Барвинский И.А., Барвинская И.Е.

Опубликовано: 04.2000. Обновление: 7.06.2008.
   

     Одним из наиболее эффективных методов снижения себестоимости изделия является уменьшение его толщины, позволяющее уменьшить расход материала и цикл литья. Однако уменьшение толщины стенки и снижение времени цикла до 5 - 10 сек накладывают особые требования к материалу, оборудованию и пресс-форме. Поэтому говорят о технологии тонкостенного литья (thinwall molding, thin wall moulding), как особой разновидности литья под давлением /5, 7, 10, 12-13, 17-18/.
     Под тонкостенным литьем чаще всего понимают литье изделий толщиной менее 1 мм. Значение максимальной толщины изделий, относящихся к тонкостенным, является в большой степени условным. Некоторые авторы считают тонкостенными изделия толщиной менее 1.5 мм или даже менее 2 мм. 
     Под тонкостенными понимают также более толстостенные изделия с большим отношением длины потока к толщине (более 100 или 150). Литье таких изделий имеет свою специфику и здесь не рассматривается.
     С точки зрения особенностей технологии различают тонкостенное литье термически стабильных и нестабильных материалов.  
     Материалы с высокой термической стабильностью, такие как полиэтилен, полипропилен, полистирол общего назначения и др., применяются для изготовления упаковки, одноразовой посуды. Низкий уровень механических свойств данных материалов обычно не позволяет использовать толщину менее 0.5 - 0.6 мм.
     Конструкционные термопласты (полиамиды, поликарбонат, полибутилентерефталат, полиацетали и др.) и суперконструкционные термопласты (полифениленсульфид, полиэфирсульфон, полиэфирэфиркетон, жидкокристаллические полимеры, полиэфиримид и др.) сочетают высокий уровень механических свойств с невысокой термической стабильностью при переработке. Из этих материалов могут отливаться сверхтонкие изделия, например: электрический разъем из стеклонаполненного жидкокристаллического полимера длиной 250 мм с толщиной стенки 0.4 мм /19/, миниатюрные разъемы из жидкокристаллического полимера толщиной 0.2 - 0.3 мм /14/, корпуса электрических катушек из PA 66 и ПБТ толщиной 0.15 - 0.27 мм /11/. Существуют примеры литья и более тонких изделий, например толщиной 0.08 мм, которые уже можно отнести к микролитью, выделяемого в особую технологию.
    

Особенности процесса литья тонкостенного изделия /9/

Стадия впрыска

     Качество изделия при тонкостенном литье определяется главным образом стадией впрыска. 
     Уменьшение толщины стенки изделия приводит к быстрому росту потерь давления расплава при впрыске. Если эти потери давления достигают предельного давления литьевой машины, может появиться недолив.
     При тонкостенном литье большую роль играет застывший пристенный слой полимера, толщина которого сопоставима с толщиной полости. Величина застывшего слоя очень сильно зависит от скорости впрыска: при увеличении скорости впрыска повышается диссипативное тепловыделение в расплаве, что ведет к уменьшению толщины застывшего слоя. С другой стороны, слишком большая скорость впрыска может приводить к деструкции полимера /1/.
     В табл. 1 приведены результаты нашего расчета процесса впрыска для горячеканального литья кофейной чашки из полипропилена марки Каплен 01250 при различных толщинах стенки изделия. Расчет выполнен в программном продукте MPI/Flow фирмы Moldflow при температуре расплава 220 ^оС и температуре формы 40 ^оС.

Табл. 1. Расчет процесса впрыска для изделия "Чашка кофейная"

     Процесс уплотнения (подпитки) при литье тонкостенных изделий протекает очень быстро и, как правило, не вызывает особых проблем, кроме случаев, когда изделие имеет значительную разнотолщинность. Можно сказать, что тонкостенные изделия сложно заполнить, но легко уплотнить. 
   

Качество спаев

     Следствием быстрого охлаждения потоков расплава после образования спаев является пониженное качество спаев при тонкостенном литье. Эта проблема особенно характерна для жидкокристаллических полимеров. 

  
Усадочные процессы

     Усадка тонкостенных изделий может значительно отличаться от стандартных значений усадки, определяемых на образцах определенной (обычно средней) толщины, особенно для кристаллизующихся материалов. Усадка уменьшается при уменьшении толщины изделия (исключением являются некоторые термопластичные эластомеры /22/).
     В табл. 2 приведены данные компании Toray Industries /21/ по усадке марок ПА 66 при разных толщинах образца.

Табл. 2. Технологическая усадка ПА 66

  
Коробление тонкостенных изделий
  
     Тонкостенные изделия чрезвычайно склонны к короблению из-за их малой жесткости. Особую опасность для таких изделий представляет потеря устойчивости, вызванная неравномерностью усадочных процессов. Поэтому при конструировании тонкостенных изделий необходимо свести до минимума разнотолщинность - один из основных факторов, вызывающих неравномерность усадок. 

Требования к литьевой машине для тонкостенного литья. Вспомогательное оборудование

Скорость впрыска

     При литье тонкостенных изделий из термически нестабильных материалов одним из наиболее критических параметров литьевой машины является скорость впрыска. При тонкостенном литье необходима высокая скорость впрыска, т.к. материал быстро застывает, уменьшение толщины изделия требует увеличения скорости впрыска /1/. Для литья сверхтонких изделий необходимо использовать термопластавтомат со сверхбольшой скоростью впрыска. 
     Если тонкостенное изделие отливается из термически стабильного материала, в принципе можно взять машину с большим объемом - это обеспечивает повышение скорости впрыска. Для термически нестабильных материалов объем впрыска должен соответствовать объему отливки и время пребывания материала при высокой температуре должно быть минимальным.
     Увеличение скорости впрыска гидроприводных термопластавтоматов может быть достигнуто несколькими способами /12/. 
     Некоторые изготовители термопластавтоматов по запросу покупателя могут поставлять литьевую машину с более мощным гидронасосом, увеличивая тем самым максимальную скорость впрыска на 25 - 30%. 
     Установка дополнительного гидронасоса позволяет увеличить скорость впрыска на 50% /15/.
     Для увеличения скорости впрыска некоторые изготовители литьевых машин применяют технологию регенерации (regeneration). В схеме с регенерацией поток масла из гидроцилиндра усиливает поток масла от насоса. С помощью регенерации можно увеличить скорость впрыска на 60%, однако при этом максимальное давление впрыска уменьшается пропорционально увеличению скорости впрыска, что может быть неприемлемо для тонкостенного литья.
     Для повышения скорости впрыска литьевые машины оснащаются (обычно по специальному запросу) гидроаккумулятором. При впрыске поток масла из гидроаккумулятора усиливает поток масла от насоса. Гидроаккумулятор увеличивает максимальную скорость впрыска в 3 и более раз. Давление впрыска при этом не снижается.
     В последнее время появились гидроприводные машины для сверхскоростного (сверхтонкого) литья, обеспечивающие скорость впрыска до 2000 мм/с /20/.
     Электроприводные машины позволяют получить сверхвысокие скорости впрыска (1000 мм/с и более) при использовании мощных и малоинерционных серво-двигателей /6/.
   

Давление впрыска. Усилие замыкания

     Машина для тонкостенного литья должна обеспечивать высокое давление впрыска (1800 - 2500 кгс/см² и более) и соответствующее высокое усилие замыкания. Например, для литья корпуса источника питания толщиной менее 0.5 мм из поликарбоната потребовалась машина с давлением литья, превышающим 2760 кгс/см² /13/.

  
Быстроходность

     Достижение минимального цикла литья возможно при использовании литьевой машины с высокой быстроходностью. 
     Быстроходность литьевой машины может быть определена в спецификации несколькими характеристиками: временем открытия-закрытия пресс-формы, максимальной скоростью открытия-закрытия, так называемым сухим циклом или числом сухих циклов в минуту.
     Согласно рекомендациям EUROMAP 6 /8/ сухой цикл (dry cycle) определяется как сумма максимальных времен открытия и закрытия формы, включая время переключений. В сухой цикл не входит время подвода сопла.

    
Система управления литьевой машины. Гидравлическая система

     Важнейшее условие получения качественных тонкостенных изделий - высокий уровень системы управления машины, предполагающий автоматический контроль процесса, надежность и стабильность работы машины. Изменение времени впрыска на 0.1 с может привести к недоливу тонкостенного изделия /4, 13/.
     Рабочее давление в гидросистеме современных литьевых машин составляет 140 - 200 бар /12/. Более высокое рабочее давление насоса обеспечивает меньшую инерционность системы и большее давление впрыска для определенного диаметра шнека, но требует более тщательной очистки гидравлического масла.
     Для повышения точности и надежности работы литьевой машины в гидросистеме должен быть предусмотрен контроль температуры масла (в диапазоне 40 - 50 ^оС), контроль уровня масла. Для повышения стабильности работы применяется также автоматическая очистка масла.   
 

Контроль и устранение статического электричества

     При малых циклах литья и соответственно высоких скоростях операций с полимерным сырьем и готовыми отливками необходимо предпринимать меры к устранению статического электричества, которое накапливается на отливках, рабочих частях литьевой машины и другого оборудования. 

  
Обеспечение безопасности при использовании роботов-съемщиков

     Для съема изделий при малых циклах литья часто применяются роботы. Использование робота, например, позволяет в ряде случаев существенно уменьшить ход и соответственно время раскрытия-закрытия пресс-формы. При использовании роботов, особенно в случае малых циклов, необходимо обеспечивать защиту персонала от попадания в зону действия робота, поражения осколками отливок, которые могут пролетать большие расстояния. Защитные средства включают прозрачные ограждения рабочей зоны, индивидуальные средства защиты (очки, защитные шапочки и др.).

      
Требования к пресс-форме для тонкостенного литья

     При тонкостенном литье должна быть обеспечена высокая надежность работы всех систем пресс-формы. 
     Высокие требования к пресс-формам для тонкостенного литья приводят к ее удорожанию на 30 - 40% и более по сравнению с обычным литьем /2/. Более высокая стоимость пресс-формы окупается за счет меньшего веса изделия и большей производительности процесса.
  

Горячеканальное литье

     Применение холодноканальных литников при тонкостенном литье неэффективно из-за большого времени охлаждения литников и значительных потерь давления расплава в литниковой системе. По этой причине для литья тонкостенных изделий используют горячеканальные литниковые системы. Крайне редко и только для термически стабильных материалов применяют системы с незастывающими литниками (формы с предкамерой), которые имеют меньшую стоимость, но ненадежны в работе.
   

Система охлаждения пресс-формы

     Особое значение при тонкостенном литье имеет конструкция системы охлаждения пресс-формы (для обеспечения стабильности процесса охлаждение пресс-формы для литья тонкостенных изделий должно осуществляться с помощью специального термостата).
     При малых временах цикла в пресс-форму от расплава поступает очень большое количество тепла. Поэтому при тонкостенном литье отвод тепла от изделия должен быть намного более интенсивным. Для тонкостенного литья характерно увеличение разницы между средней температурой формующей поверхности и температурой охлаждающей жидкости, которая может достигать 15 - 20 ^оС. Для эффективного охлаждения течение охлаждающей жидкости должно быть турбулентным, и разница температур охлаждающей жидкости на выходе и входе в пресс-форму не должна превышать 3 - 5 ^оС (охлаждающая жидкость разогревается при течении в контуре охлаждения).
     Еще одним требованием является равномерность охлаждения изделия. Неравномерное охлаждение приводит к резкому изменению характера течения расплава и является причиной многих дефектов (коробление, воздушные ловушки, нестабильность размеров при хранении и эксплуатации изделия и т.д.). 
     Часто необходимы различные условия охлаждения матрицы и пуансона (обычно необходим больший отвод тепла от пуансона ). В этом случае используют два независимых контура охлаждения (термостат с двумя баками или два термостата) или обеспечивают регулировку скорости подачи охлаждающей жидкости, что менее эффективно.
     Особые проблемы при тонкостенном литье могут вызвать так называемые "горячие пятна" - участки формообразующей поверхности с повышенной температурой. "Горячие пятна" возникают из-за затрудненного отвода тепла от некоторых областей изделия. Причиной этого может быть большое расстояние до канала охлаждения (превышающее 3 диаметра канала), а также конструктивные особенности изделия (наличие ребер и др.). Например, очень трудно отвести тепло от внутренних углов изделий. Для обеспечения отвода тепла от таких участков используют теплопроводные вставки (из бериллиевой бронзы или специальных медных сплавов). Для охлаждения тонких длинных знаков применяют тепловые трубки (heat pipe).

  
Центрирование, вентиляция

     Особое внимание должно быть уделено центрированию формообразующих элементов. Смещение пуансона на 0.01 мм может привести к резкому изменению характера течения полимера при впрыске. 
     Высокая скорость впрыска требует хорошей вентиляции оформляющей полости. При сверхтонком литье часто проводят ваккуумирование литьевой полости.

   
Материалы пресс-формы

     Высокие давление и скорость впрыска накладывают особые требования к материалам пресс-формы. При литье тонкостенных изделий рекомендуется применять более износостойкие и прочные стали /13/.

   
Требования к материалу изделия для тонкостенного литья

Текучесть

     Высокая текучесть - одно из обязательных свойств материала для тонкостенного литья /3/. Выпускаемый в настоящее время марочный ассортимент термопластов включает достаточное количество материалов с низкой вязкостью различного применения: материалы для литья тонкостенных изделий могут иметь показатель текучести расплава до 100 - 150 г/10 мин.
     Необходимо учитывать, однако, что во многих случаях повышение текучести материала сопровождается уменьшением основных механических характеристик.
  

Стабильность

     При толщинах стенки меньше 1 мм "окно переработки" становится очень узким. Это накладывает жесткие требования к стабильности характеристик материала, в первую очередь реологических. Специальные методы синтеза позволяют получить материалы с более узким молекулярно-массовым распределением, которые часто называют материалами с контролируемой реологией (controlled rheology). 
  

Скорость кристаллизации. Материалы с "быстрым циклом"

     Уменьшение времени цикла литья ограничено теплофизическими характеристиками полимера, а для кристаллизующихся материалов - также скоростью кристаллизации. 
     Полимеры, разработанные специально для тонкостенного литья, характеризуются как материалы с "быстрым циклом" (fast cycle, high cycle).
     Для полипропилена, например, уменьшение цикла литья достигается при использовании нуклеатора (структурообразователя). Введение нуклеатора обеспечивает увеличение числа центров кристаллизации, что повышает скорость кристаллизации и увеличивает температуру кристаллизации на 4 - 13 ^оС (в зависимости от типа нуклеатора) /16/. 

  
Механические свойства

     Как отмечалось выше, тонкостенные изделия склонны к короблению из-за малой жесткости изделия. Жесткость изделия можно повысить при использовании материала с высоким модулем упругости. Введение нуклеатора повышает модуль упругости полимера.

Литература

1. Alvarez R.T., Guterriez J., MacRusselburg. High-speed injection molding of thin-wall polycarbonate tubes // Med. Plast. Biomat. Mag. 1997. July.
2. Beall G. By Design: Making more with less // Inj. Mold. Mag. 1998. Aug. 
3. Beall G. By design: Designing thinner parts // Inj. Mold. Mag. 1998. Oct.
4. Bichler M. Selection and evaluation of process parameters for quality control // Plast. Eur. 1994. Oct.
5. C-Mold design guide: A resource for plastics engineers. AC Technology, 1998.
6. Electric injection unit brings super-high speed // Plast. Technol. 2005. Dec.
7. Erlenkaemper E., Kaminski A., Shueltz U. W., Shu P. New developments with Bayer termoplastics for electro/electronic conponents and business machines // KU 46.309 e. Bayer AG, 1995. 11 p.
8. EUROMAP 6. Injection moulding machines. Determination of the duration of the dry cycle // Technical Committee of EUROMAP. 1994.
9. Fassett J, Thin-wall molding: Differences in processing over standard injection molding // SPE ANTEC Techn. Papers. 1995. V. 41. P. 430­433.
10. How to buy an injection moulding machine. Tat Ming Engineering Works Ltd., 1999.
11. Injection duel: Who has the fastest shot // Mod. Plast. Int. 1993. Jan. P. 12.
12. Injection moulding of thin wall articles. Tat Ming Engineering Works Ltd., 1999.
13. Losch K. Thinwall moulding: demanding but rewarding // Mod. Plast. Int. 1997. Oct. P. 73-75.
14. Miniature connectors made from Vectra (LCP). B 237/D/E 9107. Hoechst AG, 1991.
15. New options boost speed of two-platen press // Plast. Technol. 2005. № 12.
16. Polypropylene for thin wall packaging. Borealis A/S, 2001. 16 p.
17. Thin wall: Technical guide for electronic applications. General Electric Co., 1995. 35 p.
18. Tremblay G. Thin-wall molding // Plast. Technol. 1998. Apr. P. 76-79.
19. Vectra. Liquid crystal polymers (LCP). B 241 BR E 9066 / 014. Hoechst AG. 1996.
20. Информация компании Nissei Plastic Industrial Co. Ltd. 2003.
21. Информация компании Toray Industries.
22. Alcryn melt processible rubber. Injection molding guide. Advanced Polymer Alloys (a division of Ferro Corporation), 2001.

Перепечатка публикаций сайта допускается только с 
разрешения авторов