Katedra tváření kovů a plastů

Vytlačování

6.1. Vytlačování trubek a profilů
6.2. Výroba fólií a desek vytlačováním

6. Vytlačování

Vytlačování je technologická operace, při které je tavenina plastu kontinuálně vytlačována přes profilovací zařízení (vytlačovací hlavu) do volného prostoru. Technologie vytlačování slouží k výrobě buď konečných tvarů nebo k výrobě polotovarů. Podle tvaru konečného výrobku nebo tvaru polotovaru se technologie vytlačování mohou rozdělit do tří základních skupin:

výroba trubek a profilů,
výroba fólií a desek,
ostatní způsoby (oplášťování, výroba vláken a povlaků, atd.).

Tyto technologické způsoby využívají hlavně šnekové vytlačovací stroje, které však nepracují samostatně, ale jsou součástí výrobních linek, kde ostatní stroje a zařízení zajišťují odtah, kalibraci, doplňkovou úpravu tvaru nebo povrchu, apod.

6.1. Vytlačování trubek a profilů

Linka na vytlačování uzavřených i otevřených profilů a trubek se skládá ze šnekového vytlačovacího stroje, vytlačovací hlavy a ze zařízení měřicího, kalibračního, chladicího, odtahovacího, dělicího a navíjecího resp. odkládacího. Běžně se používají jednošnekové vytlačovací stroje, neměkčený PVC se vytlačuje na dvoušnekovém vytlačovacím stroji. K výrobě trubek se obvykle používá PVC, HDPE a LDPE, méně PP a PA. Profily se vyrábějí z PVC, PS a jejich kopolymerů, PMMA, PC, POM, apod.

Linka na výrobu trubek z PVC (nahoře) a PP (dole)
a – vytlačovací stroj, b –vytlačovací hlava, c – kalibrace, d – kalibrační jednotka, e – chlazení, f – měřící zařízení, g – dělící zařízení, h – odkládací zařízení, i – navíjení

Linka na výrobu profilů z neměkčeného PVC
a – násypka, b – dvoušnekový vytlačovací stroj, c – kontrola, d –vytlačovací hlava a kalibrace, e – kalibrační podtlaková jednotka, e – chlazení, f – měřící zařízení, g – dělící zařízení, h – kontrola, i – odkládací zařízení

Účelem kalibračního zařízení je ochladit vytlačovaný profil nebo trubku tak, aby získal požadovaný stabilní tvar a rozměr. Kalibrační zařízení pro výrobu trubek a profilů je buď přetlakové, podtlakové nebo průvlakové. Přetlaková kalibrace se používá pro kalibraci trubek větších průměrů nebo uzavřené profily, které příliš nemění svůj tvar. Vzduch o přetlaku okolo 0,075 MPa se přivádí přes rozdělovač a trn do trubky a ta je tímto přitlačována k chlazenému kalibračnímu pouzdru. V trubce je umístěna zátka, která je uchycena k hlavě mechanicky drátem, lankem nebo řetězem, resp. elektromagnetem a která umožňuje malý průnik vzduchu, aby se trubka chladila také z vnitřku. Přetlak vzduchu je pro malé trubky větší, než pro velké trubky. Při přetlakové kalibraci je přetlakové pouzdro připojeno k čelu hlavy. Ke zmenšení tření se používá tzv. mazací vzduch.

Přetlaková kalibrace
a – vytlačovací hlava, b – přívod vzduchu, c – kalibrační pouzdro, d - zátka

Přetlaková kalibrace a podtlaková kalibrace je také vhodná pro výrobu zvlněných trubek, kde kalibrační pouzdro tvoří řetězy s tvárnicemi.

Vytlačování vlnitých trubek s přetlakovou (nahoře) a podtlakovou kalibrací (dole)
a – vytlačovací hlava, b – trubka, c – články s půlkruhovýmí žlábky (negativ tvaru), d – zátka, e – odsávání vzduchu

Nejběžněji používaným typem kalibračního zařízení je vakuová (podtlaková) kalibrace, neboť odpadají problémy s uzavíráním trubky. Kalibrace nastává přisáváním trubky ke kalibračnímu pouzdru. Povrch trubky se dotykem s pouzdrem ochladí a tvar zůstává zachován. Trubky se vytlačují o 1 až 3 % větší, než je požadovaný průměr. Vakuová kalibrace je vhodná pro menší průměry a pro výrobky s tenčí stěnou.

Vakuová kalibrace s kalibračními pouzdry

Novější systém pracuje s kalibračními pouzdry, rozdělenými do více částí. V první části je na vstupu do komory předchlazení kruhovým prstencem následované nestejnoměrně rozmístěnou sadou deskových průvlaků nebo trubkovým kalibračním pouzdrem. V druhé části komory je opět rozmístěna sada průvlaků, ale stejnoměrně a ve větších vzdálenostech mezi sebou.

Průchody trubky mezi částmi komory a ven z komory jsou utěsněny elastickými manžetami nebo zahlceny vodou. Trubka je chlazena vodou sprchováním z trysek pootočených proti sobě o 120^o a osově přesazených. Víka obou částí kalibrační komory jsou utěsněna vzniklým podtlakem. Délka kalibrační komory je různá a závisí na tvaru výrobku, tloušťce stěny, průměru trubky a dosahovaném výkonu vytlačovacího stroje. Běžně se používají šest metrů dlouhé kalibrační komory, kde vstupní část je dlouhá okolo jednoho metru.

Pro výrobu plných profilů se používá průvlaková kalibrace, která se konstrukčně řeší tak, že kalibrační pouzdro je opatřeno šroubovou drážkou, kterou protiproudně prochází chladicí voda a ta ochladí povrch profilu natolik, že si uchová požadovaný tvar a rozměr. Místo pouzdra se šroubovitým kanálkem lze ke kalibraci použít sadu průvlaků s odstupňovanými rozměry. Tuto kalibraci lze použít i pro kalibrování tlustostěnných trubek a otevřených profilů.

Průvlaková kalibrace

Kalibrační zařízení se obvykle doplňuje o chladicí zařízení, ve kterých se výrobek dochlazuje na takovou teplotu, aby nedocházelo k jeho nevratným deformacím v dalších zařízeních vytlačovací linky. Chlazení se provádí buď ponorem ve vodě, nebo sprchováním jako v kalibrační komoře.

Rychlost posuvu vytlačovaného profilu se nastavuje a reguluje odtahovacím zařízením, které k odtahování používá řetězy, kotouče, pásy nebo článkové pásy, kdy každý článek je na pracovní ploše opatřen vrstvou pryže. Odtahovací zařízení jsou konstrukčně řešena tak, aby se jejich výška od základny dala seřizovat podle ostatních strojů v lince, které se ovšem také seřizují, a to podle výšky vytlačovací hlavy (osy profilu) od základny.

Řetězový odtah

Dělící nebo řezací zařízení bývá řešeno buď pomocí kotoučové pily nebo sekáním tvarovaným nožem. Tvar nože závisí na tom, zda je jeho pohyb posuvný nebo rotační. Pokud nedochází k dělení výrobků na konečnou délku, tak např. u pružných výrobků, u kterých nedochází při ohnutí k trvalé deformaci, následuje navíjení na bubny nebo kotouče. Průměr navíjení by měl být 20krát větší, než průměr trubky.

Do vytlačovací linky zařazujeme také zařízení, sloužící k měření, značení, manipulaci a k úpravám výrobku. Z měřicích zařízení se většinou linka osazuje délkoměrem (mechanickým nebo elektronickým), který slouží i k ovládání dělicího zařízení. U linek na výrobu trubek se ve stále větší míře začínají používat přístroje na měření průměru a tloušťky stěny. Značící zařízení se používají pro označování výrobku kvůli jeho identifikaci. Používají se přístroje typu ink-jet, vytápěné kolečko, tisk přes pásku aj. Do linky se podle typu výrobku zařazují ústrojí na tvarování (hrdlování trubek), vysekávání, apod.

6.2. Výroba fólií a desek vytlačováním

Desky jsou plošné útvary s tloušťkou větší, než jeden milimetr, tenčí jsou fólie. Pro desky a fólie se k vytlačování používají širokoštěrbinové hlavy, pro výrobu fólií vyfukováním se používají tzv. vyfukovací hlavy (příčné). Výrobky jsou buď konečné produkty nebo polotovary a mohou se vyrábět i jako vícevrstvé. Fólie se vyrábějí vytlačováním z PP, HDPE, PC, PA a PVC. Desky se vyrábějí z PE, PP, ABS, PVC, PMMA.

6.2.1. Výroba tenkých fólií

Linka na vytlačování fólií je schematicky znázorněna na obrázku viz níže. Skládá se z vytlačovacího stroje s širokoštěrbinovou vytlačovací hlavou a vytlačovaný pás je dále odtahován tříválcovým chladicím strojem. Fólie se vytlačuje na chladicí válec. Podle polohy vytlačovací hlavy k chladicímu válci lze měnit délku chladící dráhy. Povrch válců je leštěn nebo chromován. Válce jsou temperovány na teplotu, která je závislá na druhu zpracovávaného materiálu. Vnitřní vestavba chladicích válců se řeší různými způsoby, které musí zajistit rovnoměrné rozložení teplot po délce válce.

Rychlost ochlazování má vliv na kvalitu fólie, tj. na mechanické vlastnosti, lesk, optické vlastnosti, apod. Proto je nutné zajistit dobrý kontakt mezi plastem a válcem pomocí přítlačných válců, vzduchovými noži, odsáváním vzduchu, elektrostaticky, apod. U tenkých fólií (do tloušťky 0,2 mm) stačí kontakt s chladícím válcem. U tlustších fólií (0,2 až 2 mm) je chlazení oboustranné. Deska se dále dochlazuje na válečkovém dopravníku. Ochlazená fólie prochází měřicím zařízením. Okraje fólie se ořezávají kotoučovými ořezávacími noži a fólie nebo desky se buď navíjejí, nebo sekají. Oříznuté okraje se vracejí zpět ke zpracování. Měření tloušťky je mechanické nebo bezkontaktní. Navíjecí zařízení musí umožňovat změnu otáček při narůstajícím objemu navinuté fólie. Všechna zařízení za vytlačovacím strojem se obvykle ukládají na kolejnice z důvodu snadné údržby jednotlivých strojů, snadného čistění vytlačovací hlavy a demontáže šneku.

Linka pro výrobu tenkých fólií vytlačováním
a – vytlačovací stroj, b – adaptér, c – vytlačovací hlava, d – chladící válce s odtahem, e – měření tloušťky, f – úprava povrchu, g – řezací zařízení, h - navíjení

6.2.2. Výroba orientovaných (dloužených) fólií

Pro výrobu monoaxiálně nebo biaxiálně orientovaných fólií se do linky zařazuje za chladicí válce zařízení na monoaxiální (podélný směr) nebo biaxiální (podélný i příčný směr) dloužení fólie. Fólie je předehřáta na vhodnou teplotu, naorientována a ochlazena. Orientace je buď součástí linky nebo je samostatnou operací. Při monoaxiálním dloužení se znovu nahřátá fólie dlouží různou obvodovou rychlostí válců, což způsobuje nárůst pevnosti ve směru dloužení. Výroba biaxiálně dloužených fólií se provádí buď jednostupňovým nebo dvoustupňovým procesem.

Dvoustupňový proces dloužení biaxiálních fólií

Při dvoustupňovém procesu se předehřátá monoaxiálně orientovaná fólie zachycuje do svěrek, které jsou symetricky uchyceny na dvou nekonečných řetězech a které dále fólii dopravují. Zvětšováním vzdálenosti mezi řetězy se fólie dlouží v příčném směru a následně v podélném směru. Příklad teplotních profilů je ukázán na obrázku. Výhodou dvoustupňového procesu je možnost rozdílného dloužení v podélném a příčném směru, automatizace a jednoduchost linky.

Při jednostupňovém procesu se zvětšuje nejenom vzdálenost mezi řetězy, ale i vzdálenost mezi jednotlivými svěrkami a tím se dosahuje biaxiálního dloužení. Výhodou je izotropní struktura, bezkontaktní proces a nižší spotřeba energie.

Teplotní profily při výrobě biaxiálně orientovaných PP fólií
a - předehřev, b – vytlačování, c - chlazení, d – podélné dloužení, e – ohřev, f – příčné dloužení, g – tepelná stabilizace, h – chlazení, i - navíjení

6.2.3. Výroba desek vytlačováním

Linka pro výrobu desek je svou konstrukcí blízká linkám na výrobu fólií a tenkých desek. Skládá se z vytlačovacího stroje s vytlačovací hlavou. Vytlačovaný pás je odtahován většinou tříválcovým chladicím strojem. Povrch válců je přizpůsoben požadované kvalitě povrchu desek (leštěný nebo leskle chromovaný, dezénovaný, matovaný, atd.). Válce jsou obvykle temperovány horkou tlakovou vodou na teplotu, která je závislá na druhu zpracovávaného materiálu. Režim chlazení musí být přísně řízen kvůli minimálnímu vnitřnímu pnutí. Deska se dále dochlazuje na válečkovém dopravníku, před odtahem ořezává, a za ním příčně dělí a ve stohovacím zařízení ukládá na paletu.

Speciální technologií je vytlačování desek resp. fólií do vodní lázně, ale její použití je omezené v důsledku nedokonalého povrchu vlivem pohybu povrchu chladící vody.

6.2.4. Výroba fólií vyfukováním

Technologie výroby fólií vyfukováním je založena tom, že trubka s tloušťkou stěny 0,5 až 2 mm je ještě v plastickém stavu nafouknuta stlačeným vzduchem (zvětšení 2krát až 5krát) a zároveň protažena odtahovacím zařízením (až 5ti násobné podélné protažení). Vyfouknutá fólie, o běžné tloušťce stěny 0,015 až 0,3 mm, je ochlazena a navinuta. Vyfukováním se vyrábějí fólie z LDPE, HDPE a PP, PVC, PA a PET. Vyfukováním se vyrábějí i vícevrstvé fólie o různé materiálové skladbě. Dnes se vyrábějí až sedmivrstvé fólie. Konstrukčně jsou vytlačovací hlavy pro vícevrstvé fólie velmi složité a také výroba fólií na nich je velmi náročná na dodržování technologické disciplíny. V současnosti se na trhu objevilo konstrukční řešení, umožňující s jedním vytlačovacím strojem vyrábět vícevrstvé fólie. Linka na výrobu fólií vyfukováním může mít v podstatě tři varianty viz obrázek.

Výroba fólií vyfukováním
a – horní odtah, b – spodní odtah, c – horizontální odtah, 1 - vytlačovací stroj, 2 - hlava, 3 - chladící prstenec, 4 - vstup přetlakového vzduchu, 5 - fólie, 6 - skládací desky, 7 - odtahovací válce, 8 - vodící válečky, 9 – navíjení

Nejčastěji se používá varianta s horním odtahem fólie. Vytlačovací stroj je osazen vyfukovací hlavou. Vytlačovaná fólie se určeným přetlakem (0,15 až 1 kPa) vyfoukne a chladí vzduchem, který se přivádí chladicím prstencem a rovnoměrně ofukuje fólii po celém obvodu. Získání rovnoměrné tloušťky je podmíněné bezproblémovým chlazením. Vzduch do rukávu se přivádí přes vytlačovací hlavu. Vyfouknutý rukáv se postupně ochlazuje a zplošťuje mezi skládacími deskami a uzavírá odtahovacími válci. Vzdálenost mezi odtahovými válci a vytlačovací hlavou je nastavitelná a závisí na tloušťce vyfukované fólie a typu zpracovávaného materiálu. Odtahovací válce jsou obvykle opatřeny vrstvou vodivé pryže, aby bylo možno odvádět statický elektrický náboj. Odtahovou rychlost je možno regulovat a tím ovlivňovat tloušťku a podélnou orientaci fólie. Na vodicím válci se může fólie jednostranně nebo oboustranně ořezávat. Před vodicí válec se někdy zařazuje zařízení na povrchovou úpravu fólie pro potiskování. Na konci linky se umísťuje navíjecí ústrojí. Uspořádání linky umožňuje manipulaci s vytlačovacím strojem a navíjením v jedné rovině. Nevýhodou je složitější zavádění fólie a horší chlazení v důsledku působení tepla od vytlačovací hlavy, které se zvyšuje jak úpravami pro chlazení rukávu z vnějšku, tak i z vnitřku. Konstrukčně se účinnost chlazení zvyšuje, např. vodou chlazenými deskami nebo prstenci umístěnými vně rukávu, chlazením chladicího vzduchu nebo odsáváním ohřátého vzduchu z vnitřku rukávu.

Obdobné uspořádání má linka se spodním odtahem, obvykle v nižším podlaží. Toto uspořádání usnadňuje zavádění fólie a výhodou je i dokonalejší chlazení rukávu samovolným prouděním vzduchu. Jinak linka obsahuje stejné součásti jako linka s odtahem nahoře.

Linka s odtahem v horizontální rovině se používá především pro zpracování materiálů citlivých na teplotu. Uspořádání linky umožňuje jednoduchou konstrukci vytlačovací hlavy, na druhé straně však musí být vyfouknutá fólie podpírána vodicími válci. Tíhové zatížení a nerovnoměrné ochlazování rukávu zapříčiňuje větší kolísání tloušťek fólie. Snaha odstranit nerovnosti v tloušťce fólie vedla k aplikaci rotačního pohybu, a to i u vertikálně situovaných linek. Rotačního nebo oscilačního pohybu lze docílit buď natáčením vytlačovacího stroje, vytlačovací hlavy, nebo odtahovým ústrojím. Z technických důvodů se rotace vyvolává nejčastěji plynulým otáčením odtahového ústrojí nebo konstrukčním řešením vytlačovací hlavy.

6.3. Speciální způsoby vytlačování

V této kapitole budou uvedeny ostatní vybrané technologické způsoby vytlačování, jako je výroba vláken, oplášťování, granulace, apod.

6.3.1. Výroba pásků a vláken z fólií

Pro výrobu vláken z HDPE, ale především z PP, se používá následující technologický postup, využívající monoaxiálně orientované fólie. Z vyfouknuté fólie nebo z fólie vytlačované širokoštěrbinovou hlavou jsou na řezacím stroji nařezány pásky, které se temperují a orientují v dloužícím zařízení v poměru 1:7 až 9 na vysoce pevné pásky o tloušťce v rozmezí 10 až 30 mm a šířce v rozmezí 2 až 10 mm. Takto orientované pásky se mechanicky štěpí na vlákna . Rozvlákňování je snazší pro profilované pásky, pro hladké pásky je vhodné použít válec s jehlami.

Technologie výroby vláken rozvlákňováním
A – vytlačená profilovaná fólie, B – profilování dezénovacími válci, C – rozvláknění ostrými jehlami

6.3.2. Výroba vláken vytlačováním

Linky na výrobu vláken vytlačováním jsou rozdílně sestavovány, a to především podle typu zpracovávaného materiálu. Tímto způsobem se vyrábějí silná vlákna z taveniny PP, HDPE, PA, PBT, PET, PMMA, apod. Vytlačovací stroj je osazený vytlačovací hlavou na vlákna. Z ní se vlákna vytlačují do chladicí lázně, za kterou následuje první odtahovací zařízení. Potom vlákna vstupují do temperační jednotky, kde se temperují na teplotu vhodnou k jejich orientaci (dloužení) mezi válci orientačního zařízení. Těchto temperačních a dloužících jednotek může být do linky zařazeno i několik. Orientační poměr se dá nastavovat. Běžně se pohybuje až do hodnoty 1 : 9. Před navíjením se musí zorientované vlákno rozměrově stabilizovat. Stabilizace se dosahuje ve stabilizační lázni, ve které jsou vlákna udržována pod napětím druhým odtahovacím zařízením. Za ním už následuje navíjecí zařízení na cívky. Návin bývá buď válcový nebo kuželový, nebo se vlákna navíjejí do přaden.

Linka na výrobu vláken vytlačováním
1 - vytlačovací stroj, 2 - vytlačovací hlava, 3 - chladicí lázeň, 4 - první odtahovací zařízení, 5 - temperační lázeň, 6 - orientační zařízení, 7 - stabilizační lázeň, 8 - druhé odtahovací zařízení, 9 - cívky

6.3.3. Oplášťování vytlačováním

Uspořádání linky na oplášťování se řeší s ohledem na druh zpracovávaného materiálu a typ oplášťovaného předmětu. Většinou se oplášťují vodiče a kabely, ale i ocelové trubky pro rozvody plynu, kovová nebo polyamidová lanka jako prádelní šňůry nebo struny do žacích strojků. Schéma linky na oplášťování vodičů termoplastickou izolací je na obrázku. Vodič je z cívky odvíjen přes vodicí kladky do předehřívacího zařízení. Nahřátý vodič vstupuje do příčné oplášťovací hlavy. Vzniklý plášť se kalibruje, ochlazuje v chladicí vaně, měří a kontroluje se soustřednost pláště, průměr a jeho izolační vlastnosti. Oplášťovaný vodič je odtahován synchronizovanými odtahovacími válci a přes vodicí kladky je navíjen na cívku v navíjecím ústrojí. Při oplášťování trubek PE a PP se do linky zařazuje před předehřev ústrojí, které povrch trubky očistí a odmastí a opatří jej vrstvou adheziva. Dále se do linky obvykle zařazují značící přístroje.

Linka na oplášťování vodičů
a - odvíjení, b - vodící kladky pro vedení a rovnání drátu, c – předehřev drátu, d - vytlačovací stroj, e – oplášťovací hlava, f - chladící vana, g - odtah, h - navíjení

Kalibrace u technologie oplášťování
a – podtlaková kalibrace, b – přetlaková kalibrace, 1, 2 – vytlačovací hlava, 3 – drát, 4 – tavenina plastu

6.3.4. Tvorba povlaků vytlačováním

Kromě oplášťování drátů a vodičů lze nanášet povlaky z plastů i na rozličné materiály, jako např. kovové fólie, textilie, jiné plastové fólie, papír, apod. Stejně jako u vytlačování fólií nebo vícevrstvých fólií i tady se využívá současného vytlačování (koextruze) taveniny plastu (nejčastěji PE) na povrch nosného materiálu, který má být povlakován. Následně je vytlačená tavenina plastu slisována s nosným materiálem mezi chlazeným bubnem a přítlačným pryžovým válcem. Předehřátý nosný materiál je ve styku s přítlačným válcem, zatímco tavenina plastu je chlazena na povrchu leštícího válce.

Schéma povlakování

6.3.5. Granulace vytlačováním

Výroba granulátu se může uskutečňovat v podstatě dvěma způsoby, které již byly částečně probrány v kapitole 3. a které se od sebe liší zvolenou metodou granulace. Jedná se buď o granulaci z vytlačovaných strun (pásku) nebo o tzv. granulaci na hlavě.

Granulace na hlavě je založena na tom, že vytlačovací stroj, obvykle dvoušnekový, je osazen tzv. vytlačovací nožovou hlavou, což je v podstatě děrovaná deska, přes kterou je materiál vytlačován a taky jsou na ní rotačním nožem ořezávány granule (asi jako u mlýnku na maso). Granule jsou pak ochlazovány vzduchem nebo vodou tak, aby nedocházelo k jejich vzájemnému slepování. Obvykle se těchto chladicích médií využívá i k transportu vyrobených granulí k jejich dalšímu zpracování. Granule vyrobené tímto způsobem mají svůj charakteristický tvar čoček nebo pecek.

Granulace na hlavě
a – sekací nožová hlava, b – vytlačovací hlava, c – děrovaná deska, d – granulační zařízení, e – ochlazovací směs, f – pásový dopravník, g - granule

Granulace ze strun (za studena)
A – schéma linky: a – vytlačovací hlava, b – chladící vana, c – vedení strun, d – termostat, e – sušící vzduch, f – sekání strun, B – detail granulace: a – sekací rotor, b – statorové nože, c – válečky pro vedení, d - přítlačné válečky, e - motor

Schéma linky na výrobu granulátu ze strun je znázorněno na obrázku. Vytlačovací stroj vytlačuje přes strunovou vytlačovací hlavu struny o průměru (tloušťce) cca 3 mm, které jsou vedeny přes chladicí lázeň k odtahovacímu zařízení a následně granulovány. Typ granulovacího stroje musí být zvolen podle toho, zda se vytlačuje struna nebo pásek. Granule vyrobené ze strun mají svůj charakteristický tvar válečku (krychle). Problémem je zde vysoký obsah vlhkosti v granulátu, který se musí sušit.

6.3.6. Výroba napěněných trubek, profilů, desek, fólií

Vytlačováním se připravují napěněné produkty z PS, LDPE, PP a PVC ve formě většiny typů polotovarů a výrobků, které slouží jako izolační materiály. Jako přísada do plastů se používají různá fyzikální nebo chemická nadouvadla. Proces může být buď jednostupňový, kdy granulát obsahuje již nadouvadlo a k výrobě bude použit vlastní proces vytlačování, nebo dvoustupňový, kdy nejdříve dochází ke smíchání plastu a nadouvadla a teprve potom ve druhém kroku nastává vytlačování.

Linka na výrobu vypěňovaných trubek
a – silo z plastem, b – míchací jednotka, c – tank s nadouvadlem, d – dávkovač nadouvadla, e – vytlačovací stroj, f – vytlačovací hlava, g – chladící lázně, h – sušení, i – kontrola rozměrů, j – řezání, k – stohování

Linka na výrobu vypěňovaných desek
a – plast, b – míchací jednotka, c – tank s nadouvadlem, d – dávkovač nadouvadla, e – vytlačovací stroj, f – vytlačovací hlava, g – kalibrace, h – čtyřválec, i – navíjení

Vlastní napěnění nejčastěji nastává snížením tlaku taveniny při výstupu z vytlačovací hlavy, kdy se může projevit narůstání objemu, ke kterému by mělo dojít ve všech směrech. Pro snížení tření při kalibraci se používá vzduch. Někdy se aplikují postupy dodatečné expanze při zahřátí vytlačených výrobků ve vypěňovacích komorách. Vyrábět lze i vícevrstvé produkty nebo laminované výrobky.

Výroba plných (vlevo)
a – vytlačovací hlava, b – kalibrace, c - tavenina s nadouvadlem, d – povrch, e – napěněné jádro
Výroba dutých napěněných výrobků (vpravo)
a - vytlačovací hlava, b – torpédo, c - kalibrace, d - tavenina s nadouvadlem, e – kompaktní povrch, f – napěněné jádro

Výroba vícevrstvých výrobků (vlevo)
a, b – vytlačovací hlava, c – kalibrace, d – tavenina s nadouvadlem, e - tavenina bez nadouvadla, f – povrch z plastu, e – napěněné jádro
Výroba profilů (vpravo)
a - vytlačovací hlava, b – torpédo, c - kalibrace, d - tavenina s nadouvadlem, e – kompaktní povrch, f – napěněné jádro

6.4. Stroje pro vytlačování

Pro vytlačování se používají stroje různé konstrukce, kdy se mění pracovní člen v tavící komoře. Potom rozeznáváme stroje pístové, šnekové a diskové. Požadavky na vytlačovací stroj jsou následující: vysoký vytlačovací výkon úměrný otáčkám šneku a co nejméně závislý na protitlaku, rovnoměrná doprava taveniny bez pulzací, vytlačování taveniny bez orientace, homogenní zamíchání polymeru se všemi případnými aditivy bez těkavých podílů, místně a časově rovnoměrná teplota taveniny, která je optimální z hlediska výkonu stroje, zpracovávaného polymeru a kvality vytlačovaného výrobku.

Vytlačovací stroje se také dělí na rychloběžné a pomaloběžné. Zatímco u rychloběžných strojů v důsledku vysokých otáček šneku (250 až 1500 min^-1) stačí vytápět pouze na začátku, neboť vzniklé teplo třením stačí k roztavení materiálu, u pomaloběžných strojů musí být ohřev tavící komory neustálý. Rychloběžné stroje mají krátké šneky s délkou 10 až 17 D.

6.4.1. Šnekové vytlačovací stroje

Schéma uspořádání vytlačovacího stroje je na obrázku. Ve vstupní části se musí většinou granulovaný nebo aglomerovaný polymer zachytit, předehřát a za odplynění stlačit. V kompresní části je polymer dále stlačován, plastikován a homogenizován s případnými přísadami. Ve výstupní části je již ve formě tepelně i materiálově homogenní taveniny pod tlakem kontinuálně vytlačován do „nástroje“ – vytlačovací hlavy. Ke zpracování plastů se používají především jednošnekové vytlačovací stroje, ale pro různé aplikace se konstruují i dvoušnekové vytlačovací stroje, stroje na kaučuky, apod.

Jednošnekový vytlačovací stroj
1 – pracovní válec, 2 – pouzdro, tavící komora, 3 – šnek, 4 – vytlačovací hlava, 5 – hubice, 6 – trn, 7 – lamač, 8 – topení, 9 – chlazení, 10 – násypka

Šnek je nejvýznamnějšífunkční částí vytlačovacího stroje. Teoreticky by každý plast vyžadoval svůj speciální šnek, ale v praxi se používá několik ověřených konstrukcí šneku, které buď výrobce vytlačovacího stroje, nebo dodavatel polymeru pro jeho optimální zpracování doporučí.

Velikost vytlačovacího stroje se určuje průměrem šneku D a jeho účinnou délkou L, která se obvykle vztahuje k průměru poměrem L / D. Pro zpracování termoplastů se používají většinou šneky s poměrem L / D = 20 a vyšším. Běžně jsou používány jednochodé šneky s úhlem stoupání 17,7^o, což odpovídá stoupání závitu rovnému jednomu průměru. Šířka hřbetu závitu bývá obvykle 0,1 D, vůle mezi hřbetem závitu a válcem 0,002 až 0,005 D. Dále jsou šneky pro zpracování polymerů charakterizovány tzv. kompresním poměrem. Pro granuláty termoplastů se pohybuje v rozmezí 1,8 až 4.

Průběh tlaku ve šnekovém vytlačovacím stroji

Doposud se nepodařilo zkonstruovat univerzální šnek pro všechny termoplasty. Obvykle se upravuje vzájemný poměr tří částí šneku tak, aby co nejlépe zpracovával daný polymer – tlakový profil šneku. Na horním obrázku je ukázán průběh tlaku ve šnekovém vytlačovacím stroji a na dolním obrázku průběh tlaku na šneku s odplyňovací zónou. V odplyňovací části jsou z taveniny odstraňovány těkavé podíly, voda, apod. Délka odplyňovacích šneků je kolem 25 až 35 D.

Průběh tlaku na stroji s odplyněním

6.4.2. Pístové vytlačovací stroje

Vytlačovací stroje pístové mají jako hlavní funkční část píst. Pohon pístu bývá hydraulický nebo mechanický. Pracovní část je tvořena válcem s pístem a vytlačovací hlavou. Materiál pro vytlačování se vkládá do pracovního válce. Velikost pístového vytlačovacího stroje je určena maximální vytlačovací silou, průměrem pracovního válce a zdvihem pracovního pístu. Pístové vytlačovací stroje se nejčastěji používají k vytlačování materiálů citlivých na teplotu, jako je např. PF nebo materiálů se špatnými tokovými vlastnostmi, jako je např. PTFE. Vytlačovaný materiál není namáhán vysokým smykovým zatížením a lze takto vyrábět profily v poměrně úzkých výrobních tolerancích. Nevýhodou pístových vytlačovacích strojů je jejich cyklický výrobní proces.

6.4.3. Diskové a spirálové vytlačovací stroje

Vytlačovací stroje diskové jsou založeny na tzv. Weissenbergově efektu, který je podmíněn visko-elastickými vlastnostmi zpracovávaného materiálu. Výkon diskového vytlačovacího stroje závisí na průměru a tvaru disku, smykové rychlosti a druhu zpracovávaného polymeru. Konstrukčně jsou diskové vytlačovací stroje velmi jednoduché. Disk vytváří proti čelní desce štěrbinu, do které přes chlazenou násypku vstupuje materiál a účinkem elastických napětí se dopravuje v radiálním směru k hubici. Potřebné teplo k tavení vzniká v důsledku smykového namáhání materiálu ve štěrbině a také je dodáváno topnými tělesy. Nevýhodou takto řešeného diskového vytlačovacího stroje jsou nízké vytlačovací tlaky, které lze v určitém rozsahu ovlivňovat změnou otáček disku nebo nastavením velikosti štěrbiny. Výhodami diskových vytlačovacích strojů je, že dosahují rychlé plastikace polymeru při vysoké homogenitě taveniny, mohou zpracovávat práškové i granulované materiály, tavenina se dá snadno odplynit a plastikační proces lze snadno ovládat. Vytlačovací stroje spirálové tvoří přechod mezi stroji diskovými a šnekovými. Rozdíl spočívá v tom, že pohyb materiálu nastává v kanálku, který má tvar spirály, vlivem účinku rychlostních složek a ne účinkem visko-elastických vlastností plastu.

6.5. Konstrukce vytlačovacích hlav

Vytlačovací hlava je část stroje, ve které dopravovaný materiál získává definitivní, ale nezafixovaný tvar. Hlava musí mít takový profil, aby zaručovala pravidelný a trvalý tok taveniny. Nesmí v ní existovat tzv. mrtvé prostory, ve kterých by se materiál mohl zastavit a zůstat tak dlouho v kontaktu s vyhřívaným tělem hlavy, až by degradoval. Zvláště nebezpečné jsou mrtvé prostory při zpracovávání PVC. Mezi konec šneku a vytlačovací hlavu se vkládá lamač, což je děrovaná deska s otvory (3 až 8 mm) pro konečnou homogenizaci taveniny a jako opěra pro čistící síta. Hlava bývá připojena k válci šnekového vytlačovacího stroje několika způsoby. U menších strojů se někdy šroubuje na konec válce, jinak se používá bajonetové nebo objímkové uchycení nebo přírubové uchycení sklápěcími šrouby.

Podle konstrukčního uspořádání rozdělujeme vytlačovací hlavy na hlavy přímé, nepřímé, širokoštěrbinové a speciální. Rozdělení může být i podle druhu vyráběných výrobků a polotovarů.

6.5.1. Přímé vytlačovací hlavy

Hlavy přímé jsou především určené pro vytlačování uzavřených symetrických profilů - jako jsou např. trubky, hadice nebo uzavřených nesymetrických profilů, jako je např. okenní profil. Konstrukce hlavy pro uzavřené profily by měla zabezpečit volný přívod vzduchu do dutin profilu obzvlášť u navíjených profilů. Dále se přímé hlavy používají k vytlačování otevřených profilů, jako je např. okapový žlab, apod. Hlavy pro vytlačování profilů jsou konstrukčně mnohem složitější. Hubice i trn jsou výrazně delší kvůli relaxaci napětí v tavenině.

Přímé hlavy na trubky
vlevo - schéma, vpravo - hlava pro vícevrstvé trubky

Přímá hlava na profily
A – nevytápěná část, B – vytápěná část, v - vakuum

Při konstrukci a návrhu hlavy se musí počítat s narůstáním taveniny za hubici, smrštěním při chlazení a se změnou rozměrů vlivem protažení. U tenkých stěn bývá hubice zvětšena o 5 až 10 %, u tlustých stěn bývá cca o 10 % zmenšena. Podle tvaru trubky nebo profilu se mění hubice a trn. Hubicí lze posouvat v ose trnu. Nevýhodou přímé hlavy jsou oblasti, ve kterých se spojují proudy taveniny. Tuto nevýhodu odstraňuje spirálový rozdělovač.

Schéma hlavy pro výrobu trubek se spirálovým rozdělovačem

6.5.2. Nepřímé vytlačovací hlavy

Hlavy nepřímé tj. hlavy příčné a šikmé se používají pro oplášťování vodičů, kabelů nebo kovových profilů, vyfukování fólií nebo dutých předmětů. Hlavy pro oplášťování vodičů mají vrtaný trn, kterým prochází vodič a tím se vyhýbáme vedení přes šnek. Nepřímé hlavy mají různý úhel odklonu od osy šnekového vytlačovacího stroje. U příčných hlav je tento úhel 90^o, u šikmých hlav je 30 až 60^o. Čím větší je úhel odklonu, tím větší jsou problémy s nerovnoměrností toku taveniny.

Šikmá plochá hlava
1 – těleso hlavy, 2 – spodní pevná čelist, 3 – horní stavitelná čelist, 5, 6 – stavěcí šrouby, 7 – příčné rozvodné kanály, 8 – topení

Technicky náročné jsou hlavy pro vyfukování fólií. Vytlačovaná trubka musí mít nejen naprostou rovnoměrnou tloušťku stěny, ale také stejnou viskozitu a teplotu. Jsou možné dva způsoby konstrukce: hlava s radiálním vtokem a hlava s axiálním vtokem. U radiálních hlav je rovnoměrnost rozdělení taveniny zajišťována tvarem trnu, který reguluje velikost mezery na straně šneku a na opačné straně. U axiálních hlav se regulování tloušťky provádí radiálním posuvem hubice. Stále častěji se používá spirálový rozdělovač.

Radiální a axiální příčná hlava
1 – hlava, 2 – rozvod vzduchu, 3 – trn, 4 – hubice, prstenec, 5 – šrouby, 6 – přívod vzduchu, 7 – topení

6.5.3. Širokoštěrbinové vytlačovací hlavy

Širokoštěrbinové hlavy rozvádějí materiál pomocí kanálů do široké štěrbiny. Odpor toku a tedy množství hmoty na výstupu se řídí stavěcími šrouby. Nejčastější tvar širokoštěrbinových hlav je tvar „rybího ocasu“, který nemá mrtvé prostory, ale u kterého je problematické nastavení při změně tokových vlastností plastu. Proto se pro vytlačování fólií používají hlavy s tvářecí lištou.

6.5.4. Speciální vytlačovací hlavy

Mezi speciální vytlačovací hlavy patří hlavy pro ostatní aplikace, jako např. granulační hlava, hlava pro výrobu vláken, hlava pro vytlačování sítí,hlavy pro vícevrstvé materiály, střižná hlava, hlavy pro kaučuky, apod.

Vytlačovací širokoštěrbinové hlavy pro výrobu vícevrstvých fólií a desek (A, B, C)

Širokoštěrbinová hlava s tvářecí lištou - pozice a (vpravo)

Hlava pro výrobu vláken (vlevo)

Hlava pro vytlačování sítí má proti sobě otáčející se trn i hubici, které vytlačují struny a v místě setkání strun dochází ke spojení. Střižná hlava má rotující pouze trn, což se projevuje tvorbou tepla v tavenině plastu a regulací otáček je možné regulovat ohřev taveniny. Tento typ hlavy se používá hlavně u kaučuků, napěňovaných profilů, plněných materiálů, apod. Hlavy pro vícevrstvé materiály se používají u společného vytlačování, koextruze, kdy více vytlačovacích strojů je připojeno k jedné hlavě. Konstrukce hlav pro kaučuky je obdobná termoplastům, ale je nutné pamatovat na separační prostředky.

.: Jdi na začátek stránky :.