Литье тонкостенных изделий

Можно выделить 3 типа изделий, для литья которых применяется технология тонкостенного литья. К первому типу относятся изделия из термически стабильных материалов, таких как полиэтилен, полипропилен, полистирол и др., толщиной менее 1 мм. Указанные материалы используются для изготовления упаковки, одноразовой посуды. Низкий уровень механических свойств данных материалов обычно не позволяет снизить толщину менее 0.5-0.6 мм.

Ко второму типу можно отнести технически сложные изделия толщиной менее 1 мм, отливаемые из конструкционных термопластов (АБС-пластик, полиамиды, поликарбонат, полибутилентерефталат, полиацетали и др.) и суперконструкционных материалов (полифениленсульфид, полиэфирсульфон, полиэфирэфиркетон, жидкокристаллические полимеры, полиэфиримид и др.). Данные материалы отличаются высоким уровнем механических свойств и невысокой термической стабильностью при переработке. Из этих материалов могут отливаться сверхтонкие изделия, например: электрический разъем из стеклонаполненного жидкокристаллического полимера длиной 250 мм с толщиной стенки 0.4 мм /5/, миниатюрные разъемы из жидкокристаллического полимера толщиной 0.2-0.3 мм /6/, корпуса электрических катушек из PA 66 и ПБТ толщиной 0.15 - 0.27 мм /7/. Существуют примеры литья и более тонких изделий, например толщиной 0.08 мм.

Тонкостенные изделия третьего типа - изделия толщиной более 1 мм с отношением длина потока/толщина более 100. Литье таких изделий имеет свои особенности и в данной работе не рассматривается.

Требования к литьевой машине, пресс-форме и материалу для тонкостенного литья

Требования к литьевой машине, пресс-форме и материалу изделия при тонкостенном литье обобщены в таблице /1, 8-9/:

При литье тонкостенных изделий из термически нестабильных материалов одним из наиболее критических параметров литьевой машины является скорость впрыска. При тонкостенном литье необходима очень высокая скорость впрыска т.к. материал очень быстро застывает. Литьевая машина для тонкостенного литья должна иметь гидроаккумулятор. Гидроаккумулятор увеличивает подачу масла в гидроцилиндр узла впрыска, что позволяет повысить скорость впрыска в 3 раза по сравнению с обычной машиной /8/.

Если тонкостенное изделие отливается из термически стабильного материала, обычно можно взять машину с большим объемом - это обеспечивает повышение скорости впрыска. Для термически нестабильных материалов объем впрыска должен соответствовать объему отливки и время пребывания материала при высокой температуре должно быть минимальным.

Машина для тонкостенного литья должна обеспечивать высокое давление впрыска (1800-2500 кгс/см2 и более) и соответствующее высокое усилие замыкания. Например, для литья корпуса источника питания толщиной менее 0.5 мм из поликарбоната потребовалась машина с давлением литья, превышающем 2760 кгс/см2 /1/.

Важнейшее условие получения качественных тонкостенных изделий - высокий уровень системы управления машины (управление с обратной связью по основным параметрам процесса, контроль процесса), надежность и стабильность работы машины. Изменение времени впрыска на 0.1 с может привести к недоливу /1/.

Применение холодноканальных литников при тонкостенном литье неэффективно из-за большого времени охлаждения литников и значительных потерь давления расплава в литниковой системе. По этой причине для литья тонкостенных изделий используют горячеканальные литниковые системы или реже - для термически стабильных материалов - системы с незастывающими литниками, которые имеют меньшую стоимость, но менее надежны в работе.

При тонкостенном литье должна быть обеспечена высокая надежность работы всех систем пресс-формы. Особое внимание должно быть уделено центрированию формообразующих элементов. Смещение пуансона относительно матрицы на 0.01 мм может привести к резкому изменению характера течения полимера при впрыске. Высокая скорость впрыска требует хорошей вентиляции оформляющей полости.

В многогнездных формах важным фактором является точность изготовления литниковой системы. Небольшие различия в размерах литниковых каналов (особенно впускных литников) могут вызвать резкие изменения характера заполнения гнезд отливки.

При тонкостенном литье часто необходимо более высокое усилие выталкивания и увеличенные по сравнению с обычным литьем литьевые уклоны /9/ - следствие более высокого давления литья.

Высокие давление и скорость впрыска накладывают особые требования к материалам пресс-формы. При литье тонкостенных изделий рекомендуется применять более износостойкие и прочные стали, типа стали H13 (отечественный аналог 4Х5МФ1С) /1/.

Высокие требования к пресс-формам для тонкостенного литья приводят к ее удорожанию на 30-40% по сравнению с обычным литьем /9/. Более высокая стоимость пресс-формы окупается за счет меньшего веса изделия и большей производительности процесса.

Высокая текучесть - одно из обязательных свойств материала для тонкостенного литья /11/. Выпускаемый в настоящее время марочный ассортимент зарубежных термопластов включает достаточное количество материалов с низкой вязкостью различного применения. Необходимо учитывать, однако, что повышение текучести материала сопровождается уменьшением основных механических характеристик.

При толщинах стенки меньше 1 мм "окно переработки" становится очень узким. Это накладывает жесткие требования к стабильности характеристик материала.

Уменьшение времени цикла литья ограничено теплофизическими характеристиками материала (для кристаллизующихся материалов - скоростью кристаллизации). Некоторые марки материалов разработаны специально для тонкостенного литья. Они характеризуются как материалы с "быстрым циклом" (fast cycle, high cycle).

Тонкостенное литье требует более точного учета технологических и эксплуатационных особенностей материала при конструировании изделия. Оптимальное решение может быть найдено в компьютерном анализе.  

Оптимизация толщины стенки изделия, литниковой системы и технологического режима

В таблице приведены результаты анализа впрыска для кофейной чашки из полипропилена марки Каплен 01250 в программном продукте MPI/Flow фирмы Moldflow при различной толщине стенки. Анализ проводился при температуре расплава 220 оС и температуре формы 40 оС.

Уменьшение толщины стенки изделия приводит к быстрому росту потерь давления расплава на стадии впрыска. Если эти потери давления превышают допустимое давление для используемой литьевой машины, может появиться недолив.

При тонкостенном литье большую роль играет застывший пристенный слой, толщина которого сопоставима с толщиной полости. Величина застывшего слоя очень сильно зависит от скорости впрыска, поэтому при тонкостенном литье правильный выбор скорости впрыска имеет особое значение.

Одним из наиболее критических мест горячеканальной литниковой системы является впускной литник. Слишком тонкий впускной литник является причиной недолива, дефектов изделия вблизи впуска. При большой толщине впускного литника ухудшается внешний вид изделия. Оптимальная толщина впускного литника зависит от текучести материала, толщины изделия и длины потоков расплава. Оптимальная толщина впускного литника может быть определена в компьютерном анализе.

Оптимизация системы охлаждения пресс-формы

Особое значение при тонкостенном литье имеет конструкция системы охлаждения пресс-формы. Оптимизация системы охлаждения проводится в компьютерном анализе. Расчеты, представленные в данной работе выполнены в программном продукте MPI/Cool фирмы Moldflow.

Для обеспечения стабильности процесса охлаждение пресс-формы для литья тонкостенных изделий должно осуществляться с помощью специального термостата.

При малых временах цикла в пресс-форму от расплава поступает очень большое количество тепла. Поэтому при тонкостенном литье отвод тепла от изделия должен быть более интенсивным.

Еще одним требованием является равномерность охлаждения изделия. Неравномерное охлаждение приводит к резкому изменению характера течения расплава и является причиной многих дефектов (коробление, воздушные ловушки, нестабильность размеров при хранении и эксплуатации изделия и т.д.). Часто условия охлаждения матрицы и пуансона очень сильно различаются. В этом случае требуется два независимых контура охлаждения (используется термостат с двумя баками или два термостата).

Особые проблемы при тонкостенном литье могут вызвать так называемые "горячие пятна" - участки формообразующей поверхности с повышенной температурой. "Горячие пятна" возникают из-за затрудненного отвода тепла от некоторых областей изделия. Причиной этого может быть большое расстояние до канала охлаждения (превышающее 3 диаметра канала), а также конструктивные особенности изделия (наличие ребер и пр.).

Литература

1. Losch K. "Thinwall moulding: demanding but rewarding". Mod. Plast. Int., 1997, Oct., p. 73-75.
2. Tremblay G. "Thin-wall molding". Plastics Technology, April 1998, v. 44, N 4, p. 76-79
3. "Thin wall: Technical guide for electronic applications". General Electric Co., 1995, 35 pp.
4. Erlenkaemper E., Kaminski A., Shueltz U. W., Shu P. "New developments with Bayer thermoplastics for electro/electronic conponents and business machines". Bayer AG, KU 46.309 e, 1995, 11 pp.
5. "Vectra. Liquid crystal polymers (LCP)". Hoechst AG, B 241 BR E 9066 / 014, 1996.
6. "Miniature connectors made from Vectra (LCP)". Hoechst AG, B 237/D/E 9107, 1991.
7. "Injection duel: Who has the fastest shot". Mod. Plast. Int., Jan., 1993, p. 12.
8. "Injection moulding of thin wall articles". Tat Ming Engineering Works Ltd., 1999.
9. Beall G. "By Design: Making more with less". Injection Molding Magazine, August 1998.
10. Bichler M. "Selection and evaluation of process parameters for quality control". Plast. Europe, 1994, N 10.
11. Beall G. "By design: Designing thinner parts". Inj. Mold. Mag., October 1998.

Из публикации: Барвинский И.А., Дувидзон В.Г., Барвинская И.Е. "Литье тонкостенных изделий
из термопластичных материалов". Доклад на семинаре "Компьютерные технологии в проектировании
и производстве пресс-форм". Екатеринбург, 5 апреля 2000 г.