Введение

Производственный процесс для производства деталей путем впрыска расплавленного материала в форму. Литье под давлением (англ. injection molding) – это производственный процесс для производства деталей путем впрыска расплавленного материала в форму. Литье под давлением может выполняться с использованием широкого спектра материалов, включая металлы (для которых этот процесс называется литьем под давлением), стекла, эластомеры, кондитерские изделия и, наиболее часто, термопластичные и термореактивные полимеры. Материал для детали подается в нагретый цилиндр, смешивается (с помощью шнека) и впрыскивается в литьевую полость, где он охлаждается и затвердевает, принимая конфигурацию полости. После того, как изделие спроектировано, как правило, промышленным дизайнером или инженером, формы изготавливаются формовщиком (или инструментальщиком) из металла, обычно стали или алюминия, и прецизионно обрабатываются для формирования элементов требуемой детали. Литье под давлением широко используется для производства разнообразных деталей – от самых маленьких компонентов до целых панелей кузова автомобилей. Достижения в технологии 3D-печати, использующие фотополимеры, которые не плавятся в процессе литья некоторых термопластов при более низких температурах, могут применяться для изготовления некоторых простых форм для литья под давлением. Для литья под давлением используется специализированный станок, состоящий из трех основных частей: литьевой головки, формы и прижимного устройства. Детали, предназначенные для литья под давлением, должны быть тщательно спроектированы для облегчения процесса формования; необходимо учитывать материал детали, желаемую форму и особенности детали, материал формы и характеристики литьевой машины. Универсальность литья под давлением обусловлена широтой конструктивных соображений и возможностей.

Приложения

Литье под давлением используется для изготовления множества изделий, таких как катушки для проволоки, упаковка, крышки для бутылок, детали и компоненты для автомобилей, 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, представленных на рынке сегодня. Литье под давлением – наиболее распространенный современный метод производства пластиковых деталей, идеально подходящий для выпуска больших партий одинаковых изделий.

Характеристики процесса

При литье под давлением используется плунжер шнекового или рамного типа для продавливания расплавленного пластика или резины в литьевую форму; материал затвердевает, принимая форму, соответствующую контуру формы. Этот метод наиболее часто применяется для переработки как термопластов, так и термореактивных полимеров, при этом объем используемых термопластов значительно выше. Термопласты широко распространены благодаря своим характеристикам, делающим их особенно подходящими для литья под давлением, таким как простота переработки и универсальность для широкого спектра применений. Для предотвращения скачков давления в процессе обычно используется позиция переноса, соответствующая заполнению формы на 95–98%, где шнек переходит с постоянной скорости на регулирование постоянным давлением. Часто время впрыска составляет менее 1 секунды. Как только шнек достигает позиции переноса, применяется давление уплотнения, которое завершает заполнение формы и компенсирует термическую усадку, которая для термопластов относительно высока по сравнению с многими другими материалами. Давление уплотнения поддерживается до затвердевания литника (входа в полость). Благодаря небольшому размеру, литник обычно застывает первым по всей толщине. Для термореактивных материалов в цилиндр обычно впрыскиваются два различных химических компонента. Эти компоненты немедленно начинают необратимую химическую реакцию, в конечном итоге сшивающую материал в единую связанную молекулярную сеть. По мере протекания химической реакции два жидких компонента необратимо превращаются в вязкоупругое твердое вещество. Американский изобретатель Джон Уэсли Хайатт вместе со своим братом Исайей запатентовал одну из первых машин для литья под давлением в 1872 году. Эта машина была относительно простой по сравнению с современными: она работала по принципу большой гиподермической иглы, используя плунжер для впрыска пластика через нагретый цилиндр в форму. Промышленность развивалась медленно, производя такие изделия, как поддерживающие планки для воротников, пуговицы и расчески (впрочем, пластмассы в современном понимании – более позднее развитие, примерно 1950-х годов). Немецкие химики Артур Эйхенгрюна и Теодор Беккер изобрели первые растворимые формы ацетата целлюлозы в 1903 году, которые были гораздо менее горючими, чем нитрат целлюлозы. Впоследствии он стал доступен в виде порошка, из которого его легко было лить под давлением. Артур Эйхенгрюна разработал первый пресс для литья под давлением в 1919 году. В 1939 году Артур Эйхенгрюна запатентовал литье под давлением пластифицированного ацетата целлюлозы. В 1940-х годах промышленность быстро расширилась, поскольку Вторая мировая война создала огромный спрос на недорогие, массовые продукты. В 1946 году американский изобретатель Джеймс Уотсон Хендри построил первую шнековую машину для литья под давлением, которая обеспечивала гораздо более точный контроль скорости впрыска и качества производимых изделий. Эта машина также позволяла смешивать материал перед впрыском, что позволяло добавлять окрашенный или переработанный пластик к первичному материалу и тщательно перемешивать его перед впрыском. В 1970-х годах Хендри разработал первый процесс газоассистированного литья под давлением, который позволил производить сложные полые изделия с быстрым охлаждением. Это значительно повысило гибкость конструкции, а также прочность и качество поверхности изготовленных деталей, сократив время производства, стоимость, вес и количество отходов. К 1979 году производство пластмасс превысило производство стали, а к 1990 году алюминиевые формы стали широко использоваться в литье под давлением. Сегодня шнековые машины составляют подавляющее большинство всех машин для литья под давлением. Индустрия литья пластмасс под давлением эволюционировала с годами от производства расчесок и пуговиц до производства широкого спектра продукции для многих отраслей промышленности, включая автомобильную, медицинскую, аэрокосмическую, потребительскую продукцию, игрушки, сантехнику, упаковку и строительство.

Примеры полимеров, наиболее подходящих для данного процесса

Большинство полимеров, иногда называемых смолами, могут быть использованы, включая все термопласты, некоторые термореактивные материалы и некоторые эластомеры. С 1995 года общее количество доступных материалов для литья под давлением увеличивалось на 750 в год; когда эта тенденция началась, было доступно около 18 000 материалов. Доступные материалы включают сплавы или смеси ранее разработанных материалов, поэтому конструкторы могут выбрать материал с наилучшим набором свойств из огромного ассортимента. Основными критериями выбора материала являются прочность и функциональность конечной детали, а также стоимость, но каждый материал также имеет различные параметры литья, которые необходимо учитывать. Распространенные полимеры, такие как эпоксидная смола и фенол, являются примерами термореактивных пластиков, в то время как нейлон, полиэтилен и полистирол – термопласты. Усилие смыкания может варьироваться от менее 5 тонн до более 9000 тонн, при этом более высокие значения используются в относительно небольшом количестве производственных операций. Общая необходимая сила смыкания определяется площадью проекции формуемой детали. Эта площадь проекции умножается на силу смыкания от 1,8 до 7,2 тонн на каждый квадратный сантиметр площади проекции. Как правило, для большинства изделий можно использовать 4 или 5 тонн на квадратный дюйм. Если пластик очень жесткий, для заполнения формы требуется большее давление впрыска, а следовательно, большее усилие смыкания для удержания формы закрытой. Выбор материала для формы основан не только на стоимости, но и тесно связан с жизненным циклом продукта. Как правило, для продукции, достигшей зрелости и требующей массового производства, выбор материалов будет более оптимальным, и желательно, чтобы время цикла формы было как можно больше для снижения общей стоимости. Для продукции, находящейся на стадии разработки и требующей небольших партий для тестирования рынка, часто выбирают более дешевые материалы, такие как алюминиевые сплавы. Такие формы называются быстропрототипными. В целом, стальные формы дороже в изготовлении, но их более длительный срок службы компенсирует более высокую первоначальную стоимость при производстве большего количества деталей до износа. Формы из предварительно закаленной стали менее износостойки и используются для небольших объемов производства или крупных деталей; их типичная твердость стали составляет 38–45 по шкале Роквелла C. Формы из закаленной стали подвергаются термообработке после механической обработки; они значительно превосходят по износостойкости и долговечности. Типичный диапазон твердости составляет от 50 до 60 по шкале Роквелла C (HRC). Алюминиевые формы могут стоить значительно дешевле, и при проектировании и обработке с использованием современного компьютерного оборудования могут быть экономически эффективными для производства десятков или даже сотен тысяч деталей. Бериллиевая медь используется в участках формы, требующих быстрого отвода тепла, или в участках, где генерируется наибольшее тепло от сдвига. Геометрия формы определяет форму желаемой детали. Количество смолы, необходимое для заполнения литника, системы каналов и полостей формы, называется "заряд". Захваченный в форме воздух может выходить через вентиляционные отверстия, выполненные на линии расщепления формы, или вокруг выталкивателей и подвижных элементов, которые немного меньше отверстий, в которых они установлены. Если захваченный воздух не может выйти, он сжимается под давлением поступающего материала и вытесняется в углы полости, где препятствует заполнению и может вызывать другие дефекты. Воздух может сжаться настолько, что воспламенится и сожжет окружающий пластик. Форма с двумя или более полостями для одинаковых деталей обычно называется многогнездовой (многополостной) формой. (Не путать с "многокомпонентным литьем", которое рассматривается в следующем разделе.) Некоторые формы позволяют повторно вставлять ранее отформованные детали для создания нового пластикового слоя вокруг первой детали. Этот процесс часто называют переформовкой. Эта система позволяет производить цельные шины и колеса. Формы для высокоточных и чрезвычайно мелких деталей, изготавливаемых методом микролитья под давлением, требуют особой осторожности на этапе проектирования, поскольку смолы материала реагируют иначе, чем их полноразмерные аналоги, которым необходимо быстро заполнять эти крошечные пространства, что создает на них интенсивные напряжения сдвига.

Многократная литьевая обработка

Двух-, двойные или многогнездные формы предназначены для литья с последующим литьем впрыском в течение одного цикла и требуют использования специализированных литьевых машин с двумя или более литьевыми узлами. Этот процесс фактически представляет собой двойной цикл литья впрыском, что допускает значительно меньший запас погрешности. На первом этапе из материала основного цвета формуется базовая деталь, содержащая полости для второго впрыска. Затем во эти полости впрыскивается материал другого цвета. Например, кнопки и клавиши, изготовленные таким способом, имеют маркировку, которая не стирается и остается четко видимой при интенсивном использовании.

Машиностроение

Формы изготавливаются двумя основными методами: стандартной механической обработкой и электроэрозионной обработкой (ЭДМ). Стандартная механическая обработка в традиционном виде исторически являлась основным методом изготовления литьевых форм. С развитием технологий, обработка на станках с ЧПУ стала преобладающим способом изготовления более сложных форм с более точными деталями за меньшее время, чем при использовании традиционных методов. Электроэрозионная обработка (ЭДМ), или искровая эрозия, получила широкое распространение в производстве форм. Помимо возможности создания форм сложной конфигурации, данный процесс позволяет обрабатывать предварительно закаленные формы без последующей термической обработки. Внесение изменений в закаленную форму традиционными методами сверления и фрезерования обычно требует отжига для смягчения материала, а затем повторной закалки. ЭДМ – это относительно простой процесс, при котором сформированный электрод, как правило, из меди или графита, очень медленно опускается на поверхность формы на протяжении многих часов, при этом форма погружена в парафиновое масло (керосин). Напряжение, подаваемое между электродом и формой, вызывает искровую эрозию поверхности формы, формируя ее в обратном очертании электрода.

Стоимость

Количество полостей, встроенных в форму, напрямую влияет на стоимость изготовления формы. Меньшее количество полостей требует значительно меньше работы по изготовлению оснастки, поэтому ограничение числа полостей снижает первоначальные затраты на производство пресс-формы для литья под давлением. Наряду с количеством полостей, важную роль в стоимости литья играет и сложность конструкции детали. Сложность может проявляться во многих факторах, таких как отделка поверхности, требования к точности, наличие внутренних или внешних резьб, мелкие детали или количество поднутрений. Дополнительные элементы, такие как поднутрения или любые конструктивные особенности, требующие дополнительной оснастки, увеличивают стоимость формы. Отделка поверхности литьевой полости и сердечника также влияет на стоимость. Процесс литья резиновых изделий под давлением обеспечивает высокий выход прочной продукции, что делает его наиболее эффективным и экономичным методом литья. Стабильный процесс вулканизации с точным контролем температуры значительно снижает количество отходов материала.

Процесс впрыска

Обычно пластиковые материалы формируются в виде гранул или гранулята и поставляются производителями сырья в бумажных мешках. При литье под давлением предварительно высушенный гранулированный пластик подается при помощи плунжера из бункера в нагретый цилиндр. По мере медленного перемещения гранул вперед шнеком, пластик проталкивается в нагретую камеру, где расплавляется. При движении плунжера расплавленный пластик продавливается через сопло, прижатое к форме, и поступает в полость формы через литниковую систему и каналы. Форма остается холодной, поэтому пластик затвердевает практически сразу после заполнения формы.

Научная и традиционная литье

Традиционно инжекционная часть процесса формования выполнялась при одном постоянном давлении для заполнения и уплотнения полости. Однако этот метод приводил к значительным колебаниям размеров от цикла к циклу. В настоящее время более распространено научное или раздельное литье, метод, разработанный компанией RJG Inc. В этом методе впрыск пластика "разделяется" на этапы для обеспечения лучшего контроля размеров деталей и большей стабильности от цикла к циклу (в промышленности часто называют "от выстрела к выстрелу"). Сначала полость заполняется примерно на 98% с использованием управления скоростью. Хотя давление должно быть достаточным для достижения желаемой скорости, ограничения давления на этом этапе нежелательны. После заполнения полости на 98%, машина переключается с управления скоростью на управление давлением, где полость "уплотняется" при постоянном давлении, требуя достаточной скорости для достижения необходимого давления. Это позволяет контролировать размеры деталей с точностью до тысячных долей дюйма и даже выше.

Дефекты формования

Формование литьем под давлением – сложная технология, сопряженная с возможными производственными проблемами. Эти проблемы могут быть вызваны как дефектами пресс-форм, так и, чаще, самим процессом литья. Конкретные примеры включают извлечение деталей из формы сразу после их изготовления, а также использование систем машинного зрения. Робот захватывает деталь после выдвижения выталкивателей, освобождающих ее из формы. Затем он перемещает ее либо в зону удержания, либо непосредственно на систему контроля качества. Выбор зависит от типа изделия и общей компоновки производственного оборудования. Системы машинного зрения, установленные на роботах, значительно повысили контроль качества деталей, изготовленных методом литья с вставками. Мобильный робот позволяет более точно определить точность позиционирования металлического компонента и проводить контроль быстрее, чем это может сделать человек.