Optimering af plaststøbning gennem højteknologiske metoder
Sprøjtestøbning af plastemner er en produktionsform, der stadig findes i udstrakt grad i Danmark på trods af et stort prispres fra asiatiske virksomheder. Dansk plastindustri har imidlertid unikke muligheder for at være foran på kvalitet og innovation. I kapløbet for at holde dansk plast foran på markedet er det derfor vigtigt, at fremstillingsvirksomhederne holder sig opdateret omkring nye muligheder og teknologier, samt at udfordringer mødes med en vilje til at afprøve og implementere nye metoder.
Kontakten mellem sprøjtestøbeform og plasten giver det støbte emne dets form, mens de fysiske egenskaber af emnet er bestemt af plasttypen. For at opnå en tilfredsstillende emnekvalitet er det afgørende dels at formen fyldes korrekt, dels at emnet kan afformes uden at klæbe til formen.
Optimering gennem overflademodifikationer er ofte individuel i forhold til en given støbeform og plasttype og kræver både en stor grad af erfaring og viden såvel som højteknologisk udstyr. En alternativ løsning af et støbeproblem kunne dog også være at benytte en moderne produktionsform som 3D print til at fremstille støbeformen. Brugen af 3D print som fremstillingsmetode muliggør alternative designs af støbeformen, hvilket også kan bidrage til en løsning af et støbeproblem.
I de tilfælde, hvor der ønskes en individuel løsning til et konkret problem, kan dette opnås gennem udviklingsopgaver eller kortere projekter. Når en mere overordnet problemstilling ønskes, kan dette med fordel gøres i større og længerevarende programmer, som f.eks. Innovationsfondens Grand Solutions.
I sådanne projekter kan virksomheder, GTS-institutter og universiteter samarbejde mod en bedre forståelse og dermed optimering af løsninger, samtidig med at risikoen ikke bæres alene af virksomhederne. Der vil samtidig være mulighed for en bredere inddragelse af hele værdikæden.
Denne artikel beskriver nogle af de højteknologiske metoder, der er relevante i forståelsen og udviklingen af nye værktøjer til optimering af plastsprøjtestøbning.
Fyldning af støbeformen
Som plaststøbeindustrien har udviklet sig, er kravene til de færdige elementer blevet højere, både med hensyn til geometri, kvalitet og pris. Komplekse støbeforme eller specielle plasttyper er ofte problematiske og kan kræve mange gentagelser og justeringer før processen resulterer i et tilfredsstillende plastemne.
For at gøre støbeprocessen hurtigere og billigere kan man bruge forskellige metoder til klarlægge de udfordrende områder af formen. En af de metoder, som har vundet stort indpas er computersimuleringer, som f.eks. Moldflow eller Moldex3D. Via computersimuleringer kan hele sprøjtestøbeprocessen undersøges og justeringer kan testes uden at skulle lave nye, dyre forme.
Et af de mulige alternativer er at lave en form med glasside. Problemet med disse er, at de i høj grad ændrer, hvordan formen vekselvirker med plasten, da glas har en meget anderledes varmeledningsevne og udvidelse end metal. Derfor er det begrænset, hvor meget en sådan test repræsenterer rigtige støbeforme.
Med avanceret neutronteknologi er det muligt at tage videoer direkte af det indre af en støbeform mens den fyldes. Normalt ville man bruge røntgenstråler til sådanne formål, men neutroner har den fordel at de lettere kan ”se” gennem metal, og derfor kan det lade sig gøre at tage neutronbilleder af sprøjtestøbningsprocessen.
Et eksempel kan ses i figur 2. Her har Teknologisk Institut simuleret neutronbilleder af et simpelt plastemne. Formen af aluminium ses næsten ikke, mens selve plastemnet tydeligt fremstår mørkt i billederne. Der er desuden simuleret en lille luftboble på bagsiden af det cylindriske hul, hvilket tydeligt kan ses.
Det er vigtigt at påpege, at billedet i figur 2 er en simulering af, hvorledes neutronerne vekselvirker med henholdsvis plast og metalform og ikke en rigtig måling. Imidlertid har billeder taget ved hjælp af neutroner været brugt blandt andet til at illustrere virkningen af en forbrændingsmotor, så det er velkendt, at det er muligt at se gennem metalstrukturer.
Den store schweiziske røntgen- og neutronfacilitet Paul Scherrer Institut (PSI) har på deres hjemmeside adskillige videoer, der illustrerer anvendelser af teknikken (https://www.psi.ch/en/niag/movies).
Med billeder lavet ved hjælp af neutroner kan fyldningen af støbeformen følges direkte. Derved kan områder med problematisk fyldning identificeres og designet kan efterfølgende korrigeres. Yderligere kan informationen, som fås gennem fyldningsvideoerne bruges til at forbedre computersimulationerne.
Den store ulempe ved denne teknik er, at støbeformen skal være af en beskaffenhed, der gør, at den kan monteres ved en neutronfacilitet.
Optimering af belægninger
Det er ikke kun indenfor karakterisering af selve støbeprocessen, at højteknologiske løsninger kan bruges. Også indenfor forståelsen og udviklingen af innovative overfladebelægninger til brug på støbeværktøjer kan højteknologiske metoder være behjælpelige. Virksomheden Michael Lundbech A/S har for nyligt testet flere overfladestrukturer og -belægninger som er blevet lavet i forbindelse med et Innovationsfondsprojekt, Super-Moulds (www.supermoulds.dk). Michael Lundbechs udfordring var et emne med kompleks geometri og besværlig plasttype, som ses i figur 3.
Det resulterede i, at emnet ikke kunne afformes efter støbning, hverken manuelt eller automatisk. Traditionelle løsninger, som resulterede i afformning, gjorde, at produktet ikke længere levede op til kundens specifikationer. Michael Lundbech fandt en løsning i brugen af en speciel overfladebehandling kaldet ion-implantering. Her implanteres ioner ind i en overflade ved at bruge en type ionaccelerator, se figur 4, der kan skyde ioner afsted med flere tusinde km/t.
I Michael Lundbechs tilfælde viste det sig, at nitrogen ioner implanteret i en speciel kromnitrid belægning, udviklet på Teknologisk Institut, var perfekt til deres formål. Kombinationen af en hård belægning og ion-implantering førte til, at emnerne kunne afformes automatisk, samtidig med at den høje emnekvalitet som kunden forventede blev opretholdt. Til sammenligning gav den hårde kromnitrid belægning alene også en klar forbedring i forhold til andre testede løsningen, herunder andre hårde belægninger, men ion-implanteringen forbedrede resultatet signifikant. En nyttig sideeffekt af en hård belægning er en øget slidbestandighed af værktøjet. I dette eksempel var der ingen tegn på slid efter 13000 cykler.
Dog er der stadig usikkerhed om, hvorfor de ion-implanterede overflader er så meget bedre end de tilsvarende ikke-ionimplanterede. Den del af belægningen, som påvirkes af ion-implanteringen udgør kun 0.001 % af den samplede belægning. En konsekvens heraf er, at det er vanskeligt at måle den ændring som ionerne giver anledning til ved hjælp af traditionelle eksperimentelle teknikker.
Derfor har man ved Teknologisk Institut brugt moderne teknologier ved synkrotroner til at karakterisere overfladen. I samarbejde med synkrotronen på Paul Scherrer Institut (PSI) i Schweiz er de ionimplanterede overflader blevet undersøgt med røntgenstråler. Det har givet indsigt i den lokale struktur af de enkelte atomer og derved givet muligheden for at forstå, hvordan typen af ion-implantering påvirker overfladestrukturen. Næste skridt er at relatere denne ændring i overfladestrukturen til, hvorledes vekselvirkningen mellem plast og støbeform er blevet ændret. Denne viden kan bruges til yderligere at optimere overfladebelægninger, som så vil tillade større frihed i fremtidige design af støbeforme uden at afformning bliver et problem.
3D-printede forme til produktudvikling
Et fremstød som dansk industri er pioner inde for, er anvendelsen af 3D-print i fremstilling af støbeforme.
Formene kan printes i metal eller i særligt udviklet plastmateriale, der kan holde til temperaturer op mod 400 °C. Mens forme i printet metal kan klare masseproduktion af støbte emner, er formene i plast beregnet til enkelte prototyper eller småserie-produktion på et par hundrede emner. Dette giver mulighed for at afprøve produktdesign i det endelige materiale og i støbt kvalitet, samt at væsentligt accelerere den del af udviklingsfasen, hvor designet og materialetypen ikke ligger helt fast. En af de store fordele ved fremstilling af forme ved hjælp af 3D-print er, at man ret enkelt kan lave komplekse strukturer, som f.eks. kølekanaler.
Teknologisk Institut har arbejdet sammen med en række virksomhed om at fremme disse muligheder i dansk industri. En af dem er Addifab, som har udviklet et helt nyt koncept, nemlig 3D-printede forme, der kan opløses efter støbning. Denne metode giver mulighed for at støbe i endnu mere komplekse geometrier. Normalt skal det i sprøjtestøbning nemlig indtænkes, at emnet skal udformes, så emnet ikke ødelægges, når de to halvdele af formen skilles ad. Hvis formen i stedet for kan opløses, er dette ikke et krav.
Billederne i Figur 5 viser resultatet af støbning af en slangeindføringsenhed, der skal bruges i forbindelse med behandling af hypotermi. Den komplekse udformning ville have gjort det vanskeligt og dyrt, hvis der skulle være investeret i en metalstøbeform. Med den opløselige form var det ligetil at fremstille dette emne.
Afsluttende kommentarer
Den danske sprøjtestøbeindustri har stor ekspertise indenfor fremstilling af avancerede emner. For at bevare den førende position, kræves der en forsat udvikling i takt med markedets ønsker og krav. Denne artikel har beskrevet tre højteknologiske metoder, som potentielt kan være brugbare i plastindustrien for dels at optimere og dels forstå sprøjtestøbningen bedre. Det er vanskelige metoder at give sig i kast med, men heldigvis er det ikke noget, man som virksomhed behøver at stå alene med. I Danmark og Europa er der mange forskellige fonde og interesseorganisationer som støtter højteknologiske projekter. Dermed kan man som virksomhed tillade sig at arbejde på udvikling af en mere risikofyldt karakter, da både projektpartnere og bevillingsgiver deler risikoen. Teknologisk Institut har fokus på plastområdet og man vil som virksomhed kunne indgå i tætte samarbejder om både udvikling af løsning og den praktiske implementering.
Som et konkret eksempel kan nævnes projektet Super-Moulds, der var støttet af Innovationsfonden. I dette projekt, som løb fra 2017 til 2021 arbejdede 10 partnere fra hele værdikæden (plastproducent, værktøjsmager og plaststøbere) sammen om at belyse og optimere effekten af forskellige overfladebehandlinger på støbeprocessen. Resultaterne for virksomhederne har udover forbedringer i konkrete tilfælde også været større viden om de muligheder for overfladebehandling, der eksisterer, samt et udvidet netværk, der giver lettere adgang til mere viden. Dermed er plastvirksomhederne bedre klædt på til at klare de kommende års udfordringer, som f.eks. omstilling til en mere grøn og bæredygtig produktion.
Artiklen er bragt i samarbejde med Teknologisk Institut. Forfattere er: Jonas Okkels Birk, (neutronbilleddannelse og stor-skala faciliteter). Christian Moeslund Zeuthen, (overfladebelægninger og ion-implantering). Andreas Peter Vestbø, (plaststøbning, 3D printede forme)
