Как сделать литье пластика под давлением

Добавил пользователь Евгений Кузнецов
Обновлено: 04.10.2024

Полиэтилен – один из наиболее популярных на сегодня полимеров. Различные его виды – это практически разные пластики, которые отличаются порой друг от друга даже больше, чем от полимеров совершенно других видов. Так, полиэтилен высокого давления – это относительно мягкий и довольно эластичный продукт, а полиэтилен среднего или низкого давления – достаточно жесткий материал. Но есть и подобие - все полиэтилены могут похвастать своей морозостойкостью, благодаря которой могут эксплуатироваться до -70°С, а некоторые марки даже еще ниже – до -120°С.

Технология литья пластмасс под давлением

Полиэтилен достаточно просто перерабатывается, хотя среди множества соответствующих технологий наиболее популярной уже давно стало литье под давлением. Литье пластмасс под давлением – это последовательность операций, предусматривающих нагрев исходного вещества, его плавление до полужидкой фазы, далее впрыск подогретой вязкой массы под давлением в специальную форму, в которой происходит формирование готового изделия путем отверждения. Особенность этой технологии – ее цикличность, что несколько ограничивает ее производительность. Основные ее достоинства следующие:

Имеются, однако, и недостатки у этого метода:

оборудование по этому технологическому процессу является довольно сложным, а потому и недешевым;
практическое применение автоматического оборудования для реализации данного технологического процесса требует достаточно высокой квалификации персонала.

Достоинства, однако, перевешивают недостатки, благодаря чему наибольшее применение, как нетрудно догадаться, получили машины, реализующие именно эту технологию - литье пластика под давлением, поскольку именно она является достаточно точной, массовой, и предоставляет все возможности по ее автоматизации.

Оборудование для литья под давлением

Центральным узлом любого оборудования, предназначенного для литья пластика под давлением, является пресс-форма, от качества которой довольно сильно зависит качество готовой продукции. Кроме пресс-форм требуются также средства подготовки и подачи сырья, подогрева и поддержания температуры, подачи расплава в пресс-форму, постепенного охлаждения пресс-формы, заполненной под давлением исходным материалом, а также средства механизации и автоматизации процесса, облегчающие работу, увеличивающие ее производительность и повышающие качество готовой продукции. В зависимости от конкретных условий, указанный комплект может быть полным, включающим в себя все перечисленное и даже более, или неполным, ограничивающимся пресс-формой и минимумом навесного оборудования.

Надо сказать, соответствующее оборудование (машины для литья под давлением) изготавливается в современном мире самое различное, поэтому познакомиться со всем его многообразием нет никакой возможности. Но, как пример, мы можем рассмотреть чуть подробнее саму процедуру литья под давлением. Упрощенно сам принцип этой технологии выглядит примерно так:

Рисунок: слева – исходный пласт-порошок поступает в цилиндр, справа - процесс прессования.

Порошок полимера (например, полиэтилена) подается через приемный бункер литьевого аппарата в цилиндр, в котором под воздействием подогрева расплавляется. После этого цилиндр примыкает своим соплом к собранной форме, а плунжер от воздействия подаваемого на него давления перемещает расплавленный материал влево (см.рис.), заполняя им полость формы. В итоге объем формы заполняется расплавленным полимером, после чего плунжер убирается в крайнюю правую позицию (см.рис). После этого расплаву дается возможность остыть, тем самым образовав готовое твердое изделие. После достаточного остывания форма разделяется, и из нее вынимается готовое изделие. Далее весь цикл начинается заново.

Таким образом, в данном технологическом процессе можно условно выделить такие фазы:

дозируется исходный материал и далее отмеренная доза загружается в рабочий цилиндр;
плавление исходного материала;
подача (как правило, путем впрыска) расплавленного исходного пластика в сцепленную форму;
выдерживание пластика в форме под давлением в течение необходимого времени;
охлаждение достигшего заданной формы изделия во всем объеме;
разделение формы с удалением из нее уже готового изделия.

Температуру пластикации материала необходимо поддерживать на уровне, превышающем температуру текучести пластика на 10 – 20°С. Если поднять значение температуры еще выше, то уменьшится вязкость расплава, а значит, облегчатся условия формовки изделия, повысится производительность процесса, однако одновременно с этим резко увеличивается и скорость старения пластика, что недопустимо.

Рабочую температуру формы следует держать несколько ниже температуры размягчения пластика, однако слишком заниженное ее значение может стать существенной преградой для нормального заполнения формы во время впрыска расплавленного пластика. Ввиду противоречивости требований выбрать оптимальное значение температуры проще всего экспериментально. Время изготовления готового изделия определяется суммой времен подачи порошка, его плавления, впрыскивания расплавленного материала внутрь полости формы, выдержки заготовки под необходимым давлением, охлаждения.

Выдержка изделия под давлением должна заканчиваться, как только застынет расплав во впускных каналах формы. Требуемая продолжительность времени зависит от свойств конкретного пластика, от температуры расплавленного пластика, от температуры формы, от свойств литниковой системы. Длительность охлаждения зависит от степени нагрева материала и формы, объемом изделия. Именно это время (длительность охлаждения) вносит самый большой вклад в общую длительность цикла.

Наибольшая доля отходов при литье под низким давлением – это пластик, застывший в литниках. Однако все отходы литья, осуществляемого по данной технологии, могут быть использованы повторно.

Примеров подобного оборудования в Интернете можно найти множество в силу распространенности как полиэтилена, так и технологий его получения и применения, например, видео процесса литья под давлением вы можете увидеть ниже.

Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых статьях.

Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.

Сначала производится 3D-сканирование необходимой детали, далее — создается 3D-модель и, с помощью одного из методов 3D-печати, изготавливается прототип/мастер-модель, на основании которой уже можно получить, с помощью вакуумно-литьевых систем и силиконовой оснастки, партию готовых полиуретановых деталей.

Назначение технологии вакуумного литья

На текущий момент серийность всех изделий по России снижается и находится в области мелких/средних серий. Таким образом, технология вакуумного литья стала востребована для производства таких серий.

Преимущества вакуумного литья

Главное преимущество — очень короткие сроки изготовления, после создания 3D-модели, и использование материалов с различными свойствами, в том числе и двухкомпонентных полиуретанов, которые имитируют основные пластмассы и резину. При этом изделия не имеют внешних отличий и полностью соответствуют изделиям изготовленным на традиционном термопластавтомате (ТПА) из классичего материала, и подойдут для отработки технологии. Фактура поверхности зависит от технологии 3D-печати прототипа. Соответственно, если вы хотите получить качество как после ТПА, то необходима доводка прототипа. В большинстве случаев это ручной труд и для его сокращения мы используем технологию стереолитографии в 3D-печати прототипов.

Оборудование

Мы сосредоточились на двух производителях вакуумных литьевых систем — это немецкая компания KLM и китайская компания WINGS TECHNOLOGY. В таблице выделены зеленым цветом самые основные/важные параметры, на которые следует обратить внимание при подборе оборудования.

Вакуумные литьевые системы KLM, Германия

Вспомогательное оборудование

При изготовлении силиконовых форм и литье в них используется вспомогательное оборудование — термошкаф (нагревание материалов до 40 градусов перед заливкой, полимеризация при 60/70/80 градусах), вакуумный миксер (для изготовления силиконовой оснастки - одновременное вакуумирование и перемешивание силикона, удаление пузырьков воздуха из силикона), дозатор силикона (автоматическая дозировка и подача силикона).

МатериалыИспользуются полиуретаны и силиконы для литья. На рынке достаточно большое количество компаний предлагающих материалы, основные производители представлены ниже.

Вакуумно-литьевая машина изнутри

Машина состоит из следующих основных элементов:

1. Вакуумный шкаф. Конструкция из нержавеющей стали, выкачивает воздух из рабочей камеры.

2. Литьевая система, состоящая из двух чашек, А и Б, каждая для своего компонента, а также системы подачи и смешивания.

Устройство литьевой системы:

Технология вакуумного литья состоит из следующих основных этапов:

1. Мастер-модель, подготовка:

Необходимо использовать вакуумирование для извлечения влаги из компонентов, иначе полиуретан может начать кипеть. Используются практически безусадочные компоненты мы можем получить 14 квалитет точности на изделиях. Пока ни один из видов 3D-печати не может предложить такое качество изделий из пластмассы, как вакуумное литье при мелком или серийном выпуске. Начиная от 3-5 изделий, экономически более выгодно использовать вакуумное литье вместо 3D-печати.

Демонстрация технологии

Демонстрируем изготовление изделия на компактной машине HVC-M.

В термопечи разогреваем силиконовую форму.

Собираем и закрепляем форму металлическими скобами с помощью степлера. Стойкость формы — порядка 25 циклов, можно увеличить количество циклов до 50-70, если не так важна геометрическая точность размеров изделий.

Подготавливаем требуемое количество необходимых компонентов (масса заливки составляет 120 грамм — для этого необходимо 40 грамм компонента А и 80 грамм компонента Б.

Смесь готова к заливке в форму. Переворачиваем чашу с компонентом Б вниз с помощью поворота тумблера и компоненты через воронку поступают в форму.

Открываем вакуумный шкаф и размещаем форму в термошкафу для последующей полимеризации, которая занимает около 30 минут для данного материала.

Мы получили функциональное готовое изделие с необходимой фактурой поверхности, необходимого нам цвета, необходимыми физико-механическими свойствами, у которой осталось удалить облой и элементы литниковой системы.

Различия между классическим и автоматизированным вакуумным литьем

Классическая схема вакуумного литья

На текущий момент широко используется автоматизированная схема вакуумного литья. Дозировка, подача, подготовка, вакуумирование смеси и заливка в форму происходят в автоматическом режиме, в одном узле. Такая схема позволяет в разы сократить цикл заливки, то есть — 4 минуты в автоматическом варианте, против 12 минут в классическом. Весь процесс сокращается, примерно, в 1,6 раза.

Автоматизированные литьевые машины:

Полностью автоматизированная линия вакуумного литья. В России пока таких линий нет, но можно заказать:

Вакуумное литье пластика в силикон — оптимальный способ производства малых и средних партий изделий, твердо занимающий свои позиции между 3D-печатным прототипированием и фабричным серийным производством и обеспечивающий разумную стоимость изделий при сохранении высокого качества.

Заказать штучное и малосерийное вакуумное литье пластика в силикон, а также приобрести оборудование и материалыдля него можно в Top 3D Shop — подберем оптимальный вариант под любые задачи.

Подпишитесь на автора

Литье пластмасс под давлением позволяет изготовить в производственных или даже домашних условиях любую пластмассовую деталь, вышедшую из строя и требующую срочной замены. Изготовление различных деталей своими руками без использования дорогостоящего и сложного оборудования – операция, для осуществления которой требуется наличие подобной детали, подлежащей точному копированию. Литье изделий из пластмасс самостоятельно – процесс, проходящий в несколько этапов, и соблюдение их очередности является обязательным условия для качественного выполнения работ.

Подготовительный этап

Литье пластика под давлением осуществляется в условиях производственных цехов и требует тщательной подготовки материалов, поставляемых в виде гранул. Гранулят уже готов к переработке и требует только добавления красителя и других добавок, соответствующих определенной рецептуре.

Обычно подготовкой гранулята занимается поставщик материала. Тот, участник процесса, который занимается измельчением и смешиванием обеспечивает. В ходе выполнения подготовительных работ составляющие должны быть измельчены до нужного размера и к ним добавляют соответствующие требованиям технологического процесса компоненты.

Не менее важно изготовить форму для литья пластиковых изделий. В домашних условиях для этого можно воспользоваться специальным составом, которой реализуется в торговой сети в комплекте с катализатором.

Обеспечить получение качественного изделия поможет выполнение работ в соответствии с технологическим процессом:

Для заливки силикона понадобится специальная емкость. Сделать ее можно, создав цилиндр из корпуса флакона, в котором прежде находилось моющее средство, или флакон из-под лекарственного препарата, пластиковая бутылка из-под молока, кефира или сока. Все зависит от размера и формы будущей детали. Дном цилиндра послужит плотный и ровный картон, на который устанавливается форма.
Все обнаруженные щели между цилиндром и основанием промазывают пластилином, который служит герметиком.
Готовить силиконовую смесь необходимо в строгом соответствии с рецептурой. На каждые 50 мл жидкости добавляют 1 мл катализатора. Важно точно проводить взвешивание и тщательно смешивать компоненты состава, добиваясь нужной однородной консистенции.
На дно подготовленной формы кладут деталь, копию которой требуется изготовить, и заливают силиконовой смесью.

По истечении 10–12 часов застывший силикон вынимают из формы и из него удаляют оригинальную деталь. Форма для создания копии практически готова.

Создание детали в домашних условиях

Изготовление пластиковых изделий в домашних условиях не требует значительных материальных затрат. Производство таких элементов основано на использовании приготовленной заранее формы (процесс описан выше) и специальных составов, которые можно приобрести в торговых учреждениях. Чаще всего используют двухкомпонентный состав для отливки изделий из пластика. В него входят:

Главное условие изготовления качественных деталей – тщательное смешивание всех компонентов и осторожное заполнение формы. Важно наполнить ее составом таким образом, чтобы исключить содержание в массе пузырьков воздуха.

Для того чтобы быть уверенным в высоком уровне качества полученных деталей лучше воспользоваться услугами литья пластмасс под давлением, которые оказывают крупные предприятия и небольшие частные компании.

Здесь в условиях производственного цеха процесс полностью автоматизирован и в малейшие неточности в рецептуре или выполнении необходимых манипуляций исключены.

Существует несколько методов литья пластмасс под давлением:

Инжекционный – наиболее распространенный. Подготовленный заранее материал для создания детали за несколько секунд под большим давлением заполняет форму. Литейная масса мгновенно заполняет даже самые сложные формы, что позволяет изготавливать детали различной формы, со стенками разной толщины и несколькими гнездами.
Инжекционно-прессовый метод используется при создании в условиях производственного цеха деталей большой площади. Для того чтобы литейная масса распространилась по всей площади формы как можно быстрее и на качестве будущей детали не отразилась потеря давления на периферийных участках формы помимо инжекционного метода впрыска используется еще и прессование.
Интрузионный метод используют при создании элементов, конструкция которых отличается увеличенной толщиной стенок. Таким способом изготавливают пластмассовые детали с простой геометрией.

Существуют еще несколько способов, которыми осуществляется литье под давлением. Это литье инжекционно-газовое, многослойное, соинжекционное и сендвич-литье. На производстве все эти процессы применяют для изготовления различных деталей из термопластов, используя давление от 80 до 14 Мпа.

Этот вид работ считается относительно дешевым и доступным, широко используется для создания изделий из гранул термопластов, термоэластопластов и термореактивов.

Особенности и преимущества процесса

Литье пластмассы под давлением все чаще используется теми, кто стремится создать собственный бизнес. Для начала работ и организации процесса потребуются:

линия с термопластавтоматами; различных форм и конфигураций;
линия зачистки и склеивания;
холодильные установки;
организация упаковки готовых изделий.

Чтобы знать все нюансы производственного процесса нужно попробовать сделать такие детали в домашних условиях своими руками.

Для начала придется найти источник сырья, после первой успешной реализации предстоит приобретение оборудования и, конечно, необходимо организовать сбыт. Но те, кто решил обеспечить собственное хозяйство всеми необходимыми деталями для бытовой техники могут с уверенность приступить к изготовлению изделий из пластмассы в домашних условиях. Такое производство мало затратное и весьма продуктивное. Для выполнения работ не требуется организация специального помещения. Вполне достаточно небольшой мастерской или гаража.

Выявление деформации является одним из самых простых аспектов литья под давлением. Понимание причины немного сложнее. Вот подробный обзор источников искривления и способов его предотвращения.

Любой, включая обычного потребителя, может определить, когда деталь, которая должна быть плоской по идее, искривлена или изогнута сразу после изготовления. Если эта деформированная деталь была изготовлена методом литья пластмасс под давлением, это означает, что могла бы быть возможность уменьшить или даже предотвратить непреднамеренное изгибание.

Первый шаг - понять, почему деталь деформируется, что является сложной задачей, но очень важной для устранения этой проблемы. Изучение концепций, лежащих в основе пластического деформирования, может привести к разработке подхода к его уменьшению. Инженеры могут проверить эти решения до того, как производитель начнет резку литейной стали.

Пластичная усадка

Усадка материала во время и после изготовления играет важную роль в том, почему литые пластмассовые детали деформируются. Прежде чем мы углубимся в искривление деталей, важно понять, как и почему пластичные материалы сжимаются. Чтобы сделать это, мы должны начать с молекулярного уровня, внимательно изучив, что происходит, когда пластик плавится и остывает. По большей части характеристики плавления и охлаждения зависят от типа полимера и наличия какого-либо наполнителя или армирующего волокна.

Один тип полимера определяется как аморфный, который включает материалы, такие как АБС-сополимер, полистирол и поликарбонат, среди других. Они имеют рандомную и запутанную молекулярную ориентацию в своем естественном состоянии, очень похожую на миску спагетти. По мере того как эти материалы плавятся, силы между молекулами ослабевают и они удаляются друг от друга. Кроме того, сдвиг, испытываемый во время фазы впрыска (который похож на трение), заставляет отдельные молекулы раскручиваться и выравниваться по направлению потока. Когда поток останавливается, молекулы расслабляются и возвращаются в состояние произвольной ориентации. Межмолекулярные силы притягивают их ближе друг к другу, пока температура не упадет настолько, чтобы они замерли на месте. Эти силы приводят к равномерной усадке, но эффект релаксации вызывает большую усадку в направлении потока.

В отличие от аморфных материалов, полукристаллические материалы имеют области высокоупорядоченных, тесно связанных молекулярных структур. Когда они расплавляются, кристаллические структуры разрыхляются, и молекулы выравниваются по направлению потока, подобно аморфным полимерам. Но когда материалы остывают, они не расслабляются. Вместо этого они сохраняют свою ориентацию в направлении потока, и молекулы начинают рекристаллизоваться, что приводит к значительно более высоким скоростям усадки. В этом случае, однако, эффект намного больше в направлении, перпендикулярном потоку.

Волокна часто объединяют в полимерный материал для придания прочности и других свойств. Когда волокна вводятся в пластик, они могут противодействовать эффектам усадки из-за молекулярной ориентации, описанной выше. Волокна не растягиваются и не сжимаются при изменении температуры, поэтому наполненные волокном материалы, как правило, будут испытывать уменьшенную усадку в направлении их ориентации.

Здесь представлена усадка растягивающейся планки из полипропилена без стекловолокна в двух местах отверстий: конец части (детали) (слева) и центра части (детали) (справа).

Здесь представлена усадка полипропиленовой растягивающей планки со стекловолокном в двух местах отверстий: конец части (детали) (слева) и центра части (детали) (справа).

Как уменьшить усадку

Основная причина деформации кажется простой: изменения в усадке. Проще говоря, если деталь сжимается совершенно равномерно во всех направлениях, она становится меньше, но сохраняет правильную форму. Однако если какой-либо элемент детали сжимается с другой скоростью, чем остальные элементы, разница создает внутренние напряжения. Если эти напряжения превышают структурную целостность детали, деталь будет деформироваться при извлечении из формы.

Изменение усадки отлитой под давлением детали.

В общем, есть четыре варианта усадки:

Она происходит, когда степень усадки изменяется на участке между участками, ближайшими к отверстиям, и участками, ближайшими к концу заполнения (EOF); обычно эта разница находится между более толстой (область затвора) и более тонкой (EOF) областями детали. Один участок сокращается существенно больше, чем другой.

При взгляде на поперечное сечение детали эта разница в усадке возникает, когда усадка в верхней части отличается от усадки в нижней части. Эта разница может привести к изгибу детали, потому что одна сторона способна сжиматься больше и, как результат, будет меньше по сравнению с другой стороной.

Из-за выравнивания молекул или ориентации волокон различия в усадке могут возникать как параллельно, так и перпендикулярно ориентации материала или направлению потока. Как упоминалось ранее, аморфный материал имеет тенденцию к усадке в направлении, параллельном потоку. Для кристаллических материалов усадка обычно выше перпендикулярно потоку.

Полимеры имеют тенденцию сжиматься больше в направлении толщины, чем в плоскости поверхности. Этот эффект вызван ограничением размеров пресс-формы (или отсутствием ограничения пресс-формы по толщине детали). Разница в усадке между направлениями в плоскости и толщине может вызвать деформацию, особенно в углах детали, из-за того, что они иногда толще, чем номинальная толщина стенки.

Почему происходят отклонения

Хотя очевидно, что изменяющиеся коэффициенты усадки могут вызывать деформацию, важно также понимать, почему эти различия возникают в первую очередь. Вот пять наиболее распространенных причин:

В случае с любым полукристаллическим материалом высокая скорость охлаждения приводит к меньшему времени формирования кристаллических структур. Этот эффект уменьшает общую объемную усадку. Тот же эффект применяется к аморфным материалам, но поскольку общая усадка меньше, степень уменьшения усадки при высоких скоростях охлаждения уменьшается.

Первоначально ориентация длинных, вязких полимерных молекул обусловлена сдвиговым напряжением во время течения. Когда полимер все еще находится при высокой температуре и напряжение сдвига снято, ориентация будет ослаблена. (Ориентация фиксируется только тогда, когда сдвиг и замерзание происходят одновременно.) Когда это ослабление происходит в аморфных материалах, обычно наблюдается большая усадка параллельно потоку.

Красный = волокна выровнены в направлении потока.

Синий = волокна выровнены перпендикулярно потоку.

Поскольку молекулы кристаллических материалов выровнены в направлении потока, большая часть кристаллизации будет происходить перпендикулярно потоку, вызывая большую усадку в этом направлении.

Пока деталь находится в форме, она не может сжиматься в плоскости своей поверхности, но может сжиматься в направлении ее толщины. Это имеет два эффекта. Во-первых, существует большая усадка в направлении толщины.

Во-вторых, полимер накапливает напряжения в плоскости своей поверхности. После выброса эти напряжения могут ослабнуть, поскольку деталь продолжает охлаждаться, вызывая деформацию. Чем выше температура пресс-формы, тем ниже скорость охлаждения и тем больше напряжения уходят от детали. Выравнивание по пресс-форме также зависит от материала. Материалы, которые сопротивляются ползучести (и расслабляются медленнее), имеют более высокую линейную усадку, в то время как материалы, которые расслабляются быстрее, имеют меньшую линейную усадку.

Неравномерная усадка.

Когда температура формы на одной стороне поперечного сечения отличается от другой, усадка не будет равномерной в обоих сторонах. По сути, плоскость на одной стороне детали будет сжиматься больше, в результате чего она будет меньше другой стороны, создавая изгибающий момент, который может привести к деформации.

При различной толщине детали для охлаждения толстых областей требуется больше времени, что может привести к большей усадке. Подобный эффект происходит с областями, которые находятся далеко от отверстий. Если используется постоянный профиль уплотнения, области, расположенные ближе к отверстиям, будут становиться более плотными и холодными с одной скоростью, а области, расположенные дальше от ворот – с другой, вызывая дисперсию усадки.

Как симуляция может помочь

Управление деформацией является сложной задачей, учитывая количество вовлеченных факторов и то, как каждый из них может влиять на другие. Программное обеспечение для моделирования может упростить эту работу, позволяя инженерам решать проблему на более раннем этапе цикла разработки продукта.

С помощью инструментов визуализации результаты можно масштабировать и привязывать для упрощения интерпретации и сравнения с другими симуляциями.

Представленная симуляция, сравнивает различные варианты обработки и их влияние на усадку деталей.

Итерирование конструкций с помощью ручных или автоматизированных рабочих процессов позволяет инженерам изменять условия обработки или конструкцию детали, чтобы определить комбинацию, которая дает нужную деталь. Автоматический оптимизационный анализ Moldflow обеспечивает прямую обратную связь о влиянии изменений конструкции, материалов и процессов на деформацию детали.

Моделирование Moldflow также позволяет быстрее и проще рассмотреть более широкий спектр потенциальных решений, таких как изменение материала или охлаждение пресс-формы, что более удобно, чем работа с усадкой после формования детали.

Конечные мысли

Что делает деформацию настолько трудным для диагностики, так это то, что очень редко бывает только один ответ. В большинстве случаев многие факторы могут противодействовать или преувеличивать друг друга, что затрудняет выделение вклада каждого из них. Понимание того, как и почему возникает пластическая деформация посредством моделирования, дает инженерам преимущество при анализе для разработки соответствующего решения, в рамках их бюджета и графика.

Читайте также: