Funkcionális bevonat létrehozási technológiák

Általában a kompozit alkatrészek valamilyen utókezelésen esnek át mielőtt azokat a végfelhasználó kézhez kapja. Lehet szó a termék esztétikai (pl. színezés) vagy akár ellenállóságbeli (pl. UV, víz, korrózió stb.) módosításáról. A polimer termékek esetén több módszer is elterjedt a bevonatok létrehozására. A legegyszerűbb a festés, ez azonban a polimer anyagok viszonylag kis felületi energiája miatt csak több rétegben végezhető el, a megfelelő előkészítést követően. A festési technológiák közül legtöbbször a mártást, a szórást, az ecsettel vagy a festőhengerrel történő festést, a hengerlést, a filmöntést vagy a szerszámon belüli festést alkalmazzák. Az alkalmazott technológia kiválasztása függ a termék anyagától, méretétől, mennyiségétől és a bevonattal szemben támasztott követelményektől [114]. A polimer termék felülete festés előtt legtöbbször valamilyen előkészítést igényel, mint például zsírtalanítás, érdesítés, alapozóval való bevonás vagy plazmakezelés az adhézió kialakítása

érdekében. Ezeknél az eljárásoknál a legtöbb esetben az előgyártmány, a kapcsoló- és a bevonati réteg más és más alapanyagból tevődik össze, ami megbonyolítja a komplex termékek újrahasznosíthatóságát. Az autóiparban jellemzően a festékszórás technológiája terjedt el, amely nemcsak költséges, de a levegőben eloszlatott festékrészecskék (VOC - volatile organic compounds) miatt környezetszennyező is.

Erre a problémára jelent megoldást az a felület bevonatolási technológia [115], amelyet megjelenésekor, az 1970-es éveben „szerszámban lakkozásnak” (IMC - In-Mold Coating) is neveztek. A folyamat során a bevonat létrehozása egy zárt szerszámban történik meg. Ezáltal ez a technológia megfelel a környezetvédelmi előírásoknak, csökkennek a felületkezeléssel járó nehézségek, illetve annak többletköltségei. A bevonat és a termék előállítása közvetlenül egymás után történik, nincs szükség utólagos megmunkálásra. Ennek köszönhetően a termék kiváló fényességgel és színtartóssággal rendelkezik [22, 116]. Az IMC folyamat megvalósítható a bevonati réteg szerszámba helyezésével vagy a szerszám részleges nyitásával, hogy helyet adjunk a bevonati réteg befecskendezéséhez [116]. Az alkatrészre előre meghatározott sebességgel és nyomáson injektáljuk rá a megfelelő bevonatot, majd, amikor az megszilárdult, eltávolítjuk a szerszámból. Ezek után már nem szükséges utómegmunkálásnak alávetni a terméket, mielőtt azt a végfelhasználó kézhez kapja [22].

In-mold coating technológia

Számos kutatás irányul a különböző technológiákkal, különböző anyagokból előállított előgyártmány- és bevonati réteg létrehozására, a bevonati réteg szimulációjára, illetve az előállított termék vizsgálatára vonatkozóan [116-119]. Rayle és Cassil [22] fröccsöntéssel gyártott, termoplasztikus polimer termékek bevonatolását tanulmányozta.A termék gyártásának menete a szerszámüreg kitöltéséig megegyezik a hagyományos fröccsöntéssel. A kitöltés után azonban az utónyomást elhagyva, a szerszámnyomást lecsökkentve résnyire eltávolítják egymástól a két szerszámfelet. A bevonat beinjektálása után újra összezárják a szerszámot az anyag eloszlatása és a végső forma létrehozása érdekében. A bevonat mennyisége kétféleképpen szabályozható: egy előre beállított mennyiség befecskendezésével, vagy egy bizonyos idő alatt a megfelelő térfogatú anyag kitöltésével [120].

Goodship és társai [121] egy ún. In-Spire eljárást fejlesztettek ki, amelynek során hőre nem lágyuló port szórtak egy zárt formába, amely később bevonatként szolgált.

Ezekután a hőre lágyuló anyag olvadékát injektálták be. A hőre nem lágyuló por és a hőre lágyuló anyag közti megfelelő adhézió kialakulása után egy bevonati réteggel ellátott terméket távolítottak el a szerszámból. Az eljárást fröccsöntéssel kombinálva tesztelték, amely sikeresnek bizonyult.

A présformázás során a lemezformájú kompozit előgyártmányból sajtolt alkatrészeket széles körben alkalmazzák nagyméretű, merev alkatrészek előállítására, mint például gépjármű karosszériák, elektromos gépházak vagy szaniterek esetén.

Annak érdekében, hogy javítsák a felületi porozitás és hullámosság miatti esetlegesen

fellépő rossz felületi minőséget, egy présformázás (SMC – Sheet Mold Compound) esetén is alkalmazható IMC folyamatokat fejlesztettek ki [122]. Az alacsony nyomású IMC folyamán az alkatrész létrehozását követően körülbelül 1 mm-nyire kinyitják a szerszámot és befecskendezik a bevonatot, majd újra zárják a szerszámot. Az alkalmazott záróerő egyenletesen szétteríti az alapanyagot a szerszám üregében.

Magas nyomású IMC esetén a szerszámot zárva tartják és a befecskendezési nyomás hatására nyílik csak ki enyhén és vonja be az SMC darabot [123]. SMC technológiával lehetőség van fordított sorrendben is a bevonat kialakítására, először a bevonatot felhordva a szerszám felületére (19. ábra).

19. ábra Bevonati réteg létrehozásának folyamata [124]

Jelen esetben a bevonat telítetlen poliésztergyanta alapú por, amelynek viszkozitása kezdetben rendkívül alacsony, majd hő hatására nagyon gyorsan térhálósodik, ezáltal biztosítva a nedvesítést és a késztermék kiváló tulajdonságait. Az előforma szerszámba való behelyezését követően, a préselés hatására megfelelő adhéziós kapcsolat alakul ki az előgyártmány és a bevonat között [124].

Straus and McBain [125] kifejlesztett egy olyan szerszámnyitáson alapuló módszert, amely során térhálós gélbevonat vihető fel termoplasztikus alkatrészekre [126].

Åström [127] felhívta a figyelmet az alacsony és a magas nyomású IMC módszerek közötti különbségre, megállapítva, hogy az alacsony nyomású IMC növeli a folyamat ciklusidejét és csökkenti az anyag megszilárdulását, ebből kifolyólag alkalmazása nem kívánatos. A magas nyomású IMC korlátozottan képes függőleges szerszámrészek mentén történő bevonatképzésre is a mátrix összenyomásával [123]. Esztétikus vagy kopásálló bevonattal rendelkező présformázott alkatrészek gyártása lehetséges anélkül, hogy a bevonati réteg felvitele előtt az alkatrészt el kelljen távolítani a szerszámból. Ennek előnye, hogy a darabban csökkennek a felületi szennyeződések, jobb határfelületi adhéziót eredményezve és lehetőséget nyújt az „A” minőségű felület létrehozására. Ez alatt egy magas fényű felületet értenek, amely minden porozitástól és karcolástól mentes. A magas hőmérséklet- és repedésállósággal rendelkező izocianátok kifejlesztése tovább javította a termoplasztikus IMC-vel létrehozható felületek minőségét [123, 128].

Solomon és Okoli [129] munkájuk során hőre nem lágyuló anyag és folyékony bevonat együttes infúziójának lehetőségét vizsgálták, köztük egy poliszulfon fólia elválasztóréteg alkalmazásával, amely gátolja a két réteg keveredését. Ehhez kettős szerszámozású gyantainfúziót (RIDFT - Resin Infusion between Double Flexible

Tooling Process) alkalmaztak. Tanulmányozták az elválasztóréteg és a bevonati réteg anyagának kompatibilitását. Arra a következtetésre jutottak, hogy a bevonat és a kompozit közti adhézió igen gyenge, feltehetően a hőmérsékletnek és a hőkezelés időtartamának köszönhetően. Jones és társai [130] szintén hőre nem lágyuló előgyártmányt hoztak létre, amely során először a bevonatot viszik fel a szerszám felületére. Ezt követően reaktív fröccsöntéssel (RIM - Reactive Injection Molding) kitöltik a szerszámüreget. A megfelelő adhézió kialakulása után a bevonat átkerül a szerszám felületéről az előgyártmány felületére.

Egy kutatócsoport RTM technológiához fejlesztett ki bevonatolási eljárást. A folyamat során „A” felületi minőséggel rendelkező, szénszálból és poliuretánból (PU) készült karosszéria elemeket állítottak elő. A gyártás során a szénszál szövetet PU gyantával itatják át, majd a térhálósítást követően a szerszámot kismértékben kinyitják, hogy helyet adjanak a PU bevonat számára. A befecskendezés után a PU bevonat térhálósítása következik. A teljes ciklusidő szerszámzárástól szerszámnyitásig kevesebb mint 6 perc. Ezt követően a darabot eltávolítják a szerszámból. Az elkészült minta nem igényel utómegmunkálást, felületén nem látható a szövet struktúrája [131].