Technologia wtrysku wykorzystywana do formowania tworzyw sztucznych to metoda znana już od pierwszej połowy ubiegłego stulecia. Od tego czasu jest jednak stale udoskonalana – w odpowiedzi na coraz to nowsze rodzaje tworzyw sztucznych, potrzeby kolejnych branż sięgających po tę metodę i coraz większe wymagania stawiane przez finalnych odbiorców produktów.

Proces formowania
Formowanie wtryskowe tworzyw sztucznych polega na wtryskiwaniu pod określonym ciśnieniem uplastycznionej pod wpływem wysokiej temperatury masy tworzywa sztucznego do gniazda formy, w której po zastygnięciu nadawany jest tworzywu pożądany kształt. Dzięki temu można uzyskać praktycznie dowolny kształt produktu z tworzywa sztucznego. Z racji tego, że forma wtryskowa musi zostać zaprojektowana i stworzona dla każdego wytwarzanego elementu (kształtki) oddzielnie, technologia ta jest opłacalna przede wszystkim w produkcji wielkoseryjnej.

Proces przetwórstwa tworzyw sztucznych za pomocą formowania wtryskowego ma kilka istotnych zalet, przede wszystkim wspomnianą już dowolność kształtu formowanego przedmiotu i jego rozmiaru. Przy małych elementach często podczas jednego cyklu formowania wykonuje się kilka, kilkanaście elementów jednocześnie, co wpływa na szybkość procesu. Metoda ta pozwala więc na ekonomiczną produkcję dużych partii produktów.

Wtryskarka i forma
Proces formowania wtryskowego opiera się na współdziałaniu wtryskarki i podpiętej do niej formy wtryskowej. Wtryskarka jest maszyną, która ma za zadanie wtłoczenie masy tworzywa sztucznego do gniazda formy. Współcześnie stosowane są przeważnie wtryskarki ślimakowe, które skutecznie wyparły z użytku tłokowe (ich użycie wiązało się z problemem uzyskania jednorodnego temperaturowo uplastycznionego tworzywa).

Wtryskarka ma kształt cylindra, do którego poprzez lej wprowadzane jest tworzywo sztuczne w postaci granulek lub peletek. Obracający się wewnątrz cylindra ślimak przesuwa w kierunku formy granulat, który pod wpływem ciepła (elektryczne elementy grzejne znajdują się w ściankach wtryskarki) oraz tarcia przekształca się w plastyczną masę. Następnie ten sam ślimak, już ruchem tłokowym, powoduje wtrysk płynnego tworzywa pod wysokim ciśnieniem do pustej przestrzeni w zamkniętej formie wtryskowej. Po odpowiednim czasie, w którym następuje zastygnięcie, schłodzenie i utwardzenie wprowadzonego tworzywa, forma się otwiera i gotowy element zostaje z niej wyjęty. W tym samym czasie zaczyna się kolejny cykl formowania wtryskowego, czyli dodanie granulatu do wtryskiwarki.

Formy wtryskowe najczęściej składają się z dwóch części – jednej przymocowanej do stałego stołu wtryskarki i drugiej ruchomej, po której otwarciu można wyjąć gotowy produkt. Jeżeli przedmiotem formowania jest duża kształtka, to forma ma jedno gniazdo. Gdy jednak wytwarzane są małe elementy, zdarza się, że forma posiada kilka, a nawet kilkanaście gniazd formujących. Zwiększa to wydajność całego procesu. W zależności od liczby gniazd formy wtryskowe mają różne długości kanałów rozprowadzających masę plastyczną do gniazda i różną ich liczbę.

Temperatura i ciśnienie
Aby proces formowania wtryskowego przebiegał sprawnie, a przede wszystkim uzyskany produkt był odpowiedniej jakości, niezbędne jest zapewnienie odpowiednich parametrów podczas realizacji każdego cyklu formowania.
Jednym z dwóch najważniejszych parametrów jest właściwa temperatura tworzywa, która ma gwarantować mu odpowiednią płynność. Zbyt niska temperatura sprawi, że będzie ono ciągle znajdować się w stanie stałym lub co najwyżej elastycznym, a to znacząco utrudni – albo wręcz uniemożliwi – dokonanie wtrysku. Z kolei za wysoka temperatura może doprowadzić do destrukcji tworzywa sztucznego i utraty jego właściwości. W efekcie uzyskany element może nie spełniać norm jakościowych, np. z powodu niższej wytrzymałości.

Drugim istotnym parametrem procesu formowania wtryskowego jest ciśnienie wtryskiwanego tworzywa. Aby masa plastyczna mogła zostać wtłoczona do formy, musi być osiągnięte odpowiednio podwyższone ciśnienie w cylindrze maszyny. Jeżeli ciśnienie wtrysku będzie zbyt niskie, może się okazać, że nie cała powierzchnia gniazda formy zostanie wypełniona tworzywem. W efekcie wytworzony element może mieć pęcherze bądź wklęśnięcia. Z kolei zbyt duże ciśnienie może spowodować uchylenie się formy wtryskowej i wylanie tworzywa, co może zniszczyć formę bądź sprawić, że otrzymana kształtka będzie zdeformowana. Często przeprowadza się próbne formowania, aby sprawdzić, jakie ciśnienie będzie najwłaściwsze dla danego rodzaju tworzywa.

Ważnym elementem procesu jest czas trwania tzw. docisku, czyli pozostawania tworzywa w formie pod wysokim ciśnieniem, kiedy następuje jego zastygnięcie. Z reguły wynosi on od kilku do ok. 20 sekund i najczęściej zależy od rodzaju tworzywa, ale również od wielkości i masy produktu. Zbyt krótki docisk może doprowadzić do zapadnięcia się powierzchni wyrobu bądź innych jego uszkodzeń. Także zbyt długi czas nie jest korzystny. Utrzymujące się bowiem zbyt długo wysokie ciśnienie może spowodować, że dojdzie do nadmiernego zasklepienia tworzywa i pojawią się trudności z wyjęciem produktu z gniazda formy.

Parametrem o istotnym znaczeniu jest też temperatura formy, którą otrzymuje się poprzez jej grzanie lub chłodzenie za pomocą wody przemieszczającej się specjalnymi kanałami. Temperatura formy musi pozostawać w odpowiednim stosunku do temperatury wtryskiwanego tworzywa. Zbyt duża różnica może spowodować duże naprężenia wewnętrzne, co przełoży się na uzyskaną jakość produktu. Zbyt duża temperatura formy spowoduje zaś, że cykl chłodzenia będzie trwał dłużej, a to wydłuży cały cykl formowania wtryskowego.

Reaktywne formowanie wtryskowe
Stosunkowo nową metodą, która zdobywa coraz większą popularność, jest reaktywne formowanie wtryskowe RIM. Wyróżnia się ono niższymi kosztami produkcji przy wyższej jakości i wytrzymałości wytworzonych w ten sposób wyrobów. Różnice te wynikają z zastosowania ciekłego prepolimeru lub monomeru w miejsce tradycyjnego granulatu wprowadzanego do wtryskiwarki. Nie wymagają one już upłynniania, co pozwala na formowanie elementów pod niższym ciśnieniem i w temperaturze otoczenia. Niska lepkość płynów wykorzystanych w tym procesie, temperatura obróbki (30–40°C) i ciśnienie formowania wewnętrznego (3–10 barów) umożliwiają wytwarzanie większych i lżejszych detali o bardziej złożonych kształtach i cieńszych ściankach niż przy wtrysku tradycyjnym.

Formy wtryskowe w tej metodzie mogą być wykonane z tańszych materiałów niż stal (np. odlewy aluminiowe bądź niklowe). Dzięki tym cechom proces formowania jest także tańszy, na co wpływa m.in. mniejsza ilość zużytej energii.

Najważniejsze parametry formowania wtryskowego wybranych tworzyw sztucznych

Tworzywo

Temperatura wtrysku [C]

Temperatura formy [C]

Ciśnienie wtrysku [MPa]

Polistyren niskoudarowy

160–260

30–65

80–140

Polistyren wysokoudarowy

200–260

40–60

100–130

Polipropylen

200–300

20–50

80–120

Poliamidy

230–270

60–120

80–150

Poliformaldehyd

180–240

70–140

80–150

Poliwęglan

270–315

85–120

80–200

źródło: Podstawy Technik Wytwarzania, Program Rozwojowy Politechniki Warszawskiej