Литье под давлением
Литье под давлением (американское написание: литье под давлением ) — это производственный процесс изготовления деталей путем впрыскивания расплавленного материала в форму или форму . Литье под давлением может выполняться с множеством материалов, в основном включая металлы (для которых этот процесс называется литьем под давлением ), стекла , эластомеры , кондитерские изделия и, чаще всего, термопластичные и термореактивные полимеры. Материал для детали подается в нагретый цилиндр, перемешивается (с помощью винтового шнека) и впрыскивается в полость формы , где он охлаждается и затвердевает до конфигурации полости. [1] : 240 После того, как продукт спроектирован, обычно промышленным дизайнером или инженером , изготовитель форм (или изготовитель инструментов) изготавливает формы из металла , обычно стали или алюминия , и подвергает их точной механической обработке для формирования характеристик желаемой детали. Литье под давлением широко используется для изготовления самых разных деталей, от самых маленьких компонентов до целых панелей кузова автомобилей. Достижения в 3D-печати технологии с использованием фотополимеров , которые не плавятся во время литья под давлением некоторых низкотемпературных термопластов, могут быть использованы для некоторых простых литьевых форм.
Для литья под давлением используется специальная машина, состоящая из трех частей: узла впрыска, формы и зажима. Детали, предназначенные для литья под давлением, должны быть очень тщательно спроектированы, чтобы облегчить процесс литья; Необходимо учитывать материал, из которого изготовлена деталь, желаемую форму и особенности детали, материал формы и свойства формовочной машины. Такая широта конструктивных решений и возможностей способствует универсальности литья под давлением.
Приложения
[ редактировать ]Литье под давлением используется для создания многих вещей, таких как катушки с проволокой , упаковка , крышки для бутылок , автомобильные детали и компоненты, игрушки, карманные расчески , некоторые музыкальные инструменты (и их части), цельные стулья и небольшие столики, контейнеры для хранения, механические детали (включая шестерни) и большинство других пластиковых изделий, доступных сегодня. Литье под давлением — наиболее распространенный современный метод изготовления пластиковых деталей; он идеально подходит для производства больших объемов одного и того же объекта. [2]
Характеристики процесса
[ редактировать ]
При литье под давлением используется толкатель или плунжер винтового типа, который нагнетает расплавленный пластик или резину в полость формы; он затвердевает и принимает форму, соответствующую контуру формы. Чаще всего он используется для обработки как термопластичных , так и термореактивных полимеров , при этом объем использования первых значительно выше. [3] : 1–3 Термопласты широко распространены благодаря характеристикам, которые делают их очень подходящими для литья под давлением, таким как простота переработки, универсальность для широкого спектра применений, [3] : 8–9 и способность размягчаться и течь при нагревании. Термопласты также имеют элемент безопасности по сравнению с термореактивными; Если термореактивный полимер не выбрасывается из инжекционного цилиндра своевременно, может произойти химическое сшивание , вызывающее заклинивание шнека и обратных клапанов и потенциальное повреждение термопластавтомата. [3] : 3
Литье под давлением представляет собой впрыскивание сырья под высоким давлением в форму, которая придает полимеру желаемую форму. [3] : 14 Пресс-формы могут иметь одну или несколько полостей. В пресс-формах с несколькими полостями каждая полость может быть идентичной и образовывать одни и те же детали, или может быть уникальной и образовывать множество различных геометрических форм в течение одного цикла. Формы обычно изготавливаются из инструментальной стали , но из нержавеющей стали для определенных применений подходят формы и алюминия. Алюминиевые формы обычно плохо подходят для крупносерийного производства или изготовления деталей с узкими размерными допусками, поскольку они имеют худшие механические свойства и более склонны к износу, повреждению и деформации во время циклов впрыска и зажима; однако алюминиевые формы экономически эффективны при небольших объемах производства, поскольку затраты и время на изготовление форм значительно сокращаются. [1] Многие стальные формы рассчитаны на обработку более миллиона деталей в течение своего срока службы, а их изготовление может стоить сотни тысяч долларов.
При формовании термопластов обычно гранулированное сырье подается через бункер в нагретую бочку с возвратно-поступательным шнеком. При входе в барабан температура увеличивается, а силы Ван-дер-Ваальса, противодействующие относительному течению отдельных цепей, ослабляются в результате увеличения пространства между молекулами в состояниях с более высокой тепловой энергией. Этот процесс снижает его вязкость , что позволяет полимеру течь под действием движущей силы узла впрыска. Шнек подает сырье вперед, смешивает и гомогенизирует тепловое и вязкостное распределение полимера, а также сокращает необходимое время нагрева за счет механического сдвига материала и добавления к полимеру значительного фрикционного нагрева. Материал подается через обратный клапан и собирается в передней части шнека в объем, известный как порция . Дробь — это объем материала, который используется для заполнения полости формы, компенсации усадки и создания подушки (приблизительно 10% от общего объема дроби, которая остается в стволе и не дает шнеку опуститься до дна) для передачи давления. от шнека в полость формы. Когда собирается достаточно материала, он под высоким давлением и скоростью подается в полость формования детали. Точная величина усадки зависит от используемой смолы и может быть относительно предсказуемой. [4] Чтобы предотвратить скачки давления, в процессе обычно используется положение передачи, соответствующее заполнению полости на 95–98%, когда шнек переключается с постоянной скорости на контроль постоянного давления. Часто время впрыска значительно меньше 1 секунды. Как только шнек достигает положения переноса, прикладывается давление упаковки, которое завершает заполнение формы и компенсирует термическую усадку, которая для термопластов довольно высока по сравнению со многими другими материалами. Давление уплотнения прикладывается до тех пор, пока литник (вход в полость) не затвердеет. Из-за своего небольшого размера ворота обычно затвердевают в первую очередь по всей своей толщине. [3] : 16 Как только ворота затвердеют, в полость больше не сможет попасть материал; соответственно, шнек совершает возвратно-поступательное движение и захватывает материал для следующего цикла, в то время как материал внутри формы охлаждается, чтобы его можно было выбросить и он оставался стабильным по размерам. Продолжительность охлаждения значительно сокращается за счет использования линий охлаждения, циркулирующих воду или масло от внешнего регулятора температуры. После достижения необходимой температуры форма открывается, и вперед выдвигается набор штифтов, гильз, съемников и т. д. для извлечения изделия из формы. Затем форма закрывается и процесс повторяется.
В двухзаходной форме два отдельных материала объединяются в одну деталь. Этот тип литья под давлением используется для придания ручкам мягкости, придания изделию нескольких цветов или для изготовления детали с несколькими эксплуатационными характеристиками. [5]
Для термореактивных материалов в цилиндр обычно впрыскивают два разных химических компонента. Эти компоненты немедленно начинают необратимые химические реакции, которые в конечном итоге сшивают материал в единую связанную сеть молекул. В ходе химической реакции два жидких компонента навсегда превращаются в вязкоупругое твердое вещество. [3] : 3 Затвердевание в инжекторном цилиндре и шнеке может быть проблематичным и иметь финансовые последствия; термореактивного материала поэтому жизненно важно свести к минимуму отверждение внутри цилиндра. Обычно это означает, что время пребывания и температура химических предшественников в блоке впрыска сведены к минимуму. Время пребывания можно сократить за счет минимизации объема цилиндра и максимального увеличения времени цикла. Эти факторы привели к использованию термически изолированной установки холодного впрыска, которая впрыскивает реагирующие химикаты в термически изолированную горячую форму, что увеличивает скорость химических реакций и приводит к сокращению времени, необходимого для получения затвердевшего термореактивного компонента. После затвердевания детали клапаны закрываются, изолируя систему впрыска и химические прекурсоры , а форма открывается, чтобы выбросить отлитые детали. Затем форма закрывается и процесс повторяется.
Предварительно отформованные или обработанные детали можно вставлять в полость, пока форма открыта, что позволяет материалу, введенному в следующем цикле, сформироваться и затвердеть вокруг них. Этот процесс известен как формование со вставками и позволяет одной детали содержать несколько материалов. Этот процесс часто используется для создания пластиковых деталей с выступающими металлическими винтами, чтобы их можно было многократно закреплять и отвинчивать. Этот метод также можно использовать для маркировки в форме , а пленочные крышки также можно прикреплять к формованным пластиковым контейнерам.
и метки выталкивателя . На конечной детали обычно присутствуют линия разъема, литник, метки ворот [3] : 98 Ни одна из этих особенностей обычно нежелательна, но они неизбежны из-за природы процесса. Метки литника возникают на литнике, соединяющем каналы подачи расплава (литник и желоб) с полостью формования детали. Следы на линии разъема и штифте выталкивателя возникают в результате незначительных смещений, износа, газовых выбросов, зазоров между соседними деталями, находящимися в относительном движении, и/или различий в размерах плавких поверхностей, контактирующих с впрыскиваемым полимером. Различия в размерах могут быть связаны с неоднородной деформацией , вызванной давлением во время впрыска, допусками обработки , а также неравномерным тепловым расширением и сжатием компонентов формы, которые подвергаются быстрому циклическому циклированию на этапах впрыска, упаковки, охлаждения и выталкивания в процессе. . Компоненты пресс-формы часто изготавливаются из материалов с различными коэффициентами теплового расширения. Эти факторы невозможно одновременно учесть без астрономического увеличения стоимости проектирования, изготовления , обработки и качества контроля . Умелый дизайнер пресс-форм и деталей, если это возможно, размещает эти эстетические недостатки в скрытых местах.
История
[ редактировать ]В 1846 году британский изобретатель Чарльз Хэнкок, родственник Томаса Хэнкока , запатентовал термопластавтомат. [6]
Американский изобретатель Джон Уэсли Хаятт вместе со своим братом Исайей запатентовал одну из первых термопластавтоматов в 1872 году. [7] Эта машина была относительно простой по сравнению с машинами, используемыми сегодня: она работала как большая игла для подкожных инъекций , используя поршень для впрыскивания пластика через нагретый цилиндр в форму. На протяжении многих лет отрасль развивалась медленно, производя такие продукты, как воротники , пуговицы и гребни для волос (хотя в целом пластик в его современном определении является более поздней разработкой, примерно в 1950-х годах ).
Немецкие химики Артур Эйхенгрюн и Теодор Беккер в 1903 году изобрели первые растворимые формы ацетата целлюлозы, который был гораздо менее горючим, чем нитрат целлюлозы . [8] В конечном итоге он стал доступен в виде порошка, из которого его можно было легко отлить под давлением. Артур Эйхенгрюн разработал первый пресс для литья под давлением в 1919 году. В 1939 году Артур Эйхенгрюн запатентовал метод литья под давлением пластифицированного ацетата целлюлозы.
Промышленность быстро развивалась в 1940-х годах, поскольку Вторая мировая война создала огромный спрос на недорогую продукцию массового производства. [9] В 1946 году американский изобретатель Джеймс Уотсон Хендри построил первую шнековую литьевую машину, которая позволяла гораздо точнее контролировать скорость впрыска и качество производимых изделий. [10] Эта машина также позволяла смешивать материал перед инъекцией, так что цветной или переработанный пластик можно было добавлять к первичному материалу и тщательно перемешивать перед инъекцией. В 1970-х годах Хендри разработал первый процесс литья под давлением с использованием газа , который позволил производить сложные полые изделия, которые быстро охлаждались. Это значительно улучшило гибкость конструкции, а также прочность и качество изготавливаемых деталей, одновременно сократив время производства, стоимость, вес и количество отходов. К 1979 году производство пластмасс обогнало производство стали, а к 1990 году алюминиевые формы стали широко использоваться при литье под давлением. [11] Сегодня шнековые литьевые машины составляют подавляющее большинство всех литьевых машин.
Индустрия литья пластмасс под давлением за прошедшие годы превратилась из производства расчесок и пуговиц в производство широкого спектра продукции для многих отраслей, включая автомобильную, медицинскую, аэрокосмическую, потребительские товары, игрушки, сантехнику , упаковку и строительство. [12] : 1–2
Примеры полимеров, наиболее подходящих для этого процесса
[ редактировать ]Можно использовать большинство полимеров, иногда называемых смолами, включая все термопласты, некоторые термореактивные материалы и некоторые эластомеры. [13] С 1995 года общее количество доступных материалов для литья под давлением увеличивалось на 750 штук в год; Когда началась эта тенденция, было доступно около 18 000 материалов. [14] Доступные материалы включают сплавы или смеси ранее разработанных материалов, поэтому разработчики изделий могут выбрать из огромного выбора материал с лучшим набором свойств. Основными критериями выбора материала являются прочность и функциональность, необходимые для конечной детали, а также стоимость, но также каждый материал имеет разные параметры формования, которые необходимо учитывать. [12] : 6 Другие соображения при выборе материала для литья под давлением включают модуль упругости при изгибе или степень, до которой материал можно согнуть без повреждения, а также тепловое отклонение и водопоглощение. [15] Обычные полимеры, такие как эпоксидная смола и фенольная смола, являются примерами термореактивных пластиков, тогда как нейлон , полиэтилен и полистирол являются термопластичными. [1] : 242 До сравнительно недавнего времени пластиковые пружины были невозможны, но достижения в области свойств полимеров сегодня делают их вполне практичными. Приложения включают пряжки для крепления и отсоединения лямок уличного снаряжения.
Оборудование
[ редактировать ]
Машины для литья под давлением состоят из бункера для материала, плунжера или плунжера винтового типа и нагревательного устройства. [1] : 240 Также известные как плиты, они удерживают формы, в которых формируются компоненты. Прессы оцениваются по тоннажу, который выражает величину зажимного усилия, которое может оказать машина. Эта сила удерживает форму закрытой во время процесса впрыска. [16] Тоннаж может варьироваться от менее 5 тонн до более 9000 тонн, причем более высокие цифры используются в сравнительно небольшом количестве производственных операций. Общая необходимая сила зажима определяется площадью проекции отливаемой детали. Эта проецируемая площадь умножается на усилие прижима от 1,8 до 7,2 тонны на каждый квадратный сантиметр проецируемой площади. Как правило, 4 или 5 тонн/дюйм. 2 может использоваться для большинства продуктов. Если пластик очень жесткий, для заполнения формы требуется большее давление впрыска и, следовательно, больший тоннаж зажима, чтобы удерживать форму в закрытом состоянии. [12] : 43–44 Требуемая сила также может определяться используемым материалом и размером детали. Для более крупных деталей требуется более высокая сила зажима. [13]
Форма
[ редактировать ]Пресс-форма или штамп — это общие термины, используемые для описания инструмента, используемого для изготовления пластиковых деталей при литье.
Поскольку производство пресс-форм было дорогостоящим, их обычно использовали только в массовом производстве, где производились тысячи деталей. Типичные формы изготавливаются из закаленной стали , предварительно закаленной стали, алюминия и/или бериллиево-медного сплава. [17] : 176 Выбор материала для формы основан не только на соображениях стоимости, но также во многом зависит от жизненного цикла продукта . Вообще говоря, те, кто повзрослел, будут лучше выбирать материалы для массового производства продукции и надеются, что чем больше время круга формы, тем лучше, так что общая стоимость будет снижена. Для тех, кто только что разработал, не очень зрелый, просто хочет производить мелкосерийную рыночную тестовую продукцию, выбор материала часто заключается в более низкой стоимости алюминиевого сплава и так далее. Эти формы называются быстрыми инструментами . Как правило, изготовление стальных форм обходится дороже, но их более длительный срок службы компенсирует более высокие первоначальные затраты из-за большего количества деталей, изготовленных до износа. Формы из предварительно закаленной стали менее износостойкие и используются для изготовления компонентов меньшего объема или более крупных компонентов; их типичная твердость стали составляет 38–45 по шкале Роквелла-С . Формы из закаленной стали подвергаются термообработке после механической обработки; они намного превосходят их по износостойкости и сроку службы. Типичная твердость составляет от 50 до 60 по Роквеллу-C (HRC). Алюминиевые формы могут стоить значительно дешевле, а при проектировании и обработке на современном компьютеризированном оборудовании они могут быть экономичными для формования десятков или даже сотен тысяч деталей. Бериллиевая медь используется в областях формы, где требуется быстрый отвод тепла, или в областях, где выделяется наибольшее количество тепла сдвига. [17] : 176 Формы могут быть изготовлены либо с помощью станков с ЧПУ, либо с использованием электроэрозионной обработки процессов .
- Пресс-форма для литья под давлением с боковыми тягами
Сторона «А» матрицы для 25% стеклонаполненного ацеталя с 2 боковыми тягами.
Съемная вставка со стороны «А» крупным планом.
Сторона B матрицы с боковыми приводами.
Вставка снята с матрицы.
Дизайн пресс-формы
[ редактировать ]
Пресс-форма состоит из двух основных компонентов: литьевой формы (пластина А) и выталкивающей формы (пластина В). Эти компоненты также называются формовщиками и формовщиками . Пластиковая смола поступает в форму через литник или затвор в литьевой форме; литниковая втулка должна плотно прилегать к соплу литьевого цилиндра формовочной машины и обеспечивать вытекание расплавленного пластика из цилиндра в форму, также известную как полость. [12] : 141 Литниковая втулка направляет расплавленный пластик к изображениям полости через каналы, прорезанные на торцах пластин A и B. Эти каналы позволяют пластику течь по ним, поэтому их называют бегунками. [12] : 142 Расплавленный пластик проходит через направляющую, попадает в один или несколько специализированных затворов и в полость. [18] : 15 геометрия для формирования желаемой детали.
Количество смолы, необходимое для заполнения литника, желоба и полостей формы, составляет «выстрел». Захваченный воздух в форме может выходить через вентиляционные отверстия, врезанные в линию разъема формы, или вокруг выталкивающих штифтов и направляющих, размер которых немного меньше, чем удерживающие их отверстия. Если захваченному воздуху не дать выйти, он сжимается давлением поступающего материала и выдавливается в углы полости, где препятствует заполнению, а также может вызвать другие дефекты. Воздух может даже стать настолько сжатым, что воспламенится и сожжет окружающий пластиковый материал. [12] : 147
Чтобы обеспечить возможность извлечения формованной детали из формы, элементы формы не должны нависать друг над другом в направлении открытия формы, за исключением случаев, когда части формы предназначены для перемещения между такими выступами при открытии формы с использованием компонентов, называемых подъемниками.
Стороны детали, которые кажутся параллельными направлению вытяжки (ось положения сердцевины (отверстия) или вставки параллельна движению формы вверх и вниз при ее открытии и закрытии) [18] : 406 обычно слегка наклонены, что называется уклоном, чтобы облегчить извлечение детали из формы. Недостаточная тяга может привести к деформации или повреждению. Тяга, необходимая для снятия формы, в первую очередь зависит от глубины полости; чем глубже полость, тем больше необходима тяга. При определении требуемой осадки также необходимо учитывать усадку. [18] : 332 Если оболочка слишком тонкая, то формованная деталь имеет тенденцию сжиматься на ядрах, образующихся при охлаждении, и прилипать к этим сердцевинам, или деталь может деформироваться, скручиваться, вздуваться или трескаться, когда полость удаляется. [12] : 47
Форма обычно проектируется таким образом, что отлитая деталь надежно остается на стороне выталкивателя (B) формы, когда она открывается, и вытягивает желоб и литник со стороны (A) вместе с деталями. Затем деталь свободно падает при выбрасывании со стороны (B). Туннельные ворота, также известные как подводные ворота или ворота формы, расположены ниже линии разъема или поверхности формы. На поверхности формы по линии разъема вырезается отверстие. Формованная деталь вырезается (формой) из направляющей системы при извлечении из формы. [18] : 288 Выталкивающие штифты, также известные как выбивные штифты, представляют собой круглые штифты, помещенные в любую половину формы (обычно в половину выталкивателя), которые выталкивают готовое формованное изделие или систему направляющих из формы. [12] : 143 Выброс изделия с помощью штифтов, гильз, съемников и т. д. может вызвать нежелательные отпечатки или деформации, поэтому при проектировании формы необходимо соблюдать осторожность.
Стандартный метод охлаждения заключается в пропускании охлаждающей жидкости (обычно воды) через ряд отверстий, просверленных в пластинах формы и соединенных шлангами, образующих непрерывный путь. Охлаждающая жидкость поглощает тепло от формы (которая поглотила тепло от горячего пластика) и поддерживает в форме необходимую температуру для затвердевания пластика с наиболее эффективной скоростью. [12] : 86
Чтобы облегчить обслуживание и вентиляцию, полости и сердцевины разделены на части, называемые вставками , и узлы, также называемые вставками , блоками или погонными блоками . Заменяя взаимозаменяемые вставки, в одной форме можно изготовить несколько вариантов одной и той же детали.
Более сложные детали изготавливаются с использованием более сложных форм. Они могут иметь секции, называемые направляющими, которые перемещаются в полость, перпендикулярную направлению вытяжки, образуя нависающие элементы детали. Когда форма открывается, направляющие отделяются от пластиковой части с помощью неподвижных «угловых штифтов» на неподвижной половине формы. Эти штифты входят в пазы направляющих и заставляют направляющие двигаться назад, когда движущаяся половина формы открывается. Затем деталь выбрасывается, и форма закрывается. Закрывающее действие формы приводит к перемещению направляющих вперед вдоль угловых штифтов. [12] : 268
Пресс-форма может производить несколько копий одних и тех же деталей за один «выстрел». Количество «впечатлений» в форме этой детали часто ошибочно называют кавитацией. Инструмент с одним оттиском часто называют пресс-формой с одним оттиском (полостью). [19] : 398 Пресс-форму с двумя и более полостями для одинаковых деталей обычно называют пресс-формой с несколькими оттисками (полостями). (Не путать с «многократным формованием » {которое рассматривается в следующем разделе.}) [19] : 262 Некоторые формы для крупносерийного производства (например, формы для бутылочных крышек) могут иметь более 128 полостей.
В некоторых случаях инструмент с несколькими полостями позволяет формовать несколько разных деталей в одном инструменте. Некоторые производители инструментов называют эти формы семейными формами, поскольку все детали связаны друг с другом, например, наборы пластиковых моделей. [20] : 114
Некоторые формы позволяют повторно вставлять ранее отлитые детали, чтобы вокруг первой детали образовался новый пластиковый слой. Это часто называют переформованием. Эта система позволяет производить цельные шины и колеса.
Пресс-формы для высокоточных и чрезвычайно мелких деталей, полученных методом микролитья под давлением, требуют особого внимания на этапе проектирования, поскольку смолы материала реагируют иначе, чем их полноразмерные аналоги, где им приходится быстро заполнять эти невероятно маленькие пространства, что подвергает их интенсивным сдвиговым нагрузкам. [22]
Многократное формование
[ редактировать ]
Двух-, двух- или многозаходные формы предназначены для «переформовки» в рамках одного цикла формования и должны обрабатываться на специализированных термопластавтоматах с двумя или более узлами впрыска. На самом деле этот процесс представляет собой процесс литья под давлением, выполняемый дважды , и поэтому может допускать лишь гораздо меньшую погрешность. На первом этапе материалу базового цвета придается базовая форма, в которой есть места для второго кадра. Затем в эти пространства методом литья под давлением вливается второй материал другого цвета. кнопки и клавиши , изготовленные таким способом, имеют маркировку, которая не стирается и остается разборчивой при интенсивном использовании. Например, [12] : 174
Хранение пресс-форм
[ редактировать ]Производители делают все возможное, чтобы защитить нестандартные формы из-за их высоких средних затрат. Поддерживается идеальный уровень температуры и влажности, чтобы обеспечить максимально длительный срок службы каждой индивидуальной формы. Нестандартные формы, например те, что используются для литья резины под давлением, хранятся в условиях с контролируемой температурой и влажностью, чтобы предотвратить деформацию.
Инструментальные материалы
[ редактировать ]Часто используется инструментальная сталь. Мягкая сталь, алюминий, никель или эпоксидная смола подходят только для прототипов или очень коротких производственных серий. [1] Современный твердый алюминий (сплавы 7075 и 2024) при правильной конструкции пресс-форм позволяет легко изготавливать пресс-формы со сроком службы 100 000 и более деталей при правильном обслуживании пресс-формы. [23]
Обработка
[ редактировать ]Пресс-формы изготавливаются двумя основными методами: стандартной механической обработкой и электроэрозионной обработкой . Стандартная механическая обработка в ее традиционной форме исторически была методом изготовления литьевых форм. С развитием технологий обработка с ЧПУ стала преобладающим средством изготовления более сложных форм с более точными деталями за меньшее время, чем традиционные методы.
Электроэрозионная обработка (EDM) или процесс искровой эрозии стали широко использоваться при изготовлении пресс-форм. Этот процесс не только позволяет формировать формы, которые трудно обрабатывать на станке, но и позволяет придавать форму предварительно закаленным формам, так что термическая обработка не требуется. Изменения закаленной формы путем обычного сверления и фрезерования обычно требуют отжига для смягчения формы с последующей термообработкой для ее повторного упрочнения. Электроэрозионная обработка — это простой процесс, при котором фасонный электрод, обычно изготовленный из меди или графита, очень медленно и в течение многих часов опускается на поверхность формы, погруженной в парафиновое масло (керосин). Напряжение, приложенное между инструментом и формой, вызывает искровую эрозию поверхности формы в форме обратной формы электрода. [24]
Расходы
[ редактировать ]Количество полостей, включенных в форму, напрямую влияет на стоимость формования. Меньшее количество полостей требует гораздо меньше работы с оснасткой, поэтому ограничение количества полостей снижает первоначальные производственные затраты на изготовление литьевой формы.
Поскольку количество полостей играет жизненно важную роль в затратах на формование, так же важна и сложность конструкции детали. Сложность может зависеть от многих факторов, таких как обработка поверхности, требования к допускам, внутренняя или внешняя резьба, точная детализация или количество поднутрений, которые могут быть включены. [25]
Дополнительные детали, такие как поднутрения или любые другие элементы, требующие дополнительных инструментов, увеличивают стоимость пресс-формы. Обработка поверхности стержня и полости форм дополнительно влияет на стоимость.
Процесс литья резины под давлением дает высокий выход долговечных изделий, что делает его наиболее эффективным и экономически выгодным методом литья. Последовательные процессы вулканизации, включающие точный контроль температуры, значительно сокращают количество отходов.
Процесс инъекции
[ редактировать ]
Обычно пластики формуют в форме гранул или гранул и отправляют от производителей сырья в бумажных мешках. При литье под давлением предварительно высушенный гранулированный пластик принудительно подается из бункера в нагретую бочку. Поскольку гранулы медленно продвигаются вперед с помощью винтового плунжера, пластик попадает в нагретую камеру, где он плавится. По мере продвижения плунжера расплавленный пластик проталкивается через сопло, которое упирается в форму, позволяя ему попасть в полость формы через систему ворот и направляющих. Форма остается холодной, поэтому пластик затвердевает почти сразу после заполнения формы. [1]
Цикл литья под давлением
[ редактировать ]Последовательность событий во время литья пластмассовой детали под давлением называется циклом литья под давлением. Цикл начинается, когда форма закрывается, после чего следует впрыск полимера в полость формы. После заполнения полости поддерживается удерживающее давление для компенсации усадки материала. На следующем этапе винт поворачивается, подавая следующий выстрел на передний винт. Это приводит к втягиванию винта при подготовке следующего выстрела. Как только деталь достаточно остынет, форма открывается и деталь выбрасывается. [26] : 13
Научное и традиционное формование
[ редактировать ]Традиционно инжекционная часть процесса формования выполнялась при одном постоянном давлении для заполнения и уплотнения полости. Однако этот метод допускал большие различия в размерах от цикла к циклу. В настоящее время чаще используется научное или раздельное формование, метод, впервые разработанный компанией RJG Inc. [27] [28] [29] При этом инжекция пластика «развязана» на этапы, что позволяет лучше контролировать размеры детали и обеспечить большую стабильность от цикла к циклу (в промышленности это обычно называют «от кадра к кадру»). Сначала полость заполняется примерно на 98% с использованием контроля скорости (скорости). Хотя давление должно быть достаточным для достижения желаемой скорости, ограничения давления на этом этапе нежелательны. Когда полость заполняется на 98%, машина переключается с управления скоростью на управление давлением , при котором полость «наполняется» при постоянном давлении, где требуется достаточная скорость для достижения желаемого давления. Это позволяет работникам контролировать размеры деталей с точностью до тысячных долей дюйма или лучше. [30]
Различные типы процессов литья под давлением
[ редактировать ]
Хотя большинство процессов литья под давлением охвачены приведенным выше описанием обычного процесса, существует несколько важных вариантов литья, включая, помимо прочего:
- Литье под давлением
- Литье металла под давлением
- Тонкостенное литье под давлением
- Литье жидкой силиконовой резины под давлением. [26] : 17–18
- Реакционное литье под давлением
- Микролитье под давлением
- Литье под давлением с использованием газа
- Технология изготовления кубических форм
- нескольких материалов под давлением Литье
Более полный список процессов литья под давлением можно найти здесь: [1]
Устранение неполадок процесса
[ редактировать ]Как и все промышленные процессы, литье под давлением может привести к образованию дефектных деталей, даже в игрушках. В области литья под давлением поиск и устранение неисправностей часто осуществляется путем проверки дефектных деталей на наличие конкретных дефектов и устранения этих дефектов с помощью конструкции формы или характеристик самого процесса. Испытания часто проводятся перед полным запуском производства, чтобы спрогнозировать дефекты и определить соответствующие спецификации для использования в процессе впрыска. [3] : 180
При первом заполнении новой или незнакомой формы, если размер порции для этой формы неизвестен, техник/наладчик инструментов может выполнить пробный запуск перед полным производственным циклом. Они начинаются с небольшого веса порции и постепенно заполняются, пока форма не заполнится на 95–99%. Достигнув этого, они применяют небольшое удерживающее давление и увеличивают время выдержки до тех пор, пока не произойдет замерзание ворот (время затвердевания). Время застывания ворот можно определить, увеличив время выдержки, а затем взвесив деталь. Если вес детали не меняется, значит, литник застыл и материал в деталь больше не впрыскивается. Время затвердевания ворот имеет важное значение, поскольку оно определяет время цикла, а также качество и стабильность продукта, что само по себе является важным вопросом в экономике производственного процесса. [31] Удерживающее давление увеличивают до тех пор, пока детали не освободятся от раковин и не будет достигнут вес детали.
Дефекты литья
[ редактировать ]Литье под давлением — сложная технология, связанная с возможными производственными проблемами. Они могут быть вызваны либо дефектами форм, либо, чаще, самим процессом формования. [3] : 47–85
| Дефекты литья | Альтернативное название | Описания | Причины |
|---|---|---|---|
| Волдырь | образование волдырей | Выпуклая или слоистая зона на поверхности детали | Инструмент или материал слишком горячий, что часто происходит из-за недостаточного охлаждения вокруг инструмента или неисправного нагревателя. |
| Следы ожогов | Воздушный ожог/газовый ожог/дизельное топливо/следы газа/следы ударов | Черные или коричневые обгоревшие участки на деталях, расположенных в самых дальних точках от ворот или в местах скопления воздуха. | В инструменте отсутствует вентиляция, скорость впрыска слишком высока. |
| Цветные полосы | Локальное изменение цвета. | Мастербатч не смешивается должным образом, или материал закончился, и он начинает проявлять себя как натуральный. Предыдущий окрашенный материал «затягивается» в сопло или обратный клапан. | |
| Загрязнение | Нежелательный или посторонний материал | В продукте наблюдается различный цвет, что ослабляет продукт. | Плохой материал, полученный из-за неправильной политики переработки или повторного измельчения; может включать мусор с пола, пыль и мусор. |
| Расслаивание | Тонкие слюдяные слои образовались в частичной стенке. | Загрязнение материала, например, смесью полипропилена с АБС-пластиком , очень опасно, если деталь используется для критически важных с точки зрения безопасности применений, поскольку материал имеет очень низкую прочность при расслоении, поскольку материалы не могут склеиться. | |
| Вспышка | Избыток материала в тонком слое, превышающий нормальную геометрию детали | Пресс-форма переполнена или линия разъема на инструменте повреждена, слишком большая скорость впрыска/впрыска материала, слишком низкое усилие зажима. Причиной также может быть грязь и загрязнения вокруг поверхностей инструментов. | |
| Встроенные загрязнения | Встроенные частицы | Инородные частицы (сгоревший материал или другое), попавшие в деталь | Частицы на поверхности инструмента, загрязненный материал или инородный мусор в цилиндре, или слишком большое сдвиговое тепло, вызывающее сжигание материала перед инъекцией. |
| Метки потока | Линии потока | Направленные волнистые линии или узоры «не в тон». | Слишком низкая скорость впрыска (пластик слишком сильно остыл во время впрыска, скорость впрыска следует устанавливать настолько высокой, насколько это соответствует используемому процессу и материалу). |
| Ворота Румяна | Ореол или румянец | Круглый узор вокруг литника, обычно проблема только для горячеканальных форм. | Скорость впрыска слишком высока, размер литника/литника/литника слишком мал или температура расплава/формы слишком низкая. |
| Струйная очистка | Струйная струя представляет собой змеевидный поток, который возникает, когда расплав полимера проталкивается с высокой скоростью через ограниченные области. | Плохая конструкция инструмента, положение ворот или направляющая. Установлена слишком высокая скорость впрыска. Плохая конструкция литников, из-за которой слишком мало разбухает матрица и возникает струйная струя. | |
| Вяжем линии | Линии сварки | Небольшие линии на обратной стороне штифтов или окон в частях, которые выглядят как просто линии. | Вызывается обтеканием фронтом расплава объекта, стоящего в пластиковой детали, а также в конце заливки, где фронт плавления снова сходится. Могут быть сведены к минимуму или устранены с помощью исследования потока пресс-формы, когда пресс-форма находится на этапе проектирования. После изготовления формы и установки литника минимизировать этот недостаток можно только путем изменения температуры расплава и формы. |
| Деградация полимера | Разрушение полимеров в результате гидролиза , окисления и т. д. | Излишек воды в гранулах, чрезмерная температура в цилиндре, чрезмерная скорость шнека, вызывающая высокую температуру сдвига, слишком долгое нахождение материала в цилиндре, использование слишком большого количества переизмельченного материала. | |
| Следы раковины | Раковины | Локализованная депрессия (в более толстых зонах) | Слишком малое время выдержки/давление, слишком короткое время охлаждения; в случае горячеканальных каналов без литников это также может быть вызвано слишком высокой температурой затвора. Излишек материала или слишком толстые стенки. |
| Короткий выстрел | Короткая заливка, незаполнение или короткая форма | Частичная часть | Недостаток материала, слишком низкая скорость или давление впрыска, слишком холодная форма, отсутствие газовых отверстий. |
| Отметки расширения | След от брызг или серебряные полосы | Обычно появляется в виде серебряных полос вдоль рисунка течения, однако, в зависимости от типа и цвета материала, они могут представлять собой небольшие пузырьки, образовавшиеся из-за захваченной влаги. | Влага в материале, обычно при гигроскопичных неправильной сушке смол. Захват газа в «реберных» зонах из-за чрезмерной скорости закачки в этих зонах. Материал слишком горячий или слишком сильно срезается. |
| вязкость | Стринговые или длинные ворота | Строка, подобная остатку предыдущего кадра, переносится в новый кадр. | Слишком высокая температура сопла. Шибер не замерз, нет разжатия винта, нет поломки литника, плохое расположение лент нагревателя внутри инструмента. |
| Пустоты | Пустое пространство внутри детали (обычно используется воздушный карман) | Отсутствие удерживающего давления (удерживающее давление используется для уплотнения детали во время выдержки). Заполнение слишком быстрое, не позволяющее краям детали схватываться. Также форма может быть не совмещена (когда две половинки не центрированы должным образом, а стенки деталей имеют разную толщину). Предоставленная информация соответствует общему пониманию. Исправление: Недостаточное давление упаковки (не удержание) (давление упаковки используется для упаковки, хотя это часть во время выдержки). Слишком быстрое заполнение не приводит к такому состоянию, поскольку пустота — это раковина, которой негде было произойти. Другими словами, по мере усадки детали смола отделялась сама от себя, поскольку в полости было недостаточно смолы. Пустота может возникнуть в любой области, или деталь ограничена не толщиной, а потоком смолы и теплопроводностью , но с большей вероятностью она появится в более толстых областях, таких как ребра или выступы. Дополнительными причинами образования пустот являются нерасплавление в ванне расплава. | |
| Линия сварки | Линия вязания / Линия сращивания / Линия переноса | Обесцвеченная линия на месте встречи двух фронтов потока. | Установлена слишком низкая температура формы или материала (при соприкосновении материал холодный, поэтому они не склеиваются). Время для перехода от инъекции к транспортировке (к упаковке и выдержке) слишком рано. |
| Деформация | скручивание | Искаженная часть | Охлаждение слишком короткое, материал слишком горячий, недостаточное охлаждение вокруг инструмента, неправильная температура воды (детали прогибаются внутрь в сторону горячей стороны инструмента). Неравномерная усадка между участками детали. |
| Трещины | Сумасшедший | Неправильное сплавление двух потоков жидкости, состояние перед линией сварки. | Зазор в резьбе между деталями из-за неправильного расположения литников в деталях сложной конструкции, включая избыточное количество отверстий (необходимо предусмотреть многоточечные литники), оптимизацию процесса, правильную вентиляцию воздуха. |
Такие методы, как промышленное компьютерное сканирование, могут помочь обнаружить эти дефекты как снаружи, так и внутри.
Допуски
[ редактировать ]Допуск зависит от размеров детали. Пример стандартного допуска для размера детали из ПЭНП размером 1 дюйм с толщиной стенки 0,125 дюйма составляет +/- 0,008 дюйма (0,2 мм). [18] : 446
Требования к питанию
[ редактировать ]Мощность, необходимая для этого процесса литья под давлением, зависит от многих факторов и варьируется в зависимости от используемых материалов. В Справочном руководстве по производственным процессам говорится, что требования к мощности зависят от «удельного веса материала, температуры плавления, теплопроводности, размера детали и скорости формования». Ниже приведена таблица со страницы 243 того же справочника, который упоминался ранее, которая лучше всего иллюстрирует характеристики, относящиеся к мощности, необходимой для наиболее часто используемых материалов.
| Материал | Удельный вес [ нужны разъяснения ] | Температура плавления (°F) | Температура плавления (°С) |
|---|---|---|---|
| Эпоксидная смола | от 1,12 до 1,24 | 248 | 120 |
| Фенольный | от 1,34 до 1,95 | 248 | 120 |
| Нейлон | 1,01–1,15 | с 381 по 509 | от 194 до 265 |
| полиэтилен | от 0,91 до 0,965 | от 230 до 243 | от 110 до 117 |
| Полистирол | 1,04–1,07 | 338 | 170 |
Роботизированное формование
[ редактировать ]Автоматизация означает, что меньший размер деталей позволяет мобильной системе контроля быстрее проверять несколько деталей. Помимо установки систем контроля на автоматические устройства, многоосные роботы могут извлекать детали из формы и размещать их для дальнейших процессов. [32]
Конкретные примеры включают извлечение деталей из формы сразу после их создания, а также применение систем машинного зрения. Робот захватывает деталь после выдвижения выталкивающих штифтов, чтобы освободить деталь из формы. Затем он перемещает их либо в место хранения, либо непосредственно в систему проверки. Выбор зависит от типа продукции, а также общей компоновки производственного оборудования. Системы технического зрения, установленные на роботах, значительно улучшили контроль качества формованных деталей. Мобильный робот может более точно определить точность размещения металлического компонента и провести проверку быстрее, чем это может сделать человек. [32]
Галерея
[ редактировать ]
Lego , нижняя сторона Пресс-форма
Пресс-форма Lego, деталь нижней стороны
Пресс-форма Lego, верхняя сторона
Пресс-форма Lego, деталь верхней стороны
См. также
[ редактировать ]- Ремесло
- Проектирование пластиковых компонентов
- Формование пенопласта с прямым впрыском
- Экструзионное формование
- Литье плавких сердечников под давлением
- Гравиметрический блендер
- Хобби – литье под давлением
- Изготовление пресс-форм для литья под давлением
- Матричное формование
- Литье под давлением нескольких материалов
- Реакционное литье под давлением
- Ротационное формование
- Уретановое литье
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Тодд, Роберт Х.; Аллен, Делл К.; Альтинг, Лео (1994). Справочное руководство по производственным процессам . Индастриал Пресс, Инк.
- ^ «Обзор применения: литье под давлением» . Yaskawa America, Inc. Архивировано из оригинала 12 апреля 2006 г. Проверено 27 февраля 2009 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я Маллой, Роберт А. (1994). Проектирование пластиковых деталей для литья под давлением . Мюнхен Вена Нью-Йорк: Хансер.
- ^ «Руководство по проектированию: литье под давлением» (PDF) . Ксометрия . Архивировано (PDF) из оригинала 19 января 2018 г.
- ^ « Литье под давлением. Архивировано 8 мая 2016 г. в Wayback Machine », Meridian Products Corporation, дата обращения 26 апреля 2016 г.
- ^ Уайт, Джеймс Линдси (16 января 1991 г.). Принципы полимерной инженерной реологии . Джон Уайли и сыновья. ISBN 9780471853626 .
- ↑ Патент США № 133 229 от 19 ноября 1872 г.
- ^ Мид, Ричард Киддер; МакКормак, Гарри; Кларк, Лоуренс Т.; Склейтер, Александр Г.; Ламборн, Ллойд (27 апреля 2018 г.). «Химический век» . Издательская компания Маккриди . Проверено 27 апреля 2018 г. - через Google Книги.
- ^ «О литье под давлением» . Xcentric Mold & Engineering, Inc. Архивировано из оригинала 22 ноября 2012 года . Проверено 30 января 2013 г.
- ^ Меррил, Артур М. (1955). Технология пластмасс, Том 1 . Подразделение резиновой и автомобильной промышленности компании Hartman Communications, Incorporated, 1955 год.
- ^ Торр, Джеймс (11 апреля 2010 г.). «Краткая история литья под давлением» . AV Plastics Литье под давлением — готово !
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к Брайс, Дуглас М. (1996). Литье пластмасс под давлением: основы производственного процесса . МСП.
- ^ Перейти обратно: а б «Литье под давлением» . custompart.net . CustomPartNet. Архивировано из оригинала 01 марта 2016 г.
- ^ «Применение литья под давлением» . Преимущество инженера: дизайнерские решения . Инженеры Эдж, ООО. Архивировано из оригинала 20 августа 2013 года . Проверено 30 января 2013 г.
- ^ Группа®, Родон. «5 распространенных пластиковых смол, используемых при литье под давлением» . www.rodongroup.com .
- ^ "Приостановленный" . Середина . Архивировано из оригинала 24 марта 2018 года . Проверено 27 апреля 2018 г.
- ^ Перейти обратно: а б Розато, Дональд В.; Розато, Марлен Г. (2000). Краткая энциклопедия пластмасс . Спрингер.
- ^ Перейти обратно: а б с д и Розато, Доминик; Розато, Марлен; Розато, Дональд (2000). Справочник по литью под давлением (3-е изд.). Академическое издательство Клувер.
- ^ Перейти обратно: а б Уилан, Тони (1994). Словарь по полимерной технологии . Спрингер.
- ^ Рис, Герберт; Катоен, Брюс (2006). Выбор литьевых форм – соотношение стоимости и производительности . Издательство Хансер.
- ^ «Микросистемы» . Микросистемы . Проверено 3 ноября 2023 г.
- ^ «Микроформование против обычного формования» . Микросистемы . 16 мая 2023 г. Проверено 22 мая 2023 г.
- ^ Голдсберри, Клэр (29 августа 2012 г.). «Алюминиевые и стальные инструменты: какой материал лучше, как проектировать и обслуживать?» . Пластик сегодня . УБМ Канон. Архивировано из оригинала 02 сентября 2012 г.
- ^ «Литье под давлением» . Преимущество инструмента и производства . Архивировано из оригинала 20 мая 2009 г.
- ^ «Литье пластмасс под давлением – Xcentric Mold & Engineering» . xcentricmold.com . Архивировано из оригинала 7 июля 2017 года . Проверено 27 апреля 2018 г.
- ^ Перейти обратно: а б Справочник по литью под давлением (2-е изд.).
- ^ «Альманах: Основы раздельного формования» . Пластик сегодня . Июнь 2005 г. Архивировано из оригинала 2 апреля 2015 г. Проверено 16 января 2015 г.
- ^ «Реализация раздельного формования» . Программы обучения Полсона . Архивировано из оригинала 9 января 2015 года . Проверено 16 января 2015 г.
- ^ «Руководство по литью под давлением» (PDF) . Лубризол . п. 6. Архивировано из оригинала (PDF) 15 июля 2014 года . Проверено 16 января 2015 г.
- ^ «Раздельное формование (SM)» . Пластиковая сетка . Архивировано из оригинала 29 мая 2015 года . Проверено 14 января 2015 г.
- ^ Пантани, Р.; Де Сантис, Ф.; Брукато, В.; Титоманлио, Г. (2004). Анализ времени застывания литника при литье под давлением . Полимерная инженерия и наука.
- ^ Перейти обратно: а б Каллистер, Уильям Д. (2003). Материаловедение и инженерия: Введение . Джон Уайли и сыновья. ISBN 9780471135760 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Линдси, Джон А. (2012). Практическое руководство по литью резины под давлением (онлайн-авторское издание). Шобери, Шрусбери, Шропшир, Великобритания: Смитерс Рапра. ISBN 978-1847357083 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]
- Усадка и коробление - Центр инженерного проектирования Университета Санта-Клары. Архивировано 30 мая 2020 г. в Wayback Machine.
- Модель стоимости литья под давлением , VolksMolds, 2023 г.
