Stabilizatorii se folosesc mai ales în produsele din policlorura de vinil. Exemple de stabilizatori folosiți sunt: stearatii de calciu și de zinc, sulfatul tribazic de plumb, silicatul de plumb etc.

Materialul de umplutură denumit și material de constituție, formează scheletul mecanic al masei plastice, înfluențându-i proprietățile fizico-mecanice și poate fi natural sau sintetic. Acestea trebuie să prezinte omogenitate, rezistența la umiditate, capacitatea de impregnare cu rășină și să fie ieftine. Exemple de materiale naturale sunt: făină de lemn, fire de bumbac, praf de oase, fire de lînă, pref de marmură și țesătură de azbest, iar pentru cele sintetice sunt următoarele exemple: țesături de sticlă, de mase plastice etc.

Rășina este un compus macromolecular care are rolul unui liant și determină proprietățile fizice, mecanice, electrice etc. ale masei plastice. Proprietățile maselor plastice sunt determinate de proprietățile individuale ale rășinilor care le compun.  Rășinile pot să fie naturale sau sintetice. Rășinile naturale sunt mai puțin utilizate în industria maselor plastice datorită costului ridicat și a cantității limitate. Exemple de rășini naturale: chilimbarul, selacul, colofoniu etc. Rășinile sintetice se clasifică după reacția de obținere a lor in: rășini de polimerizare care au la baza un monomer și rășini de policondensare (polimeri), iar după comportarea la încălzire in: rășini termoplaste care prezintă proprietatea de a se înmuia la încălzire, fără a suferi transformări chimice, și termorigide care prin încălzire devin suficient de plastice, dar la răcire se întăresc ireversibil datorită reacțiilor chimice care se produc.

1.3 Proprietățile generale ale materialelor plastice

Datorită faptului că exista o diversitate mare a tipurilor de monomeri folosiți, de condițiile de reacție și de tipul de reacție, proprietățile generale ale materialelor plastice sunt foarte diverse. Prelucrarea acestora impune cunoașterea caracteristicilor acestora în legătură cu proprietățile implicate în procesul de prelucrare: schimbare de stare, deformare, curgere. Utilizarea materialelor plastice pe de-o parte, impune cunoașterea altor caracteristici: rezistență mecanică, comportarea în câmp electric, magnetic sau termic, etc. Cele mai importante proprietăți ale polimerilor sunt următoarele :

Proprietăți termice

În comparație cu substanțele cristaline, polimerii nu au puncte de transformare fixe, iar trecerea acestora de la solid la lichid se face intr-un interval de temperatură, caracteristic fiecărui tip de material. Aceasta se poate explica prin faptul că, la compușii macromoleculari, pe lângă forțele principale, care leagă atomii în cadrul macromoleculei, mai există și alte legături secundare. Forțele secundare sunt de stări diferite și la creșterea temperaturii se desfac pe rând începând cu cele mai slabe și terminând cu cele mai puternice. Pentru comportarea materialelor polimerice la încălzire, se definesc mai mulți parametrii caracteristici:

temperatura de înmuiere (rigidizare) – T1 – temperatura la care începe mișcarea microbrowniană – datorită deplasării diferitelor porțiuni sau segmente ale macromoleculelor, fără a se separa unele de altele,

temperatura de curgere – T2 – temperatura la care începe mișcarea browniană liberă a macromoleculelor. Peste această temperatură substanța este lichidă.

Proprietăți mecanice

Pentru a caracteriza din punct de vedere al rezistenței mecanice un material plastic trebuie să se țină seama de efectul concentrației diferitelor materiale din compoziția sa, de efectul unor factori de mediu (umiditate, temperatură, presiune atmosferică, raze ultraviolete etc.), precum și de efectul trecerii timpului asupra valorilor caracteristicilor mecanice ale acestor materiale.

Proprietăți electrice si magnetice

Proprietățile electrice reprezintă o suma de parametri (conductibilitate, rezistivitate de volum, rezistivitate de suprafață, permitivitate dielectrică, pierderi electrice) cu ajutorul cărora se descrie comportarea materialului în câmpul electric și care depinde de temperatură, frecvență și intensitatea câmpului exterior. Majoritatea materialelor polimerice sunt buni izolatori electrici –folosite în electrotehnică. Fac excepție cele cu structuri ce fac posibilă deplasarea electronilor.

Proprietăți optice.

Comportarea optică a materialelor plastice are o ridicată importanță în obținerea unor piese injectate folosite că ambalaje transparente, lentile cu destinația diversă etc. Proprietățile optice caracterizează modul de comportare al materialelor plastice la interacțiunea cu radiațiile electromagnetice.  Un numar mare de materiale plastice au proprietăți optice foarte bune și anume sunt transparente pentru lumina vizibilă și ultraviolete (UV). Astfel unele pot înlocui sticla, fiind totodată și incasabile .

Proprietăți de antifricțiune.

Durabilitatea materialelor plastice care au această proprietate este mai mare de 5-6 ori față de aliajele metalice dacă se utilizează în locul acestora. Multe materiale polimerice au coeficienți de frecare mici și ungerea lor se face mai ușor decât la piesele metalice. De aceea se folosesc la construirea de lagăre, roți dințate, role etc. mai ales când durata de serviciu este redusă.

Proprietățile fizice

Fiecare material polimeric în parte este caracterizat de propria lui stare fizică, această este obligatoriu știută atunci când se dorește prelucrarea unui anumit material. Exemple de proprietăți fizice sunt: termice, reologice și tribologice.  Comportarea tribologică a materialelor termoplastice influențează prelucrarea prin diferite metode și de asemenea influențează alegerea acestora pentru construcția pieselor supuse fenomenelor de frecare. Acestea se studiază în combinațiile polimer-polimer și polimer-metal. Proprietățile tribologice ale materialelor termoplastice depind de natură polimerului, de natură și cantitatea componentelor topiturii, de natură suprafeței de contact, de rugozitatea pieselor în contact, de presiune, de temperatură și de viteză relativă a pieselor. În industria de polimeri, metoda de preparare a amestecurilor polimerice controlează morfologia amestecului care, la rândul ei determină proprietățile reologice ale amestecului. Pe de altă parte, proprietățile reologice determină alegerea condițiilor de prelucrare (temperatură, grad de forfecare etc.), care, la rândul lor, au o influență determinantă asupra proprietăților fizico-mecanice ale produsului finit.

Plasticitatea

Plasticitatea este proprietatea materialelor de a se deforma sub acțiuneasarcinilor exterioare fără a-și modifica volumul, fără a mai reveni la forma inițială după încetarea acțiunii forțelor care au produs deformarea și totodată fără a-și distruge integritatea. Din punct de vedere a plasticității materialele sunt mai ușor deformabile sau mai greu deformabile dar există și și materiale care nu se pot deforma plastic (ex. fonta, sticla etc.) care își distrug integritatea se sparg la solicitări exterioare. O dată cu creșterea temperaturii materialele își pot mări proprietățile de plasticitate. Compușii macromoleculari se comportă ca niște lichide foarte vâscoase, procesul de curgere începând imediat ce începe solicitarea. Vâscozitatea lor scade mult cu creșterea temperaturii (de ~ 10 ori pentru fiecare 10°C). Astfel, pentru majoritatea lor, domeniul de prelucrare este cam același (100 – 160°C). Acest lucru este important pentru alegerea tehnologiei de prelucrare .

Densitatea

Compușii macromoleculari sunt materiale ușoare (de aproximativ 2 ori mai ușoare decât aluminiul). Acest fapt, ca și buna rezistență mecanică, le face utilizabile în industria aeronautică, navală, automobile, construcții și alte domenii cu o importanță ridicată.

Rezistența la rupere

Rezistența la rupere este proprietatea materialelor de a se opune acțiunii forțelor care tind să le distrugă integritatea. În funcție de tipul solicitărilor la care sunt supuse materialele, rezistența la rupere poate fi: rezistența la întindere,rezistența la compresiune, rezistența la încovoiere, rezistența la torsiune, rezistențala forfecare.

Elasticitatea

Elasticitatea este proprietatea materialelor de a se deforma sub acțiunea forțelor exterioare și de a reveni la forma și dimensiunile inițiale după încetarea acțiunii forțelor exterioare. Materialele sunt total elastice până la un anumit grad de solicitare numit limită de elasticitate. O dată cu încetarea acțiunii forței care a produs deformarea are loc revenirea elastică și eliberarea unei cantități de energie mai mică decât cea care a produs deformarea fenomen cunoscut sub denumirea dehisterezis mecanic.

Fluajul

Fluajul este proprietatea materialelor plastice denumită și curgerea lentă și este fenomenul de variație a eforturilor unitare și a deformațiilor sub efectul sarcinilor aplicate. Aceasta proprietate este dependentă de temperatură. Cu cât temperatura este mai ridicată, mărimea sarcinilor suportate de materiale până la apariția deformațiilor în timp este mai mică.

Îmbătrânirea

Este un fenomen care are loc în timp, datorită unor reacții lente sub acțiunea oxigenului din atmosferă (și mai periculos este ozonul), a umidității și a radiațiilor UV. Aceasta determină degradarea obiectelor din materiale polimerice în timp, prin modificarea culorii, scăderea rezistenței mecanice etc. Acest fenomen micșorează durabilitatea compușilor macromoleculari, limitând utilizarea lor în anumite domenii.

1.4. Avantajele utilizării materialelor plastice

Creșterea continuă a producției de materiale plastice, ca urmare a extinderii folosirii acestora în diferite sectoare de activitate, este determinată în mod special de avantajele lor excepționale, cum ar fi:

densitate redusă (1…2 kg/dm³);

nu sunt alterabile; în general, comportamentul este mai bun al metalelor în ceea ce privește rezistențele la acțiunea apei și a agenților chimici;

au un aspect atractiv, atât prin formă cât și prin culori și tușeu;

se întrețin ușor, această operație putând fi eliminată, simplificată sau suprimată deoarece nu sunt necesare tratamente de suprafață așa cum sunt prevăzute pentru metale, în vederea majorării rezistenței la coroziune. Pe de altă parte, aceste materiale sunt colorate în masă și deci au o bună rezistență mecanică a culorii;

sunt transparente, multe produse plastice pot avea un coeficient de transmisie a luminii superior sticlei, iar o bună parte pot fi transparente sau translucide;

sunt imprimabile, adică cea mai mare parte a plasticilor constituie o bună barieră pentru gaz sau apă;

sunt bune izolatoare termice, electrice sau acustice. Practic toate materialele plastice sunt izolatoare termice, au coeficienți de transmitere a căldurii foarte mici și asigură o slabă transmitere a zgomotelor și vibrațiilor, în mod deosebit în cazul materialelor alveolare;

asigură o bună amortizare a șocurilor datorită spumelor semirigide și materialelor de ranforsare;

au coeficienții de frecare foarte mici, ca rezultat al finei prelucrări a suprafețelor;

au rezistența specifică (rezistență mecanică/densitate) foarte bună în comparație cu cea a metalelor;

rezistența intrinsecă la tracțiune variază, în medie, între 10…90 MPa, pentru plastice compacte, și între 200…800 MPa, pentru plastice ranformate;

rezistența la compresiune este mai mare, cu 50…100% față de cea de tracțiune;

modulul de elasticitate al polimerilor este de aproximativ 3000 MPa, fapt ce le situează între lemn și cauciuc;

au alungirea la rupere de aproximativ 150%. Ea poate ajunge între 400…800% pentru unele fibre sintetice;

au indicele de vâscozitate bun. La nivelul proprietăților materialelor plastice se definește un indice de vâscozitate al polimerului, iar pentru poliolefine, acesta se numește grad. În cazul în care gradul crește se măresc: fluiditatea, modulul de elasticitate la flexiune, temperatura de flexiune, duritatea și strălucirea suprafeței, iar rezistență la șoc se micșorează;

sunt rezistente la acțiunea acizilor, bazelor și solvenților (cu mult superioare metalelor). În plus, aceste materiale nu sunt atacate de bacterii, ciuperci și paraziții lemnului;

fabricarea este puțin energofagă, dacă se raportează volumul de produse, care se pot realiza, la unitatea de masă de polimer transformată;

prețul materiei de baza poate fi mare în unele cazuri, dar costul de transformare este, în general, redus. Datorită productivității ridicate a proceselor de fabricare și posibilității obținerii unui produs deosebit de complex dintr-o singură operație, determină că materialele plastice să devină un puternic concurent pentru cele tradiționale;

folosirea materialelor plastice permite economisirea lemnului, a oțelului sau a altor metale, astfel dând posibilitatea valorificării superioare a acestora în alte domenii. Dezvoltarea producției de materiale plastice se înscrie pe linia progresului tehnic și științific general, fapt ce conduce pe de o parte la perfecționarea procedeelor de sinteză și de formare a acestor materiale, iar pe de altă parte, la crearea premizelor pentru ieftinirea continuă a producției, prin creșterea eficienței utilajelor, reducerea consumului specific de materii prime și energie;

permit executarea de găuri și adâncituri în orice secțiune, precum și presarea de filete;

prelucrarea acestor materiale este mai ușoară decât prelucrarea metalelor;

tehnologiile de obținere a produselor finite sunt mai simple decât în cazul altor materiale;

manoperă este mai ieftină, iar productivitatea este mai ridicată;

prezintă o gama largă de utilizare;

recuperarea facilă a deșeurilor prin reciclare;

consumul de energie pe unitatea de produs finit este inferior celui necesar obținerii aceluiași produs din materiale tradiționale.

1.5 Dezavantajele utilizării materialelor plastice

În ciuda dezvoltării intensive a produselor din materiale polimerice, acestea nu pot înlocui în totalitate materialele tradiționale (oțel, ceramică, lemn). Pe lângă seria de avantaje prezentate mai sus există și anumite dezavantaje ale acestor materiale:

rezistența mecanică este relativ scăzută, neputându-se utiliza la pisele supuse solicitărilor mecanice ridicate;

majoritatea materialelor nu sunt biodegradabile, ceea ce conduce la serioase probleme privind poluarea mediului, implicând politici strategice de recuperare a materialelor plastice și reciclare a acestora;

se aprind relativ ușor iar prin arderea acestora rezultă degajarea unor gaze toxice pentru organismul uman și pentru mediul înconjurător

1.6 Clasificarea materialelor plastice

Pentru clasificarea acestor materiale există mai multe criterii, bazate pe compoziția chimică, pe materiile prime utilizate, pe procedeele de fabricație, pe comportarea acestora la încălzire etc.

Clasificarea care este cea mai des întâlnită este aceea care are drept criteriu procedeul de fabricație, și anume acela care are în vedere modificările pe care aceste materiale le suferă în timpul formării la cald prin presare, injecție, extrudare, etc.

Datorită plasticității pe care materialelele plastice o prezintă într-o anumită etapă de fabricație, au fost denumite și mase plastice, iar datorită aspectului lor, și rășini sintetice.

Masele plastice se pot clasifica după mai multe criterii și anume: după compoziția chimică, după utilizare, după procedeul de prelucrare și după diverse proprietăți. Caracteristica principala pentru clasificarea materialelor plastice este variația modulului de elasticitate în funcție de timp, într-un domeniu larg de temperatura. În această variație se pot recunoaște zone particulare corespunzătoare comportării mecanice a materialului la acțiune unor forțe deformante. Nici una dintre clasificări nu pune în evidență diversitatea tuturor proprietăților unui material, de aceea pentru o mai ușoară și mai corectă selecționare a unui material plastic într-un scop dat s-au luat în considerare principalalele proprietăți ale acestora din punct de vedere tehnic iar în cadrul proprietăților s-au grupat principalele materiale plastice.

După caracterul deformării plastice, materialele plastice pot să fie în trei stări de agregare:

–     stare plastică – sub acțiunea unei forțe deformatoare, materialele plastice în această stare prezintă o deformație ireversibilă pentru o forță dată, iar valoarea deformației crește cu temperatura și cu timpul. Toate macromoleculele organice, în evoluția structurii lor chimice sau fizice, trec prin această stare, iar existența acestei stări este cauzată datorită mișcării macrobrowniene, în care macromoleculele își schimbă pozițiile relative, ireversibil, sub acțiunea forței exterioare.

–     stare elastică – sub acțiunea unei forțe deformante, materialele în această stare prezintă o deformație reversibilă, pentru o forță dată, valoarea deformației crește consecutiv cu creșterea temperaturii. Modulul de elasticitate este mic și are un coeficient de temperatura pozitiv. Existența acestei stări se datorează mișcării microbrowniene a segmentelor macromoleculelor. Sub acțiunea forței exterioare are loc orientarea macromoleculei, fără modificarea energiei interne, iar la disparitia forței, macromolecula va reveni în poziția cea mai favorabilă.

–     stare rigidă – sub acțiunea unei forțe deformante, materialele în această stare suferă o deformație foarte mică și reversibilă. Valoarea deformației nu este în funcție de temperatura, cel puțin pentru un anumit domeniu, iar valoarea modulului de elasticitate este destul de ridicat. Existența acestei stări se datorează împiedicării mișcărilor microbrowniene și macrobrowniene, iar deformarea are loc prin modificarea unei legături fizice, de tipul forțelor van der Waals.

O substanță moleculară se poate găsi în una sau mai multe dintre stările enumerate, în funcție de domeniul de temperatură în care se află sau în funcție de tratamentele fizice care i se vor aplica. Variația modulului de elasticitate cu temperatura este un criteriu util de clasificare a materialelor plastice. Cu cât o substanță macromoleculară are o temperatura de rigidizare mai joasă, cu atât caracterul ei elastic sau plastic este mai evidențiat.

Din punct de vedere al provenienței, materialele plastice pot să fie:

–     naturale, și anume extrase din rezervele naturale și utilizate fără a suferi modificări de compoziție și structura;

–     artificiale, sunt cele obținute din produse naturale și sunt supuse ulterior unor îmbunătățiri în scop aplicativ;

–     de sinteză, sunt cele rezultate din diferiți monomeri în urmă unor procese tehnologice.

Din punct de vedere al reacțiilor care au loc la formarea macromoleculelor, aceste materiale se pot clasifica în următoarele grupe:

–     produse de polimerizare (polimeri), care se formează în urmă unei reacții de polimerizare a unei structuri unice, denumită monomer;

–     produse de policondensare (policondensate), care rezultă în urma unei condensări repetate (policondensare) a unui produs intermediar, format din reacția de condensare a materiilor prime;

–     produse macromoleculare naturale, care trec printr-un tratament chimic, pentru a putea fi prelucrate (de exemplu celuloză, celuloidul, acetatul de celuloză etc.)

Dacă la baza clasificării stă un criteriu al comportării materialelor plastice sub acțiunea căldurii, ele se grupează în două mari categorii: materiale termoplaste si materiale termorigide.

1.7.1 Materiale termoplaste

Materialele termoplaste sunt materiale supuse încălzirii și pot fi prelucrate prin diferite procedee. Produsele pot să fie supuse la numeroase topiri sau inmuieri, fără a suferi vreo transformare chimică. La prelucrarea la cald și sub acțiunea presiunii pot fi obținute piese rigide, după ce s-au răcit. Acestea pot fi recuperate deoarece se pot reprelucra la cald. Din această categorie aparțin polimerii.

Fig.1.7.1. Piramida materialelor termoplaste

Exemple de materiale termoplaste:

Poliamida (PA)

Poliamidele constituie o familie importantă a materialelor termoplastice, atât prin marea diversitate de tipuri cât și prin calitatea acestora și aplicațiile tehnice în care se utilizează. Prima poliamidă numită NYLON a fost produsă pentru prima dată de firma americană DuPont, prin sinteză chimică sub formă de fibră, în anul 1939. Acești polimeri rezultă din policondesarea aminelor cu acizi sau din polimerizarea acizilor aminici. Există mai multe tipuri de poliamide. Clasificarea uzuală a poliamidelor este cea numerică, bazată pe indicarea numărului de atomi de carbon din amina respectivă, urmată de numărul de atomi de carbon din acid. Exemple de poliamide: poliamida 6 (PA 6), poliamida 6.6 (PA 6.6), poliamida 6.10 (PA 6.10), poliamida 7 (PA 7), poliamida 9 (PA 9), poliamida 11 (PA 11) și poliamida 12 (PA 12). Exemple de produse obținute din poliamide: roți dințate, întrerupătoare, fermoare etc.

Nylonul este un material dur, rezistent la abraziune, flexibil, rezistent la șocuri, coeficient de frecare mic, rezistență bună la majoritatea substanțelor chimice, dar are tendință de absorbție a apei, ceea ce îi micșorează duritatea și rezistența la șocuri. Exemple de produse obținute din NYLON: angrenaje fără lubrifiant, colivii de rulmenți, lagăre cu alunecare, fitinguri, conducte, piese pentru pompe, izolații electrice, obiecte de bucătărie etc.

Fig. 1.7.2. Produse obtinuțe din prelucrarea poliamidei

Polipropilena (PP)

Cel mai răspândit procedeu industrial de fabricarea a polipropilenei este acela prin care se obține un polimer izotactic cu grad înalt de cristalinitate. Polipropilena este rezultată în urma polimerizarii propilenei. Fracțiunile amorfe rezultate din proces în cantitate mai mică sunt eliminate prin solubilizare în diferiți solvenți.

Tipurile de polipropilenă se clasifică în funcție de: construcția chimică, destinație, indice de fluiditate, aditivii din compoziție. Se prezintă sub formă de granule, transparente, opace sau divers colorate. Obiectele injectate se pot utiliza, în absența solicitărilor mecanice, până la 130-140°C. Polipropilena se folosește în: articole de uz casnic, jucării, în industria electrotehnică și electronică, tehnică medicală, articole de cosmetică, folii pentru ambalaje, obiecte de mobilier etc.

Fig. 1.7.3. Produse obtinuțe din prelucrarea polipropilenei

Policarbonat (PC)

Policarbonații sunt compuși macromoleculari din clasa poliesterilor obținuți din difenoli și acid carbonic (sau derivați). Se prezintă în formă de granule natur sau divers colorate.

Policarbonații sunt polimeri termoplastici cu structură amorfă și se remarcă printr-o serie de proprietăți ce depind de masa moleculară și natura componentelor. Piesele injectate rezistă în condiții de exploatare, în lipsa sarcinilor mecanice, până la o temperatură de 110-135°C. Policarbonații se caracterizează prin rezistență mecanică ridicată, rezistență la șocuri și flexibilitate chiar la temperaturi de -150°C, transparență, ductilitate mare, rezistență chimică la apă, acizi, soluții de săruri, grăsimi, uleiuri, hidrocarburi benzenice, absorbție mică de apă.

Datorită proprietăților sale deosebite, policarbonatul este folosit în: industria electrotehnică și electronică, aparatură electrocasnică, industria de automobile, echipamente de iluminat, instrumente muzicale, jucarii, ambalaje etc.

Fig.1.7.4.Produse obtinuțe din prelucrarea policarbonati

Policlorură de vinil (PVC)

La temperatura atmosferică este dur și rigid, dar are tendința de a se descompune prin expunere la lumină puternică. Acesta se obține din polimerizarea monomerului clorură de vinil. Proprietățile mecanice și electrice sunt bune, are rezistență deosebită la agenți chimici, este rezistent la foc (se autostinge), are rezistență mare la șocuri mecanice, iar în combinație cu diverși aditivi se prelucrează ușor prin multe procedee de formare și dă posibilitatea unei diversități mari de aplicații etc. Polimerul se livrează sub formă de pulbere (foarte rar perle doar pentru aplicații speciale), nestabilizat.

Exemple de produse din policlorură de vinil: piese diverse de mașini, izolații electrice, conducte, fitinguri, rezervoare în industria chimică etc.

Fig.1.7.5.Produse obtinuțe din prelucrarea policlorurii de vinil

Polistiren

Polistirenul se obține în urma polimerizarii în masă, emulsie, suspensie sau soluție a stirenului. În funcție de destinație și de tehnologia de prelucrare în produse finite polimerului pur obținut i se mai adaugă diverși aditivi, cum ar fi: antioxidanți, lubrifianți, coloranți, stabilizatori UV, antistatici, agenți de expandare care pot influența proprietățile produsului. Polistirenul se fabrică în mai multe tipuri: polistiren de uz general, rezistent la șoc, rezistent la căldură, pentru expandare, ranforsat, copolimerul stiren-butadienă și copolimerul stiren-acrilonitril. Este un material fragil și transparent, având, la temperatura mediului, proprietăți asemănătoare sticlei. Este un foarte bun izolator electric și are o rezistență chimică bună la majoritatea acizilor. Poate fi ușor expandat obținându-se spume rigide. Exemple de produse în polistiren: echipamente electrice, piese pentru refrigeratoare și containere alimentare, jucării, ambalaje alimentare, carcase de radio și spume rigide pentru izolări.Copolimerul acrilonitril-butadien-stiren (ABS) ranforsat cu fibre de sticlă se utilizează pentru caroserii de automobile, carcase pentru aparate telefonice sau imprimante, piese diverse pentru mașini etc.

Fig.1.7.6.Produse obtinuțe din prelucrarea polistirenului

1.7.2 Materiale termorigide

Materialele termorigide sunt compușii macromoleculari care se înmoaie prin încălzire, cu posibilitatea de a fi prelucrați, mai apoi se întăresc ireversibil, deoarece molecula suferă modificări chimice, și capătă o structură tridimensională. După transformare aceste materiale devin infuzibile și insolubile în solvenți. Produsele obținute cu defecte mecanice sau de formare sunt nerecuperabile. Din această grupă fac parte în general policondensatele. Compușii macromoleculari, atât termoplastici, cât și cei termoreactivi, se utilizează rar în starea lor pură. Adesea, pentru a-i proteja împotriva anumitor influențe exterioare nedorite, pentru a modifica anumite proprietăți sau aspectul lor și pentru a deveni mai ieftini, polimerii se utilizează în amestec cu alte materiale. Produsele din această categorie de deosebesc prin duritate, rigiditate și stabilitate termică.

Din cauza vitezei prea mari de solidificare, nu este întotdeauna posibilă prelucrarea materialelor plastice termorigide în produse, prin procedeele cele mai productive.

Exemple de materiale termorigide:

Poliamidele (aminoplastele)

Poliamidele sunt materiale plastice termorigide care au la baza polimerii cu gruparea comună (-N-). Rășinile aminice se utilizează la obținerea adezivilor pentru industria mobilei, a peliculogenelor destinate industriei de mobilă și de autoturisme.

Principalele poliamine industriale sunt:

1) Carbamidele, care se caracterizează prin rezistență la șoc, la căldură și la flacără, rigiditate și luciu al suprafeței, trasnsparenta satisfăcătoare, cu posibilitate mare de colorare și stabilitatea culorii, lipsa de miros și de gust, rezistență la agenți chimici și la apă fierbinte, proprietăți mecanice și electrice bune.

2) Melaminele, cu rezistență la șoc, la căldură și la flacără, rigiditate și luciu al suprafeței, proprietăți dielectrice bune chiar la temperaturi ridicate, rezistență bună la apă fierbinte și la agenți chimici etc.

3) Melaminele modificate prin introducerea de alcooli, celuloză etc. Printre melaminele modificate se găsesc următoarele: rășini melamino-fenolice, rășini melaminice modificate cu unii alcooli pentru soluții de acoperiri, lacuri etc. Rașinile melamino-fenolice se livrează sub formă de pulberi pentru formare prin compresie, transfer, injecție cu diverse umpluturi, ca: făina de lemn, celuloză, etc.

Fig.1.7.7.Produse obtinuțe din prelucrarea poliamidelor

Polimeri fenolici (fenoplaste)

Polimerii fenolici rezultă din reacțiile de policondensare dintre fenoli sau derivații acestora și aldehide sau cetone. În această grupă de polimeri se încadrează și produsele rezultate din reacția dintre fenoli și alți reactanti, ca de exemplu: acetilena, alchileteri precum și cei modificați.

De obicei, acești polimeri primesc denumirea de rășini fenolice, iar materialele de formare de fenoplaste.

Proprietățile și aplicațiile polimerilor fenolici depind de: raportul dintre fenol și reactant, de mediul de reacție și de parametrii de reacție. La final aceștia vor deveni termorigizi cu o structură reticulară tridimensională, având o colorație proprie de la galben la brun, cu un miros specific. Caracteristicile principale ale produselor formate din fenoplaste sunt: rezistență mecanică bună, rigiditate, stabilitate dimensională, rezistență la căldură (80-159°C), rezistență la umezeală și multe medii chimice agresive. Tipuri de polimeri fenolici: polimeri fenol-formaldehidici, fenol-formaldehici modificați, fenol-furfurolici, rășini fenolice-aralchileter, alți polimeri fenolici.

Polimeri fenol-formaldehidici (bachelite), utilizați ca rășini pentru turnare, stratificare etc., prafuri de presare în diverși aditivi, materiale de umplutură, spume fenolice.

Polimeri fenol-formaldehidici modificați, având proprietăți și aplicații specifice. De exemplu, modificații cu cauciuc, oferă rezistență la șoc, modificați cu poliesteri, ameliorează suplețea și solubilitatea în fenoli etc.;

Polimeri fenol-furfurolici, având rezistență bună în mediu coroziv și caracteristici dielectrice superioare;

Rășini fenolice, caracterizate prin proprietăți electrice superioare, cât și prin rezistențe mecanice, termice și chimice foarte bune.

Poliesteri termorigizi

Poliesteri nesaturați (termoplastici) se transformă în poliesteri termorigizi prin reacții de reticulare cu monomeri de tipul stiren, metilmetacrilat, dialilftalat etc. Proprietățile principale ale acestor poliesteri sunt: caracteristici dielectrice bune, transparența sau o culoare ușor aurie, rezistență la un număr mare de agenți chimici, posibilitatea prelucrării prin tehnologii multiple, rezistență la căldură până la 120°C, proprietați mecanice bune în funcție de materialul de ranforsare sau de umplutură.

Produsele de livrează sub diferite forme în funcție de utilizări:

Pentru turnare, poliesteri nesaturați sub formă lichidă. Conțin un inhibitor și eventual un agent tixotropic. La turnare se adaugă monomerul de reticulare, catalizatorul și alți aditivi, pigmenți, materiale de umplutură, materiale de ranforsare etc. Întărirea se produce fie la temperatura ambiata, fie la cald;

Pentru formare, prin compresie, injecție etc, sub formă solidă.

Utilizări ale poliesterilor termorigizi: rășini ignifuge, piese diverse armate cu fibre de sticlă, rezervoare, conducte, piese electrotehnice etc.

Polimeri epoxi

Se utilizează două mari clase de polimeri epoxi: rășini epoxi și copolimeri epoxi.

Rasinile epoxi se pot obține, în general, din două mari categorii de materiale: eteri glicidil și olefine epoxidate. La manipularea acestor se vor lua în considerare reacțiile fiziologice ale acestora asupra corpului omenesc. Exemple de rășini epoxi sunt următoarele: rasinile de turnare, adezivii și masticurile și lacurile din rășini epoxi pure sau modificate.Piesele diverse turnate din rășini epoxi au proprietăți mecanice și electrice bune, întărirea realizându-se la temperatura ambiantă sau la temperaturi de la 40 la 100 °C. Adezivii și masticurile conferă următoarele proprietăți: menținerea rezistenței la lipire până la circa 90 °C, contracție mică (sub 4 %), rezistență bună la agenți chimici, adezivitate foarte bună în special față de metale. Lacurile din rășini epoxi aderă bine la suport, au proprietăți mecanice și flexibilitate bune, au rezistență la uzură satisfăcătoare. Rășinile epoxi ranforsate cu materiale că hârtie, fibre sau țesături de sticlă, carbon etc., se remarcă prin adezivitate bună, contracție mică la întărire, rezistență la oboseală, proprietăți electrice și mecanice bune.

Copolimeri epoxi au apărut în special în domeniul adezivilor și acoperirilor, și s-au remarcat printr-o mai mare rezistență la șoc, o mărire considerabilă a rezistenței peliculei și o coborâre a temperaturii de tranziție vitroasă. Exemple de copolimeri epoxi: copolimerii epoxi-poliuretani, copolimerii epoxi-siliconi și copolimerii epoxi cu rășini acrilice sau poliesterice. Exemple de piese obținute din copolimeri epoxi: adezivi, masticuri, pulberi pentru acoperiri, piese diverse armate cu fibre etc.

Capitolul II

Principalele procedee tehnologice de fabricație a pieselor din MP

Prelucrarea materialelor plastice se face cu scopul obținerii unor semifabricate sau piese finite.

În vederea prelucrării de piese, masele plastice sunt supuse unor operații de preparare care constau din dozarea constituenților, amestecarea prin malaxare și omogenizarea prin vălțuire. Alegerea procedeelor de prelucrare a materialelor plastice este determinată de formă, dimensiunile, destinația produsului și de natura materialului.

Procedeele cele mai răspândite pentru prelucrarea produselor din mase plastice sunt: injectarea, presarea, laminare, termoformare, extruziunea continuă, calandrarea, turnarea, tragerea în fire, prelucrarea prin așchiere, sudarea.

2.1 Prelucrarea prin injectie

Procesul de formare prin injecție constă în aducerea unui component molecular în stare plastică și introducerea acestuia, sub presiune, într-o matriță de formare. La o anumită temperatură polimerul se întărește păstrând astfel forma matritei, iar aceasta se deschide pentru evacuarea piesei formate și se închide apoi din nou, putându-se relua ciclul de formare.

Acest procedeu se utilizează la producția de serii mari ale pieselor din materiale plastice.

În condiții industriale, procesul se repetă în cadrul unui ciclu de injectare, care începe în poziția închisă a matriței și care conține următoarele faze mai importante:

alimentarea materialului(dozarea cu granule sau pulbere);

comprimarea materialului;

termoplastifierea materialului;

injectarea;

răcirea piesei injectate;

deschiderea matriței si evacuarea produsului injectat;

închiderea matriței (începe un nou ciclu).

Materia prima sub formă de granule se introduce într-o pâlnie de alimentare, de unde cade în cilindrul de injectare datorită deplasării pistonului de alimentare. Materialul plastic ajuns în acest cilindru este transportat de către un melc în timpul mișcării de rotație, spre capul cilindrului, unde se găsește duza de injectare. Mișcarea de rotație a melcului se realizează cu ajutorul sistemului de angrenare. În timpul transportului granulele ajung în stare de topitură ca urmare a frecarilor, precum și a încălzirii cilindrului de către corpurile de încălzire. Materialul plastic topit este împins sub presiune în matriță de injectat de către melc, și ca urmare a presiunii exercitate de sistemul de acționare.

După solidificarea și răcirea materialului în matriță, un platou mobil al mașinii de injectat se îndepărtează de platoul fix. Astfel matrița se deschide și ca urmare a acționării sistemului de aruncare al matriței, piesa injectată este aruncată din matriță.

Injectarea materialelor plastice este un proces ciclic care cuprinde operații care nu sunt perfect delimitate. Așadar, plastifierea termică a polimerului începe înaintea deschiderii matriței și evacuării produsului.

Se poate urmări realizarea prin injecție a unei piese în figura următoare:

Fig.2.1.1. Schema de principiu a înjectării

a) injectarea materialului în matrița; b)solidificarea si răcirea topiturii; c) deschiderea matriței si aruncarea reperului din matrița;

1.Platou mobil; 2. Matrița; 3. Platou fix; 4. Duza mașinii; 5. Cilindru; 6. Corp de încâlzire; 7. Melc; 8. Pâlnie de alimentare; 9. Sistem de antrenare în mișcarea de rotație; 10. Sistem de acționare în mișcarea de translație; 11. Piesa injectată.

Principalii factori care determină procesul de formare a materialului termoplastic sunt:

proprietățile chimice, fizice și de curgere ale materialului termoplastic în condițiile specifice procesului de injectare;

regimul temperaturilor;

regimul presiunilor;

durata necesară formării.

Proprietățile chimice, fizice și termodinamice sunt determinate pentru desfășurarea procesului de injectare.

Regimul temperaturilor are la baza principiul că topirea acestor materiale se face prin transmiterea căldurii de la peretele cilindrului la material sau prin transformarea prin fricțiune a energiei mecanice în energie termică. Cu cât temperatura materialului este mai ridicată, cu atât acesta este mai fluid, matrița se umple mai ușor, iar timpii de injectare sunt mai mici.

Despre regimul presiunilor putem adaugă faptul ca în timpul procesului de injectare se dezvoltă o serie de forțe care exercită presiuni importante asupra materialului termoplastic. Presiunea exercitată de melc transportă materialul plastic topit din camera cilindrului mașinii, prin duza și canalele matritei, până în matriță pentru umplerea cavității acesteia. Presiunea din matriță atinge valori maxime la finalul cursei melcului și depinde de forța exercitată de melcul-piston, vâscozitatea polimerului și rezistența hidraulică a traseului.

Putem enumera cele mai importante presiuni care apar la acest principiu: o presiune exercitată asupra materialului plastic în cilindrul mașinii de injectat, și cealaltă este o presiune din cavitatea matriței. Aceasta din urmă este mai mică decât cea exterioară datorită pierderilor de presiune care apar la trecerea materialului prin duza mașinii. Mai există următoarele presiuni: presiunea ulterioară care este exercitată de melc asupra materialului din cavitatea matriței după umplerea acesteia cu material, presiunea în punctul de sigilare care este caracteristică momentului când apare solidificarea materialului în digul de la intrarea în cuibul matriței și presiunea interioară remanentă apărută în piesa injectată în momentul deschiderii matriței.

Despre durata de formare putem menționa faptul că aceasta depinde de caracteristicile polimerului, de dimensiunile obiectului injectat și de sistemul de răcire al matriței. Durata de formare determină productivitatea mașinii și calitatea pieselor care au fost injectate. Un element important în determinarea acestei durate îl constituie raportul dintre greutatea piesei injectate și capacitatea de plastifiere a agregatului.

Exemple de granule pentru realizarea maselor plastice sunt următoarele:

Fig.2.1.2. Granule de material plastic: a-polipropilenă; b- copolimer acrilonitril-butadien-stiren (ABS); c-polietilenă

Definirea formei pieselor din materiale plastice se realizează ținând cont de următoarele aspecte:

rolul funcțional al piesei;

tipul de material folosit;

procedeul de fabricație utilizat pentru prelucrare;

seria de fabricație.

Proiectarea unei piese trebuie să țină cont obligatoriu de următoarele cerințe:

piesă să poată îndeplini cerințele funcționale și geometrice impuse de către proiectant;

piesă să aibă o rezistentă mecanică cât mai ridicată;

piesă să aibă o greutate minimă fără a se face rabat de la cerințele funcționale;

montarea și demontarea piesei într-un ansamblu să necesite un număr minim de operații;

tehnologia folosită pentru realizarea piesei să fie cea mai simplă cu putință iar sculele utilizate să se poate realiza ieftin și fără dificultate.

Principalele avantaje ale acestei metode:

viteză ridicată de formare

pierderi minime prin rebuturi

prelucrări minime ale pieselor finite injectate

precizia deosebită a obiectelor formate

complexitatea obiectelor obținute este virtual nelimitată

dimensiuni variate pentru pieselor obținute: de la foarte mici (< 1 g) la foarte mari (> 50 kg)

se pot obține obiecte din materiale plastice expandate

existența de a se putea automatiza integral întreaga linie de injecție

posibilitatea obținerii de obiecte prin injecție-suflare (ptr. sticle din PET)

Dezavantajul principal: prețul ridicat a agregatelor de injecție (matriței).

Întregul proces de injectare poate fi cuprins în următoarele trepte de proces:

plastifierea;

umplerea mătriței;

compactizarea;

răcirea și demularea.

Plastifierea

În acestă trepta de proces se crează premisele pentru treptele de proces următoare, și anume umplerea matriței și compactizarea. Materialul plastic în formă de granule este transformat prin transfer de căldură într-o topitură. Acest proces are loc prin transferul de căldură de la peretelele cilindrului la materialul plastic și prin căldura de fricțiune din interiorul materialului. Scopul plastifierii este asigurarea unei topituri omogene din punct de vedere material, reologic și termic, cu o vâscozitate suficient de scăzută pentru a permite fenomenele de transfer de presiune și curgere.

Treapta de proces plastifiere cuprinde, pentru masă injectată necesară unui reper, întregul timp de reținere în mașina de injectat, care are o durata de mai multe cicluri de injectare în cadrul căruia au loc mai multe rotații și staționări ale melcului. Practic, acest proces începe când intră materialul prin pâlnia de alimentare în canalul melcului și se sfârșește când are loc injectarea materialului topit din spațiu de acumulare o dată cu începutul mișcării de avansare a melcului-piston la umplerea matriței.

Umplerea matriței

În această etapă are loc pătrunderea materialului plastic în cavitatea matriței prin orificiul de intrare. Părțile exterioare ale materialului termoplastic topit, în contact cu pereții reci ai matriței, se solidifică formându-se așadar în matriță un strat marginal termoizolant. Pentru materialul aflat sub presiune, canalul de curgere nu mai este format din conturul matriței, ci de stratul marginal întărit. Acest strat, ca efect al temperaturii pereților matriței, are viteză de forfecare mai mică decât stratul interior care are viteză de forfecare mai mare. Astfel, între interior și exterior apar viteze de deformare diferite, care determină un front de curgere. Dacă stratul marginal din matriță este mai gros, în punctul de observație, aportul de căldură al topiturii este mai mic, așadar căldura care ia naștere prin forfecare este mică.

Această etapă cuprinde transportul materialului plastic din spațiul de acumulare al mașinii de injectat în cavitatea matriței, așadar procesul începe cu startul mișcării de translație a melcului în direcția duzei, simultan cu sfârșitul plastifierii. Finalul acestei etape este marcat de momentul umplerii volumetrice, și anume materialul de formare ajunge în punctul cel mai îndepărtat față de punctul de injectare.

Compactizarea

După umplerea matriței topitura trebuie compactată, deoarece materialele termoplastice au la temperatura de prelucrare un volum specific sensibil mai scăzut decât la temperatura mediului ambiant. Dacă procesul de injectare ar avea loc fără această etapă, atunci reperul răcit ar prezența un volum diferit de volumul cavității matriței. La contracție, în funcție de configurația reperului și a procesului de răcire, ar lua naștere retasuri și goluri. Acestea sunt compensate prin compactarea topiturii.

Prin procesul de compactare se înțelege introducerea unei cantități suplimentare de topitura în cavitatea matriței, după umplerea volumetrică. Această cantitate de material se numește cantitate de compactare.

Pentru compactizarea începutul este marcat de momentul umplerii volumetrice, adică masa de formare atinge punctul cel mai îndepărtat de la locul de injectare, iar simultan cu acesta este finalul umplerii matriței, exprimat prin expirarea timpului de umplere și începutul treptei de răcire. Finalul acestei etape o reprezintă apariția punctului de sigilare.

Răcirea si demularea

Răcirea piesei injectate de la valoarea maximă a temperaturii materialului plastic, la temperatura camerei solicită, datorită conductibilitatii a materialului termoplastic, un timp relativ lung. După deschiderea matriței, procesul de răcire continuă și în afara matriței. Pentru procesul de injectare, în primul rând, este importantă examinarea fenomenelor de răcire în interiorul matriței.

Timpul de răcire caracteristic pentru acest proces este timpul parțial cel mai lung al ciclului de injectare, reprezentând aproximativ 68% din durata totală a ciclului. Pentru a atinge, în vederea productivității ridicate, timpi scurți de ciclu, trebuie prevăzute măsuri pentru reducerea timpului de răcire.

Tehnologia injectării presupune obținerea unui timp și viteze de răcire astfel încât să se asigure calitatea prescrisă piesei injectate. Prin variația timpului de răcire și a temperaturii matriței, această determinând viteză de răcire, se epuizează în esență posibilitățile tehnologice de influențare a procesului de răcire în matrița. Cu toate că aceste posibilități tehnologice par ușor de atins, procesul de răcire implică și alte greutăți tehnologice. Aceasta se datorează faptului că temperatura matriței nu are caracterul unei mărimi de reglare și este supusă unor efecte din timpul procesului.

Ca treaptă de proces, răcirea este considerată partea procesului de răcire care are loc în matriță. Ca început la această etapă o reprezintă momentul închiderii procesului de umplere volumetrică a matritei, și anume masa de formare ajunge în punctul cel mai îndepărtat de locul de injectare din matriță, și fenomenul de petrece simultan cu sfârșitul treptei de proces denumit umplerea matritei, exprimat prin sfârșitul timpului de umplere. Ca și final, menționăm începerea procesului de deschidere a matritei simultan cu începutul treptei de proces demulare.

Timpul de răcire nu se poate regla direct pe mașinile de injectat. În majoritatea cazurilor este reglabil un timp parțial de ciclu, numit timp de staționare, care începe la finalul timpului de presiune ulterioară și se termină odată cu timpul de răcire la începutul procesului de deschidere a matriței.

Starea suprafeței cuibului și miezului matritei influențează fenomenul de curgere a materialului plastic. Prezența unor rugozități pronunțate rezultate din prelucrare perturbă curgerea, dar în același timp influențează și procesul de scoatere a piesei injectate din matriță. Suprafețele canalelor de crugere, a digului, precum și suprafețele poansonului și cuibului se lustruiesc în direcția curgerii pentru a facilita curgerea materialului topit.

2.2 Extrudarea

Extrudarea materialelor plastice este un procedeu tehnologic continuu de prelucrare, prin care materialul plastic, aflându-se sub formă de granule sau praf, trece printr-o transformare termomecanică rezultând astfel o topitură omogenă, care datorită unei presiuni mari este forțată să se deplaseze printr-un orificiu profilat. Acest orificiu se numește filieră și în funcție de geometria acesteia se pot obține piese de diferite forme și de lungimi mari, cum ar fi: plăci, tuburi, țevi, bare pline etc.

O instalație pentru prelucrarea prin extrudare poate fi compusă din următoarele părți:

motorul mașinii care antrenează melcul extruderului;

buncărul de alimentare unde se introduce materialul plastic;

melcul extruderului care ajută la transportarea materialului plastic de la buncăr până la filieră;

cilindrul care are în interior posibilitatea de a topi materialul plastic;

termorezistente a căror capacitate se reglează, și numărul acestora diferă pentru fiecare echipament în parte, iar temperatura la care acestea trebuie să ajungă fiind comandată cu ajutorul unor termocuple.

Putem urmări realizarea prin extrudare a unei piese in figura următoare:

Fig.2.2.1. Schema de funcționare a unui extruder

1.Buncăr de alimentare; 2. Gură de incărcare; 3. Canal agent de răcire; 4. Melc; 5. Incălzitor al cilindrului; 6. Cilindru; 7. Căptușeala cilindrului; 8. Termocuplu; 9. Filtru; 10. Placa de frânare; 11. Adaptor; 12. Termocuplu pentru topitură; 13. Filieră.

Forma care o are produsul finit la finalul extrudarii este dată de filiera care este parte componentă a capului de extrudare. Geometria acestei filiere este proiectată și realizată special în funcție de forma profilului pe care dorim să îl realizăm. În general proiectarea exactă a unei filiere pentru un anumit profil este foarte dificilă, în practică fiind necesare încercări și ajustări succesive pentru a defini filiera exactă.

Pentru obținerea formei dorite și pentru că produsul finit să se încadreze în limitele tolereantei impuse, se acordă o atenție mărită proiectării capului de extrudare, deoarece trebuie să ținem seama contracția polimerului care va deforma profilul extrudat. Este foarte importantă cunoașterea valorilor contracției materialului plastic care urmează să fie prelucrat pentru ca proiectarea dimensiunilor filiere o va realiza în legătură cu acestea. Valorile contracțiilor teoretice apar în literatură de specialitate pentru fiecare material în parte.

Calitatea si geometria produselor realizate depinde de elementele:

calitatea suprafețelor filierei;

dimensiunile filierei;

materialul piesei.

Avantajele utilizării procedeului de extrudere la prelucrarea polimerilor:

costuri scăzute de prelucrare;

costuri reduse ale reperelor (subansamblelor);

capacitate de producție ridicată;

secțiune transversală uniformă a reperelor;

posibilitatea utilizării unui număr însemnat de polimeri;

posibilitatea colorării polimerilor direct în extruder.

2.3 Termoformarea

Prelucrarea materialelor plastice prin termoformare este procedeul de obținere a produselor cave din semifabricate sub formă de foi sau folii obținute din materiale termoplaste. Acest procedeu este specific pentru fabricația pieselor cu pereți subțiri, de exemplu: pahare și farfurii de unică folosință, ambalaje, recipiente alimentare, folii pentru medicamente etc.

Procedeul are la baza înmuierea termică a unui semifabricat plan sub formă de foaie sau folie, într-o matriță deschisă a cărei formă o obține în urma deformării cu aer, cum ar fii: aspirație sau presare.

O caracteristică a termoformării o reprezintă necesitatea încălzirii semifabricatelor la o temperatură apropiată de temperatura de prelucrare și situată peste temperatura de înmuiere a materialului plastic. Materialele termoplaste au capacitatea de a-și modifică forma la o tempratura apropiată de temperatura inițială de înmuiere când, odată cu creșterea temperaturii, vâscozitatea acestora va scădea.

Termoformarea foilor este posibilă prin două tipuri de procedee de bază și anume:

Formarea prin aspirație;

Formarea cu presiune.

Formarea prin aspirație este un procedeu prin care o foaie de material plastic înmuiată cu ajutorul căldurii este aspirată în interiorul unei matrițe luând forma acesteia. Cu aceste instalații se pot executa piese cu lungimi până la 2 m din semifabricate cu grosime de până la 3-4 mm. Figura de mai jos reprezintă schematic un procedeu de formare cu aspirație:

Fig.2.3.1 Schema de principiu formării prin aspirație

1-Sistemul de încălzire; 2- Placă fixare; 3- Placă de taiere; 4- Piesă; 5- Cuib;

6- Izolator; 7- Carcasă; 8- Extractor.

Formarea cu presiune este un procedeu extrem de asemănător cu formarea prin aspirație atât din punct de vedere al instalației cât și al parametriilor tehnologici. Materialul care are formă unei foi sau folie este adus la temperatura de curgere prin încălzire și este obligat sub presiune să ia forma geometrică a cuibului.

Termoformarea sub presiune prezintă un mare avantaj și anume acela de a se putea realiza configurații complexe ale pieselor inclusiv profiluri și nervuri de dimensiuni reduse.

Figura de mai jos reprezintă schematic un procedeu de formare cu presiune:

Fig.2.3.2. Schema de principiu formării prin presiune

1- Cuib; 2- Placă suport și izolator; 3- Carcasă; 4- Placă pentru formarea camerei de refulare; 5- Placă cu orificiu pentru refulare aer.

Termoformarea sub presiune prezintă un mare avantaj de a putea realiza configurații complexe ale pieselor incluzând și profiluri și nervuri de dimensiuni mici.

În general, etapele de prelucrare cu ajutorul termoformarii prin utilizarea matrițelor sunt:

fixarea semifabricatului sub formă de foaie între plăcile matriței;

încălzirea materialului;

formarea propriu-zisă prin vidare;

răcirea piesei formate;

extragerea si tăierea marginilor.

2.4 Presarea

Formarea materialelor termoreative prin presare este operația prin care asupra unui material termorigid adăugat într-o matriță preîncălzită, se va aplica o presiune de o valoare determinată, cu scopul de a forma piesă.

După un timp bine determinat care este dependent de dimensiunile piesei și de temperatura pe care o are matrița, polimerul termoreactiv se întărește.

Fenonenul de întărire este rezultatul reacției policondensare care are loc în masa materialului, adică are loc o transformare chimică sub influența căldurii, astfel obținându-se in final un material rigid, infuzibil și insolubil, care nu se va înmuia la o nouă încălzire.

După modul de prelucrare a materialelor termoreactive procedeele de formare prin presare sunt următoarele: formarea prin presare directă, formarea prin tranfer și formarea combinată.

În figura alăturată este prezentată formarea prin presare directă cunoscut drept fiind cel mai utilizat procedeu pentru formarea materialelor termoreactive:

Fig.2.4.1. Schema de principiu formării prin presare directă

1- Cuib; 2- Material sub formă de pulbere; 3- Poanson; 4- Piesă; 5- Rezistențe electrice;

6- Extractor.

Parametrii tehnologici care stau la baza presării influentând astfel calitatea produselor sunt presiunea, temperatura si timpul.

Presiunea

Materialul plastic este introdus în matriță pentru exercitarea unei presiuni mecanică asupra lui. Există două feluri de presiuni: presiunea de formare și presiunea de întărire. Presiunea de formare are loc atunci când poansonul atinge materialul de presare și durează până când materialul devine fluid și umple toate cavitățile dintre poanson și cuib. Presiunea de întărire este o presiune care apare la necesitatea echilibrării a presiunii vaporilor de apă și gazelor care sunt eliminate în timpul reticularii materialului plastic, adică până când materialul a umplut cuibul și s-a terminat acest proces de reticulare.

Temperatura

Temperatura joacă rolul de a produce reticularea materialului de presare și de a-l fluidiza pentru a se putea introduce în cuib. Înlesnește eliminarea vaporilor și gazelor care se formează în timpul reticularii dar și atunci când are loc trecerea materialului în fază infuzibilă și insolubilă.

Timpul

Acest timp reprezintă durata realizării fluidizarii materialului, pentru a umple matrița și pentru reticulare. Acesta variază invers proporțional cu temperatura de presare. Mărirea

productivității conduce la o scădere a timpului de presare. De multe ori, timpul insuficient de presare poate duce la un aspect necorespunzător al produsului.

2.5 Calandrarea

Calandrarea se aplică pentru prelucrarea foliilor din mase plastice și pentru impregnarea diferitelor țesături. Masa plastică încălzită este trecută prin mai multe perechi de cilindri incalziti, împreună cu țesătură în care se impregnează. Utilajul pe care se execută această prelucrare se numește calandru.

Instalația de calandrare este prezentată în figura de mai jos:

Fig.2.5.1. Schema de principiu formării prin calandrare

1.Extruder; 2- Separator magnetic; 3- Calandru; 4- Cilindri de angajare; 5- Cilindri de finisare;

6- Role de transport; 7- Dispozitiv de imprimare; 8- Conveior de stabilizare; 9- Tunel de răcire; 10- Calibru de grosime; 11- Dispozitiv de tăiere a marginilor; 12- Sistem de rulare.

Avantajele acestei prelucrări sunt:

productivitatea inaltă

definiție geometrică bună

Dezavantajul pentru acest procedeul îl reprezintă costul ridicat al utilajului.

Prin calandrare se produc folii plastifiante din PVC, folosite la confecționarea tapițeriei pavilionului autovehiculului, a huselor scaunelor, a mochetelor, panourilor portierelor, precum și a plăcilor presate pentru separatoarele din bateriile de acumulatori.

2.6 Rotoformarea

Rotoformarea este un procedeu de prelucrare a materialelor plastice care se bazează pe depunerea uniformă a materialului în cavitatea închisă a unei matrițe. Această uniformitate a depunerii se obține datorită unei mișcări biaxiale a matriței realizată de un utilaj de construcție specială.

O principala trăsătură a rotoformarii o reprezintă flexibilitatea. Se pot forma piese de dimensiuni variabile, goale în interior, de forme complexe sau chiar asimetrice. Există o mare varietate de piese cu forme și mărimi diferite care pot fi prelucrate cu ajutorul acestui procedeu, ca de exemplu, de la mărimea unei seringi până la rezervoare de 100000 de litri. Acest procedeu este ideal pentru realizarea pieselor în serii mici de fabricație.

Rotoformarea este un procedeu de realizare a unor piese închise, goale în interior, din material plastic sub formă de pulbere sau praf, prin încălzirea și mai apoi răcirea materialului aflat într-o matrița închisă care se rotește simultan după mai multe direcții ortogonale.

În figura de mai jos este prezentat principiul de funcționare al rotoformării:

Fig.2.6.1. Schema de principiu formării prin rotoformare

a) Faza I este marcată de introducerea materialului plastic foarte fin în cavitatea semimatriței care la interior are un profil pe care produsul îl va avea în exterior. Se fixează semimatrița.

b) Faza a ÎI-a este marcată de incălzirea matriței și rotirea acesteia după două direcții ortogonale în așa fel încât materialul să se depună cât mai unform pe pereți.

c) Faza a III-a este reprezentată de scoaterea matriței din mediul cald și răcirea acesteia.

d)Faza a IV-a este reprezentată de deschiderea matriței și scoaterea produsului din interior.

Avantajele acestui procedeu sunt:

prelucrare ușoară a pieselor cu contur complex;

prelucrare simplă și ieftină;

prelucrare simultană, cu ajutorul aceluiași echipament, a mai multor tipuri și mărimi de piesei;

grosimea peretelui pieselor obținute prin acest procedeu este mai uniformă față de cea a produselor realizate prin alte procedee

produsele obținute nu au tensiuni interne dacă se respectă condițiile impuse de tehnologie.

Dezavantajele acestui procedeu sunt:

prețul materialelor este relativ mare. Majoritatea materialelor plastice sunt utilizate sub formă de granule sau pudră astfel fiind necesară o etapă suplimentară de măcinare a granulelor;

procesul nu este recomandat pentru serii mari de fabricație a unor piese de dimensiuni mici, deoarece materialul plastic și matrița trebuie să fie încălzite de la temperatura ambiantă la o temperatură relativ ridicată și apoi răcite (ciclu mare de timp);

gama de materialele recomandate pentru rotoformare este restrâns. În prezent polietilena se consideră ca fiind cel mai folosit material (în proporție de 90%);

scoaterea piesei este dificilă în special pentru piese de forma complexă;

bosajele și crestăturile nu pot fi prelucrate ușor.

2.7 Sudarea

Sudarea este procedeul de fabricare a pieselor din mase plastice termoplaste prin aducerea locală în stare de topire, cu sau fără material de adaos. Sudura materialelor termoplaste se poate realiza pe suprafețe aflate în contact etanș, prin încălzirea zonei îmbinate la o anumită temperatură și într-un interval de timp bine definit. Creșterea temperaturii în acest proces este unul dintre cei mai importanți factori care determină obținerea unei suduri de calitate.

Mecanismul de formare al îmbinării la sudarea materialelor plastice se bazează pe auto-lipirea suprafețelor în contact, iar ca urmare a difuziei lanțurilor moleculare dintr-un volum de material în celălalt. Materialele termoplastice se sudează bine la o temperatură mai ridicată decât temperatura de topire, dar mai scăzută decât temperatura de descompunere a materialului.

Sudarea materialelor termoplaste se poate face cu dispozitive manuale, automate sau semiautomate.  Sudarea acestor materiale se realizează prin contact direct între cele două materiale supuse unei încălziri, prin adaos de material, prin intermediul unui electrod sau eclisa.

Un factor important îl are tipul de material plastic ce urmează a fi sudat. De obicei pentru sudura cu adaos de material se utilizează același tip de material sau materiale compatibile, cu aceeași temperatură de polifuziune.

Procedeul de sudură se utilizează pentru asamblarea pieselor din materiale termoplaste în structuri complexe sudate, de mari dimensiuni sau reparațiile pieselor avariate.

În comparație cu alte metode de îmbinare, sudura are următoarele avantaje:

productivitate ridicată;

rezistență ridicată a îmbinărilor;

preț de cost scăzut.

Pot exista 6 clasificari mari pentru sudurea materialelor plastice:

sudurea prin încălzire;

sudurea prin contact;

sudarea cu material de adaos;

sudarea prin frecare;

sudarea cu ajutorul curenților de înaltă frecvență (CIF);

sudarea cu ultrasunete.

Capitolul III

Analiza constructiva si functionala a reperului ’’Suport picior cada de baie’’

3.1 Piesa ’’ Suport picior cada de baie’’

Piesa prelucrată cu ajutorul procedeului de injecție este un suport de susținere pentru piciorul căzii de baie. Picioarele sunt utilizate pentru a instala în plan orizontal cada de baie. De aceea cada poate fi ușor încastrată sau zidită. Ele au rolul de a garanta o stabilitate perfectă a căzii de baie. Acest suport este realizat din polietilenă.

În figura de mai jos este prezentată piesa realizată prin injecție:

Fig.3.1.1. Piesa 3D

Desenul de execuție al piesei este reprezentat în figura de mai jos. Desenul este prezent și în anexă.

Fig.3.1.2. Desen de execuție al piesei

Alte exemple de suport pentru picioarele căzii de baie:

Fig.3.1.3. Exemple suporți picioare cadă de baie

3.2. Polietilena.Generalități

Polietilena este unul dintre cele mai importante materiale plastice ale timputilor moderne. Ca tonaj, cu 3100000 tone annual deține în 1966 locul al doilea pe plan mondial, după policlorura de vinil, producția de polietilenă având însă perspectiva de a ocupa primul loc în următorii ani.

Descoperită întâmplător de doi cercetători englezi în 1933, polietilena s-a dezvoltat încet în timpul celui de-al doilea război mondial, utilizandu-se la început pentru acoperirea cablurilor electrice. În ultimii 10 ani producția de polietilenă s-a dezvoltat vertiginos, datorită scăderii continue a prețului de cost al etenei, precum și a lărgirii gamei de utilizări. Datorită inerției chimice, polietilena este folosită în cele mai diverse domenii. Materialele pe baza de polietilena se pot prezenta in doua stari: lichide vascoase cu aplicatii pentru lubrifiere si solide translucide pentru formare.

Formele de livrare ale polietilenele pentru formare sunt produse de tip pulberi sau granule. Materialul sub formă de granule este o compoziție cu adaos de diverși aditivi: stabilizatori, lubrifianți, coloranți etc.

Fig.3.2.1. Granule de polietilenă

Exemplu de produse obținute din polietilenă:

Fig.3.2. Piese obtinuțe din prelucrarea polietilenei

3.3 Tipuri de polietilene

Polietilenele pot sa fie de două tipuri:

Polietilenă de densitatea ridicată

Polietilenă de densitate mică

Polietilena de densitate ridicată

Exemple de utilizări ale polietilenele cu densitate ridicată: frânghii, jucării, articole menajere, scaune, fabricare de fibre.

Avantajele care le caracterizează pe acest polietilene sunt următoarele:

caracterisitici mai bune decât polietilene de joasă densitate;

rigiditate ridicată;

suprafață stralucitoare;

rezistență la temperaturi ridicate la apă fierbinte și prezintă o inerție chimică mare.

Unele dezavantaje ar fi:

contracție neomogenă;

prețul de cost este mult mai ridicat;

decorarea acestora este dificilă.

Polietilena de densitate mica

Pentru polietilenele cu o densitate joasă menționăm următoarele utilizări: jucării, industria electrică și chimică, sticle de lapte, articole menajere, corpuri cave, filme, îmbrăcăminte, foi, țevi etc. Polietilena de joasă densitate mai este folosită pentru obținerea de folii pentru ambalaje incluzând pungi,saci, folii termosudabile, folii pentru îmbrăcăminte, pentru produsele alimetare, agricultură sau contrucții.

Avantajele folosirii acestor polietilene sunt caracterizate de următoarele:

rezistență și flexibilitate bună;

comportarea bună la diferite șocuri;

au un preț atractiv și rezistență chimică este bună;

rezistență la tracțiune;

elasticitatea.

Polietilena este un foarte bun izolator electric și se utilizează la izolarea cablurilor electrice, în special a celor de joasă frecvența dar și a celor de înaltă frecvența.

Dezavantajele acestora sunt:

constractia neomogena;

utilizarea sudurii cu ultrasunete nu este posibila.

3.4 Propietățile polietilenei

Densitatea polietilenelor corespunde, în general, sistemului de polimerizare, și anume, presiunea înaltă este caracteristica pentru densitatea mică, și presiunea joasă este caracteristica pentru densitatea mare. Acest aspect nu constituie în general o regulă.

Polietilenele de densitate mică au un grad de cristalinitate de 50-85%, pe când cele cu densitate mare au un grad de cristalinitate care poate ajunge până la 95%.

Industrial polietilena se obține prin polimerizarea etenei lichide, la presiuni mari (1000-2000 atmosfere) sau la presiune joasă (până la 5 atmosfere) în prezența catalizatorului Ziegler. Cu acești catalizatori au fost polimerizați cei mai diverși monomeri, obțînându-se materiale polimerice cu proprietăți noi.

Polietilena are o structură filiformă, ea este alcătuită din macromolecule liniare cu foarte puține ramificații. Este o masa solidă, lăptoasă sau transparentă. Are stabilitate chimică mare, fiind insolubilă în apă și în alți solvenți. Temperatura de înmuiere este cuprinsă între 110-150 °C. Polimerul se inmoaie in jurul temperaturii de 115°C, devine casant la temperaturi sub -25°C si se descompune aproape de temperatura de 300°C. Produsele din polietilenă prezintă următoarele caracteristici: sunt flexibile, cu suplețe la grosimi mici, insipide, inodore si netoxice.

Structura fizică a polietilenei poate fi de la amorfă la aproape cristalină complet. Forma amorfă este dură, rezistentă, mai puțin sfărâmicioasă și mai solubilă, în timp ce forma cristalină este elastică, deformabila, mai puțin solubilă și mai sfărâmicioasă. Trecerea de la amorfă la cristalină atrage după sine și modificarea greutății specifice. Neregularitățile de structură chimică, ca de exemplu ramificațiile, care conduc la o cristalinitate mai redusă.

Masa moleculară a polietilenelor este de 10000 la 100000, există și șorțuri de polietilenă cu masă moleculară mare între 2-3000000, cu proprietăți particulare.

În general, proprietățile tehnologice ale polietilenei, care ne interesează cel mai mult pentru utilizarea sa în industrie, se determina prin analize ușoare, rapide, care exprimă convențional și cu o exactitate relativă modul în care se comportă polietilena în timpul prelucrării.

Prin armare, polietilena își îmbunătățește apreciabil caracteristicile mecanice, coeficientul de dilatare termică, rigiditatea și rezistența la temperatură, prezentând interes pentru piesele în mișcare folosite în medii agresive care nu au temperatura prea mare.

Procedeele de formare a semifabricatelor și produselor finite din polietilenă sunt: compresie, injecție, extrudare, suflare, formare rotationala, termoformare, acoperiri și expandare.

Tehnicile de asamblare folosite sunt: lipire cu adezivi, lipire prin inducție, sudare termică, electrică și cu ultrasunete, compresiune mecanică, lipire prin răsucire și stivuire.

Procedeele de imprimare ale polietilenei sunt: flexografie, gravare, offset uscat, ștampilare la cald și serigrafie.

Rezistența la intemperii a polietilenei:

Exploatarea polietilenei in condițiile atmosferice are ca efect:

modificarea aspectului exterior și anume schimbarea la culoare spre galben-brun;

apariția de fisuri;

materialul devine casant si sfărâmicios;

modificarea structurii chimice si anume apariția de radicali și grupe inițiatoare ale degradării fotochimice;

modificarea proprietăților mecanice si electrice ca urmare a scindării macromoleculelor sau reticularităților.

Temperatura accelerează degradarea polietilenei și așa devine sensibilă la radiatiiloe UV mai ales în prezența oxigenului.

Polietilenele ramificate sunt mai susceptibile degradării datorită existenței legăturii carbon terțiar-hidrogen. De altfel zonele amorfe fiind mai afânate permit pătrunderea mai adâncă a oxigenului sau a apei.

Urmele de metal de la catalizatorii de polimerizare accelerează scindarea peroxizilor formați în timpul procesului de fotooxidare, propagând astfel degradarea catenei prin producerea de noi radicali.

În tabelul de mai jos sunt prezentate principalele caracteristici ale polietilenei în funcție de densitatea și cristalinitatea acesteia.

Tab. 3.4.1. Proprietățile polietilenei în funcție de densitate și cristalinitate

Sensibilitatea la acțiunea radiaților ultraviolete a polietilenei este reprezentată prin lungimea de undă cu acțiunea maximă, având astfel valoarea între 300-320 nm.

Temperatura de aprindere și de autoaprindere a polietilenei poate să fie de două tipuri: cu aprindere cu surse externă, având valoarea de 314°C, și autoaprinderea, având valoarea de 349°C. Căldură specifică a polietilenei este în jur de 0.55-0.46 cal/g*°C, iar valoarea conductivității termice este de 11.5-8, având unitatea de măsură cal/s*cm*°C.

Rezistența polietilenei la acțiunea biologică, adică la microorganisme, se realizează în funcție de valoarea masei moleculare și anume: cu masa moleculară mare rezistă la acțiuni biologice, iar cu masa moleculară mică rezistă mai puțin.

În tabelul alăturat se prezintă comportarea polietilenei față de mediul înconjurător, și anume comportarea acesteia la acțiunea termică și termooxidativa.

Tab.3.4.2. Comportarea la actiunea termica si termooxidativa a polipropilenei

3.5 Calculul de dimensionare a cuiburilor si miezurilor matrițelor de injectat

Pentru ca proiectarea cuiburilor mătriței să fie corectă, respectiv a miezurilor, trebuie să se țină cont de contracția materialului din care s-a realizat piesa injectată. Fenomenul de contracție a piesei se realizează prin faptul că dimensiunile piesei măsurate după 12-24 de ore după injectare sunt diferite față de dimensiunile corespunzătoare ale cuiburilor și miezurilor (care reprezintă părțile active ale matriței). Acest fenomen se întâmplă chiar și în situația în care construcția tehnologică a matritei este corectă, mașina de injectare este in condiții bune de funcționare, iar parametrii tehnologici pentru injectare sunt stabiliți și aplicați in mod corect.

Valorea contracției pentru polietilena de joasă densitate (PEJD-LDPE) este între 1.5-5%, astfel iar , iar media dintre cele două este . Densitatea acesteia este intre 0.91-0.92g/cm³.

Următorii pași sunt descriși pentru dimensionarea cuiburilor, respectiv a miezurilor. Marcarea cotelor prin culoarea roșu evidențiază respectivele cote pentru care s-au realizat calculele.

Dimensionarea cuiburilor

Pentru stabilirea dimensiunii cuiburilor se ține seama de contracția materialului. Se presupune că valoarea limita maximă admisă a uneia din dimensiunile cavității este mai mare decât cea a corpului cu contracție minimă rezultată din cavitatea cu toleranță maximă, iar pentru valoarea minimă admisă este mai mică decât cea a corpului cu contracția maximă obținută din cavitatea cu toleranță minimă.

Formulele aplicate pentru dimensionare cuiburilor sunt:

[mm] (1)

[mm] (2)

[mm] (3)

În care se prezintă următoarele:

H – dimensiunea cavității cuibului;

– abaterea superioară/inferioară a dimensiunii cuibului;

h – dimensiunea exterioară a piesei de injectat;

– abaterea superioară/inferioară a dimensiunii cuibului piesei;

– contracția minimă/medie/maximă a materialului din care este confecționată piesa.

Calculând cu ajutorul relațiilor de mai sus, obține valorile maxime și minime care formează câmpul de toleranță în interiorul căruia poate varia dimensiunea.

Dimensiunea maximă a piesei se va realiza cu dimeniunea maximă a cuiburilor atunci când contracția este minimă, . Atunci când dimensiunea minimă a piesei va rezulta cu dimensiunea minimă a cuiburilor atunci când contracția este maximă,

Pentru piesa din figura următoare, respectiv pentru cotele și pentru se calculează dimensiunea cuibului.

Fig.3.5.1. Dimensionarea cuiburilor

Astfel, pentru primul caz cu diametru se vor obține următoarele calcule:

;

;

.

Deci, pentru cuib se obține de unde va rezulta un camp de toleranță

Valoarea câmpului de toleranță rezultată în urma calculelor efectuate anterior reprezintă valoarea toleranței maxim admisă. Dacă se depășește această valoare piesa rezultată este considerată rebut. Pentru a se evita acest lucru și pentru a crește numărul pieselor injectate este nevoie ca dimensiunile matriței de injectat pentru cuibul matriței să se realizeze la un câmp de toleranță mai restrâns.

În cazul cuiburilor se recomandă pentru dimensiunea rezultată din calcule:

– acesta este câmpul de toleranță pentru cuib in acest caz.

În acest caz matrița va putea realiza un număr mai mare de piese injectate rezultând produse finite a căror dimensiune se incadrează in valorile inițiale.

Pentru cazul al doilea, cu diametrul de se vor obține următoarele calcule:

Deci, pentru cuib se obține de unde va rezulta un câmp de toleranță

În cazul cuiburilor se recomandă pentru dimensiunea rezultată din calcule:

– acesta este câmpul de toleranță pentru cuib in acest caz.

Dimensionarea miezurilor

Pentru dimensiunile tolerațe ale miezurilor aplicăm următoarele formule:

(4)

(5)

(6)

În care se prezinta următoarele:

– dimensiunea miezului;

– abaterea superioară/inferioară a dimensiunii miezului;

– dimensiunea interioară a piesei de injectat;

– abaterea superioară/inferioară a dimensiunii miezului piesei;

– contracția minimă/medie/maximă a materialului din care este confectionață piesa.

Pentru piesa din figura următoare, respectiv pentru cotele și pentru se calculează dimensiunea miezurilor.

Fig.3.5.2. Dimensionarea miezurilor

Astfel, pentru primul caz cu diametrul de se vor obține următoarele calcule:

Deci, pentru miez se obține de unde va rezulta un câmp de toleranță

Pentru a se evita apariția piesei rebut daca se depăseste această valoare și pentru a crește numărul pieselor injectate este nevoie ca dimensiunile matriței de injectat pentru miezul matriței să se realizeze la un câmp de toleranță mai restrâns.

În cazul cuiburilor se recomandă pentru dimensiunea rezultată din calcule:

acesta este câmpul de toleranță pentru miez in acest caz.

În acest caz, se permite realizarea unui număr mai mare de piese de injectat.Pentru cazul al doilea,cu diametrul de se vor obține următoarele calcule:

Deci, pentru miez se obține de unde va rezulta un câmp de toleranță

În cazul miezurilor se recomandă pentru dimensiunea rezultată din calcule:

acesta este câmpul de toleranță pentru miez in acest caz.

Calculul numărului de cuiburi:

Numărul de cuiburi al matriței de injectat, în funcție de capacitatea de plastifiere a mașinii de injectat, se calculează cu formula:

(7)

unde:

capacitatea de plastifiere reală a mașinii de injectat, în [kg/h];

masa piesei injectate, în [g];

durata completă a ciclului de injectare, în [s].

Masa piesei , care este utilizată în relație, este masa netă a piesei înmulțită cu factorul de corecție.

Masa netă a piesei denumită ’’Suport picior cadă de baie’’ este egală cu 3.76 g. Pentru această valoarea a mesei nete avem o valoare a factorului de corecție egal cu 1.25. Din aceste două rezultă faptul că masa piesei va fi egală cu 4.7 g.

Deci, rezultă faptul că numărul de cuiburi pentru piesă este:

Alegerea mașinii de injectat trebuie să se facă astfel încât performanțele mașinii să permită obținerea caracteristicilor și proprietăților impuse produsului finit, luând în considerare: tipul materialului termoplastic, masa piesei, suprafețele diferitelor secțiuni etc.

Mașina de injectat pe care o vom folosi la această prelucrare a piesei este prezentată în

următoarea figură:

Fig.3.5.3. Mașina de injecție mase plastice HS 2400 C

Caracteristicile acestei mașini sunt prezentate in tabelul de mai jos:

Tab.3.5.1. Caracteristici tehnice HS 2400 C

Capacitatea reală de plastifiere a mașinii este de:

(8)

Realizarea unei matrițe cu mai multe cuiburi este mai rentabilă, dar totodată cresc și costurile. Pentru ca operația de injectare să fie cât mai economă, s-a ales o matriță de injectat

cu patru cuiburi.

Fig.3.5.4. Rețeaua de injecție și piesa finală

Matrița de injecție folosită pentru realizarea acestei piese denumită ’’Suport picior cadă de baie’’ este reprezentată în figura alăturată, alături de evidențierea rețelei de injecție a celor patru cuiburi.

Fig.3.5.5. Rețeaua de injecție a matriței cu patru cuiburi

Capitolul IV

Proiectarea matriței de injectat

4.1. Generalități

Odată cu dezvoltarea și diversificarea continuă a producției bunurilor de consum din materiale plastice, industria prelucrătoare de materiale plastice a fost confruntată cu probleme noi în ceea ce privește creșterea productivității muncii și ridicarea nivelului calitativ al producției. O parte destul de importantă a acestei probleme a constituit-o proiectarea și construcția corectă a matrițelor de injectat, factor decizional în obținerea unor piese din materiale termoplastice de calitate corespunzătoare.

Varietatea deosebit de mare a produselor injectate din materiale plastice a condus la elaborarea unor soluții constructive și tehnologice specifice atât în domeniul proiectării cât și în cel al execuției matrițelor de injectat. Acestea sunt, în marea majoritate a cazurilor, scule foarte scumpe și pretențioase care necesită, pentru confecționare, oțeluri speciale, prelucrări cu mașini-unelte de precizie ridicată, ajustări foarte fine, cu consum mare de manoperă și, în cele mai numeroase cazuri, o forță de muncă cu o calificare înaltă.

Matrițele pentru injectat materiale termoplastice sunt alcătuite, în general, din două părți principale: jumătatea de matriță din partea duzei și jumătatea de matriță din partea aruncării. Cele două jumătăți de matriță sunt fixate de platourile de prindere ale mașinii de injectat, fie direct, prin șuruburi de fixare, în găurile filetate ale plăcilor de prindere ale matriței, fie prin intermediul unor bride de fixare. Planul în care se deschid cele două jumătăți de matriță este denumit plan de separație.

Așezarea piesei injectate în matriță trebuie să se facă într-un mod în care se asigură scoaterea simplă a piesei după răcire. Cele două plăci de formare ale matriței în care se așează piesele sunt delimitate printr-o suprafață care se numește plan de separație. Alegerea corectă a acestuia în raport cu formă piesei injectate prezintă următoarele avantaje: o scoatere simplă a piesei injectate din matriță, respectarea condițiilor estetice impuse piesei și reparația matriței relativ ușoară în cazul apariției bavurilor.

Matrițele de injectat materiale plastice pot lucra pe mașini orizontale în cazul cel mai frecvent, verticale sau pe mașini cu unitate de injectare rabatabilă la 90°C.

Alegerea punctului de injectare este un rezultat al analizei mai multor factori restrictivi:

de natură estetică, datorită faptului că punctul de injectare lasă întotdeauna o urmă pe suprafața piesei ca urmare a desprinderii produsului de rețeaua de injectare;

referitor la rezistență mecanică, țînând seama de faptul că punctele de injectare și locurile de întâlnire constituie locuri de slabă rezistență și din acest motiv trebuie plasate in locuri mai puțin solicitate;

de natură funcțională, care implică că punctul de injectare să nu se plaseze de obicei pe suprafețe funcționale.

4.2 Elementele componente ale matriței

Matrița pentru realizarea piesei ’’Suport picior cadă de baie’’ este o matriță cu injectare care folosește culee normală, cu canale de distribuție. Acest tip de clasificare a matriței se folosește când matrița de injectat are mai multe cuiburi.

Fig.4.2.1 Matrița 3D

În cazul acestei matrițe sistemul de injectare este un sistem cu injectare directă, și anume intreagă secțiune a orificiului duzei matriței vine în contact direct cu cuibul. Acest sistem permite o reglare corespunzătoare a umplerii cuibului, iar prin aceasta se elimină contracțiile. Pentru o injectare optimă este necesară alegerea corespunzătoare a orificiului duzei. Un amănunt important care trebuie luat în considerare este faptul că diametrul orificiului duzei mașinii să fie mai mic decât cel al duzei matriței.

Elementele matriței de injectat sunt următoarele:

Placa superioară

Fig.4.3. Placa superioara

Placa port-miez

Fig.4.4 Placa port-miez

Distanțier

Fig.4.5. Distantier

4. Surub M10 x 60

Placa port-aruncător

Fig.4.6. Placa port-aruncator

Placa de centrare pentru randul al doilea de aruncatoare

Fig.4.7. Placa de centrare pentru randul al doilea de aruncatoare

Placa superioara pentru pachetul inferior

Fig.4.8. Placa superioara pentru pachetul inferior

Placa activa superioara

Fig.4.9. Placa activa superioara

Poanson

Fig.4.10. Poanson

Miez

Sub aceasta denumire se cuprind toate piesele care servesc la menajarea golurilor din matrita. Miezul este confectionat din metal, au o conductibilitate mai scazuta decat a ansamblului, pentru a se provoca, pe aceasta cale, contractia polimerului injectat in interiorul orificiului.

Fig.4.11. Miez

Placa activa inferioara

Fig.4.12. Placa activa superioara

Placa inferioara

Aceasta placa contine diuza matritei, fiind principala piesa prin care se introduce topitura in matrita, alimentand astfel cavitatea matritei.

Fig.4.13. Placa inferioara

Cep

Fig.4.14. Cep

Inel de centrare

Fig.4.15. Inel de centrare

Racirea matritei de injectat se realizeaza printr-un circuit de racire prin canale rectilinii cu apa. Legatura acestor canale de racire se asigura prin intermediul unor canale simple cu legatura exterioara.

Dupa racire, respectiv solidificarea piesei injectate, acestea trebuie eliminata din matrita, o data cu deschiderea matritei. Faza de scoatere, respectiv de aruncare a piesei finale face din interiorul matritei face parte din ciclul de injectare. Modul de rezolvare constructiva, precum si durata in timp a acestei operatii reprezinta o importanta influenta asupra calitatii si economicitatii procesului de injectare.

Aruncarea mecanică este cel mai utilizat sistem de aruncare a pieselor din matrița de

injectat. Mecanismul de aruncare mecanică este acționat de către mașina de injectat, în timpul

deschiderii matriței.

Pentru matrita de injectat a piesei denumita ’’ Suport picior cada de baie’’ este folosit un sistem de aruncare cu stifturi/bucse in doua trepte.

Ciclul de injectare incepe prin inchiderea matritei in planul de separatie, dupa care materialul plastic plastifiat termic in cilindrul de injectare al masinii este introdus sub presiune in cavitatea matritei. Dupa umplerea completa a cavitatii matritei de injectat, asupra materialului plastic aflat in stare plastica continua sa se exercite o presiune numita presiune ulterioara, care compenseaza contractia piesei injectate. In cursul fazei de racire, care reprezinta urmatorul pas, materialul plastic se solidifica adoptand forma cavitatii matritei de injectat. La incheierea procesului matrita se deschide de-a lungul planului de separatie.

Capitolul V

Validarea curgerii in matrita a reperului “Suport picior cada de baie”. Studiu de caz

Softul folosit pentru realizarea analizei procesului de curgere a materialului plastic topit în interiorul matriței este Autodesk Simulation Moldflow.

Autodesk Simulation Moldflow reprezintă o aplicație care realizează simularea procesului de injectare a materialelor plastice fiind parte a soluției Autodesk pentru Digital Prototyping.

Datorită faptului că companiile producătoare de mase plastice au țelul de a livra către clienți doar produse cu o calitate ridicată, acestea utilizează programe precum Autodesk Simulation Moldflow Adviser și Autodesk Simulation Moldflow Insight, pentru a-și putea verifica produsele si de a încerca reducerea numărul de rebuturi, producând astfel produse bune din prima încercare.

Procesul de injectare are nevoie absolută de o simulare cu ajutorul acestui program, deoarece se vor detecta problemele apărute, fie de aspectul plăcilor de formare, fie probleme care apar în timpul curgerii, respectiv de răcire neuniformă a materialului din cuiburi sau probleme legate de umplerea cavitaților, generâand astfel apariția deformațiilor.

Pentru a realiza această analiză reologică cu ajutorul programului MoldFlow, avem nevoie de varianta în SolidWorks a părții care se obține în urma injectării, respectiv a pieselor împreună cu rețeaua de injectare.

Pentru o mai bună determinare a fenonemului de curgere în interiorul matriței de injectare se apelează la softul Moldflow. Cu ajutorul acestui program se va face o analiză completă în care se va putea evidenția modul de curgere a topiturii în interiorul matriței.

Această analiză cuprinde 5 pași importanți:

Crearea unui proiect

Importarea unui model

Setarea punctului de injectare

Selectarea materialul piesei și analiza curgerii in interiorul matritei

Analiza rezultatelor

Etapele simularii curgerii in matrita

Se creează un folder unde toate analizele făcute vor fi salvate.

5.1.1 Se deschide un nou proiect Start&Learn > Launch > New Project.

5.1.2. Se alege din “Browse” locația unde se va salva proiectul.

5.1.3.Se face click pe OK.

5.2 Importarea unui model

5.2.1.În acest pas, se importă un model CAD deja existent. Se apasă click pe Home > Import > Import.

5.2.2. După încărcarea modelului CAD softul afișează cotele de gabarit ale rețelei de injectare care urmează să fie simulate.

5.2.3. Pentru vizualizarea rețelei se folosește View Cub din bara de navigație din partea dreaptă pentru a se muta modelul în poziția dorită.

5.3 Alegerea punctului de injectare

În această etapa, se va alege poziția punctului de injectare.

Se mărește imaginea rețelei, similară imaginii următoare.

Se face click pe Home > Molding Process Setup > Injection Locations.

Pentru determinarea cotelor exacte ale punctului de injectare se face click dreapta și se selectează Properties.

Coordonatele punctului de injectare:

X=0.168 mm

Y=0 mm

Z=0.188 mm

Se face click pe OK pentru a seta locația exactă.

Punctul de injectare se poate modifica foarte ușor prin schimbarea coordonatelor prezentate mai sus.

5.4 Alegerea materialului piesei si analiza curgerii in interiorul matriței

În această etapa, se alege materialul termoplastic utilizat pentru a se analiza curgerea materialului în interiorul matriței.

Se face click pe Home > Molding Process Setup > Select Material.

Analysis Wizard îl folosim pentru a alege materialul dorit.

Materialul ales Polyethylene-L 1034G, iar producătorul este firma Prime Polymer Co Ltd.

Parametrii procesului de injectare sunt prezentați in figura de mai jos. Din figură se poate observa că temperatura materialului matriței este T=40°C, iar a topiturii este T=220°C. Tot aici se poate observa că presiunea este P=180Mpa.

Analiza rezultatelor

În această etapă, se analizează rezultatele timpului de umplere.

Se face click pe Home > Results > Results.

Simularea procesului de injectare

Analiza de umplere (Fill analysis) oferă o serie de rezultate, cum ar fi: căderile de presiune, distribuția presiunii de injectat, anticiparea calitații piesei, timpul de umplere al cuiburilor, orientarea liniilor de curgere a materialului topit, siguranța umplerii.

Rezultatul timpului de umplere

Rezultatele timpului de umplere a matritei este de 2.703 secunde.
Toate regiunile cu aceeași culoare se umple simultan. Rezultatul este albastru închis la începutul injectării, iar ultimele zone de umplere sunt roșii. Se poate observa acest lucru in urma analizei facute, deoarece in apropierea punctului de injecție timpul este cel mai scăzut, crescănd astfel cu distanta de parcurgere a materialului plastic.

Fig.5.5.1. Rezultatul timpului de umplere

Analiza umplerii complete a rețelei

În urma analizei, se observă că rețeaua de injecție este in totalitate de culoare verde, se evidențează faptul că rețeaua se umple în totalitate iar calitatea pieselor este bună.

Fig.5.5.2. Analiza umplerii complete a rețelei

Variația presiunii de curgere

După cum se arată în figura următoare, culoarea fiecărui loc din retețeaua de injecție reprezintă scăderea presiunii din locul de injecție în momentul în care zona respectivă a fost umplută.

Presiunea de injecție este de peste 27.24 MPa. Atunci când se analizează o parte fără sistem de rulare, presiunea de umplere a piesei este cea mai bună atunci când este sub 50% din capacitatea mașinii. Dacă nu se stie ce mașină specifică va fi utilizată, presupunând că presiunea mașinii este de 180 MPa este o abordare conservatoare.

Fig.5.5.3. Variația presiunii de injectare

Analiza orientarii fibrelor

Datorită faptului că materialul conține fibre de armare (fibre de sticlă) orientarea acestora poate fi evidențiată in figura de mai jos.

Fig.5.7. Analiza orientării fibrelor

Temperatura medie

În figura de mai jos este prezentată o analiză a temperaturilor medii. Temperatura maximă este de 222.1°C, iar cea minimă de 162.1°C. Temperatura cea mai ridicată se află în apropierea punctului de injecție, si mai apoi scade cu curgerea materialului topit prin reteaua de injecție.

Fig.5.7. Temperatura medie

Timpul de menținere a piesei până la extragerea din matriță

Se poate observa din figura de mai jos că timpul de menținere în matriță până la solidificarea în totalitate a pieselor este de 56.45 secunde.

Deși timpul de umplere al întregii rețele este de 2.703 secunde (fig 5.5.1) întreaga rețea trebuia să rămână în interiorul matriței în timp mai îndelungat de 56.45 secunde.

Pentru a micșora acest timp matrița de injectat poate fi prevăzută cu circuite de răcire cu apă.

Fig.5.8. Timpul de menținere a piesei până la extragerea din matriță

Golurile de aer

În figura de mai jos se poate observa că nu apar goluri (bule de aer) în momentul injectării materialului topit.

Fig.5.10. Analiza apariției bulelor în structura injecției

Temperatura de la faza de curgere

După cum se arată în figura următoare, rezultatului temperaturii la faza de curgere utilizează o gamă de culori pentru a indica zona de temperatură joasă în albastru până la regiunea cu cea mai mare temperatură în roșu. Culorile reprezintă temperatura materialului la fiecare punct în momentul în care acel punct a fost umplut.

Temperatura maximă de curgere la care se ajunge în timpul curgerii este de 220°C, iar temperatura minimă este de 213.4°C.

Capitolul VI

Concluzii finale

În lucrarea prezentată anterior s-a utilizat o strategie de proiectare a unei matrițe folosind metode moderne. Matrița proiectată în cadrul acestei lucrări prezintă o complexitate medie încadrându-se cu succes în realizarea pieselor injectate de calitate.

S-a proiectat această matriță de injectat pentru reperul ”Suport picior cadă de baie” cu 4 cuiburi. Numărul cuiburilor și valoarea dimensiunilor acestora, respectiv a miezurilor a fost determinată de prin calcule. Pentru calcularea acestora s-au folosit formule utilizate de specialiști în industria injectării maselor plastice.

Cu ajutorul programului SolidWorks s-a realizat modelul CAD al rețelei de injecție , alături de celelalte componente utilizate în ansamblarea matriței de injectat.

Pentru a valida corectitudinea proiecției matriței și pentru determinarea fenomenului ce are loc în momentul curgerii materialului topit în interiorul matriței s-a utilizat simularea procesului de curgere cu ajutorul softului numit Moldflow Advicer.

Pe baza analizei făcute s-a determinat valoarea timpului necesar umplerii rețelei de injecție T, acesta fiind egal cu 2.703 secunde. S-au determinat si valorile căderilor de presiune ce au loc în interiorul matriței. Acestea sunt în intervalul de 0-27.24 Mpa, respectiv valoarea minimă și maximă. În cadrul acestei analize se evidențiază valoarea temperaturii la care ajunge materialul plastic topit în interiorul matriței de injecție. Temperatura maximă are valoarea de 222.1°C și temperatura minimă este de 162.1°C.

Timpul de menținere în matriță a materialului injectat este în valoarea de 56.45 secunde, având astfel o valoarea superioară față de timpul de umplere al matriței. Această valoarea poate fi micșorată prin introducerea unui canal de răcire în structura matriței.

În analizele făcute se poate observa că umplerea rețelei de injecție se realizeaza în totalitate iar apariția golurilor în structura matriței de injectat lipsesc total.

În concluzie, în cadrul acestei lucrări s-au utilizat metode moderne atât pentru realizarea proiecției matriței, cât și pentru simularea procesului de curgere în matriță.