3.2.2 Литье при низком давлении
Одной из разновидностей литья под давлением термопластичных материалов является т.н. литье при низком давлении [30]. Литье при низком давлении применяется для изготовления крупногабаритных изделий (столешницы, двери, различные панели, подставки и пр.), а также изделий с декоративной поверхностью, получаемых методом литья на подложку (ткань, кожу, пленку). В зарубежной литературе для последнего процесса обычно используют термины "In-mold decoration" (IMD) или "In-mold lamination". Методом литья на подложку изготавливают мебель (сиделья стульев и кресел), чемоданы и дипломаты, крупногабаритные детали салона автомобилей и т.д.
Особенностью литья на подложку является невозможность применения высоких скоростей впрыска, характерных для обычного литья под давлением, т.к. при высокой скорости впрыска происходит смещение и смятие подложки. При малых скоростях впрыска резко уменьшаются потери давления: давление впрыска в этом процессе обычно не превышает 10 МПа.
Хотя время впрыска в данном процессе удлиняется в 3-4 раза по сравнению с обычным литьем, общее время цикла остается на том же уровне из-за того, что практически отсутствует стадия выдержки под давлением и уменьшается время выдержки на охлаждение. Изделие можно извлекать из пресс-формы при более высокой температуре. Изделия, полученные литьем при низком давлении, отличаются низким уровнем остаточных напряжений и малым короблением [44, 45].
Малая скорость впрыска и низкое давление выдвигают особые требования к материалу и конструкции изделия, пресс-форме и литьевому оборудованию.
Требования к материалу изделия
Для литья на подложку обычно используют материалы с невысокой температурой переработки, такие как полипропилен, АБС-пластики и смеси на их основе [45].
Процесс требует применения материалов с высокой текучестью. Хотя подложка является хорошим изолятором и изделие охлаждается только с одной стороны, при низкой скорости впрыска диссипативное тепловыделение крайне мало - расплав быстро охлаждается.
Выбор материала и определение толщины изделия, необходимой для 100% заполнения, может быть выполнен с высокой точностью в программном продукте Flow. Для учета влияния подложки на процесс литья необходимо также использовать анализ охлаждения пресс-формы Cool (в этом программном продукте предусмотрен специальный анализ литья на подложку).
Требования к пресс-форме
Использование низких давлений и малых скоростей резко уменьшает требования к механической прочности деталей пресс-формы, что позволяет существенно уменьшить толщину плит и вес пресс-формы по сравнению с обычным литьем. Пресс-форма может изготавливаться из недорогих, легко обрабатываемых материалов.
В то же время в данном процессе используется горячеканальная литниковая система. Одной из особенностей литья при низком давлении является малая прочность и низкое качество линий спая. В области спаев наблюдаются дефекты на декоративной подложке. Поэтому для предотвращения появления линий спая в литье при низком давлении применяется особая технология "последовательных впусков". В этой технологии используются запирающиеся горячеканальные сопла. Начальное состояние всех сопел, кроме одного - закрытое. Сопло открывается только в тот момент, когда до него доходит фронт расплава. Оптимальное положение впусков, а также моменты открытия/закрытия могут быть определены на этапе конструирования изделия/пресс-формы в программном продукте Flow.
Литьевые машины для литья при низком давлении
Отсутствие высоких давлений и скоростей значительно упрощает все узлы литьевой машины. В 3-4 раза снижается усилие замыкания. Уменьшается толщина и габариты крепежных плит. Например [45], машина для литья при низком давлении с усилием замыкания 350 т имеет плиты с размерами 1120 х 1120 мм, тогда как размер плит машины с таким же усилием замыкания для обычного литья составляет всего 735 х 735 мм.
Специальные литьевые машины для литья при низком давлении выпускают фирмы Hettinga Equipment, Engel, Krauss-Maffei и др.
3.2.3 Технологии литья термопластов с газом
Литье пластмасс с использованием газа получило широкое распространение с начала 1990-х годов. Первые работы в этом направлении были видимо выполнены в середине 60-х годов в России Е.Е. Глуховым.
В настоящее время основными патентами в области литья с газом обладают фирмы Melea (Гибралтар)/GAIN Technology(США) и Cinpres Gas Injection (Великобритания) [49].
В обычном литье под давлением уплотнение полимера в формующей полости происходит за счет давления, создаваемого в гидроцилиндре узла впрыска литьевой машины (стадия выдержки под давлением). Давление передается в дальние области отливки через остывающий полимер, при этом на утолщениях, напротив ребер или бобышек появляются утяжки, на участках с повышенной толщиной могут образовываться внутренние усадочные полости. Недоуплотнение приводит к появлению дефектов текстуры. Неравномерное уплотнение является причиной неравномерности усадочных процессов, приводит к короблению, вызывает высокие остаточные напряжения. При литье с газом уплотнение полимера происходит за счет давления газа (50-200 атм.) непосредственно на область изделия или вблизи этой области, поэтому процесс уплотнения проходит легче (и при небольшом давлении газа), чем в обычном литье под давлением. Литье с газом позволяет получить изделия с хорошим качеством поверхности, без утяжек и коробления, с минимальным уровнем остаточных напряжений, т.е. с высокой стабильностью размеров [49 – 51].
При литье с газом применяются обычные литьевые машины, и это является одной из причин популярности таких технологий. Одно из преимуществ литья газом - возможность использования литьевых машин с существенно меньшим усилием замыкания, что дает большой экономический эффект при литье крупногабаритных изделий.
В настоящее время существует множество вариантов технологий литья с газом. Все их можно разделить на 2 типа. К первому типу относятся технологии, в которых газ подается в расплав полимера, образуя внутренние полости (в зарубежной литературе для таких технологий чаще всего используют английский термин "gas-assisted injection molding" (GAIM или GAM) и немецкий "gas innendruck technik" (GIT или GID). В технологии второго типа газ подается в полость формы и создает внешнее давление на изделие. За рубежом для этой технологии используют термин "external gas molding". Оба типа технологий могут быть реализованы на одном и том же оборудовании.
В качестве газа применяется азот, который имеет низкую цену, инертен и доступен. Источником газа являются баллоны с азотом (при небольших объемах производства) или специальные генераторы азота.
В зависимости от типа используемого оборудования процесс литья с газом может проводится в двух вариантах [49, 50]: с управлением давлением газа и с управлением объемом подаваемого газа. В первом наиболее распространенном варианте компрессор высокого давления обеспечивает требуемый профиль давления газа. Во втором варианте заданный объем сжатого газа подается в пресс-форму с помощью поршневого дозирующего компрессора импульсного действия.
Принципиально важным моментом в литье с газом является способ осуществления уплотнения (подпитки) материала. В ряде технологий (при подаче газа через литниковую систему и др.) уплотнение изделия выполняется только за счет давления газа. В крупногабаритных изделиях это может приводить к недоуплотнению части изделия, следствием чего является появление утяжек, внутренних усадочных полостей, а также снижение качества спаев. Подобные явления не проявляются, если основной процесс уплотнения производится за счет обычной подпитки полимером из материального цилиндра литьевой машины, а давление газа обеспечивает дополнительное уплотнение в проблемных областях.
Технологии литья с подачей газа в расплав полимера
Существует несколько разновидностей этих технологий, которые могут быть классифицированы по особенностям проведения технологического процесса, по месту подачи газа, по типам получаемых изделий.
Учитывая особенности технологического процесса, выделяют следующие разновидности технологии литья с подачей газа в расплав полимера [49, 52]:
1. Литье с неполным впрыском полимера
2. Литье с полным впрыском с применением прибыли
3. Литье с полным впрыском с вытеснением расплава полимера в материальный цилиндр литьевой машины
4. Литье с локальной подачей газа в область изделия для устранения утяжек
5. Литье со смещением знаков
Для получения одного и того же изделия часто могут применяться различные варианты процесса.
Впуск газа может осуществляться непосредственно в полость формы, в холодноканальную литниковую систему (в разводящий или центральный литник), а также в сопло литьевой машины. При подаче газа в центральный литник или в сопло машины, последнее должно быть оснащено запорным клапаном, для предотвращения попадания газа в материальный цилиндр [51]. При подаче газа в разводящий литник запорный клапан не требуется - остывание полимера в центральном литнике обычно препятствует продвижению воздушного пузыря к материальному цилиндру. Для надежности также применяют пережимы – локальное утоньшение на разводящем литнике. Газ подается с помощью специального устройства – инжектора (газовой иглы) – через тонкий кольцевой зазор, который пропускает газ, но является преградой для расплава полимера.
Технологии литья с подачей газа в расплав полимера эффективны для получения изделий следующих типов:
а) Визуально-толстостенные изделия (разнообразные ручки и т.д.)
б) Крупногабаритные изделия (автомобильные бамперы, панели приборов, корпуса телевизоров, мониторов и т.д.)
в) Детали с высокими требованиями к качеству наружной поверхности, содержащие утолщения, ребра, бобышки.