Литье газонаполненных полимеров

Литье газонаполненных полимеров

Описание технологии

Литье с газом дает расширенные возможности конструктору изделия по сравнению с обычным литьем под давлением. В частности эта технология позволяет получать изделия, которые трудно или невозможно получить обычным литьем: толстостенные и полые изделия, а также изделия с большой разнотолщинностью (рис. 1).

Рис. 1. Тележка, изготовленная методом литья под давлением.

Все технические решения в этой области подпадают под действие патентов. Сейчас основными патентами обладают фирмы Cinpres Gas Injection (Великобритания), Bauer Compressors (США), Melea (Гибралтар)/GAIN Technology (США), Battenfeld (Германия), Epcon Gas Systems (США), Uniloy Milacron (США) и др.

При литье с газом уплотнение полимера происходит за счет давления газа непосредственно на область изделия или вблизи этой области, поэтому процесс проходит легче, чем в обычном литье под давлением. Данная технология позволяет получить изделия с хорошим качеством поверхности, без утяжек и коробления, с минимальным уровнем остаточных напряжений, т.е. с высокой стабильностью размеров.

Большинство вариантов литья с газом относится к технологии литья при низком давлении, т.к. заполнение полости полимером не требует высокого давления из-за большой толщины так называемых газовых каналов - утолщений, внутри которых движется газ. Типичное давление газа находится в пределах 50 - 200 атм., тогда как при обычном литье выдержка под давлением проводится в материальном цилиндре литьевой машины при 300 - 800 атм. Использование малого давления значительно снижает требования к пресс-форме.

В качестве газа обычно применяется азот, который имеет низкую цену, инертен и доступен. Перед окончанием цикла литья азот откачивают из изделия и используют в следующих циклах. В некоторых вариантах технологии вместо азота используют сжатый воздух. Однако кислород, содержащийся в сжатом воздухе может взаимодействовать с расплавом ряда полимеров.

Для литья с газом применяются обычные литьевые машины, и это является одной из причин популярности этой технологии. Одно из преимуществ - возможность использования литьевых машин с существенно меньшим усилием замыкания, что дает большой экономический эффект при литье крупногабаритных изделий.

Чаще всего при таком литье не используются горячеканальные литниковые системы (исключением может являться литье с газом тонкостенных изделий), т.к. потери давления при впрыске полимера в изделиях с газовыми каналами небольшие. Это существенно снижает стоимость пресс-формы. Если все-таки горячеканальное литье применяется, впуски полимера и газа должны производиться в разные части изделия и горячеканальные сопла должны иметь запорный клапан. Также предпочтительно применение одноместных пресс-форм, т.к. использование нескольких гнезд нередко ведет к повышению нестабильности процесса.

Данная технология используется для изготовления деталей из ПЭВП, ПП, ПС общего назначения, ударопрочного ПС,АБС, смеси АБС и поликарбоната, смеси АБС и полиамида, поливинилхлорида, полиамидов, полибутилентерефталата, полиэтилентерефталата, поликарбоната, полиацеталей, полифениленоксида, синдиотактического полистирола, термопластичных полиуретанов, полиэфирсульфона, полиэфиримида, ароматических полиэфиркетонов и др. материалов.

Методы литья с подачей газа в расплав полимера эффективны для получения

  •  толстостенных и полых изделий (разнообразные ручки, клюшки для гольфа, вешалки для одежды, подлокотники офисных кресел и т.д.);
  •  крупногабаритных изделий (автомобильные бамперы и панели приборов, корпусные детали телевизоров, мониторов, компьютеров, медицинского оборудования, оргтехники, бытовой техники, пластмассовая мебель, панели, тара, и т.д.) (рис. 2);
  •  небольших деталей с высокими требованиями к качеству наружной поверхности, содержащиех утолщения, ребра, бобышки.


Рис. 2. Изделия, полученные по технологии литья с газом.


Литье с газом применяют и для получения тонкостенных корпусных изделий (корпуса мобильных телефонов и т.д.) с основной толщиной до 0.75 мм.
Во многих случаях способ литья с газом позволяет уменьшить время цикла, в первую очередь это относится к толстостенным деталям. Однако, время охлаждения изделия определяется в первую очередь максимальной толщиной полимера. Если, например, в газовых каналах остаются участки, в которые газ не проходит, это ведет к значительному увеличению времени цикла.

Технологии литья с подачей газа в расплав полимера имеют ряд недостатков. Один из них - неравномерная толщина стенки полимера. Наибольшая неравномерность толщины наблюдается на поворотах газовых каналов и при подаче газа в литьевую полость вблизи газовой иглы.
По сравнению с обычным литьем процесс литья с газом накладывает большие требования к стабильности характеристик материала изделия, работы литьевой машины, термостатированию пресс-формы.

Впуск газа может осуществляться в сопло литьевой машины, в холодноканальную литниковую систему (в разводящий или центральный литник) или непосредственно в полость формы.

Объем газовых каналов должен быть таким, чтобы 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. Газовые каналы должны заканчиваться рядом с теми областями изделия, которые заполняются полимером в последнюю очередь.

Идеальным считается круглое сечение газового канала. Сложно получить качественные изделия с газовыми каналами прямоугольного сечения.
Впрыск 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. Впрыск обычно производят с нелицевой стороны, т.к. в этом месте образуется отверстие. Нередко используются несколько впусков газа в изделие, но их количество должно быть минимальным.

Для каждого впуска часто требуется отдельная газовая линия. 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.
Существует несколько разновидностей технологии литья с подачей газа в расплав полимера.

Литье с полным впрыском.
В данном варианте литьевая полость заполняется расплавом на 100%, после чего подается газ. Давление газа "компенсирует" усадку полимера при охлаждении, прижимая полимер к формующим поверхностям.
При этом основная часть изделия уплотняется, как и в обычном процессе литья под давлением, за счет давления полимера. Газ создает дополнительное давление в проблемных областях с повышенной объемной усадкой и обеспечивает хорошее качество поверхности изделия (рис. 3).


Рис. 3. Схема литья с полным впрыском (по материалам компании Engel):
1 - пластикация полимерного материала; 2 - впрыск расплава в форму; 3 - подача газа; 4 - готовое изделие.

Литье с неполным впрыском полимера. При литье с неполным впрыском (рис. 4) в пресс-форму подается расплав полимера, но после заполнения изделия на 50 - 70% для толстостенных и 90 - 95% для крупногабаритных деталей впрыск полимера прекращается, и в полость формы подается газ. Газ вытесняет расплав полимера из горячих внутренних областей полости в незаполненные участки, обеспечивая полное оформление и уплотнение изделия.



Рис.4. Схема процесса литья с газом при неполном впрыске полимера

К моменту подачи газа на поверхности отливки формируется корка из застывшего полимера, которая препятствует выходу газа наружу, но в определенных условиях газ может прорвать фронт потока расплава и выйти наружу - это приводит к дефекту поверхности изделия. Кроме того резкое понижение давления газа ухудшает уплотнение полимера.

Одной из проблем в данном процессе является след на изделии на линии остановки полимера. Эта проблема может быть введением дополнительной области - прибыли. Расплав полимера из внутренних областей изделия вытесняется газом в прибыль. Между изделием и прибылью устанавливают запорный клапан, который сначала находится в закрытом состоянии. Прибыль открывается после заполнения изделия, но перед подачей газа.

Литье с полным впрыском с вытеснением расплава полимера в материальный цилиндр литьевой машины.
Еще одним вариантом технологии литья с газом является процесс с полным заполнением изделия расплавом, при котором подача газа производится в противоположную от впрыска полимера часть изделия. Газ вытесняет расплав полимера из внутренних областей изделия в материальный цилиндр литьевой машины. При этом газ не должен попасть в цилиндр литьевой машины.
Литье со смещением знаков. В процессе литья с газом со смещением знака после впрыска полимера открывается дополнительная полость за счет смещения подвижного знака пресс-формы. Эта полость заполняется полимерным материалом, под действием давления газа. Данный процесс применяется главным образом для изготовления отливок небольшой толщины с небольшими по объему толстостенными полостями.

Литье с охлаждением газа. В технологии разработанной компанией Warwick Manufacturing Technology, азот перед подачей в полость формы охлаждают жидким азотом. Это позволяет уменьшить время охлаждения изделия на 10-40%. Разработан вариант технологии, обеспечивающий поток охлажденного газа через полость, позволяющий уменьшить время цикла на 60%. Однако данный вариант требует больших затрат.
Литье с введением сжатого воздуха в литьевую полость. В данном процессе после заполнения полости расплавом полимера, через специальные иглы в литьевую полость вводится один или несколько "пузырьков" сжатого воздуха диаметром 1 - 2 мм. По мере уменьшения давления расплава при остывании отливки сжатый воздух расширяется, прижимая полимер к стенкам формы и образуя внутреннюю полость. Данная технология может использоваться для литья технически сложных деталей, например, корпусов телевизоров.

Литье с внешним давлением газа. В этой технологии процесс проводится как в обычном литье под давлением с той лишь разницей, что после впрыска полимера в полость формы подается газ между обратной (нелицевой) стороной изделия и стенкой формы, что 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.
Литье с внешним давлением газа применяется главным образом для плоских изделий небольшой толщины, имеющих ребра с обратной стороны, или изделий с плоскими поверхностями. Так как потери давления при впрыске в этом случае достаточно высоки, здесь может использоваться горячеканальное литье.

Литье со вспениванием

В результате применения технологии литья со вспениванием (Structural Foam Molding) получают изделия, имеющие так называемую интегральную структуру: плотную оболочку и вспененную сердцевину. Это дает возможность получать крупногабаритные изделия без утяжин и деформаций, с высокой размерной точностью и относительно малым весом.
Изделия с пенистой внутренней структурой изготовлены с помощью физических (например, азота) или химических порообразователей.

Литье под давлением со вспениванием обладаетследующими преимуществами:

 

  •  можно изготавливать сложные толстостенные изделия без усадочных утяжек и с низким уровнем внутренних напряжений, следовательно, мало склонных к короблению и другим видам деформации;
  • величина усилия смыкания литьевых форм намного ниже, чем у обычных процессов литья под давлением;
  • низкое давление в формующей полости и меньшие усилия смыкания формы позволяют изготавливать формообразующие детали и литьевую форму из алюминия или «мягкой» стали, получать крупногабаритные изделия с большой поверхностью в плоскости разъема формы.

Перечисленные преимущества делают литье под давлением со вспениванием высокоэкономичным, энерго- и материалосберегающим процессом; он достаточно широко распространен для изготовления таких изделий, как корпуса кассовых аппаратов и компьютеров, большие бункеры-магазины, поддоны и другие крупные изделия, для которых главным эксплуатационным требованием является высокая прочность и жесткость, значительное сопротивление изгибу. Пористая структура сердцевины существенно, по сравнению с монолитным изделием, улучшает тепло- и звукоизоляционные характеристики изделия.

Основным недостатком литья под давлением со вспениванием является возникновение вихревой структуры поверхности изделия.
Для улучшения внешнего вида поверхности и ее качества приходится выполнять дополнительную обработку, что приводит к существенному повышению стоимости изделия.
Также из-за уменьшения теплопроводности, связанного с наличием пористой структуры, время охлаждения таких изделий больше, чем изделий из сплошного материала. Если изделие было извлечено из литьевой формы преждевременно, то внутреннее давление газа будет приводить к образованию пузырьков на поверхности, особенно на участках с толстыми стенками.

Наконец, механические свойства вспененный изделий могут быть существенно ниже, чем у обычных, даже несмотря на большую прочность на единицу веса.
Среди различных материалов, используемых в технологии литья под давлением со вспениванием преобладают ПЭВП и ПЭНП благодаря своей низкой стоимости, отсутствию сложностей при переработке, химической стойкости и высокой ударной вязкости при низких температурах. ПП тоже является оптимальным материалам из-за повышенной жесткости и химической стойкости, а его смеси с армирующим наполнителем обладают повышенной термостойкостью. ПС с высокой ударной вязкостью и модифицированный полифенилен, модифицированный полифениленоксид и ПК используются в производстве изделий, для которых требуются высокие эксплуатационные характеристики.

Важной задачей при литье вспененно-наполненных полимеров является выбор давления литья и объема впрыска. Давление литья выбирают так, чтобы исключить возможность достижения области нерегулярного течения.
Вспенивание полимерного материала осуществляется за счет газа (обычно это азот), растворенного в расплаве перед впрыском или генерируемого химическим порообразователем, который находится в смеси с полимером. Химический порообразователь должен имееть температуру разложения, очень близкую к температуре переработки основного материала термопласта. В определенный момент он разлагается, выделяя большое количества газа (двуокись углерода, азот), и происходит вспенивание с образованием необходимого количества пористого материала. В специальных случаях вместо химического порообразователя используют физические порообразователи или сжатый газ.

Термопласт, образующий пористую структуру, может содержать и другие добавки, например, тонкодиспергированные неорганические порошки, и некоторые добавляются в качестве центров кристаллизации для обеспечения равномерного формирования пористой структуры.
Различают несколько вариантов технологии литья со вспениванием, но чаще всего используют вспенивание с литьем при низком давлении.

Литье под низким давлением со вспениванием. Этот процесс начинается с пластикации системы «термопласт - химический порообразователь» в материальном цилиндре машины. В ходе пластикации химический порообразователь разлагается, выделяя газ, большая часть которого на этой стадии остается в растворенном состоянии под давлением. Затем осуществляется короткий впрыск в формующую полость. Продолжительность короткого впрыска обычно на 10-35 % короче нормального и зависит от глубины формующей полости и требований к плотности материала изделия после образования пористой структуры. В конце стадии впрыска образуется плотный поверхностный слой, поскольку пузырьки газа вблизи поверхности формы разрушаются под воздействием механических сил сжатия.
Далее газы продолжают перемещаться, заставляя впрыснутую дозу расплава заполнять удаленные зоны полости и одновременно вспениваться, создавая пористую структуру.
Таким образом, завершается этап заполнения формующей полости, которая хорошо вентилируется. Давление газа продолжает равномерно действовать во всех направлениях, в том числе на слои, прилегающие к формующей поверхности формы, которые в таких условиях способствуют эффективному устранению утяжин на поверхности изделия.
К моменту выталкивания изделие должно иметь температуру, при которой приобретается достаточная жесткость, чтобы без деформации выдерживать усилия, возникающие при выталкивании, и сопротивляться внутреннему давлению газа.
Литье под низким давлением со вспениванием может осуществляться на стандартном оборудовании для литья под давлением или на специальных машинах.

Инжекционно-газовое литье

Основная идея, на которой основан метод инжекционно-газового литья (ИГЛ) - введение газообразной технологической среды (инертный газ, например, азот) в гнездо литьевой формы сразу после подачи в него расплава. Вытесняемый полимерный материал продолжает свой ход по путям течения и заполняет полости, до сих пор заполненные лишь частично. Литьевые машины для этого метода сконструированы в расчете на изготовление изделий с оптимальным качеством поверхности и простоту обслуживания самой установки.
Для ИГЛ решающую роль играет разделение газа и расплава на этапах заполнения. Эта задача решается с помощью мундштука особой конструкции. Он имеет механически управляемый игольчатый затвор, который может быть использован как в процессе ввода и рециркуляции газа, так и при обычном литье под давлением.
При изготовлении тонкостенных изделий газ в каналы вводится направленно. Это позволяет добиться изготовления плоских изделий с низким внутренним напряжением и со значительным соотношением толщины стенок к пути течения.


Источник журнал « Полимерные материалы, изделия, оборудование, технологии» http://www.polymerbranch.com