|
Технологии литья термопластов с газом
Барвинский И.А., Дувидзон В.Г.
Литье пластмасс с использованием газа получило широкое распространение с начала 1990-х годов. Первые работы в этом направлении были видимо выполнены в середине 60-х годов в России Е.Е. Глуховым /1/.
В настоящее время основными патентами в области литья с газом обладают фирмы Melea (Гибралтар)/GAIN Technology (США) и Cinpres Gas Injection (Великобритания) /2/.
В обычном литье под давлением уплотнение полимера в формующей полости происходит за счет давления, создаваемого в гидроцилиндре узла впрыска литьевой машины (стадия выдержки под давлением). Давление передается в дальние области отливки через остывающий полимер, при этом на утолщениях, напротив ребер или бобышек появляются утяжки, на участках с повышенной толщиной могут образовываться внутренние усадочные полости. Недоуплотнение приводит к появлению дефектов текстуры. Неравномерное уплотнение является причиной неравномерности усадочных процессов, приводит к короблению, вызывает высокие остаточные напряжения. При литье с газом уплотнение полимера происходит за счет давления газа (обычно 50-200 атм.) непосредственно на область изделия или вблизи этой области, 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 коробления, с минимальным уровнем остаточных напряжений, т.е. с высокой стабильностью размеров /2-4/.
При литье с газом применяются обычные литьевые машины, и это является одной из причин популярности таких технологий. Одно из преимуществ литья газом - возможность использования литьевых машин с существенно меньшим усилием замыкания, что дает большой экономический эффект при литье крупногабаритных изделий.
В настоящее время существует множество вариантов технологий литья с газом. Все их можно разделить на 2 типа. К первому типу относятся технологии, в которых газ подается в расплав полимера, образуя внутренние полости (в зарубежной литературе для таких технологий чаще всего используют английский термин "gas-assisted injection molding" (GAIM или GAM) и немецкий "gas innendruck technik" (GIT или GID). В технологии второго типа газ подается в полость формы и создает внешнее давление на изделие. За рубежом для этой технологии используют термин "external gas molding". Оба типа технологий могут быть реализованы на одном и том же оборудовании.
В качестве газа применяется азот, который имеет низкую цену, инертен и доступен. Источником газа являются баллоны с азотом (при небольших объемах производства) или специальные генераторы азота.
В зависимости от типа используемого оборудования процесс литья с газом может проводится в двух вариантах /2-3/: с управлением давлением газа (pressure-control process) и с управлением объемом подаваемого газа (volume-control process). В первом наиболее распространенном варианте компрессор высокого давления обеспечивает требуемый профиль давления газа. Во втором варианте заданный объем сжатого газа подается в пресс-форму с помощью поршневого дозирующего компрессора импульсного действия.
Принципиально важным моментом в литье с газом является способ осуществления уплотнения (подпитки) материала. В ряде технологий (при подаче газа через литниковую систему и др.) уплотнение изделия выполняется только за счет давления газа. В крупногабаритных изделиях это может приводить к недоуплотнению части изделия, следствием чего является появление утяжек, внутренних усадочных полостей, а также снижение качества спаев. Подобные явления не проявляются, если основной процесс уплотнения производится за счет обычной подпитки полимером из материального цилиндра литьевой машины, а давление газа обеспечивает дополнительное уплотнение в проблемных областях.
О терминологии
В настоящее время не существует общепринятой терминологии процесса литья с газом как за рубежом, так и в нашей стране. В отечественной литературе для этих процессов используют термины, которые, с нашей точки зрения, не отражают сущности технологии, а иногда и искажают ее.
Крайне неудачны термины "литье с газовой поддержкой" и "литье с газодинамическим ударом", которые использованы в статье И.М. Антонова, В.Б. Яковлева, А.И. Антонова "Полимеры: литье с газодинамическим ударом" (Автомобильная промышленность, 2001, № 6, с. 25-28). Авторы данной статьи считают главной особенностью рассматриваемой технологии "ударный импульс", который по их мнению возникает из-за высокой скорости продвижения по каналу находящегося под "высоким давлением" газового пузыря. Но, во-первых, при литье с газом используется давление в несколько раз меньшее давления при обычном литье. Во-вторых, при движении газового пузыря полость формы обычно остается открытой - газ вытесняет расплав полимера из внутренних областей литьевого канала в незаполненные части формы или в прибыль. "Ударное воздействие" в сочетании с высокой скоростью охлаждения полимера должно приводить к напряженному состоянию получаемых изделий. Однако известно, что при литье с газом уровень остаточных напряжений в изделии понижается по сравнению с традиционным литьем под давлением.
Не очень удачен по нашему мнению и термин "инжекционно-газовое литье", использованный в ряде публикаций.
1. Технологии литья с подачей газа в расплав полимера
Gas-assisted injection molding
Существует несколько разновидностей этих технологий, которые могут быть классифицированы по особенностям проведения технологического процесса, по месту подачи газа, по типам получаемых изделий.
Учитывая особенности технологического процесса, выделяют следующие разновидности технологии литья с подачей газа в расплав полимера /2, 5/:
1. Литье с неполным впрыском полимера (blow up process, short shut process)
2. Литье с полным впрыском с применением прибыли (overflow process/side cavity process/spill-over process а также plastic expulsion process)
3. Литье с полным впрыском с вытеснением расплава полимера в материальный цилиндр литьевой машины (push back process)
4. Литье с локальной подачей газа в область изделия для устранения утяжек (compensation process)
5. Литье со смещением знаков (core-pull process)
Для получения одного и того же изделия часто могут применяться различные варианты процесса.
Впуск газа может осуществляться непосредственно в полость формы, в холодноканальную литниковую систему (в разводящий или центральный литник), а также в сопло литьевой машины. При подаче газа в центральный литник или в сопло машины, последнее должно быть оснащено запорным клапаном, для предотвращения попадания газа в материальный цилиндр /4/. При подаче газа в разводящий литник запорный клапан не требуется - остывание полимера в центральном литнике обычно препятствует продвижению воздушного пузыря к материальному цилиндру /6/. Для надежности также применяют пережимы - локальное утоньшение на разводящем литнике. Газ подается с помощью специального устройства - инжектора (газовой иглы) - через тонкий кольцевой зазор, который пропускает газ, но является преградой для расплава полимера.
Технологии литья с подачей газа в расплав полимера эффективны для получения изделий следующих типов:
а) Визуально-толстостенные изделия (разнообразные ручки и т.д.)
б) Крупногабаритные изделия (автомобильные бамперы, панели приборов, корпуса телевизоров, мониторов и т.д.)
в) Детали с высокими требованиями к качеству наружной поверхности, содержащие утолщения, ребра, бобышки
В последнее время стали применять литье с газом и для получения тонкостенных изделий (корпусные детали мобильных телефонов и т.д.). Ввиду того, что литье подобных изделий связано с рядом особенностей, для него часто используют особый термин "тонкостенное литье с газом" (thin-wall gas injection molding).
Поведение полимера и газа в полости формы определяется многими факторами и очень сильно зависит от особенностей используемой марки полимера. Компьютерный анализ позволяет спрогнозировать это поведение и оптимизировать конструкцию изделия и пресс-формы на этапе подготовки производства /7-13/.
Один из недостатков технологий с подачей газа в расплав полимера - неравномерная толщина стенки полимера. Наибольшая неравномерность толщины наблюдается на "поворотах": слой полимера минимален с внутренней стороны газового канала. Вблизи газовой иглы обычно наблюдаются резкое изменение толщины слоя полимера, а на поверхности изделия - дефекты текстуры.
Литье с неполным впрыском полимера
Blow up process, short shut process
При литье с неполным впрыском (рис. 1) в пресс-форму подается расплав полимера, но после заполнения изделия на 50-60% для визуально-толстостенных /4/ и 90-95% для крупногабаритных деталей /14/ впрыск полимера прекращается, и в полость формы подается газ. В крупногабаритных изделиях газ подается в так называемые газовые каналы - утолщения, предусмотренные в конструкции изделия. Газ вытесняет расплав полимера из горячих внутренних областей полости в незаполненные участки, обеспечивает полное оформление изделия.
Рис. 1. Схема процесса литья с газом при неполном впрыске полимера: слева - газ подается через литниковую систему, справа - газ подается прямо в изделие /15/
|
К моменту подачи газа на поверхности отливки формируется корка из застывшего полимера, которая препятствует выходу газа наружу. Толщина корки определяется несколькими факторами, важнейшим из которых является "время задержки" (delay time) - промежуток времени между моментом остановки впрыска полимера и началом подачи газа.
Одной из проблем в данном процессе является след на изделии на линии остановки полимера (hesitation line, change-over mark) /4-5/, который иногда можно устранить изменением технологического режима.
Литье с полным впрыском с применением прибыли
Overflow process/side cavity process/spill-over process, plastic expulsion process
Проблема следа на изделии (hesitation line, change-over mark) может быть решена при 100% заполнении формующей полости расплавом перед подачей газа. Расплав полимера из внутренних областей изделия вытесняется газом в прибыль. Между изделием и прибытью устанавливают запорный клапан, который находится в закрытом состоянии во время заполнения изделия расплавом /5/. Различают варианты процесса. В первом варианте (называемом overflow process, side cavity process или spill-over process) прибыль открывается перед подачей газа. Во втором варианте (plastic expulsion process), запатентованном фирмой Cinpres Gas Injection, газ подается перед открытием прибыли, что позволяет дополнительно уплотнить материал.
Литье с полным впрыском с вытеснением расплава полимера
в материальный цилиндр литьевой машины
Push back process
Интересным вариантом технологии литья с газом является процесс со 100% заполнением изделия расплавом, при котором подача газа производится в противоположную от впуска полимера часть изделия /2, 5/. Газ вытесняет расплав полимера из внутренних областей изделия в материальный цилиндр литьевой машины (при этом газ не должен попасть в цилиндр литьевой машины).
Литье с локальной подачей газа в область изделия для устранения утяжек
Compensation process
Задача устранения утяжек может быть решена при локальной подаче газа в определенную область изделия /5/. При этом основная часть изделия уплотняется как и в обычном процессе литья под давлением за счет давления полимера (стадия выдержки под давлением). Газ создает дополнительное давление в проблемных областях с повышенной объемной усадкой и обеспечивает хорошее качество поверхности изделия.
Литье со смещением знаков
Core-pull process
Процесс литья с газом со смещением знака /2/ проводится следующим образом. После впрыска полимера открывается дополнительная полость за счет смещения подвижного знака пресс-формы. Эта полость заполняется полимерным материалом, который "раздувается" под действием давления газа.
Особенности литья с газом крупногабаритных изделий. Принципы конструирования газовых каналов
Газовые каналы выполняют при литье с газом крупногабаритных изделий 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 в процессе с неполным впрыском; 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) Необходимо обеспечить возможность заполнения 80-95% изделия расплавом до подачи газа в процессе с неполным впрыском или 100% в процессе с полным впрыском, а также уплотнение полимера. Газ может двигаться в канале, только вытесняя из него полимер или уплотняя полимер. В процессе с неполным впрыском при малом объеме газовых каналов возникает недолив. 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.
2) Необходима сбалансированность заполнения изделия расплавом /3-4, 8/. Нарушение данного принципа может привести к недоливу, короблению изделия. Согласно работе /3/ газовые каналы должны заканчиваться рядом с теми областями изделия, которые заполняются на стадии впрыска полимера в последнюю очередь.
3) Необходима также балансировка для газа /3-4/. Неравномерность движения газа может быть вызвана неравномерностью охлаждения полимера или другими причинами.
4) При течении полимера могут образовываться воздушные ловушки и линии спая. 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 /3-4, 16/. 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. Согласно /12/ толщина газовых каналов может превышать основную толщину изделия в 4 раза. Чем меньше толщина газовых каналов, тем большее давление газа должно быть использовано.
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 /4/.
6) 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.
7) Искривление газового канала приводит к неравномерному уменьшению толщины слоя полимера и ослабляет изделие (газ движется в искривленном газовом канале по кратчайшему пути) /2-4/. Этот эффект можно предотвратить, увеличивая охлаждение канала с соответствующей стороны (за счет правильного выбора формы поперечного сечения канала, расположения охлаждающих каналов).
8) Попадание газа в тонкостенные части изделия (fingering) /2-4/
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, снижения давления газа, уменьшении основной толщины изделия. Использование специальной канавки, расположенной вдоль газового канала также является возможным решением для устранения данного эффекта /6/.
9) Замкнутые газовые каналы могут создавать несколько проблем /2-4, 16/. Во-первых, они приводят к образованию воздушных ловушек. Во-вторых, в месте встречи 2-х воздушных пузырей всегда 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.
10) Механическая прочность и жесткость изделия. Газовые каналы, если у них достаточная толщина стенки, повышают механические характеристики изделия. Однако авторы работ /2-3/ не рекомендуют пытаться использовать газовые каналы для улучшения механических характеристик изделия. Проще всего это сделать за счет системы обычных ребер.
11) При литье с газом нередко используются несколько впусков газа в изделие. По мнению /16/ количество впусков газа должно быть минимальным. Каждый впуск - это отверстие в изделии (хотя в настоящее время существует технология, позволяющая "заделать" дырку впрыском дополнительной порции расплава, эта технология требует особой литьевой машины). В разных впусках сопротивление газу может различаться - газ может проигнорировать впуск с большим сопротивлением.
12) При разводке газовых каналов необходимо учитывать, что уплотнение полимера и компенсация объемной усадки происходит в данной технологии 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.
13. В ряде случаев на лицевой стороне изделия вдоль газовых каналов может появляться след. По мнению авторов работы /2/ на этот дефект большое влияние оказывает материал изделия. Использование специальных марок с уменьшенной скоростью кристаллизации/отверждения позволяет устранить этот дефект.
14) Добавление или изменение газового канала может кардинально изменить характер заполнения изделия /3-4/, это надо учитывать при доработках формы.
2. Литье с внешним давлением газа
External gas molding
В технологии литья с внешним давлением газа /5/ процесс проводится как в обычном литье под давлением с той лишь разницей, что после впрыска полимера в полость формы подается газ. Газ подается между обратной (нелицевой) стороной изделия и стенкой формы. Процесс позволяет получить высокое качество лицевой поверхности изделия, при этом поверхность обратной стороны изделия, на которую непосредственно действует давление газа, оказывается неровной. Полость формы в этом процессе должна быть надежно уплотнена для предотвращения утечек газа.
Известный у нас процесс литья с газовым противодавлением /17/ можно рассматривать как разновидность процесса литья с внешним давлением газа.
Литература
1. Информация Э.Л. Калинчева.
2. "Gas injection technique. Process engineering. Plant Engineering. Design rules". IKV, Aachen, 1996, 36 pp.
3. Caropreso M., Zuber P., Ogando J. "Guidelines for trouble-free gas-assist molding". Plast. Technol., March 1995, v. 41, N 3, p. 48-52.
4. "Gas-assisted injection molding. Design and processing guide for GE Plastics resins". GE Plastics, 1995.
5. "Gas injection technology for the plastics processing industry". FACTOR GmbH, 2001.
6. Информация фирмы FACTOR GmbH.
7. Lanvers A. "Analyse and simulation des kunststoff-formteibildungsprozesses bei der gasinjektionstechnik (GIT)". Dissertation, RWTH, Aachen, 1993.
8. Gaspari J. De "Gas-injection molding: 'black art' or science?". Plast. Technol., 1994, v. 40, N 4, p. 44-49.
9. Lake T.G. "The application of simulation software in the design of gas injection molded components". Molding'94, 1994.
10. Lake T. "New insights into gas injection". Eur. Plast. News, Oct. 1994, p. 31-32.
11. Henry E. "Computer simulation of gas assisted injection moulding process". Conf. at University of Bradford, UK, 1995.
12. Maniscalco M. "Analyzing plastics with FEA: Part 7". Inj. Mold. Mag., Sept., 1997.
13. Chiang H.H. "Meeting the needs of a new era with gas-assisted thin-wall molding". C-MOLD News, vol. 10, 4, Jan. 1998.
14. Pashea A.J. "Gas-assist molding boosts bottom line for processors". Mod. Plast. Int., 1999, June, p. 69-71.
15. "Gas injection moulding with DuPont Engineering polymers". DuPont de Nemours, H-23259, 1996.
16. Dier P., Goralski R. "Avoid these 7 tool design violations in gas assist". Inj. Mold. Mag., Jan. 2000.
17. Семерджиев С. и др. Пласт. массы, 1973, № 2, с. 31-34
|
