Тема 2.3. Технология формования изделий из пластмасс методом литья под давлением. Литье под давлением. Суть технологии.

Литье под давлением — метод формования изделий из полимерных материалов, заключающийся в нагревании материала до вязкотекучего состояния и передавливании c большой скоростью его в закрытую (сомкнутую) литьевую форму, где материал приобретает конфигурацию внутренней по­лости формы и затвердевает.

Э тим методом получают изделия массой от нескольких граммов до нескольких килограммов с толщиной стенок 1—20 мм (чаще 3—6 мм). Для осуществления литья под давлением чаще всего применяют шнековые литьевые машины (термопластавтоматы с червячной пластикацией), на которых устанавливают литьевые формы различной конструкции.

Принципиально, суть технологии литья под давлением состоит в следующем (рис. 10.1). Расплав полимера подготовлен и накоплен (l = nom) в материальном ци­линдре литьевой машины к дальнейшей подаче в сомкнутую форму (позиция а). Далее, материальный цилиндр смыкается с узлом фор­мы, а пластикатор (в данном случае — невращающийся червяк) осевым движением со скоростью V_oc перемещает расплав в форму (позиция б). В результате осевого движе­ния червяка форма заполняется расплавом полимерного материала, а пластикатор сме­щается в крайнее левое (на рисунке) положение (позиция в, l = 0). Далее расплав в фор­ме застывает (или отверждается — в случае реактопластов) с образованием твердого изделия (позиция г). Материальный цилиндр продолжает оставаться в сомкнутом с си­стемой формы положении. В этой ситуации червяк начинает вращаться с ω_ч = nom, подготавливает и транспортирует расплав в переднюю зону материального цилинд­ра и при этом отодвигается назад. После накопления требуемого объема расплава (расстояние l = nom) вращение червяка прекращается (ω_ч = 0). Он занимает исходное к дальнейшим действиям положение. После завершения процесса затверде­вания пластмассы фор­ма размыкается, и изделие удаляется из нее (позиция д). Для обеспечения требуемого температурного поля в литьевой форме обогреваемый материальный цилиндр отодвигается в сторону от формы. Далее цикл повторяется.

Технологический процесс литья под давлением

Технологический процесс литья изделий из термопластичных полимеров состоит из следующих операций:

1) плавление, гомо­генизация и дозирование полимера;

2) смыкание формы;

3) подвод узла впрыска к форме;

4) впрыск расплава;

5) выдержка под давлением и отвод узла впрыска;

6) охлаждение изделия;

7) рас­крытие формы и извлечение изделия.

1. Плавление, гомогенизация и дозирование расплава

Данная операция осуществляется периодически через равные промежутки времени и с постоянной для каждого конкретного изделия частотой вращения шнека. Плавление полимера проис­ходит за счет передачи теплоты от нагретых стенок цилиндра, а также вследствие диссипации энергии вязкого течения расплава и трения гранул. Во время впрыска расплава шнек не вращается, поэтому нагревание гранул происходит только за счет теплопере­дачи.

Операция дозирования осуществляется в результате пере­мещения полимера в переднюю часть цилиндра при вращении шнека. Вращение шнека включается после окончания выдержки под давлением предыдущего цикла литья и уменьшения давления в цилиндре термопластавтомата. При давлении впрыска (60-140 МПа) нагрузка на шнек очень велика и вращение его не­допустимо. Дозирование сопровождается сжатием и нагреванием гранул с последующим переходом полимера в вязкотекучее со­стояние. Для обеспечения хорошей гомогенизации расплава во время дозирования с помощью поршня узла впрыска на шнеке создается усилие подпора, поэтому шнек отходит не свободно, а преодолевая давление подпора. Следует заметить, что давле­ние подпора увеличивает температуру расплава и повышает ее однородность по сечению в каналах шнека.

Шнеки литьевых машин конструктивно отличаются от экструзионных. Они обычно имеют меньшую длину (L/D = 15-17) и степень сжатия для них равна i = 2-2,5. Это объясняется тем, что в литьевых машинах не требуется создания во время дозиро­вания высоких давлений и не нужна очень хорошая гомогениза­ция, так как при впрыске происходит дополнительный нагрев расплава и он хорошо перемешивается вследствие течения в лит­никовых каналах. Недостаток в гомогенизации при дозировании восполняется на последующей технологической операции, т. е. при впрыске расплава в форму.

Для предотвращения передачи давления литья (инжекции) на полимер, находящийся в винтовом канале червяка, на его головной части устанавливается наконечник с обрат­ным клапаном (рис. 10.6). Это, во-первых, позволяет при впрыске сохранить неизмен­ным подготовленный к инжекции объем расплава, и, во-вторых, исключить полностью или в значительной степени образование встречного, обратного, потока расплава, снижающего пластикационную способность червяка.

Форма и действие наконечника с клапаном должны быть такими, чтобы расплав также не застаивался в зоне накопления. С этой целью используют так называемые са­моочищающиеся наконечники (рис. 10.6, а). Для низковязких расплавов могут исполь­зоваться наконечники с шариковым клапаном (рис. 10.6, б), а для нетермостабильных ПВХ наконечники с гребневидной нарезкой конической части (рис. 10.6, в).

Для полимерных материалов типа непластифицированного ПВХ на червяках устанавливают длинноконусные наконечники без кла­панов (рис. 10.7). Такая конструкция исключает образова­ние застойных зон, а благодаря высокой вязкости расплава его обратное течение по узкому коническому зазору между конусом червяка и корпусом сопла, к тому же с возрастающим диаметром, практически исключаются.

В конце впрыска конический хвостовик шнека входит в коническое отверстие сопла, поэтому расплав почти полностью выдавливается из цилиндра, за счет чего уменьшается время его пребывания в нагретом состоянии и исключается термическая деструкция полимера. Чтобы расплав во время дозирования не вытекал из отверстия сопла, узел впрыска не отводят от формы или выходное отверстие мундштука перекры­вается клапаном. Наиболее часто это осуществляется с помощью самозапирающегося сопла.

Объем дозы расплава задается значением хода шнека вдоль цилиндра при его вращении за счет изменения расстояния между кулачками конечных выключателей. После того как наберется определенная порция расплава, шток при отходе назад нажимает на конечный выключатель и вращение шнека прекращается.

В отличие от экструзии температура по зонам цилиндра при литье под давлением устанавливается значительно выше. Это необходимо для уменьшения вязкости расплава, чтобы в мо­мент впрыска в отверстиях сопла и литников не возникали боль­шие перепады давлений. Однако при очень высокой температуре на изделиях образуется облой, т. е. расплав очень сильно затекает в зазоры по линии разъема формы. Поэтому температуру расплава выбирают, учитывая:

• толщину сте­нок изделия;

• площадь поверхности отливки;

• температуру формы;

• реологические свойства полимера;

• раз­меры литниковых каналов;

• термостойкость полимера.