Многокомпонентное литье

Многокомпонентное литье является универсальной технологией литья под давлением, популярность которой все время растет. Она обеспечивает большие возможности при конструировании и экономичном изготовлении многоцветных или многофункциональных устройств, применяется при создании изделий с многоцветными узорами, при изготовлении конструктивно сложных изделий, состоящих из нескольких различных полимерных материалов (рис. 1), при литьевой сборке изделий с подвижным и неразъемным соединением отдельных деталей.



Рис. 1. Примеры изделий, полученных методом многокомпонентного литья.


Технология многокомпонентного литья предлагает новые возможности, которые позволяют комбинировать несколько термопластов внутри литьевой формы, что приводит к устранению необходимости следующей сборки изделия и снижению общих затрат на производство. Например, проблему износа компьютерных клавиш с нанесенными символами можно преодолеть с помощью многокомпонентных решений, смысл которых заключается в том, что символы выполняются из другого или из того же материала, но отличающегося по цвету, и впрыскиваются непосредственно в корпус клавиши. В автомобильной промышленности часто используются комбинации из полиамида (РА) и термопластичного эластомера (ТРЕ), имеющие своей целью исключение дорогостоящих и сложных этапов сборки.
Инструменты и установки для решений многокомпонентного литья являются более сложными, нежели те, которые используются для литья однокомпонентных деталей. Однако экономия затрат, достигнутая за счет упрочнения конструктивных элементов или минимизации расходов на сборку, делают эту технологию рентабельной.

Более того, возможность изготовления многокомпонентных изделий на одной машине устраняет необходимость перемещения деталей при выполнении разных технологических процессов, а это приводит к экономии на перемещении, устранению потерь во время сборки и экономии производственных площадей.
К недостаткам процесса следует отнести необходимость дополнительных вложений для использования более сложных литьевых форм и узлов впрыска, а также необходимость приобретения специальной системы управления. Однако следует заметить, что стоимость оборудования для многокомпонентного литья снижается в результате того, что производители машин делают литьевые машины модульными.

Задачей многокомпонентного литья является автоматическое производство изделий из более, чем одного полимерного компонента в рамках одного рабочего цикла. В данном процессе каждый цвет или компонент четко разграничен друг от друга; последующий компонент впрыскивается поверх предыдущего. Многоцветное литьё может предусматривать два, три или четыре компонента. При этом значительно увеличивается сложность конструкции пресс-формы. Для сложных конфигураций стыковки компонентов часто используют пресс-формы с поворотными модулями.

В процессе многокомпонентного литья под давлением происходит впрыск расплава разных полимеров на разных стадиях процесса с использованием различных матриц, пуансонов или формующих полостей различной геометрической формы. Фактически сначала отливается пластмассовая вставка, которая затем перемещается в другую формующую полость, в которой ее заливают другим полимером. В литьевых формах происходит своеобразная сварка: вторая часть — из другого термопласта – «наплавляется» на первый после того, как форма или какое-то из изделий произведет необходимое перемещение. Форма второй полости определяется формами вставки и конечного изделия. Соединение двух различных материалов может быть осуществлено за счет механического сцепления, термического или химического сваривания.

К настоящему времени разработаны и успешно в промышленных масштабах применяются несколько способов литья под давлением многокомпонентных изделий различного назначения. Реализация любого из таких способов требует специально сконструированных литьевых машин с двумя или более узлам впрыска. Каждый из этих узлов пластицирует и впрыскивает один из компонентов, например, термопласты различных цветов, марок и т. п.

Различают следующие варианты технологий многокомпонентного литья в зависимости от применяемых оборудования и оснастки:

  1.  Технология перемещения заготовки переносом – предварительно изготовленная в оформляющей полости одной литьевой формы заготовка вручную или с помощью робота переносится в другую оформляющую полость этой же литьевой формы или передается на другие ТПА и форму.
  2. Технология перемещения заготовки поворотом – перемещение предварительно отлитой заготовки в литьевой форме за счет поворота блока формы вокруг горизонтальной или вертикальной оси.
  3. Технология совмещенного литья двух компонентов – одновременная или со сдвигом во времени подача расплавов двух компонентов в одну и ту же полость литьевой формы.
  4. Технология последовательного литья – последовательная подача расплавов двух компонентов в оформляющую полость литьевой формы. Для второго компонента внутри полости формы освобождается дополнительное пространство путем удаления специальной заслонки или знака.
  5. Технология многослойного литья изготовление многослойных изделий (чаще трехслойных изделий из двух различных ПМ), имеющих структуру «ядро–оболочка».
  6. В технологии переноса заготовки сначала отливается вставка, которая затем устанавливается во вторую литьевую форму, где заливается вторым полимером (рис. 2).

Однако к недостатку данной технологии относится включение дополнительных операций по перемещению и установке вставки во вторую литьевую форму. Тем не менее операции по установке и извлечению вставки, а также литьевое оборудование могут быть оптимизированы за счет использования управляемых роботизированных или автоматизированных комплексов.


Рис. 2. Схема двухкомпонентного литья изделий в одной литьевой форме с переносом заготовки:
а – одновременное литье первого и второго компонентов в оформляющие полости; б – перенос заготовки в оформляющую полость и удаление готового изделия;
1, 2 – оформляющие полости; 3 – литник; 4 – робот; 5 – заготовка; 6 – готовое изделие (источник: Demag).
Часто используемым вариантом многокомпонетного литья является технология перемещения заготовки поворотом. После того как вставка отлита, гидравлический или электрический сервопривод поворачивает матрицу и изделие на 180 градусов (или на 120 градусов для изделия из трех материалов) для нового впрыска (рис. 3). Это наиболее быстрый и наиболее часто используемый способ, потому что две или три детали могут быть изготовлены в течение одного цикла.


Рис. 3. Схема двухкомпонентного литья в форме, установленной на вращающемся столе, встроенном в ТПА:
а – 1-я позиция; б – поворот во 2-ю позицию;
1 – поворотный стол; 2 – форма; 3 – заготовка; 4 – литники; 5 – готовое двухкомпонентное изделие (источник: Demag).
Технология последовательного литья заключается в автоматическом расширении формующей полости за счет подвижных пуансонов в момент, когда вставка находится в литьевой форме. Если быть более точным, то пуансон смещается (отходит) во время затвердевания вставки, чтобы создать свободное пространство для впрыска другого материала в ту же формующую полость (рис. 4). Литье в многокомпонентные формы (Multi-component injection molding) позволяет получать изделия с четким разделением цветов, а также детали гибридной конструкции, в которых из каждого полимерного материала исполнена центральная или периферийная часть. В этом случае инжекционные узлы выполняют традиционные функции, а конструкция детали определяется устройством литьевой формы.

 


 


Рис. 4. Схема последовательного двухкомпонентного литья: а – впрыск 1-го компонента; б – впрыск 2-го компонента;
1 – форма; 2 – разделительный элемент; 3 – литники; 4 – готовое изделиес четкой разграничительной линией между двумя компонентами (источник: Demag).

Для литья двухцветных изделий применяют червячные и поршневые литьевые машины. При этом возможны две схемы работы машины. Одна схема предусматривает возможность частичного или значительного смешения термопластичных материалов различного цвета, поскольку эти материалы одновременно или последовательно впрыскиваются в одну общую форму из одного или двух инжекционных цилиндров. Другая схема предусматривает четкое разделение материалов различной окраски. При этом материалы различного цвета поочередно впрыскиваются в форму ограниченного объема, где отливается первая часть изделия, а затем в форму увеличенного объема, где отливается вторая часть изделия и сваривается с ранее отлитой частью.

Выбор материалов для технологии многокомпонентного литья играет решающую роль. Необходимо провести тщательный анализ для определения их совместимости, химической устойчивости и износоустойчивости, а также возможности эксплуатации в условиях окружающей среды и соответствия другим специальным требованиям.

Вязкость расплавов и значения усадки должны быть близкими. Различные комбинации материалов приводят к широкому диапазону прочности сцепления базового материала с наплавленным на него другим полимером. Можно добиваться сцепления от нулевого уровня до прочности химической связи, когда материалы взаимодействуют на молекулярном уровне и создают сверхпрочное сцепление, которое характеризуется продолжительным сроком службы в условиях агрессивной химической или окружающей среды. Поскольку многокомпонентное литье включает в себя сцепление различных материалов в одном комплексном изделии, то прочность сцепления материалов играет важную роль. К факторам, которые влияют на прочность сцепления, относятся совместимость, температура технологического процесса, площадь контактных поверхностей, текстура, последовательность выполнения впрысков и конструкция деталей при их механическом сцеплении.

По технологии многокомпонентного литья можно производить изделия сложной формы с широким диапазоном применения — от электрических и потребительских товаров до различных специальных отраслей промышленности. Например, в автомобильной промышленности этим методам производят корпуса замков, вентиляционные решетки, разъемы для подушек безопасности, уплотнения дверей, линзы автомобильных фар и т.д.

В последнее время получило широкое распространение двухкомпонентное литье, которое заключается в последовательном и/или одновременном впрыске двух различных, но совместимых материалов — поверхностного и базового — в одну формующую полость литьевой формы. В результате получаются слоистые изделия, имеющие структуру типа «сэндвич», где базовый материал находится между слоями поверхностного. Технология обеспечивает универсальность за счет оптимального использования свойств каждого из материалов. Это позволяет снизить стоимость сырья, давление впрыска, усилие смыкания литьевой формы, а также остаточные напряжения в готовом изделии. Кроме того, она позволяет достигнуть желаемого изменения свойств отливки и/или нужных технических эффектов.

Типичный процесс многокомпонентного литья под давлением начинается с впрыска более прочного компонента, из которого образуется наружный слой изделия. Сразу после начала впрыска этого компонента начинается впрыск другого, в том числе и вспенивающего компонента, - для заполнения центральной зоны, а затем продолжается впрыск совместно обоих компонентов. В определенный момент подача первого (для наружного слоя изделия) прекращается, а впрыск второго компонента продолжается до завершения стадии заполнения формующей полости (рис. 5). Слоеная структура отливки создается в процессе заполнения формующей полости за счет того, что разные расплавы пластицируются в разных узлах впрыска, проходят через разные системы впрыска, и поступающие в формующую полость потоки являются ламинарными. Это предотвращает смешение различных потоков - слоев и приводит к тому, что один материал становится как бы упакованным в другой с заранее рассчитанным и воспроизводимым соотношением толщин поверхностный слой/ центральная зона.



Рис. 5. Схема основных стадий многокомпонентного литья под давлением:
а – на начальной стадии заполнения формующей полости осуществляется впрыск термопласта для образования поверхностного слоя изделия; b – на промежуточной стадии впрыска термопласт, предназначенный для заполнения центральной зоны изделия, поступает в центр формующей полости; с - после завершения впрыска термопласта для центральной зоны (когда она уже почти заполнена) неповрежденный поверхностный слой равномерно покрывает массу, находящуюся в центральной зоне; d – после завершения впрыска термопласта для центральной зоны изделия, клапан возвращается в исходное положение, очищается и подготавливается к следующему циклу.

Литьевые формы, предназначенные для многокомпонентного литья, сконструированы также, как и для обычного литья под давлением. Отличия от обычных литьевых форм состоят в размещении литника и его типе. В большинстве случаев следует стремиться к равномерному распределению сердцевинных компонентов до завершения пути течения. В значительной степени на этот фактор может повлиять расположение литника.
При выборе места расположения литника следует принимать во внимание, что сначала впрыскивается определенное количество оболочного материала, и что после этого оболочный и сердцевинный материал впрыскиваются одновременно. В принципе можно использовать большинство типов литниковых каналов, однако часто возникает необходимость изменения их геометрических параметров. Допустимыми вариантами являются стержневой, щелевой, точечный и тоннельный литниковые каналы, но использование для многокомпонентного литья под давлением обычной горячеканальной литниковой системы невозможно, поскольку в этом случае в нагреваемом канале смешался бы оболочный и сердцевинный материалы.

Сэндвич-литьем производят весла для каноэ, сиденья и бачки для туалетов, корпуса компьютеров, крышки для кассовых аппаратов, корпуса для аудио- и видеоаппаратуры, кожухи для электронных и электрических схем, садовые стулья, коробки и контейнеры, обувь и подошвы для нее, ручки для малярных кистей, тонкостенные контейнеры и бутылки для напитков, автомобильные аксессуары (корпуса для наружных зеркал, ручки и кнопки внутри салона), отдельные элементы микроволновых печей и многое другое.

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