Карта сайта      

 

    
Предыдущая публикация:
 Балансировка литниковой системы   		 Следующая публикация:
 Выбор метода моделирования
  

Проблемы литья под давлением изделий из полимерных материалов: уплотнение
 Problems of polymeric materials injection molding: Packing
 

Барвинский И.А., Барвинская И.Е.

Полимерные материалы. 2014. № 3. С. 3-13.
  

     Недоуплотнение, переуплотнение и неравномерное уплотнение являются характерными проблемами литья под давлением изделий из термопластичных полимерных материалов (ПМ), вызывающими дефекты внешнего вида, внутренние дефекты, снижение размерной точности, а также ухудшение механических и других эксплуатационных свойств литьевых изделий. Эти проблемы связаны с неадекватной компенсацией объемной усадки, являющейся следствием охлаждения ПМ в полости формы.
  

Введение

     Термины «уплотнение» (packing) и «подпитка» обычно применяются к стадии процесса литья, которая начинается  в момент окончания заполнения расплавом ПМ оформляющей полости литьевой формы и заканчивается либо в момент ее отключения от материального цилиндра, либо в момент сброса давления выдержки до атмосферного давления в зависимости от того, какое из этих событий происходит раньше. Определенная таким образом стадия уплотнения относится к процессам, протекающим в литьевой полости, и не совпадает по времени со стадией выдержки под давлением, которая начинается в момент переключения на режим управления давлением (переключение происходит до окончания заполнения) и завершается при снижении давления выдержки, заданного в системе управления литьевой машины, до атмосферного давления. Причиной отключения литьевой полости может быть застывание ПМ в охлаждаемом литниковом канале или при входе в полость (последнее - типичный случай для горячеканальных систем), а также закрытие литникового канала в горячеканальных соплах с запорными клапанами. Процесс уплотнения с учетом особенностей ПМ, конструкции литьевого изделия и формы можно проанализировать с помощью компьютерного моделирования, что будет рассмотрено в разд. 4 на примере программных продуктов Autodesk Simulation Moldflow Insight 2014 (ASMI) с использованием метода анализа Dual Domain.
     

1. Недоуплотнение, переуплотнение, неравномерное уплотнение

     Недостаточное уплотнение или недоуплотнение (under-packing) ПМ в форме вызывает поверхностные и внутренние дефекты литьевых изделий, повышенную усадку и коробление. К поверхностным дефектам относятся локальные углубления, называемые утяжинами (sink, sink mark), волнистая поверхность (wavy surface) области изделия или всего изделия, дефекты текстуры и неравномерный блеск. Следствием недоуплотнения также могут быть внутренние усадочные полости (shrinkage void) или пузыри (bubble), микро- или макропористая внутренняя структура изделия.
     Избыточное уплотнение или переуплотнение (over-packing) является причиной остаточных напряжений и может приводить к «залипанию» отливок в полости формы при выталкивании, вызывать остановки процесса и снижение размерной точности литьевых изделий. Вследствие плотного контакта отливки с формообразующими поверхностями во время извлечения отливки из формы в этом случае могут появляться поверхностные царапины, затертости и трещины, а у изделий из хрупких материалов - сколы.
      Охлаждение ПМ в форме от температуры расплава до температуры, при которой отливка извлекается из формы, и далее до температуры окружающей среды при постоянной массе приводит к уменьшению объема, или, как говорят, объемной усадке ПМ. Увеличение массы ПМ в полости формы в процессе подпитки компенсирует снижение объема ПМ, вызванного охлаждением. Повышение плотности ПМ в полости формы при подпитке благодаря высокой сжимаемости расплава позволяет уменьшить объемную усадку, происходящую главным образом после отключения полости от материального цилиндра - на стадии охлаждения отливки в форме.
     Понятия недоуплотнения и переуплотнения характеризуют процесс компенсации объемной усадки ПМ: недоуплотнение является результатом недостаточной компенсации, вызывающей повышенную объемную усадку, а переуплотнение – избыточной компенсации, которая ведет к нулевой или отрицательной объемной усадке (в последнем случае объем изделия стремится превысить объем литьевой полости). Под неравномерным уплотнением подразумевают процесс компенсации, который приводит к неравномерному распределению результирующей объемной усадки ПМ в полости формы. Неравномерное уплотнение является одной из причин неравномерности линейной усадки, коробления и повышенных остаточных напряжений, а также может вызывать неравномерный блеск и дефекты текстуры литьевых изделий.
     Величина объемной усадки широко используется при расчетах (более подробно см. разд. 4), однако экспериментальное измерение объемной усадки литьевых изделий из ПМ связано с рядом проблем, возникающих, в частности, вследствие неравномерного распределения ПМ в направлении толщины изделия, которое может быть обусловлено нарушением его монолитности из-за образования пористой структуры или внутренних усадочных полостей. При отрицательной объемной усадке отливку обычно невозможно извлечь из формы (если в ее конструкции не предусмотрены специальные разборные формообразующие детали), что делает невозможным экспериментальное определение ее объема. Исключением являются ПМ с высокой эластичностью, например мягкие марки термопластичных эластомеров, которые могут извлекаться из обычных форм и при отрицательной объемной усадке.
      При повышении времени выдержки под давлением для заданного давления выдержки масса изделия возрастает вплоть до момента отключения полости (tоткл), а после этого остается постоянной, т.к. расплав ПМ в полость уже не поступает. Метод взвешивания широко применяется в технологической практике для определения оптимального времени выдержки под давлением. Для его реализации достаточно иметь три точки на графике зависимости массы изделия от времени выдержки под давлением: оптимальное время выдержки под давлением соответствует точке пересечения прямой, проведенной через две точки, полученные при малых временах выдержки под давлением, с прямой, параллельной оси времени и проведенной через третью точку, полученную при очень большом времени выдержки под давлением.
      Важной характеристикой процесса уплотнения является зависимость давления в полости формы от времени, полученная с помощью установленных в форме датчиков или путем расчета. Максимальное давление в полости формы и характер снижения давления расплава в процессе охлаждения ПМ зависят от заданного профиля давления выдержки, изменение которого позволяет регулировать процесс уплотнения в областях литьевой полости. Некоторые типовые варианты задания профиля давления выдержки представлены на рис. 1.
      
     

Рис. 1. Профили давления выдержки Pвыд с постоянным давлением (а), ступенчатым (б) и линейным (в) снижением давления; Pмакс – максимальное давление выдержки; t – время; tвпр – время впрыска; tвыд – время окончания выдержки под давлением

      
      
     На графике зависимости давления в области оформляющей полости от времени обычно выделяют периоды нарастания давления, высокого давления и спада давления (соответственно периоды I, II и III на рис. 2, г). В некоторых случаях, в частности для областей полости, расположенных вблизи впуска, при высоких потерях давления в процессе заполнения период нарастания давления относится к стадии заполнения формы. Начало периода спада давления соответствует моменту, когда уменьшение объема ПМ, обусловленное снижением его среднеобъемной температуры (рис. 2, б), превышает увеличение объема за счет притока расплава из материального цилиндра [1], и обычно давление в полости начинает снижаться до момента отключения tоткл полости от материального цилиндра (см. рис. 2, в). Изменение давления в полости после tоткл соответствует началу стадии охлаждения в форме, которая не всегда совпадает по времени со стадией выдержки на охлаждение (В на рис. 2, в), задаваемой в системе управления литьевой машины.       
      
      

Рис. 2. Расположение точек 1, 2, 3, 4 и 5 для расчета температуры и давления в отливке (модель литниковой системы показана с упрощениями) из ПА 6, содержащего 30 % коротких стекловолокон (а); зависимость среднеобъемной температуры T ПМ для точек 1, 2, 3 и 4 от времени t (от начала впрыска) (б); зависимость давления P для точек 1, 2, 3, 4 литьевой полости и на входе в центральный литник 5 при постоянном давлении выдержки 60 МПа и времени выдержки под давлением 15 с (в); периоды нарастания давления I, высокого давления II и спада давления III на зависимости давления от времени t в точке 3 (в) (А –стадия впрыска, Б – выдержки под давлением, В – выдержки на охлаждение; tоткл – момент отключения полости от материального цилиндра)

       

      
     При преждевременном сбросе давления выдержки (до отключения оформляющей полости от материального цилиндра) изменение градиента давления вызывает вытекание расплава из полости в литниковую систему. Это явление, называемое обратным течением (backflow), приводит к снижению давления в полости, и обычно его результатом является недоуплотнение ближайшей к впуску области литьевого изделия или всего изделия.
      Схема появления утяжин и внутренних усадочных полостей в отливке показана на рис. 3. Движущей силой поверхностных деформаций и нарушения сплошности внутренней структуры является напряженное состояние области отливки, возникающее в результате процесса объемной усадки ПМ в полости формы при его неравномерном охлаждении. Быстрое застывание ПМ в углах изделия, тонкостенных ребрах и других участках изделия, имеющих малую толщину, создает жесткий "каркас", повышающий неравномерность усадочных деформаций отливки в форме и после извлечения из формы, особенно в случае высокой объемной усадки.  
      
     

Рис. 3. Схема образования утяжин 1 (а) и внутренней усадочной полости 2 (б) при объемной усадке отливки в полости формы 3: 4, 5 и 6 –слои ПМ, застывшие на стадиях заполнения, уплотнения и охлаждения в форме соответственно; стрелками показаны направления деформаций

       

      

     Тип возможного дефекта (деформация поверхности с образованием утяжины или появление внутренних несплошностей) зависит от скорости охлаждения области отливки, особенностей механического поведения ПМ и геометрии области. Быстрое увеличение толщины застывшего пристенного слоя, происходящее при высокой скорости охлаждения области, в сочетании с высоким модулем упругости ПМ способствуют возникновению внутренних усадочных полостей или пористой структуры. Напротив, малый модуль упругости ПМ в сочетании с малой скоростью охлаждения области изделия приводит к утяжинам.
     Расплавы ПМ при литье под давлением содержат различные газообразные и легкокипящие жидкие продукты, растворенные в ПМ или образующие микро- и макровключения, существующие при высокой температуре расплава в виде газовой фазы. К таким продуктам относятся влага, низкомолекулярные продукты деструкции ПМ, выделяющиеся в процессе его переработки, а также присутствующие в исходном сырье остатки мономера и растворителя. Кроме того, расплав может содержать воздух, «захваченный» на стадии пластикации. Если не проводится дегазация материального цилиндра с использованием специальных устройств, газообразные продукты оказывают непосредственное влияние на формирование несплошностей внутренней структуры при усадочных процессах, способствуя, в частности, нуклеации и росту внутренних полостей [2]. По этой причине дефекты, которые называют "внутренними усадочными полостями" и "пузырями", имеют одинаковый механизм образования, но в первом случае при анализе причин брака делается акцент на недостаточную компенсацию усадки, а во втором - на избыточное содержание в расплаве газообразных и легкокипящих продуктов.
     Образование пористой структуры в процессе переработки характерно для наполненных ПМ, в частности для ПМ, содержащих стеклянное (см. фото) [3] или углеродное волокно, минеральные наполнители, что можно объяснить высокой неоднородностью микроструктуры и напряженного состояния в таких материалах (см., например, [4]). Большое количество газообразных пузырьков микроскопических или макроскопических размеров, присутствующих в расплаве, также может быть причиной формирования пористой структуры.

      
        
Полученное с помощью микроскопа изображение центральной части поперечного сечения литьевого образца толщиной 4 мм из наполненного короткими стекловолокнами ПП, свидетельствующее о наличии пористости (фрагмент фото из [3])
      

     

     Ряд конструкторских приемов позволяет повысить жесткость поверхностного слоя отливки и в определенной степени воспрепятствовать деформации поверхности и образованию утяжины при охлаждении отливки в форме, способствуя тем самым появлению несплошностей внутренней структуры. К таким приемам относятся, например, использование на видовых частях изделия системы мелких ребер или текстур с относительно большой высотой «рисунка», требующих малого времени охлаждения и играющих при усадочных деформациях роль жесткого каркаса. Однако необходимо учитывать, что подобные приемы эффективны только при сравнительно высоком модуле упругости ПМ.
     Реологические свойства ПМ часто оказывают решающее влияние на давление в полости формы и процесс компенсации объемной усадки. Поэтому аморфные материалы с повышенной вязкостью, такие как ПК, демонстрируют повышенную склонность к недоуплотнению, несмотря на сравнительно небольшую объемную усадку.
     Переуплотнение ПМ в форме может быть вызвано неадекватно высоким давлением, развиваемым в оформляющей полости в период нарастания давления. Наиболее «опасно» так называемое пиковое давление, которое возникает в гидросистеме инжекционного узла при задержке переключения на режим управления давлением и быстро (фактически гидроударом) передается в форму. Во избежание появления пикового давления при наладке процесса необходимо постепенно повышать давление впрыска. Чаще всего переключение на режим управления давлением производят по положению шнека, однако при нестабильности полимерного сырья может наблюдаться нестабильность процесса заполнения, проявляющаяся, в том числе, в колебаниях времени впрыска и положениях шнека при впрыске. В этом случае может быть полезным применение так называемых динамических методов переключения на режим управления давлением (по скорости изменения давления в гидросистеме гидроприводных литьевых машин [1] или скорости линейного движения шнека), позволяющих в определенной степени автоматически учитывать изменение истинного момента окончания заполнения.
     Повышение давления в полости в период нарастания давления происходит в результате снижения перепадов давления, которые возникли к моменту окончания заполнения формы в системе, включающей полость формы, литниковые каналы, сопло и предсопловую часть материального цилиндра литьевой машины. При литье изделий малой толщины, с большой длиной потоков в литьевой полости или при использовании ПМ с высокой вязкостью давление расплава в предсопловой области цилиндра литьевой машины к концу стадии впрыска может достигать очень высоких значений. Для снижения перепада давления и предупреждения переуплотнения ПМ в полости формы начальное давление выдержки уменьшают относительно давления, создаваемого шнеком в конце стадии заполнения. Такой вид функции изменения давления иногда называют профилем со сбросом давления [1]. Во многих работах максимальное давление выдержки рекомендуется устанавливать на уровне 80% от максимального давления при впрыске. Данная рекомендация не является универсальной: например, для изделий с большой толщиной основных стенок характерны малые потери давления расплава при впрыске; в этом случае для обеспечения адекватного уплотнения применяют давление выдержки, превышающее максимальное давления при впрыске.
     Неравномерное уплотнение, проявляющееся, как отмечалось выше, в неравномерности объемной усадки, может быть обусловлено различными конструкторско-технологическими факторами. Оно может быть следствием неравномерного распределения давления в полости на стадиях уплотнения и охлаждения в форме (например, при слишком длинном пути течения расплава или разнотолщинности полости формы), а также несбалансированного заполнения.
   
    
2. Влияние конструкции литьевого изделия и формы на уплотнение

     Конструктивные особенности литьевого изделия в сочетании с выбранными местами впуска оказывают большое влияние на распределение давления в полости формы и компенсацию объемной усадки.
     Для профиля с постоянным давлением выдержки, показанного на рис. 1, а, давление расплава в полости на стадии уплотнения уменьшается по мере удаления от места впуска. Применение профиля давления выдержки с постепенным снижением давления (рис. 1, б или 1, в) является эффективным методом для устранения разброса усадки между различными частями отливки.
     Увеличение длины затекания и (или) коэффициента разнотолщинности, равного отношению максимальной толщины изделия к минимальной, приводит к повышению неравномерности распределения давления в полости на стадии уплотнения и создает опасность недоуплотнения в наиболее удаленных от места впуска областях полости или областях высокой толщины. Например, быстрое снижение давления в точке 3 (см. рис. 2, в), которое приводит к недоуплотнению области вблизи этой точки, обусловлено быстрым снижением среднеобъемной температуры (кривая 2 на рис. 2, б) в расположенной выше по течению области меньшей толщины вблизи точки 2 (расположение точек представлено на рис. 2, а). Повышенная неравномерность распределения давления обычно наблюдается при впуске в относительно тонкую часть полости.
     Проектирование в изделиях адекватных по толщине ребер и бобышек и недопущение локального увеличения фактической толщины (определяемой диаметром вписанного шара) в областях присоединения ребер и бобышек к основной стенке позволяет предотвратить недоуплотнение и появление утяжин. Положительный эффект в конструкциях с повышенной толщиной ребер может дать локальное углубление (канавка) вдоль ребра (рис. 4, а, б). В конструкциях с бобышками  утяжины можно устранить при уменьшении толщины основания бобышки, обеспечиваемого увеличением высоты знака, формующего в ней отверстие (рис. 4, в), изготовления таких знаков из материалов с высокой теплопроводностью для увеличения скорости охлаждения проблемной области, использования подпружиненных знаков (рис. 4, г) [5] и с помощью других методов.
    
       
Рис. 4. Схемы методов предотвращения утяжин в конструкции изделия с ребром 1 (а, б) и бобышкой 2 (в, г) путем использования углубления 3 вдоль ребра, знака 4 с увеличенной высотой, оформляющего отверстие в бобышке, а также применения подпружиненного знака 5 [5]
        
      
     При несбалансированном заполнении расплавом ПМ полости формы период нарастания давления в заполненной области начинается раньше, чем в других областях полости. Отличия зависимости давления от времени в области, заполняемой раньше, от аналогичной зависимости для остальных частей полости, увеличивает разброс объемной и соответственно линейной усадки, что может вызвать коробление отлитого изделия и повышенные остаточные напряжения в нем.    
     Проблемы уплотнения часто возникают в многогнездных формах, причем эти проблемы характерны как для несбалансированных, так и сбалансированных литниковых систем. Необходимо учитывать, что при балансировке литниковой системы обычно достигаются равные потери давления при заполнении различных гнезд, что, однако, не всегда гарантирует одинаковое давление в оформляющей полости при уплотнении. Наибольшее негативное влияние на уплотнение и большая разница усадок отливок в различных гнездах характерна для конструкций литьевых форм, в которых производится балансировка впускных литниковых каналов, поскольку отключение гнезд от материального цилиндра происходит в этом случае в различные моменты времени.
      Характер изменения давления в полости формы во времени в большой степени зависит от конструкции литниковой системы. Увеличение диаметра (или толщины) и уменьшение длины литниковых каналов, а также применение горячеканальных систем способствует более длительному сохранению повышенного давления в оформляющей полости после ее отключения, что облегчает компенсацию объемной усадки. Наиболее сильное негативное влияние на процесс уплотнения оказывают самые тонкие участки холодноканальной литниковой системы, которые застывают раньше других участков, отключая полость. В многогнездных формах такими участками обычно являются впускные литниковые каналы, тогда как в одногнездных формах проблемы уплотнения могут быть вызваны, например, застыванием тонкой части центрального литникового канала. Для хорошего уплотнения центральные и разводящие литниковые каналы не должны содержать «ступенек» и «пережимов».
      Необходимо учитывать, что в формах с несколькими впусками эффективное уплотнение области изделия осуществляется через литниковый канал, который был использован для ее заполнения.
      Затрудненный отвод тепла от областей, примыкающих к основанию ребер или бобышек, действует аналогично увеличению толщины, способствуя локальному повышению объемной усадки. Кроме того, из-за неравномерности охлаждения поверхностных слоев отливок, содержащих с обратной стороны ребра и бобышки, могут иметь место дефекты текстуры и наблюдаться неравномерность блеска.
      Конструкция охлаждающих каналов может оказывать большое влияние на распределение давления в оформляющей полости на стадии уплотнения и компенсацию усадки. Чрезмерное охлаждение области впуска, а также областей, расположенных  в средней части потоков, значительно затрудняет передачу давления в наиболее удаленные от впуска части полости, повышая опасность их недоуплотнения. Не рекомендуется размещать каналы охлаждения вблизи литниковых каналов, в случае слишком большого времени охлаждения литников лучше уменьшить диаметр (или толщину) литниковых каналов.
      Одной из причин высоких остаточных напряжений и других негативных явлений в отливках, полученных при повышенном давлении выдержки, может быть увеличение обратимых деформаций деталей литьевой формы. Для снижения уровня таких деформаций конструкция литьевой формы должна обеспечивать достаточную жесткость за счет адекватной толщины плит, использования опорных колонок и других усиливающих жесткость конструктивных элементов.
     

3. PVT-характеристика

      Зависимость удельного объема V ПМ, равного обратной плотности, от температуры Т и давления P, называют PVT-характеристикой или, в графическом представлении, PVT-диаграммой.
     Для аморфных ПМ, например, для поликарбоната, характерно небольшое снижение объема при охлаждении (рис. 5, а), тогда как ненаполненные кристаллизующиеся материалы, например ПА 6, демонстрирует большие объемные изменения (рис. 5, б). Для кристаллизующихся в условиях литья под давлением ПМ основная часть объемной усадки наблюдается в некотором диапазоне температур ниже зависящей от давления температуры перехода Tt(P), соответствующей в этом случае температуре начала кристаллизации. Для аморфных ПМ зависимость объемных изменений от температуры является более равномерной, при этом на PVT-диаграмме имеются две области: более высоких объемных изменений выше температуры перехода Tt(P), соответствующей температуре стеклования, и небольших объемных изменений ниже температуры перехода. Различия PVT диаграмм обусловливают различное усадочное поведение ПМ при литье под давлением, которое проявляется в высокой усадке для ненаполненных кристаллизующихся материалов и низкой – для аморфных.
      
      

Рис. 5. Зависимости удельного объема V от температуры Т для давлений 0 МПа (1), 25 МПа (2), 50 МПа (3), 75 МПа (4), 100 МПа (5) (PVT-диаграммы) для ненаполненных ПК (а) и ПА 6 (б), полученные при охлаждении ПМ; Tt(P) – температура перехода
      
    
      Увеличение содержания в ПМ неорганических наполнителей (стеклянных, минеральных и пр.) снижает уровень объемных изменений ПМ при охлаждении; в тоже время добавление пластификаторов в состав ПМ способствует увеличению объемных изменений. Характер влияния полимерных добавок и наполнителей на PVT-характеристики зависит от особенностей PVT-диаграмм, как основного, так и добавляемого компонентов.
     Было разработано множество моделей для математического описания PVT-поведения ПМ, называемых уравнениями состояния, однако для решения практических и научных задач в настоящее время чаще всего применяется уравнение Тейта [7].
     Обычно PVT-характеристика измеряется в условиях, приближенных к равновесным, при отсутствии течения и очень медленном охлаждении ПМ, что облегчает достижение одинаковой температуры ПМ в объеме образца. Именно такие «равновесные» PVT-диаграммы содержатся в современных базах данных по ПМ. Между тем известно о влиянии скорости охлаждения и течения на PVT-диаграмму, вызванном для аморфных материалов релаксационной природой объемных изменений в ПМ.
      Особенно велико влияние скорости охлаждения на PVT-характеристику для кристаллизующихся ПМ. Повышение скорости охлаждения приводит к уменьшению температуры кристаллизации, снижению степени кристалличности ПМ и объемной усадки. Течение расплава при температурах вблизи температуры кристаллизации Tкр увеличивает значение Tкр, повышает степень кристалличности и, как следствие, объемную усадку. По данным работы [8] повышение скорости охлаждения с 0.1 до 40 оС/c изотактического полипропилена (ПП) при давлении 400 бар вызвало снижение температуры кристаллизации со 140 до 100 оС. Течение со скоростью сдвига 67 1/c при том же давлении и скорости охлаждения 1.5 оС/с привело к повышению Tкр изотактического ПП на 10 оС по сравнению с экспериментом в отсутствие течения. Предложен ряд методов модификации уравнения Тейта, позволяющих учесть влияние скорости охлаждения на объемные изменения в ПМ.  
     В работе [9] было выявлено заметное различие PVT-диаграмм для полистирола общего назначения, полученных в изотермических (при постоянной температуре) и изобарических (при постоянном давлении) условиях, что также можно объяснить релаксационными процессами изменения объема в аморфных ПМ.
    

4. Прогнозирование и оптимизация уплотнения

     Грубая оценка процесса компенсации объемных изменений при литье ПМ под давлением и выбор оптимальных условий уплотнения могут быть выполнены графически на основе PVT-диаграммы [10]. Проиллюстрируем этот метод на следующем примере для аморфного ПМ и профиля давления с постоянным давлением выдержки.
     Трем вариантам зависимости давления в области полости формы, показанным на рис. 6, а, соответствуют три варианта «путей» процесса уплотнения и охлаждения на PVT-диаграмме (рис. 6, б). Предполагается, что во всех случаях процесс проводится при одинаковой температуре расплава Tр, температуре формы Tф и температуре окружающей среды Тср, и что раскрытие формы производится при адекватном времени охлаждения отливки, обеспечивающем получение качественного изделия, нормальное извлечение отливки из формы и прочее. Участок А1Б1 для пути процесса 1 соответствует периоду уплотнения при повышении давления от атмосферного Ратм до Рниз, участок Б1В1 – периоду высокого давления,  участок В1Г1 – периоду спада давления до достижения Ратм,  при этом делается предположение, что на участке В1Г1 удельный объем ПМ остается постоянным. Участок Г1Д характеризует охлаждение в форме при Ратм (температура снижается до Tф). Аналогичные участки можно выделить для "путей" процесса 2 и 3. Для всех рассматриваемых "путей" процесса участок ДЕ соответствует охлаждению изделия до Тср после его извлечения из формы. Выраженное в процентах отношение ΔV1 (разность удельного объема VPниз в момент окончания спада давления при достижении Ратм и удельного объема VPатм при Тср) к VPниз представляет собой объемную усадку для "пути" процесса 1. Аналогичным образом определяется объемная усадка для "путей" процесса 2 и 3.

      

        

Рис. 6. Зависимости давления P в области полости формы от времени t (а) и оценка уплотнения («путей» процесса) по PVT-диаграмме (б) при низком (1), среднем (2) и высоком (3) значениях давления выдержки: Pниз, Pср, Pвыс – максимальное давление в области полости формы соответственно при низком, среднем и высоком давлении выдержки; Pизб – избыточное давление в полости формы; Tр – температура расплава; Tф –температура формы; Тср – температура окружающей среды; VPатм – зависимость удельного объема при атмосферном давлении; VPниз, VPср, VPвыс – зависимости удельного объема соответственно при низком, среднем и максимальном давлении выдержки; t1 и t2 – время снижения давления до атмосферного; t3 – время начала раскрытия формы; А1–Б1…–Е – «путь» процесса уплотнения, охлаждения в форме и охлаждения после извлечения изделия из формы при низком давлении выдержки (построено на основе [10])

       
      

     При низком давлении выдержки ("путь" процесса 1) давление в полости снижается слишком быстро (задолго до раскрытия формы), что приводит в конечном счете к большой объемной усадке. При среднем давлении ("путь" процесса 2) давление в полости формы снижается до атмосферного медленнее, что дает сравнительно небольшую объемную усадку. При высоком давлении выдержки ("путь" процесса 3) перед раскрытием формы в оформляющей полости существует избыточное давление (Pизб на рис 6, а), в этом случае участок Г3Д соответствует снижению избыточного давления в отливке до атмосферного при раскрытии формы.
     Для этого примера можно сделать вывод, что из рассмотренных "путей" процесса путь 2 наиболее близок к оптимальному, учитывая то, что преждевременное снижение давления в полости приводит к недоуплотнению, а высокое избыточное давление свидетельствует о переуплотнении.
     В описанном выше методе оценки объемных изменений процесс уплотнения рассматривается упрощенно, в частности, не учитывается неравномерность уплотнения отливки, которая оказывает большое влияние на качество литьевых изделий.
     Применение численного моделирования позволяет получить более детальную информацию о процессе уплотнения, принимая во внимание его неравномерность, с учетом влияния технологического процесса (профиля давления выдержки и пр.) и конструктивных особенностей литьевого изделия и формы.
     В компьютерном анализе уплотнения и охлаждения отливки в форме (packing analysis, post-filling analysis) на основе информации, полученной в анализе заполнения, и заданного профиля давления выдержки моделируется течение и охлаждение расплава в литниковой системе и полости формы в процессе подпитки, а также рассчитывается процесс компенсации объемных изменений и результирующая объемная усадка непосредственно перед раскрытием формы, исходя из PVT-характеристики используемой марки ПМ.
     Выраженная в процентах объемная усадка Sv области изделия составляет [11]:

где V(T,P) – средний удельный объем расплава в заполненной области при температуре T и давлении P расплава в полости, Vf – средний удельный объем области литьевого изделия при температуре окружающей среды и атмосферном давлении.
     Расчет процесса уплотнения может выполняться на основе моделирования двухмерного (2.5D-анализ) или трехмерного (3D-анализ) течения в литьевой полости. Модель одномерного течения (2D-анализ) для прогнозирования уплотнения реальных изделий обычно не применяется, поскольку концепция постоянных потоков, используемая в данном подходе, во многих случаях (например, при несбалансированном заполнении) не позволяет адекватно описать течение в полости формы при подпитке.
     Для оценки результатов расчета объемной усадки необходимо определить границы области приемлемых условий, обеспечивающих адекватное уплотнение (Sv мин < Sv < Sv макс) в пределах допустимого диапазона давления выдержки (Pвыд.мин < Pвыд  < Pвыд.макс), однако методология выбора этих границ с учетом особенностей ПМ и требований к литьевому изделию относится в настоящее время к дискуссионным вопросам.
      Наличие областей с высокой (Sv > Sv макс) или отрицательной (за исключением материалов с высокой эластичностью) результирующей объемной усадкой, а также ее неравномерность свидетельствуют о проблемах уплотнения отливки, которые могут быть устранены или уменьшены при изменении технологического режима, конструкции литьевой формы или изделия, ПМ или литьевого оборудования. В ряде случаев, например, при малых литьевых уклонах или наличии поднутрений в изделии, слишком малые положительные значения объемной усадки также могут создавать проблемы извлечения отливки из формы.
      Нижнюю границу приемлемого давления выдержки можно оценить на основе рекомендаций изготовителей ПМ, учитывая то, что свойства материала (в частности, механические, особенно при наличии спаев) обычно ухудшаются при малом давлении выдержки. Ограничение давления выдержки сверху позволяет избежать высоких деформаций деталей литьевой формы. Специальные требования к эксплуатационным характеристикам изделия могут повлиять на диапазон приемлемых давлений выдержки: например, для изделий оптического назначения повышение давления выдержки может ухудшать оптические свойства из-за повышенного двулучепреломления.
      На рис. 7 приведены результаты расчета зависимости объемной усадки от давления выдержки при численном моделировании уплотнения для изделия из ПА 6, содержащего 30% масс. коротких стекловолокон (модель отливки и расположение точек см. на рис. 2, а). Время выдержки под давлением, составлявшее 15 с, было выбрано «с запасом», чтобы исключить влияние этого фактора на процесс уплотнения для всех рассмотренных вариантов конструкции.
      
      

Рис. 7. Зависимость объемной усадки Sv от давления выдержки Pвыд в точках изделия 1 (ж, з, и), 3 (а, б, в) и 4 (г, д, е) (расположение точек см. на рис. 2, а) для времени выдержки под давлением 15 с при использовании впускного литникового канала диаметром 0,5 мм (а, г, ж), 1 мм (б, д, з) и 2 мм (в, е, и); А – оцениваемая область условий, обеспечивающих получение качественных изделий (0 < Sv < 2,5 %, 40 МПа < Pвыд < 80 МПа)
      
      

     Для данного примера выбран допустимый диапазон изменения объемной усадки от 0 до 2.5% при изменении давления выдержки от 40 до 80 МПа. Из представленных результатов можно сделать вывод, что хорошее уплотнение области изделия вблизи точки 4 при Pвыд 80 МПа обеспечивается для впускного литникового канала диметром 2 мм. При впускном литниковом канале меньшего диаметра для устранения недоуплотнения необходимо использовать слишком высокое давление выдержки, превышающее 80 МПа. Хорошее уплотнение ближайшей к впуску области, расположенной вблизи точки 1, достигается для всех рассмотренных вариантов диаметра впускного литникового канала при давлении выдержки 60-80 МПа. В то же время область вблизи точки 3 остается недоуплотненной во всех рассмотренных случаях, что вызвано быстрым охлаждением расплава в расположенной выше по течению области малой толщины (вблизи точки 2).  Недоуплотнение вблизи точки 3 можно устранить путем уменьшения толщины этой области или увеличением толщины области вблизи точки 2.
     Оценку оптимального времени выдержки под давлением, соответствующего моменту отключения литьевой полости от материального цилиндра, при численном моделировании уплотнения можно производить по зависимости от времени относительной толщины застывшего пристенного слоя ПМ (определяется в долях от диаметра или толщины канала) в соответствующем литниковом канале (рис. 8). Так как течение расплава во впускном литниковом канале полностью прекращается при достижении относительной толщины застывшего пристенного слоя,  равной 1, поддерживать давление выдержки после этого момента не имеет смысла.
    
      
Рис. 8. Зависимость относительной толщины δ застывшего пристенного слоя ПМ (в долях от диаметра или толщины канала) от времени t (от начала впрыска) во впускном литниковом канале диаметром 1 мм: tоткл – момент отключения полости от материального цилиндра
      
        

     На точность расчета уплотнения оказывают влияние многие факторы, в том числе особенности геометрической модели изделия и литниковой системы (сетки), модели процесса для стадий заполнения, уплотнения и охлаждения, применяемые модели PVT, а также реологических и теплофизических свойств ПМ, адекватность учета условий охлаждения отливки в форме. В частности, известно о большом влиянии зависимости вязкости расплава от давления (такая информация часто отсутствует в современных базах данных) на результаты расчета уплотнения. 
     Разработаны методы автоматической оптимизации профиля давления выдержки, обеспечивающие минимальный разброс расчетной объемной усадки по изделию. В программном продукте ASMI такая задача может быть выполнена с учетом возможностей управления давлением выдержки в системе управления применяемой литьевой машины, к которым относятся число ступеней и тип профиля давления выдержки (ступенчатый или линейноизменяющийся).
     Оценка локального недоуплотнения может быть выполнено на основе расчета так называемого коэффициента утяжины (sink marks index) ks, предложенного в работе [12] и определяемого в 2.5D-анализе для момента времени t, когда давление, рассчитанное для элемента сетки, снижается до атмосферного:

где hm – толщина незастывшей внутренней части для элемента сетки; ρt – плотность расплава при температуре перехода и атмосферном давлении; χ+ и χ- - верхняя и нижняя граница незастывшей части отливки; в направлении толщины; χ - координата в направлении толщины; h – толщина полости. Числитель этого выражения характеризует разность масс ПМ, находящегося в незастывшей внутренней части для элемента сетки при идеальном и фактическом уплотнении, а знаменатель - массу ПМ для элемента сетки на всей толщине полости при идеальном уплотнении. При сохранении монолитности внутренней структуры отливки высокое значение ks соответствует высоким поверхностным деформациям, а в общем случае коэффициент утяжины характеризует уплотнение области изделия: высокое значение ks свидетельствует о недоуплотнении отливки.
     Современный компьютерный анализ позволяет спрогнозировать глубину утяжин при предположении о монолитности отливки, что, как было отмечено выше, не всегда соответствует реальному процессу.
      Тем не менее, компьютерный анализ позволяет получить практически полезную информацию о процессе уплотнения изделия на основе прогнозирования объемной усадки с учетом основных факторов, влияющих на ее компенсацию, а также помогает выбрать оптимальное конструкторско-технологическое решение, обеспечивающее изготовление литьевого изделия высокого качества.
     Дополнительную информацию к теме статьи можно найти на сайте www.barvinsky.ru
    

Литература

     1. Калинчев Э.Л., Калинчева Е.И., Саковцева М.Б. Оборудование для литья пластмасс под давлением: Расчет и конструирование. М.: Машиностроение, 1985. 256 с.
      2. Roychowdhury S., Gillespie (Jr.) J.W., Advany S.G. Volatile-induced void formation in amorphous thermoplastic polymeric materials: I. Modeling and parametric studies // J. Compos. Mater. 2001. V. 35, № 4. P. 340-366.
      3. Patcharaphun S., Jariyatammanukul P. The effect of thickness on the weld-line strength of injection-molded thermoplastic composites // Polymer Plast. Tech. Eng. 2010. V. 49. P. 1305-1309.
     4. Симонов-Емельянов И.Д., Кулезнев В.Н. Основы создания композиционных материалов: Учебное пособие. М.: МИХМ, 1986. 86 с.
      5. Zuber P. How to reduce sinks // Plast. Tech. 2004. July. P. 60-64.
     6. Osswald T.A., Hernandes-Ortiz J.P. Polymer processing: Modelling and simulation. Munich, Cincinnati: Hanser Publishers, Hanser Gardner Publications, 2006. 633 p.
      7. 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.
      8. Forstner R., Peters G.W.M., Meijer H.E.H. A novel dilatometer for PVT measurements of polymers at high cooling - and shear rates // Int. Polym. Proc. 2009. V. 24, № 2. P. 114-121.
      9. Utracki L.A. Pressure-volume-temperature dependencies of polystyrenes // Polymer. 2005. V. 46. P. 11548-11556.
     10. Greener J. General consequences of the packing phase in injection molding // Polym. Eng. Sci. 1986. V. 26. P. 886-892.
     11. Isayev A.I., Kwon K. Volumetric and anisotropic shrinkage in injection molding of thermoplastics // Injection molding: Technology and fundamentals / Ed. by M.R. Kamal, A. Isayev, S.-J. Liu. Munich, Cincinnati: Hanser, 2009. P. 779-808.
     12. Beiter K., Hornberger L., Ishii K. Geometric index for predicting sink mark in plastic parts // Proc. ASME Design Theory and Methodology Conf. Miami. Sept. 1991. P. 111-118.
      
    
 
Rambler's Top100

Copyright (C) Барвинский И.А., Барвинская И.Е., 2000-2021

Перепечатка публикаций сайта допускается только с 
разрешения авторов