Κατασκευή των Ελαστικών

Transcript

1 Τα ελαστικά κατασκευάζονται σύμφωνα με τις σχετικά τυποποιημένες διαδικασίες και τα μηχανήματα, σε περίπου 450 εργοστάσια ροδών στον κόσμο. Πάνω από 1 δισεκατομμύριο ελαστικά κατασκευάζονται ετησίως, κάνοντας τη βιομηχανία ελαστικών τον καταναλωτή πλειοψηφίας του φυσικού λάστιχου. Τα εργοστάσια ελαστικών αρχίζουν με τις πρώτες ύλες όπως το λάστιχο, ο Μαύρος άνθρακα, και χημικές ουσίες και παράγουν τα πολυάριθμα εξειδικευμένα συστατικά που συγκεντρώνονται και πολυμερίζονται (ψήνονται). Αυτό το άρθρο περιγράφει τα συστατικά που συγκεντρώνονται για να δημιουργήσουν ένα ελαστικό, τα διάφορα υλικά, τις χρησιμοποιούμενες διαδικασίες και τα μηχανήματα παραγωγής, και το γενικό επιχειρηματικό πρότυπο. 1 κατασκευή 1.1 Εσωτερικό ελαστικού 1.2 πτυχή σκελετού 1.3 Πλαινά τοιχώματα 1.4 Σκελετός στήριξης 1.5 Πάνω μέρος 1.6 Δημιουργία ενίσχυσης πέλματος (λινών) 1.7 Πέλμα 1.8 Γόμα 1.9 άλλα συστατικά 2 υλικά 3 διαδικασία 3.1 Σύνθεση και μίξη 3.2 Προετοιμασία υλικών 3.3 Κατασκευή ελαστικού 3.4 τελικό ψήσιμο 1 / 7

2 3.5 τελείωμα ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ Το ελαστικό είναι το μοντάρισμα των πολυάριθμων συστατικών που τοποθετούνται σε ένα τύμπανο και κατόπιν ψήνονται κάτω από θερμότητα και πίεση. Η θερμότητα διευκολύνει μια αντίδραση πολυμερισμού που διασυνδέει τα λαστιχένια μονομερή για να δημιουργήσει τα μακριά ελαστικά μόρια. Αυτά τα πολυμερή σώματα δημιουργούν την ελαστική ποιότητα που επιτρέπει στο ελαστικό να συμπιεστεί στην περιοχή όπου έρχεται σε επαφή με την επιφάνεια του δρόμου και την επαναφορά του πίσω στην αρχική μορφή, υπό υψηλής συχνότητας περιστροφή. Τα χαρακτηριστικά συστατικά που χρησιμοποιούνται στο μοντάρισμα αναφέρονται πιο κάτω. ΤΟ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ ΤΟΥ ΕΛΑΣΤΙΚΟΥ το εσωτερικό του ελαστικού είναι ένα εξαλασμένο λαστιχένιο φύλλο «halobutyl» που συντίθεται με τις πρόσθετες ουσίες που οδηγούν στη χαμηλή διαπερατότητα αέρα. Το εσωτερικό βεβαιώνει ότι το ελαστικό θα κρατήσει τον πεπιεσμένο αέρα μέσα, χωρίς διαρροή μέσω της λαστιχένιας δομής. ΠΤΥΧΗ ΤΟΥ ΣΚΕΛΕΤΟΥ Είναι ένα πεπιεσμένο φύλλο που αποτελείται από ένα στρώμα του λάστιχου, ένα στρώμα της ενίσχυσης, και ένα δεύτερο στρώμα του λάστιχου. Το πρώτο κλωστοϋφαντουργικό προϊόν που χρησιμοποιήθηκε ήταν το βαμβάκι και τα πιό πρόσφατα υλικά περιλαμβάνουν το τεχνητό μετάξι, το νάυλον, τον πολυεστέρα, και Kevlar. Τα ελαστικά των επιβατικών έχουν χαρακτηριστικά μια ή δύο πτυχές σκελετού. Οι πτυχές του σκελετού δίνουν τη δύναμη στην δομή των ελαστικών. Τα ελαστικά φορτηγών, τα ελαστικά motocross, και οι ρόδες αεροσκαφών έχουν σταδιακά περισσότερες πτυχές. Οι «ίνες» είναι ιδιαίτερα εύκαμπτες αλλά σχετικά ανελαστικές ΠΛΑΙΝΑ ΤΟΙΧΩΜΑΤΑ Τα πλαινά είναι μη-ενισχυμένα εξελασμένα κομμάτια, με πρόσθετες ουσίες για να δώσουν στις πλευρές καλή αντίσταση γδαρσίματος και περιβαλλοντική αντίσταση. Οι πρόσθετες ουσίες που χρησιμοποιούνται στα πλαινά περιλαμβάνουν αντιοξειδωτικά στοιχεία. Τα 2 / 7

3 εξελασμένα κομμάτια των πλαινών είναι ασύμμετρα και παρέχουν μια παχιά λαστιχένια περιοχή για να επιτρέψουν την εγγραφή των στοιχείων των ελαστικών και των σχεδίων διακόσμησης. ΣΚΕΛΕΤΟΣ ΣΤΗΡΙΞΗΣ Είναι ζώνες χαλύβδινου σύρματος μεγάλης δύναμης που περιβάλλεται με μια λαστιχένια ένωση. Το καλώδιο αυτό είναι ντυμένο με πρόσθετα κράματα χαλκού ή ορείχαλκου. Τα επιστρώματα προστατεύουν το χάλυβα από τη διάβρωση. Χαλκός στο κράμα και θείο στο λαστιχένιο περίβλημα για να παράγει το σουλφίδιο του χαλκού, το οποίο βελτιώνει τη σύνδεση του σύρματος στο λάστιχο. Το εσωτερικό πλαίσιο είναι άκαμπτο και ανελαστικό, και παρέχει την αντοχή για να εγκαταστήσουμε μηχανικά το ελαστικό στον τροχό. Το λάστιχο που περιβάλλει το σύρμα περιλαμβάνει τις πρόσθετες ουσίες για να μεγιστοποιήσει τη δύναμη και την ανθεκτικότητα. ΠΑΝΩ ΜΕΡΟΣ (ΚΟΡΩΝΑ) Το πάνω μέρος είναι ένα τριγωνικό εξελασμένο κομμάτι που ενώνεται με το σύρμα του εσωτερικού πλαισίου. Παρέχει ένα «μαξιλάρι» μεταξύ του σύρματος και της εύκαμπτης εσωτερικής πτυχής του σκελετού. Ονομάζεται filler. ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ ΠΕΛΜΑΤΟΣ (λινών) Είναι πεπιεσμένα φύλλα που αποτελούνται από ένα στρώμα λάστιχου, ένα στρώμα των λεπτών ινών χάλυβα, και ένα δεύτερο στρώμα του λάστιχου. Οι ίνες χάλυβα προσανατολίζονται ακτινωτά στην Radial κατασκευή ελαστικών, και σε αντίθετες γωνίες στην Bias κατασκευή ελαστικών. Οι ζώνες αυτές δίνουν τη δύναμη στο ελαστικό και την αντίσταση στα ζουλίγματα, παραμένοντας εύκαμπτο. Στα ελαστικά των επιβατικών υπάρχουν συνήθως δύο ή τρεις ζώνες. ΠΕΛΜΑ Είναι ένα παχύ εξελασμένο κομμάτι που περιβάλλει το σκελετό του ελαστικού. Τα συστατικά του πέλματος περιλαμβάνουν τις πρόσθετες ουσίες για να μεταδώσουν την αντοχή και την έλξη και την περιβαλλοντική αντίσταση. Η εξέλιξη του πέλματος είναι μια διαδικασία δύσκολη, δεδομένου ότι οι σκληρές ενώσεις έχουν τα μακροχρόνια χαρακτηριστικά αλλά τη φτωχή έλξη στον δρόμο ενώ οι μαλακές ενώσεις έχουν την καλή έλξη αλλά όχι την μακροζωία. ΓΟΜΑ 3 / 7

4 Η γόμμα παρεμβάλει ένα εξελασμένο συστατικό μεταξύ της ζώνης του χάλυβα και του πέλματος για να απομονώσει το πέλμα από τη μηχανική καταπόνηση λόγω της πιθανής επαφής με τις ζώνες χάλυβα. ΑΛΛΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ Οι μέθοδοι κατασκευής των ελαστικών ποικίλλουν και στον αριθμό και τον τύπο συστατικών που χρησιμοποιούνται, καθώς επίσης και στην σύνθεση του κάθε συστατικού, σύμφωνα με την χρήση και το όριο τιμής του ελαστικού. Οι κατασκευαστές καινοτομούν συνεχώς με νέα υλικά και μεθόδους κατασκευής προκειμένου να επιτευχθεί η υψηλότερη απόδοση με χαμηλότερο κόστος. ΥΛΙΚΑ - Το φυσικό λάστιχο, ή Polyisoprene είναι το βασικό ελαστομερές που χρησιμοποιείται στο ελαστικό - Στυρόλιο-βουταδιένιο co-πολυμερές (SBR) είναι ένα συνθετικό λάστιχο που αντικαθιστά συχνά εν μέρει το φυσικό λάστιχο - Polybutadiene χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με άλλα λάστιχα λόγω της χαμηλής συγκέντρωσης θερμότητας - Το Halobutyl χρησιμοποιείται για το εσωτερικό πλαίσιο, λόγω της χαμηλής διαπερατότητας αέρα του. Τα άτομα αλόγονου παρέχουν έναν δεσμό με τον σκελετό που είναι κυρίως φυσικό λάστιχο. Το Bromobutyl είναι ανώτερο από Chlorobutyl, αλλά είναι ακριβότερο - Μαύρος άνθρακας, περιλαμβάνεται σε υψηλό ποσοστό της λαστιχένιας ένωσης. Αυτό δίνει ενίσχυση και αντίσταση γδαρσίματος - Πυρίτιο, που χρησιμοποιείται μαζί με το Μαύρο άνθρακα στα ελαστικά υψηλής απόδοσης, ως ενίσχυση λόγω συγκέντρωσης θερμότητας - Το θείο διασυνδέει τα λαστιχένια μόρια στη διαδικασία ψησίματος - Επιταχυντές είναι σύνθετες οργανικές ενώσεις που επιταχύνουν το ψήσιμο - Ενεργοποιητές που βοηθούν τον πολυμερισμό. Ο κυριότερος ενεργοποιητής είναι το οξείδιο ψευδάργυρου - Αντιοξειδωτικά και αντιοζονοτικά που αποτρέπουν το ράγισμα, λόγω της δράσης του φωτός του ήλιου και του όζοντος ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Τα στάδια της διαδικασίας παραγωγής διαιρούνται σε πέντε τμήματα που εκτελούν πρόσθετες διαδικασίες. Αυτά συνήθως υπάρχουν ως ανεξάρτητα εργοστάσια μέσα σε ένα εργοστάσιο. Οι μεγάλοι κατασκευαστές ελαστικών μπορούν να ιδρύσουν τα ανεξάρτητα εργοστάσια σε μια ενιαία περιοχή, ή να τα τοποθετήσουν σε μια ευρύτερη περιοχή. 4 / 7

5 ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΜΙΞΗ Είναι η συγκέντρωση όλων των συστατικών που απαιτούνται για να δημιουργηθεί μια παρτίδα λαστιχένιας ένωσης. Κάθε συστατικό έχει ένα διαφορετικό μίγμα στοιχείων σύμφωνα με τις ιδιότητες που απαιτούνται. Η μίξη είναι η μηχανική διαδικασία προκειμένου τα συστατικά να συνδυαστούν σε μια ομοιογενή ουσία. Οι αναμίκτες είναι συχνά εξοπλισμένοι με δύο αντιθέτως περιστρεφόμενους στροφείς μέσασε ένα τεράστιο δοχείο και αναμιγνύουν τη λαστιχένια μάζα μαζί με τις πρόσθετες ουσίες. Η μίξη γίνεται σε τρία ή τέσσερα στάδια για να ενσωματώσει πλήρως τα συστατικά. Η διαδικασία παράγει ιδιαίτερη θερμότητα, έτσι και οι στροφείς και το δοχείο ψύχονται με νερό για να διατηρηθεί μια θερμοκρασία αρκετά χαμηλή να μην αρχίσει ο πολυμερισμός. Μετά από την ανάμιξη το λάστιχο πέφτει σε μια μήτρα και τροφοδοτείται από μια μεταφορική βίδα σε έναν σύμπλεγμα κυλίνδρων ή μπορεί να πέσει σε ένα ανοικτό σύστημα μύλων. Ένας μύλος αποτελείται από δίδυμους αντίθετα περιστρεφόμενους κυλίνδρους, (ο ένας που κόβει οδοντωτά), που παρέχουν την πρόσθετη μηχανική κατεργασία στο λάστιχο, και παράγουν ένα παχύ λαστιχένιο φύλλο. Το φύλλο τραβιέται από τους κυλίνδρους υπό μορφή λουρίδας. Η λουρίδα ψύχεται, τοποθετείται πάνω της talc, και τοποθετείται σε παλέτες. Η ιδανική ελαστική ένωση, σε αυτό το σημείο,θα είχε μια ιδιαίτερα ομοιόμορφη υλική διασπορά, εντούτοις στην πράξη υπάρχει ιδιαίτερη ανομοιομορφία. Αυτό οφείλεται σε διάφορες αιτίες, συμπεριλαμβανομένων των καυτών και κρύων σημείων στον κάδο και τους στροφείς των αναμικτών, της υπερβολικής λείανσης των στροφέων, της επένδυσης των στροφέων, και της κακής κυκλοφορίας στα διάφορα σημεία της ροής. Κατά συνέπεια, μπορεί να υπάρξει λίγο περισσότερος Μαύρος άνθρακα εδώ, και λίγο λιγότερο εκεί μαζί με λίγες μάζες Μαύρου άνθρακα αλλού, οι οποίες δεν αναμιγνύονται καλά με το λάστιχο ή τις πρόσθετες ουσίες. Οι αναμίκτες ελέγχονται συχνά, η ροή στη μηχανή αναμικτών μετριέται, και η μίξη ολοκληρώνεται με την επίτευξη ενός διευκρινισμένου συνολικού ποσού ενέργειας των μιγμάτων που μεταδίδεται στη παρτίδα ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΩΝ Τα συστατικά περνούν από 3 στάδια, τους κυλίνδρους,την μηχανή διέλασης και την μηχανή χαλύβδινου σύρματος. Η μηχανή διέλασης αποτελείται από μια βίδα και ένα βαρέλι, θερμάστρες κινούμενες με βίδες, και μια μήτρα. Η μηχανή διέλασης εφαρμόζει δύο παράγοντες στην ένωση, τη θερμότητα και την πίεση. Η βίδα κίνησης της διέλασης επιτρέπει επίσης την πρόσθετη μίξη συστατικών στη ένωση. Η ένωση ωθείται μέσω μιας μήτρας (καλουπιού), και μετά το διελασμένο προιόν ψήνεται σε έναν φούρνο, ψύχεται για να ολοκληρώσει τη διαδικασία θείωσης, και είτε τυλίγεται επάνω σε ένα στροφείο είτε κόβεται σε διάφορα μήκη. Τα πέλματα των ελαστικών διελάζονται συχνά με τέσσερα διαφορετικά συστατικά σε μια μηχανή διέλασης «quadraplex», η οποία έχει τέσσερις μεταφορικές βίδες που μεταφέρουν τέσσερις διαφορετικές ενώσεις, συνήθως μια ένωση βάσης, τον πυρήνα, μια ένωση πέλματος, και την ένωση των φτερών. Η διέλαση χρησιμοποιείται επίσης για τα πλαινά και τον εσωτερικό σκελετό. Ο κύλινδρος είναι ένα σύνολο μεγάλης διαμέτρου τυμπάνων, που συμπιέζουν τη λαστιχένια ένωση σε ένα λεπτό φύλλο, συνήθως σε 2 μέτρα πλάτος. Τα τύμπανα περιέλιξης του «υλικού» ενώνουν ένα άνω και ένα κάτω λαστιχένιο φύλλο με ένα στρώμα 5 / 7

6 του υλικού ενδιάμεσα. Τα τύμπανα χάλυβα κάνουν ακριβώς έτσι και με τις ίνες χάλυβα. Τα τύμπανα χρησιμοποιούνται για να παραγάγουν τις πτυχές του σκελετού και τις στρώσεις των ενισχύσεων. ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΤΟΥ ΕΛΑΣΤΙΚΟΥ είναι η διαδικασία όπου όλα τα συστατικά τοποθετούνται επάνω σε ένα τύμπανο κατασκευής ελαστικού. Οι μηχανές κατασκευής των ελαστικών «TBM» μπορούν να χρησιμοποιηθούν με το χέρι ή πλήρως αυτοματοποιημένες. Οι διαδικασίες «TBM» περιλαμβάνουν το πρώτο στάδιο, όπου το εσωτερικό του ελαστικού, οι πτυχές, και τα πλαινά είναι τυλιγμένα γύρω από το τύμπανο,και τοποθετείται το εσωτερικό στεφάνη του ελαστικού. Στο δεύτερο στάδιο η συσκευασία των ενισχύσεων και το πέλμα τοποθετούνται και η «πράσινη ρόδα» είναι διογκωμένη και διαμορφωμένη. Όλα τα υλικά αυτά απαιτούν μάτηση. Οι πτυχές του σκελετού και το εσωτερικό ελαστικό συνδέονται με μια τετραγωνισμένη μάτηση. Το πέλμα και τα πλαινά ενώνονται με μια μάτηση, όπου οι άκρες κόβονται. Οι ζώνες συνδέονται δίπλα δίπλα. Οι ματήσεις που είναι πάρα πολύ βαριές και μη συμμερικές θα δημιουργήσουν την αντίσταση στην δυναμική καταπόνηση, στις παραμέτρους διόγκωσης και την καλύτερη ισορροπία. Οι ματήσεις που είναι πάρα πολύ ελαφριές ή ανοικτές μπορούν να οδηγήσουν στις οπτικές ατέλειες και σε μερικές περιπτώσεις την αποτυχία στην κατασκευή του ελαστικού. Το τελικό προϊόν της διαδικασίας «TBM» καλείται «πράσινη ρόδα». Η Pirelli ανέπτυξε μια πρόσθετη διαδικασία αποκαλούμενη «MIRS» που χρησιμοποιεί τα ρομπότ για να περιστρέφει τα τύμπανα περιέλιξης εφαρμόζοντας τα διαφορετικά συστατικά, κατευθείαν μέσω των μεθόδων διέλασης και κοπής των λουρίδων. Αυτό επιτρέπει στον εξοπλισμό να φτιάχνει τα διαφορετικά μεγέθη ελαστικών σε διαδοχικές διαδικασίες χωρίς την ανάγκη να αλλαχτεί η πορεία οργάνωσης ή ο εξοπλισμός. Αυτή η διαδικασία ταιριάζει στη μικρή παραγωγή όγκου με συχνές αλλαγές μεγέθους ελαστικών. Οι μεγαλύτεροι κατασκευαστές ελαστικών έχουν αναπτύξει εσωτερικά τις αυτοματοποιημένες μηχανές σε μια προσπάθεια να δημιουργηθούν τα ανταγωνιστικά πλεονεκτήματα στην ακρίβεια κατασκευής ελαστικών, την υψηλή απόδοση παραγωγής, και τη μειωμένη εργασία. ΤΕΛΙΚΟ ΨΗΣΙΜΟ Είναι η διαδικασία εφαρμογής πίεσης στην «πράσινη ρόδα»,σε ένα καλούπι προκειμένου να δοθεί η τελική μορφή της, και ταυτόχρονα εφαρμογή της θερμότητας για να ξεκινήσει η χημική αντίδραση μεταξύ του λάστιχου και άλλων υλικών. Σε αυτήν την διαδικασία η «πράσινη ρόδα» μεταφέρεται αυτόματα στο καλούπι, μια λαστιχένια κύστη τοποθετείται εσωτερικά στην πράσινη ρόδα, και αρχίζει να διογκώνεται. Το καλούπι κλείνει και κλειδώνει, η πίεση αυξάνεται ώστε να εφαρμόσει η πράσινη ρόδα στα τοιχώματα του καλουπιού, που παίρνει το σχέδιο του πέλματος και γίνεται η εγγραφή στα πλαινά των χαρακτηριστικών του ελαστικού. Την κύστη γεμίζει ένα υλικό ζεστό το οποίο επανακυκλοφορεί, όπως ο ατμός, το καυτό νερό, ή το αδρανές αέριο. Οι θερμοκρασίες είναι της τάξεως των 350 βαθμών Fahrenheit (180 βαθμοί Κελσίου) με τις πιέσεις γύρω στα 350 PSI (25 bar). Η διαδικασία ψησίματος διαρκεί περίπου 15 λεπτά. Στο τέλος του 6 / 7

7 ψησίματος η πίεση αφαιρείται, το καλούπι ανοίγει, και το ελαστικό ξεκαλουπώνεται. Το ελαστικό μπορεί να τοποθετηθεί σε ένα PCI, το οποίο θα κρατήσει το ελαστικό πλήρως διογκωμένο ενώ ψύχεται. Υπάρχουν δύο τύποι μηχανών ψησίματος, μηχανικός και υδραυλικός. Οι μηχανικοί τύποι κρατούν τη φόρμα κλειστή μέσω των συνδέσμωντραβερσών, ενώ οι υδραυλικοί Τύποι χρησιμοποιούν το υδραυλικό λάδι ως πρωταρχικό μέσο για την κίνηση των μηχανισμών, και τις κλειδαριές του καλουπιού. Οι υδραυλικοί Τύποι έχουν προκύψει ως οικονομικώς πιό αποδοτικοί. Υπάρχουν δύο γενικοί τύποι καλουπιών, διμερείς και λειόμενες φόρμες. ΤΕΛΙΚΟ ΣΤΑΔΙΟ Αφού το ελαστικό έχει πολυμεριστεί (ψηθεί) ακολουθούν διάφορες πρόσθετες διαδικασίες. Η μέτρηση ομοιομορφίας των ελαστικών είναι μια δοκιμή όπου τοποθετείται αυτόματα σε διαιρούμενες ζάντες, διογκώνεται, εξομειώνεται η κύλιση στον δρόμο, και μετριέται για ένα εύρος δυνάμεων. Η μέτρηση ισορροπίας των ελαστικών είναι μια δοκιμή όπου τοποθετείται αυτόματα σε διαιρούμενες ζάντες, περιστρέφεται σε μια υψηλή ταχύτητα και μετριέται για τη δυσαναλογία. Κάποιες κατηγορίες ελαστικών επιθεωρούνται από μηχανές ακτίνας X που μπορούν να διαπεράσουν το λάστιχο για να αναλύσουν τη δομή των ινών χάλυβα. Στο τελικό στάδιο, τα ελαστικά επιθεωρούνται από τα ανθρώπινα μάτια τα οποία μπορούν να δουν πολυάριθμες ατέλειες όπως η ελλιπής φόρμα, εκτεθειμένες ίνες, φουσκάλες, και άλλα. 7 / 7