Произвлдство пластмасс

Технология литья с газом (Gas Assisted Injection Molding, Gas Injection Molding, Gas Injection Technique) была впервые предложена в 1970 г. и в последние годы получила широкое распространение за рубежом. Первые попытки применения данной технологии делаются и в нашей стране. По сравнению с обычным литьем под давлением технология литья с газом имеет ряд преимуществ, важнейшие из которых: изготовление крупногабаритных изделий при минимальном числе горячеканальных впусков или вообще без горячего канала, уменьшение утяжек, существенное уменьшение требуемого усилия замыкания литьевой машины, а также возможность получения полых изделий. Основными патентами в области литья с газом обладают фирмы Cinpres (Великобритания) и GAIN Technology (США).

Процесс литья с газом проводится по следующей схеме. Вначале в пресс-форму подается расплав полимера, как в обычном литье под давлением. После заполнения изделия на 50-60% для полых и 90-95% для крупногабаритных деталей впрыск полимера прекращается и в полость формы подается газ под давлением 10-80 МПа. В крупногабаритных изделиях газ подается в так называемые газовые каналы - утолщения, предусмотренные в конструкции изделия. Двигаясь по центральной части газовых каналов (на поверхности газовых каналов остается слой застывшего полимера), газ вытесняет расплав полимера и обеспечивает полное оформление изделия. В качестве газа в данном процессе обычно применяется азот, который имеет низкую цену, инертен и доступен.

В обычном литье под давлением уплотнение полимера происходит за счет давления, создаваемого в гидроцилиндре узла впрыска (стадия выдержки под давлением). Это давление передается в дальние области изделия через большой слой остывающего полимера.

При литье с газом уплотнение полимера происходит за счет давления газа в газовых каналах, поэтому процесс уплотнения проходит легче (даже при небольшом давлении газа), чем в обычном литье под давлением. Литье с газом позволяет получить изделия с хорошим качеством поверхности, без утяжек и без коробления, с минимальным уровнем остаточных напряжений (т.е. с высокой стабильностью размеров).

При литье с газом используется обычная литьевая машина - это важное обстоятельство и способствовало популярности данной технологии - а также специальное оборудование для подачи газа. Процесс литья с газом может проводится в двух вариантах: с управлением давлением газа (pressure-control process) и с управлением объемом подаваемого газа (volume-control process). В первом варианте компрессор высокого давления обеспечивает требуемый профиль давления газа (чаще всего используется 2 ступени). Во втором варианте заданный объем сжатого газа подается в пресс-форму с помощью поршневого дозирующего компрессора импульсного действия.

Существуют различные схемы подачи газа. Впуск газа может осуществляться через сопло литьевой машины, в литниковую систему (в центральный или разводящий литник) или непосредственно в полость формы. В первых 2-х случаях применяется холодноканальная литниковая система, а сопло должно быть оснащенно запорным клапаном, для предотвращения попадания газа в материальный цилиндр. Интересным решением является подача газа в изделие со стороны, противоположной впуску, когда газ вытесняет расплав полимера из внутренних областей полости в цилиндр литьевой машины (push-back process). В этом случае также применяется сопло с запорным клапаном.

Рассмотрим принципы конструирования газовых каналов.

Газовые каналы выполняют при литье с газом 3 функции: а) на стадии впрыска полимера газовые каналы работают как холодноканальные литники, транспортируя расплав полимера к дальним областям изделия; б) после впуска газа последний вытесняет расплав полимера из внутренних областей газовых каналов (стадия вытеснения), обеспечивая 100% заполнение изделия полимером; с) далее под действием давления газа происходит уплотнение полимера в изделии (стадия уплотнения). Конструкция газовых каналов должна учитывать особенности поведения полимера и газа на этих трех стадиях процесса.

Форма и размеры поперечного сечения, расположение газовых каналов, места впуска полимера и газа выбираются с учетом следующих факторов:

1) Возможность заполнения 80-95% изделия расплавом до подачи газа. При малой толщине газовых каналов расплав не достигает дальних областей изделия.

2) Равномерность (сбалансированность) заполнения изделия расплавом. Нарушение данного принципа может привести к недоливу, короблению изделия. Газовые каналы должны заканчиваться рядом с теми областями изделия, которые заполняются на стадии впрыска полимера в последнюю очередь.

3) Необходима также балансировка для газа. Неравномерность движения газа может быть вызвана неравномерностью охлаждения полимера или другими причинами.

4) Отсутствие опасных воздушных ловушек. На стадии впрыска расплав полимера движется по газовым каналам быстрее, чем по более тонким областям изделия. При большой толщине газовых каналов происходит образование воздушных ловушек и линий спая между двумя газовыми каналами (racetrack effect). Для предотвращения этого явления рекомендуется выбирать для начала толщину газовых каналов в 2-2.5 раз больше толщины изделия. Это оценочная величина и часто такая толщина газовых каналов будет недостаточна. Поведение расплава в реальной пресс-форме зависит от вязкости материала, толщины изделия и др. факторов. При этом толщина газовых каналов может превышать основную толщину изделия в 4 раза.

5) Впуск полимера может производиться в газовый канал или в основную стенку изделия. В первом случае облегчается заполнение крупногабаритных изделий. Во втором варианте уменьшается длина затекания, но одновременно снижается эффект ускорения течения расплава по газовым каналам.

6) Объем газовых каналов должен быть достаточен для 100% заполнения изделия с учетом уплотнения. При малом объеме газовых каналов возникает недолив. Газ может двигаться в канале, только вытесняя из него полимер. Если объем газовых каналов слишком большой, газ не может дойти до конца газовых каналов. Это приводит к утяжкам (в каналах, заполненных полимером), короблению и значительно увеличивает время цикла. Для вытеснения "лишнего" полимера из газовых каналов после заполнения изделия могут использоваться прибыли (spillover, overflow) с постоянным или регулируемым объемом. Применение прибылей увеличивает стоимость процесса (увеличивается объем вторичной переработки материала). Во многих случаях случаев нет необходимости использовать прибыли.

7) Так как в изделии с газовыми каналами имеется большой перепад толщин, часто может проявляться эффект замедления (hesitation effect), который повышает неравномерность заполнения и приводит к недоливу.

8) Искривление газового канала приводит к неравномерному уменьшению толщины слоя полимера и ослабляет изделие (газ движется в искривленном газовом канале по кратчайшему пути). Этот эффект можно предотвратить, увеличивая охлаждение канала со соответствующей стороны (за счет правильного выбора формы поперечного сечения канала, расположения охлаждающих каналов).

9) Попадание газа в тонкостенные части изделия (этот эффект называется fingering значительно снижает механическую прочность изделия и ухудшает его внешний вид (для прозрачных изделий). Данный эффект часто наблюдается при расположении газовых каналов перпендикулярно направлению растекания расплава. Эффект можно устранить при задержке подачи газа, повышении эффективности охлаждения изделия, уменьшении основной толщины изделия.

10) Замкнутые газовые каналы могут создавать несколько проблем. Во-первых, они приводят к образованию воздушных ловушек. Во-вторых, в месте встречи 2-х воздушных пузырей остается слой полимера. Для полного охлаждения этого слоя необходимо значительно увеличить время цикла. Часто давления газа недостаточно для уплотнения толстого слоя полимера, поэтому здесь возможна утяжка.

11) Механическая прочность и жесткость изделия. Газовые каналы, если у них достаточная толщина стенки, повышают механические характеристики изделия. Однако не рекомендуется пытаться использовать газовые каналы для улучшения механических характеристик изделия. Проще всего это сделать за счет системы ребер.

12) Закрытие литникового канала перед подачей газа для предупреждения попадания газа в цилиндр литьевой машины. Для этого используется запирающееся сопло литьевой машины, запирающееся горячеканальное сопло или другие решения. Если впрыск полимера осуществляется не в газовый канал, газ может быть отсечен от литникового канала застывающим полимером.

13) Хотя при литье с газом могут использоваться несколько впусков газа в изделие, количество впусков газа должно быть минимальным. Каждый впуск - это дырка в изделии. Кроме того в разных впусках сопротивление газу может различаться. Газ может проигнорировать впуск с большим сопротивлением.

14) След на изделии на линии остановки полимера (hesitation line). При задержке подачи газа на изделии может оставаться след в месте остановки фронта расплава, но этот дефект более характерен для полых изделий. След на изделии иногда можно устранить изменением технологического режима, однако для гарантированного отсутствия следа применяют 100% заполнение изделия полимером перед подачей газа, а избыток материалы вытесняют в прибыли.

15) При разводке газовых каналов необходимо учитывать, что уплотнение полимера и компенсация объемной усадки может происходить в данной технологии только за счет давления газа. При увеличении расстояния от области изделия до газового канала эффективность уплотнения этой области уменьшается. Чем меньше текучесть материала, тем ближе должны быть газовые каналы к уплотняемой области изделия.

При доработках пресс-формы необходимо учитывать, что добавление или любое изменение газового канала может кардинально изменить характер заполнения изделия.

Реальное поведение полимера и газа в полости формы определяется многими факторами и очень сильно зависит от особенностей используемой марки полимера. Современная технология компьютерного анализа позволяет спрогнозировать это поведение и оптимизировать конструкцию изделия и пресс-формы на этапе подготовки производства.

Одним из наиболее эффективных методов снижения себестоимости изделия является уменьшение толщины стенки изделия, позволяющее уменьшить расход материала и цикл литья. Однако толщина стенки менее 1 мм и время цикла литья 5-10 сек накладывают особые требования к материалу, оборудованию и пресс-форме. Поэтому говорят о технологии тонкостенного литья (thinwall molding).

Можно выделить 3 типа изделий, для литья которых применяется технология тонкостенного литья. К первому типу относятся изделия из термически стабильных материалов, таких как полиэтилен, полипропилен, полистирол и др., толщиной менее 1 мм. Указанные материалы используются для изготовления упаковки, одноразовой посуды. Низкий уровень механических свойств данных материалов обычно не позволяет снизить толщину менее 0.5-0.6 мм.

Ко второму типу можно отнести технически сложные изделия толщиной менее 1 мм, отливаемые из конструкционных термопластов (АБС-пластик, полиамиды, поликарбонат, полибутилентерефталат, полиацетали и др.) и суперконструкционных материалов (полифениленсульфид, полиэфирсульфон, полиэфирэфиркетон, жидкокристаллические полимеры, полиэфиримид и др.). Данные материалы отличаются высоким уровнем механических свойств и невысокой термической стабильностью при переработке. Из этих материалов могут отливаться сверхтонкие изделия, например: электрический разъем из стеклонаполненного жидкокристаллического полимера длиной 250 мм с толщиной стенки 0.4 мм /5/, миниатюрные разъемы из жидкокристаллического полимера толщиной 0.2-0.3 мм /6/, корпуса электрических катушек из PA 66 и ПБТ толщиной 0.15 - 0.27 мм /7/. Существуют примеры литья и более тонких изделий, например толщиной 0.08 мм.

Тонкостенные изделия третьего типа - изделия толщиной более 1 мм с отношением длина потока/толщина более 100. Литье таких изделий имеет свои особенности и в данной работе не рассматривается.

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

Требования к литьевой машине, пресс-форме и материалу изделия при тонкостенном литье обобщены в таблице:

Литьевая машина

      Высокое давление

      Высокая скорость впрыска

      Высокое усилие замыкания

      Быстроходность

      Высокий уровень системы управления

      Высокий уровень гидравлической системы

Пресс-форма

      Горячеканальная система

      Интенсивное и равномерное охлаждение

      Повышенные требования к центрированию

      Повышенная точность изготовления литниковой системы

      Увеличенное усилие выталкивания

      Увеличенные литьевые уклоны

      Хорошая вентиляция

      Надежность работы всех систем пресс-формы

      Повышенная прочность и износостойкость материалов пресс-формы

Материал изделия

      Высокая текучесть

      Стабильность

      Способность к "быстрому литью"

      Высокие механические свойства

При литье тонкостенных изделий из термически нестабильных материалов одним из наиболее критических параметров литьевой машины является скорость впрыска. При тонкостенном литье необходима очень высокая скорость впрыска т.к. материал очень быстро застывает. Литьевая машина для тонкостенного литья должна иметь гидроаккумулятор. Гидроаккумулятор увеличивает подачу масла в гидроцилиндр узла впрыска, что позволяет повысить скорость впрыска в 3 раза по сравнению с обычной машиной.

Если тонкостенное изделие отливается из термически стабильного материала, обычно можно взять машину с большим объемом - это обеспечивает повышение скорости впрыска. Для термически нестабильных материалов объем впрыска должен соответствовать объему отливки и время пребывания материала при высокой температуре должно быть минимальным.

Машина для тонкостенного литья должна обеспечивать высокое давление впрыска (1800-2500 кгс/см2 и более) и соответствующее высокое усилие замыкания. Например, для литья корпуса источника питания толщиной менее 0.5 мм из поликарбоната потребовалась машина с давлением литья, превышающем 2760 кгс/см2 .

Важнейшее условие получения качественных тонкостенных изделий - высокий уровень системы управления машины (управление с обратной связью по основным параметрам процесса, контроль процесса), надежность и стабильность работы машины. Изменение времени впрыска на 0.1 с может привести к недоливу.

Применение холодноканальных литников при тонкостенном литье неэффективно из-за большого времени охлаждения литников и значительных потерь давления расплава в литниковой системе. По этой причине для литья тонкостенных изделий используют горячеканальные литниковые системы или реже - для термически стабильных материалов - системы с незастывающими литниками, которые имеют меньшую стоимость, но менее надежны в работе.

При тонкостенном литье должна быть обеспечена высокая надежность работы всех систем пресс-формы. Особое внимание должно быть уделено центрированию формообразующих элементов. Смещение пуансона относительно матрицы на 0.01 мм может привести к резкому изменению характера течения полимера при впрыске. Высокая скорость впрыска требует хорошей вентиляции оформляющей полости.

В многогнездных формах важным фактором является точность изготовления литниковой системы. Небольшие различия в размерах литниковых каналов (особенно впускных литников) могут вызвать резкие изменения характера заполнения гнезд отливки.

При тонкостенном литье часто необходимо более высокое усилие выталкивания и увеличенные по сравнению с обычным литьем литьевые уклоны  - следствие более высокого давления литья.

Высокие давление и скорость впрыска накладывают особые требования к материалам пресс-формы. При литье тонкостенных изделий рекомендуется применять более износостойкие и прочные стали, типа стали H13 (отечественный аналог 4Х5МФ1С) /1/.

Высокие требования к пресс-формам для тонкостенного литья приводят к ее удорожанию на 30-40% по сравнению с обычным литьем. Более высокая стоимость пресс-формы окупается за счет меньшего веса изделия и большей производительности процесса.

Высокая текучесть - одно из обязательных свойств материала для тонкостенного литья. Выпускаемый в настоящее время марочный ассортимент зарубежных термопластов включает достаточное количество материалов с низкой вязкостью различного применения. Необходимо учитывать, однако, что повышение текучести материала сопровождается уменьшением основных механических характеристик.

При толщинах стенки меньше 1 мм "окно переработки" становится очень узким. Это накладывает жесткие требования к стабильности характеристик материала.

Уменьшение времени цикла литья ограничено теплофизическими характеристиками материала (для кристаллизующихся материалов - скоростью кристаллизации). Некоторые марки материалов разработаны специально для тонкостенного литья. Они характеризуются как материалы с "быстрым циклом" (fast cycle, high cycle).

Тонкостенное литье требует более точного учета технологических и эксплуатационных особенностей материала при конструировании изделия. Оптимальное решение может быть найдено в компьютерном анализе.

Оптимизация толщины стенки изделия, литниковой системы и технологического режима

В таблице приведены результаты анализа впрыска для кофейной чашки из полипропилена марки Каплен 01250 в программном продукте MPI/FLOW фирмы Moldflow при различной толщине стенки. Анализ проводился при температуре расплава 220С и температуре формы 40С.

Толщина
(мм)

Вес изделия
(г)

Оптимальное время впрыска (с)

Общая толщина 2-х застывших слоев при окончании впрыска (мм)

Время охлаждения
(с)

Потери давления: изделие + литник (кгс/см2)

Распорное усилие при впрыске
(тс)

0.4

5.7

0.18

0.21

0.3

990

40

0.5

7.1

0.24

0.22

0.5

780

30

0.6

8.5

0.30

0.20

0.8

680

25

0.7

10.0

0.35

0.26

1.1

600

22

0.8

11.4

0.43

0.30

1.4

530

19

0.9

12.8

0.53

0.34

1.7

460

16

1.0

14.2

0.64

0.38

2.1

410

14

Уменьшение толщины стенки изделия приводит к быстрому росту потерь давления расплава на стадии впрыска. Если эти потери давления превышают допустимое давление для используемой литьевой машины, может появиться недолив.

При тонкостенном литье большую роль играет застывший пристенный слой, толщина которого сопоставима с толщиной полости. Величина застывшего слоя очень сильно зависит от скорости впрыска, поэтому при тонкостенном литье правильный выбор скорости впрыска имеет особое значение.

Одним из наиболее критических мест горячеканальной литниковой системы является впускной литник. Слишком тонкий впускной литник является причиной недолива, дефектов изделия вблизи впуска. При большой толщине впускного литника ухудшается внешний вид изделия. Оптимальная толщина впускного литника зависит от текучести материала, толщины изделия и длины потоков расплава. Оптимальная толщина впускного литника может быть определена в компьютерном анализе.

Оптимизация системы охлаждения пресс-формы

Особое значение при тонкостенном литье имеет конструкция системы охлаждения пресс-формы. Оптимизация системы охлаждения проводится в компьютерном анализе. Расчеты, представленные в данной работе выполнены в программном продукте MPI/COOL фирмы Moldflow.

Для обеспечения стабильности процесса охлаждение пресс-формы для литья тонкостенных изделий должно осуществляться с помощью специального термостата.

При малых временах цикла в пресс-форму от расплава поступает очень большое количество тепла. Поэтому при тонкостенном литье отвод тепла от изделия должен быть более интенсивным.

Еще одним требованием является равномерность охлаждения изделия. Неравномерное охлаждение приводит к резкому изменению характера течения расплава и является причиной многих дефектов (коробление, воздушные ловушки, нестабильность размеров при хранении и эксплуатации изделия и т.д.). Часто условия охлаждения матрицы и пуансона очень сильно различаются. В этом случае требуется два независимых контура охлаждения (используется термостат с двумя баками или два термостата).

Особые проблемы при тонкостенном литье могут вызвать так называемые "горячие пятна" - участки формообразующей поверхности с повышенной температурой. "Горячие пятна" возникают из-за затрудненного отвода тепла от некоторых областей изделия. Причиной этого может быть большое расстояние до канала охлаждения (превышающее 3 диаметра канала), а также конструктивные особенности изделия (наличие ребер и пр.).