Произвлдство пластмасс

В автомобилестроении особенно большую перспективу имеет применение П. м. для изготовления кабин, кузовов и их крупногабаритных деталей, т.к. на долю кузова приходится около половины массы автомобиля и ~ 40% его стоимости. Кузова из П. м. более надёжны и долговечны, чем металлические, а их ремонт дешевле и проще. Однако П. м. не получили ещё большого распространения в производстве крупногабаритных деталей автомобиля, главным образом из-за недостаточной жёсткости и сравнительно невысокой атмосферостойкости. Наиболее широко П. м. применяют для внутренней отделки салона автомобиля. Из них изготовляют также детали двигателя, трансмиссии, шасси. Огромное значение, которое П. м. играют в электротехнике, определяется тем, что они являются основой или обязательным компонентом всех элементов изоляции электрических машин, аппаратов и кабельных изделий. П. м. часто применяют и для защиты изоляции от механических воздействий и агрессивных сред, для изготовления конструкционных материалов и др.

Тенденция ко всё более широкому применению П. м. (особенно плёночных материалов) характерна для всех стран с развитым сельским хозяйством. Их используют при строительстве культивационных сооружений, для мульчирования почвы, дражирования семян, упаковки и хранения сельском хозяйстве продукции и т.д. В мелиорации и сельском хозяйстве водоснабжении полимерные плёнки служат экранами, предотвращающими потерю воды на фильтрацию из оросительных каналов и водоёмов; из П. м. изготовляют трубы различного назначения, используют их в строительстве водохозяйственных сооружений и др.

В медицинской промышленности применение П. м. позволяет осуществлять серийный выпуск инструментов, специальной посуды и различных видов упаковки для лекарств. В хирургии используют пластмассовые клапаны сердца, протезы конечностей, ортопедические вкладки, туторы, стоматологические протезы, хрусталики глаза и др.

Супернаполненные пластмассы (СНП) на основе минеральных наполнителей и термопластов относятся к новым композиционным материалам для строительства, способным заменить дорогую пластмассу, они экологически чисты, дешевы, сочетают лучшие свойства полимеров со специальными характеристиками. Введение минеральных наполнителей в полимеры позволяет улучшить прочностные показатели, огнестойкость, тепло- и электрофизические свойства, снизить токсичность при горении и т.д. СНП могут применяться в строительстве в качестве конструкционных, отделочных материалов, трубопроводов, обладающих повышенной огнестойкостью, стойкостью к воздействию агрессивных и атмосферных факторов, в том числе к солнечной радиации в условиях длительной эксплуатации, водостойкости и кислотостойкости.

Из супернаполненных пластмасс можно получать плиты широкого назначения, трубы канализационные, оболочки для силовых кабелей, обладающие повышенной огнестойкостью, а также пожаробезопасные отделочные материалы для полов, стен, сидений в транспорте, детских медицинских учреждениях, обладающие высокой износостойкостью и долговечностью.

Исходным материалом супернаполненных пластмасс является минеральный тонкомолотый наполнитель (кварцевый песок, мел, тальк, слюда), и в качестве связующего применяются термопласты (полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид) и их отходы. Реализация процесса микрокапсулирования частиц наполнителя расплавом позволяет снизить абразивность композиции и перерабатывать ее в изделия методами экструзии, вальцевания, литья и прессования. Высокая степень наполнения (до 90% массы) минеральным наполнителем обеспечивает низкую себестоимость продукции и высокую рентабельность производства.

Изделия из СНП сочетают в себе лучшие качества всех известных материалов: экологическую чистоту, высокие прочностные характеристики, обладают повышенными значениями износо-, и химстойкости, заданными электрическими, магнитными, бактериостатическими и антиобрастающими (грибками, моллюсками) характеристиками, хорошо поддаются механической обработке. Материал практически не имеет усадки, сохраняет формоустойчивость при температуре до +120°C.

Ниже рассмотрим основные технологические особенности различных способов производства пластиковых масс.

Литье при низком давлении

Одной из разновидностей литья под давлением термопластичных материалов является т.н. литье при низком давлении (low-pressure injection molding). Литье при низком давлении применяется для изготовления крупногабаритных изделий (столешницы, двери, различные панели, подставки и пр.), а также изделий с декоративной поверхностью, получаемых методом литья на подложку (ткань, кожу, пленку). В зарубежной литературе для последнего процесса обычно используют термины "In-mold decoration" (IMD) или "In-mold lamination". Методом литья на подложку изготавливают мебель (сиделья стульев и кресел), чемоданы и дипломаты, крупногабаритные детали салона автомобилей и т.д.

Особенностью литья на подложку является невозможность применения высоких скоростей впрыска, характерных для обычного литья под давлением, т.к. при высокой скорости впрыска происходит смещение и смятие подложки. При малых скоростях впрыска резко уменьшаются потери давления: давление впрыска в этом процессе обычно не превышает 10 МПа.

Хотя время впрыска в данном процессе удлиняется в 3-4 раза по сравнению с обычным литьем, общее время цикла остается на том же уровне из-за того, что практически отсутствует стадия выдержки под давлением и уменьшается время выдержки на охлаждение. Изделие можно извлекать из пресс-формы при более высокой температуре. Изделия, полученные литьем при низком давлении, отличаются низким уровнем остаточных напряжений и малым короблением.

Малая скорость впрыска и низкое давление выдвигают особые требования к материалу и конструкции изделия, пресс-форме и литьевому оборудованию.

Требования к материалу изделия

Для литья на подложку обычно используют материалы с невысокой температурой переработки, такие как полипропилен, АБС-пластики и смеси на их основе.

Процесс требует применения материалов с высокой текучестью. Хотя подложка является хорошим изолятором и изделие охлаждается только с одной стороны, при низкой скорости впрыска диссипативное тепловыделение крайне мало - расплав быстро охлаждается.

Выбор материала и определение толщины изделия, необходимой для 100% заполнения, может быть выполнен с высокой точностью в программном продукте Flow. Для учета влияния подложки на процесс литья необходимо также использовать анализ охлаждения пресс-формы Cool (в этом программном продукте предусмотрен специальный анализ литья на подложку).

Требования к пресс-форме

Использование низких давлений и малых скоростей резко уменьшает требования к механической прочности деталей пресс-формы, что позволяет существенно уменьшить толщину плит и вес пресс-формы по сравнению с обычным литьем. Пресс-форма может изготавливаться из недорогих, легко обрабатываемых материалов.

В то же время в данном процессе используется горячеканальная литниковая система. Одной из особенностей литья при низком давлении является малая прочность и низкое качество линий спая. В области спаев наблюдаются дефекты на декоративной подложке. Поэтому для предотвращения появления линий спая в литье при низком давлении применяется особая технология "последовательных впусков" (sequential gating, cascade control). В этой технологии используются запирающиеся горячеканальные сопла. Начальное состояние всех сопел, кроме одного - закрытое. Сопло открывается только в тот момент, когда до него доходит фронт расплава. Оптимальное положение впусков, а также моменты открытия/закрытия могут быть определены на этапе конструирования изделия/пресс-формы в программном продукте Flow.

Литьевые машины для литья при низком давлении

Отсутствие высоких давлений и скоростей значительно упрощает все узлы литьевой машины. В 3-4 раза снижается усилие замыкания. Уменьшается толщина и габариты крепежных плит. Например, машина для литья при низком давлении с усилием замыкания 350 т имеет плиты с размерами 1120 х 1120 мм, тогда как размер плит машины с таким же усилием замыкания для обычного литья составляет всего 735 х 735 мм.

Специальные литьевые машины для литья при низком давлении выпускают фирмы Hettinga Equipment, Engel, Krauss-Maffei и др.

Преимущества литья под давлением изделий из термопластов

с применением горячеканальных форм

К преимуществам литья под давлением термопластов с применением точечного литья горячеканальных форм перед литьем под давлением с использованием затвердевающей литниковой системы относятся, в частности, отсутствие отходов, улучшение качества изделий, возможность интенсификации производственного процесса. Широкое внедрение этого метода обеспечивает значительный экономический эффект за счет полной автоматизации процесса литья под давлением термопластов без применения промышленных роботов и манипуляторов. Техническое перевооружение заводов, перерабатывающих пластические массы, предусматривает поэтапную замену маломощного оборудования и малогнездной оснастки более производительным литьевым оборудованием и новой горячеканальной многогнездной и многовпускной безотходной оснасткой. Перевооружение целесообразно начинать с экономически наиболее рентабельных и крупносерийных производств, а также с заводов, выпускающих крупногабаритные изделия.

Особенности конструкций горячеканальных форм. Наиболее широко используют три варианта конструкции впускного устройства литниковой системы горячеканальной формы.

Впускное устройство варианта I состоит из распределителя, в котором расположены обогреваемые литниковые каналы, датчики терморегуляторов и открытые сопла со специальными термоизолирующими опорными и герметизирующими втулками, предотвращающими вытекание расплава из камеры сопла. Форма с таким впускным устройством предназначена для переработки высоковязких и вязких материалов (полиолефинов). Сопла изготавливают из бериллиевой бронзы марки БР-Б2 (ГОСТ 15-835-70), термоизолирующие и герметизирующие виулки и другие детали - из титанового сплава ТВ (ГОСТ 190-173-75). Бериллиевая бронза имеет наиболее высокий коэффициент теплопроводности, что уменьшает потери тепла из текущего в соплах расплава. Титановый сплав, наоборот, имеет минимальный коэффициент теплопроводности, что предотвращает нагрев соприкасающихся с ним деталей формы, в основном матрицы и переднего фланца.

Вариант II отличается от варианта I применением самозапирающихся клапанов, которые открываются под действием давления расплава на их заплечики, а после заполнения оформляющих полостей и уплотнения отливки они с помощью пружины запирают выходные каналы, расположенные в переднем фланце формы. Зазор между сферическими поверхностями сопла и матрицы не превышает 0.01 - 0.02 мм, поэтому расплав через него не проникает. Упорно-центрирующие пояски на наружной конической поверхности сопла предохраняют тонкие стенки его камеры от разрушения сферической поверхностью сопла, образующийся воздушный зазор обеспечивает теплоизоляцию сопла и матрицы, предотвращает вытекание расплава из камеры головки сопла в пространство между распределителем, переднем фланцем и матрицей, а также взаимно центрирует сопло и впускные каналы матрицы. Формы с впускным устройством варианта II - V предназначены для переработки маловязких материалов (полиамидов).

Варианты II - V отличаются от варианта I тем, что в них коническая поверхность клапана запирает впускной канал, расположенный не в сопле, а в матрице и углубляется внутрь изделия на 0.01 - 0.03 мм. Зазор между цилиндрическим стержнем клапана и соплом составляет 1- 1.5 мм, а само сопло, верхняя часть которого находится в камере матрицы, окружено изоляционным слоем толщиной 2-3 мм. Для предотвращения его вытекания в камеру распределителя служат специальные опорно-герметизирующие и теплоизоляционные втулки из титана. Впускные устройства вариантов II-V обеспечивают литье изделий без дополнительной зачистки следов на них и предназначены для переработки маловязких полимерных материалов. Разработаны комбинированные литниковые системы с обогреваемым разводящим литником и затвердевающими подводящими впускными литниками. Для одно- и четырехгнездных горячеканальных форм применяют одно- и четырехсопловые запорные обогреваемые краны.

Во всех вариантах впускных устройств сопла крепятся к распределителю путем их плотной посадки в гладких глухих отверстиях или с помощью резьбовых соединений с уплотнительными коническими поясками. Оба способа крепления сопел используют в одногнездных формах как с одним, так и с несколькими впускными каналами в производстве крупногабаритных изделий, а также в многогнездных формах .

Получение высококачественных изделий литьем под давлением с применением горячеканальных форм. При литье под давлением изделий в горячеканальных формах обеспечивается наиболее равномерное заполнение и уплотнение оформляющих полостей без опережающих потоков расплава, под действием которых в затвердевающей литниковой системе образуются холодные спаи, что особенно характерно для одногнездных многовпускных и многогнездных форм. При этом заполнение оформляющих полостей достигается при минимальном давлении благодаря отсутствию затвердевающей литниковой системы, а в многовпускных и многогнездных формах - за счет равномерного распределения и повышения температуры на всем пути течения расплава и его уменьшения в обогреваемых литниковых каналах и оформляющих полостях, а также в результате дополнительного разогрева расплава при его продавливании через точечные впускные каналы. Все это позволяет увеличить максимальную площадь литья на одной и той же машине на 30-40% по сравнению с площадью литья, достигающейся при использовании затвердеваюшей литниковой системы, или применять при той же площади литья машину с меньшим усилием запирания и менее металлоемкими формами. Литье при пониженном давлении и повышенной температуре полости формы обеспечивает получение изделий с меньшими остаточными напряжениями, улучшает условия заполнения формы и уплотнения расплава, а также условия эксплуатации формы с повышением ее долговечности. В горячеканальных формах минимальная конусность нагнетающей части клапанов и впускных каналов позволяет без участия шнека с помощью сжатой пружины подавать в оформляющие полости дополнительный объем расплава, компенсирующий усадку. Благодаря этому увеличивается плотность отливок и возрастает равномерность ее распределения по объему отливки, что имеет особенно большое значение в производстве высокоточных изделий. В распределителе горячеканальной формы рядом с литниковыми каналами и вмонтированными в них соплами параллельно обеим сторонам каждого из них расположены нагреватели, а в конце каналов установлены в контакте с глухой стороной крайних (несквозных) сопел датчики терморегуляторов и аналоговые приборы Р-133 с усилителями У-13 для снятия избыточной мощности. Такая электромонтажная схема при праллельном включении в сеть обеспечивает равномерную температуру расплава в любой точке литниковых каналов и у каждого сопла, к которым подводится дозированное количество электроэнергии. С помощью термопар осуществляется своевременное включение и отключение электрической сети, что предупреждает перегрев расплава и нагревателей и выход их из строя. Благодаря равномерному распределению температуры расплава и формы исключается возможность коробления изделий и необходимость их рихтовки перед сборкой или установкой в агрегат, а также достигается равномерность усадки охлаждаемого изделия. Необходимая мощность нагревателей и их количество рассчитываются по известной методике. Варианты III - V - литье в центр дна изделия.