SI25198A - Stiskalno orodje za izdelavo ploščatih predmetov iz umetne snovi v pogojih znižanega zračnega tlaka - Google Patents

Abstract

Orodje po izumu rešuje problem, kako izdelati stiskalno orodje, ki bo omogočalo izdelavo ploščatih predmetov iz umetne snovi v pogojih znižanega zračnega tlaka. Orodje obsega dvodelni nepremični bat (2), kalup (3), tesnilni okvir (4), ki je premičen s pomočjo pomičnih sredstev (6), tesnilo (43), ki tesni režo med stransko ploskvijo zgornjega dela (21) bata (2) in notranjo ploskvijo zgornjega dela (41) tesnilnega okvirja (4), tesnilo (44), ki tesni režo med spodnjo ploskvijo spodnjega dela (41) tesnilnega okvirja (4) in zgornjo ploskvijo stranice (32) kalupa (3), pri čemer sta zgornji del (21) bata (2) in zgornji del (41) tesnilnega okvirja (4) hlajena na temperaturo, ki je bistveno nižja od temperature segrevanja spodnjega dela (22) bata (2) ter stranic (32) in dna (31) kalupa (3), s čimer se zagotovi reža konstantnih dimenzij med zgornjim delom (21) bata (2) in zgornjim delom (41) tesnilnega okvirja (4), ki se tesni s tesnilom (43).

Description

Stiskalno orodje za izdelavo ploščatih predmetov iz umetne snovi v pogojih znižanega zračnega tlaka

Predmet izuma

Predmet izuma je stiskalno orodje za izdelavo ploščatih predmetov iz umetne snovi v pogojih znižanega zračnega tlaka.

Tehnični problem

Tehnični problem, ki ga rešuje izum, je, kako izdelati stiskalno orodje, ki bo omogočalo izdelavo ploščatih predmetov iz umetne snovi v pogojih znižanega zračnega tlaka. Hkrati naj bo stiskalno orodje enostavne izvedbe ter primemo za uporabo v velikoserijski industrijski proizvodnji.

Stanje tehnike

Obstaja več vrst postopkov za izdelavo ploščatih predmetov iz umetne snovi. Najbolj znani so ekstrudiranje, sintranje in kalandriranje. Za izdelavo ploščatih predmetov velikih dimenzij, npr. 6 x 2 m, se je kot najbolj primemo izkazalo stiskanje v hidravlični stiskalnici. Gre za razmeroma nov postopek, ki so ga v 60. letih, ko je množična uporaba materialov iz umetne snovi začela doživljati razmah, razvili v Nemčiji.

V principu gre za to, da se v kalup kvadraste oblike nasuje umetna snov v obliki granulata ali prahu. V stiskalnici, kjer nanjo s silo deluje pestič oz. bat, se izpostavi visoki temperaturi (od 200 °C do 250 °C) in visokemu tlaku (od 4 MPa do 10 MPa), tako da se segreje do tališča. Ko se talina shladi, se ga kot ploščati predmet vzame iz kalupa. Kot umetna snov se pri tem najpogosteje uporabljajo različni termoplasti, kot • · ·· W ·· · ··· * • · ·

so polietilen (PE), polipropilen (PP), polietilen visoke gostote (HDPE) in polietilen z izredno veliko molekulsko maso (UHMWPE).

Plošče, izdelane po postopku stiskanja, se odlikujejo po homogeni strukturi in imajo dobre mehanske lastnosti (visoka natezna trdnost, odpornost proti obrabi, udarna žilavost), zato služijo kot polizdelki za nadaljnjo obdelavo do končnih izdelkov. Te predstavljajo zobniki, ležaji in ohišja v strojegradnji, različne plošče (delovni pult, rezalna plošča) v prehrambeni industriji, umetna ledena ploskev kot del športne infrastrukture, implantati (umetni kolk, umetno koleno) v medicini, itd.

Znano je, da se pri postopku stiskanja umetne snovi v obliki granulata ali prahu pod visokim tlakom v material ujamejo mehurčki zraka, t.i. lunkerji, kar povzroči nehomogenost strukture in predvsem oksidacijo materiala. Iz tega razloga se materialu poslabšajo mehanske lastnosti ter skrajša življenjska doba. Večji del tega zraka je prisoten že v samem nasutem materialu, in sicer med njegovimi delčki. To pomeni, da je treba v izogib omenjenim težavam iz materiala v taki obliki odstraniti zrak. Ena od rešitev je sesanje zraka iz vmesnega prostora med batom in kalupom. V tem primeru se stiskanje odvija v pogojih tlaka, ki je precej nižji od tlaka okolice, t.j. v vakuumu. Predpogoj za delovanje v teh pogojih je zagotovitev dobrega tesnjenja vseh sestavnih delov take stiskalnice proti okolici med obratovanjem stiskalnice, pri čemer so njeni sestavni deli izpostavljeni različnim temperaturam.

Zaradi vzpostavitve podtlaka oz. vakuuma v vmesnem prostoru med batom in kalupom je treba, da je odprtina za priključek za izsesavanje dovolj oddaljena od nasutega materiala, še zlasti prahu, v nasprotnem primeru lahko pride do izsesavanja le-tega, kar seveda ni zaželeno.

Patentna prijava DE102006011562 Al opisuje stiskalno orodje za izdelavo kompozitnih sestavnih delov iz poliuretana in vlaken. S stiskanjem v pogojih vakuuma rešuje problem vključkov zraka v materialu. Postopek poteka pri normalni temperaturi, zato je temu prilagojeno tudi tesnjenje. Tako ni primeren za stiskanje ploščatih predmetov večjih dimenzij pri višji temperaturi. Ker je oddaljenost odprtine za priključek za vakuumsko ·· ···· •c «to»· ·· · * · · · · v·· * · ··· _ ··*····

X · ·· ·<« ··· ·· črpalko od materiala precej majhna, obstaja velika verjetnost, da bi ob delovanju podtlaka material v obliki prahu posesalo iz kalupa.

Patentna prijava WO2014/067865 Al obravnava oblikovalno orodje za izdelavo sestavnih delov iz umetne snovi, ki je ojačana z vlakni. Gre za to, da se v kalup vstavi vlaknasta struktura in se tekom stiskanja v pogojih vakuuma vanjo vbrizga posebna smola. Tudi v tem primeru je problematična postavitev odprtine za priključek za vakuum, ki je razporejena preblizu materialu, zato bi v primeru materiala v obliki prahu le-tega izsesalo iz kalupa. Orodje tudi ni primemo za izdelavo ploščatih predmetov večjih dimenzij pri višji temperaturi, saj je vprašljiva izvedba tesnjenja,

V patentni prijavi US 2009/0072428 Al je opisana majhna stiskalnica za izdelavo mikro in nanostruktur iz materiala PTFE v prašni ali granulami obliki. Odprtine za priključek na vakuumsko črpalko so tvorjene iz sintranega kovinskega materiala ali sintrane keramike.

Tako se zrak sesa kar skozi del ohišja kalupa. Seveda ni treba posebej poudarjati, daje ta rešitev primerna samo za stiskanje predmetov zelo majhnih dimenzij.

Obstajajo tudi rešitve, ki so omejene na laboratorijsko uporabo, pri katerih se stiskalnica zapre v vakuumsko komoro, kar je nepraktično in negospodarno.

Navedeni tehnični problem je rešen s stiskalnim orodjem, katerega glavne značilnosti so navedene v neodvisnem patentnem zahtevku.

Stiskalno orodje za izdelavo ploščatih predmetov iz umetne snovi v pogojih znižanega zračnega tlaka, ki obsega:

- dvodelni nepremični bat, ki je pritijen na ogrodje stiskalnice in sestavljen iz zgornjega dela in spodnjega dela,

- kalup, ki ga sestavljajo dno in pravokotno nanj po obodu nameščene stranice,

- tesnilni okvir, ki je tvorjen iz zgornjega dela in spodnjega dela ter premičen s pomočjo pomičnih sredstev, • ··· • · · · _Λ ··· · ·· ···

- tesnilo, ki je nameščeno na notranji ploskvi zgornjega dela tesnilnega okvirja in tesni režo med stransko ploskvijo zgornjega dela bata in notranjo ploskvijo zgornjega dela tesnilnega okvirja,

-tesnilo, ki je nameščeno na spodnji ploskvi spodnjega dela tesnilnega okvirja in tesni režo med spodnjo ploskvijo spodnjega dela tesnilnega okvirja in zgornjo ploskvijo stranice kalupa, pri čemer sta zgornji del bata in zgornji del tesnilnega okvirja hlajena na temperaturo, ki je bistveno nižja od temperature segrevanja spodnjega dela bata ter stranic in dna kalupa, s čimer se zagotovi reža konstantnih dimenzij med zgornjim delom bata in zgornjim delom tesnilnega okvirja, ki se tesni s tesnilom.

Prednost naprave za stiskanje po izumu pred podobnimi napravami za stiskanje je v tem, da omogoča izdelavo ploščatih predmetov v pogojih znižanega zračnega tlaka ob uporabi materialov za stiskanje prednostno v obliki granulata ali prahu, lahko pa se uporablja tudi za stiskanje drugih materialov, npr. kompozitov.

Podrobneje bo izum pojasnjen v nadaljevanju z opisom izvedbenega primera in priloženih slik, ki prikazujejo:

slika 1: stiskalno orodje med stiskanjem slika 2: stiskalno orodje pred začetkom stiskanja

Stiskalno orodje za izdelavo ploščatih predmetov iz umetne snovi v pogojih znižanega zračnega tlaka, ki obsega:

- dvodelni nepremični bat 2, ki je pritrjen na ogrodje stiskalnice in sestavljen iz zgornjega dela 21 in spodnjega dela 22, • · ·

- kalup 3, ki ga sestavljajo dno 31 in pravokotno nanj po obodu nameščene stranice 32,

- tesnilni okvir 4, ki je tvorjen iz zgornjega dela 41 in spodnjega dela 42 ter premičen s pomočjo pomičnih sredstev 6. Tesnilni okvir 4 zagotavlja tesnjenje med nepremičnim batom 2 in kalupom 3 v času izdelovalnega procesa. Pri odprti stiskalnici se tesnilni okvir 4 nahaja v zgornjem položaju. Pred pričetkom proizvodnega procesa se pomakne v spodnji položaj in z naleganjem na stranico 32 kalupa 3 zagotavlja tesnjenje med nepremičnim batom 2 in kalupom 3,

- tesnilo 43, kije nameščeno na notranji ploskvi zgornjega dela 41 tesnilnega okvirja 4 in tesni režo med stransko ploskvijo zgornjega dela 21 bata 2 in notranjo ploskvijo zgornjega dela 41 tesnilnega okvirja 4,

-tesnilo 44, ki je nameščeno na spodnji ploskvi spodnjega dela 42 tesnilnega okvirja 4 in tesni režo med spodnjo ploskvijo spodnjega dela 42 tesnilnega okvirja 4 in zgornjo ploskvijo stranice 32 kalupa 3, pri čemer sta zgornji del 21 bata 2 in zgornji del 41 tesnilnega okvirja 4 hlajena na temperaturo, ki je bistveno nižja od temperature segrevanja spodnjega dela 22 bata 2 ter stranic 32 in dna 31 kalupa 3, s čimer se zagotovi reža konstantnih dimenzij med zgornjim delom 21 bata 2 in zgornjim delom 41 tesnilnega okvirja 4, ki se tesni s tesnilom 43.

Bat 2 je sestavljen iz zgornjega vodilnega dela 21 in spodnjega grelno-hladilnega dela 22.

Spodnja ploskev spodnjega grelno-hladilnega dela 22 deluje kot grelno-hladilna plošča in ima v ta namen izdelano spiralo za pretok grelnega-hladilnega medija, ki je npr. termo olje.

Zgornji vodilni del 21 je vaijene izvedbe ali izdelan iz celega. Skozenj po spirali kroži hladilni medij, kar zagotavlja konstantno temperaturo in s tem tudi dimenzije. Zunanja površina vodilnega dela 21 je gladko obdelana in kromana, kar zagotavlja dobro naleganje tesnila 43 za dinamično tesnjenje, ki je nameščeno v zgornjem delu 41 tesnilnega okvirja 4.

• ·

Kalup 3 je tvorjen v obliki kvadraste posode in sestavljen iz dna 31 in pravokotno nanj po obodu nameščenih stranic 32. Zaradi velikih mehanskih obremenitev, ki so posledica visokih temperatur in tlakov, so le-te na dno 31 privarjene, s čimer se zagotovi tudi tesnost stika med stranicami 32 in dnom 31. Vsi deli kalupa 3 imajo izdelano spiralo za pretok grelno-hladilnega medija.

Tako bat 2 kot tudi kalup 3 predstavljata grelni telesi, ki imata izdelano spiralo za pretok grelno-hladilnega medija.

Tesnilni okvir 4 je namenjen tesnjenju orodja. Tvorita ga zgornji del 41 in spodnji del 42. Na spodnji ploskvi spodnjega dela 42 tesnilnega okvirja 4 je nameščeno tesnilo 44, ki zagotavlja tesnost med spodnjo ploskvijo spodnjega dela 42 okvirja 4 in zgornjo ploskvijo stranice 32 kalupa 3. Stik med zgornjim delom 41 in spodnjim delom 42 tesnilnega okvirja 4 je tesnjen s tesnilom 45. Tesnilo 44 in tesnilo 45 sta t.i. statični tesnili (npr. silikonsko), ki sta odporni proti visokim temperaturam in zagotavljata tesnjenje pri velikih dilatacijah, ki so posledica velikih dimenzij in velikih temperaturnih razlik na tem delu orodja. V zgornjem delu 41 tesnilnega okvirja 4 je izvedena spirala za pretok hladilnega medija, s čimer se zagotavlja konstantna temperatura, ki je bistveno nižja od temperature segrevanja spodnjega dela 22 bata 2 in stranic 32 in dna 31 kalupa 3, in s tem dimenzije tega dela okvirja, v katerem je nameščeno t.i. dinamično tesnilo 43, ki zagotavlja tesnjenje tesnilnega okvirja 4 proti vodilnemu delu 21 bata 2. Zgornji del 41 tesnilnega okvirja 4 obsega sesalne izvrtine 46 za priključek za izsesavanje z vakuumsko črpalko 7. Tesnilni okvir 4 je moč s pomočjo pomičnih sredstev 6 premikati navpično.

Spodnji grelno-hladilni del 22 bata 2 ima ustrezno višino, ki zagotavlja potrebno oddaljenost vodilnega dela 21 bata 2, s čimer se prepreči, da bi staljen material, ki se iztisne skozi režo med batom 2 in kalupom 3, dostopal do dinamičnega tesnila 43. Sesalne izvrtine 46 so na zgornjem delu 41 tesnilnega okvirja 4, ker je spodnji del 42 tesnilnega okvirja 4 možno odstraniti v primeru čiščenja - odstranitve iztisnjene plastike.

Podtlak oz. vakuum se zagotavlja z ustrezno vakuumsko črpalko.

• ·

Ί

Postopek stiskanja se začne tako, da se v kalup 3 nasuje material 33 v obliki granulata ali prahu in poravna na ustrezno višino. Nato se kalup 3 transportira v stiskalnico pod bat 2. Pri tem je pomembno, da se ga natančno pozicionira glede na bat 2, saj je reža med batom in stranicami kalupa izredno majhna (cca 1 mm). Tesnilni okvir 4 se s pomočjo pomičnih sredstev 6 spusti na stranice okvirja 32, da tesno nalega nanje. Tesnjenje zagotavlja temperaturno obstojno tesnilo 44, ki je nameščeno na spodnji ploskvi tesnilnega okvirja 42.

S spodnjimi glavnimi hidravličnimi cilindri dvignemo mizo 5. Miza dvigne kalup 3 in ga potisne ob spodnji del 42 tesnilnega okvirja 4. Z mizo 5 kalup 3 skupaj s tesnilnim okvirjem 4 pomaknemo na želeno razdaljo med zgornjo površino nasutega materiala 33 ter spodnjo ploskvijo spodnjega dela 22 bata 2. V tej fazi imamo zatesnjen prostor med kalupom 3, tesnilnim okvirjem 4 in batom 2.

Ko je stiskalnica zaprta na željeni poziciji, se skozi sesalne izvrtine 46 v zgornjem delu 41 tesnilnega okvirja 4 s pomočjo vakuumske črpalke 7 začne iz vmesnega prostora med spodnjim delom bata 22, tesnilnim okvirjem 4 in kalupom 3 izsesevati zrak, da se doseže želeni vakuum.

Ko je vakuum dosežen približamo kalup 3 z materialom 33 spodnjemu delu 22 bata 2 ter stisnemo material 33 do nastavljenega tlaka, ki ga zahteva postopek, in pričnemo s segrevanjem orodja nad temperaturo tališča materiala 33.

V celotnem procesu stiskanja se vzdržujeta ustrezna temperatura in tlak v materialu.

Po zaključeni fazi ogrevanja pričnemo z ohlajanjem orodja, t.j. spodnjega dela 22 bata 2, stranic 32 ter dna 31 kalupa 3, in posredno materiala 33 na temperaturo, ki jo zahteva postopek. Po končanem ciklu se stiskalnica odpre s pomočjo pomičnih sredstev 6, in sicer tako, da s slednjimi pritisnemo na tesnilni okvir 4 in s tem posredno na kalup 3. Na ta način ločimo kalup 3 od bata 2. Nato se tesnilni okvir 4 dvigne, kalup 3 pa se transportira iz stiskalnice. Izdelek v obliki plošče se s pomočjo vakuumskih prijemalk odstrani iz kalupa.

Pomična sredstva 6 so lahko hidravlični cilindri, vijačna vretena in podobno.

• ··· • · · · ·

Material za stiskanje je v obliki granulata, ki ima obliko zrn v velikosti zrna riža, ali v obliki prahu, pri čemer znaša velikost delcev od 150 do 200 mikronov. Najpogosteje se za stiskanje uporablja umetna snov iz skupine, ki jo tvorijo različni termoplasti, kot so polietilen (PE), polipropilen (PP), polietilen visoke gostote (HDPE) in polietilen z izredno veliko molsko maso (UHMWPE). Stiska se načeloma lahko tudi polistiren (PS), akrilonitril butadien stiren ABS in politetrafluoretilen (PTFE).

Rezultati preliminarne spektroskopske analize vzorcev iz polimernega materiala na osnovi polietilena, stisnjenega z omenjeno stiskalnico v pogojih vakuuma, ki je bila opravljena na kemijskem inštitutu, kažejo, daje poslabšanje lastnosti precej manjše kot v primeru vzorcev, tvorjenih z navadnim postopkom stiskanja. Izsledki mikroskopske analize pričajo tudi o večji homogenosti materiala. Preizkus mehanskega utrujanja je potrdil, da vzorec, izdelan pod vakuumom, zdrži skoraj trikrat toliko obremenitvenih ciklov kot z navadnim stiskanjem izdelan vzorec.

Patentni zahtevki

Claims (6)

1. Stiskalno orodje za izdelavo ploščatih predmetov iz umetne snovi v pogojih znižanega tlaka, ki obsega:

- dvodelni nepremični bat (2), ki je pritrjen na ogrodje stiskalnice in sestavljen iz zgornjega dela (21) in spodnjega dela (22),

- kalup (3), ki ga sestavljajo dno (31) in pravokotno nanj po obodu nameščene stranice (32),

- tesnilni okvir (4), ki je tvorjen iz zgornjega dela (41) in spodnjega dela (42) ter premičen s pomočjo pomičnih sredstev (6),

- tesnilo (43), ki je nameščeno na notranji ploskvi zgornjega dela (41) tesnilnega okvirja (4) in tesni režo med stransko ploskvijo zgornjega dela (21) bata (2) in notranjo ploskvijo zgornjega dela (41) tesnilnega okvirja (4),

- tesnilo (44), ki je nameščeno na spodnji ploskvi spodnjega dela (42) tesnilnega okvirja (4) in tesni režo med spodnjo ploskvijo spodnjega dela (42) tesnilnega okvirja (4) in zgornjo ploskvijo stranice (32) kalupa (3), označeno s tem, da sta zgornji del (21) bata (2) in zgornji del (41) tesnilnega okvirja (4) hlajena na temperaturo, kije nižja od temperature segrevanja spodnjega dela (22) bata (2) ter stranic (32) in dna (31) kalupa (3), s čimer se zagotovi reža konstantnih dimenzij med zgornjim delom (21) bata (2) in zgornjim delom (41) tesnilnega okvirja (4), ki se tesni s tesnilom (43).

2. Stiskalno orodje po zahtevku 1, označeno s tem, da je zgornji del (21) bata (2) vodilni del bata.

3. Stiskalno orodje po zahtevku 1, označeno s tem, da je spodnji del (22) bata (2) grelno-hladilni del bata.

4. Stiskalno orodje po zahtevku 1, označeno s tem, da je tesnilo (43) dinamično tesnilo.

5. Stiskalno orodje po zahtevku 1, označeno s tem, daje tesnilo (44) statično tesnilo iz npr. silikonskega materiala.

6. Stiskalno orodje po zahtevku 1, označeno s tem, da so pomična sredstva (6) bata (2) hidravlični cilindri, vijačna vretena in podobno.