Экструзионно-выдувное формированиеПолые и объемные изделия из термопластов - канистры, бочки, бутыли, флаконы, игрушки и т. п. – чаще всего получают методом раздувного формования. Производство изделий этим методом осуществляется в две стадии: сначала получают трубную заготовку с температурой несколько ниже температуры плавления, которую затем раздувают сжатым воздухом. В основе этой технологии лежит использование не только пластической, но и преимущественно высокоэластической деформации.
В зависимости от выбранного способа получения заготовки различают два метода раздувного формования: экструзионный и литьевой.
Экструзионный метод раздувного формования: с помощью экструдера формуется заготовка в виде трубки (рукава), которая затем поступает в форму, в которой происходит процесс формования изделия за счет создания внутри заготовки повышенного давления воздуха.
Благодаря большой производительности и высокому уровню автоматизации этот метод является в настоящее время основным способом формования полых изделий и, в результате ряда усовершенствований, позволяет получать изделия объёмом от единиц миллилитров до нескольких десятков и даже сотен литров.
Технологический процесс получения изделий методом экструзионно-выдувного формования складывается из следующих операций:
Для изготовления полых изделий применяются, как правило, экструдеры сравнительно небольших размеров, с диаметром шнека 50-90 мм. Поскольку сопротивление головки сравнительно невелико, а основным требованием является получение расплава с высокой однородностью, длина шнека не превышает 15 – 18 D. Расплавленный и гомогенизированный в экструдере материал выдавливается из головки вниз в виде трубчатой заготовки, которая попадает в открытую к этому моменту форму. После того, как длина заготовки достигнет необходимой величины, полуформы смыкаются, зажимая нижний и верхний края заготовки своими бортами. При этом происходит сварка нижнего конца заготовки и оформление отверстия на ее верхнем конце (или наоборот). После смыкания формы в нее через дорн или ниппель подается сжатый воздух, под действием которого размягченный материал рукава принимает конфигурацию внутренней полости формы.
Формование заготовки является важнейшей операцией, которая во многом определяет свойства и качества готового изделия. Поступающий в мундштук расплав должен быть гомогенным, иметь постоянную температуру по всему периметру заготовки и выдавливаться равномерно (без пульсации). При получении изделий, имеющих в сечении форму прямоугольника, эллипса и т. п., а также изделий сложной конфигурации, сечение формующей щели делают неодинаковым: участки заготовки, которые раздуваются больше, должны иметь большую толщину. Следует иметь в виду, что выдавливаемая заготовка имеет большую толщину, чем сечение формующего зазора вследствие так называемого «разбухания» экструдата, носящего релаксационный характер. Разбухание экструдата определяется геометрией формующего канала, скоростью выдавливания заготовки и в значительной степени может быть учтено на стадии выбора технологом формующего инструмента. В целом, разбухание рукава уменьшается с увеличением длины канала в головке, ростом температуры расплава. При увеличении скорости выдавливания заготовки разбухание возрастает. Изменение толщины стенки заготовки в результате растяжения можно уменьшить за счет снижения температуры расплава.
При формовании продолговатых и длинных изделий было отмечено, что из-за вытягивания пластичной заготовки под действием собственного веса толщина стенок верхней части изделия оказывается меньшей, чем нижней части.
Разнотолщинность заготовки зависит от скорости выдавливания расплава, его вязкости и веса заготовки. Обычно формование заготовки ведут при минимально возможной температуре расплава и высокой скорости экструзии. Минимальная разнотолщинность достигается при коэффициенте раздува 3-3,5.
В зависимости от конструкции изделия и формующего инструмента подача сжатого воздуха для формования изделия может производиться через дорн (сверху), через специальный ниппель (снизу) или через полую иглу (рис. 1). Последний способ применяется главным образом при производстве замкнутых изделий (без отверстия), так как формующее отверстие в этом случае очень мало и затягивается после удаления иглы разогретым материалом.
Рис. 1. Варианты подачи сжатого воздуха сверху (I), снизу (II), через дутьевую иглу (III): а - смыкание полуформы; б - раздувание заготовки и охлаждение изделия; в - размыкание форм и съем изделия Стадия раздува заготовки начинается после смыкания полуформ и защемления части контура будущего изделия пресс-кантами формы; одновременно трубчатая заготовка отделяется от формующей головки. Раздув заготовки первоначально носит «свободный» характер - изменение толщины происходит достаточно равномерно, и раздуваемый рукав имеет форму «пузыря». Затем расширяющая заготовка соприкасается с формой и охлаждается. На качество изделия на этой стадии процесса формования решающее влияние оказывают давление воздуха и температура заготовки. С увеличением давления улучшается качество поверхности, снижается коробление, уменьшается время охлаждения.
Стадия охлаждения начинается с момента контакта заготовки с поверхностью охлаждаемой формы и заканчивается после охлаждения наиболее толстых участков изделия, примыкающих к горловине или днищу. Преждевременное извлечение изделий сопровождается размягчением соседних с горловиной участков и их необратимым деформированием. Основным фактором на этой стадии является температура формы. Она не только отражается на качестве готовых изделий, но и определяет производительность процесса, так как охлаждение составляет от 50 до 75 % времени цикла формования. Поэтому используют интенсивное охлаждение форм различными хладагентами, подачу в полость изделия охлажденного воздуха, водяного тумана, жидкого азота и углекислоты. Время охлаждения можно сократить понижением температуры расплава (может сопровождаться ухудшением качества поверхности готовых изделий) и повышением давления воздуха, что способствует улучшению теплоотдачи от изделия к стенке формы. После охлаждения изделия форма раскрывается, готовое изделие извлекается и направляется на окончательную обработку (удаление приливов, снятие заусенцев и т. п.).
Помимо экструдера технологическая схема включает также механизм перемещения, разъема и смыкания формы с гидравлическим или пневматическим приводом (рис. 2).
Рис. 2. Экструзионно-выдувная установка. Так как процесс формования распадается на две неравные по продолжительности стадии: короткую стадию выдавливания заготовки и длительную - формования и охлаждения изделия, то для повышения производительности большинство установок выполняется либо многопозиционными, с несколькими формами (рис. 3), либо снабжается двух- и более канальной формующей головкой, иногда с несколькими мундштуками на каждом из каналов.
Рис. 3. Многопозиционный экструзионно-выдувной агрегат. Производство изделий методом экструзии с раздувом сопровождается образованием значительного количества отходов (до 35 %). Большая их часть вполне пригодна для повторной переработки на тех же установках после перевода их в гранулы. При этом количество добавляемых к свежему сырью отходов не должно превышать 30 - 40%.
Литьевой метод раздувного формования предполагает получение заготовки методом литья под давлением.
В этом случае расплав из цилиндра термопластавтомата впрыскивается в литьевую форму и трубчатая заготовка оформляется в зазоре между стенками формы и внутренним пустотелым сердечником. Заготовке может быть придана необходимая форма, причем горловина, ручки, необходимые приливы на наружной поверхности оформляются сразу при литье. После окончания процесса литья форма размыкается, и сердечник вместе с горячей заготовкой перемещается в другую форму, где после смыкания полуформ осуществляется процесс раздува за счет подачи сжатого воздуха во внутреннюю полость. При этом размер изделия увеличивается, а толщина стенок уменьшается. Так как геометрическая форма заготовки задается заранее, этот метод позволяет получать сложные по конфигурации изделия, изделия с равномерной толщиной стенок и необходимым соотношением толщины стенок в разных его частях.
Наибольшее распространение получил другой вариант этой технологии, когда стадии отливки заготовки и ее раздува разделены. Заготовка, называемая преформой, отливается в многогнездной форме на термопластавтомате и полностью охлаждается. Раздув заготовки осуществляется воздухом на специальном агрегате после ее предварительного разогрева, с последующим охлаждением в форме. Этим методом производятся бутылки для всевозможных безалкогольных напитков, минеральной воды и т. п.. Разделение стадий формования заготовки и ее раздува (как правило, у потребителя) позволяет достигнуть высокой производительности при изготовлении как заготовок, так и готовых изделий.
Изготовление пустотелых изделий раздуванием позволяет уменьшить толщину их стенки, сокращает расход дорогостоящего полимерного материала вследствие отсутствия пресс-кантов и приливов, увеличивает прочность и улучшает внешний вид продукции.
Недостаток изделий, изготовленных этим методом, в том, что все изделия обладают способностью необратимо утрачивать свою форму при повышении температуры выше температуры размягчения, что накладывает ограничения на температурный интервал их эксплуатации.
Литье под давлением Литьё пластмасс под давлением — технологический процесс переработки пластмасс путем впрыска расплавленного материала под давлением в пресс-форму с последующим охлаждением. Технология литья пластмасс под давлением часто используется в случаях, когда требуется экономичное производство крупного тиража изделий. Методом литья пластмасс производится более трети от общего объема штучных изделий из полимерных материалов, а больше половины номенклатуры оборудования, применяемого в переработке полимеров, предназначено для литья под давлением. Литье под давлением является наиболее производительным способом изготовления тонкостенных деталей сложной формы из термопластов, поэтому идеально соответствует массовому производству изделий, важным требованием к которым является точное соответствие размерам. Для литья используют сырье в виде гранул. Технология литья пластмасс под давлением Литье пластика под давлением используется для получения разнообразных изделий из термопластичных пластмасс. Процесс выполняется на специальных машинах — термопластавтоматах. Высокопроизводительная технология литья пластмасс под давлением позволяет использовать комплексную механизацию и автоматизацию при производстве штучных изделий. К основным плюсам данного способа изготовления пластиков можно отнести универсальность по видам перерабатываемых материалов, точность результатов, возможность выпуска изделий сложной формы. Использование других технологий добиться последнего не позволяет. Литье пластика под давлением позволяет получать изделия полые, армированные, гибридные, многоцветные и другие. Способ дает возможность выпуска как очень маленьких деталей, так и крупногабаритных тяжелых элементов. Литье пластмасс — комплекс циклических процессов, обеспечивающий получение изделий из пластмасс с заданными свойствами с применением специального оборудования. Суть технологии литья пластмасс под давлением состоит в следующем: расплав полимера накапливается в материальном цилиндре термопластавтомата. Подготавливается подача материала в сомкнутую форму. Цилиндр смыкается с узлом, пластификатор осевым движением со скоростью перемещает расплав в форму. Она заполняется расплавом, пластификатор переходит в крайнее левое положение. Технология производства изделий из пластмасс подразумевает высокую скорость прохождения материала. Расплав застывает или затвердевает в случае использования реактопластов. Материальный цилиндр остается в сомкнутом положении. Расплав транспортируется в переднюю часть цилиндра и отодвигается назад. После того, как материал окончательно затвердел, изделие извлекается наружу. Цикл литья пластика под давлением возобновляется.
В процессе получения детали необходимо выдерживать температурный и временной режим. Наиболее важным является соблюдение режима кристаллизации, при котором необходимо выдержать температуру и время выдержки при данной температуре. В противном случае возможны скрытые и видимые виды брака, которые оказывают влияние на свойства будущего изделия Допустимо, когда после получения детали необходимо удалить следы облоя. Это острые тонкие остатки пластмассы, застывшие в зоне смыкания и в технологических зазорах пресс-формы. Технология литья пластмасс под давлением полностью автоматизирована. Современные литьевые машины представлены в огромном разнообразии. Это позволяет производителю выбирать наиболее подходящую модель. Литье пластика под давлением выполняется на машинах, совершенно разных по конструкции. Самыми значимыми характеристиками являются: усилие смыкания формы (кН) и объем впрыска, то есть мощность. Параметр выражается числом кубических сантиметров расплава, подготавливаемых для однократной подачи в цилиндр.
Принцип работы термопластавтомата Принцип работы термопластавтомата зависит от типа машины. Соответственно, и технология производства изделий из пластмасс может иметь отличия. Наибольшее распространение получили термопластавтоматы горизонтальные одночервячные с совмещенной пластификацией. Объем впрыска у них составляет от 4 см до 70 000 см3 при усилии запирания формы от 25 до 60 000 кН. Функциональные блоки и устройства, необходимые для работы термопластавтомата, располагаются на жесткой раме. Подвижные узлы машины снабжаются энергоносителем от главного привода, который включает электродвигатель, насосный блок в маслосборнике, трубопроводы высокого и низкого давления. Принцип работы термопластавтомата любого типа обеспечивает надежность эксплуатации и высокое качество изделий. Технологии производства изделий из пластмасс считаются энергосберегающими. Процессу литья обязательно предшествует этап проектирования конструкции изделия и формующего инструмента (пресс-формы), а также отрабатывается конструкция детали на технологичность, учитываются свойства пластика и технология изготовления. Конструкция отливки должна иметь литейные радиусы, литейные уклоны, одинаковую толщину стенок. Точность размеров и шероховатость поверхности детали в большей степени должны соответствовать возможностям литья. Готовые детали имеют гладкие поверхности с шероховатостью от 1,25 до 0,08 мкм, точности получаемых размеров в пределах 10-12-го квалитета точности и почти не требуют дополнительной обработки Методом литья под давлением производят штучные изделия массой от долей грамма до десятков килограммов. Этот способ является наиболее распространенным в переработке большинства промышленных термопластов. Кроме того, литьем под давлением производят изделия армированные, гибридные, полые, многоцветные, из вспенивающихся пластиков и др.
Основным оборудованием процесса является термопластоавтомат, оснащенный пресс-формами (рис. 1).
Рис. 1. Термопластоавтомат фирмы Engel. Отличительной особенностью метода является его цикличность, что ограничивает его производительность.
К основным достоинствам литья под давлением относятся:
Недостатки метода:
Рис. 2. Принципиальная схема процесса литья под давлением. Процесс литья под давлением можно разбить на следующие стадии:
а. Дозирование материала и загрузка его в цилиндр. б. Пластикация материала. в. Впрыск пластифицированного материала в сомкнутую форму и выдержка его под давлением. г. Охлаждение изделия в форме. д. Размыкание формы и удаление изделия из неё.
К технологическим параметрам литья под давлением относятся: температура пластикационного цилиндра, температура формы, удельное давление литья и продолжительность стадий цикла. Температура пластикации должна быть выше температуры текучести полимера на 10 – 20°С. При более высоких температурах уменьшается вязкость расплава, облегчаются условия формования, повышается производительность литьевой машины, но увеличивается скорость термической и термоокислительной деструкции. Температура формы должна быть меньше температуры размягчения полимера, но слишком низкая температура формы может быть препятствием к нормальному её заполнению при впрыске. Выбор оптимальной температуры определяется способностью полимера к кристаллизации, скоростью кристаллизации, его теплофизическими свойствами, а также конструктивными особенностями формы, давлением литья и температурой поступающего в форму расплава. Время цикла формования определяется временем пластикации материала, временем впрыска материала в форму и выдержки под давлением, временем охлаждения изделия в форме. Время пластикации зависит от теплопроводности полимера и характеристик нагревательного цилиндра. На общее время цикла почти не влияет. Стадия выдержки под давлением заканчивается в момент застывания расплава в впускных каналах. Затрачиваемое время зависит от температуры расплава и формы, а также от формы и размеров литниковой системы. Время охлаждения определяется температурой расплава, формы и объемом отливки. Вносит наибольший вклад в общее время цикла. По продолжительности цикла литья определяют производительность процесса. В связи с возрастающими потребностями в машинах высокой производительности большое значение приобретает сокращение времени срабатывания узла смыкания формы и скорости движения инжекционного цилиндра.
|
