Vorwärmtemperaturregelung im Wirbelschicht-Tauchverfahren
Hintergrund Einführung
Beim Tauchverfahren im Wirbelschichtverfahren wird die Wärmekapazität des Werkstücks genutzt, um das thermoplastische Pulver aufzuschmelzen und die gewünschte Schichtdicke und -qualität zu erzielen. Daher ist die Bestimmung der geeigneten Vorwärmtemperatur des Werkstücks entscheidend. Die Vorwärmtemperatur sollte etwas höher als der Schmelzpunkt des thermoplastischen Pulvers liegen. Ist sie zu hoch, können Fließfehler durch zu dicke Beschichtungen oder Risse im Polymerharz auftreten, was zu Blasenbildung, Vergilbung oder Verbrennungen führen kann. Ist sie hingegen zu niedrig, führt unzureichendes Aufschmelzen zu dünnen Beschichtungen mit Poren oder unvollständiger Oberfläche, die die Tauchziele nicht erreichen.
Im Allgemeinen wird die Vorwärmtemperatur des Werkstücks durch Faktoren wie Material, Größe, Form, Leistung des thermoplastischen Pulvers, erforderliche Beschichtungsdicke, Aufheizzeit und Eintauchdauer beeinflusst. In der Praxis variieren die Werkstücke jedoch erheblich in Dicke, Größe und Form, so dass es schwierig ist, die Vorwärmtemperatur quantitativ zu bestimmen.
Um die optimale Vorwärmtemperatur für Werkstücke beim Pulvertauchen im Wirbelschichtverfahren zu ermitteln , nutzen wir unser selbstentwickeltes und -gefertigtes automatisches Wirbelschichttauchsystem. In Kombination mit unserer Erfahrung in der Herstellung verschiedener Produkte wie Verkehrssperren, Schutznetze für Gärten und öffentliche Gebäude, Kühlschrankregale, Verkaufsregale, Käfignetze für die Tierhaltung, Federn und Stahlrohre unter Verwendung unterschiedlicher thermoplastischer Pulver liefern die Experimente eine theoretische Grundlage und Methodik zur Optimierung des Tauchprozesses.
Experimentelle Methoden
1. Probenvorbereitung
Die Proben bestehen hauptsächlich aus stabförmigem Stahl, teilweise auch aus Kupfer und Aluminium, mit Durchmessern von 0.8, 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, 9.0, 10.0, 12.0, 14.0, 16.0, 18.0 , 20.0
2.Thermoplastisches Pulver
In dem Experiment wurden überwiegend thermoplastische LDPE-Pulver verwendet PVC, PA und andere Pulver wurden ebenfalls getestet.
3.Verfahren
Vorbehandlung → Vorwärmen → Eintauchen in Pulver → Nachwärmen (Aushärten) → Abkühlen
4.Beschichtungsqualität
Zum Eintauchen der oben genannten Proben in verschiedene thermoplastische Pulver wurden unterschiedliche Vorwärmtemperaturen verwendet; nach Aushärtungs- und Nivellierungsprozessen bei niedrigen Temperaturen wurde die Beschichtungsqualität bewertet und in Tabelle 1, Tabelle 2 und Tabelle 3 aufgezeichnet.
Analyse der Einflussfaktoren
Basierend auf den experimentellen Ergebnissen und in Verbindung mit den in Tabelle 1, Tabelle 2 und Tabelle 3 dargestellten Daten wurde eine Kurve erstellt, um den optimalen Vorwärmtemperaturwert für jede Probe darzustellen, wie in der Abbildung dargestellt.
Auswirkungen von thermoplastischem Pulver
Die Aufheizkurve des Werkstücks variiert je nach Pulverharz, wie in der obigen Abbildung dargestellt. Aufgrund des großen Bereichs zwischen dem Erweichungspunkt (80 – 90℃) und dem Schmelzpunkt (105 – 130℃) von Polyethylen (PE)Zusätzlich zu einer Risstemperatur von 300 °C ist eine höhere Vorwärmtemperatur für das Werkstück erforderlich. Erst bei längerem Erhitzen auf Temperaturen über 360 °C kommt es zu einer Vergilbung der Beschichtung.
Polyvinylchlorid(PVC) hat keinen eindeutigen Schmelzpunkt, beginnt aber bei 130℃ zu erweichen und kann bei 180℃ fließen. Ab 200 °C beginnt es sich zu zersetzen, wobei Chlorwasserstoff und Rauch freigesetzt werden und ein Nasengeruch entsteht. Leichte Temperaturerhöhungen oder längere Einwirkzeiten führen nach und nach zu einer Vergilbung und Schwärzung der Beschichtung. Als PVCDa die Schmelztemperatur nahe an der Zersetzungstemperatur liegt, ist eine strengere Kontrolle der Vorwärmtemperatur des Werkstücks erforderlich.
Polyamid (PA)-Beschichtungen (typischerweise Nylon 1010, Nylon 11, Nylon12) haben einen Schmelzpunkt im Bereich von 180 bis 230 °C und thermische Zersetzungstemperaturen von über 300 °C; Allerdings bleibt der Bereich zwischen ihrer Schmelz- und Zersetzungstemperatur eng. Das Eintauchen in Nylon erfordert oft eine sofortige Abkühlung, und die Kontrolle der Vorwärmtemperatur erweist sich als schwierig.
Einfluss der Werkstückdicke
Theoretisch sollte die Vorwärmtemperatur des Werkstücks etwas höher sein als die Schmelztemperatur des Pulvers, um das Aushärten und Ablagern des Pulvers auf der Metalloberfläche zu erleichtern. Versuchsergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass die Vorwärmtemperaturen bei Werkstücken mit unterschiedlichen Durchmessern und Dicken erheblich variieren. Dies ist auf die größere Wärmekapazität dickerer Werkstücke zurückzuführen, die eine effiziente Wärmeableitung nach dem Erhitzen behindert und zu minimalen Temperaturänderungen beim Transfer vom Ofen in den Pulvertank führt. Folglich kann bei dickeren Werkstücken keine hohe Vorwärmtemperatur angewendet werden; sie müssen stattdessen über längere Zeiträume bei niedrigeren Temperaturen erhitzt werden. Umgekehrt besitzen kleinere Werkstücke eine geringere Wärmekapazität und geben Wärme schnell ab, sodass zum effektiven Schmelzen des Pulverharzes der „Thermoschockeffekt“ durch höhere Vorwärmtemperaturen ausgenutzt werden muss. Ultradünne Werkstücke haben eine minimale Wärmekapazität und selbst bei erhöhten Temperaturen wird es schwierig, eine vollständige Beschichtungshaftung zu erreichen.
Bei Werkstücken aus Materialien mit unterschiedlichen Durchmessern oder Dicken sollten bei der Bestimmung der Vorwärmtemperaturen umfassende Überlegungen angestellt werden. Dabei muss sichergestellt werden, dass die niedrigste Temperatur eine vollständige Beschichtungsabdeckung an den dünnsten Stellen gewährleistet und gleichzeitig durch die Wahl einer geeigneten Obergrenze eine Vergilbung an dickeren Stellen vermieden wird.
Einfluss des Werkstückmaterials
Die meisten der oben genannten Testwerkstücke bestehen aus kohlenstoffarmem Stahl. Bei verschiedenen Stahlsorten, sei es Kohlenstoffstahl oder legierter Stahl, hat die Vorwärmtemperatur nur minimale Auswirkungen. Die Vorwärmtemperatur für Kupfer ähnelt der von Stahl, ist jedoch etwas höher. Aluminium verfügt über eine schnelle Wärmeleitung und -ableitung, daher sollte die Vorwärmtemperatur höher sein.
Einfluss der Werkstückform
Es wurden auch Experimente an Werkstücken unterschiedlicher Form durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass massive Teile eine langsamere Wärmespeicherung und -ableitung aufweisen, während geschlossene Hohlteile wie rohrförmige Bauteile ebenfalls eine geringere Wärmeableitung aufweisen. Im Gegensatz dazu kommt es bei Netz- und schlanken Teilen zu dem höchsten Wärmeverlust. Die Geschwindigkeit der Wärmespeicherung und -ableitung wird hauptsächlich durch das Verhältnis von Volumen zu Oberfläche des Werkstücks bestimmt. Daher ist es notwendig, die Vorwärmtemperatur auf der Grundlage eines geeigneten Koeffizienten anzupassen, der der Werkstückform entspricht. In diesem Bereich besteht weiterer Forschungsbedarf.
Fazit
- Die Vorwärmtemperatur des Werkstücks ist der kritischste Faktor für die Beschichtungsqualität beim Wirbelschichttauchen.
- Die Vorwärmtemperatur des Werkstücks wird in erster Linie durch seinen Durchmesser oder seine Dicke bestimmt und kann anhand von Abbildung 1 zur Orientierung bestimmt werden.
- Unterschiedliche Pulverharze haben unterschiedliche Schmelzpunkte und Zersetzungspunkte, die bei der Festlegung des Tauchverfahrens vollständig berücksichtigt werden sollten.
- Auch Material und Form des Werkstücks beeinflussen die erforderliche Vorwärmtemperatur, was über einen Korrekturfaktor kompensiert werden kann.
