Литье изделий из пластмассы на заказ

Процесс литья пластмасс под давлением с газом (Gas-Assisted Injection Molding) состоит из этапа частичного или почти полного впрыска расплава полимерного материала в пресс-форму, а затем подачи под давлением газа (обычно азота) в центр расплава через сопло ГКС, центральный литник, подводящие литники или напрямую в формую­щую полость. Сжатый газ встречает на пути меньшее сопротивление, следуя за пе­редним фронтом расплава, где давление минимально. В результате газ проникает в расплав и формирует пустоты и каналы большого сечения внутри конструкции, за­ставляя расплав полимера заполнять и уплотнять весь объем формующей полости. Поскольку у газа отсутствует вязкость, он эффективно распределяет свое давление и проникает в самые удаленные части отливки, поэтому требуется относительно небольшое его давление, чтобы получить достаточное и равномерное давление газа по всей формующей полости. Этот технологический процесс дает возможность производить легкие по весу, но прочные изделия, без утяжин и менее подвержен­ные деформации.

Описание технологического процесса

Литье пластмасс под давлением с газом начинается с частичного или почти полного впрыска расплава полимера в пресс-форму, как и при обычном литье пластмасс под давлением, после чего осу­ществляется подача сжатого газа. В основном для этой цели используется сжатый азот (в силу его доступности, низкой стоимости и инертности по отношению к рас­плаву полимера). Во время подачи газ попадает в среднюю часть полости, где поли­мер еще находится в расплавленном состоянии, вытесняя его в удаленные места с одновременным уплотнением.

В зависимости от типа используемого оборудования процесс литья пластмасс с газом мо­жет проводиться в двух вариантах — с управлением давлением газа и с управлением объемом подаваемого газа. В первом варианте давление газа изменяется но опреде­ленному закону (постоянное, изменяющееся линейно или импульсами). Во втором случае газ сначала подастся при заданном давлении в поршневой дозирующий ком­прессор, откуда подается в форму. Традиционная литьевая машина может быть пе­реоборудована для литья с газом за счет добавления источника подачи газа и устрой­ства управления (рис. 7. 10). Однако литье пластмасс с газом требует особого подхода к обору­дованию и технологическому процессу из-за необходимости управления подачей газа под давлением, а также размещением и выбором размеров каналов подачи газа, чтобы добиться желаемого характера его распределения. В качестве иллюстрации на рис. 7. 11 приведена схема подачи газа через сопло ГКС и его распределения в форме через систему газовых каналов большого сечения.

Рис. 7. 11. Схема подачи газа через сопло ГКС и его  распределения через сеть газовых каналов большого   газом. Рис. 7. 12. Следует заметить, что в течение сечения периода времени между точками 1 и 2 осуществляется впрыск полимера, а за газа; общий период заполнения формы, между точками 1 и 4, а период подачи га­за — между точками 3 и 5

Технологический цикл

Литье пластмасс с газом начинается со стадии подачи полимерного материала (между точ­ками 1 и 2), что аналогично процессу обычного литья под давлением (рис. 7. 12).

После включения подачи газа в точке 3 делается определенная задержка, во время которой тонкий слой полимерного материала охлаждается, чтобы газ распределялся в рассчитанные места большого сечения пресс-формы, которые служат каналами для его по­дачи. Иногда подача газа прекращается до окончания впрыска расплава полимера, чтобы избежать утяжин, возникающих на поверхности расплава во время подачи газа. Однако это может быть сделано, только когда точка подачи газа в форму сдвинута от­носительно точки поступления полимера, в противном случае одновременный впрыск полимера и газа через один впускной литник будет приводить к волнам на по­верхности изделияиз пластмассы. Временем подачи газа считается время, в течение которого газ под давлением подается через впускные литники (от точки 3 до точки 5). Поскольку газ подается для улучшения заполнения формы и уплотнения расплава, то стадия подачи газа состоит из фазы подачи-заполнения газа и фазы после завершения заполнения. Время начала и длительность подачи газа являются двумя важнейшими параметрами процесса, которые влияют на распределение газа в форме. Как и в традиционном про­цессе литья под давлением, изделию надо дать достаточно времени, чтобы охладиться внутри формы после отключения давления газа в точке 5. Толщина поверхностного слоя полимера (которая также называется остаточной толщиной стенок), покрываю­щего объемную часть, пронизанную газовыми каналами, идеально способствует сни­жению времени охлаждения. После этого литьевая форма открывается в точке 6 и из­делие можно извлечь.

Хотя общее время подачи газа занимает значительную часть всей операции, ре­ально оставшееся время после начала поступления газа до момента полного запол­нения объема пресс-формы очень мало (см. рис. 7. 12). Тем не менее относительно неболь­шое время подачи газа отвечает за успех получения отливки, поскольку различные проблемы в процессе литья, такие, как воздушная пробка или газовый пузырь из-за короткого времени подачи, распределение газа в тонком слое из-за неравномерной подачи и аналогичные им, обычно возникают именно на этой стадии. Проникнове­ние газа с вытеснением расплава полимера в процессе подачи часто называют пер­вичным проникновением газа. Обычно это стадия, на которой распределяется ос­новная часть газа (предполагается, что при этом впрыскивается небольшое количе­ство материала) и которая влияет на качество конечного продукта. После заполнения объема прессформы поддерживается определенный уровень давления газа, чтобы произвести уплотнение отливки. После окончания подачи полимера (на ста­дии выдержки) происходит так называемое вторичное проникновение газа для ком­пенсации усадки материала, которая в основном происходит вдоль каналов распре­деления газа или в местах наибольшего сечения изделия. После охлаждения литого изделия и перед его извлечением давление газа отключается. Отсутствие вязкости у газа идеально способствует распределению давления и эффективному проникнове­нию расплава в крайние зоны изделия, что в результате создает равномерное распре­деление давления во всем объеме формы. Литье с газом позволяет получать легкие по весу, прочные изделия, без утяжин и коробления. Эта технология открывает но­вые возможности в области конструирования изделий из пластмасс. Полный обзор литья пластика с газом можно найти в работах.

Преимущества

Особенности литья пластика с газом приводят как к различным преимуществам, так и к не­устранимым трудностям, которые возникают при конструировании оснастки и в процессе производства изделий из пластмассы. Напомним, что газ распространяется по пути наи­меньшего сопротивления, когда он перемещается за фронтом расплава полимера, формируя пустоты в наибольших по толщине зонах изделия из пластмассы. Чтобы способствовать проникновению газа в желаемых направлениях, обычно отливка имеет систему встроенных каналов распространения газа, сечение которых больше, чем толщина стенок основного сечения. На рис. 7. 13 схематически приведен механизм взаимо­действия полимерного материала и газа внутри изделия. Хорошо известно, что в традиционном литье пластмасс под давлением давление полимера возрастает по мере увеличе­ния его поступления (или пути проникновения потока). На рис. 7. 13, а отражено по­вышение давления при проникновении полимера без подачи давления газа. Следует заметить, что отклонения от средней скорости распространения расплава пропор­циональны амплитуде градиента давления и текучести расплава. По мере увеличе­ния длины пути течения полимера возрастает входное давление, чтобы поддержи­вать определенный градиент давления и сохранить постоянной скорость распро­странения потока.

С другой стороны, во время впрыска расплава требования к давлению при литье с газом аналогичны требованиям к давлению при традиционном литье. При поступ­лении газа в формующую полость он начинает распространяться внутри вязкого расплава полимера, заставляя его заполнять удаленные зоны полости. Газ инертен,

Рис. 7. 13. а — Изменение распределения давления в традиционном литье под давлением; b — Изменение распределения давления в литье с газом

эффективно передает давление, без значительных перепадов, на поверхность рас­плава, проникающего внутрь пресс-формы (рис. 7. 13).

Поскольку газ перемещается вслед за передним фронтом расплава, то давление, которое поддерживает расплав перед газом, уменьшается, так как уменьшается дли­на течения между фронтом потока и газом. Давление газа, необходимое для заполне­ния всего объема литьевой формы, оказывается меньше, чем давление расплава на входе, которое используется в традиционном литье под давлением. Конечное рас­пределение давления более равномерно в той части изделия, в которую подается газ. Это приводит к снижению остаточных напряжений во время охлаждения полимер­ного материала.

Изделие, отлитое с газом, может быть изготовлено с меньшими требованиями к величине давления газа (что обычно ведет к уменьшению усилия смыкания), и к то­му же будет снижена тенденция к деформации. Поскольку изделие находится под действием давления газа изнутри, в процессе уплотнения полимера, усадка будет происходить при внутреннем давлении, которое исключает появление утяжин на внешней поверхности изделия. К другим преимуществам литья пластмасс с газом относятся:

• повышенная жесткость изделия из-за увеличения сечения, связанного с на­личием полых каналов для распространения газа, особенно для изделий с большой, сложной структурой (они также называются изделиями с открыты­ми каналами);

• экономия сырья; более всего это относится к изделиям, имеющим форму стержней (они также называются изделиями с каналом для потока газа);

• сокращение времени охлаждения благодаря тому, что материал в зонах с большим сечением насыщен отверстиями;

• появление у конструкторов возможностей для создания более универсаль­ных изделий из-за того, что толстая и тонкая части изделия являются единым целым.

Недостатки

Поскольку литье пластмасс с газом включает в себя динамическое взаимодействие между дву­мя разными средами, находящимися внутри сложной формы, то изделие, оборудо­вание и разработка технологии процесса довольно сложны. Предыдущий опыт рабо­ты с традиционной технологией литья под давлением не может считаться достаточ­ным, особенно что касается подачи газа и регулировки его поступления в расплав полимера. Поэтому работник должен посвятить некоторое время обучению и освое­нию процесса, чтобы полностью реализовать все его преимущества. Кроме того, на­чальные инвестиции в литье пластмасс с газом включают в себя как затраты на узел впрыска га­за, так и на стоимость лицензии, если предполагается использовать запатентован­ную технологию.

К типичным проблемам литья под давлением с газом относятся:

• захват воздуха;

• проникновение газа в тонкие части изделия из пластмассы;

• неравномерное распространение газа внутри изделия из пластмассы;

• возможность прохода газа сквозь изделие;

• поверхностные дефекты;

• последствия неполного заполнения;

• вздутия поверхности.

Материалы

С технической точки зрения здесь может быть использовано большинство термо­пластов. Кроме того, литье с газом было распространено па термореактивный и на литье  пластика с добавлением порошковых материалов. Выбор должен осно­вываться на требованиях, которые вытекают из таких эксплуатационных характери­стик изделия из пластика, как жесткость, химическая стойкость и прочность материала в диапа­зоне рабочих температур.

Типичные варианты применения

Изделия в форме труб и стержней (плечики для одежды, поручни (рис. 7. 14), подлокотники кресел, душевые головки и корпуса водяных кранов); большие изделия с многослойной структурой, внутри котором находится сис­тема каналов (панели для автомобилей, корпуса калькуляторов, садовая ме­бель (рис. 7. 15) и тарелки для спутниковых антенн);

сложные изделия, состоящие из толстых и гонких профилен (модули автомо­бильных дверей (рис. 7.16), корпуса телевизионных приемников, рамы кор­пусов компьютерных принтеров и автомобильные детали).

Рис. 7. 14. Дверные ручки, изготовленные литьем с газом (с разрешения Battenfeld of America)

Рис. 7. 16. Модули автомобильных дверей (с разрешения Delphi Interior & Lighting Systems)