Производство пластических масс

|90-95% для крупногабаритных | |

|деталей впрыск полимера | |

|прекращается и в полость формы | |

|подается газ под давлением 10-80 | |

|МПа. В крупногабаритных изделиях | |

|газ подается в так называемые | |

|газовые каналы - утолщения, | |

|предусмотренные в конструкции | |

|изделия. Двигаясь по центральной | |

|части газовых каналов (на | |

|поверхности газовых каналов | |

|остается слой застывшего | |

|полимера), газ вытесняет расплав | |

|полимера и обеспечивает полное | |

|оформление изделия. В качестве | |

|газа в данном процессе обычно | |

|применяется азот, который имеет | |

|низкую цену, инертен и доступен. | |

| | |

|В обычном литье под давлением | |

|уплотнение полимера происходит за| |

|счет давления, создаваемого в | |

|гидроцилиндре узла впрыска | |

|(стадия выдержки под давлением). | |

|Это давление передается в дальние| |

|области изделия через большой | |

|слой остывающего полимера. | |

|При литье с газом уплотнение | |

|полимера происходит за счет | |

|давления газа в газовых каналах, | |

|поэтому процесс уплотнения | |

|проходит легче (даже при | |

|небольшом давлении газа), чем в | |

|обычном литье под давлением. | |

|Литье с газом позволяет получить | |

|изделия с хорошим качеством | |

|поверхности, без утяжек и без | |

|коробления, с минимальным уровнем| |

|остаточных напряжений (т.е. с | |

|высокой стабильностью размеров). | |

| | |

|При литье с газом используется | |

|обычная литьевая машина - это | |

|важное обстоятельство и | |

|способствовало популярности | |

|данной технологии - а также | |

|специальное оборудование для | |

|подачи газа. Процесс литья с | |

|газом может проводится в двух | |

|вариантах: с управлением | |

|давлением газа (pressure-control | |

|process) и с управлением объемом | |

|подаваемого газа (volume-control | |

|process). В первом варианте | |

|компрессор высокого давления | |

|обеспечивает требуемый профиль | |

|давления газа (чаще всего | |

|используется 2 ступени). Во | |

|втором варианте заданный объем | |

|сжатого газа подается в | |

|пресс-форму с помощью поршневого | |

|дозирующего компрессора | |

|импульсного действия. | |

|Существуют различные схемы подачи| |

|газа. Впуск газа может | |

|осуществляться через сопло | |

|литьевой машины, в литниковую | |

|систему (в центральный или | |

|разводящий литник) или | |

|непосредственно в полость формы. | |

|В первых 2-х случаях применяется | |

|холодноканальная литниковая | |

|система, а сопло должно быть | |

|оснащенно запорным клапаном, для | |

|предотвращения попадания газа в | |

|материальный цилиндр. Интересным | |

|решением является подача газа в | |

|изделие со стороны, | |

|противоположной впуску, когда газ| |

|вытесняет расплав полимера из | |

|внутренних областей полости в | |

|цилиндр литьевой машины | |

|(push-back process). В этом | |

|случае также применяется сопло с | |

|запорным клапаном. | |

|Рассмотрим принципы конструирования газовых каналов. |

|Газовые каналы выполняют при литье с газом 3 функции: а) на стадии впрыска |

|полимера газовые каналы работают как холодноканальные литники, |

|транспортируя расплав полимера к дальним областям изделия; б) после впуска |

|газа последний вытесняет расплав полимера из внутренних областей газовых |

|каналов (стадия вытеснения), обеспечивая 100% заполнение изделия полимером;|

|с) далее под действием давления газа происходит уплотнение полимера в |

|изделии (стадия уплотнения). Конструкция газовых каналов должна учитывать |

|особенности поведения полимера и газа на этих трех стадиях процесса. |

|Форма и размеры поперечного сечения, расположение газовых каналов, места |

|впуска полимера и газа выбираются с учетом следующих факторов: |

|1) Возможность заполнения 80-95% изделия расплавом до подачи газа. При |

|малой толщине газовых каналов расплав не достигает дальних областей |

|изделия. |

|2) Равномерность (сбалансированность) заполнения изделия расплавом. |

|Нарушение данного принципа может привести к недоливу, короблению изделия. |

|Газовые каналы должны заканчиваться рядом с теми областями изделия, которые|

|заполняются на стадии впрыска полимера в последнюю очередь. |

|3) Необходима также балансировка для газа. Неравномерность движения газа |

|может быть вызвана неравномерностью охлаждения полимера или другими |

|причинами. |

|4) Отсутствие опасных воздушных ловушек. На стадии впрыска расплав полимера|

|движется по газовым каналам быстрее, чем по более тонким областям изделия. |

|При большой толщине газовых каналов происходит образование воздушных |

|ловушек и линий спая между двумя газовыми каналами (racetrack effect). Для |

|предотвращения этого явления рекомендуется выбирать для начала толщину |

|газовых каналов в 2-2.5 раз больше толщины изделия. Это оценочная величина |

|и часто такая толщина газовых каналов будет недостаточна. Поведение |

|расплава в реальной пресс-форме зависит от вязкости материала, толщины |

|изделия и др. факторов. При этом толщина газовых каналов может превышать |

|основную толщину изделия в 4 раза. |

|5) Впуск полимера может производиться в газовый канал или в основную стенку|

|изделия. В первом случае облегчается заполнение крупногабаритных изделий. |

|Во втором варианте уменьшается длина затекания, но одновременно снижается |

|эффект ускорения течения расплава по газовым каналам. |

|6) Объем газовых каналов должен быть достаточен для 100% заполнения изделия|

|с учетом уплотнения. При малом объеме газовых каналов возникает недолив. |

|Газ может двигаться в канале, только вытесняя из него полимер. Если объем |

|газовых каналов слишком большой, газ не может дойти до конца газовых |

|каналов. Это приводит к утяжкам (в каналах, заполненных полимером), |

|короблению и значительно увеличивает время цикла. Для вытеснения "лишнего" |

|полимера из газовых каналов после заполнения изделия могут использоваться |

|прибыли (spillover, overflow) с постоянным или регулируемым объемом. |

|Применение прибылей увеличивает стоимость процесса (увеличивается объем |

|вторичной переработки материала). Во многих случаях случаев нет |

|необходимости использовать прибыли. |

|7) Так как в изделии с газовыми каналами имеется большой перепад толщин, |

|часто может проявляться эффект замедления (hesitation effect), который |

|повышает неравномерность заполнения и приводит к недоливу. |

|8) Искривление газового канала приводит к неравномерному уменьшению толщины|

|слоя полимера и ослабляет изделие (газ движется в искривленном газовом |

|канале по кратчайшему пути). Этот эффект можно предотвратить, увеличивая |

|охлаждение канала со соответствующей стороны (за счет правильного выбора |

|формы поперечного сечения канала, расположения охлаждающих каналов). |

|9) Попадание газа в тонкостенные части изделия (этот эффект называется |

|fingering значительно снижает механическую прочность изделия и ухудшает его|

|внешний вид (для прозрачных изделий). Данный эффект часто наблюдается при |

|расположении газовых каналов перпендикулярно направлению растекания |

|расплава. Эффект можно устранить при задержке подачи газа, повышении |

|эффективности охлаждения изделия, уменьшении основной толщины изделия. |

|10) Замкнутые газовые каналы могут создавать несколько проблем. Во-первых, |

|они приводят к образованию воздушных ловушек. Во-вторых, в месте встречи |

|2-х воздушных пузырей остается слой полимера. Для полного охлаждения этого |

|слоя необходимо значительно увеличить время цикла. Часто давления газа |

|недостаточно для уплотнения толстого слоя полимера, поэтому здесь возможна |

|утяжка. |

|11) Механическая прочность и жесткость изделия. Газовые каналы, если у них |

|достаточная толщина стенки, повышают механические характеристики изделия. |

|Однако не рекомендуется пытаться использовать газовые каналы для улучшения |

|механических характеристик изделия. Проще всего это сделать за счет системы|

|ребер. |

|12) Закрытие литникового канала перед подачей газа для предупреждения |

|попадания газа в цилиндр литьевой машины. Для этого используется |

|запирающееся сопло литьевой машины, запирающееся горячеканальное сопло или |

|другие решения. Если впрыск полимера осуществляется не в газовый канал, газ|

|может быть отсечен от литникового канала застывающим полимером. |

|13) Хотя при литье с газом могут использоваться несколько впусков газа в |

|изделие, количество впусков газа должно быть минимальным. Каждый впуск - |

|это дырка в изделии. Кроме того в разных впусках сопротивление газу может |

|различаться. Газ может проигнорировать впуск с большим сопротивлением. |

|14) След на изделии на линии остановки полимера (hesitation line). При |

|задержке подачи газа на изделии может оставаться след в месте остановки |

|фронта расплава, но этот дефект более характерен для полых изделий. След на|

|изделии иногда можно устранить изменением технологического режима, однако |

|для гарантированного отсутствия следа применяют 100% заполнение изделия |

|полимером перед подачей газа, а избыток материалы вытесняют в прибыли. |

|15) При разводке газовых каналов необходимо учитывать, что уплотнение |

|полимера и компенсация объемной усадки может происходить в данной |

|технологии только за счет давления газа. При увеличении расстояния от |

|области изделия до газового канала эффективность уплотнения этой области |

|уменьшается. Чем меньше текучесть материала, тем ближе должны быть газовые |

|каналы к уплотняемой области изделия. |

|При доработках пресс-формы необходимо учитывать, что добавление или любое |

|изменение газового канала может кардинально изменить характер заполнения |

|изделия. |

|Реальное поведение полимера и газа в полости формы определяется многими |

|факторами и очень сильно зависит от особенностей используемой марки |

|полимера. Современная технология компьютерного анализа позволяет |

|спрогнозировать это поведение и оптимизировать конструкцию изделия и |

|пресс-формы на этапе подготовки производства. |

Литье тонкостенных изделий

| |

|Одним из наиболее эффективных методов снижения себестоимости изделия |

|является уменьшение толщины стенки изделия, позволяющее уменьшить расход |

|материала и цикл литья. Однако толщина стенки менее 1 мм и время цикла литья|

|5-10 сек накладывают особые требования к материалу, оборудованию и |

|пресс-форме. Поэтому говорят о технологии тонкостенного литья (thinwall |

|molding). |

|Можно выделить 3 типа изделий, для литья которых применяется технология |

|тонкостенного литья. К первому типу относятся изделия из термически |

|стабильных материалов, таких как полиэтилен, полипропилен, полистирол и др.,|

|толщиной менее 1 мм. Указанные материалы используются для изготовления |

|упаковки, одноразовой посуды. Низкий уровень механических свойств данных |

|материалов обычно не позволяет снизить толщину менее 0.5-0.6 мм. |

|Ко второму типу можно отнести технически сложные изделия толщиной менее 1 |

|мм, отливаемые из конструкционных термопластов (АБС-пластик, полиамиды, |

|поликарбонат, полибутилентерефталат, полиацетали и др.) и |

|суперконструкционных материалов (полифениленсульфид, полиэфирсульфон, |

|полиэфирэфиркетон, жидкокристаллические полимеры, полиэфиримид и др.). |

|Данные материалы отличаются высоким уровнем механических свойств и невысокой|

|термической стабильностью при переработке. Из этих материалов могут |

|отливаться сверхтонкие изделия, например: электрический разъем из |

|стеклонаполненного жидкокристаллического полимера длиной 250 мм с толщиной |

|стенки 0.4 мм /5/, миниатюрные разъемы из жидкокристаллического полимера |

|толщиной 0.2-0.3 мм /6/, корпуса электрических катушек из PA 66 и ПБТ |

|толщиной 0.15 - 0.27 мм /7/. Существуют примеры литья и более тонких |

|изделий, например толщиной 0.08 мм. |

|Тонкостенные изделия третьего типа - изделия толщиной более 1 мм с |

|отношением длина потока/толщина более 100. Литье таких изделий имеет свои |

|особенности и в данной работе не рассматривается. |

|Требования к литьевой машине, пресс-форме и материалу для тонкостенного |

|литья |

|Требования к литьевой машине, пресс-форме и материалу изделия при |

|тонкостенном литье обобщены в таблице: |

|Литьевая |Высокое давление |

|машина |Высокая скорость впрыска |

| |Высокое усилие замыкания |

| |Быстроходность |

| |Высокий уровень системы управления |

| |Высокий уровень гидравлической системы |

|Пресс-форма|Горячеканальная система |

| |Интенсивное и равномерное охлаждение |

| |Повышенные требования к центрированию |

| |Повышенная точность изготовления литниковой системы |

| |Увеличенное усилие выталкивания |

| |Увеличенные литьевые уклоны |

| |Хорошая вентиляция |

| |Надежность работы всех систем пресс-формы |

| |Повышенная прочность и износостойкость материалов пресс-формы |

|Материал |Высокая текучесть |

|изделия |Стабильность |

| |Способность к "быстрому литью" |

| |Высокие механические свойства |

|При литье тонкостенных изделий из термически нестабильных материалов одним |

|из наиболее критических параметров литьевой машины является скорость |

|впрыска. При тонкостенном литье необходима очень высокая скорость впрыска |

|т.к. материал очень быстро застывает. Литьевая машина для тонкостенного |

|литья должна иметь гидроаккумулятор. Гидроаккумулятор увеличивает подачу |

|масла в гидроцилиндр узла впрыска, что позволяет повысить скорость впрыска |

|в 3 раза по сравнению с обычной машиной. |

|Если тонкостенное изделие отливается из термически стабильного материала, |

|обычно можно взять машину с большим объемом - это обеспечивает повышение |

|скорости впрыска. Для термически нестабильных материалов объем впрыска |

|должен соответствовать объему отливки и время пребывания материала при |

|высокой температуре должно быть минимальным. |

|Машина для тонкостенного литья должна обеспечивать высокое давление впрыска|

|(1800-2500 кгс/см2 и более) и соответствующее высокое усилие замыкания. |

|Например, для литья корпуса источника питания толщиной менее 0.5 мм из |

|поликарбоната потребовалась машина с давлением литья, превышающем 2760 |

|кгс/см2 . |

|Важнейшее условие получения качественных тонкостенных изделий - высокий |

|уровень системы управления машины (управление с обратной связью по основным|

|параметрам процесса, контроль процесса), надежность и стабильность работы |

|машины. Изменение времени впрыска на 0.1 с может привести к недоливу. |

|Применение холодноканальных литников при тонкостенном литье неэффективно |

|из-за большого времени охлаждения литников и значительных потерь давления |

|расплава в литниковой системе. По этой причине для литья тонкостенных |

|изделий используют горячеканальные литниковые системы или реже - для |

|термически стабильных материалов - системы с незастывающими литниками, |

|которые имеют меньшую стоимость, но менее надежны в работе. |

|При тонкостенном литье должна быть обеспечена высокая надежность работы |

|всех систем пресс-формы. Особое внимание должно быть уделено центрированию |

|формообразующих элементов. Смещение пуансона относительно матрицы на 0.01 |

|мм может привести к резкому изменению характера течения полимера при |

|впрыске. Высокая скорость впрыска требует хорошей вентиляции оформляющей |

|полости. |

|В многогнездных формах важным фактором является точность изготовления |

|литниковой системы. Небольшие различия в размерах литниковых каналов |

|(особенно впускных литников) могут вызвать резкие изменения характера |

|заполнения гнезд отливки. |

|При тонкостенном литье часто необходимо более высокое усилие выталкивания и|

|увеличенные по сравнению с обычным литьем литьевые уклоны - следствие |

|более высокого давления литья. |

|Высокие давление и скорость впрыска накладывают особые требования к |

|материалам пресс-формы. При литье тонкостенных изделий рекомендуется |

|применять более износостойкие и прочные стали, типа стали H13 |

|(отечественный аналог 4Х5МФ1С) /1/. |

|Высокие требования к пресс-формам для тонкостенного литья приводят к ее |

|удорожанию на 30-40% по сравнению с обычным литьем. Более высокая стоимость|

|пресс-формы окупается за счет меньшего веса изделия и большей |

|производительности процесса. |

|Высокая текучесть - одно из обязательных свойств материала для |

|тонкостенного литья. Выпускаемый в настоящее время марочный ассортимент |

|зарубежных термопластов включает достаточное количество материалов с низкой|

|вязкостью различного применения. Необходимо учитывать, однако, что |

|повышение текучести материала сопровождается уменьшением основных |

|механических характеристик. |

|При толщинах стенки меньше 1 мм "окно переработки" становится очень узким. |

|Это накладывает жесткие требования к стабильности характеристик материала. |

| |

|Уменьшение времени цикла литья ограничено теплофизическими характеристиками|

|материала (для кристаллизующихся материалов - скоростью кристаллизации). |

|Некоторые марки материалов разработаны специально для тонкостенного литья. |

|Они характеризуются как материалы с "быстрым циклом" (fast cycle, high |

|cycle). |

|Тонкостенное литье требует более точного учета технологических и |

|эксплуатационных особенностей материала при конструировании изделия. |

|Оптимальное решение может быть найдено в компьютерном анализе. |

|Оптимизация толщины стенки изделия, литниковой системы и технологического |

|режима |

|В таблице приведены результаты анализа впрыска для кофейной чашки из |

|полипропилена марки Каплен 01250 в программном продукте MPI/FLOW фирмы |

|Moldflow при различной толщине стенки. Анализ проводился при температуре |

|расплава 220С и температуре формы 40С. |

|Толщин|Вес |Оптимал|Общая толщина |Время |Потери |Распорное |

|а |издели|ьное |2-х застывших |охлаждения |давления|усилие при |

|(мм) |я |время |слоев при | |: |впрыске |

| |(г) |впрыска|окончании |(с) |изделие |(тс) |

| | |(с) |впрыска (мм) | |+ литник| |

| | | | | |(кгс/см2| |

| | | | | |) | |

|0.4 |5.7 |0.18 |0.21 |0.3 |990 |40 |

|0.5 |7.1 |0.24 |0.22 |0.5 |780 |30 |

|0.6 |8.5 |0.30 |0.20 |0.8 |680 |25 |

|0.7 |10.0 |0.35 |0.26 |1.1 |600 |22 |

|0.8 |11.4 |0.43 |0.30 |1.4 |530 |19 |

|0.9 |12.8 |0.53 |0.34 |1.7 |460 |16 |

|1.0 |14.2 |0.64 |0.38 |2.1 |410 |14 |

|Уменьшение толщины стенки изделия приводит к быстрому росту потерь |

|давления расплава на стадии впрыска. Если эти потери давления превышают |

|допустимое давление для используемой литьевой машины, может появиться |

|недолив. |

|При тонкостенном литье большую роль играет застывший пристенный слой, |

|толщина которого сопоставима с толщиной полости. Величина застывшего слоя|

|очень сильно зависит от скорости впрыска, поэтому при тонкостенном литье |

|правильный выбор скорости впрыска имеет особое значение. |

|Одним из наиболее критических мест горячеканальной литниковой системы |

|является впускной литник. Слишком тонкий впускной литник является |

|причиной недолива, дефектов изделия вблизи впуска. При большой толщине |

|впускного литника ухудшается внешний вид изделия. Оптимальная толщина |

|впускного литника зависит от текучести материала, толщины изделия и длины|

|потоков расплава. Оптимальная толщина впускного литника может быть |

|определена в компьютерном анализе. |

|Оптимизация системы охлаждения пресс-формы |

|Особое значение при тонкостенном литье имеет конструкция системы |

|охлаждения пресс-формы. Оптимизация системы охлаждения проводится в |

|компьютерном анализе. Расчеты, представленные в данной работе выполнены в|

|программном продукте MPI/COOL фирмы Moldflow. |

|Для обеспечения стабильности процесса охлаждение пресс-формы для литья |

|тонкостенных изделий должно осуществляться с помощью специального |

|термостата. |

|При малых временах цикла в пресс-форму от расплава поступает очень |

|большое количество тепла. Поэтому при тонкостенном литье отвод тепла от |

|изделия должен быть более интенсивным. |

|Еще одним требованием является равномерность охлаждения изделия. |

|Неравномерное охлаждение приводит к резкому изменению характера течения |

|расплава и является причиной многих дефектов (коробление, воздушные |

|ловушки, нестабильность размеров при хранении и эксплуатации изделия и |

|т.д.). Часто условия охлаждения матрицы и пуансона очень сильно |

|различаются. В этом случае требуется два независимых контура охлаждения |

|(используется термостат с двумя баками или два термостата). |

|Особые проблемы при тонкостенном литье могут вызвать так называемые |

|"горячие пятна" - участки формообразующей поверхности с повышенной |

|температурой. "Горячие пятна" возникают из-за затрудненного отвода тепла |

|от некоторых областей изделия. Причиной этого может быть большое |

|расстояние до канала охлаждения (превышающее 3 диаметра канала), а также |

|конструктивные особенности изделия (наличие ребер и пр.). |

Список литературы

1. Энциклопедия полимеров, т, 1-2, М., 1972-74.

2. Технология пластических масс, под ред. В. В. Коршака, М., 1972.

3. Лосев И. П., Тростянская Е. Б., Химия синтетических полимеров, 3 изд.,

М., 1971.

4. Видгоф Н.Б. Точечное литье термопластов. ЛДНТП, 1961.

Видгоф Н.Б. Основы конструирования литьевых форм для термопластов. М.,

Машиностроение, 1979.

5. В.В. Абрамов, Н.М. Чалая. Оценка состояния рынка оборудования для

переработки пластмасс в России. Пластические массы, 2001, № 5.

6. В.В. Абрамов. Состояние и перспективы развития промышленности

переработки пластмасс в России. Пластические массы, 1999, № 5.

7. Новости производства пластмасс / http://abuniversal.webzone.ru/news.htm

Страницы: 1, 2, 3