NO173535B - Fremgangsmaate til bruk ved stoeping av plastprodukter - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for støping av et substrat og beleggpåføring på dette i støpe-formen, som angitt i det etterfølgende krav 1.

Støping av varmeherdende plastmaterialer har funnet stor utbredelse. Særlig i bilindustrien hvor vekt er en faktor av betydning, er det vanlig at innvendige deler og ytterplater støpes i plast. Ifølge en brosjyre, MD 79-012, fra General Motors med tittel "Molded Coating Process and Specifications", blir ytterplater av klasse "A" fremstilt av en tilberedning av spesial-polyesterharpikser, for-tykkere, termoplastkopolyme-rer, mineralfyllstoff, armeringsfibre, katalysatorer og løs-gjøringsmidler. Disse materialer er vanligvis kombinert (i forskjellige variasjoner) i sjiktform og benevnt "SMC".

Ifølge en kjent støpemetode, trykkstøping, plasseres et stykke SMC av passende størrelse i en støpeform bestående av en fast og en bevegelig formbakke som avgrenser et mellomliggende støperom. Formbakkene er sammenpassende i og med at de har side- eller skjærekanter som griper nøyaktig inn i hverandre og fungerer som avtetning under støping.

Formbakkene lukkes ved stor kraft ved hjelp av et trykkstempel som påfører substratet trykk opp til 105 kg/cm<2>. Det innledende trykk må av praktiske grunner være tilstrekkelig stort til at substratet vil anta samme form som støperommet. Kravene til trykk vil derved veksle i avhengighet og størrel-sen og fasongen av den del som skal utformes. Støpingen vil vanligvis foregå ved en temperatur av ca. 150°C, men tempera-turen kan endres.

Produktene som frembringes ved trykkstøping, kan få utvendige defekter, såsom overflategroper, porøsitet, risse-merker og krympesprekker. For å tildekke slike feil og oppnå en overflate av klasse "A", er det utviklet en teknikk for beleggpåføring i støpeformen. Denne eksisterende fremgangsmåte for støping og beleggpåføring i støpeformen kjennetegnes ved følgende prosesstrinn: (1) åpning av formen og innføring av en SMC-ladning mellom formbakkene i støperommet, (2) lukking av støpeformen ved hjelp av et trykkstempel og ved et trykk som er tilstrekkelig for utforming eller støping av substratet, (3) formbakkenes parallellitet søkes opprettholdt under lukkingen, ved hjelp av høydereguleringssylindre, (4) trykk fra stempelet oppheves etter ihvertfall delvis herding, (5) støpeformen åpnes under påvirkning av sylinderaggre-gatet,

(6) en lukkeplugg for en belegg-injektor åpnes,

(7) belegget injiseres ved pumpeslag av målepumpen(e),

(8) lukkepluggen stenges,

(9) trykkstempelet bringes atter under trykk,

(10) høydereguleringssylindrene omjusteres med henblikk på opprettholdelse av formbakkenes parallellitet under lukkingen, slik at belegget kan fordeles jevnt over den støpte dels overflate,

(11) belegget herdner, og

(12) trykkstempelet frigjøres, formbakkene adskilles og delen fjernes.

Åpningen og lukkingen av støpeformen, trykkavlastingen og trykkgjenopprettelsen med ledsagende høydejustering represen-terer hovedtidstapene i forbindelse med prosessen for belegg-påf øring i formen. Et typisk eksempel på denne prosess er vist i figur 4 og 5 i US patentskrift 4 076 788, hvortil det henvises. Åpningen og lukkingen av støpeformen anslås å utgjøre 5 - 20 % av totaltiden som medgår ved støpe- og beleggpåføringsprosessen. I betraktning av at det årlig støpes flere millioner deler, er ineffektiviteten og kostnade-ne ved denne åpne-lukkerutine forbløffende.

Åpningen og gjenåpningen av støpeformen forårsaker andre problemer. Ved åpning av formbakkene kan flytematerialer rundt skjærekantene trenge inn i støperommet. Forskyvning av skjærekanten kan medføre ufullstendig avtetning etter gjenluk-kingen. Videre vil denne åpne-lukkemetode for beleggpåføring utelukke muligheten for anvendelse av sekundærkjerner eller sleider i støpeformen. Sleidene vil vanligvis forløpe i en

vinkel med én av formbakkene, og kan følgelig ikke brukes dersom formbakken beveges i forhold til substratet. En annen hovedbegrensning ved den kjente prosess for beleggpåføring i formen er at den ikke uten videre kan tillempes for sprøyte-eller reaksjons-sprøytestøping. Ved støpeprosesser av disse typer blir det ikke anvendt formbakker som normalt har skjærekanter.

Det vil av effektivitets- og fleksibilitetshensyn være meget ønskelig å kunne eliminere denne sekundære åpning og lukking av formbakkene.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved en fremgangsmåte av den innledningsvis angitte art, ved de nye og særegne trekk som er angitt i den karakteriserende del av det etterfølgende krav 1. Fordelaktige utføringsformer av oppfinnelsen er angitt i de øvrige, etterfølgende krav.

Sammenliknet med teknikkens stilling på området, som representert ved ovennevnte US patentskrift 4 076 788, vil fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen resultere i både høyere produksjonstakt og bedre kvalitet på produktene.

Elimineringen av prosesstrinnene for åpning og lukking av formbakkene ved sprøytestøping ved høye trykk vil i stor grad øke prosessens effektivitet og gjøre den mer pålitelig, tillate bruk av sekundærkjerner og sleider og sannsynligvis gjøre den anvendelig for støping av mange forskjellige slag.

Tiden som medgår ved trykkstøping av en del, varierer i stor grad med delens størrelse og fasong. Større og mer kompliserte deler vil selvsagt kreve mer tid. For en gitt del er imidlertid anslått at det vil spares 5 - 20 % av den totale støpe- og beleggpåføringstid som følge av at åpningen og lukkingen av formbakkene og de dermed forbundne prosesstrinn bortfaller. Denne tidsbesparelse gjør det mulig å oppnå tilnærmelsesvis samme prosentvise økning i produktivitet ved eksisterende kapitalutstyr. For kapitalutstyr til priser som ofte løper opp i mange millioner kroner for et enkelt anlegg, vil denne ekstra produktivitet være av stor betydning.

Sikkerheten for at beleggpåføringen i formen vil gi homogene, ensartete produkter vil også øke ved denne prosess. Alle defekter på støpestykket og belegget som følge av gjen-tatt åpning og lukking av formbakkene, bortfaller. Forurens-ning fra skjærekantene, forvridning, mangelfull avtetning og tap av parallellitet er hver for seg hyppige og uønskete foreteelser som opptrer når formen åpnes og lukkes under belegginj iseringen.

Denne forbedrete fremgangsmåte for støping og belegging av produkter har større anvendelsesmuligheter enn de hittil kjente metoder. Da formen ikke gjenåpnes, kan det i støpebak-ken anvendes kjerner eller sleider for frembringelse av ulike utforminger eller åpninger i støpedelen. Slike ting har hittil måttet gjennomføres ved en sekundærprosess. Da det i den foreliggende fremgangsmåte for beleggpåføring ikke inngår åpning av formen under herdingen, vil fremgangsmåten vise seg nyttig for sprøytestøping. Det samme kan sies om reaksjons-sprøytestøping og annen støping.

Belegget som påføres ved injisering under høyt trykk, vil dessuten fordeles mer jevnt enn ved lavtrykksinjisering. Videre vil bruk av mekanisme for opprettholdelse av formbakkenes parallellitet synes unødvendig for denne beleggpåførings-prosess, mens det fremdeles kan være nødvendig å sikre jevn flyt av substratet i støperommet.

Oppfinnelsen er nærmere beskrevet i det etterfølgende under henvisning til de medfølgende tegninger, hvor: Figur 1 viser et skjematisk riss av trykkstøpe- og inji-seringsanordningen, og Figur 2-6 viser en prosess for trykkstøping med belegg-påf ør ing i støpeformen.

Det generelle system for prosessen ifølge oppfinnelsen er vist i figur 1. Det omfatter en støpeform 10 bestående av formbakker 12 og 14 som er generelt sammenpasset i og med at de avgrenser et mellomliggende støperom 16 og har innbyrdes motsvarende flatepartier 17 og 18. Det konkave flateparti 17 danner bunnen av formen eller støperommet 12. Det konvekse flateparti 18 danner oversiden av den nedre formbakke 14 også benevnts "kjernen".

Som vist mer detaljert i figur 2 - 6 er skjærekantene 19 og 20 på formbakken 14 og 21 og 22 på formbakken 12 dimensjonert for tett innpasning med meget liten klaring. Ved trykk-støping er det viktig at skjærekantene er meget nøyaktig dimensjonert, da substratet som benyttes i formene, strekker seg inn i skjærekantene og fungerer som en tetning under den begynnende herdingsprosess.

Horisontale flatepartier 2 3 og 24 på den nedre~formbakke 14 er tilpasset for anlegg mot motsvarende flatepartier 26 og

28 på den øvre formbakke 12. Mellom formbakkene vil det tidvis benyttes avstandsholdere eller stoppere for opprettholdelse av parallellitet. Den nedre formbakke 14 ligger an mot et trykkleie 3 0 og den øvre formbakke 12 beveges nedad ved

hjelp av et trykkstempel 31. Sylindre eller andre midler for adskillele av formbakkene er også innmontert i disse maskiner, men ikke vist.

En injektorinnretning 32 innbefatter en injektor 34, en pumpeanordning 36 og et egnet ledningssystem 38. Injektoren 34 som er delvis illustrert i figur 2-6, innbefatter en drivanordning 48 av kjent type, f.eks. hydraulisk eller elek-trisk. Et injektorhus 50 omgir en gjennomgående tapp 52 som er styrbart forbundet med drivanordningen 48. Som eksempel på en slik injektor kan nevnes modell nr. MRF 600-625-250 som produseres av The Morrell Co., Inc. Gjennom et kammer 70 i injektorhuset 50 er en kanal 68 i formbakken 12 forbundet med en ledning 72 som er tilkoplet pumpeanordningen 36. Ledningen 72 inngår i ledningssystemet 38.

Kammeret 70 er generelt overensstemmende med formen av tappen 52, og det er, mellom kammeret og tappen 52, anordnet pakninger for sikring av væsketett funksjon. Ledningssystemet 38 vil normalt innbefatte de rørkoplinger, slanger, muffer, rør osv som er nødvendig for denne prosesstype. Ved denne spesielle utførelsesform må koplinger, armaturer og ledninger være dimensjonert for et driftstrykk som i vesentlig grad overstiger trykkene som frembringes av beleggpåførings-pumpen. I dette tilfelle er det tale om driftstrykk av 350 - 420 kg/cm<2>, eller mer.

I pumpeanordningen 3 6 inngår en første høytrykkpumpe 74. Høytrykkpumpen for beleggpåføringen kan være av hvilken som helst, egnet type, eksempelvis en typisk kommersielt tilgjengelig pumpe, modell nr. 2 06-445, produsert av Graco Co. Utgangsstrømmen fra pumpen 74 passerer gjennom en ledning 76 og til en andre høytrykkpumpe eller målepumpe som øker trykket for beleggpåføringen. Belegget må være et énkomponentsystem som vist i figur 1, eller et system bestående av to"eller flere komponenter. Oppfinnelsen er ikke begrenset til en spesiell type av belegg eller beleggsystem. Høytrykks-måle-pumpen kan være av hvilken som helst, kommersiell tilgjengelig type, eksempelvis modell nr. 851002 000, produsert av The Morrell Co., Inc.

Som eksempel på belegg som har vist seg vellykket, kan nevnes et støpingsbelegg som produseres av The Sherwin-Williams Company under betegnelsen Glas-Clad E67 BC 10. Den generelle type av belegg som benyttes ifølge foreliggende oppfinnelse, er kjent fra US 4 293 659, hvortil det henvises.

Av belegg som er egnet for anvendelse i prosessen ifølge oppfinnelsen for beleggpåføringen i støpeformen, kan nevnes ethvert belegg som kan polymeriseres og/eller fornettes i formen. Slike belegg blir vanligvis herdet eller polymerisert ved friradikal- og/eller kondensasjonspolymerisasjonsmetoder og kan, som kjent, innbefatte både enkeltkomponent- og tokom-ponentbelegg. Av representative belegg kan nevnes akryl- og akrylesterpolymerer, mettete og umettete polyestere, epoksy-estere, aktivt hydrogen inneholdende harpikser som kan fornettes med blokkerte eller fri isocyanater, og andre. Hvis det anvendes et tokomponent-harpikssystem blir komponentene blan-det, f.eks. ved hjelp av en statisk blander som produseres av Kenics Corporation, umiddelbart innen injiseringen i støpefor-men.

Herdingstiden for beleggene må være tilstrekkelig lang slik at beleggene vil kunne flyte over den støpte del i støpe-formen innen de størkner i for stor grad, men kort nok til å tillate en betydelig herding i løpet av støpingsperioden. Typiske herdingstider vil ligge mellom 15 og 100 sekunder ved formtemperaturer av ca. 150°C.

I tillegg til de polymeriserbare komponenter kan beleggene også inneholde pigmenter, ledende materialer såsom kjønn-røk, formløsnemidler såsom dialkylfosfater, initierere, katalysatorer, akseleratorer, flytingsmidler, fortykkere og andre tilsetninger.

Som eksempler på belegg, for påføring i støpeform, som er egnet for anvendelse ved foreliggende oppfinnelse, kan nevnes slike som er omtalt i US patentskrift 4 235 833 og 4 239 805 (friradikalt, polymeriserbart vinylesterharpiks/polyvinyl-acetat/styren), US patentskrift 4 293 659 og 4 366 109 (polymeriserbart, blokkert isocyanat/etylenumettet polymer/etylenumettet monomer), US patentskrift 4 414 17 3 (polymeriserbart, epoksybasert obligomer/kopolymeriserbart monomer, kopolymeriserbart monomer, kopolymeriserbart, monoetylenumettet forbindelse/polyvinylacetat), US patentskrift 4 422 996 (umettet monomerløsning av et polyuretanpolyakrylat <p>g en kopolymeri-serbar, etylenumettet monomerløsning av en akryl- eller metak-rylester av et diepoksid), og US patentskrift 4 477 405 (en etylenumettet monomerdispersjon av en polymeriserbar, etylenumettet urinstoff uretanpolymer).

Av representative tokomponent-beleggsystemer kan nevnes kjente belegg ifølge US patentskrift 4 081 578 (polyisocyanat-/aktivt hydrogen inneholdende harpiks), og US patentskrift 4 189 517 (diisocyanat/umettet polyester/mettet polyester diol fleksibiliserer/fornettende polygol). Det henvises til de belegningsmaterialer ifølge ovennevnte patentskrifter som er egnet for anvendelse i overenstemmelse med oppfinnelsen, for beleggpåføring i støpeformen.

Belegget tilsettes i støpeformen i tilstrekkelige mengder til å dekke plastdelen med et belegg av ønsket filmtykkelse. Etter herdingen vil belegget typisk ha en filmtykkelse som utgjør minst 0,003 mm og kan gå opp til en tykkelse av ca. 0,5 mm. Det herdete belegg vil vanligvis ha en filmtykkelse av 0,03 - 0,25 mm.

En prosess ifølge oppfinnelsen, for støping og belegg-påf øring i støpeformen er vist i figur 2-6. En SMC-ladning 90 plasseres først på den nedre formbakke 14, når formbakkene er adskilt eller formen er åpen. I denne stilling vil tappen

52 sperre kanalen 68 slik at belegget hindres i å innstrømme i støperommet 16. Selv om denne prosess er beskrevet i tilknyt-ning til støping av sjiktmaterialet, er det underforstått at materiale av annen type eller form, eksempelvis en støpetil-beredning i løsmasseform, eller annet plastmateriale vil kunne anvendes. Ethvert varmeherdende eller termoplastisk plastsubstrat kan komme til anvendelse ved utøvelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Representative eksempler på varmeherdende plast innbefatter trykk- og sprøytestøpte plastmaterialer, eksempelvis umettete polyestere som i SMC, epoksyer, fenoler, siliko-ner, polyuretaner osv. Som representative eksempler på bruk-bare termoplastmaterialer kan nevnes polyetylen, ABS, PVC, polystyren, polypropylen, akryl, osv. Som det videre fremgår av figur 3, vil trykkstempelet 31 komprimere SMC-materialet 90 ved et første støperomtrykk- og -temperaturnivå, hvorved materialet anpasses formen av støpe-rommet 16. Med støperomtrykk er i dette tilfelle ment kraften fra trykkstempelet, dividert med oversideflaten av det utformete substrat 96. Ved trykkstøping vil dette trykk utgjøre 35 - 140 kg/cm<2>. På dette tidspunkt vil tappen 52 utestenge belegget fra injektorsystemet 36.

Ved hjelp av en sekvensinnstilt drivanordning 48 eller en drivanordning av annen type tilbaketrekkes tappen 52, som vist i figur 4, slik at belegg av vesentlig høyere trykk enn trykket i støpekammeret kan strømme gjennom ledningen 72, kammeret 70 og kanalen 68 og inn i støpekammeret 16. Vesentlig høyere trykk som overstiger trykket i støpekammeret i tilstrekkelig grad til at belegget fordeles over substratoverflaten. I de fleste tilfeller vil det injiserte belegg befinne seg under et trykk som er minst to ganger, og oftest minst fire ganger, høyere enn trykket i støpekammeret umiddelbart før injiseringen. På grunn av sitt meget høye trykk vil belegningsmateria-let fordeles jevnt over substratet 90, uten at formbakken 12 derved tilbaketrekkes. Det kreves bare at prosessen er slik tidsinnstilt at substratet 90 er herdet i tilstrekkelig grad til at det dannes en hinne som kan påføres et belegg.

Under en trykkstøpeprosess vil substratets polymerer fornettes og krympe. Når substratet krymper, beveges formbakkene mot hverandre for å utfylle mellomrommet. Når belegget deretter injiseres under høyt trykk i støperommet 16, vil det forårsake ytterligere komprimering av substratet 90. Belegget som innføres under høyt trykk, kan også løfte formbakken 12 i noen grad til tross for det opprettholdte stempeltrykk. Enhver bevegelse av formene er imidlertid avhengig av belegginjiseringen, og er ikke tilsiktet og vil ikke gå forut for inj iseringstrinnet.

Det bør også bemerkes at trykket opprettholdes i støpe-rommet 16 før injiseringen av belegget. Det faktiske trykk i støpekammeret forut for injiseringen kan være det opprinnelige støpetrykk som benyttes for å tvinge substratet inn i riktig form. Vekselvis kan trykket i støpekammeret umiddelbart før belegginjiseringen være lavere enn støpetrykket. Det er vanlig i støpeindustrien at det iblant anvendes en totrykks-støpeteknikk. Ved en slik fremgangsmåte blir det opprinnelige, høye trykk utnyttet til utforming av substratet mens et etterfølgende, lavere trykk, vanligvis motsvarende en fjerde-del-tre fjerdedeler av formingstrykket, anvendes under den delvise herding av substratet. I lavtrykkssystemer kan det imidertid i blant benyttes trykk helt ned til 7-11 kg/cm<2>.

Da formbakkenes størrelse og fasong vil være bestemmende for trykket i støperommet og trykket i belegget, kan det ikke oppgis en spesiell rekke av verdier. I et tidligere tilfelle ble det imidlertid benyttet et driftstrykk av ca. 88 kg/cm<2> i støperommet og et beleggtrykk av ca. 280 kg/cm<2>. Det var i dette tilfelle ikke nødvendig å redusere støpekammertrykket, og belegget dekket samtlige ønskete substratflater jevnt med en ensartet tykkelse av ca. 0,1 mm.

Beleggmengden som injiseres i støpeformen, kan reguleres på én av flere kjente måter. Ifølge det ovennevnte US patentskrift 4 076 788 kan en forutbestemt beleggmengde tilbakehol-des i et kammer og deretter frigjøres. Videre kan det benyttes en innstillingsmekanisme for utporsjonering, til støpekam-meret, av belegget med en forutbestemt hastighet og følgelig et kjent volum.

Når belegginjiseringen er fullført, føres tappen 52 nedad, som vist i figur 5, ved hjelp av drivanordningen 48, og vil derved atter stenge åpningen til kanalen 68. Det belagte og utformete substrat bibeholdes deretter i støperommet i et tidsrom i avhengighet av gjenstandens størrelse og form, til såvel belegget som substratet er herdnet. Etter avsluttet støpeprosess adskilles formbakkene, vanligvis ved hjelp av stempelet (ikke vist), og det ferdige produkt fjernes.

Den viste og beskrevne utføringsform av oppfinnelsen er utelukkende illustrerende og ikke begrensende, og det vil være åpenbart for sakkyndige at det kan foretas endringer og modi-fiseringer innenfor rammen av de etterfølgende patentkrav.

Claims (3)

1. Fremgangsmåte for støping av et substrat og beleggpåfø-ring på dette i støpeformen, omfattende: støping av substratet mellom minst to adskillbare formbakker som avgrenser et mellomliggende støperom, ved støpe-kammertrykk og -temperatur som er forenelig med utforming av substratet, til dette oppnår en tilstand hvorved substratoverflaten er herdnet i slik grad at den kan påføres et belegg, og injisering av et belegg og herding av det belagte og utformete substrat, karakterisert ved at belegget injiseres i støperommet ved et trykk som i vesentlig grad overstiger det rådende overtrykk i støperommet umiddelbart før injiseringen idet formbakkene bibeholdes i en trykksatt, lukket stilling, hvorved belegget tvinges ut over substratoverflaten og kompri-merer denne.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at injiseringstrykket under beleggpåføringen i det minste er lik to ganger trykket i støperommet umiddelbart før injiseringen.

3. Fremgangsmåte ifølge krav l, karakterisert ved at injiseringstrykket under beleggpåføringen i det minste er lik fire ganger trykket i støperommet umiddelbart før injiseringen.