Литье пластмасс под давлением: этапы и методы

О чем речь? Литье пластмасс под давлением – высокотехнологичный процесс, лежащий в основе массового производства подавляющего большинства пластиковых изделий: от микроскопических деталей медицинских приборов до корпусов автомобилей и бытовой техники.

Как происходит? Его суть заключается в инжекционном впрыске расплавленного полимерного материала в прецизионную металлическую форму с последующим быстрым охлаждением и извлечением готовой детали. Уникальность заключается в способности обеспечивать высочайшую повторяемость, сложную геометрию изделий и минимальные затраты на единицу продукции в условиях крупносерийных тиражей.

Суть литья пластмасс под давлением

Такую технологию, как литье под давлением, начали применять еще в конце XIX века. Инжекторно-литьевые машины оснащены шнеком, то есть большим винтом, направляющим расплавленную пластмассу под высоким давлением в пресс-форму. Винтовую передачу изобрели в 1946 году, и сейчас ее продолжают использовать.

Оборудование для такого вида литья не является инновационным, и его нельзя сравнивать с современными 3D-принтерами. Однако этот метод является востребованным для получения самых разных изделий.

Форма, используемая для литья пластмасс под давлением, состоит из матрицы и пуансона. Когда они смыкаются друг с другом, внутри образуется полость, имеющая очертания нужной детали. В эту полость подается горячий расплавленный пластик под давлением. Высокое давление обеспечивает заполнение всего объема полости пресс-формы вязкотекучим материалом.

После остывания пластика части формы размыкаются, и из них извлекают готовое изделие.

Хотя пресс-формы стоят недешево (иногда десятки тысяч долларов), а конструирование их корпуса является непростой задачей, все же литье изделий из пластмасс под давлением распространено достаточно широко. Себестоимость готовой продукции получается невысокой за счет того, что оборудование позволяет очень быстро создавать огромное количество одинаковых деталей.

Область применения литья пластмасс под давлением

Данная технология позволяет получать детали разной сложности из пластика без ограничений по количеству и размерам. Такой метод литья востребован в электронике, химической отрасли, автомобильной промышленности и разных других направлениях.

Читайте также!

Основные виды пресс-форм: как правильно выбрать

Подробнее

Литье пластмасс позволяет быстро и качественно изготовить следующие виды изделий:

• разнообразные колпачки, упаковка, крышки;
• игрушки для детей;
• детали и корпуса для электронной техники;
• оснащение для медицинских приборов и многое другое.

Этапы литья пластмасс под давлением

Данная технология является одним из самых популярных вариантов изготовления изделий из пластика. Процесс производства состоит из следующих этапов:

1. Подготовка сырья. Пластмассовые изделия изготавливают из порошка или гранул, смешанных со стабилизаторами, красителями, наполнителями и другими добавками, придающими продукту определенные качества.
2. Подготовка формы. На этом этапе разрабатывают и изготавливают пресс-форму, позволяющую получить изделие с определенными габаритами и очертаниями. Форма для литья пластмасс под давлением может быть выполнена из алюминия, стали, а также специальных сплавов.
3. Литье. Пластмассовое сырье разогревают до необходимой температуры, используя шнековый валец или экструдер, а затем под давлением подают в пресс-форму. После заполнения всего объема формы горячая пластмасса остывает и затвердевает, благодаря чему получается изделие с заданными параметрами. Время, в течение которого материал затвердевает, определяется видом сырья и толщиной изделия.
4. Охлаждение и выемка готового изделия. После того как деталь затвердеет, ее необходимо охладить, чтобы избежать деформации. Для охлаждения применяется воздушный способ или охлаждающие каналы в пресс-форме. После этого изделие с помощью специальных устройств или путем выколотки извлекают из формы.
5. Дополнительная обработка и проверка качества. Готовую деталь при необходимости красят или покрывают различными составами, также может потребоваться сверление или обрезка. После всех манипуляций изделие проверяют на соответствие параметрам качества и отсутствие дефектов.
6. Упаковка и отправка. Готовые изделия упаковывают и хранят на складе либо посылают заказчику.

Технология литья пластмасс под давлением подразумевает впрыскивание расплавленного материала в подготовленную форму, где жидкая масса после заполнения всего объема кристаллизуется и принимает нужные очертания.

Данный метод позволяет получить высококачественные изделия, которые используются во многих отраслях промышленности. Изготовление продукции происходит на сложном дорогом оборудовании, благодаря чему достигается высокая производительность.

Таким способом получают большое количество различных полимерных деталей (почти 50 %). Сырье представляет собой либо термореактивные порошки, либо гранулы термопластов, которые позволяют получить продукт с заданными физическими свойствами и эксплуатационными характеристиками.

Термореактивные порошки в процессе литья проходят через необратимые химические реакции с образованием нерастапливаемых соединений, поэтому не могут быть использованы для повторной переработки в отличие от термопластичных компонентов, сохраняющих свои первоначальные свойства.

Методы литья пластмасс под давлением

Инжекционный

Необходимое количество расплавленного пластика накапливается в материальном цилиндре ЛМ, затем очень быстро (за секунды) впрыскивается (инжектируется) под давлением от 100 до 200 МПа в форму. Этот способ литья пластмасс под давлением часто используется при контрактном (на заказ) изготовлении изделий на оборудовании подрядчика.

Позволяет получать сложные изделия со стенками разной толщины из термореактивного пластика либо термопластов. Могут применяться многогнездные формы с разной литниковой системой. Особенностью данной технологии является то, что объем изделий с литниками соответствует объему впрыска применяемой ЛМ, указанному в документации.

Интрузионный

Используется для получения изделий с толстыми стенками червячным способом пластикации. Расплавленный пластик в режиме экструзии поступает в пресс-форму под действием вращающегося червяка. После заполнения формы вращение червяка прекращается, и он осевым движением осуществляет подпитку формы, чтобы компенсировать усадку массы при остывании.

Особенностью технологии является то, что объем изделия может быть больше объема впрыска ЛМ по паспорту. Этим способом нельзя получить сложные геометрические изделия, поскольку давление в литьевой форме не очень большое. Также есть ограничения по гнездности формы и изготовлению тонкостенных деталей, а еще важно учитывать термостабильность полимерного соединения.

Инжекционно-прессовый

Эта технология литья пластмасс под давлением применяется, чтобы изготавливать изделия большой площади. В этом случае давление расплава на периферийных участках формы заметно снижается, из-за чего возникает эффект разнопрочности продукта.

По этому методу давление на расплав, находящийся в форме, обеспечивается не только за счет инжекции, но также и благодаря прессовому механизму узла смыкания. Чтобы это было возможно, используют литьевые формы, сконструированные таким образом, что пуансон можно перемещать и после того, как форма сомкнется.

Инжекционно-газовое литье (ИГЛ)

Название данного метода еще не до конца определено, поскольку он является новым видом переработки термопластов с помощью ЛМ. В разных источниках метод называют «литье с подачей сжатого газа», «литье с газом», GAS-Jngection Molding, GJD-TEHNJKA. Технология состоит в том, что впрыскиваемый в форму полимерный состав заполняет ее на 70-95 %.

После этого через ниппель в форме или специальное сопло внутрь под давлением поступает смесь газов. Она как бы раздувает массу, из-за чего слой полимера, образованный при касании холодных стенок формы, становится толще и заполняет конструктивные углубления. Когда формирование изделия завершается, газовую смесь выводят из формы в приемник, а остаток расплава выпрыскивают с помощью пластикатора, «запечатывая» форму.

Читайте также!

АБС-пластик или полипропилен: что лучше?

Подробнее

Смесь, состоящая из углекислого газа и азота, подается либо от баллона, либо от компрессора под давлением примерно 80 МПа. Газ в форму можно вводить один или несколько раз, ступенчато изменяя величину давления.

При использовании данной технологии толщина стенки изделия получается меньше, благодаря чему можно сэкономить до 40 % дорогого сырья и на 25-35 % сократить цикл производства. Вероятность брака при таком способе литья пластмасс под давлением снижена за счет того, что исключаются коробления, утяжины, развитый облой и другие дефекты. Также ИГЛ позволяет использовать более простую конструкцию и удешевить формующую оснастку.

Сложности в применении технологии связаны с тем, что необходимо более сложное сопло, точное управление литьевой машиной, высокое качество сопряжений форм и литниковой системы.

Многослойное литье

Это специальный вид литья, входящий в группу соинжекционных методов. Требует обязательного участия как минимум двух, а иногда и трех инжекционных узлов, в каждом из которых происходит обработка полимера с определенными характеристиками. Такой метод позволяет изготавливать разноцветные изделия, а также изделия, включающие разные виды материалов.

Например, поверхность может быть выполнена из ПЭВП, а внутри находиться вспененный полистирол. Кроме того, можно применять вторичное сырье для внутренних элементов деталей, выпускать гибридные изделия и т. д. Существуют разные способы многослойного литья.

Сэндвич-литье

Это двухкомпонентное литье пластмасс под давлением. Технология заключается в том, что в литьевую форму из двух пластикаторов по очереди подаются полимерные расплавы. Для этого к соплу, оснащенному переключателем (обычно это управляемый игольчатый клапан), подсоединяются два инжекционных узла. Клапан одновременно либо поочередно соединяет пластикационные узлы с литьевой системой формы.

Сырье из первого узла быстро инжектируется в форму под высоким давлением, формируя внешнее покрытие изделия.

После этого из второго узла подается материал для заполнения объема изделия, а затем вновь начинает работать первый узел, подающий в форму оставшийся расплав, который «запечатывает» изделие.

Соинжекционное литье

Требует использования разделительной головки, представляющей собой сопло определенной конструкции. С помощью данной технологии получают детали с частичным либо полным разделением цветов, включающие два и больше слоев.

Литье в многокомпонентные формы (Multi-component injection molding)

Используется для изготовления изделий с разделением цветов либо гибридных деталей, в которых центральная и периферийная части сделаны из разного полимера. Инжекционные узлы в этом случае работают обычным способом, а конструкция изделия зависит от устройства литьевой формы, которая состоит из двух литниковых систем, находящихся в сомкнутом состоянии с первым и вторым инжекционными узлами.

Пуансон формы оснащен подвижными вставками, которые перемещаются под действием пневмоприводов и влияют на вид элементов конструкции изделия. Инжекционные узлы при таком способе действуют изолированно друг от друга.

Например, первый узел может работать в интрузионном режиме, а второй – в инжекционном. За счет этого объем части детали, которая образуется из первого полимера, может быть достаточно большим.

Ротационное литье (не путайте с ротационными ЛМ)

Это вариант способа, описанного выше, направленный на выполнение тех же задач, но предполагающий наличие съемной вставки. Когда центральная часть детали с помощью первого узла будет готова, вставку убирают, а в полученный объем подают сырье из второго узла.

Производственный цикл при такой технологии предусматривает операцию размыкания формы и устранения либо установки вставки, из-за чего производительность получается не очень высокой.

Преимущества технологии литья пластмасс под давлением

Благодаря высокоточному оборудованию технология литья пластмасс под давлением позволяет получать крупные партии полимерных изделий отличного качества. За счет инжектирования расплавленный состав очень быстро подается в форму и равномерно заполняет ее объем, проникая в том числе и в микроскопические отверстия. Чем обусловлена популярность данного метода:

• Возможность получать сложные изделия любой геометрической формы, а также детали с тонкими стенками. Сложность элементов определяется пресс-формой, которая учитывает все отверстия и изгибы, которые должны быть у готового продукта.
• Отсутствие необходимости в дальнейшей механической обработке деталей. Минимальная обработка может потребоваться только для изделий со сложной конструкцией.
• Возможность массово выпускать изделия из пластика в неограниченном количестве. Пресс-формы сделаны из метала, и срок их службы составляет десятки лет, что позволяет производить множество полимерных продуктов.
• Быстрая окупаемость при изготовлении продукции большими партиями. При этом увеличение количества и снижение себестоимости изделий не сопровождается ухудшением качества. Это объясняется тем, что вложения в основном требуются только при подготовке к производству конкретного типа продукции.

Большие расходы связаны с подготовительной стадией, поэтому невыгодно использовать технологию литья пластмасс под давлением для производства штучных изделий на заказ. Нерентабельным также будет и выпуск мелких партий.

Часто задаваемые вопросы о литье пластмасс под давлением

Какие материалы подходят для ЛППД?

• Термопласты – полиэтилен (РЕ), АБС-пластик, полиамид (РА), полипропилен (РР), полистирол (PS), поликарбонат (РС), ПЭТ и другие.
• Реактопласты (термореактопласты) – эпоксидные, фенолформальдегидные, полиуретановые смолы.
• Наполненные композиции – с тальком, антипиренами, стекловолокном, минералами.
• Вторсырье – имеет ограничения по области применения и качеству.

Какие параметры процесса имеют критически важное значение?

• Температура расплава– определяется конкретным материалом.
• Давление впрыска – составляет от 80 до 200 МПа.
• Скорость впрыска – оказывает влияние на заполнение участков с тонкими стенками.
• Время нахождения под давлением – позволяет компенсировать усадку.
• Температура формы – оказывает влияние на коробление и качество поверхности, составляет от 30 ⁰С до 120 ⁰С.
• Время охлаждения – зависит от теплоемкости материала и толщины стенки.

Какие дефекты изделий могут быть при литье пластмасс под давлением и как от них избавиться?

• Недолив– форма заполняется не полностью. Необходимо увеличить скорость впрыска либо давление.
• Облой – по линии разъема получается избыток материала. Следует проверить соосность плит и снизить давление.
• Коробление – искривление детали вследствие неравномерного охлаждения. Нужно правильно настроить температурный режим.
• Поры или пузыри – наличие влаги или перегрев сырья. Необходимо уменьшить температуру и улучшить сушку.
• Следы спая – видны линии стыка потоков расплавленного пластика. Нужно изменить точки впуска и увеличить температуру формы.
• Утяжины – впадины, образующиеся в результате усадки. Следует удлинить время нахождения под давлением.

Как выбрать пресс‑форму для литья пластмасс под давлением?

Выбор формы зависит от:

• объема партии – для больших партий требуется инструментальная сталь, для маленьких – алюминий;
• сложности геометрии детали – горячеканальные или многогнездовые системы;
• материала – выбор зависит от износостойкости и устойчивости к коррозии;
• требований к точности – шероховатость, допуски;
• средств, заложенных на реализацию проекта.

Технология, о которой мы рассказали, широко используется для изготовления полимерных изделий. Станки, применяемые для литья пластмасс под давлением, обеспечивают повторяемость процесса, высокую точность и производительность.

Даже с учетом того, что на закупку оборудования и пресс-форм требуются серьезные начальные вложения, массовый и серийный выпуск продукции является рентабельным, поскольку полученные изделия отличаются высоким качеством и практически не требуют дальнейшей обработки, а процесс их получения можно автоматизировать.

Источник изображения в шапке: senivpetro / freepik.com