47 
О чем речь? Утяжина, образующаяся в процессе литья пластмасс под давлением, представляет собой дефект в виде локального углубления на поверхности изделия. Чаще всего не несет угрозы функциональности, но в большинстве случаев крайне негативно влияет на эстетику и приводит к выбраковке.
Почему возникают? Основных причин несколько. Это неверный выбор температуры при литье и потеря давления впрыска в отдельных точках, ошибки в выборе сырья и дефекты используемой пресс-формы. Неверная конструкция самой детали также может послужить причиной образования утяжин.
Общая характеристика утяжин как дефекта
Утяжины при литье пластмасс — это локальные углубления на поверхности изделия, возникающие в процессе изготовления на термопластавтомате (ТПА). Дефект легко обнаружить визуально и на ощупь. Утяжины часто называют впадинами. В международном обиходе используются обозначения: sink, sink mark, internal gate deformation.
Утяжина в отливке возникает вследствие неравномерной усадки материала при охлаждении. Массивные внутренние участки застывают дольше, чем периферийные слои, контактирующие с литейной формой. Из-за этого происходит усадка полимера. Неокрепший поверхностный слой втягивается внутрь.
В основном утяжины в отливке возникают в местах локальных утолщений, областях примыкания ребер жесткости и других элементов, а также в зонах избыточного нагрева.
Дефект не влияет на функционал детали. При этом утяжины являются основанием для выбраковки. Это в особенности актуально для деталей с высокими требованиями к внешнему виду. Например, корпус техники для дома, лицевые панели электроники, медицинские изделия и премиальная упаковка.
Возникающие при литье утяжины являются поверхностными дефектами, не влияющими на практические функции изделия. Данный изъян препятствует реализации продукта. Поэтому нужно разбираться в причинах возникновения утяжин и принять меры по их устранению.
Причины образования утяжин
Неправильный температурный режим
Одна из самых распространенных причин появления дефекта литья утяжин — неправильная температура нагрева. Толстостенные пластмассовые детали застывают дольше, так как для охлаждения внешнего и внутреннего слоя требуется разное время. Внешняя часть детали, соприкасающаяся с металлом литейной формы, будет охлаждаться быстрее, чем внутренняя. Если устанавливается единая температура для разных слоев, то появится такой дефект, как утяжины.
Низкая температура пресс-формы тоже может привести к локальным углублениям на поверхности детали. Избежать впадин получится, если повысить температуру вставки.
Другая распространенная причина — неправильный температурный режим охлаждения отливки. Не все пластиковые материалы и не все точки вставки охлаждаются одинаково. Поэтому важно создать условия для равномерного остывания детали. Некоторые слои или элементы нужно охлаждать медленно при более высокой температуре охлаждающей воды.
Недостаточное давление
Еще один важный аспект литья пластмасс — давление. Низкое давление впрыска в отдельных зонах может привести к утяжинам на поверхности детали. Дело в том, что недостаточное давление не может создать необходимое усилие против усадки материала, в особенности при маленьком отверстии сопла термопластавтомата или локальном засорении.
Конструктивные дефекты пресс-формы
Впадины вдали от литника могут появиться при неэффективном течении расплава внутри системы. Это случается, если конструкция пресс-формы препятствует передаче давления и имеются узкие места в потоке расплавленного материала. При таких дефектах литьевой системы усугубляются причины появления впадин на поверхности изделия. Большое значение в литье деталей высокого качества имеет то, правильно ли спроектирована пресс-форма.
Только это предотвратит появление утяжин по данной причине.
Конструктивные особенности элемента
Вероятность появления впадин выше в толстостенных деталях с существенной разницей в толщине при низком давлении в процессе отливки. На этапе проектирования пресс-формы и элементов конструкции нужно стремиться к равномерным габаритам стенок.
Некорректная настройка давления упаковки или удержания
Неполное заполнение формы из-за некорректной настройки давления может привести к утяжинам. Поэтому важно контролировать и корректировать параметры процесса отливки во избежание неполного заполнения формы и неравномерного затвердевания.
Неподходящее сырье
На поверхности отлитого элемента могут появиться впадины, если полимер имеет следующие свойства: высокая скорость усадки; низкая текучесть полимера; низкое количество смазки в материале; сырой материал. Для получения деталей высокого качества требуется «правильный» материал.
Ключевой параметр, который нужно учитывать для достижения наилучшего результата пластмассовой отливки, — низкая скорость усадки сырья.
Основные способы борьбы с причинами формирования утяжин
По мнению экспертов, предотвратить такой дефект литья, как утяжины можно, используя оптимальное время выдержки под давлением и учитывая особенности разных зон пресс-формы, толщину изделия и период охлаждения. Основные рекомендации:
Снижение температуры литьевой формы
Температура литьевой формы должна укладываться в рамки рекомендуемого диапазона. При высокой температуре полимера и долгом охлаждении могут появиться утяжины.
Также впадины на поверхности элемента могут образоваться из-за слишком горячей пресс-формы и длительной герметизации.
Управлять температурным режимом можно, используя промышленные водные или воздушные охладители.
Повышение давления выброса и выдержки и времени охлаждения
Это еще один способ, как избежать усадку и появление утяжин в пресс-форме. Путем увеличения давления можно компенсировать его потерю. Если полимера мало в толстых слоях, могут появиться впадины. Увеличение давления выброса и выдержки позволяет повысить объем сырья в области появления утяжины. Если же впадина образуется на стенке элемента из пластмассы, нужно дольше охлаждать его в литьевой форме.
Контроль фазы упаковки и удержания
В процессе литья всегда контролируются фазы упаковки и удержания давления. Это делается для того, чтобы сырье равномерно заполнило полость формы и охлаждалось без образования дефектов на поверхности детали.
Уменьшение толщины стенок
Так как утяжины возникают из-за ошибки в охлаждении, можно достичь оптимального застывания, снизив толщину стенок и сделав их равномерными.
Усовершенствование дизайна ребер и выступов
Важно учитывать данный параметр при проектировании изделия. Ребра и выступы не должны быть слишком толстыми. Идеальный вариант — ребра не должна превышать 50 % толщины стенки. Если данный параметр нарушен, высока вероятность образования утяжин. Грамотно спроектированные выступы и ребра охлаждаются равномерно, что снижает риск возникновения впадин на поверхности.
Оптимизация радиусов углов и скруглений
Поверхностные дефекты появляются в точках напряжения, которые образуются на литьевой форме острыми углами. Рекомендуется предусматривать большие радиусы углов и скругления в конструкции. Так сырье будет плавно наполнять форму и минимизируется риск образования утяжин шва и углов.
Риск образования дефектов поверхности ниже, если на этапе проектирования предусмотрены плавные переходы между стенками и другими элементами. Они снижают концентрацию напряжений.
Современные методы борьбы с утяжинами
Для снижения усадки необходимы конструктивные изменения литьевой формы и специальные технологии литья. Оптимальные методы борьбы с утяжинами:
- Пружинный механизм. Подпружиненные формообразующие стержни являются одним из наиболее эффективных методов минимизации утяжек. Пружинный механизм обеспечивает дополнительное давление в участке, где может возникнуть дефект, благодаря компенсации локальной усадки. При корректной настройке этот способ снижает утяжку до 50 %.
- Газовое литье — это технология формирования изделий, при которой осуществляется впрыск азота с целью уплотнения полимера. С помощью газа создается внутреннее давление до полного затвердевания детали, снижается усадка и внутренние напряжения. Технология газового литья подходит для некоторых видов изделий, но требует специальной оснастки и контроля параметров.
- Использование химических пенообразователей для локальной компенсации усадки. Такие добавки формируют ячеистую структуру в пенной матрице. Основной плюс метода — не требуется модификация литьевой формы. Минусы: некорректная дозировка может привести к поверхностным дефектам; из-за увеличения площади вспенивания уменьшается прочность материала.
- Бериллиево-медные элементы для оптимизации процесса охлаждения и снижения дефектов. Бериллиевые вставки отличаются высокой теплопроводностью, что позволяет эффективно отводить тепло из сложных участков.
Металлические стержни быстро отводят тепло; снижают разницу температур; минимизируют риск образования поверхностных дефектов. Минус технологии — дороговизна оснастки.
- Система быстрого отвода тепла для управления температурой в проблемных зонах литьевой формы в режиме онлайн. Плюсы: стабилизация процесса литья; высокое качество поверхности изделия; сокращение производственного цикла.
Какие самые эффективные методы борьбы с утяжинами? По данным исследований, эффективность технологии зависит от вида полимера; толщины стенок; конструкции литьевой формы и детали. Самые стабильные результаты показали подпружиненные формообразующие стержни, системы активного терморегулирования и бериллиевые вставки. Нет универсального варианта. Технология выбирается исходя из специфики каждого отдельного проекта.
Утяжины и обработка пресс-формы
Чистота поверхности формообразующей части литника подчеркивает дефекты. Чем выше чистота обработки, тем виднее все световые эффекты и мельчайшие впадины.
Если утолщений не получится избежать, то их негативное влияние можно нивелировать путем матовой поверхности или «шагреневой кожи». Это особый микрорельеф изделия, образуемый при отпечатывании на готовой детали при формовании.
Часто задаваемые вопросы об утяжине
Влияют ли впадины на поверхности на структурные свойства пластикового элемента?
Утяжины ослабляют пластиковые элементы, в особенности если они подвергаются нагрузке. Дефекты могут привести к появлению трещин или поломке под нагрузкой.
Какие термопластичные материалы склонны к образованию утяжин и с чем это связано?
Следующие термопласты склонны к образованию впадин в толстых слоях при литье под давлением: АБС-пластик, полипропилен или полиэтилен. В отличие от других термопластов, для данных материалов характерна высокая скорость усадки, чувствительность к неравномерному охлаждению и текучесть.
Приводит ли недостаточная вентиляция к образованию утяжин?
Действительно, проблемы с вентиляцией вызывают захват воздуха и дисбаланс давления, что чревато неравномерным заполнением литьевой формы. В детали могут появиться пустоты и утяжины. Выход воздуха необходим для равномерной упаковки и охлаждения пластмассы.
Влияет ли время цикла литья под давлением на появление впадин на поверхности?
Увеличенная продолжительность цикла дает лучшее охлаждение и минимизирует дефекты благодаря более равномерной укладке материала.
Влияет ли температура окружающего воздуха в цехе на образование впадин на поверхности?
Важно контролировать температуру окружающего воздуха в цехе, так как она влияет на скорость охлаждения литьевой формы и пластмассовых изделий. При неравномерном охлаждении из-за экстремальных температур (слишком высокая или низкая) могут появиться дефекты.
Источник изображения в шапке: freepik / magnific.com
