RO130336B1 - Dispozitiv ultrasonic de evaluare a curgerii topiturii de materiale polimerice şi polimerice compozite - Google Patents

Description

Invenția se referă la un dispozitiv ultrasonic de evaluare a curgerii topiturii de materiale polimerice și polimerice compozite, care poate fi folosit în mediul academic, cel al cercetării-dezvoltării, cât și în industria chimică, în industria prelucrătoare de materiale polimerice și polimerice compozite, în scopul evaluării procesului de curgere, ca urmare a efectelor benefice ale microvibrațiilor cu frecvență ultrasonică, respectiv, creștere de debit și reducere a posibilității apariției defectelor de procesare.

în prezent în industria de specialitate, prelucrătoare de materiale polimerice, curgerea materialelor polimerice, în stare topită, ca proces tehnologic specific, prezintă unele dezavantaje în sensul posibilității apariției unor defecte de suprafață sau de volum, și de inducere a unor tensiuni interne. Tensiunile interne pot determina la rândul lor deformarea prin curbare a produsului final. Având în vedere producția de masă a produselor din materiale polimerice, apariția defectelor enunțate trebuie evitată.

Una dintre soluțiile RO 118400 B, prin care se poate produce o îmbunătățire a curgerii materialelor polimerice și de reducere a posibilității apariției defectelor prezentate, constă în utilizarea efectelor microvibrațiilor ultrasonice în procesul tehnologic de curgere (injectare, extrudare, compresie). în scopul activării cu ultrasunete a curgerii topiturii de materiale vâsco-elastice, sunt cunoscute un procedeu și un cap de extrudare cu activare ultrasonică folosit la extrudare, respectiv, extrudare-suflare, în care, în vederea uniformizării valorilor de temperatură în secțiunea transversală de ieșire din filieră, în faza de formare a profilului extrudat, elementul central al capului de extrudare este supus activării ultrasonice, care facilitează, într-o primă fază, alunecarea materialului topit ce tranzitează filiera, iar în faza următoare, la ieșirea din filieră, materialul este încălzit ca urmare a transformării energiei ultraacustice în energie termică, uniformizându-se câmpul termic în secțiunea de ieșire din capul de extrudare. Dezavantajul acestei soluții constă în faptul că în timpul funcționării pot apărea pierderi de energie ultraacustică la nivelul zonei de prindere a corpului concentratorului, cu efect negativ asupra randamentului capului de extrudare, ca urmare a temperaturii înalte de lucru, și a unei răciri insuficiente la nivelul corpului, cu efect asupra modificării poziției zonei nodale la nivelul concentratorului. De asemenea, centrarea corpului concentratorului în raport cu duza este dificil de realizat, iar reglarea interstițiului de curgere este greoaie, și necesită demontarea duzei și schimbarea vârfului interschimbabil și reglabil.

în scopul activării cu ultrasunete a curgerii topiturii de materiale vâsco-elastice, sunt cunoscute un procedeu și un cap de extrudare cu activare ultrasonică, pentru procesarea produselor din materiale polimerice (ROa 2007 00014 A0). Procedeul utilizează, în vederea uniformizării valorilor de temperatură în secțiunea transversală de ieșire din filieră, în faza de formare a profilului extrudat, capătul unui concentrator adaptor de undă, ca element central adiacent filierei capului de extrudare. Capul de extrudare cuprinde un convertor ultrasonic în X sau 3X/2, fixat și ghidat în planurile nodale, și care, prin capătul unui concentrator adaptor de undă, activează curgerea materialului polimeric topit în vecinătatea filierei de extrudare. Dezavantajul acestei soluții constă în faptul că reprezintă o variantă constructivă complexă. La nivelul zonei de ghidare, ca urmare a temperaturii topiturii de polimer, în contact cu concentratorul adaptor de undă, pot apărea pierderi de energie ultraacustică din cauza modificării poziției zonei nodale.

Se mai cunoaște documentul US 2010/0239785 A1, care se referă la un dispozitiv și la un aparat pentru depunerea selectivă a materialului plastic topit. Dispozitivul și aparatul cuprind o cameră de topire 10 care comunică apoi cu o porțiune a unei sonotrode 12 și un traductor ultrasonic, un pasaj pentru alimentarea materialului plastic și o deschidere de ieșire 14, pentru furnizarea materialului plastic topit, prin picurare sau continuu. Dispozitivul include mijloace pentru asigurarea mișcării de cursă limitate în direcția longitudinală a sonotrodei 11, ajustând astfel volumul de material plastic al topiturii în camera 10 delimitată de vârful sonotrodei 12 (rezumat, paragraf 0027-0029, fig. 1).

RO 130336 Β1

Mai este cunoscut documentul US 2006165832 (A1), care se referă la un aparat 1 pentru îmbunătățirea curgeri materialului de turnare prin injecție, sau a materialului de extrudare utilizând vibrații ultrasonice. Aparatul are în compunere o sonotrodă (38) dispusă 3 în așa fel încât să poată intra în contact direct cu materialul de turnare ce trece prin canalul de curgere, și pentru vibrarea directă a materialului, îmbunătățind astfel caracteristicile 5 fluxului materialului de turnare. Sonotrodă (38) se extinde direct în traseul de curgere, sau face parte din peretele traseului de curgere. 7

Problema tehnică obiectivă pe care o rezolvă invenția este aceea de a realiza un dispozitiv ultrasonic de evaluare a curgerii topiturii de materiale polimerice și polimerice 9 compozite, prin reglarea cantitativă a debitului de material.

Dispozitivul ultrasonic de evaluare a curgerii topiturii de materiale polimerice și 11 polimerice compozite elimină dezavantajele de mai sus prin aceea că are în alcătuire un corp pe care este montat, în partea inferioară, cu ajutorul unor ghidaje, cu cap filetat, un element 13 de izolare termică, prevăzut cu niște șaibe de distanțare, și o filieră de extrudare, iar în partea superioară, un suport pe care sunt așezate transductorul piezoceramic și sonotrodă 15 cilindrică cu cap conic, prin intermediul unui știft filetat, sonotrodă fiind centrată față de suprafața conjugată, conică interioară, a filierei de un inel de etanșare termorezistent, și a 17 cărui poziție axială este modificată cu ajutorul unor lere, astfel încât să se obțină o valoare a interstițiului de curgere a topiturii de polimer între 0,2 și 3 mm prin acesta, în unitatea de 19 timp cu și fără activare ultrasonică.

Dispozitivul ultrasonic de evaluare a curgerii topiturii de materiale polimerice și 21 polimerice compozite, conform invenției, prezintă următoarele avantaje:

- simplitate constructivă; 23

- prin poziționare și fixarea ansamblului ultrasonic în zona nodală a transductorului piezoceramic se asigură un transfer optim de energie ultraacustică (microvibrații), fără 25 pierderi la nivelul ansamblului ultrasonic;

- adaptare tehnologică (forme și dimensiuni) facilă și rapidă, prin schimbarea doar a 27 filierei de extrudare a dispozitivului ultrasonic de evaluare a curgerii topiturii de materiale polimerice și polimerice compozite; 29

- permite reglarea fină și precisă a dimensiunii interstițiului de curgere, fără demontarea dispozitivului ultrasonic de evaluare a curgerii topiturii de materiale polimerice 31 și polimerice compozite;

- asigură reproductibilitatea rezultatelor; 33

- permite instalarea facilă a dispozitivului ultrasonic de evaluare a curgerii topiturii de materiale polimerice și polimerice compozite între platourile echipamentului de injectare sau 35 extrudare, prin folosirea unui mecanism șurub-piuliță;

- asigură regimul termic de răcire la nivelul corpului dispozitivului și a transductorului 37 piezoceramic, și asigură temperaturi înalte la nivelul filierei de extrudare;

- realizează diferite forme și profile ale extrudatului, cu costuri reduse, prin înlocuirea 39 doar a filierelor de extrudare a dispozitivului ultrasonic.

Se dă în continuare un exemplu de realizare a invenției în legătură cu fig. 1 ...5, care 41 reprezintă:

- fig. 1, dispozitiv ultrasonic de evaluare a curgerii topiturii de materiale polimerice și 43 polimerice compozite, varianta asamblată;

- fig. 2, dispozitiv ultrasonic de evaluare a curgerii topiturii de materiale polimerice și 45 polimerice compozite, varianta dezasamblată;

- fig. 3, detaliu la nivelul filierei de extrudare, cu punerea în evidență a traseului de 47 curgere și a interstițiului de curgere;

- fig. 4, montajul dispozitivului ultrasonic pe un stand experimental; 49

-fig. 5, detaliu al zonei de amplasare a dispozitivului ultrasonic de evaluarea curgerii topiturii de materiale polimerice și polimerice compozite, între platourile echipamentului clasic 51 de injectare sau extrudare.

RO 130336 Β1

Dispozitivul ultrasonic de evaluare a curgerii topiturii de materiale polimerice și polimerice compozite, conform invenției, este alcătuit dintr-un corp al dispozitivului CD, un ansamblu ultrasonic AU și o filieră de extrudare FE. Traseul de curgere a topiturii de material polimeric, în varianta cu și fără activare cu ultrasunete, se realizează prin contactul dintre duza echipamentului DE de injectare sau extrudare, și filiera de extrudare FE. Filiera de extrudare FE îndeplinește rolul tehnic și funcțional, în procesele de injectare sau extrudare, prin aceea că prezintă o serie de prelucrări mecanice care țin seama de forma și dimensiunile sonotrodei, de forma și dimensiunile duzei echipamentului de injectare sau extrudare cu care vine în contact, de forma și dimensiunile senzorului de temperatură (termocupla), de forma (de exemplu: circulară, pătrată, dreptunghiulară) și dimensiunile extrudatului la ieșirea din filiera de extrudare FE, cât și de dimensiunile ghidajelor filetate 6, prin intermediul cărora se realizează montarea filierei de extrudare FE pe corpul dispozitivului CD.

Dispozitivul ultrasonic de evaluare a curgerii topiturii de materiale polimerice și polimerice compozite, conform invenției, este constituit dintr-un corp al dispozitivului CD, pe care se montează toate elementele care intră în alcătuirea dispozitivului ultrasonic, un mecanism șurub-piuliță 1 și 2, un element de izolare termică din textolit 3 și două șaibe de distanțare 4, două ghidaje cu cap filetat 5, filiera de extrudare FE, niște știfturi filetate 6, niște elemente ale sistemului de răcire și racordurile rapide 12, un suport 10 și ansamblul ultrasonic AU, alcătuit din transductorul piezoceramic de 40 kHz 11, o sonotrodă cilindrică 8, în trepte, cu cap conic, un știft filetat 9 și un inel din cauciuc siliconic termorezistent 7.

Mecanismul șurub-piuliță 1, 2 are rolul de a asigura poziționarea și fixarea dispozitivului ultrasonic între platourile (fix și mobil) echipamentului de injectare sau extrudare a materialelor polimerice sau polimerice compozite în stare de topitură.

Montarea filierei de extrudare FE pe corpul dispozitivului CD se realizează prin intermediul a două ghidaje cu cap filetat 5, fixate pe corpul dispozitivului CD în cele două orificii filetate. întrucât filiera de extrudare FE lucrează la o temperatură ridicată, aferentă temperaturii de topire a materialului polimeric sau polimeric compozit procesat, de peste 120°C, necesară pentru a asigura curgerea topiturii de polimer în procesele de curgere cu și fără activare cu ultrasunete, iar corpul dispozitivului CD trebuie să nu permită transferul de căldură către transductorul piezoceramic 11, întrucât excesul de căldură ar conduce la deteriorarea acestuia (plăcuțele piezoceramiceîși pierd proprietățile sau se pot sparge), se impune, între corpul dispozitivului CD și filiera de extrudare FE, realizarea unei bariere termice. Acest lucru a putut fi realizat prin introducerea unui element de izolare termică din textolit 3 și a două șaibe de distanțare 4.

Tot la nivelul filierei de extrudare FE, în apropierea zonei active de curgere, este prelucrat un alezaj în care se montează o termocuplă G, cu rolul de a monitoriza în permanență temperatura la nivelul filierei de extrudare FE, în imediata vecinătate a curgerii, întrucât filiera de extrudare FE are temperatura apropiată de cea a mediului ambiant, lucru ce duce la imposibilitatea realizării curgerii ca urmare a solidificării materialului topit ce vine în contact cu aceasta, se impune încălzirea filierei de extrudare FE până la temperatura de regim termic aferent fiecărui tip de polimer sau compozit polimeric în parte. Aportul termic la nivelul filierei de extrudare FE se realizează cu ajutorul unui generator de aer cald H, prevăzut cu afișaj digital și temperatură reglabilă în intervalul 50...600°C, sau folosind rezistențe electrice.

Montarea ansamblului ultrasonic, alcătuit din transductorul piezoceramic 11, ce lucrează la o frecvență de 40 kHz, sonotrodă cilindrică 8, în trepte, cu cap conic, un știft filetat 9, pe corpul dispozitivului CD se realizează prin intermediul unui suport 10 care, prin niște știfturi filetate 6, pe lângă rolul de așezare, fixare și poziționare a ansamblului ultrasonic în raport cu corpul dispozitivului CD, și de centrare a ansamblului ultrasonic în raport cu

RO 130336 Β1 filiera de extrudare 7, asigură și obținerea parametrului tehnologic interstițiu de curgere - i, 1 a cărui valoare, de 0,2 până la 3 mm, depinde atât de materialul polimeric sau polimeric compozit de procesat, cât și de parametrii tehnologici de proces. Parametrul tehnologic 3 interstițiu de curgere - i se poate obține fie prin poziționarea suportului 10 în raport cu corpul dispozitivului CD, folosind un set de lere de diferite grosimi, fie cu ajutorul 5 mecanismului șurub-piuliță, cu pas fin, materializat la nivelul zonei de asamblare dintre suportul 10 și transductorul piezoceramic 11. în ambele cazuri fixarea în poziția reglată se 7 face cu ajutorul știfturilor filetate 6. Așezarea și fixarea ansamblului ultrasonic AU pe corpul dispozitivului CD se face în zona nodală a transductorului, ceea ce conduce la eliminarea 9 pierderilor de energie ultraacustică (prin vibrații), ce apar în cazul amplasării ansamblului ultrasonic în zonele nodale ale sonotrodei sau ale amplificatorului intermediar de undă 11 (booster). Răcirea dispozitivului ultrasonic, la nivelul corpului dispozitivului CD și al transductorului piezoceramic 11, se realizează atât constructiv, prin fante prelucrate la nivelul 13 corpului dispozitivului CD, cât și prin folosirea unui sistem de răcire cu aer comprimat E.

Corpul dispozitivului CD cuprinde o serie de prelucrări mecanice, impuse de 15 caracteristicile funcționale ale dispozitivului ultrasonic de evaluare a curgerii topiturii de materiale polimerice și polimerice compozite, fante de răcire în zona filierei de extrudare FE 17 și în zona sonotrodei 8, orificii străpunse și filetate, pe care se montează elementele sistemului de răcire și racordurile rapide 12. 19

Pentru o mai bună înțelegere, în fig. 3 sunt prezentate interstițiul de curgere i, reglabil în intervalul 0,2...3 mm, cât și traseul de curgere (TC) al materialului polimeric sau 21 polimeric compozit la nivelul duzei de extrudare DE și al filierei de extrudare FE.

în fig. 4 se prezintă standul experimental pentru înțelegerea invenției, în alcătuirea 23 căruia intră un echipament clasic de injectare-extrudare cu piston A, sistemul de răcire cu aer comprimat F, prevăzut cu un manometru B, a corpului dispozitivului CD și a 25 transductorului piezoceramic 11, folosind un compresor pentru obținerea de aer comprimat, echipamentul de monitorizare a temperaturii C în zona filierei de extrudare, prevăzut cu o 27 termocuplă G, dispozitivul ultrasonic de evaluare a curgerii topiturii de materiale polimerice și polimerice compozite D și generatorul de ultrasunete E, construit special pentru această 29 aplicație, ce lucrează la o frecvență de rezonanță de 40 kHz, asigură o putere reglabilă de până la 900 W și calibrarea automată a frecvenței de rezonanță, pe toată durată funcționării, 31 în funcție de variațiile care apar la nivelul ansamblului ultrasonic ca urmare a contactului cu materialul polimeric sau polimeric compozit în stare de topitură. 33

Dispozitivul ultrasonic de evaluare a curgerii topiturii de materiale polimerice și polimerice compozite asigură poziționarea și fixarea atât a ansamblului ultrasonicîn interiorul 35 dispozitivului ultrasonic, cât și poziționarea și fixarea dispozitivului ultrasonic pe mașina de injectare sau extrudare, între cele două platouri, permite monitorizarea continuă a 37 temperaturii în zona de curgere, la ieșirea din dispozitivul ultrasonic, asigură stabilitatea termică a procesului prin răcirea continuă și corespunzătoare a corpului dispozitivului și a 39 transductorului piezoceramic, respectiv, asigură o temperatură înaltă, corespunzătoare parametrilor de proces, în zona filierei de extrudare, și permite curgerea cu și fără activare 41 cu ultrasunete a materialului polimeric sau polimeric compozit în stare de topitură.

în fig. 5 este prezentată zona de detaliu a dispozitivului ultrasonic de evaluare a 43 curgerii topiturii de materiale polimerice și polimerice compozite, cu punerea în evidență a circuitului sistemului de răcire F la nivelul transductorului piezoceramic și la nivelul corpului 45 dispozitivului, a zonei de amplasare a termocuplei G la nivelul filierei de extrudare FE și a generatorului de aer cald H, cu control digital al temperaturii în intervalul 50...600°C, folosit 47 pentru încălzirea filierei de extrudare FE în vederea realizării temperaturii de regim.

Claims (8)

1 Revendicare

3 Dispozitiv ultrasonic de evaluare a curgerii topiturii de materiale polimerice și polimerice compozite, care cuprinde o filieră de extrudare (FE) ce comunică apoi cu o

5 sonotrodă cilindrică (8) a cărei suprafață vibrează ca urmare a oscilației preluate de la transductorul piezoceramic (11), caracterizat prin aceea că are în alcătuire un corp (CD)

7 pe care este montat, în partea inferioară, cu ajutorul unor ghidaje (5) cu cap filetat, un element de izolare termică (3), prevăzut cu niște șaibe de distanțare (4), și o filieră de

9 extrudare (FE), iar în partea superioară, un suport (

10) pe care sunt așezate transductorul piezoceramic (11) și sonotrodă cilindrică (8) cu cap conic, prin intermediul unui știft filetat (9),

11 sonotrodă fiind centrată față de suprafața conjugată, conică interioară, a filierei (FE) de un inel de etanșare termorezistent (7), și a cărui poziție axială este modificată cu ajutorul unor

13 lere, astfel încât să se obțină o valoare (i) a interstițiului de curgere a topiturii de polimer între 0,2 și 3 mm prin acesta, în unitatea de timp, cu și fără activare ultrasonică.