Федеральное агентство по образованию и науке РФ
Государственное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
Казанский Государственный Технологический Университет
Кафедра ТКМ
Реферат по курсу ТКМ
на тему:
«Современные методы литья. Полимернаяиндустрия»
Казань 2009 г.
Содержание
1. Литьепод давлением: Основы технологии
Разновидностипластикации
Методы литья под давлением
Видыбрака и методы их устранения
2 Литье при низком давлении
Описаниетехнологического процесса
Управление температурным профилем дозы впрыска
Управление давлением и скоростью впрыска
Точное управление дозой впрыска без стадии уплотнения
Управлениемноготочечным объемным впрыском
Литье на подложку
Преимущества
3. Литье тонкостенных изделий
Описаниепроцесса
Типичные направления применения
4.Особенности литья крупногабаритных корпусных деталей с тонкостенными решетками
5. Микролитье пластмасс
Описаниетехнологического процесса
Классификация процессов микролитья
Требования к оборудованию
Изготовление литьевых форм
Процесслитья
Особенности микролитья
Типичныеварианты применения
6. Литьевое прессование
Описаниетехнологического процесса
Типичные варианты применения
7.Декорирование изделий в процессе литья под давлением
8. Дефекты литьевых деталей и способы их устранения
Отпечаткиот выталкивателей
Список используемой литературы1. Литье под давлением: Основы технологии
Исключительное разнообразие штучных изделий из полимерных материалов,широкий комплекс предъявляемых к ним требований (потребительские, эксплуатационные,технологические, экономические, дизайна) диктует необходимость применения и совершенствованияразнообразных методов литья под давлением, каждый из которых позволяет наиболееполно решать поставленные задачи.
Разновидности пластикации
Пластикация, то есть расплавление полимерного материала под давлением,во многом определяет качество изделия. Различают червячную пластикацию и поршневую.Червячные пластикаторы имеют высокую производительность, обеспечивают отличную гомогенизациюрасплава, что особенно важно при использовании дробленки или суперконцентрата, ипоэтому имеют наибольшее распространение. Поршневые пластикаторы используются значительнореже, поскольку они не обладают перечисленными выше качествами. Но и они не бездостоинств, среди которых: способность обеспечивать высокую скорость инжекции расплавав форму, возможность реализовывать эффект мрамора или, если необходимо, яшмы, пластикациейсмеси разных по цвету пластмасс.
Иногда применяют раздельную пластикацию, при которой полимерсначала поступает из бункера в вышеуказанный червячный предпластикатор, приготавливающийрасплав, а затем через регулирующий кран расплав направляется в поршневой пластикатор,осуществляющий дозирование и высокоскоростную инжекцию в форму. Заметим, что такоенехитрое изделие как расческа, наиболее эффективно производится на литьевых машинахс раздельной червячно-поршневой пластикацией.
литье давление пластмасса тонкостенная
На этапе пластикации основными технологическими параметрами являются:температура расплава по длине цилиндрической части материального цилиндра, температурасопла, установленного на выходе из материального цилиндра, скорость вращения червякаи величина противодавления при его отходе.
Методы литья под давлением
Инжекционный метод
Требуемый объем расплава (доза) накапливается в материальномцилиндре ЛМ и затем под высоким давлением (100-200 МПа) впрыскивается, инжектируется,в форму за короткий, измеряемый секундами, интервал времени. Это наиболее распространенныйспособ. Он позволяет получать изделия сложной конфигурации, с различной толщинойстенок, как из термопластов, так и из термореактивных пластиков, допускает использованиемногогнездных форм с различной литниковой системой. Особенность технологии — объемизделий с литниками не превышает паспортного объема впрыска используемой ЛМ.
Инжещионно-прессовый
/>
Метод используется для получения изделий значительных по площадипрессования, когда заполнение формы сопровождается существенным падением давлениярасплава в ее периферийных частях, что вызывает эффект разнопрочности изделия. Сущностьтехнологии состоит в том, что давление на расплав в форме создается не только усилиеминжекции, но и за счет прессового механизма узла смыкания. С этой целью применяютсялитьевые формы, конструкция которых допускает перемещение пуансона и после смыканияформы.
Инжекционно-газовое литье (ИГЛ)
/>
Относится к новым методам переработки термопластов с помощьюЛМ, и поэтому, в частности, его названия еще до конца не определилось. В литературеможно встретить название типа «литье с газом», «литье с подачей сжатогогаза», GJD-TEHNJKA, GAS-Jngection Molding и др. Технологически процесс ИГЛзаключается в следующем: расплав полимера инжектируется в форму, заполняя ее на70-95%. Затем в форму через специальное сопло, или через ниппель в форме подаетсяпод давлением газовая смесь, которая «раздувает» расплав, увеличивая темсамым толщину слоя полимера, образовавшегося при его соприкосновении с холоднойстенкой формы, и способствуя заполнению конструктивных углублений. После образованияизделия газовая смесь удаляется из формы в приемник, пластикатор впрыскивает остатокрасплава, «запечатывающий» форму.
Газовая смесь (азот, углекислый газ) может подводиться от компрессораили от баллона, важно чтобы ее давление было около 80 МПа. Ввод газа в форму можетбыть единичным или многократным, ступенчатым по величине давления.
Технология ИГЛ позволяет экономить до 40% дорогостоящего полимерногоматериала за счет уменьшения толщины стенки изделия, сократить цикл изготовленияна 25-35%, уменьшить вероятность брака за счет исключения таких видов дефектов,как утяжины, коробления, развитый облой. Кроме того, как показывает практика, инжекционно-газоваятехнология позволяет упростить конструкцию и понизить стоимость формующей оснастки.
Существенная трудность ИГЛ-технологии состоит в необходимостивысокоточного управления литьевой машиной, усложняется конструкция сопла, повышаютсятребования к расчету и качеству изготовления литниковой системы и сопряжений литьевыхформ.
Интрузиотый метод
/>
Применяется при червячном способе пластикации для получения толстостенныхизделий. Его суть — вращением червяка расплав в режиме экструзии подается в пресс-формуи заполняет ее, после этого червяк останавливается и осевым движением подпитываетформу, компенсируя естественную усадку остывающего расплава. Особенность подобногоспособа — объем изделия может превышать паспортный объем впрыска ЛМ, но развиваемоев литьевой форме давление невелико, вследствие чего геометрия изделия не должнабыть сложной, гнездность формы ограничена, получение тонкостенных изделий затруднено,кроме того, необходимо учитывать термостабильность полимера.
Многослойное литье
Относится к специальным видам, иногда называемым соинжекционными.Это название отражает общую особенность этих методов — обязательное участие в процесседвух, а в некоторых случаях и трех инжекционных узлов, в каждом из которых пластицируетсяполимерный материал с индивидуальными свойствами. Таким образом, появляется возможностьполучать многоцветные изделия, изделия, состоящие из различных видов пластмасс(поверхность из ПЭВП, а основной объем из вспененного полистирола), использоватьвторичное полимерное сырье для внутренних, неответственных частей деталей, производитьизделия гибридной конструкции и пр. Многослойное литье осуществляется несколькимиспособами.
Сэндвич-литье
Заключается в попеременной подаче в литьевую форму полимерныхрасплавов из двух пластикаторов. Два инжекционных узла присоединяются к соплу, вконструкции которого предусмотрено переключающее устройство. Как правило, это управляемыйигольчатый клапан (ИК). Клапан попеременно или одновременно соединяет с литьевойсистемой формы пластикационные узлы. Материал из первого узла под высоким давлениеми с высокой скоростью инжектируется в форму, образуя наружное покрытие изделия.Затем внутренний объем изделия заполняется материалом из второго узла, после чегов работу повторно включается первый узел, добавляющий остатки расплава в форму и«запечатывающий» изделие.
Соинжекщюнное литье
/>
Требует применения сопла специальной конструкции, называемоготакже разделительной головкой. Эта технология позволяет получать изделия с числомслоев больше двух, с полным или частичным разделением цветов.
Литье в многокомпонентные формы (Multi-component injectionmolding)
/>
Позволяет получать изделия с четким разделением цветов, а такжедетали гибридной конструкции, в которых из каждого полимерного материала исполненацентральная или периферийная часть. В этом случае инжекционные узлы выполняют традиционныефункции, а конструкция детали определяется устройством литьевой формы. Литьеваяформа имеет две литниковых системы, постоянно сомкнутые с инжекционными узлами Iи II. В пуансоне формы имеются подвижные вставки, перемещаемые пневмоприводами.Вставки оформляют тот или иной конструкционный элемент изделия. Особенность этогометода состоит в том, что работа узлов инжекции происходит изолировано друг от друга.Поэтому если узел II в приведенном примере работает в режиме инжекции, то узел Iможет действовать в интрузионном режиме, благодаря чему объем части изделия, формуемойиз полимера I, может иметь весьма значительный размер.
Ротационное литье (не путать с ротационными ЛМ)
Является разновидностью описанного выше способа, поскольку позволяетрешать те же задачи, однако требует использования съемной вставки. После оформленияцентральной части изделия (узел I) вставка извлекается, а в образовавшийся объеминжектируется расплав из узла II. В цикл производства изделия ротационным литьемвведена дополнительная операция размыкания формы и удаления (установки) вставки,что не способствует высокой производительности метода.
Особенности литья под давлением различных термо- и реактопластов
Сведения, содержащиеся в этом разделе, не включают рекомендациипо пуску и наладке процесса, требований к условиям эксплуатации ЛМ и литьевых форм,правил неукоснительного соблюдения параметров метода, назначенных компетентным специалистом,обладающим инженерным уровнем знаний. Таким образом, предлагаемые рекомендации действуютдля установившегося режима работы оборудования и оснастки.
ПЭНП перерабатывается легко, при охлаждении способен к кристаллизациис изменением твердости, чувствителен к равномерности распределения температуры вформе. Место входа охлаждающей воды в форму следует располагать рядом с литниковымиканалами, а ее отвода — как можно дальше. Заполнение формы быстрое, в связи с чемнеобходима ее эффективная вентиляция.
ПЭВП — по сравнению с предыдущим полимером имеет большую степенькристалличности и менее текуч в расплаве, но позволяет получать изделия с меньшейтолщиной стенки при более высокой жесткости.
ПП — кристалличность до 60%, температура переработки для некоторыхмарок до 2800 С, инжекционное давление до 140 МПа. Вязкость расплава в большей степенизависит от скорости сдвига, чем от температуры. С повышением давления ПТР растет,охлаждается в форме быстро. Процесс ведут при высоких температурах цилиндра и низкомдавлении литья.
ПС — легкотекуч в расплаве, позволяет получать тонкостенные жесткиеизделия, чувствителен к перегреву.
УПС отличается от ПС несколько меньшей текучестью и большей усадкой.
АБС-пластик относится к конструктивным маркам, имеет большуювязкость в расплаве, труднее перерабатывается в тонкостенные изделия.
ПММА имеет невысокую термостабильность, чувствителен к перегреву,требует подсушки и тщательного контроля температуры. При впрыске расплава в холоднуюформу возможно образование пузырей; переходы в форме должны быть плавными, а ихчисло минимальным.
ПВХ перерабатывается без особых затруднений, но весьма чувствителенк соблюдению температурного режима и особенно перегреву. Вязкотекучее состояниенестабильно, может сопровождаться автокаталитической деструкцией с изменением цветаот слоновой кости до темно-вишневого. Длительность пластикации должна быть минимальной.
ПА — кристаллические, гигроскопичные термопласты с высокой текучестьюрасплава. При расплавлении объем возрастает до 15%. Термостабильность невысокая,поэтому длительность пластикации ограничена. При нагреве в расплаве образуются пузырьки.Требует обязательной тщательной сушки. Желателен предварительный прогрев. Давлениелитья до 100 МПа. При литье наполненных ПА возможна ориентация частиц измельченноговолокна. Желателен отжиг изделий.
ПК — относятся к теплостойким полимерам, характерна высокая вязкостьрасплава, термически стабилен. Вязкость в основном зависит от температуры. Температураформы до 100°С. Гигроскопичен, требует длительной сушки и предварительного подогрева,в том числе и в бункере ЛМ.
ПЭТФ, ПБТФ и ПОМ относятся к полимерам с повышенной термостойкостью.Требуют тщательной сушки до содержания влаги менее 0,01%. Термостабильны. Вязкостьрасплавов средняя и низкая с увеличением температуры снижается. Тонкостенность изделийнередко достигается последующим раздувом (ПЭТ-бутылки)
Виды брака и методы их устранения
Основные виды брака при литье под давлением следующие:
1. Недолив выражается в неполном оформлении изделия. Основнойего причиной является недостаток материала, поступающего в литьевую форму (из-занизкой температуры формы или расплава и, следовательно, пониженной текучести расплава,а также по причине засорения литникового и разводящих каналов).
2. Перелив вызывает образование грата в месте смыкания формы.Он возникает при неправильной работе дозирующего устройства, перегреве расплаваи литьевой формы, недостаточном усилии смыкания формы.
3. Стыковые швы — видна кривая линия спая отдельных потоков,механическая прочность резко снижена в месте спая. Основными причинами образованиястыковых швов являются: сниженная температура расплава или формы, неудачная конструкцияформы, приводящая к охлаждению отдельных потоков расплава до момента их слияния(вследствие чего не происходит полного сваривания), а также недостаточное удельноедавление расплава.
4. Вздутия на поверхности и пузыри (пустоты) в массе изделиянаблюдаются при повышенном содержании летучих, которые вспучивают мягкую поверхностнуюпленку при перегреве расплава, сопровождающимся частичной деструкцией и значительнымгазовыделением. Поверхность вздутия образуется также при недостаточном охлажденииизделия.
5. Усадочные раковины — значительные углубления на поверхностиизделий — возникают вследствие повышенной усадки при перегреве массы и недостаточномпоступлении расплава (снижено удельное давление расплава или мало сечение впускныхканалов). Иногда поверхностные раковины появляются при неравномерном распределениитемпературы в форме и при дефектах в ее вентиляции.
6. Коробление готовых изделий возникает из-за значительных напряженийвнутри изделия, обусловленных большой разностью температур в отдельных частях формы,а также при недостаточной выдержке изделия в литьевой форме, отчего оно извлекаетсянедостаточно жестким.
7. Трещины образуются вследствие значительных остаточных напряженийв изделии, а также при его прилипании к стенкам формы.
8. Риски, царапины, сколы на поверхности изделий возникают принеисправном состоянии оформляющей поверхности формы и неаккуратном обращении с готовымиизделиями.
9. «Мороз» — узоры, напоминающие зимнюю разрисовкуоконных стекол. Основная причина их появления — попадание влаги в форму при недостаточнойсушке гранулята и дефектов в вентиляции формы.
10. Расслоение наступает при повышенном содержании влаги в литьевомматериале и при наличии отвердевших литников, не совмещающихся с основным материалом.Если отслоение выражено в виде очень мелких блесток, его называют серебристостью.
11. Разнотонность — неодинаковая поверхностная окраска изделия- объясняется недостаточно одинаковым окрашиванием или разложением красителя из-заего термической нестойкости или перегрева расплава.
12. Размерный брак — отклонение от номинальных размеров, превышающееустановленный допуск; наблюдается при чрезмерной усадке или неудачной конструкциилитьевой формы.
Таким образом, основными мерами предупреждения брака являются:исправное состояние оборудования, соблюдение технологического режима и стандартностьсырья. Перечень возможных дефектов литьевых изделий и способы их устранений дополняютсведения, приведенные в таблице 1.
Таблица 1. Дефект Причина дефекта Способ устранения Полосы и продолговатые пузыри на поверхности изделия Влажность материала Подсушка сырья Матовые пятна на поверхности изделия Перегрев расплава Понижение температуры расплава; полирование литниковых каналов Темные полосы на поверхности изделия Местный перегрев материала; наличие мертвых зон в цилиндре и сопле Понижение температуры расплава; ликвидация мертвых зон Пустоты изделия Сильный нагрев (в результате сжатия) воздуха, попавшего в форму Улучшение условий выхода воздуха из полости формы; уменьшение скорости впрыска и снижение температуры материала Местный пережог детали Сильный разогрев попавшего в форму воздуха, сжатие его и, как следствие, пережог материала То же Темные разводы и воздушные пузыри Своевременно не удален попавший в цилиндр воздух Повышение давления пластикации Загрязнение изделия Попадание в материал посторонних частиц или наличие задиров на поверхности цилиндра, поршня или червяка Контроль за чистотой материала, попадающего в бункер; проверка поверхностей, соприкасающийся с материалом Пленка или пятна на поверхности изделия Соприкосновение расплава с материалом, чрезмерная смазка формы Проверка чистоты инжекционного цилиндра; очистка формы, уменьшение смазки Волнистая поверхность удаленной от литника части изделия Охлаждение расплава в процессе течения Повышение температуры материала и скорости впрыска Линии на поверхности деталей Нарушение течения материала, неравномерное заполнение формы Проверка режима заполнения формы; при необходимости — изменение размеров литников и их расположение Пузыри в виде белых включений Высокая температура цилиндра и низкое давление литья, недостаточное время выдержки материала в форме под давлением Снижение температуры цилиндра, повышение давление литья и времени выдержки под давлением, увеличение размеров литников или литниковых каналов для снижения потерь давления Швы и складки около литника Излишне быстрое охлаждение расплава на участке вблизи литника Повышение температуры формы вокруг литника, увеличение размеров литниковых каналов Сварные швы Чрезмерное охлаждение расплава при заполнении формы Повышение температуры формы и материала, скорости впрыска давления литья, изменение расположение литника (для изменения направления течения расплава) Отслаивания наружного слоя детали Включение посторонних материалов. Избыточное значение разности температур расплава и формы Очистка цилиндра и сопла от посторонних материалов Грат на изделии Недостаточное усилие запирание формы, нарушение параллельности соприкасающихся поверхностей форм Увеличение усилия запирания формы или снижение скорости впрыска и давления формования; проверка правильности затяжки колонн при образования грата с одной стороны изделия; уменьшение загружаемой порции материала; проверка параллельности соприкасающихся поверхностей формы; уменьшение вторичного давления формования Затруднение при съеме изделий, деформация изделий при съеме Неправильный режим литья, неправильная конструкция формы Уменьшение давления литья, увеличение конусности стенок формования или сердечников, полирование поверхностей формы, обеспечение воздушных зазоров, сталкивание изделий воздухом (воизбежании образования вакуума)
2 Литье при низком давлении
Литье при низком давлении (Low-Pressure Injection Molding) — это один из вариантов оптимизации традиционной технологии литья под давлением. Онавключает в себя целую серию усовершенствований, которые позволяют поддерживать давлениевпрыска (а следовательно, усилие смыкания формы) на предельно низких значениях.К основным преимуществам литья низкого давления следует отнести снижение требованийк величине усилия смыкания формы, более дешевые литьевые формы и снижение усилияпри литьевом прессовании. Оно также способствует уменьшению себестоимости изделий,если используется литье с декорированием в форме.
Описание технологического процесса
Положительный результат в процессе литья при низком давлениидостигается за счет правильного управления частотой вращения шнека и противодавлениемпластикации для управления температурным профилем расплава в дозе впрыска, а такжеза счет точной регулировки скорости впрыска и давления. Это позволяет поддерживатьих на достаточно низком уровне и управлять скоростью перемещения фронта расплавапри заполнении. При этом используются впускные литники обычного размера, а такжепленочные литники и/или запирающиеся сопла ГКС, которые открываются последовательно,в зависимости от объема дозы впрыска, за счет этого уменьшается длина пути течениярасплава, а это, в свою очередь, устраняет опасность возникновения линий спая. Стадияподпитки становится ненужной при условии впрыска точно рассчитанной дозы расплавабез вытекания. С помощью современной электроники и гидравлики, которыми управляеткомпьютер, технологический процесс может поддерживать плотный постоянный фронт расплавапри небольшом давлении.
Управление температурным профилем дозы впрыска
Почти все тепло, необходимое для заполнения формы, поступаетот пластикации, что является следствием небольшой скорости впрыска и нормальногоразмера впускного литника. Это отличается от обычного литья под давлением, в которомсущественная доля тепловой энергии генерируется за счет сил вязкого трения. Управлениетемпературным профилем дозы впрыска
осуществляется за счет изменения частоты вращения шнека и противодавленияна конце шнека во время стадии пластикации. Следует заметить, что эффективное соотношениедлина/диаметр (L/D) шнека уменьшается (при длине хода от 1 до 5 диаметров), когдашнек отходит назад для подготовки дозы впрыска. Для того чтобы скомпенсировать изменяющуюсядлину пластикации шнека, улучшить смешение и увеличить сдвиговые напряжения, используетсяэлектрогидравлическое устройство увеличения противодавления на конце шнека. Частотавращения шнека также имеет временной профиль (рис.1).
/>
Рис.1 Типичные кривые изменения для частоты вращения шнека(об/мин), обратного давления, скорости впрыска и давления впрыска в процессе литьяпри низком давлении
Управление давлением и скоростью впрыска
Профиль изменения давления впрыска устанавливается таким образом,чтобы управлять впрыском в процессе заполнения формы. Как показано на рис.1, начальнаяскорость впрыска невелика, чтобы гарантировать равномерную скорость течения в литьевойформе. После поступления расплава в формующую полость скорость устанавливается такимобразом, чтобы фронт расплава перемещался с одинаковой скоростью во время всей стадиивпрыска. Профиль изменения давления в общем случае выглядит в виде перевернутойбуквы U (рис.2). Это понижает быстрый рост давления, который обычно наблюдаетсяв традиционном литье под давлением.
/>
Рис.2 Передняя часть бампера, изготовленная методом управлениямноготочечным объемным впрыском
Материал затвердевает практически мгновенно, как только соприкасаетсяс холодной стенкой литьевой формы. Скорость фронта расплава определяет усилие, котороесоздается потоком, а также степень ориентации молекул и волокон в зонах вблизи поверхностиизделия. Изменение ориентации внутри изделия из-за изменения скорости фронта расплавав процессе заполнения формы приводит к различной усадке и деформации изделия. Поэтомужелательно поддерживать скорость перемещения фронта расплава постоянной, чтобы создаватьодинаковую ориентацию молекул и волокон во всем изделии.
Точное управление дозой впрыска без стадии уплотнения
Литье при низком давлении не создает высокого давления на стадияхуплотнения и выдержки, как это происходит в традиционном литье под давлением. Поэтомуустановка точного объема дозы впрыска очень важна. Так как впускной литник не застываетпосле полного завершения процесса заполнения формующей полости, то возможна некотораякомпенсация термической усадки и нет необходимости для уплотнения и выдержки подвысоким давлением. Очевидно, что раковины и утяжины будут возникать в зонах наибольшейтолщины изделия, на выступах и в других подобных местах, пока не завершена компенсацияобъемной усадки полимера. Есть данные, что литье при низком давлении в общем случаепозволяет использовать расплавленный материал при более низкой температуре. Этообещает относительно одинаковые времена цикла, даже если заполнение полости происходитмедленнее.
Многопозиционная литьевая машина Требования к технологическомупроцессу литья при низком давлении позволяют использовать менее дорогое оборудованиес меньшим усилием смыкания. Поскольку величина усилия смыкания здесь для литья большинстваизделий в 3-4 раза меньше, чем в традиционной технологии, то вместо стальных формможно использовать алюминиевые. Кроме того, устройства и программные средства управлениядают возможность с помощью одного узла впрыска обслуживать несколько позиций с литьевымиформами, которые предназначаются для выпуска разных по размеру, форме, весу и конфигурацииизделий.
Управление многоточечным объемным впрыском
Управление многоточечным объемным впрыском (Multi-Point VolumetricInjection Control™) оптимизирует заполнение литьевых форм в выбранных критическихточках для литья крупногабаритных изделий и при использовании материалов с высокойвязкостью за счет последовательного открывания и закрывания запирающихся сопел ГКС.Время открывания и закрывания определяется по измерению объема впрыска вместо стандартнойсхемы переключения по времени в других каскадных впрысках (или последовательномууправлению соплами ГКС). Преимуществом определения времени переключения по объемувпрыска заключается в том, что процесс переключения горячих каналов всегда связанс текущей стадией заполнения вне зависимости от изменений скорости, необходимойдля данного технологического процесса. В качестве примера на рис.2 показано заполнениелитьевой формы при изготовлении передней части бампера.
Сначала полимер впрыскивается через центральный впускной литник(коллектор ГКС). После того как поток полимера доходит до двух следующих впускныхлитников (сопел), происходит их открывание, центральный впускной литник на короткоевремя закрывается. Этот процесс продолжается до тех пор, пока формующая полостьне будет заполнена полностью. Очевидно, что использование многовпусковой литниковойсистемы будет уменьшать длину пути течения расплава, таким образом снижая требованияк давлению впрыска. Кроме того, последовательное открывание и закрывание впускныхлитников устраняет опасность возникновения линий спая. Если необходимо, то скоростьвпрыска расплава может быть отрегулирована последовательно для каждого из мест впуска.В тех случаях, когда необходимо давление уплотнения, все впускные литники могутбыть открыты вновь в конце стадии впрыска.
Литье на подложку
Этот процесс включает в себя предварительную установку слоевткани, пленки или других материалов внутрь формы перед литьем для формирования слоистойструктуры. Включение ткани или пленки создает дополнительный изолирующий слой; этовынуждает впрыскивать расплав при меньшей скорости, чтобы избежать повреждения илисмещения подложки.
Литье на подложку считается одним из наиболее удачных вариантовлитья при низком давлении, поскольку оно исключает необходимость использования многослойныхтканей и специального клея. Исследование показало, что процесс литья на подложку,который состоит из одного цикла, приводит к уменьшению веса изделия (до 12%) и кэкономии по себестоимости (64%) по сравнению с обычным методом приклеивания ткани.
Преимущества
Технология литья при низком давлении имеет следующие преимущества:
снижение требований к усилию смыкания литьевой формы, что позволяетиспользовать более дешевые формы;
достижение меньших внутренних напряжений в готовом изделии иулучшение его потребительских свойств;
возможность совмещения с другими литьевыми технологиями (например,с литьем на подложку);
возможность производства изделий большого размера при экономиисырья от 5 до 8%;
возможность снижения температуры расплава и сокращения общеговремени цикла;
возможность уменьшения давления во впускных литниках и формующейполости формы;
возможность сокращения затрат на дополнительную обработку изделийи на весь процесс производства.
Недостатки
Поскольку применение литья при низком давлении в различных технологияхпри водит к снижению давления впрыска, то этот процесс не предвещает неблагоприятныхэффектов.
Материалы
Для литья при низком давлении успешно используется большая гаммаматериалов, а именно: термопластичные и термореактивные материалы, сополимеры исмеси материалов с наполнителем, вторичное сырье и даже каучуки. На практике чащевсего используется ПП из-за его низкой стоимости и хороших физических и механическиххарактеристик. Существует большое количество тканей и пленок, которые могут бытьиспользованы в литье с наслоением. Для материалов с волоконными наполнителями обычныйразмер впускного литника снижает вероятность повреждения волокон.
Типичные варианты применения
Кроме уже упомянутых изделий технология литья при низком давлениииспользуется для изготовления разнообразных автомобильных компонентов — от приборныхдосок, консолей, панелей интерьера, накладок порогов дверей и козырьков до колпаковфар, обшивки потолка салона, бамперов и драпировки. К другим областям примененияотносятся контейнеры для перевозки строительных материалов, грузовые поддоны, корпусабытовой техники, оборудование для ванных комнат и строительные панели. К крупнымизделиям относятся кабины грузовых автомобилей и корпуса лодок.
3. Литье тонкостенных изделий
Тонкостенное литье под давлением (Thin-Wall Injection Molding)характеризуется кокой скоростью впрыска и высоким давлением. Ее используют в полученииизделий с номинальной толщиной менее 1,2 мм или изделий, у которых отношение толщины стенок к длине составляет от 100: 1 до 150: 1 или более. Данные ограниченияна толщину стенок и экстремальные условия переработки сужают рамки параметров технологическогопроцесса.
Тем не менее, концепция тонкостенного литья получила большиераспространение и популярность, из-за снижения толщины стенок, которое приводитк уменьшению веса, экономии сырья и значительному сокращению времени охлажденияв таких областях применения, как корпуса компьютерных мониторов, приборные и другиепанели автомобилей, телекоммуникации, карманные компьютеры и ноутбуки, мобильныетелефоны. Эти портативные устройства требуют пластмассовых корпусов, которые должныбыть как можно более легкими и тонкими (менее 1,2 мм), а также обеспечивать ту же самую прочность, что и обычные изделия. Другим революционным приложениемдля тонкостенного литья является производство изделий с микроструктурой поверхностидля медицинской, оптической и электронной промышленности.
Описание процесса
Термин «тонкостенное литье» не совсем отражает сутьпроцесса. Обычные пластмассовые изделия имеют толщину от 2 до 4 мм. Тонкостенной конструкция считается, если толщина стенок составляет менее 1,2 мм. Другое определение тонкостенного литья основано на соотношении длины течения полимера к толщинестенок изделия. Типичные соотношения для тонкостенных отливок лежат в диапазонеот 100: 1 до 150: 1 или более. Вне зависимости от определений тонкостенные изделияполучаются при более ограниченном распространении потока по сравнению с традиционнымиотливками (рис.1 a). В результате они быстро затвердевают в процессе литья. Чтобыпреодолеть эти трудности, изготовители полимерных изделий часто пытаются повыситьтемпературу расплава на 38-65 0С выше рекомендуемого диапазона в литературе PlasticsEngineering, Fassett (1995). Другим методом преодоления преждевременного затвердеванияявляется впрыскивание материала со скоростью на порядок больше, чем в традиционнойтехнологии (от 500 до 1400 мм/с). Для достижения большой скорости впрыска и нужногоуплотнения требуется очень высокое давление впрыска (от 2400 до 3000 бар).
Данные ограничения на толщину и экстремальные условия переработкисужают область варьирования параметров процесса (рис.1 б). Применение холодноканальнойлитниковой системы при тонкостенном литье неэффективно из-за большого времени охлаждениялитников и значительных потерь давления расплава в литниковой системе. По этой причинедля литья тонкостенных изделий используют горячеканальные литниковые системы, или,реже, — для термически стабильных материалов — системы с незастывающими литниками,которые имеют меньшую стоимость, но при этом и менее надежны в работе.
Время заполнения литьевой формы при тонкостенном литье составляетот 0,1 до 0,5 с (в традиционном литье около 2 с). В таблице 2 сравниваются некоторыепараметры тонкостенного литься с литьем под давлением. Поскольку в тонкостенномлитье требуется меньший объем впрыска, то машины с цилиндром стандартного размерабудут иметь слишком большую емкость. Это приводит к тому, что возникает необходимостьизготовления специальных цилиндров, позволяющих избежать повышенного времени пребываниярасплава в цилиндре и избыточных температур расплава, а следовательно, термическойдеструкции. Из-за высоких скорости расплава и скорости сдвига в тонкостенном литьеориентация молекул происходит легче. Чтобы свести к минимуму анизотропную усадкув тонкостенных изделиях, очень важно осуществлять уплотнение изделия в нужный момент,когда внутренний объем изделия находится в расплавленном состоянии. Впускные литникибольшого сечения (по сравнению с толщиной стенок изделия) необходимы, чтобы обеспечитьдостаточный поток материала во время уплотнения. Кроме того, места впуска должныбыть расположены таким образом, чтобы поток направлялся от участков большей толщинык участкам меньшей толщины.
/>
В тонкостенном литье крайне важна конструкция системы выталкивания.Во-первых, тонкостенные изделия более подвержены остаточной деформации во времяизвлечения. Во-вторых, чтобы увеличить жесткость изделий, в их конструкции предусматриваютупрочняющие ребра, которые требуют большего усилия выталкивания и усложненной конструкциисистемы выталкивания. В-третьих, изделие имеет тенденцию прилипать к стенкам литьевойформы из-за высокой скорости впрыска и высокого давления уплотнения.
Наконец, если не продумана конструкция толкателей, изделия могутдеформироваться или даже ломаться в процессе извлечения. Тонкостенные изделия дляустройств электронной или телекоммуникационных отраслей промышленности должны иметьодновременно привлекательный внешний вид (плавные линии, нестандартный дизайн) ижесткость. Стратегии получения противоударных корпусов включают в себя использованиенеармированных пластмассовых корпусов, которые будут демпфировать нагрузку, армированныхтермопластов, передающих воздействие другим частям изделия, или использование технологиидвухкомпонентного литья для того, чтобы нанести защитный слой термопластичного эластомера.
Таблица 2: Сравнениетонкостенного литья с традиционным литьем под давлениемКлючевой фактор Обычные отливки Тонкостенные отливки Тонкостенные отливки Толщина стенок 2,0-3,0 мм 1,0-2,0 мм менее 1,2 мм Обработка на станках Стандартная Высококачественная Специализированная высококачественная Давления 620-970 бар 1100-1380 бар 1380-2410 бар Гидравлическая система Стандартная Стандартная Аккумуляторы на устройствах впрыска и смыкания, сервоклапан Система управления Стандартная Замкнутый контур, управление с помощью компьютера — скорость впрыска, выдержка под давлением, скорость снятия давления, частота вращения шнека, противодавление, все температуры Компьютер управляет со следующим разрешением: скорость — 1 мм/с; давление — 1 бар; положение — 0,1 мм; время — 0,01 с; частота вращения — 1 об/мин; усилие смыкания — 0,1 т; температура — 1 0С Конструкция шнека Компрессионное соотношение: от 2,0: 1 до 2,5: 1; L/D: от 20: 1 до 24: 1; глубина нарезки 5/10/5; азотирование не предполагается Компрессионное соотношение: от 2,0: 1 до 2,5: 1; L/D: от 20: 1 до 24: 1; глубина нарезки 5/10/5; азотирование обычно не используется Компрессионное соотношение: от 2,0: 1 до 2,5: 1; L/D: от 20: 1 до 24: 1; глубина нарезки 5/10/5; азотирование обычно не используется Время заполнения более 2 с 1-2 с 0,1-1 с Длительность цикла 40-60 с 20-40 с 6-20 с Сушка Точка росы от — 29 до — 40 0С; подбор бункеров сушки для нужной производительности Точка росы от — 29 до — 40 0С; подбор бункеров сушки для нужной производительности Точка росы от — 29 до — 40 0С; подбор бункеров сушки для нужной производительности Оборудование Стандартное Улучшенная вентиляция, более тяжелая конструкция, больше толкателей, лучше полировка Интенсивная вентиляция, очень мощные литьевые формы, фиксаторы в литьевой форме, точная подготовка поверхности, специальная система извлечения изделий, стоимость литьевой формы на 30-40% выше стандартной
Преимущества
Тонкостенное литье позволяет снижать вес изделия, экономить материали существенно сокращать время охлаждения отливки. В частности, в процессах традиционноголитья под давлением время цикла обычно составляют от 30 до 60 с, а в тонкостенномлитье оно сокращается до 6-20 с. Это приводит к значительному снижению производственныхзатрат.
Недостатки
Тонкостенное литье — более сложный процесс с технической точкизрения, чем традиционное литье под давлением, из-за трудностей в распространениипотока, избыточных требований к параметрам процесса переработки. Оно также требуетпрочного, дорогого оборудования и, возможно, модифицированных или специальных машиндля литья, обеспечивающих высокую скорость и высокое давление впрыска. Наконец,высокий уровень скорости сдвига, который является следствием высокой скорости впрыска,вызывает деструкцию расплава, индуцированную сдвиговыми напряжениями, что наблюдалосьпо уменьшению напряжения разрушения при проведении испытаний на разрыв.
Материалы
Для тонкостенного литья может применяться большинство термопластичныхматериалов, однако наиболее часто применяются ПК, АБС, смеси ПК/АБС и ПА 6. Возможно,это связано с тем, что при уменьшении толщины стенок возникает необходимость в материалахс лучшими физическими характеристиками, чтобы добиваться определенной прочностиизделий.
Типичные направления применения
Тонкостенное литье наиболее популярно в отраслях производствапортативных телекоммуникационных устройств и компьютерного оборудования. Причемизделия должны иметь настолько тонкие стенки, насколько это возможно, чтобы сохранитьмеханическую прочность, как у изделий, отлитых по стандартной технологии. К типичнымизделиям, полученным тонкостенным литьем, относятся: мобильные телефоны, пейджеры,корпуса ноутбуков, передние панели автомобильных аудиоколонок, микрозажимы для хирургии,электронные разъемы, а также оптические носители информации.
4. Особенности литья крупногабаритных корпусных деталейс тонкостенными решетками
Литье крупногабаритных деталей, содержащих тонкостенные решетки,имеет ряд особенностей, которые необходимо учитывать при проектировании детали ипресс-формы, а также при выборе технологического режима изготовления. Примером такихдеталей являются корпуса телевизоров с решеткой динамика. Один из наиболее распространенныхдефектов при литье деталей этого типа — недолив на решетке.
Моделирование процесса литья деталей высокой сложности можетбыть проведено с достаточной точностью методами современного конечноэлементногоанализа. В данной работе анализ выполнялся с помощью программного продукта MPI/Flowфирмы Moldflow. Для анализа использовалась упрощенная модель реального корпуса телевизорапод кинескоп 20” с толщиной основных стенок 3 — 3.5 мм. Модель содержала тонкостенную решетку динамика в нижней части корпуса, вентиляционную решеткуи другие типовые конструктивные элементы. Объем модели составлял 628 см3. В отличиеот реальной детали в модель не были включены ребра, бобышки, различные отверстия.Материал детали: ударопрочный полистирол HI 425 TVG фирмы Kumho Chemicals, ПТР =9.5 г/10 мин (200 оС, 5 кг), температура потери текучести расплава Tno-flow = 136оС.
Рассматривались различные варианты мест впуска для холодноканальнойлитниковой системы с туннельными литниками. Выбор мест впуска осуществлялся так,чтобы обеспечивался примерный баланс потоков в отливке. Скорость впрыска оптимизироваласьпо методике фирмы Moldflow. Анализ выполнялся при скорости впрыска 314 см3/с. Применениеболее высоких скоростей впрыска для данной детали нежелательно, так как это приводитк высоким скоростям сдвига на впускном литнике, что может вызывать деструкцию материала(предполагалось, что диаметр впускного литника не превышает 2 мм).
Решетка динамика может содержать сотни и даже тысячи отверстий,поэтому пригодная для анализа конечноэлементная модель (сетка) трудна в построениии содержит большое число элементов, что значительно замедляет расчеты. Однако дажесамая плотная сетка не дает возможности точно смоделировать течение расплава в подобныхконструкциях. Современные программные продукты для анализа течения, базирующиесяна модели Хеле-Шоу, позволяют использовать два типа элементов: треугольные или четырехугольныеэлементы типа «оболочка» (двумерное течение) и лучевые элементы (одномерноетечение). Течение в треугольных элементах моделируется как неизотермическое течениесжимаемой жидкости в плоской бесконечной щели заданной толщины и не соответствуетусловиям охлаждения расплава при заполнении решетки, в частности дает существеннозаниженные потери давления. Одномерные элементы, обычно используемые для моделированиялитниковых каналов, дают лучшее соответствие характеру течения, но могут применятьсятолько в случае простых решеток с прямоугольными отверстиями. Появившиеся в последниегоды программные продукты для анализа тетраэдрических сеток (трехмерное течение),базирующиеся на уравнениях Новье-Стокса, практически не применяются для деталейвысокой сложности главным образом из-за ограниченной мощности используемых компьютерныхсистем.
Тем не менее, моделирование течения расплава в решетке произвольнойформы может быть выполнено с достаточно высокой точностью при замене фактическойтолщины стенки решетки эквивалентной толщиной. При таком подходе можно заменитьмодель решетки сплошной сеткой (без отверстий), толщина которой рассчитывается так,чтобы обеспечивались те же потери давления расплава, что и при заполнении реальнойрешетки. Эквивалентная толщина (Нэкв) определятся через коэффициент формы (Кф) следующимобразом: Нэкв = Нэфф/Кф, где Нэфф =V/Sпроекц, Кф =Sпов/2 Sпроекц, V — объем решетки,Sпроекц — площадь проекции решетки, Sпов — площадь поверхности решетки. Эквивалентнаятолщина решетки оказывается намного меньше ее фактической толщины. Например, длярешетки с фактической толщиной 1.5 мм, имеющей круглые отверстия диаметром 0.5 мм и расстояния между отверстиями 1 мм, эквивалентная толщина равна 0.95 мм. В данной работе использовалась решетка с эквивалентной толщиной 0.9 мм, что соответствует фактической толщине 1.35 мм.
Расчеты показали, что для всех рассмотренных вариантов мест впускатонкостенная решетка динамика заполняется в последнюю очередь. Это связано с хорошоизвестным явлением замедленного течения расплава в тонкостенных областях (hesitationeffect) при разветвлении литьевого канала на толстый и тонкий. Подобный эффект наблюдаетсяи на других участках корпусных деталей, имеющих малую толщину (ребрах, бобышкахи т.д.), но именно на решетке динамика он часто приводит к недоливу. Причиной этогоявляются: малое значение эквивалентной толщины решетки, большая протяженность тонкостеннойобласти, близость решетки к месту впуска.
Степень проявления эффекта замедленного течения повышается суменьшением расстояния от решетки динамика до места впуска, уменьшением эквивалентнойтолщины решетки, снижением текучести расплава, увеличением толщин основных стенокдетали после разветвления потока.
Заполняемость детали может быть улучшена при повышении температуррасплава и формы. Однако на практике невысокая термостабильность материала и использованиелитьевых машин с большим объемом впрыска не позволяют применять высокие температурырасплава. Применение высоких температур формы приводит к появлению следов от толкателейв областях с затрудненным отводом тепла: в углах, вблизи высоких ребер, бобышеки т.д. Таким образом, необходимо обеспечить заполняемость изделия при температурахрасплава и формы, соответствующих средним значениям диапазона переработки материала.
Расчеты показали, что наилучшие результаты по заполняемости деталиполучаются при двух местах впуска, максимально удаленных от решетки динамика. Этоединственный из рассмотренных вариантов, при котором решетка динамика полностьюзаполняется при средних температурах расплава (Тр = 230 oC) и формы (Tф = 60 oC).Для ударопрочного полистирола и других полистирольных пластиков, являющихся аморфнымиматериалами, особенности растекания расплава, такие как направление течения, радиальноерастекание и др., не оказывают большого влияния на качество детали. Оказалось, чтонедолив на решетке связан не с большими потерями давления при заполнении детали,а с быстрым остыванием фронта расплава при течении в тонкостенной области.
Потери давления при заполнении детали составляют 34 МПа, чтонамного меньше допустимых потерь давления для обычной литьевой машины. Для снижениясебестоимости детали толщина основных стенок может быть уменьшена без ухудшениякачества отливки.
Большое влияние на заполняемость детали имеют условия переключенияна выдержку под давлением. Обычно переключение с режима впрыска (режим управленияскоростью впрыска) на выдержку под давлением (режим управления давлением) происходитне позже 98-99% заполнения, оставшаяся часть детали заполняется при убывающей скоростивпрыска. Но заполнение основной части решетки динамика происходит после 99% заполнениядетали, т.е. при снижении скорости впрыска, что еще больше усугубляет проблему.Для получения качественной отливки необходимо точно подобрать момент переключенияна выдержку как можно ближе к окончанию заполнения, задать достаточно высокое давлениев начальный момент выдержки под давлением (оно должно быть выше давления в моментокончания впрыска). Желательно использовать переключение по положению шнека. Такойтехнологический процесс накладывает особые требования к литьевой машине, пресс-формеи полимеру. Машина должна обеспечивать высокую точность и надежность регулировки,достаточное усилие замыкания. Необходимо предусмотреть хорошую вентиляцию пресс-формы.Важную роль играет также стабильность реологических показателей материала детали.
5. Микролитье пластмасс
Микролитье (литье под давлением микроизделий, Micro-Injectionmolding) дает возможность изготавливать изделия, чьи эксплуатационные размеры, функциональныеособенности и требования связаны с размерами порядка нескольких миллиметров илидаже микронов. Из-за миниатюрных параметров отливок требуется использование специальныхлитьевых машин и дополнительного оборудования, чтобы выполнять такие задачи, какрегулирование объема дозы, вакуумирование формующей полости, впрыск, извлечение,проверка, разделение, перемещение, ориентация и упаковка готовых изделий. Необходимоприменять специальную технологию при работе с оформляющими деталями литьевой формы.
Описание технологического процесса
Необходимость производства изделий миниатюрных размеров и выпускаоборудования, которое было бы в состоянии производить их с нужной точностью, возниклав середине 1980-х гг., и с тех пор спрос на такие изделия постоянно растет. Средимножества способов получения микроизделий процессы литья под давлением имеют преимуществаиз-за уже большой практики их применения, а также высокого уровня автоматизациии короткого времени цикла.
Классификация процессов микролитья
Поскольку нет ясности, каким образом дать определение микролитью,предпримем попытку классификации на основе изделий, получаемых по этой технологии:
миниатюрные отливки, которые весят несколько миллиграммов и могутиметь размеры в несколько микронов (например, микрошестерни, микрокнопки);
изделия обычного размера, но имеющие микроструктурные участкиили функциональные особенности (например, компакт-диски, оптические линзы с микроструктуройна поверхности и матрицы для изготовления миниатюрных шестеренок для точной механики);
прецизионные микроизделия, которые могут иметь любые размеры,но допустимые отклонения для них составляют микроны (например, разъемы для оптоволоконнойтехнологии).
Требования к оборудованию
Рассматриваемая технология литья требует особого отношения коборудованию, технологическому процессу, изготовлению литьевых форм и т.д. С помощьюсовременных литьевых машин можно добиваться впечатляющих результатов, но здесь онидолжны быть адаптированы под соответствие специальным требованиям при литье миниатюрныхдеталей:
небольшие узлы пластикации, шнеки диаметром от 12 до 18 мм и укороченной длины с соотношением L/D около 15, чтобы избежать деструкции из-за продолжительноговремени задержки;
прецизионное управление объемом дозы впрыска и желаемой скоростьювпрыска;
многократный контроль процесса, например, переключения от стадиизаполнения к стадии уплотнения по положению шнека или давлению в полости (второепредпочтительнее);
возможность повышения температуры стенок литьевой формы до такогоуровня (иногда температура должна быть несколько выше температуры расплава полимера),чтобы избежать преждевременного затвердевания расплава в сверхтонких местах изделия;
вакуумирование литьевой формы, если толщина стенок изделия становитсяменьше 5 мкм (порядок сечения вентиляционного канала);
использование последовательных запирающихся сопел ГКС, чтобыизбежать просачивания материала через сопло из-за высокой температуры расплава;
точное совмещение деталей формы и плавные скорости смыкания иразмыкания литьевой формы, чтобы избежать деформации тонких мест изделий;
применение специальной технологии извлечения литых изделий дляпроверки и упаковки;
установка кожухов или размещение оборудования в боксах с обдувомламинарным воздушным потоком, чтобы избежать загрязнения миниатюрных литых деталей(«чистая комната»).
Очевидно, что уменьшение размеров изделия и дозы впрыска делаетиспользование обычных литьевых машин экономически неоправданным для технологии микролитья.В результате было разработано много специализированных машин. Кроме различных особенностей,которые были описаны выше, эти машины иногда комплектуются отдельным поршневым дозирующимкомпрессором для впрыска и имеют шнек специальной конструкции. Все это дополнительноеоборудование предназначено для точного измерения объема дозы и устранения проблем,связанных с деструкцией материала, являющейся следствием наличия зон застоя в шнекахобычной конструкции.
Поскольку размер и вес миниатюрных литых деталей сильно отличаютсяот таких же характеристик обычных деталей, то следует выполнить несколько определенныхопераций, чтобы гарантировать правильное извлечение изделия. Например, на литьевуюмашину может быть установлена система видеонаблюдения, чтобы регистрировать ходпроцесса. Наряду с этим извлечение изделий может осуществляться с помощью вакуумныхприсосок, которые позволяют разделять изделия и ориентировать их в пространстведля контроля качества и упаковки. Есть также устройства, использующие электростатическийпринцип или продувку формы. Для миниатюрных деталей нельзя применять традиционныеметоды контроля, например, измерение веса (здесь также используется видеосистема).Поскольку миниатюрные изделия очень часто используются в каких-либо блоках, их специальноориентируют таким образом, чтобы они были готовы для сборки.
Изготовление литьевых форм
В изготовлении литьевых форм для миниатюрных отливок могут бытьиспользованы различные технологии, такие, как механическая обработка или обработкакоронным разрядом. Однако размеры очень быстро выходят за пределы ограничений из-заизноса поверхностей оформляющих деталей и формующих полостей. Для изготовления знакови полостей для микролитья используют технологии из области микроэлектроники (например,LIGA — это аббревиатура немецкого названия технологии, которая включает в себя литографию,гальванопластику и дублирование методом литья под давлением). Для этих целей применяютсятакже ультрапрецезионная механическая обработка, лазерная резка и обработка короннымразрядом.
Процесс литья
Для литьевой формы необходима специальная система нагрева и охлаждения.Было разработано несколько систем, обеспечивающих желаемое динамическое управлениетемпературой в литьевой форме. Например, система «вариотерм» (vario therm)имеет два масляных контура, масло в которых находится при разных температурах, чтобыобеспечить подогрев и охлаждение литьевой формы на стадиях заполнения и охлаждения,соответственно. С другой стороны, система индукционного подогрева создает максимумподогрева литьевой формы перед впрыском. Кроме этого, сообщается об успешном использованиипатронных нагревателей для управления температурой литьевой формы. Следует такжеотметить использование термодатчиков в литьевой форме, высокоточных направляющих,систем вакуумирования формы, встроенных систем подрезания литников, роботизированныхсистем извлечения изделия и систем очистки литьевых форм, которые срабатывают послекаждого цикла. Все эти факторы играют важную роль в управлении процессами производства,эффективным перемещением и упаковкой изделий.
Для того чтобы гарантировать правильное заполнение формующейполости, высокие скорости впрыска и высокое давление, максимально допустимые температурыплавления, необходимо управление температурой стенок литьевой формы. Литниковаясистема большого диаметра используется, чтобы создать достаточно большую дозу впрыска,надежное переключение и избежать деструкции материала.
Особенности микролитья
Технология микролитья предназначена для производства миниатюрныхдеталей. Она не составляет конкуренции другим технологиям литья под давлением.
Поскольку миниатюрные детали не имеют достаточного веса, чтобысистема управления машиной была в состоянии его регистрировать, некоторые машиныимеют литники повышенного размера для того, чтобы машина могла точно выдерживатьпараметры и осуществлять мониторинг производства изделий. При этих условиях в литникахможет находиться до 90% общего веса дозы впрыска. Это приводит к существенному ростуотходов, поскольку материал, оставшийся в литниках, не может быть утилизирован вбольшинстве применений. Наконец, из-за обычно высокого соотношения поверхности кобъему в изделиях литьевая форма в процессе впрыска должна быть нагрета до температуры,которая выше точки плавления материала, чтобы предотвратить преждевременное затвердевание,а такой подогрев приводит к увеличению времени цикла.
Почти все материалы, пригодные для литья изделий обычного размера,также могут быть использованы в микролитье. Сообщалось об использовании следующихматериалов: ПК, ПММА, ПА, полиэфиримид и силиконовый каучук. Можно также применятьтехнологию реакционного литья под давлением, используя материалы на базе акрилатов,амидов и силиконов.
Типичные варианты применения
На рынке наблюдается быстрый рост потребления изделий, полученныхмикролитьем, особенно это заметно в таких секторах, как оптические телекоммуникации,хранение компьютерных данных, медицинские и биотехнологии, а также в изготовленииоборудования и машиностроении. К изделиям, полученным микролитьем, относятся деталичасов и видеокамер, автомобильные датчики, головки для чтения/записи жестких дискови приводов компакт-дисков, медицинские датчики, микронасосы, прецизионные шестерни,шкивы и шнеки, оптоволоконные переключатели, микромоторы, хирургические инструменты,а также компоненты телекоммуникационного оборудования.
6. Литьевое прессование
(Компрессионное формование)
/>
Литьевое прессование (Injection-Compression Molding) представляетсобой дальнейшее развитие технологии литья под давление за счет добавления усилияпрессования механизма смыкания. Это позволяет обеспечить стабилизацию размеров изделийи получение поверхности, точно соответствующей технологическим требованиям. В этойтехнологии формующая полость изначально имеет большое сечение, что позволяет расплавуполимерного материала свободно заполнить все удаленные участки при относительнонизком давлении. В некоторый момент в ходе или после завершения впрыска материалатолщина формы уменьшается за счет её дополнительного механического сжатия, что заставляетрасплав заполнить всю форму с большим уплотнением. Воздействие усилия прессованияна форму приводит к одинаковому распределению давления в полости, позволяет добитьсяболее равномерного распределения физических свойств и уменьшить усадку, деформациюи внутренние напряжения в отливке по сравнению с традиционным литьем под давлением.
Описание технологического процесса
После поступления заданного количества полимерного материалав приоткрытую литьевую форму к ней прикладывается усилие прессования и продолжаетсядо конца формования изделия. На рисунке показаны обе стадии: начального впрыскаи последующая стадия прессования. Закрытие формы также может происходить и в процессевпрыска полимера. Различные варианты технологии, основанные на особенностях процесса,можно разделить на три категории:
· двухстадийное последовательное литьевое прессование;
· одновременное литьевое прессование;
· избирательное литьевое прессование.
Простейшим вариантом технологии является двухстадийный процесслитьевого прессования, состоящий из стадии впрыска и стадии прессования. В ходевпрыска полимер поступает под давлением в полость, глубина которой на 0,5 — 10 мм больше толщины изделия. После окончания впрыска начинается стадия прессования, в течение которогоглубина полости уменьшается до заданного значения. Усилие прессования, приложенноек литьевой форме, заставляет расплав заполнить оставшиеся незаполненными зоны, азатем происходит его уплотнение, компенсирующее усадку в процессе охлаждения. Кпотенциальным недостаткам процесса литьевого прессования с двумя стадиями относятсяметки «остановки», или «памяти», на отливке, вызванные временнойостановкой потока при переходе от впрыска к прессованию.
Процесс одновременного впрыска и прессования используется, чтобыизбежать поверхностных дефектов и обеспечить непрерывность потока расплава полимера.При этом прессование начинается до завершения впрыска. В третьем варианте технологии(избирательное литьевое прессование) сжатие начинается, когда толщина отливки достигаетноминального значения. Во время впрыска давление расплава перемещает форму по направлениюк цилиндру, который закреплен на пуансоне. В зависимости от давления в формующейполости или от времени стадия прессования начинается включением цилиндра, которыйдля сжатия расплава прикладывает усилие к пуансону.
Для литьевого прессования может быть адаптирована традиционнаялитьевая машина с точным управлением объемом впрыска, однако необходим дополнительныймодуль для управления стадией прессования. Кроме того, существуют некоторые дополнительныетребования и предварительные условия как для технологического процесса, так и длялитьевых форм:
· конструкция с вертикальным расположением плоскостей предназначенадля того, чтобы избежать неконтролируемых утечек расплава через них;
· необходимы игольчатые клапаны, позволяющие сохранять герметичностьформующей полости и сохраняющие время задержки (время после окончания впрыска иначала прессования) настолько низким, насколько это возможно, чтобы избежать поверхностныхдефектов;
· необходимо точное механическое устройство завершения впрыска в ГКС,чтобы гарантировать подачу точного количества расплава в форму.
Преимущества
Главным преимуществом литьевого прессования является способностьпроизводить изделие со стабильными размерами и относительным отсутствием остаточныхнапряжений при низком давлении впрыска, а также возможность добиться снижения усилиясмыкания формы (обычно на 20 — 50%) и сокращения времени цикла. Напомним, что втрадиционной литьевой машине создаются значительное давление впрыска и уплотнениерасплава в сопле машины, чтобы его было достаточно для достижения потоком расплававсех удаленных зон полости и уплотнения. Для изготовления тонкостенных изделий,таких, как компакт-диски, обычно очень важную роль играет изменение давления вдольплоскости изделия из-за высокого сопротивления потоку. Это приводит к неравномерномууплотнению и объемной усадке внутри изделия, что, в свою очередь, ведет к остаточнымнапряжениям и ухудшению его износостойкости. В описываемой технологии усилие прессованияприложено перпендикулярно толщине изделия (в отличие от давления, параллельногонаибольшему размеру изделия) для большинства (но не для всех) изделий. В результатеданная технология обеспечивает более равномерное распределение давления уплотнения/выдержкирасплава, а величина давления при этом существенно меньше. Это обстоятельство позволяетдобиться хорошего уплотнения в форме, а также минимизировать остаточные напряжениявнутри отливки и её деформацию.
В таблице 3 приведено сравнение литьевого прессования с двумядругими технологиями, чаще всего используемыми для получения тонкостенных изделий.
Таблица 3. Сравнениеразличных технологий для получения тонкостенных изделийТехнология Преимущества Недостатки Формование вытяжкой и вакуумное формование
Простые литьевые формы
Небольшие инвестиции
Отходы из-за обрезки краев
Толщина стенок определяется технологическим процессом Окунание формы
Простые литьевые формы
Небольшие инвестиции
Применима для небольшого количества пластических материалов
Толщина стенок определяется технологическим процессом Литьевое прессование
Возможна любая толщина стенок
Возможность использования для большого количества пластических материалов
Короткое время цикла
Хорошие возможности для автоматизации
Высокая стоимость машин и литьевых форм
Экономия при изготовлении изделий большого объема
Недостатки
Недостатки литьевого прессования можно свести к следующим пунктам:
· литьевые формы для этого технологического процесса относительно дорогии изнашиваются в процессе прессования;
· необходимы дополнительные затраты на модернизацию литьевой машины,а именно, модуль управления стадией прессования;
· экономически технология оправдана только в рамках крупносерийногопроизводства (например, компакт-дисков) или при получении изделий, в которых необходимыминимальные внутренние остаточные напряжения (например, оптических линз).
Материалы
При изготовлении тонкостенных изделий материалы с низкой текучестьюрасплава, такие, как ПК и полиэфиримид, можно использовать для получения изделийтолщиной до 0,5 мм. С другой стороны, ПК с высоким показателем текучести 6олее подходитдля изготовления компакт-дисков. Кроме того, из-за отличных оптических свойств ПКбольшинство линз производится именно из этого материала. К другим материалам, которыеиспользуются в технологии литьевого прессования, относятся акрил, ПЭ, ПА и ПП, атакже термопластичный каучук и термореактивные материалы.
Типичные варианты применения
Технология литьевого прессования лучше всего подходит для производствавысококачественных и недорогих компакт-дисков и различных оптических линз. В настоящеевремя заметен интерес к производству литьевым прессованием тонкостенных изделий.
7. Декорирование изделий в процессе литья под давлением
Декорирование изделий в форме в процессе литья под давлением(IMD-процесс) — это метод переработки, позволяющий с помощью не очень сложной, состоящейиз немногих этапов, технологии получать готовые изделия. Отливки состоят из основы-термопластаи декоративного материала. В качестве последнего обычно используются пленка илиткань.
/>
Рис.4. Принцип декорирования изделий в процессе литья
На рисунке 4 изображен процесс декорирования в форме. Декоративныйматериал вставляется между двумя полуформами (подвижной и неподвижной). Затем формазакрывается, при этом декоративный материал зажимается по линии разъема формы. Вовремя впрыска расплав полимера распределяется в формующей полости и соединяетсяс декоративным материалом. После застывания изделие выталкивается. Области применениятакой технологии с использованием тканых декоративных материалов находятся главнымобразом в сфере автомобилестроения. Как пример можно упомянуть накладки стоек идверей, покрытие багажника, багажных полок, торпедо, защитных кожухов.
Изделия, декорированные пленкой, также применяются в автомобилестроении.Типичный пример — детали с подсветкой на панели приборов, а также изделия, которыедолжны отличаться особым качеством поверхности или цветом. На повестке дня — орнаментированныеколпаки колеса и элементы крыльев (табл.4).
Таблица 4. Классификация систем подачи декоративного материала Декоративный материал под раскрой Декоративный материал из рулона Система с предварительным натяжением ткани Преимущества Небольшие отходы декоративного материала. Можно обеспечить одновременность извлечения изделия и подачи декоративного материала; высокая воспроизводимость Простая система, время обработки невелико. Возможна штамповка непосредственно в форме Придание декоративному материалу особбого расположения с натяжением или относительным перемещением слоев Недостатки Размещение тонких декоративных материалов сопряжено с трудностями; сложно обеспечить их предварительное натяжение Сложно обеспечить предварительное натяжение: в ряде случаев брак из-за усадки. Сложные конфигурации вряд ли возможны Требуется дополнительное оборудование для подачи ткани внатяг; в целом очень сложная система Применение Простые конфигурации. Выявление текстуры декоративного материала Простые плоские изделия Сложные конфигурации при горячем формовании листовых термопластов; декоративные материалы с выраженной структурой Примечание Применяется чаще всего Например, для производства накладок к передним стойкам Применяется редко
Необходимость вставки декоративного материала и последующеговпрыска расплава привела к изменению конструкции форм. Существуют два варианта размещениядекоративного материала: на подвижной и на неподвижной полуформе. Если он размещаетсяна неподвижной полуформе, расплав должен проходить через литник, проведенный сквозьлинию разъема. Это может быть туннельный литник или горячеканальное сопло.
И все же чаще декоративный материал располагается на подвижнойполуформе. В случае сильно изогнутой накладки стойки, пуансон литьевой формы находится,против обыкновения, на неподвижной полуформе. Во время застывания изделие дает усадкуи сцепляется с неподвижной полуформой во время открытия. Это является причиной существенногоотличия форм для декорирования от обычных: толкатель приходится устанавливать внеподвижную полуформу.
Выпускаются специальные литьевые машины, в которых гидравликаи механика узла толкателя располагаются с неподвижной стороны. Некоторое преимуществотакой конструкции заключается в том, что толкатели не воздействуют на декоративныйматериал, что могло бы привести к повреждениям поверхности изделия.
Многие отливаемые декорированные изделия имеют продолговатуюформу. Учитывая соотношение пути потока расплава и толщины стенки, впуск осуществляетсячерез несколько впускных литниковых каналов. Если невозможно провести литниковуюсистему к линии разъема, впуск осуществляется в форме с тремя плитами, где плавающаяплита расположена между подвижной и неподвижной плитами.
Задача многоточечного впуска решается намного проще с помощьюгорячеканальной системы. Поэтому горячеканальная технология неразрывно связана сдекорированием изделий в процессе литья, например методом каскадного впуска (рис.5).
Одна из отличительных особенностей литья под давлением с декорированиемв форме вытекает из необходимости обеспечить подачу декоративного материала. В формедолжно существовать для размещения материала определенное пространство. Устройстваперемещения, фиксации и прижима приходится интегрировать в форму. В связи с возрастающимколичеством подвижных рабочих органов повышается вероятность механического износаэлементов. Одним из важных аспектов декорирования изделий в процессе литья являетсянеобходимость получения подгибов. Если необходимые подгибы удается получить непосредственнопри литьевом формовании, то за счет сокращения количества технологических стадийможно достигнуть заметной экономии.
Одним из способов получения подгибов на 180 градусов являетсяприменение формы с раздвижными направляющими. При закрытии формы направляющие вдвигаютсявнутрь. Их поверхность изогнута таким образом, чтобы при смыкании образовалась канавка.Декоративный материал вставляется в канавку, при этом получается подгиб. Направляющиевыдвигаются прежде, чем начинается извлечение изделия.
Другим способом получения подгиб является вставка декоративнойзаготовки, которая сгибается на краях отливки. Декоративный материал состоит излицевого слоя ткани и вспененной основы. При сгибе материала вспененные слои накладываютсядруг на друга. При впрыске промежуток между ними заполняется расплавом. Таким образом,на краю изделия расплав полностью обернут декоративным материалом с образованиемскладки. Такой метод требует специальной подготовки декоративного материала.
Подгиб под углом 90 градусов можно получить с помощью трехплитнойформы. Этим обеспечивается извлечение образующегося поднутрения. Кроме того, тканьнатягивается ширильной рамой.
/>
Рис.5. Литьевая форма для декорирования изделий в процесселитья
На рисунке 6 приведена конструкция формы, в которой подгиб (180градусов) на тканой накладке образуется на стадии формования изделия.
Форма состоит из подвижной и неподвижной полуформ, а также третьейплиты, расположенной между ними. Полукруглая выемка в плите служит для фиксациитканой детали. Декоративный материал размещается между неподвижной полуформой итретьей плитой. Затем форма закрывается, при этом третья плита прижимает ткань кнеподвижной полуформе благодаря нажимной пружине. Декоративный материал натягиваетсяподпружиненными штифтами толкателя, расположенными с неподвижной стороны (на рис.3не показаны). Благодаря этому декоративный материал лишен возможности произвольногоперемещения; он перемещается внутрь матрицы контролируемым способом.
После этого пуансон, размещенный на стационарной полуформе, перемещаетсянавстречу, дополнительно натягивая ткань. Благодаря этому в гнезде располагаетсядостаточное количество ткани, причем исключается продавливание расплава сквозь нее.При обратном ходе пуансона форма замыкается еще плотнее.
При обеспечении вертикальности поверхностей возможно применениекак обычного литья под давлением, так и литьевого прессования. Литьевое прессованиетакже допускает использование тонких и чувствительных декоративных материалов.
/>
Рис.6. Конструкция формы
8. Дефекты литьевых деталей и способы их устранения
Характерными дефектами литьевых деталей из полимерных материалов(ПМ) являются грат, утяжины, недоливы, коробление и отпечатки от выталкивателей.В статье рассматриваются наиболее вероятные причины возникновения подобных дефектови способы их предупреждения.
Грат
Если у литьевых деталей наблюдается грат (перелив, наплыв) вплоскости разъема литьевой формы, то в большинстве случаев его причиной являетсянедостаточное усилие запирания формы во время стадий впрыска и выдержки под давлением.Кроме того, слишком высокое давление формования может вызвать местный прогиб формыв области ее смыкания и также привести к образованию грата. Завышенная скоростьвпрыска и пониженная вязкость расплава вследствие высоких температур расплава и(или) формы также могут оказаться причинами возникновения этого характерного длялитьевых деталей дефекта из-за того, что в конце пути течения расплава слишком высокаего текучесть.
Если у деталей постоянно появляется грат во вполне определенномместе, то это свидетельствует о дефектности литьевой формы, которая недостаточноуплотнена в данном месте. Если же наблюдается грат по всему периметру детали в плоскостиразъема формы, то это, скорее всего, следствие недостаточного усилия запирания формы,повышение которого, однако, сверх определенного предела сопряжено с опасностью повреждениялитьевой формы. Поэтому целесообразно более точно установить конкретную причинувозникновения грата и лишь после этого принять соответствующие меры по его предупреждению(см. таблицу 5).
Таблица 5. Причина возникновения Способ устранения Технологические причины Недостаточное усилие запирания литьевой формы Повысить усилие запирания Слишком высокая скорость впрыска расплава ПМ Уменьшить скорость впрыска; организовать ступенчатое изменение скорости впрыска: быстро (на начальной стадии) — медленно (на конечной стадии) Запоздалое переключение на выдержку под давлением Раньше переключать с давления впрыска на давление формования Слишком высокая температура расплава ПМ Понизить температуру материального цилиндра Слишком высокая температура формы Понизить температуру формы Слишком высокое давление формования Понизить давление формования Конструкторские причины Недостаточная деформационная устойчивость формы Сконструировать более жесткую форму Недостаточное уплотнение формы в местах плоскости разъема и оформляющих знаков Доработать литьевую форму
Утяжины
Утяжины (углубления, впадины) на поверхности литьевых деталейвозникают главным образом в зонах скопления массы ПМ — там, где толщина стенки максимальнаили находится переход от одной толщины к другой.
Причиной появления подобных дефектов является неравномерная термическаяусадка ПМ при охлаждении и затвердевании неравно толщинной отливки, когда свободнойусадке ее утолщенных мест препятствуют периферийные зоны меньшей толщины. В результатеэтого происходит втягивание наружной оболочки внутрь детали. Такое явление можетнаблюдаться и после извлечения из формы еще нагретой отливки. Предотвратить возникновениеутяжин возможно с помощью как конструктивных, так и технологических мероприятий(см. таблицу 6).
Таблица 6. Причина возникновения Способ устранения Технологические причины Слишком низкое давление формования Повысить давление формования Слишком короткое время выдержки под давлением Увеличить время выдержки Слишком высокая температура формы Понизить температуру формы Слишком высокая температура расплава ПМ Понизить температуру материального цилиндра Конструкторские причины Слишком мала площадь сечения литника Увеличить площадь сечения литника Слишком большая длина литниковых каналов Уменьшить длину литниковых каналов Слишком мала площадь сечения отверстия сопла Увеличить площадь сечения отверстия сопла Место впрыска расположено на участке детали с малой толщиной стенки Организовать место впрыска на участке с большей толщиной стенки Слишком большая толщина стенок Уменьшить по возможности толщину стенки Неблагоприятное соотношение толщин стенки и ребра жесткости Оптимизировать соотношение толщин
Недоливы
Если оформляющие полости в литьевой форме располагаются далекоот места впрыска расплава ПМ или имеются слишком тонкостенные участки деталей, топри невысоких значениях температур расплава и (или) формы, а также давления впрыскарасплав не успевает до своего отвердевания полностью заполнить оформляющую полость,и в детали образуются недоливы. При высоком давлении впрыска причиной недоливовможет быть недостаточное давление формования (давление выдержки), которое должносоставлять около 50 % от средних значений и 70 — 80 % от высоких значений давлениявпрыска.
Если не заполнены ПМ тонкостенные места деталей, расположенныеблиз литников, то, вероятнее всего, это следствие частичного отвердевания расплаваПМ в течение того периода времени, когда заполняются расплавом более толстостенныезоны, где его течение осуществляется более легко.
Таблица 7. Причина возникновения Способ устранения Технологические причины Слишком малое давление впрыска Повысить давление впрыска Слишком низкая скорость впрыска Повысить скорость впрыска Слишком низкое давление формования Повысить давление формования Слишком раннее переключение на выдержку под давлением Позже переключать с давления впрыска на давление формования Слишком низкая температура расплава ПМ Повысить температуру материального цилиндра; повысить противодавление на шнек Слишком низкая температура формы Повысить температуру формы Слишком короткое время выдержки под давлением Увеличить время выдержки под давлением Конструкторские причины Слишком мала площадь сечения литников Увеличить площадь сечения литников Недостаточно свободное удаление воздуха из оформляющей полости при литье Доработать литьевую форму Слишком мала площадь сечения отверстия сопла Увеличить площадь сечения отверстия сопла Повышенная тонкостенность детали Увеличить толщину стенок
Коробление
Непосредственно после извлечения деталей из литьевой формы илиспустя некоторое время может наблюдаться их коробление — недопустимое изменениеформы по сравнению с заданной, при котором, например, плоские детали становятсяволнообразными, а прямые кромки втягиваются внутрь, выгибаются наружу или скручиваются.
Непосредственной причиной этого дефекта являются остаточные напряженияв литьевой детали, происхождение которых в свою очередь может быть обусловлено ориентационнымиявлениями и (или) неравномерной усадкой детали в результате ее неравнотолщинностии неравномерного охлаждения. При этом детали из частично кристаллических ПМ (полиэтилен,полипропилен, полиоксиметилен) с большей усадкой, чем у аморфных ПМ (полистирол,АБС-пластики, полиметилметакрилат, поликарбонат), склонны к более существенным деформациям.
Таблица 8. Причина возникновения Способ устранения Технорлогические причины Слишком высокое давление формования Понизить давление формования; раньше переключать с давления впрыска на давление формования Слишком низкая температура формы Повысить температуру формы Слишком низкая скорость впрыска Повысить скорость впрыска Слишком низкая температура расплава ПМ Повысить температуру материального цилиндра; повысить противодавление не шнек Конструкторские причины Неравномерное охлаждение литьевой формы Доработать систему охлаждения литьевой формы Неравнотолщинность детали, скопления масс ПМ Оптимизировать геометрию детали
Отпечатки от выталкивателей
Характерными внешними признаками этого дефекта являются белыеизломы и наплывы точно в тех местах детали, где находились выталкиватели. Основнойпричиной этого является слишком большое контактное давление на поверхность деталив местах выталкивания из-за малой площади торцевой u1087 поверхности выталкивателейи больших усилий, требующихся для извлечения детали из литьевой формы. В зависимостиот установленных конкретных причин описанных дефектов литьевой продукции из ПМ выбираютсяи соответствующие способы их предотвращения (см. таблицу).
Список используемой литературы
1. Литье пластмасс под давлением. Оссвальд Т., Турнг Л. — Ш., Грэманн П. Дж.,под ред. под ред. Э.Л. Калинчева. — 750 стр., Издательство: Профессия. — 2005.
2. Производство изделий из полимерных материалов. Издательство: Профессия.- 2006.
3. Как делать литьевые формы, Г. Менгес. Издательство Профессия. — 2007
4. Журнал «Полимерные материалы»