Леене на пластмаси под налягане с впръскване на газ

МашиниСп. Инженеринг ревю - брой 5/2020 • 13.07.2020

През последните години се наблюдават множество технологични подобрения в процеса на леене на пластмаси под налягане, което го прави предпочитан производствен метод в редица промишлени приложения. Популярен вариант е т. нар. инжекционно формоване с впръскване на газ, чрез което се постигат по-високо качество на крайните изделия, по-кратки цикли на изработка, както и по-ниско общо тегло на готовия продукт.

Леенето на пластмаси под налягане с впръскване на газ включва използването на инертен газ (най-често азот) с цел създаване на един или повече кухи канали във формованото пластмасово изделие. В края на етапа на запълване на матрицата с разтопен полимерен материал газът се впръсква под налягане в неподвижното течно ядро на отливката. От там той следва траекторията на най-малкото съпротивление и замества плътните отлети зони с канали, пълни с газ. В следващия етап налягането на газа притиска пластмасата върху повърхността на кухината на формата, като компенсира обемното свиване, докато частта се втвърди. Накрая газът се извежда в атмосферата или се рециклира.

Процесът на леене на пластмаси под налягане с впръскване на газ е позната от около две десетилетия и доказана техника за производство на висококачествени пластмасови изделия. През последните години популярността й непрекъснато нараства поради множеството предимства, които осигурява в сравнение с конвенционалното шприцване на пластмаси.

 

Същност на процеса

Основният процес на леене на пластмаси под налягане с впръскване на газ е изключително подобен на този при стандартното формоване. Шнеков екструдер разтопява изходния полимерен материал под формата на гранули или пелети. Стопилката се впръсква под налягане в матрица. Особеност е, че тук леяковата форма се запълва само до около 70%. Тогава от отделна входна точка към вътрешността й се подава газ под налягане докато отливката се охлажда. Това принуждава все още разтопената пластмаса да се притисне към стените на матрицата, където да изстине и да се втвърди. Тогава налягането се изпуска и отливката се изважда от формата по утвърдения механизъм. В резултат на процеса се получава куха отливка, изработена чрез инжекционно формоване, при което обикновено изделията са монолитни. Единственият друг метод за изработка на кухи пластмасови изделия е формоването чрез раздуване (или ротационното формоване). За разлика от инжекционното формоване обаче, техниката чрез раздуване се отличава с голяма капиталова интензивност, макар и с висока производителност. Ето защо тя се използва предимно в производството на пластмасови бутилки. Недостатък на ротационното формоване пък е сравнително дългият производствен цикъл, който, за разлика от алтернативните методи, трае няколко минути вместо няколко секунди. Това понижава неговата ефективност и приложимост в дадени сценарии.

Сред предимствата на леенето под налягане с впръскване на газ е възможността драстично да се намали теглото на готовото изделие благодарение на образуваните в него кухи секции. Това спомага за значително ограничаване разхода на материал и снижава общите разходи за процеса. Кухата вътрешност спомага и за по-гладка текстура на отливката, тъй като материалът е под постоянно налягане под въздействието на газа. В някои случаи формованото изделие се охлажда по-бързо, тъй като кухината удвоява повърхностната зона, която позволява на отливката да изстине и да се втвърди. Обикновено е налице и по-малко свиване на крайния продукт, тъй като по-плътните стенни секции стават кухи благодарение на въвеждането на газ под налягане в матрицата.

За да се формоват термопластични полимери, те трябва да бъдат загрети до съответната им температура на стопяване и да се инжектират в затворена метална матрица. В леяковата форма се изработват специални охлаждащи канали, които извеждат топлината от материала, което позволява изстиването на отливката. Докато се охлажда, пластмасата се свива и отделя от вътрешната повърхност на матрицата. За да се противодейства на това свиване, обикновено се впръсква още материал в кухините с цел да се запази повърхностният контакт. В даден етап от цикъла на инжекционно формоване материалът в точката на подаване се втвърдява, което възпрепятства по-нататъшното вливане на допълнителна стопилка за запълване на образуваните от свиването празнини. При по-плътни изделия свиването на материала е още по-отчетливо. Ето защо в много съвременни приложения се предпочита вариантът на леене под налягане, който включва впръскване на газ, тъй като той елиминира гореспоменатия проблем и спомага за по-ефективно производство.

 

Варианти

Основните две вариации на метода включват инжектиране на газ в кухини в изделието (формоване с вътрешно впръскване) или използването на газ върху външните повърхности на отливката, но отново във вътрешността на матрицата, с цел консолидиране/сбиване на материала (външно впръскване).
Първият вариант на технологията е по-често използван в практиката, тъй като се отличава с множество предимства в сравнение с конвенционалното формоване на пластмаси. При него са налице възможности за икономия на разходи вследствие на: намаляване количеството използван материал чрез редуциране на теглото на отливките; съкращаване на циклите на изработка и понижаване на капиталовложенията; намаляване на налягането в матриците и следователно – по-малко износване на инструменталната екипировка в дългосрочен план.

Използването на газ като среда за пренос на налягане в цялата вътрешност на леяковата форма цялостно оптимизира процеса. Така се елиминират вътрешните дефекти и неравности в изделието, а повърхностите са по-гладки и прецизни. С помощта на впръсквания газ се премахва необходимостта от допълнителен процес по запълване на образуваните от свиването на материала празнини. Налягането в матрицата при варианта с вътрешно впръскване на газ се редуцира с до 70% в сравнение с конвенционалното инжекционно формоване на пластмаси, което изисква по-малка сила за затягане на леяковата форма и позволява по-големи отливки на по-малки машини. В резултат на оптимизирания процес намалява и енергийната консумация на оборудването. Сред най-съществените ползи от прилагането на тази разновидност на метода е по-малкият термичен и механичен стрес върху изделието, който позволява по-висока пространствена стабилност и елиминира деформацията.

Т. нар. леене с външно впръскване се използва за изделия, при които има по-високи изисквания към качеството на повърхностите. При този процес напълно се елиминират външните всмукнатини, образувани традиционно при леенето на пластмаси под налягане. Стресът и деформацията на изделието също практически отпадат. Оказването на налягане върху отливката е по-ефективно, което спомага за намаляване на общото необходимо налягане. Формованите с външно впръскване на газ изделия се отличават с изключително висока пространствена стабилност. Благодарение на по-малките необходими сили за затягане на леяковите форми, тук също е възможно изработването на по-едрогабаритни отливки на по-малки машини с намалена консумация на енергия и по-малко износване на матриците.

Вариантът с външно впръскване на газ спомага за по-голяма свобода на дизайна, като е възможно по-плътно оребряване с по-тънки стени на изделието, изработване на изделия с множество оребрени секции, както и на плоски продукти от полиетилен и полипропилен.

При модификацията на леенето под налягане с вътрешно впръскване на газ са възможни и множество подвариации на метода – с единично впръскване, със стъпково впръскване на малки дози, с експулиране на пластмасата, с подвижно ядро на леяковата форма, както и с комбинирано външно и вътрешно впръскване. Всяка от версиите на технологията се отличава с различни предимства и е подходяща за широк кръг от производствени приложения. Основна полза при вътрешното впръскване на инертен газ във все още разтопената пластмаса е възможността да се поддържа налягането във вътрешността на изделието докато се втвърди и отдели от повърхността на матрицата без да е налице съществено свиване, както и това да се извършва независимо от момента на втвърдяване на материала в зоната на подаване на стопилка.

 

Материали, оборудване и приложения

За леене под налягане с впръскване на газ са подходящи широк асортимент от материали, сред които полипропилен (PP), акрилонитрил бутадиен стирен (ABS), удароустойчив полистирол (HIPS), поликарбонат, полипропилен карбонат (PPC), както и найлон (включително такъв със стъклени пълнители).

Подходящият дизайн на леяковите форми и анализът на вътрешната структура на матриците са от изключително значение за ефективното и безпроблемно осъществяване на леенето на пластмаси под налягане с впръскване на газ. Дизайнът на матрицата трябва да позволява максимално ефективен процес по образуване на кухини в плътните зони на изделието. Правилната инструментална екипировка за всяко приложение се постига след задълбочен процес на изследване на приложението и проектиране на конкретно решение. С цел оптимални резултати при производството на матрици за тази технология се използват роботизирани системи и други съвременни средства за автоматизация, които позволяват по-висока скорост и прецизност на работа. За изработката на леякови форми обикновено се залага на механично обработена стомана.

Що се отнася до оперативните разходи, инвестициите в специализирани матрици за леене под налягане с впръскване на газ обикновено са по-високи в сравнение с тези при конвенционалното инжекционно формоване на пластмаси. Високата ефективност на метода и отличното качество на шприцваните чрез впръскване на газ изделия обаче го правят предпочитан от много производители в редица съвременни приложения.

Процесът е подходящ за оптимизиране на резултатите в множество традиционни индустрии, включително в автомобилостроенето. Популярни приложни области на шприцването с впръскване на газ са: производството на външни и вътрешни автомобилни компоненти, играчки, дръжки за домакинска техника и други електроуреди, корпуси за компютри и медицинско оборудване, големи капаци и панели за офис оборудване и различни индустриални машини и техника, мебели, компоненти за косачки, волани, спортни принадлежности, едрогабаритни изделия с ребра и издатини, както и дълги тръбовидни изделия като дръжки за лопати например.

 

Предимства

Водещо предимство на леенето под налягане с впръскване на газ в сравнение с конвенционалното шприцване на пластмаси е потенциалът за икономии на материал и разходи в дългосрочен план при производството на дебелостенни изделия с до 40%.

В процеса се използва много по-малко общо количество материал, тъй като е елиминиран допълнителният етап на запълване на празнините след свиване на изделието вследствие на охлаждане. Образуването на кухини в по-плътните изделия спомага за по-леки и икономични продукти, търсени днес от все повече крайни клиенти. В допълнение, производствените цикли при този вариант на технологията се съкращават с над 50% в сравнение със стандартното инжекционно формоване на дебелостенни изделия. При липсата на плътно ядро, което трябва да се охлади, изделието изстива много по-бързо, което позволява по-скорошно изваждане на готовата отливка и реализиране на по-голям брой работни цикли за единица време. Не е за пренебрегване и по-гладката и качествена повърхност на готовите изделия, при които липсват функционални дефекти като т. нар. всмуквания, типично характерни за традиционното шприцване.

Предимствата на леенето на пластмаси под налягане с външно впръскване на газ включват именно високо повърхностно качество на крайното изделие, което се допълва от разширен обхват на приложение на метода вследствие на възможностите различни по габарит продукти да се произвеждат на една и съща машина.

Ефектът от задържането на налягането във вътрешността на матрицата до окончателното втвърдяване на отливката спомага за много по-добри функционални характеристики на крайния продукт, включително по-висока издръжливост и устойчивост на деформация, както и по-голяма твърдост на огъване.

Голямата свобода на дизайна при тази разновидност позволява ефективното производство на сложни изделия с множество различни функционални зони, например тънко- и дебелостенни сегменти. По-малкото на брой входни точки на впръскване на разтопената пластмаса пък спомагат за редуциране на излишния материал, който се образува по каналите на матрицата и налага последващо обрязване или друга финишна обработка на изделието. Тези по-малко на брой входни отвори позволяват и по дълги отсеци на движение на стопилката, но без риск от компромис с равномерността в дебелината на стената на изделията (дори при тънкостенни продукти) поради възможността газовите канали равномерно да разпределят и изтъняват разтопената пластмаса по кухините на леяковата форма.

Изкривяването и деформацията на отливките са водещи проблеми при стандартното шприцване на разтопена пластмаса поради високите нива на термичен и механичен стрес, характерни за процеса, особено при вторичното запълване. Обикновено зоните, подлежащи на най-много деформация, са по линията на разливане на стопилката в матрицата. Изкривяването на вътрешността на материала може да не бъде открито при стандартните крайни тестове на изделието, но да доведе до значително влошаване на експлоатационните му характеристики в практиката, както и до промяна в размерите му. Взаимовръзката между по-ефективното управление на разливането и втвърдяването с помощта на газовите канали, по-ниските необходими налягания и по-малкото количество енергия за целта прави метода по-рентабилна алтернатива на конвенционалното шприцване.

Както всеки производствен процес, така и леенето под налягане с впръскване на газ има своите недостатъци и ограничения. Традиционно това е комплексен метод, който изисква задълбочен и следователно по-скъп анализ на потока на стопилката с цел проектиране на оптимални матрици, които от своя страна също са с по-висока цена в сравнение с тези при конвенционалното шприцване. Въвеждането на газ в процеса не само означава още един консуматив, но и множество нови променливи в работните параметри, които трябва да бъдат прецизно наблюдавани и управлявани. Правилният контрол върху впръскването на газ гарантира равномерно разпределение на материала, но всяко отклонение би могло да доведе до нежелани структурни дефекти в изделието.

 

Новият брой 5/2020

брой 5-2020

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top