И.А. Барвинский, ЗАО «СиСофт»; И.Е. Барвинская

Доклад на семинаре «Горячеканальное литье пластмасс сегодня и завтра», Владимирский государственный университет, кафедра ТМС, Владимир, 5 апреля 2011 г. Препринт.

 
     Горячеканальные литниковые системы широко применяются при литье под давлением деталей из термопластичных материалов, что связано с техническими и экономическими преимуществами технологии горячеканального литья [1-18]. Вместе с тем литье с использованием горячеканальных систем имеет свои особенности, которые необходимо учитывать при разработке конструкции деталей, получаемых по данной технологии, конструировании литьевых форм, настройке и управлении процессом литья.
     Температура полимерного материала в обогреваемых литниковых каналах оказывает большое влияние на качество деталей, получаемых литьем под давлением в горячеканальных формах. Наряду с другими факторами она влияет на температуру расплава в полости формы, условия затвердевания и внешний вид отливаемой детали (след от литника) в области впускного литника, а также на работоспособность пресс-формы. Процесс литья останавливается, например, при образовании пробки застывшего полимера в области впускного литника или нити, вытягивающейся из расплава между изделием и кончиком сопла. 
     Особенности теплового режима работы и распределения температуры в литниковых каналах, метод контроля и управления температурой должны учитываться при выборе конструкций применяемых горячеканальных элементов и систем управления температурой.
     Для термически нестабильных материалов, к которым относится большая часть термопластов, при повышении температуры расплава уменьшается допустимое время пребывания при высокой температуре, что в реальных производственных условиях может являться одним из главных факторов, снижающих стабильность процесса и качество получаемых изделий. Неравномерность температуры расплава по сечению и длине канала повышает опасность термической деструкции полимерного материала и является одной из типичных проблем, возникающих при эксплуатации горячеканальных пресс-форм. Эта проблема приобретает особенно большое значение при длительных циклах литья, характерных для толстостенных деталей [16]. 
     Перегрев расплава из-за высокой температуры и/или времени пребывания может привести к значительному изменению всего комплекса технологических и эксплуатационных свойств полимерного материала. При перегреве может появляться неприятный запах, а на литьевом изделии возникают пригары темного цвета в виде разводов, пятен, штрихов и т.д., а также могут проявляться различные по внешнему виду следы деструкции (серебристость, пузыри, разнотонность, неравномерный блеск и др.) и снижение размерной точности [13, 15, 19-23].
     Существенные проблемы использования горячеканального литья могут быть обусловлены необходимостью периодической замены цвета полимерного материала [24], что связано с образованием на стенках литниковых каналов, а в некоторых конструкциях горячеканальных сопел и в области перед впускным литником неподвижных слоев полимерного материала другого цвета. Процессы замены материала одного цвета на материал другого цвета также во многом определяются распределением температуры в литниковых каналах.

  
Факторы, влияющие на температуру расплава в обогреваемых литниковых каналах

     Важным источником тепла в процессах переработки полимерных материалов из расплава является диссипация тепла в расплаве, которая происходит по двум механизмам: при сдвиговом течении [25] и сжатии [26].
     Скорость выделения тепла q в расплаве при сдвиговом течении для единицы объема составляет:

 ,

где – эффективная вязкость (зависит от скорости сдвига, температуры и давления),  - скорость сдвига. 
     Повышение температуры T расплава при адиабатическом (т.е. без отвода и подвода тепла) сжатии  некоторого объема при повышении давления на величину P можно определить следующим образом:

T = P / ( C_p),

где – средняя (для рассматриваемого диапазона температур и давлений) плотность расплава, С_p – средняя удельная теплоемкость расплава при постоянном давлении.
     Диссипация в расплаве, вызванная сдвиговым течением, дает большой вклад в общий тепловой баланс в процессе литья полимерных материалов, особенно при пластикации и впрыске, что связано с высокой скоростью сдвига, реализуемой на этих стадиях процесса. 
     Диссипация, вызванная сжатием, различна в разных зонах горячеканальной литниковой системы, причем она меняется во времени, что вызвано изменением давления расплава в цикле литья. Течение расплава в литниковых каналах и полости формы на стадии заполнения происходит за счет увеличивающихся перепадов давления в системе: доза впрыска в предшнековой области материального цилиндра - сопло литьевой машины - литниковая система - полость. При этом влияние диссипации, вызванной сжатием, на температуру расплава вблизи его фронта крайне мало, так как давление на фронте потока близко к атмосферному, но по мере удавления от фронта это влияние повышается из-за роста давления. Хотя процесс диссипации, вызванной сжатием, является обратимым (при расширении расплава тепло поглощается), в условиях литья под давлением эти процессы происходят на разных участках системы. 
     На температуру полимерного материала в горячеканальной литниковой системе влияет температура расплава, поступающего из материального цилиндра литьевой машины, для которой характерна высокая неравномерность, обусловленная влиянием периодической шнековой пластикации [27-28] и сжатием при повышении давления в дозе расплава в процессе впрыска [29]. 
     В общий тепловой баланс входит также тепло, поступающее от нагревателей, расположенных в горячеканальных соплах и коллекторе. В настоящее время при горячеканальном литье чаще всего применяется электрический нагрев, хотя разработаны также системы с индукционным  и жидкостным нагревом [10, 17]. 
     Потери тепла в горячеканальных формах могут осуществляться по различным механизмам: теплопроводности, конвекции и теплового излучения (см., например, [17]). Определенный вклад в охлаждение расплава может дать, как было отмечено выше, его расширение вследствие снижения давления. 
     Для выхода на стабильный тепловой режим работы горячеканальной пресс-формы после остановок процесса литья (например, при смене пресс-формы или технологических перерывах) требуется определенное время, которое зависит от рабочей температуры, габаритов пресс-формы и других условий процесса. 
     Нестабильность температуры расплава в горячеканальной литниковой системе от цикла к циклу, связанная с нарушением теплового баланса, может быть вызвана различными причинами. Такими причинами, могут являться, например, колебания реологических свойств исходного полимерного сырья, нестабильность добавляемого вторичного материала и др. При этом меняется уровень диссипативного тепловыделения в процессе пластикации и впрыска.
     Большое значение для получения качественных деталей в горячеканальных формах имеют методы контроля и управления температурой горячеканальной литниковой системы. В качестве датчиков температуры обычно используют термопары.
     Неравномерность температуры расплава в каналах коллектора в целом оказывает не такое сильное влияние на стабильность процесса литья и качество получаемых изделий, по сравнению с  температурой в горячеканальном сопле [10]. Поэтому для управления температурой горячеканального коллектора обычно используется один датчик температуры [16]. В то же время при литье полимерных материалов с низкой термической стабильностью, при литье тонкостенных изделий, при точном литье и в других случаях требуется независимое регулирование температуры для каждого горячеканального сопла. 
     В конструкциях со встроенными термопарами проблемы контроля температуры могут быть связаны с нарушением изоляции термопары и появлением тока утечки, что интерпретируется системой управления как изменение температуры [30].
     Для литниковых каналов с внешним нагревом после выхода на заданный тепловой режим роль нагревателей в идеале сводится к созданию теплового барьера, препятствующего отводу тепла от расплава полимерного материала к стенкам канала [10]. Однако из-за неравномерности нагрева стенок каналов тепловые процессы оказываются более сложными: на некоторых участках происходит теплоперенос от полимерного материала к деталям формы, а на других – в обратном направлении.
     В системах с внутренним нагревом в направлении поперечного сечения литникового канала возникает большой перепад температур, при этом с внешней стороны канала существует слой застывшего полимерного материала. Так как для систем с внутренним нагревом характерна повышенная нестабильность температуры расплава, в настоящее время они редко применяются для литья технически сложных деталей, а также деталей, отливаемых из термически нестабильных материалов, несмотря на их низкую стоимость и меньшие затраты энергии при эксплуатации.
     Большие проблемы с нестабильностью процесса нередко возникают при использовании систем с косвенным нагревом, в которых передача тепла от расположенного в коллекторе нагревателя к полимерному материалу в канале осуществляется с помощью длинных сердечников (торпед), изготовленных из материалов с высокой теплопроводностью. 
     Системы, сочетающие внутренний нагрев с внешней изоляцией канала, позволяют уменьшить перепад температуры расплава в канале и повысить стабильность температуры расплава. 
     В горячеканальных системах с разветвляющимися литниковыми каналами неравномерность температуры расплава может быть следствием несимметричного (относительно оси канала) распределения температуры расплава после «разветвлений» [31-34]. Для устранения данной проблемы применяют специальные конструкции «развилок» [9], а также смесители [17], [35].
     В системах с электрическим нагревом равномерность подвода тепла по длине канала во многом зависит от намотки спирали нагревателя. Равномерная намотка спирали нагревателя дает большую неравномерность распределения температуры по длине канала с максимумом температуры в его центральной части [10]. Для обеспечения более равномерного распределения температуры применяют неравномерную логарифмическую намотку спирали.
     В системах с горячеканальными соплами без запорных клапанов особое значение имеет управление температурой полимерного материала во впускном литниковом канале [36]. При остывании полимерного материала во впускном литниковом канале до температуры потери текучести происходит отключение литьевой полости от материального цилиндра и прекращение подпитки. В англоязычной литературе для этого явления применяются термины «thermal closure» [10], «thermal gating» [12], «thermal shut-off» [17] и др. 
     Основными факторами, влияющими на распределение температуры во впускном литниковом канале, являются особенности поведения полимерного материала при охлаждении и конструктивные особенности применяемого горячеканального сопла, к которым в первую очередь можно отнести расположение нагревателя и датчика температуры, а также диаметр и длину впускного литника. 
     Проблема образования нитей (stringing), тянущихся от изделия при раскрытии литьевой формы, обусловлена особенностями теплового и реологического поведения полимерного материала и изменением распределения температуры полимерного материала во впускном литнике при охлаждении отливки. Образование нитей при горячеканальном литье характерно как для кристаллизующихся полимерных материалов (полипропилен, алифатические полиамиды, полиэтилен высокой плотности и полиэтилентерефталат и др.), так и для аморфных (полистирол, поликарбонат, АБС-пластик и др.) [10]. В работе [10] эти материалы характеризуются термином «slow setting» («медленно затвердевающие»). Для устранения нитей обычно рекомендуется увеличить скорость охлаждения в области впускного литника и/или снизить температуру горячеканального сопла.
     Проблемы, связанные с температурой полимерного материала во впускном литнике, в том числе образование нити, можно устранить при использовании горячеканальных сопел с иглообразным наконечником, подающим тепло непосредственно в область впускного литника и входа в полость [10-11, 17]. При использовании таких сопел необходимо обеспечить высокую точность центрирования иглообразного наконечника во впускном литниковом канале. Касание иглой стенок канала обычно приводит к мгновенному застыванию расплава и отключению полости. Промышленно выпускаются различные варианты конструкций иглообразных наконечников, некоторые из них могут оказывать негативное влияние на процесс литья ряда полимерных материалов (в первую очередь, с низкой термостабильностью), а также вызывать проблемы при замене цвета. Разработаны системы, позволяющие управлять температурой иглообразного наконечника в цикле литья, что обеспечивает более надежную работу горячеканальной формы [9-10].
     Большое влияние на управление температурой расплава в горячеканальной системе, особенно во впускном литнике, имеет расположение датчика температуры [10], [36]. При этом размещение датчика температуры на удалении от спирали нагревателя сопла повышает тепловую инерционность системы, а увеличение расстояния от датчика до впускного литника затрудняет управление температурой в области впуска. Учитывая это, изготовители сопел обычно размещают датчик температуры вблизи последнего витка нагревателя, в то время как максимум температуры находится, как отмечалось выше, в центральной части канала сопла. 
     Для надежного управления температурой полимерного материала во впускном литниковом канале часто необходимо предусмотреть охлаждение области впуска. Хотя были предложены различные конструктивные решения [10], обеспечивающие охлаждение области впуска, на практике обычно применяют просверленные охлаждающие каналы круглого сечения или каналы, изготовленные фрезерованием переходной втулки горячеканального сопла. Необходимо учитывать, что охлаждающий канал эффективно работает, если он находится не слишком далеко от впускного литника.
     Охлаждение области впуска является типичным решением для полиэтилена и полипропилена [10]. В то же время для полиамида 6 и полиформальдегида рекомендуется уменьшить отвод тепла от области впуска, например, используя конструкции с изолирующей камерой [10], в которых роль теплового изолятора играет заполняющий камеру полимерный материал.
     Некоторые конструкции горячеканальных сопел затрудняют управление температурой в области впускного литника. К таким конструкциям относятся незапирающиеся прямоточные сопла с большим диаметром впускного литника, сопла с несколькими впусками, сопла с боковыми и наклонными впусками, системы с впусками через пуансон, а также миниатюрные сопла. 
     Горячеканальные сопла с запорными клапанами, обеспечивающие отключение литьевой полости в заданный момент времени, позволяют снизить чувствительность процесса к температурным градиентам в литниковой системе [12]. Такие сопла могут нормально функционировать и при большом диаметре впускного литника.

  
Влияние износа форм на температуру расплава в обогреваемых литниковых каналах

     В условиях литья под давлением литьевая форма испытывает периодические тепловые и механические нагрузки, которые в сочетании с другими агрессивными факторами вызывают негативные процессы коррозии, износа и т.д., изменяющие тепловой режим работы формы. В процессе износа литьевой формы повышается неравномерность распределения температуры в обогреваемых каналах, в том числе по длине канала, что может значительно затруднить управление температурой, особенно для материалов с малой термической стабильностью. Рассмотрим подробнее некоторые факторы, влияющие на износ горячеканальной формы.
     Коррозия элементов горячеканальной системы может быть вызвана длительным контактом с расплавом полимерного материала и добавками (особенно антипиренами), а также продуктами их деструкции, которые выделяются в процессе переработки [17]. Сильно подвержены коррозии сплавы цветных металлов, широко применяемые для изготовления деталей горячеканальных сопел. 
     Большое влияние на процесс коррозии оказывает влага, которая при остановках процесса может конденсироваться, например, внутри горячеканальных сопел, на нагревательных элементах и т.д. Периодическое вскипание конденсированной влаги при быстром нагреве в момент запуска процесса приводит к образованию зазоров, повышающих неравномерность нагрева полимерного материала в канале сопла. Медленное повышение температуры нагревателей на начальном этапе («плавный пуск») позволят подсушить нагреватели, что устраняет негативное влияние влаги на работоспособность горячеканальной литниковой системы и значительно увеличивает ее долговечность [11]. 
     При литье полимерных материалов с высокими абразивными свойствами, возникает проблема абразивного износа горячеканальной литниковой системы, в первую очередь деталей горячеканального сопла [17]. Износ иглообразного наконечника может значительно изменить тепловой режим в области впускного литника. Для уменьшения износа иглообразных наконечников для их изготовления применяют специальные стали и покрытия [17]. Использование конструкций горячеканальных сопел, предусматривающих возможность замены иглообразного наконечника, также может помочь решить проблему износа. 
     Нарушение теплового режима горячеканальной формы может быть связано с образованием солевого налета на стенках охлаждающих каналов, особенно тех, которые расположены непосредственно вблизи впуска в литьевую полость. Поэтому конструкция литьевой формы должна обеспечивать возможность периодической чистки каналов системы охлаждения механическим путем.

  
Моделирование процесса литья в горячеканальных формах

     Моделирование процесса литья в горячеканальных формах численными методами с использованием специализированных программных продуктов (так называемого компьютерного анализа) помогает спрогнозировать и предотвратить многие виды дефектов литьевых изделий и проблем литья, выбрать оптимальные конструкторско-технологические решения. 
     В программных продуктах Autodesk Moldflow Adviser и Autodesk Moldflow Insight моделирование горячеканального литья производится при учете основных факторов, влияющих на поведение полимерного материала в условиях литья под давлением: диссипации тепла при сдвиговом течении и сжатии, реологических, теплофизических и др. характеристик применяемой марки полимерного материала и т.д. Анализ выполняется с учетом характеристик литьевой машины, а также (в Autodesk Moldflow Insight) особенностей задания технологического режима в системе управления литьевой машины. 
     Модель горячеканальной системы может включать участки круглого сечения с внешним нагревом, кольцевого сечения с внешним или внутренним нагревом, что позволяет описать условия течения расплава в широко распространенных типах центральных и разводящих литников и сопел в горячеканальных пресс-формах. Предусмотрена возможность моделирования запирающихся впусков, систем с последовательным впуском («каскадное литье»), а также систем с управлением давлением расплава непосредственно в горячеканальном сопле с помощью клапанов специальной конструкции (Dynamic Feed) [18].
     Хотя при моделировании допускаются определенные упрощения (в частности предполагается постоянство температуры расплава на выходе из сопла литьевой машины, а также равномерность нагрева горячеканальных литников и др.), компьютерный анализ позволяет существенно снизить риски при проектировании и изготовлении горячеканальных форм. 
     Как правило, выбор конструктивно-технологических решений для проектируемой формы производится для температуры расплава и формы, соответствующих средним значениям диапазона переработки, рекомендуемого для используемой марки полимерного материала, при достаточном «запасе» относительно технических характеристик литьевой машины. Это условие в сочетании с обоснованной моделью качества литьевого изделия [37] обеспечивает определенный «запас» при наладке процесса в процессе испытаний изготовленной формы.
  

Литература

     1. Видгоф Н.Б. Основы конструирования литьевых форм для термопластов. – М: Машиностроение, 1979. 265 с.
     2. Rockenbaugh R.E. Sprueless and runnerless moulding // Developments in injection moulding / Ed. by. A. Whelan. - London, N.Y.: Springer, 1985. V. 3. P. 161-205.
     3. Пантелеев А.П., Шевцов Ю.М., Горячев И.А. Справочник по проектированию оснастки для переработки пластмасс. - М.: Машиностроение, 1986. 400 с.
     4. Plastics mold engineering handbook. 4 th edition / Ed. by J.H. DuBois, W.I. Pribble. - N.Y.: Van Nostrand Reinhold, 1987. 736 p.
     5. Видгоф Н.Б., Видгоф А.Н. Преимущества литья под давлением изделий из термопластов с применением горячеканальных форм // Пласт. массы. 1989. № 6. С. 55-58.
     6. Кошелев Н.А., Шабанов В.А., Басов Н.И., Казанков Ю.В. Интенсификация производства изделий из пластмасс с использованием унифицированной горячеканальной оснастки // Новая техника и технология переработки пластмасс в изделия. - М.: НПО «Пластик», 1990. С. 18-24.
     7. Басов Н.И., Брагинский В.А., Казанков Ю.В. Расчет и конструирование формующего инструмента для изготовления изделий из полимерных материалов. - М.: Химия, 1991. 352 с
     8. Mold making handbook. 2 nd edition / Ed. by G. Mennig. Hanser, 1998. 561p.
     9. Injection molding handbook. 3 rd edition / Ed. by D.V. Rosato, D.V. Rosato, M.G. Rosato. Kluwer Academic Publishers, 2000. 1457 p.
     10. Frenkler D., Zawistowski H. Hot runners in injection moulds. Rapra Technology, 2001. 354 p.
     11. Rees H. Mold engineering. - Munich, Vienna, N.Y., Cincinnati: Hanser /Hanser Gardner, 2002. 688 p.
     12. Plastics technician’s toolbox. V. 1-6 / Ed. by A.R. Calhoun, J. Golmanavich. The Society of Plastics Engineers, 2002-2004. 787 p.
     13. Beaumont J.P. Runner and gating  design handbook: Tools for successful injection molding. Hanser, 2004. 286 p.
     14. Гастров Г. Конструирование литьевых форм в 130 примерах / Под ред. Э. Линднера, П. Унгера. Пер. с нем. под ред. А.П. Пантелеева, А.А. Пантелеева. –СПб: Профессия, 2006. 336 с.
     15. Литье пластмасс под давлением / Под ред. Т. Оссвальда, Л.-Ш. Тунга, П.Дж. Грэманна. Пер с англ. под ред. Э.Л. Калинчева. – СПб: Профессия, 2006. 712 с.
     16. Менгес Г., Микаэли В., Морен П. Как делать литьевые формы. Пер. под ред. Э.Л. Калинчева, В.Г. Дувидзона. - СПб: Профессия, 2007. 613 с.
     17. Унгер П. Технология горячеканального литья. Пер. с анг. под ред. В.Г. Дувидзона. - СПб: Профессия, 2009. 208 с.
     18. Казмер Д.О. Разработка и конструирование литьевых форм. Перевод с англ. под. ред. В.Г. Дувидзона. – СПб.: Профессия, 2011. 464 с. 
     19. Bichler M. Guide to flawless injection mouldings. - Heidelberg: Huethig Verlag. 1999. 112 p.
     20. Bryce D.M. Thermoplastic troubleshooting for injection molders. Society of Plastics Engineers, 1991. 136 p.
     21. Troubleshooting injection moulding. An Arburg guide / Ed. by V. Goodship Rapra Technology Ltd., 2004. 138 p.
     22. Hot runner user manual. Mold-Masters. 2010. http://www.moldmasters.com
     23. Guide to surface defects on thermoplastic injection-molded parts. – Luedenscheid: Kunststoff-Institut Luedenscheid, K.I.M.W. NRW GmbH, 2001. 130 p.
     24. Bouti A. A new hot runner nozzle speeds color change and eliminates flowlines (Part I) // 60 th SPE ANTEC Tech. Papers. 2002. P. 819-823.
     25. Brinkman H.C. Heat effects in capillary flow. I // Appl. Sci. Res. 1951. V. A2. P. 120-124.
     26. Toor H.L., Eagleton S.D. Adiabatic compression and expansion of polystyrene // J. Appl. Chem. 1953. V. 3. P. 351-354.
     27. Басов Н.И., Казанков Ю.В. Литьевое формование полимеров. – М.: Химия, 1984. 248 с.
     28. Sombatsompop N., Chaiwattanpipat W. Temperature distributions of molten polypropylene during injection molding // Adv. Polym. Tech. 2000. V. 19, № 2. P. 79–86.
     29. Johnston S., Kazmer D., Fan Z., Gao R. Causes of melt temperature variations observed in the nozzle during injection molding // 65 th SPE ANTEC Tech. Papers. 2007. P. 1077-1081.
     30. Some historical problems seen by customers and their usual causes. PMS Systems Ltd. (2011). http://www.pmssystems.com/trouble_sh.htm
     31. Beaumont J.P., Boell K. Controlling balanced molding through new hot runner manifold designs // 59 th SPE ANTEC Tech. Papers. 2001. V. 47. P. 932-936.
     32. Beaumont J.P. Revolutionizing runner designs in hot and cold runner molds // 59 th SPE ANTEC Tech. Papers. 2001. P. 3680-3687.
     33. Blundy J. Improving shear induced imbalance in hot runner systems. Opti-flo hot runner manifold systems with MeltFlipper technology. INCOE Corporation. 2004. 14 p.
     34. White C.W. Development of filling imbalances in hot runner molds // 57 th SPE ANTEC Tech. Papers. 1999. P. 3672-3676.
     35. Bouti A. Melt mixing improves hot runner balance and part quality // 60 th SPE ANTEC Tech. Papers. 2002. P. 833-839.
     36. Smith G.E. Common sense about runnerless molding // Plast. Tech. 1989. April. P. 98-105.
     37. Lafleur P.G., Kamal M.R. Computer simulation of thermoplastic injection molding // Adv. Polymer Tech. 1981. V. 1. P. 8-13.