Тонкостенное литье под давлением : технология процесса, особенности, применение. Литье по выплавляемым моделям и его применение технология производства

Тонкостенное литье под давлением (Thin-Wall Injection Molding) характеризуется кокой скоростью впрыска и высоким давлением. Ее используют в получении изделий 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 ограничения на толщину стенок и экстремальные условия переработки сужают рамки параметров технологического процесса.

    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 гомогенизацию расплава, что особенно важно при использовании дробленки или суперконцентрата, и поэтому имеют наибольшее распространение. Поршневые пластикаторы используются значительно реже, поскольку они не обладают перечисленными выше качествами. Но и они не без достоинств, среди которых: способность обеспечивать высокую скорость инжекции расплава в форму, возможность реализовывать эффект мрамора или, если необходимо, яшмы, пластикацией смеси разных по цвету пластмасс.

    Иногда применяют раздельную пластикацию, при которой полимер сначала поступает из бункера в вышеуказанный червячный предпластикатор, приготавливающий расплав, а затем через регулирующий кран расплав направляется в поршневой пластикатор, осуществляющий дозирование и высокоскоростную инжекцию в форму. Заметим, что такое нехитрое изделие как расческа, наиболее эффективно производится на литьевых машинах с раздельной червячно-поршневой пластикацией.

    На этапе пластикации основными технологическими параметрами являются: температура расплава по длине цилиндрической части материального цилиндра, температура сопла, установленного на выходе из материального цилиндра, скорость вращения червяка и величина противодавления при его отходе.

    Классификация термопластов по химической структуре

    Классификация, основанная на химической структуре полимеров, включает множество аспектов. Остановимся только на тех вопросах и терминах, которые часто упоминаются в технологической литературе.

    Функциональные группы термопластов

    По химическому строению, определяемому наличием в структуре определенных функциональных групп, литьевые термопластичные материалы обычно подразделяют на несколько групп. Современная промышленность выпускает большое количество типов полиолефинов (PO), важнейшими из которых являются группы полиэтиленов (PE) и полипропиленов (PP). Многочисленные типы материалов представлены в группах стирольных пластиков (PS), полиамидов (PA), сложных полиэфиров.

    Традиционно выделяют группы полимеров на основе целлюлозы, фторполимеров или фторопластов. Акриловых полимеры или акрилаты (acrylic) обычно являются сополимерами. Изготовители этих материалов часто указывают только принадлежность материала к данной группе и не приводят данные о химической структуре сополимера. [6]

    Примечание: 1 - Карбонатная группа содержит сложноэфирную группу, поэтому обычно поликарбонаты относят к сложным полиэфирам.

    Гомополимеры. Сополимеры. Интерполимеры

    Полимеры, построенные из одинаковых мономеров, называют гомополимерами, из разных - сополимерами.

    По структуре сополимеры делят на несколько типов:

    - блок-сополимер - с регулярным чередованием последовательностей (блоков) звеньев в основной цепи;

    - статистический сополимер - с нерегулярным чередованием последовательностей звеньев;

    - привитой сополимер - имеет основную цепь в виде гомополимера или сополимера, к которой присоединены боковые цепи;

    - чередующийся или альтернатный сополимер - с регулярным чередованием звеньев в основной цепи.

    В последнее время большое развитие получили интерполимеры - сополимеры, образующие гомогенную структуру (компоненты не выделяются в отдельные фазы).

    Помимо двойных сополимеров, построенных из двух типов мономерных звеньев, выпускаются тройные сополимеры, состоящие из трех типов звеньев, а также сополимеры с четырьмя и большим количеством типов звеньев. Тройными сополимерами являются АБС-пластики (ABS), ACA-сополимер (ASA) и др.

    Стереоизомеры

    Для многих типов материалов (полипропилен, полистирол и др.) помимо химической формулы большое значение имеет стереоизомерия - тип пространственной конфигурации боковых групп атомов относительно полимерной цепи. Наиболее важные типы стереоизомеров:

    - изотактический - в схематичном изображении (например, в "проекции Фишера") боковые группы расположены "по одну сторону" условной плоскости полимерной цепи;

    - синдиотактический - в схематичном изображении боковые группы последовательно чередуются "по одну и другую сторону" условной плоскости полимерной цепи;

    - атактическиий - в схематичном изображении боковые группы располагаются беспорядочно "по одну и другую сторону" условной плоскости полимерной цепи.

    Реальная пространственная структура стереоизомеров является более сложной, из-за того, что макромолекула закручивается в спираль.

    Развитие технологии синтеза полимеров с одним центром полимеризации на металлоценовых и неметаллоценовых катализаторах позволило наладить в последние годы промышленный выпуск различных стереоизомеров.

    В качестве примера влияния стереоизомерии на эксплуатационные свойства материала можно привести синдиотактический полистирол (SPS), являющийся кристаллизующимся материалом с высокой термостойкостью, в отличие от обычного аморфного атактического полистирола.

    Тонкостенное литье под давлением (Thin-Wall Injection Molding) характеризуется кокой скоростью впрыска и высоким давлением. Ее используют в получении изделий 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 ограничения на толщину стенок и экстремальные условия переработки сужают рамки параметров технологического процесса.

    Тем не менее, концепция тонкостенного литья получила большие распространение и популярность, из-за снижения толщины стенок, которое приводит к уменьшению веса, экономии сырья и значительному сокращению времени охлаждения в таких областях применения, как корпуса компьютерных мониторов, приборные и другие панели автомобилей, телекоммуникации, карманные компьютеры и ноутбуки, мобильные телефоны. Эти портативные устройства требуют пластмассовых корпусов, которые должны быть как можно более легкими и тонкими (менее 1,2 мм), а также обеспечивать ту же самую прочность, что и обычные изделия. Другим революционным приложением для тонкостенного литья является производство изделий с микроструктурой поверхности для медицинской, оптической и электронной промышленности.

    Описание процесса

    Термин «тонкостенное литье» не совсем отражает суть процесса. 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 толщине стенок изделия. Типичные соотношения для тонкостенных отливок лежат в диапазоне от 100:1 до 150:1 или более. Вне зависимости от определений тонкостенные изделия получаются при более ограниченном распространении потока по сравнению с традиционными отливками (рис. 1 a). В результате они быстро затвердевают в процессе литья. Чтобы преодолеть эти трудности, изготовители полимерных изделий часто пытаются повысить температуру расплава на 38-65 0С выше рекомендуемого диапазона в литературе Plastics Engineering, Fassett (1995). Другим методом преодоления преждевременного затвердевания является впрыскивание материала со скоростью на порядок больше, чем в традиционной технологии (от 500 до 1400 мм/с). Для достижения большой скорости впрыска и нужного уплотнения требуется очень высокое давление впрыска (от 2400 до 3000 бар).

    Данные ограничения на толщину и экстремальные условия переработки сужают область варьирования параметров процесса (рис. 1 б). Применение холодноканальной литниковой системы 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 при этом и менее надежны в работе.

    Время заполнения литьевой формы при тонкостенном литье составляет от 0,1 до 0,5 с (в традиционном литье около 2 с). В таблице 1 сравниваются некоторые параметры тонкостенного литься с литьем под давлением. Поскольку в тонкостенном литье требуется меньший объем впрыска, то машины с цилиндром стандартного размера будут иметь слишком большую емкость. Это приводит к тому, что возникает необходимость изготовления специальных цилиндров, позволяющих избежать повышенного времени пребывания расплава в цилиндре и избыточных температур расплава, а следовательно, термической деструкции. Из-за высоких скорости расплава и скорости сдвига в тонкостенном литье ориентация молекул происходит легче. Чтобы свести к минимуму анизотропную усадку в тонкостенных изделиях, очень важно осуществлять уплотнение изделия в нужный момент, когда внутренний объем изделия находится в расплавленном состоянии. Впускные литники большого сечения (по сравнению с толщиной стенок изделия) необходимы, чтобы обеспечить достаточный поток материала во время уплотнения. Кроме того, места впуска должны быть расположены таким образом, чтобы поток направлялся от участков большей толщины к участкам меньшей толщины.

    В тонкостенном литье крайне важна конструкция системы выталкивания. Во-первых, тонкостенные изделия более подвержены остаточной деформации во время извлечения. Во-вторых, чтобы увеличить жесткость изделий, в их конструкции предусматривают упрочняющие ребра, которые требуют большего усилия выталкивания и усложненной конструкции системы выталкивания. В-третьих, изделие имеет тенденцию прилипать к стенкам литьевой формы из-за высокой скорости впрыска и высокого давления уплотнения.

    Наконец, если не продумана конструкция толкателей, изделия могут деформироваться или даже ломаться в процессе извлечения. Тонкостенные изделия для устройств электронной или телекоммуникационных отраслей промышленности должны иметь одновременно привлекательный внешний вид (плавные линии, нестандартный дизайн) и жесткость. Стратегии получения противоударных корпусов включают в себя использование неармированных пластмассовых корпусов, которые будут демпфировать нагрузку, армированных термопластов, передающих воздействие другим частям изделия, или использование технологии двухкомпонентного литья для того, чтобы нанести защитный слой термопластичного эластомера.

    Таблица 1: Сравнение тонкостенного литья с традиционным литьем под давлением

    Ключевой 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 уустройствах 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 материал и существенно сокращать время охлаждения отливки. В частности, в процессах традиционного литья под давлением время цикла обычно составляют от 30 до 60 с, а в тонкостенном литье оно сокращается до 6-20 с. Это приводит к значительному снижению производственных затрат.

    Недостатки

    Тонкостенное литье — более сложный процесс с технической точки зрения, чем традиционное литье под давлением, из-за трудностей в распространении потока, избыточных требований к параметрам процесса переработки. Оно также требует прочного, дорогого оборудования и, возможно, модифицированных или специальных машин для 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 наблюдалось по уменьшению напряжения разрушения при проведении испытаний на разрыв.

    Материалы

    Для тонкостенного литья может применяться большинство термопластичных материалов, 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 материалах с лучшими физическими характеристиками, чтобы добиваться определенной прочности изделий.

    Типичные направления применения

    Тонкостенное литье наиболее популярно в отраслях производства портативных телекоммуникационных устройств и компьютерного оборудования. Причем изделия должны иметь настолько тонкие стенки, насколько это возможно, чтобы сохранить механическую прочность, как у изделий, отлитых по стандартной технологии. К типичным изделиям, полученным тонкостенным литьем, относятся: мобильные телефоны, пейджеры, корпуса ноутбуков, передние панели автомобильных аудиоколонок, микрозажимы для хирургии, электронные разъемы, а также оптические носители информации.

    Литье по выплавляемым моделям и его применение

    Литье по выплавляемым моделям, широко применяемое в машиностроении при изготовлении тонкостенных сложных по конфигурации отливок, является наиболее распространен­ным методом получения мелких художественных отливок. Этот метод имеет долгую историю. Хорошо известны примеры литья пушек, колоколов, скульптуры с применением моделей, изготовленных из воска.

    Технология литья по выплавляемым моделям имеет ряд специфических особенностей:

    — модель служит для получения только одной отливки, потому что вытапливается в процессе изготовления формы;

    — металл заливают в тонкостенные неразъемные формы, получаемые путем нанесения огнеупорного покрытия на модель, сушки покрытия, удаления (вытапливания) модели и последующего прокаливания формы;

    — формовочная смесь представляет собой суспензию, состоящую из мелкозернистого огнеупорного материала и связующего раствора;

    — применение мелкозернистых пылевидных огнеупорных материалов обеспечивает очень высокое качество поверхности отливки;

    — высокая точность отпечатка модели достигается путем повышения температуры заливаемого металла, что требует использования высокоогнеупорных формовочных и связующих материалов.

    Шероховатость поверхности отливок зависит от их толщины и некоторых особенностей технологии.

    Так, при создании восстановительной атмосферы в форме во время заливки металла высота микронеровностей на поверхности стальных отливок толщиной от 10 до 40 мм снижается с 10—160 до 5—80 мкм.

    Схема изготовления по выплавляемым моделям мелких деталей в условиях крупносерийного и массового производства представлена на рис. 3.1.
    литье по выплавляемой модели

    Восковые модели изготавливают в многоместной пресс-форме на специальном пресс-автомате (рис. 3.1, а), а затем собирают припаиванием в модельный блок с общей литниковой системой).

    На модельный блок наносят огнеупорную суспензию, состоящую из связующего раствора (как правило, на основе этилсиликата) и огнеупорного порошка.

    Для укрепления суспензионного слоя его обсыпают кварцевым песком или крошкой другого огнеупорного материала, после чего просушивают. На блок наносят несколько слоев.

    Модель удаляют из керамической оболочки выплавлением, раство­рением или выжиганием.

    Оболочку прокаливают для удаления остатков модельного состава и других органических веществ.

    Если прочность оболочки недостаточна, ее перед прокаливанием заформовывают в огнеупорный наполнитель.

    После заливки и затвердевания металла блок очищают от огнеупор­ной оболочки, а отливки отделяют от литниковой системы .

    В машиностроении литье по выплавляемым моделям получило интенсивное развитие в середине XX века благодаря успехам в области химии силикатов. Восковые модели машиностроительных отливок получают в металлических, пластмассовых и гипсовых пресс-формах, изготовленных по чертежам.

    Литье по выплавляемым моделям обеспечивает получение точных и сложных отливок из различных сплавов массой 0,02…15 кг с толщиной стенки 0,5…5 мм.

    Недостатками являются сложность и длительность процесса производства отливок, применение специальной дорогостоящей оснастки.

    Литьем по выплавляемым моделям изготавливают детали для приборостроительной, авиационной и другой отраслевой промышленности. Этот способ используют при литье жаропрочных труднообрабатываемых сплавов (лопатки турбин), коррозионно-стойких сталей, углеродистых сталей в массовом производстве (автомобильная промышленность).

    Технологический процесс автоматизирован и механизирован.

    Классификация термопластичных материалов и их свойства.

    К термопластичным материалам или термопластам относятся полимеры, которые при нагревании переходят из твердого агрегатного состояния в жидкое: высокоэластическое или вязкотекучее. При охлаждении материала происходит обратный переход в твердое состояние. Поведение при нагревании отличает термопласты от термореактивных материалов или реактопластов, которые отверждаются за счет химической реакции и не способны далее переходить в жидкое агрегатное состояние.

    1.1 Классификация термопластов по эксплуатационным свойствам

    Термопластичные материалы делят на несколько групп в зависимости от уровня эксплуатационных свойств. К таким свойствам прежде всего относится температура долговременной эксплуатации.

    Пластмассы достаточно условно делят на группы (в различных изданиях приводятся разные критерии классификации):

    - Материалы общетехнического назначения или общего назначения;

    - Пластмассы инженерно-технического назначения или конструкционные пластмассы;

    - Суперконструкционные или высокотермостойкие полимеры.

    Среди термопластов выделяют особую группу термопластичных эластомеров или термоэластопластов (TPE), которые по технологическим свойствам являются обычными термопластами, а по эксплуатационным подобны каучукам и резинам, т.е. способны к большим обратимым деформациям. В зависимости от температуры долговременной эксплуатации термоэластопласты также подразделяют на материалы общего назначения и инженерно-технического назначения.

    За рубежом классификации полимеров по уровню эксплуатационных свойств и их отнесение к той или другой группе материалов в настоящее время носит вспомогательный характер и используется лишь в целях упорядочения информации.

    Материалы специального назначения

    Иногда условно выделяют группу материалов специального назначения (специальные пластмассы, функциональные пластмассы). К ней относят материалы, обладающие особыми, иногда уникальными, свойствами. Эти свойства могут обеспечиваться особой химической структурой полимера или специальными наполнителями и добавками. Среди специальных добавок - электропроводящие добавки (антистатические, электропроводящие, ЭМИ-экранирующие материалы), антифрикционные добавки (материалы с пониженным коэффициентом трения), фрикционные добавки (материалы с повышенным коэффициентом трения) и др. [2 – 5]

    1.2 Классификация термопластов по объему производства

    Нередко в литературе выделяют группу крупнотоннажных материалов, к которым относят полиэтилен (PE) и полипропилен (PP), основные стирольные пластики (PS) и особенно АБС (ABS), акрилаты, ПВХ (PVC) и бутылочный ПЭТ (PET)

    Похожие товары

    Изображение
    Особенности производства и технология производства сахара из свеклы. Технология производства сахара.
    Технология производства сахара из свеклы относится к непрерывно-поточному механизированному производству с высоким уровнем автоматизации основных процессов. Особенностью территориального размещения сахарных заводов является их жёсткая привязка к посевным площадям сахарной свеклы

    Характеристика и производство сахара
    Продукт представляет собой чистый углевод – сахарозу, характеризуется...
    Отзывы :0шт.
    Технология производства еврозаборов с суточной выдержкой в пластиковых формах. Еврозаборы - преимущества и особенности
    В процессе приготовления смеси все компоненты в определенной последовательности и в определенных пропорциях закладываются в бетоносмесители и тщательно перемешиваются с постепенным добавлением воды.

    Преимущества еврозаборов
    Современные сборные декоративные заборы из железобетонных плит и опорных столбов имеют ряд преимуществ

    в сравнении с заборами из других материалов:
    Отзывы :0шт.
    Сгущенное молоко. Технология производства. Сгущенное молоко - полезные свойства.
    Сгущенное молоко один из популярнейших продуктов среди населения, как сырьё широко используется в кондитерской промышленности. Благодаря повышенному сроку хранения, сгущенное молоко с сахаром является стратегическим продуктом. Все это говорит о высокой рентабельности и ликвидности продукта.
    Качественное сгущенное молоко
    Отзывы :0шт.
    Материал используемый для сайдинга. Разные виды сайдинга и его применение.
    Сайдинг - это современный отделочный материал для наружной облицовки фасадов зданий. Однако по сравнению с виниловым сайдингом стальные и алюминиевые панели более долговечны (срок службы составляет 20-50 лет), прочны, термо- и огнестойки. Именно поэтому металлическим сайдингом (металлосайдингом) отделывают здания, в которых расположены различные производства или службы, связанные с повышенной...
    Отзывы :0шт.
    Что такое технология производства? Определение. Обзор разных видов производства.
    Технология производства определение (от греч. τέχνη — искусство, мастерство, умение; др.-греч. λόγος — мысль, причина; методика, способ производства) — комплекс организационных мер, операций и приемов, направленных на изготовление, обслуживание, ремонт и/или эксплуатацию изделия с номинальным качеством и оптимальными затратами, и обусловленных текущим уровнем развития науки, техники и общества в...
    Отзывы :0шт.