Литье под давлением — это один из наиболее широко распространенных методов формообразования изделий из полимерных материалов, который применяется во многих отраслях промышленности, таких как автомобильная промышленность, электроника, медицинская техника и другие. Литье термопластов позволяет изготавливать изделия сложной формы с высокой точностью соблюдения заданных размеров. Структура поверхности и форма готовой детали определяются полостью литьевой формы.
Суть процесса заключается в том, что гранулированный термопласт помещается в литейную машину, где он нагревается и плавится, превращаясь в пластичную массу. Затем расплавленная масса под высоким давлением впрыскивается в форму, которая имеет желаемую форму конечного изделия. После охлаждения и застывания полимера в форме извлекается готовое изделие.
Термопластичные полимеры, в т.ч. наполненные частицами или волокнами, применяют обычно в виде гранул. Расплавы наполненных термопластов имеют более высокую вязкость, что затрудняет формообразование.
Основными узлами литьевых машин (термопластавтоматов) являются:
— механизм пластикации;
— механизм дозирования и впрыска;
— механизм замыкания.
Используют преимущественно литьевые машины с червячным пластикатором. Такие машины обеспечивают более быстрый нагрев и более однородное поле температуры расплава, его лучшую гомогенизацию и более высокую точность дозирования.
Основные параметры литьевых машин;
— диаметр и частота вращения червяка, определяющие производительность пластикации;
— давление и объем впрыска,
— усилие запирания формы, определяющие возможности формообразования изделий;
— расстояния между колоннами и плитами, определяющие допустимые размеры литьевой формы.
При литье под давлением различают следующие основные процессы:
1. Плавление.
Гранулированный термопласт нагревается и плавится в цилиндре литьевой машины.
2. Впрыск.
Расплавленный полимер впрыскивается под высоким давлением в форму. Этот процесс требует точного дозирования и контроля давления и скорости впрыска. Процесс формообразования и качество получаемого изделия существенно зависит от распределения давления как в литниковой системе, так и в полости литьевой формы. Рисунок 1 показывает изменение давления с течением времени в различных точках литьевой системы.
Рис. 1. Изменение давления с течением времени в различных точках литьевой системы.
 |
 |
 |
 |
Явления, происходящие в формообразующей полости формы, – впрыск расплава, уплотнение материала в форме и выдержка под давлением – характеризует диаграмма изменения давления, измеренного в полости литьевой формы (рис.2).
Рис. 2. Изменение давления в полости литьевой формы с течением времени: 0−1 − впрыск расплава; 1−2 − уплотнение материала в форме; 2−3 − выдержка под давлением; 3−4 − охлаждение изделия .
Вид диаграммы коррелирует с такими основными факторами, характеризующими качество изделия, как масса, морфология, усадка, коробление. Одним из технологических показателей, определяющих поведение материла в литьевой форме, является длина затекания расплава в форме. Коэффициент сопротивления формы, параметры процесса литья (давление, скорость впрыска, температура расплава и поверхности формы), а также технологические, теплофизические свойства полимера оказывают влияние на процессы впрыска и, соответственно, на последующие эксплуатационные свойства. Для термопластичных расплавов полимеров предполагается, что на границе со стенкой формы существует прилипание, и течение жидкости имеет ламинарный характер. В процессе заполнения формы большая часть расплава участвует в почти полностью развившемся течении в узком зазоре между холодными стенками. Режим этого течения определяет время заполнения формы, ориентацию частиц наполнителя в изделии, а также условия недолива.
Наполненные полимеры имеют, в основном, повышенные значения эффективной вязкости расплава. Это приводит к более высокому сопротивлению сдвиговому деформированию. Уменьшить значения эффективной вязкости расплава можно, например, увеличив скорость впрыска и повысив температуру расплава.
При высокой скорости впрыска, особенно при литье наполненных полимеров, типично скольжение расплава относительно поверхности литниковых каналов и формы. Однако высокая скорость впрыска приводит также к нежелательным последствиям (дефекты на поверхности, коробление и т.д.).
3. Выдержка под давлением.
После заполнения полости формы до определенного объема (80-100% в зависимости от точности литья и геометрии изделия) заканчивается фаза впрыска и начинается компрессионная фаза и выдержка под давлением. Расплав путем ввода дополнительной дозы материала уплотняют до такой степени, чтобы достичь плотности близкой к плотности материала при комнатной температуре. Объем введенного материала в процессе уплотнения может достигать до 10% объема заготовки. Давление впрыска на данной стадии переключают на более низкое давление подпрессовки. Точка переключения выбирается таким образом, чтобы избежать чрезмерных скачков давления в полости формы и достичь плавного перехода от одной фазы к другой. Более раннее или запоздалое переключение сказывается на качестве изделия.
4. Охлаждение и застывание.
На стадии впрыска охлаждение материала незначительно и обусловлено лишь процессом течения расплава в полости формы. При достижении максимального давления впрыска начинается фаза выдержки под давлением, где процессы охлаждения доминируют.
Охлаждение и затвердевание материала препятствует течению расплава в литниковой системе и полости формы за счет увеличения вязкости расплава, снижения давления и уменьшения пропускной способности канала.
Качество конечного продукта зависит от кинетики процесса охлаждения изделия внутри полости формы. Слишком долгое время охлаждения приводит к неоправданному завышению времени цикла, перегреву расплава полимера в материальном цилиндре, проблемному извлечению изделия из формы. С другой стороны короткое время охлаждения является причиной впадин на поверхности изделий, короблению и повышенной последующей усадки изделий, деформаций при извлечении изделий из литьевой формы.
Как только горячий расплав соприкасается с «холодной» стенкой формы, образуется тонкий поверхностный слой застывшего полимера, препятствующий быстрому охлаждению текущего потока. В короткий момент времени устанавливается тепловое равновесие между отводимым стенками формы количеством теплоты и количеством теплоты, образующимся за счет внутреннего трения при течении расплава. Однако затем происходит непрерывное охлаждение изделия до температуры формы. Физически время охлаждения начинается с окончанием объемного наполнения полости формы и кончается с размыканием полуформ. Перенос тепла при контакте расплавленного полимера с холодными стенками формы зависит как от теплофизических свойств материала, так и от параметров процесса литья.
5. Открытие формы и извлечение.
После охлаждения и застывания пластика форма открывается, и готовое изделие извлекается. Этот шаг может выполняться вручную или автоматически.
6. Последующая обработка.
В зависимости от требований к конечному изделию могут потребоваться дополнительные процессы, такие как нанесение маркировки, сборка или обработка поверхности.
Эти процессы являются ключевыми для качества и точности изготовленных пластмассовых изделий и тщательно конролируются и оптимизируются в процессе производства.
Моделирование литья под давлением термоластов
Моделирование (симуляция) литья термопластов — это компьютеризированный процесс, при котором весь процесс литья термопластов воссоздается виртуально. Симуляция литья является важным инструментом в промышленности переработки полимеров.
Цель моделирования:
— проверка функциональности и качества пластмассовых изделий;
— повышение эффективности процесса;
— сокращение времени цикла;
— анализ течения материала при заполнении полости формы;
— обеспечение надежности процесса;
— определение и оптимизация параметров процесса при соблюдении размеров и допусков.
Симуляция литья под давлением моет включать в себя:
— определение положений точек впрыска;
— выбор литниковой системы, ее конструкции и геометрических размеров;
— последовательности переключения для каскадно заполненных компонентов;
— проверка заполняемости, сбалансированности наполнения и определение технологических параметров процесса;
— определение и оптимизация требований к времени цикла, давлению и усилию смыкания в процессе литья;
— расчет и оптимизация усадки, деформации, плоскостности и коробления.
С помощью симуляции литья термопластов можно предварительно исследовать и оптимизировать различные аспекты процесса.
1. выявить и устранить возможные проблемы с заполнением полости формы, такие как воздушные пузыри, неравномерное заполнение или уплотнение материала.
2. анализировать распределение температуры во время процесса литья; выявить и принять соответствующие меры по устранению проблем с перегревом или неравномерным охлаждением;
3. прогнозировать деформацию (коробление) изделия или напряжения в изделии.
4. оптимизировать различные параметры процесса, такие как скорость впрыска, время охлаждения и температура формы, расплава, чтобы сократить время цикла и повысить производительность.
5. оптимизировать различные аспекты дизайна, такие как толщина стенок, геометрия формы и возможность извлечения изделия. Это позволяет внести улучшения в дизайн, чтобы улучшить функциональность и эстетику конечного продукта.
Хотя симуляция процесса литья под давлением имеет множество преимуществ, есть и некоторые потенциальные недостатки:
1. Сложность: Для проведения симуляции требуются специальные знания и навыки работы с программным обеспечением. Может потребоваться время для освоения программы и достижения точных результатов.
2. Затраты времени и ресурсов: Проведение симуляции требует времени и ресурсов, особенно при использовании сложных моделей и обширных анализов. Это может привести к дополнительным затратам и замедлению процесса разработки.
3. Точность результатов: Точность результатов симуляции зависит от качества входных данных и моделирования. Если входные данные неточны или модель не учитывает все соответствующие факторы, результаты симуляции могут быть неточными и привести к неверным выводам.
4. Ограниченная предсказательная способность: Хотя симуляция помогает вывить потенциальные проблемы, она не может предсказать все непредвиденные события или поведение материала. Возможно, во время реального процесса литья под давлением могут возникнуть непредвиденные проблемы, которые не были учтены в симуляции.
5. Затраты: Приобретение и обслуживание программного обеспечения для симуляции может быть дорогостоящим. Кроме того, могут возникнуть затраты на обучение и освоение программы.
Несмотря на эти потенциальные недостатки, симуляция процесса литья под давлением по-прежнему считается ценным инструментом для улучшения качества продукции, снижения затрат и оптимизации процесса разработки.
Симуляция литья под давлением наполненных волокном полимеров.
— включает распределение волокон, заполнение формы и выявление возможных проблем с наполнением, таких как воздушные пробки или неполное заполнение.
— анализировать ориентацию волокон в готовом изделии. Это важно, так как оентация волокон влияет на механические свойства изделия. Оптимизация параметров процесса позволяет достичь желаемой ориентации волокон
— прогнозировать деформации и напряжения в изделии из-за армирования волокнами.
— эффективно и точно разрабатывать изделия с улучшенными механическими свойствами.
 |
 |
Математическое описание течения при симуляции
Математическое описание течения основано на основных уравнениях теории континуума, таких как уравнение Навье-Стокса для потока жидкостей или уравнение упругости для деформации твердых тел. Этиравнения решаются с учетом конкретных граничных условий и параметров материала, чтобы симулировать поведение материала во время течения.
Помимо течения потока жидкости, также учитываются другие аспекты, такие как охлаждение, усадка и деформация полимера. Кроме того, используются реологические модели, чтобы описать поведение материала при нагрузке. Эти модели учитывают вязкоупругие свойства пластмасс, включая упругие восстановительные силы и вязкую деформацию.
Коробление и усадка
Отклонение при симуляции коробления и усадки может варьироваться в зависимости от различных факторов. Сюда входят сложность детали, точность входных данных, используемые модели материалов и качество техники симуляции. Обычно ожидается, что симуляция даст хорошее приближение к фактической деформации, однако могут возникать определенные отклонения.
Точность симуляции зависит от возможностей используемого программного обеспечения в предсказании деформации. Важно, чтобы модель материала и граничные условия были реалистичными и точно определены. Кроме того, следует учесть термические и механические свойства материала, а также параметры процесса. Следует отметить, что симуляция деформации является сложной задачей и подвержена влиянию множества факторов. Поэтому рекомендуется сравнивать результаты симуляции с реальными измерениями и, при необходимости, внесения корректировок.
Проблемы, связанные с усадкой полимера
являются распространенными при литье под давлением. Вот некоторые из них:
1. Геометрическая точность: Усадка может привести к тому, что готовая пластиковая деталь будет меньше, чем планировалось. Это может вызвать большие вопросы с соответствием размеров и функциональностью детали, особенно если она используется в сборке.
2. Деформация: Усадка может привести к деформации или искривлению пластиковой детали. Это может негативно сказаться на эстетическом качестве детали и, возможно, повлиять на ее функциональность.
3. Внутренние напряжения: Во время сжатия в пластиковой детали могут возникать остаточные напряжения. Эти напряжения могут привести к трещинам, деформациям или даже отказу детали.
4. Дефекты поверхности: Усадка может вызвать дефекты поверхности, такие как отпечатки, горячие пятна или шероховатость поверхности. Эти дефекты могут негативно сказаться на эстетическом качестве детали и, возможно, повлиять на ее функциональность.
Для минимизации этих проблем можно предпринять различные меры, такие оптимизация процесса литья под давлением, использование материалов с меньшей усадкой, изменение геометрии формы или использование техники компенсации усадки.
  |
 |
Проблемы, связанные с охлаждением:
1. Недостаточное охлаждение: Если литьевая форма недостаточно охлаждается или каналы охлаждения неправильно спроектированы, это может привести к неравномерному или недостаточному охлаждению пластиковой детали. Это может вызвать деформации, искривления или нежелательные напряжения в готовом изделии.
2. Увеличение времени цикла: Неэффективное охлаждение может привести к увеличению времени цикла, так как детали потребуется больше времени для достаточного охлаждения перед извлечением из формы. Это может негативно сказаться на производительности и эффективности процесса литья под давлением.
3. Дефекты поверхности: Недостаточное охлаждение может привести к дефектам поверхности, так как отпечатки от охлаждающих каналов, горячие пятна или шероховатость поверхности. Эти дефекты могут негативно сказаться на эстетическом качестве детали и, возможно, повлиять на ее функциональность.
4. Изменения материала: Недостаточное охлаждение также может привести к нежелательным изменениям материала, таким как неполная кристаллизация или неравномерное распределение наполнителей или добавок в пластике. Это может повлиять на механические свойства детали.
Для минимизации этих проблем важно тщательно проектировать и оптимизировать систему охлаждения литьевой формы. Это может быть достигнуто с помощью использования охлаждающих каналов с правильным расположением и размерами.
Моделирование процесса литья под давлением с использованием программного обеспечения также может помочь предсказать и оптимизировать потенциальные проблемы усадки и охлаждения для достижения лучшей геометрической точности и качества изделия.