Литье под давлением с использованием легкоплавких (извлекаемых, растворимых) пуансонов

Технология литья с использованием легкоплавких (извлекаемых, растворимых) пуансонов (Fusible (Lost, Soluble) Core Injection Molding) разработана для производст­ва сложных изделий, имеющих полости с гладкими поверхностями и сложной гео­метрической формой. При этом изделие производится за один рабочий цикл литье­вой машины. Этот технологический процесс является одной из разновидностей ли­тья со вставкой, при котором используются легкоплавкие материалы, например, сплав висмут-олово, воск или термопластичный полимер. После завершения про­цесса формования пуансон расплавляется (или удаляется химическим растворите­лем), форма внутренних полостей отливки соответствует геометрии пуансона. Та­кой технологический процесс уменьшает число компонентов, необходимых для сборки изделия. Кроме того, он позволяет заменить пластмассой металлические де­тали, что улучшает эксплуатационные характеристики (например, коррозионную стойкость), снижает вес и стоимость, а также исключает необходимость механиче­ской обработки изделия.

Существует несколько вариантов технологии, позволяющих получать монолитные отливки с гладкими внутренними поверхностями сложной конфигурации и высо­кой стабильностью размеров, которые не могут быть получены при использовании обычного литья [1,30, 31]:

• с легкоплавким пуансоном;

• с растворимым пуансоном;

• с пуансоном из соли.

Все варианты используют одинаковый принцип: из отливки удаляется пуансон, создающий форму внутренних полостей изделия. Среди всех способов удаления пу­ансона использование легкоплавкого материала представляет собой наиболее за­тратный метод с точки зрения энергопотребления. Однако этот недостаток компен­сируется такими преимуществами, как снижение потерь материала пуансона, полу­чение более гладкой внутренней поверхности (что исключает затраты на дополнительную обработку), и ускоренный теплоотвод за счет использования более прочного металлического пуансона с высокой теплопроводностью.

Процесс литья с использованием легкоплавкого пуансона включает в себя сле­дующие этапы: Один или несколько пуансонов предварительно изготавливаются на отдель­ной литьевой машине. Если требуется более чем один пуансон, то их необходимо соединить в обойму. Затем пуансон предварительно нагревают, добиваясь равномерной темпера­туры по всему объему. Полимер впрыскивается в литьевую форму вокруг пуансона, равномерно распределяясь по его поверхности, не застывая, но и не вызывая его расплав­ления. После завершения процесса литья изделие переносится на «плавильное» устройство, где пуансон расплавляется (или растворяется) и удаляется из полого пластмассового изделия (рис. 7.9). Затем изделие промывается в воде и/или моющем растворе и поступает на следующий этап обработки после литья, а материал пуансона утилизируется и используется повторно (рециклируется). Дополнительными операциями могут быть сверление или обработка поверх­ности. В результате получается цельное полое изделие.

Чтобы уменьшить потери материала пуансона из-за окисления и снизить энерге­тические затраты, можно выбрать нужный сплав из серии эвтектических сплавов, наиболее подходящий для литья под давлением.

Такие эвтектические сплавы демонстрируют высокую стабильность размеров (с низкими коэффициентами расширения или усадки), имеют острый пик темпера­туры плавления и короткое время фазового перехода.

Рис. 7.9. Впускной коллектор, из­готовленный литьем с использова­нием легкоплавкого пуансона (слева); пуансон с отлитым изде­лием (в центре)', легкоплавкий пу­ансон из сплава висмут-олово (справа) (с разрешения BASF)

Очевидно, что температура плавления легкоплавкого сплава должна быть ниже, чем температура плавления окружающего его полимерного материала, чтобы не рас­плавить все изделие в ванне для плавления.

Основным преимуществом использования легкоплавкого пуансона является воз­можность производить цельные изделия из полимерных материалов с очень сложны­ми, гладкими внутренними поверхностями, исключив большое количество вспомога­тельных операций. Если сравнить стоимость изделия, выплавленного из алюминия и обработанного на станке, с изделием, полученным по рассматриваемой технологии, то последняя будет дешевле на 45% и легче на 75% [25]. Более того, изделия, отлитые из пластмассы, имеют более продолжительный срок службы из-за стойкости к химиче­ской коррозии и меньшего веса. К дополнительным преимуществам относятся:

• больше возможностей при конструировании;

• высокое качество поверхностей; отсутствие зон, ослабленных сваркой или на­личием соединений;

• точные размеры внутренних и внешних поверхностей и высокая структурная целостность;

• отсутствие интенсивной обработки — необходимы только вторичные операции среднего уровня сложности (зачистка, сверление, чистовая отделка и т. п.);

• более простая конструкция литьевой формы;

• небольшое количество отходов сырья от всего технологического процесса;

• возможность использования комбинированных вставок.

Основным недостатком является стоимость оборудования. Тех­нологическая линия такого рода требует наличия очень большой машины для литья под давлением, обычной литьевой машины, устройства для плавления и периферий­ного оборудования для переноски тяжелых пластиковых изделий с пуансонами из легкоплавкого материала. Кроме того, неизбежны значительные технологические расходы, которые связаны с отливкой пуансонов и большим потреблением электро­энергии, что объясняется наличием большего количества оборудования. Другим не­достатком является подготовка литьевых машин — она занимает значительное коли­чество времени из-за сложности конструкции и необходимости изготовления прото­типов изделия.

Литье с использованием легкоплавкого пуансона обычно используется для техниче­ских термопластов — ПА 6 и ПА 66, армированных стекловолокном. Другие мате­риалы: армированные стекловолокном полифенсульфид и полиарил-эфир-кетон, армированный стеклом ПП и армированный полиоксиэтилен [25].

Литье с использованием легкоплавкого пуансона до настоящего времени использу­ется в основном для изготовления воздухозаборных коллекторов автомобилей. Однако дальнейшее развитие технологии даст возможность выпускать таким методом топливопроводы, корпуса турбокомпрессоров, термостатов, подшипников, водяные краны, трубопроводы для кофеварок и душевых насадок, водопроводную арматуру, теннисные ракетки, весла, колеса для велосипедов и инвалидных колясок.

ЛИТЬЕ ГАЗОНАПОЛНЕННЫХ ПОЛИМЕРОВ

Получение вспененных материалов может осуществляться различными методами – это прессование, экструзия листов и пленок, а так же литье под давлением и инжекционно-газовое литье.

Литье пластмасс с использованием газа в настоящее время является одной из наиболее популярных литьевых технологий. В результате применения технологии литья со вспениванием получают изделия, имеющие так называемую интегральную структуру: плотную оболочку и вспененную сердцевину.

Изделия с пенистой внутренней структурой изготавливают с помощью физических (например, азота) или химических (органических и неорганических) ---порообразователей.

Литье под давлением со вспениванием обладает следующими преимуществами:

- можно изготавливать сложные толстостенные и крупногабаритные изделия без усадочных утяжек и с низким уровнем внутренних напряжений, мало склонные к короблению и другим видам деформации;

- величина усилия смыкания литьевых форм намного ниже, чем у обычных процессов литья под давлением, что дает большой экономический эффект при литье крупногабаритных изделий.

- низкое давление в формующей полости и меньшие усилия смыкания формы позволяют изготавливать формообразующие детали и литьевую форму из алюминия или «мягкой» стали.

- пористые изделия имеют более высокие тепло и звукоизоляционные характеристики.

Перечисленные преимущества делают литье под давлением со вспениванием высокоэкономичным, энерго- и материалосберегающим процессом.

Он достаточно широко распространен для изготовления таких изделий, как:

- толстостенные и полые изделия (разнообразные ручки, клюшки для гольфа, вешалки для одежды, подлокотники офисных кресел и т.д.);

- крупногабаритные изделия (автомобильные бамперы и панели приборов, корпусные детали телевизоров, мониторов, компьютеров, медицинского оборудования, оргтехники, бытовой техники, пластмассовая мебель, панели, тара, и т.д.);

- небольшие детали с высокими требованиями к качеству наружной поверхности, содержащие утолщения, ребра, бобышки.

Рис. 17. Изделия, полученные по технологии литья с газом

Основным недостатком литья под давлением со вспениванием является:

- возникновение вихревой структуры поверхности изделия.

Для улучшения внешнего вида поверхности приходится выполнять дополнительную обработку, что приводит к повышению стоимости изделия.

- Время охлаждения таких изделий больше, что связано с меньшей теплопроводностью.

- Механические свойства вспененных изделий могут быть существенно ниже, чем у обычных.

Среди используемых материалов преобладают ПЭВП и ПЭНП, ПП, ПС общего назначения, УПС, АБС, смеси АБС и поликарбоната, смеси АБС и полиамида, поливинилхлорида, полиамидов, полибутилентерефталата, полиэтилентерефталата, поликарбоната, полиацеталей, полифениленоксида, синдиотактического полистирола, термопластичных полиуретанов, полиэфирсульфона, полиэфиримида, ароматических полиэфиркетонов и др.

Вспенивание полимера может происходить по двум механизмам.

1. Литье под низким давлением со вспениванием. Вспенивание полимерного материала осуществляется за счет газа, растворенного в расплаве перед впрыском или генерируемого химическим порообразователем, который находится в смеси с полимером.

Литье под низким давлением со вспениванием начинается с пластикации системы «термопласт - химический порообразователь» в материальном цилиндре машины. В ходе пластикации химический порообразователь разлагается, выделяя газ (часто для этого необходимо ввести активатор разложения, который позволяет снизить температуру разложения порофора), большая часть которого на этой стадии остается в растворенном в расплаве состоянии под давлением. Затем осуществляется впрыск в формующую полость, продолжительность которого впрыска на 10-35 % короче нормального и зависит от глубины формующей полости и требований к плотности материала изделия после образования пористой структуры. В конце стадии впрыска образуется плотный поверхностный слой в результате быстрого охлаждения а так же, поскольку пузырьки газа вблизи поверхности формы разрушаются под воздействием механических сил сжатия.

Далее газы продолжают перемещаться, заставляя впрыснутую дозу расплава заполнять удаленные зоны полости и одновременно вспениваться, создавая пористую структуру. Формующая полость должна хорошо вентилироваться. Давление газа продолжает равномерно действовать во всех направлениях, в том числе на слои, прилегающие к формующей поверхности формы, которые в таких условиях способствуют эффективному устранению утяжин на поверхности изделия.

К моменту выталкивания изделие должно иметь температуру, при которой приобретается достаточная жесткость, чтобы без деформации выдерживать усилия, возникающие при выталкивании, и сопротивляться внутреннему давлению газа, который может появляться на поверхности изделия в виде пузырьков, после извлечения его из формы.

Литье под низким давлением со вспениванием может осуществляться на стандартном оборудовании для литья под давлением или на специальных машинах.

2. Инжекционно-газовое литье - введение газообразной технологической среды (инертный газ, например, азот) в гнездо литьевой формы происходит сразу после подачи в него расплава.

Процесс инжекционно-газового литья состоит из этапа частичного или почти полного впрыска расплава полимерного материала в форму, а затем подачи под давлением газа (обычно азота) в центр расплава через сопло ГКС, центральный литник, подводящие литники или напрямую в формую­щую полость. Вытесняемый полимерный материал продолжает свой ход по путям течения и заполняет полости, до сих пор заполненные лишь частично. Сжатый газ встречает на пути меньшее сопротивление, следуя за пе­редним фронтом расплава, где давление минимально. В результате газ проникает в расплав и формирует пустоты и каналы большого сечения внутри конструкции, за­ставляя расплав полимера заполнять и уплотнять весь объем формующей полости. Поскольку у газа отсутствует вязкость, он эффективно распределяет свое давление и проникает в самые удаленные части отливки, поэтому требуется относительно невысокое давление.

Этим способом получают изделия с оптимальным качеством поверхности, но метод требует специального оборудования для впрыска газа.

Преимуществами этого способа является:

· Низкий уровень остаточных напряжений

· Низкие усилия смыкания и более низкая склонность к короблению и утяжинам.

· повышенная жесткость изделия из-за увеличения сечения, связанного с на­личием полых каналов для распространения газа, особенно для изделий с большой, сложной структурой (они также называются изделиями с открыты­ми каналами);

· экономия сырья; более всего это относится к изделиям, имеющим форму стержней (они также называются изделиями с каналом для потока газа);

· сокращение времени охлаждения благодаря тому, что материал в зонах с большим сечением насыщен отверстиями;

· появление у конструкторов возможностей для создания более универсаль­ных изделий из-за того, что толстая и тонкая части изделия являются единым целым.

Как и любой метод, метод инжекционного литья имеет ряд недостатков:

• Поскольку литье с газом включает в себя динамическое взаимодействие между дву­мя разными средами, находящимися внутри сложной формы, то изделие, оборудо­вание и разработка технологии процесса довольно сложны и более дорогостоящи.

• Возможны различные специфические виды брака, такие как:

ü захват воздуха;

ü проникновение газа в тонкие части изделия;

ü неравномерное распространение газа внутри изделия;

ü возможность прохода газа сквозь изделие;

ü поверхностные дефекты;

ü последствия неполного заполнения;

ü вздутия поверхности.

Изделия, получаемые литьем с газом, условно могут быть разделены на три кате­гории:

• изделия в форме труб и стержней (плечики для одежды, поручни (рис. 7.14), подлокотники кресел, душевые головки и корпуса водяных кранов);

• большие изделия с многослойной структурой, внутри которой находится сис­тема каналов (панели для автомобилей, корпуса калькуляторов, садовая ме­бель и тарелки для спутниковых антенн);

• сложные изделия, состоящие из толстых и тонких профилей (модули автомо­бильных дверей (рис. 7.16), корпуса телевизионных приемников, рамы кор­пусов компьютерных принтеров и автомобильные детали).

Разновидностями инжекционно-газового литья являются:

Дата добавления: 2015-08-13