Технология литья полимеров под давлением и ее особенности

Белорусский национальный технический университет

Факультет технологий управления и гуманитаризации

Кафедра «Организация упаковочного производства» 
 
 

Курсовая  работа

По дисциплине «Технология переработки полимеров»

Тема «Технология  литья полимеров под давлением  и ее особенности» 
 
 

Исполнитель: студентка  группы 108318    

Руководитель, профессор                          Карпунин И.И.           
 
 
 
 

Минск 2010 г

Содержание

- введение……………………………………………………………………………...……3

- общая информация…………………………………………………………………..4

- инжекционно-раздувное  формование……………………………………..5 
- литье вспененных полимеров………………………………………………….8

- инжекционно-газовое  литье………………………………………………..…13

- многокомпонентное  литье под давлением…………………………….18

- основные дефекты,  возникающие при литье полимеров  под давлением и рекомендации  по их устранению…………………………21

- заключение………………………………………………………………………………27

- список литературы…………………………………………………………………..28

- приложение………………………………………………………………………………29 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

Литье под давлением  – это самый распространенный способ получения изделий из полимерных  материалов. Он применяется как в  производстве небольших деталей, например, шестеренок для часов, так и для  изготовления изделий большого размера ( мусорные баки, автомобильные бамперы). В большинстве случаев изготовленные по этой технологии изделия не требуют дополнительной обработки.

Литье под давлением  включает в себя пластикацию гранулированного или порошкообразного материала ( формовочной  массы) и его перемещение под  высоким давлением и на высокой  скорости в формующую полость  литьевой формы где он застывает  за счет охлаждения или «сшивки», что  позволяет извлечь готовое изделие из формы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Общая информация

Литье под давлением  представляет собой периодический  процесс переработки полимеров. Полимерное сырье пластицируется в  обогреваемом цилиндре узла пластикации, а затем посредствам выступающего в качестве поршня шнека впрыскивается  в формующую полость литьевой формы. В процессе выдержки под давлением  в полости формы расплав застывает, и по прошествии определенного времени  охлаждения извлекается в виде готового изделия.

Технологические этапы  литья под давлением (узел смыкания, узел впрыскивания и узел литья) представлены на циклической диаграмме пресса.

Смыкание литьевой формы

Выдвижение мундштука

Дозирование

Впрыск

Выдержка под давлением

Время охлаждения

Отвод мундштука  назад

Размыкание формы

Извлечение изделия 
 
 

Инжекционно-раздувное  формование

Машины, используемые для  инжекционно-раздувного формования

Для изготовления изделий  методом инжекционно-раздувного формования используют соответствующие машины.

Само понятие инжекционно-раздувного формования говорит о том, что  в данном случае речь идет о сочетании  двух технологий: литье под давлением  и формования с раздувом.

Достоинства обоих  способов переработки дополняют  друг друга, то есть точность литья под давлением и возможность придания изделиям различных конфигураций, характерная для формования с раздувом. Кроме того, данный метод обладает преимуществом практически безотходного производства. Инжекционно-раздувное формование преимущественно используется для изготовления вращательно-симметричных полых изделий, например, бутылок, стаканчиков.

Установки для инжекционно-раздувного формования  состоят из узла впрыска и узла раздува. Используются два различных метода, которые получили названия одноступенчатого и двухступенчатого. Одноступенчатый метод (рис 8.71) подразумевает изготовление в машине посредствам литься под давлением, так называемой заготовки, которая затем, раздуваясь в раздувной станции, превращаясь в полое изделие. При этом отпадает необходимость повторного разогрева заготовки до температуры раздува. Кроме того, машины, используемые для одноступенчатого метода работы, характеризуются тактовым рабочим циклом.

В отличие от изложенного  варианта при применении двухступенчатого метода заготовка производится в  литьевой машине, затем проходит этап промежуточного хранения, и лишь потом  в другой машине

превращается в  полое изделие с помощью процесса раздувания.

В одноступенчатом  методе узел пластикации расположен напротив блока смыкания с крепежными плитами формы и узла перемещения  заготовки. Обычно предлагаемые машины отличаются друг от друга типом узла перемещения. Приведение его в действие может осуществляться механически или гидравлически.

В  условиях промышленного  производства положительно зарекомендовали  себя многопозиционные установки, оборудованные, например, горизонтальным вращающимся  столом (рис.8.72).

Этот стол служит для приема инжекционно-раздувных  дорнов. Тактовое вращательное движение на 120⁰ выполняется механизмом переключения. Стол опускается или поднимается гидравлически.

Инжекционно-раздувные  формы

Инжекционно-раздувные  формы состоят из двух узлов, а  именно из раздувной и литьевой форм. К литьевой форме относится так называемый керн, который в процессе раздува выступает в качестве раздувного дорна. Другая задача керна состоит в подаче заготовки к узлу раздува.

Как правило, формы изготавливаются из стали.

Наряду с формообразующими элементами в состав каждого инжекциооно-раздувной  формы входит устройство, предназначенное  для извлечения изделия из нее. Оно  состоит из снимающей плиты и  выталкивателя, срабатывающего от сжатого  воздуха.

Еще одной  составной частью формы являются участки термостатирования, которые  могут быть изолированы друг от друга  и управляться отдельно. На рис.8.73 приведен пример разделения формы на зоны термостарирования. Зона 1 служит для охлаждения горлышка бутылки  и ввиду ее интенсивного охлаждающего действия, изолируется от прочих компонентов формы посредствам воздушных каналов. В зоне 2 – корпус формованного изделия. Здесь должна обеспечиваться оптимальная температура раздувания и формования. На участке литника ( зона 3) вновь необходимо интенсивное охлаждение, которое способно противодействовать нагреву формы за счет прилегающего мундштука. Зона 4 служит для поддержания определенной температуры керна, который может быть, как нагрет, так и охлажден.

Литье вспененных полимеров

Машины, используемые для  литья вспененных термопластов

Для переработки  вспененных термопластов были разработаны специальные машины. Вновь разработанные литьевые машины, работающие при пониженном давлении (рис.8.74) схожи со стандартными литьевыми машинами высокого давления, однако для них характерны другие внешние размерные параметры. Помимо этого, подобные машины оборудованы другими узлами смыкания. Ввиду малых давлений внутри литьевой формы размеры ее крепежных плит достаточно велики, пути размыкания продолжительны, а усилие смыкания незначительно. Узел смыкания, как правило, срабатывает гидромеханически, то есть функции смыкания и размыкания отделяются от функций удержания в закрытом состоянии. Узел впрыска позволяет работать с высокой скоростью, предотвращает преждевременное образование газа-порообразователя расплава и обеспечивает точную дозировку полимерного сырья. Необходимая скорость впрыска, равная приблизительно 500 мм/сек, достигается при помощи насосных или аккумуляторных машин. Перемещение насосной машины обеспечивается подаваемым гидравлическим насосом потоком масла, так что скорость впрыска напрямую зависит от подачи насоса, что предполагает высокую мощность его привода.

Высокая скорость впрыска  аккумуляторной машины достигается  с помощью предварительно накопленного в аккумуляторе давления масла. Необходимый  объем масла подается в накопитель, где спрессовывает определенный объем газа, например, азота. При использовании привода подобного типа достаточно незначительной мощности насоса.

Наряду с описанными типами машин существуют линии, на которых  возможно сочетание узлов впрыска  и смыкания различных размеров.

Для увеличения числа  изделий на круглых столах были смонтированы многогнездные формы. В результате получились так называемые ротационные системы, в которых используются, например, до десяти узлов смыкания, а полимерное сырье подается из одного узла впрыска (пластикации).

Литье вспененных термопластов

Изделия, полученные литьем вспененных термопластов 
, отличается от монолитных изделий меньшим весом и большой толщиной стен(5 мм и толще), что обеспечивает лучшую жесткость и незначительные внутренние напряжения. Благодаря этому у таких изделий отсутствует тенденция к короблению. Качество поверхности изделий, изготовленных с использованием данного метода, практически не отличается от монолитных литых изделий. Изделия с пористой структурой используются в мебельной промышленности, радио- и приборостроении, в индустрии отдыха  и туризма, в автомобилестроении и при изготовлении полимерного сырья, которое содержит порообразователи. Окончательное заполнение литьевой формы происходит за счет расширения порообразователя. Течение пресса подразделяется на пять этапов:

1. Пластикация и дозировка расплава полимера.
2. Впрыск накопленной дозы.
3. Вспенивание внутри формы.
4. Охлаждение изделия.
5. Извлечение изделия из формы.

В большинстве случаев термопластичная формовочная масса уже содержит порообразователь, так что в процессе пластикации шнек захватывает гранулят, расплавляет его, а затем подает расплав в инжекционный цилиндр. В цилиндре расплав выдерживается под давлением, превышающем давление порообразователя. Мундштук с клапаном предотвращают нежелательное вытекание расплава перед началом впрыска. Процесс заполнения формы состоит из двух этапов:

1. Впрыск расплава, объем которого меньше объема формы, с высокой скоростью впрыска.
2. Расширение газа-порообразователя, ведущее к окончательному заполнению формы. В ходе последующего периода охлаждения от изделия отводится тепло до тех пор, пока наружная поверхность не затвердеет до такой степени, что сможет противостоять давлению порообразователя внутри изделия. На ряду с методом литья вспененных термопластов для переработки термопластичного полимерного материала, содержащего порообразователи, существуют и другие методы. Их общая цель – улучшение структурных свойств и свойств поверхности готового изделия

Литьевые  формы

Для изготовления материалов из вспененных материалов используют литьевые формы,  которые  несколько отличаются от обычных. Ввиду  более низкой выталкивающей силы металла форм на ряду со сталью могут  быть использованы и такие материалы, как смола, алюминий, цинковые или  медные сплавы. Решающими критериями в этом вопросе являются количество изделий и требования, предъявляемые к их размерной точности.

Использование цветных металлов дает преимущества лучшей обрабатываемости и более  высокой теплостойкости. С положительной  стороны зарекомендовало себя сочетание  стали и цветных металлов, при  использовании, которого стандартная  форма изготавливается из стали, а ее оформляющие детали из медно-цинковых или алюминиевых сплавов.

Критерием качества изделий из вспененных термопластов является состояние их поверхности. В отличие от  обычных изделий, полученных литьем под давлением в формах с зеркально блестящими поверхностями, при изготовлении изделий из вспененных материалов желательно использовать частично структурированные поверхности (например, имеющие структуру древесины), шероховатые поверхности или формы, подвергнутые пескоструйной обработке.

Конструкция форм, предназначенных для литья  изделий из вспененных термопластов, соответствует конструкции литьевых форм. Если впрыск в поверхность  извлечения невозможен, используют трехсекционные формы или же в качестве оптимального решения – горячекональные.

Поскольку содержащий порообразователь материал в состоянии расплава является пенообразующим, нагреваемый канал на входе и  на выходе должен замыкаться, чтобы  в канале не произошло расплавление или дегазация расплава (рис.8.75).

Следует отметить большие размеры литниковых каналов, применяемых в процессе литья изделий из вспененных термопластов. В остальном технология литникового  канала не отличается от технологии, используемой при изготовлении обычных изделий. При литье изделий большой площади с положительной стороны зарекомендовало себя использование стержневого литника напрямую или через распределительные каналы. Возможно так же применение щелевых и многощелевых литников с разводящими каналами. При заполнении формы особое значение имеет управление воздухом, находящимся внутри. Воздух без значительных потерь газо-порообразователя должен отводится через вентиляционные каналы, уступая место расплаву. Равномерное заполнение гнезда литьевой формы зависит от правильного управления отводом воздуха.

Инжекционно-газовое  литье (ИГЛ)

Материалы

В качестве дополнения к обычному литью под  давлением для изготовления толстостенных  и тонкостенных ребристых изделий  применяется технология литья термопластов с использованием газа. Она получила широкое распространение с 1990-х годов. ИГЛ позволяет изготавливать толстостенные изделия без впадин и с незначительными внутренними напряжениями, экономя при этом материал.

Литьевые  машины с дополнительным оборудованием, предназначенные  для ИГЛ

Основная  идея, на которой основан метод  ИГЛ, - введение газообразной технологической  среды (инертный газ, например, азот) в  гнездо литьевой формы сразу после  подачи в него расплава (рис.8.76). Газ пробивает себе путь на участке наименьшего сопротивления, в первую очередь, устремляясь в утолщения или выступы, где имеется пластичное ядро. Вытесняемый таким образом полимерный материал продолжает свой ход по путям течения и заполняет полости, до сих пор заполненные лишь частично. Литьевые машины для этого метода сконструированы в расчете на изготовление изделий с оптимальным качеством поверхности и простоту обслуживания самой установки. Технологическая установка ИГЛ состоит из узла газоочистки, мундштука и специального устройства управления.

Технология  ИГЛ

Газоочистительная установка оборудована разъемным  соединением с устройством управления. Переход от обычного литья под  давлением к использованию литья  с газом требует лишь незначительного  переоборудования. Из соображений безопасности в качестве газа используют азот.

Агрегат газоочистки (рис.8.77) оборудован одним газовым  и одним гидравлическим контуром. Все регулирующие устройства расположены со стороны гидравлического контура. Поршневые накопители образуют переходное устройства между двумя средами.

Максимальное  давление газа в установке составляет 450 бар, однако в особых случаях оно  может быть увеличено с помощью  соответственных конструктивных мер. В газоочистительной установке (рис.8.77) азот, поступающий из стандартного газового баллона (а), предварительно сжимается в поршневом накопителе (b). Максимальный объем газа при свободно выбираемом давлении предварительного заполнения может быть задан в соответствии с существующей необходимостью. Таким образом, установка может быть настроена на определенный размер изделия и постоянно находится в оптимальном рабочем режиме. Предварительно сжатый газ во втором накопителе (с) через клапан с пропорциональным управлением (d)  уплотняется до нужного динамического давления. Очистка газа не влияет на время цикла литьевой машины, поскольку она происходит в период дозирования расплава. Сигналом к началу цикла литья является завершение процесса очистки газа.

Ввод газа начинается в зависимости от положения  шнека, причем газ через клапан поступает  в мундштук. С помощью клапана  с пропорциональным управлением (d) на устройстве управления машиной может  быть задан профиль давление газа.

Начало  ввода газа, зависящее от положения  шнека, гарантирует, что к этому  моменту в форме будет находиться постоянный объем расплава. Как видно из распределения давления, в ходе литья при высоком давлении газа (рис.8.78) условное заполнение формы расплавом в зависимости от хода шнека прекращается в точке переключения на подпитку (фаза а – с на рис. 8.78). Затем образуется газовый пузырь (d), после чего следует подпитка газа (е). Подпитка газом аналогична подкидке расплавом в процессе обычного литья  под давлением. По завершении процесса подпитки начинается возврат ( рециркуляция) газа. При этом газ возвращается в оба накопителя и таким образом по большей части может быть использован вновь, что снижает его расход.

После того как газ через выравнивание давления будет откачан из изделия, литниковый канал может быть загерметизирован. Для этого открывается материальный затвор мундштука, впрыскивается определенное количество полимерного сырья, после чего затвор вновь закрывается. Таким образом, отверстие впускного литника оказывается закрытым пробкой из материала. В качестве регулируемых величин, используемых для необходимого перемещения шнека, следует назвать точку пути шнека, удельное давление и скорость впрыска.

Для ИГЛ решающую роль играет разделение газа и расплава на этапах заполнения. Эта задача решается с помощью мундштука особой конструкции. Он имеет механически управляемый  игольчатый затвор, который может  быть использован как в процессе ввода и рециркуляции газа, так  и при обычном литье.

Литьевые  формы

При изготовлении тонкостенных изделий газ в каналы вводят направленно. Это позволяет  добиться изготовления плоских изделий  с низким внутренним напряжением  и со значительным соотношением толщины  стенок к пути течения.

При расчете конструктивных параметров литьевой формы важно  учитывать правильное соотношение  толщины стенок изделия и ширины газового канала, которое следует  задавать в диапазоне от 1:2 до 1:3. При проектировании изделий,  которые  изготавливаются литьем с газом, очень хорошо знать все детали этой технологии. При расчете конструктивных параметров формы следует ориентироваться  на условия протекания процесса.

Многокомпонентное литье под давлением

По технологии многокомпонентного литья из полимеров  различного типа могут быть изготовлены  изделия, для которых характерны специфические свойства.

• Монолитный наружный слой и вспененная середина;
• Монолитный наружный слой и монолитная середина;
• Вспененный наружный слой и монолитная середина

Материалы

В основном используется сочетание монолитного наружного слоя со вспененной сердцевиной. Изготовленные подобным образом детали обладают известными преимуществами изделий со вспененной структурой, однако имеют качество поверхности, сравнимое с тем, которое достигается в процессе литья под давлением. Так, например, изделия с толщиной стенок от 5 до 6 мм снаружи изготавливаются из ПС, а внутри – из вспененного ПС или из вспененного вторичного сырья.

Сочетание армированных и неармированных полимеров позволяет  изготавливать изделия с высококачественными  поверхностями  при низких расходах на сырье.

Для упаковки и складских  емкостей принято использовать сочетание  ПЭ и ПП с СЭВС (сополимер этилена  с виниловым спиртом), что способствует снижению паропроницаемости. Другим вариантом сырья является сочетание первичных материалов с материалами вторичной переработки.

Литьевые  машины, используемые в процессе многокомпонентного литья

От обычных литьевых машин эти машины отличаются узлом  впрыска (рис.8.79). Используются два литьевых агрегата, связанные между собой  двухканальным мундштуком. Управление и регулировка многокомпонентных  литьевых машин осуществляется посредством  микропроцессорных систем. Из-за особого  значения процесса впрыска для данного  метода необходима его регулировка. 

Описание  технологии

цель технологии многокомпонентного литья – такое  заполнение полости, которое при  безукоризненном качестве поверхности  изделия позволило бы обеспечить как можно более равномерное распределение сердцевинного материала до его застывания. Такой цели проще достичь при изготовлении вращательно-симметричных изделий, чем при изготовлении несимметричных изделий с отверстиями неправильной формы и разницей в толщине стенок. В последнем случае, помимо специфичных моментов, касающихся изделий и литьевых форм, особую важность принимает знание технологических факторов воздействия. Так, например, необходимо согласовать друг с другом вязкость внешнего и сердцевинного материалов, что позволяет добиться оптимального их распределения. Вязкость внешнего материала должна быть ниже вязкости сердцевинного материала. Для того чтобы достичь хорошего качества изделий без отпечатков и различий ее глянцевитости, необходим процесс впрыска с одновременной фазой.

Это означает, что  впрыск сердцевинного материала  начинается еще до завершения впрыска сырья, предназначенного для наружного слоя. Таким образом, на распределение давления внутри гнезда литьевой формы оказывает воздействие, препятствующее появлению, как пиков, так и обрушения давления, которые стали бы причиной следов на поверхности изделий. За счет правильного выбора параметров переработки можно добиться равномерного распределения толщины стенок изделий и на участках, близких к литнику, и на участках, удаленных от него.

Литьевые  формы

Литьевые формы, предназначенные  для многокомпонентного литья, сконструированы  так же, как и формы для обычного литья под давлением. В данном случае нет необходимости для принятия особых мер. Отличия от обычных литьевых форм следует искать в размещении литника и в его типе. В большинстве случаев по возможности следует стремиться к равномерному распределению сердцевинных компонентов до завершения пути течения. В значительной степени на этот факт может повлиять расположение литника.

При выборе места  расположения литника следует принимать  во внимание, что сначала впрыскивается  некоторое количество оболочного материала, и что после этого оболочный и сердцевинный материалы впрыскиваются одновременно. В принципе можно использовать большинство типов литниковых каналов, известных по обычному принципу литья под давлением, однако часто возникает необходимость изменения их геометрических параметров. Допустимыми параметрами являются стержневой, щелевой, точечный и туппельный литниковый каналы,  но использование для многокомпонентного литья под давлением обычно горячеканальной литниковой системы невозможно, поскольку в этом случае в нагреваемом канале смешался бы оболочный и сердцевинный материалы. Тем не менее, существуют горячекональные литниковые системы, которые были разработаны специально для многокомпонентного литья под давлением.  

Основные  дефекты, возникающие  при литье полимеров  под давлением  и рекомендации по их устранению