Литье под давлением — это не один процесс, а целое семейство процессов. Каждый представитель этого семейства имеет один и тот же основной принцип — исходное сырье пластифицируется, вдавливается в закрытую полость и затвердевает, принимая форму этой полости, — однако химический состав исходного сырья, конфигурация оборудования, оснастка и количество задействованных материалов или этапов могут настолько сильно различаться, что два проекта, описанные как «литье под давлением», могут практически ничем не отличаться на производственной площадке. Именно поэтому полезное руководство по типам процессов литья под давлением должно систематизировать их по нескольким направлениям.
В этом руководстве используются два фактора. Первый — это материал: то, что впрыскивается, определяет, как он плавится, как затвердевает, что происходит со шнеком и цилиндром, и что происходит после того, как деталь покидает форму. Второй — это технология: некоторые виды процессов литья под давлением определяются не исходным сырьем, а количеством материалов, вставок или этапов, необходимых для изготовления одной детали. Вместе эти два фактора охватывают все, что необходимо разработчику продукта, инженеру-конструктору или команде по закупкам, чтобы сузить круг вариантов до списка потенциальных процессов, прежде чем предлагать какие-либо решения по оснастке.
Каковы типы Литье под давлением Обработать?
Все виды литья под давлением начинаются одинаково. Гранулы, гранулы или жидкий компонент подаются в нагретый цилиндр, где возвратно-поступательный шнек или плунжер пластифицируют материал и формируют порцию. Порция впрыскивается под давлением в закрытую, охлажденную или нагретую полость, где она удерживается до тех пор, пока материал не уплотнится и не затвердеет, после чего форма открывается, и деталь извлекается. Различия между различными типами литья под давлением касаются всего, что находится вокруг этой основы: температуры инструмента, химического состава затвердевания, количества впрыскиваемых поршней и последующих этапов формования детали.
Классификация имеет значение, поскольку выбор редко бывает свободным. Химический состав материала определяет технологический диапазон и тип инструментальной стали. Геометрия детали — сечение стенки, длина потока, размер элемента — определяет скорость впрыска и усилие смыкания, которые должен обеспечить станок. Объем производства определяет, какую сумму инвестиций в оснастку можно амортизировать. А необходимость использования нескольких материалов или встроенных компонентов подталкивает проект к применению специальной технологии, а не другой смолы. Процесс, идеальный для производства миллиона деталей в год, может оказаться нерентабельным при пяти тысячах, а процесс, обрабатывающий элементы микронного масштаба, может оказаться неподходящим инструментом для изготовления большого корпуса.
В разделах ниже последовательно рассматриваются две оси. Классификация по материалам охватывает термопласты, термореактивные пластмассы, эластомеры и жидкий силиконовый каучук, металлические и керамические порошки, а также композиты. Классификация по специальным процессам охватывает технологии, определяемые многокомпонентным или многоступенчатым конструированием, от двухкомпонентного литья до реакционного литья под давлением. В последующих разделах рассматривается, как объем производства, оснастка, автоматизация и требования к деталям еще больше сужают выбор.
Как классифицируются типы процессов литья под давлением по материалам?
Выбор материала является первостепенным решением, поскольку он ограничивает все последующие этапы процесса. Химический состав исходного сырья определяет конфигурацию машины (геометрию шнека, температуру цилиндра и сопла, требования к сушке), металлургию оснастки и обработку поверхности, профиль цикла и этапы постобработки. В принципе, один и тот же пресс может работать с совершенно разными видами сырья, но редко без изменений шнека, цилиндра, зон контроля температуры и стали формы — а иногда и вовсе без изменений, как в случае с жидким силиконовым каучуком, для которого требуется дозирующее и смесительное оборудование, которого нет у стандартного термопластичного пресса.
Ниже представлены пять семейств материалов, охватывающих весь спектр исходного сырья для различных типов процессов литья под давлением. В каждом семействе марки различаются по технологическому диапазону и свойствам, но основной механизм формования детали остается неизменным.
Литье термопластов под давлением
Термопласты являются доминирующей категорией, и именно их чаще всего подразумевают, когда говорят о литье под давлением. В качестве исходного материала используется полукристаллический или аморфный полимер, который плавится при нагревании и обратимо затвердевает при охлаждении. Цикл включает в себя плавление, впрыскивание, уплотнение, охлаждение, извлечение, и деталь в принципе может быть повторно отшлифована и отлита, хотя ее свойства ухудшаются при многократном воздействии высоких температур, а количество безопасных циклов варьируется в зависимости от материала.
Усадка и деформация — это основные практические проблемы, определяющие проектирование термопластичных деталей и инструментов. Дифференциальная усадка — когда усадка в направлении потока отличается от усадки поперек него — является основной причиной возникновения внутренних напряжений и деформации, и она обусловлена выбором материала, конструкцией детали, расположением литникового канала и технологическим процессом. Аморфные смолы, как правило, усаживаются меньше и более изотропно, чем полукристаллические, поэтому их часто предпочитают при жестких допусках. Стандартные, конструкционные и высокоэффективные марки различаются по технологическому диапазону, термостойкости и стоимости, а не по основному технологическому процессу.
Термореактивное литье под давлением
Термореактивные пластмассы образуют необратимые поперечные связи. Исходный материал не замерзает при охлаждении; он затвердевает, обычно в нагретой форме, и после затвердевания его нельзя повторно расплавить или придать ему новую форму. Это единственное различие меняет процесс несколькими способами. Инструмент нагревается, а не охлаждается, время цикла определяется кинетикой отверждения, а не отводом тепла, и отходы нельзя повторно измельчить в исходном материале — затвердевший литник или бракованная деталь являются отходами.
Преимущество заключается в высоких эксплуатационных характеристиках. Сшитые сетчатые структуры обеспечивают термореактивным полимерам устойчивость к высоким температурам и агрессивным химическим веществам, поэтому они используются в электрических компонентах, высокотемпературных корпусах и деталях, подверженных воздействию химических веществ. Важно особо отметить различие с термопластами, поскольку оно влияет на экономику оснастки и отходов: в случае с термопластами часто можно компенсировать неудачный первый этап производства, перешлифовав деталь, в то время как в случае с термореактивными полимерами это невозможно.
Литье под давлением эластомеров и жидкого силиконового каучука
Резина и жидкий силиконовый каучук образуют отдельное семейство материалов, требующее собственного оборудования. Жидкий силиконовый каучук — это высокочистый силикон, отверждаемый платиной, с низкой остаточной деформацией при сжатии и стабильностью при экстремальных температурах. Поскольку он термореактивный, требуется специальная обработка: интенсивное равномерное перемешивание при низкой температуре материала, а затем впрыскивание в нагретую полость, где он вулканизируется.
Типичная установка для производства жидкого силиконового каучука использует дозирующие устройства, которые перекачивают два компонента — основу и катализатор — в постоянном соотношении, статический смеситель, который обеспечивает их однородное смешивание, и охлаждаемую дозирующую секцию на инжекционном блоке. В системе с холодным литьем смешанный компаунд проходит через охлаждаемые литниковые каналы и системы литниковых каналов в нагретую полость, что минимизирует потери материала и позволяет изготавливать детали практически без отходов от клапанных затворов, хотя оснастка для холодного литья обходится дороже по сравнению с традиционной оснасткой для горячего литья. Сочетание чистоты, биосовместимости и устойчивости к росту бактерий объясняет, почему жидкий силиконовый каучук подходит для медицинских, уплотнительных и других применений с высокой степенью чистоты.
Литье под давлением металлических и керамических порошков
Литье под давлением порошковых материалов использует в качестве исходного материала металлический или керамический порошок, смешанный с многокомпонентным связующим. Исходный материал впрыскивается в пресс-форму для получения «сырой» детали, связующее удаляется на этапе удаления связующего, в результате чего получается «коричневая» деталь, а затем деталь спекается для достижения ее конечной плотности и механических свойств. Этап формования выглядит знакомо; этапы удаления связующего и спекания – нет, и именно они отличают литье под давлением порошковых материалов от других методов с точки зрения оснастки, сроков выполнения и контроля усадки.
Процесс разделяется по давлению впрыска. Высокотемпературное литье под давлением порошка использует сырье с вязкостью от 100 до 1,000 Па·с и давлением впрыска примерно от 20 до 200 МПа, и исторически оно было связано с массовым производством. Низкотемпературное литье под давлением порошка использует сырье с низкой вязкостью на основе низкомолекулярных полимеров; исследования продемонстрировали его эффективность на металлах, керамике и карбидах, включая нержавеющую сталь 316-L, инконель 718, оксид алюминия и твердый карбид вольфрама, а также на керамических деталях, близких к окончательной форме, в количестве от 100 до 10 000 единиц. Таким образом, низкотемпературное литье под давлением порошка может использоваться не только для массового производства, но и для мелкосерийного, а также для крупносерийного производства, и обеспечивает меньшие литьевые машины, меньшее количество этапов удаления связующего и более низкую себестоимость производства, но за счет более тонкой системы связующего и более требовательного контроля процесса удаления связующего.
Литье под давлением композитных и армированных волокном материалов
Композиты с короткими волокнами и частицами обрабатываются на стандартных возвратно-поступательных шнековых прессах, но наполнитель существенно изменяет процесс. Наполнение волокном повышает вязкость, увеличивает износ шнека, цилиндра, обратного кольца и оснастки, а также вносит анизотропию: усадка и механические свойства различаются вдоль направления потока и поперек него, что усложняет контроль допусков. Конструкция шнека, противодавление и скорость восстановления шнека влияют на то, какая длина волокна сохраняется на протяжении всего пути до полости пресса, а истирание волокна, в свою очередь, влияет на свойства формованной детали.
Реакционное литье под давлением с добавлением армирующих добавок — это родственный, но отличающийся метод: в реакционную смесь добавляются стекловолоконные или слюдяные наполнители, а полученный материал используется для изготовления жестких панелей, как правило, в автомобильной промышленности. Стратегия армирования, оборудование и химический состав отличаются от компаундирования волокон в термопластичные гранулы, поэтому эти два метода не следует рассматривать как взаимозаменяемые.
Специальные виды литья под давлением для многокомпонентных и многоступенчатых деталей
Вторая ось определяется не тем, что именно впрыскивается, а количеством материалов, вставок или этапов, задействованных в изготовлении детали. Эти технологии существуют потому, что однокомпонентное литье из одного материала не всегда может обеспечить то, что необходимо для конструкции: мягкое сцепление с жестким корпусом, металлическую нить, заключенную в пластик, сердцевину из переработанного материала, скрытую под неповрежденной оболочкой, или микроскопический элемент, который застывает до заполнения формы. Каждый специальный тип процесса литья под давлением решает одну из этих проблем, и каждый из них увеличивает стоимость оснастки, усложняет процесс или и то, и другое.
Двухкомпонентное и многокомпонентное литье
Двухкомпонентное и многокомпонентное литье предполагает последовательное впрыскивание двух материалов на одном станке, при этом пресс-форма открывается, перемещается или вращается между впрысками, так что второй материал формуется вплотную к первому. В результате получается многокомпонентная деталь с химической или механической связью на границе раздела, изготовленная без отдельного этапа сборки.
Выбор зависит от экономических факторов. Двухкомпонентное литье предпочтительно для больших объемов производства — как правило, более 10 000 деталей — и для уверенности в конструкции и материалах на протяжении всего цикла, поскольку оснастка дорогостоящая, а внесение изменений также обходится дорого. При небольших объемах или когда конструкция может измениться, литье с последующей подачей деталей на отдельном прессе обычно является более разумным вариантом. Прочность сцепления не гарантируется только самим процессом: для некоторых материалов для литья с подачей деталей может наблюдаться значительная разница в прочности сцепления между многокомпонентным литьем и литьем с закладными элементами, поэтому сочетание материалов и технологический процесс необходимо оценивать совместно.
Вставить молдинг
В процессе литья под давлением смола впрыскивается вокруг предварительно установленной вставки, обычно металлической, так что вставка оказывается заключенной внутри отлитой детали. Такой подход исключает вторичные этапы установки, такие как термофиксация или ультразвуковая сварка, и, как правило, обеспечивает больший контроль и лучшую герметизацию, чем эти методы. Вставки, вплавленные в деталь, также исключают дополнительный процесс установки, что экономит время и средства.
Главная сложность заключается в требованиях к оснастке: пресс-форма должна точно позиционировать и удерживать вставку под давлением впрыска, чтобы смола обтекала её, не смещаясь и не повреждая. Установка вставки — это дополнительный этап в цикле, и автоматизация снижает его влияние по сравнению с ручной загрузкой. Помимо металла, в литье с вставками можно использовать керамические вставки для термостойкости и электроизоляции, магнитные компоненты и электронные модули, такие как датчики и печатные платы.
многокомпонентное формование
Технология литья под давлением (overmolding) предполагает приклеивание второго слоя пластика к формованной подложке для создания мягкого на ощупь покрытия, герметизации или эстетических акцентов. Она отличается от литья с закладными элементами тем, что в качестве подложки обычно используется пластик, а не предварительно отформованная вставка, и сама технология литья под давлением может выполняться как в двухэтапном режиме на одном станке, так и последовательно на отдельном прессе с использованием системы захвата и перемещения.
Прочность сцепления является центральной проблемой проектирования. Приемлемое сцепление достигается за счет сочетания конструкции детали, выбора материала, конструкции пресс-формы и процесса формования, при этом два слоя могут соединяться химически на границе раздела, механически через геометрию границы раздела или обоими способами. Влага — это скрытый механизм разрушения: уровень влажности как материала, используемого для формования, так и подложки может негативно влиять на адгезию, поэтому гигроскопичные материалы необходимо высушивать перед формованием. Красители также имеют значение, поскольку несовместимый носитель в концентрате красителя может серьезно ухудшить адгезию.
Совместное литье под давлением
Сополимеризация под давлением, иногда называемая сэндвич-формованием, предполагает последовательное впрыскивание двух разнородных материалов через два цилиндра и одно сопло. Сначала впрыскивается пластик верхнего слоя, затем пластик сердечника, вытесняя верхний слой у горячего сердечника, а заключительный впрыск верхнего слоя удаляет сердечник из литника. Фонтанный поток делает все остальное: по мере заполнения полости пластик на фронте расплава перемещается от центральной линии к стенкам полости и застывает там, оставляя материал сердечника в середине сэндвич-структуры.
Обоснование заключается в соотношении производительности и себестоимости единицы продукции. Переработанный материал можно использовать в качестве сердечника под неповрежденным слоем, что сохраняет качество поверхности; более термически стабильный сердечник может повысить термическое сопротивление детали; сердечник с высокой текучестью расплава может снизить общее усилие зажима. Задача управления процессом заключается в предотвращении пробития сердечником слоя, поэтому для оптимизации технологической стратегии перед началом обработки инструмента используется анализ совместного впрыска.
Микролитье под давлением
Микролитье под давлением предназначено для деталей, размеры которых измеряются миллиграммами, и элементов, размеры которых измеряются микронами — микроигольчатые накладки, микрошестерни, оптические разъемы, микрофлюидные чипы с каналами шириной от десятков до сотен микрон. Существуют машины на основе плунжерных, возвратно-поступательных шнековых и многоступенчатых конструкций, и этот процесс отличается от традиционного литья не только масштабом: температура расплава и формы выше, а скорость и давление впрыска также выше.
Сложность заключается в контроле при очень малых дозах впрыска. Для впрыска 1 мг требуется ход поршня примерно 0.0056 мм на шнеке диаметром 14 мм, а шнеки меньшего диаметра могут испытывать трудности с поддержанием давления впрыска и подачей гранул. В обычных машинах иногда адаптируют систему литников и каналов, увеличивая ее примерно в 100 раз по сравнению с микродеталью, чтобы контролировать размер дозирования, но это приводит к перерасходу смолы, увеличению цикла и скрывает влияние параметров машины на деталь. Вариатермический нагрев пресс-формы является стандартным решением проблемы преждевременного застывания: он снижает вязкость и делает возможным заполнение с высоким соотношением сторон, при этом с помощью вариатермической системы было продемонстрировано соотношение сторон до 10 при толщине элемента 40 мкм.
Литье под давлением с использованием газа и воды
В обоих методах формования — с использованием газа и воды — жидкость впрыскивается в расплав для вырезания толстых участков, уплотнения детали и уменьшения деформации и веса. Формование с использованием газа позволяет контролировать заполнение и обеспечивать более равномерное распределение пластика, что снижает деформацию, напряжение и усадку, а также обеспечивает более высокую точность размеров и лучшую стабильность формы деталей.
Формование с использованием воды развивает эту идею дальше. Вода обладает примерно в 40 раз большей теплопроводностью, чем газ, и примерно в четыре раза большей теплоемкостью, что позволило сократить время цикла охлаждения на целых 70% по сравнению с формованием с использованием газа, а также получить более гладкие внутренние стенки — что ценно для деталей, предназначенных для транспортировки жидкостей или газов. Недостатком является то, что быстрое охлаждение при постоянном давлении может создавать пустоты в стенке детали или прорывать ее. Такие материалы, как нейлон с высокой скоростью кристаллизации, быстро затвердевают при контакте холодной воды с горячим расплавом, поэтому расплав становится менее текучим и менее способным вместить поступающую несжимаемую воду; результатом могут быть проколотые стенки, холодные заусенцы или поврежденная внутренняя поверхность. Для формования с использованием воды были разработаны марки с более медленной кристаллизацией и более высокой устойчивостью к гидролизу, и компромисс очевиден: увеличение времени цикла и качества против увеличения сложности процесса и необходимости в дополнительном оборудовании для контроля.
Пена и микроячеистое литье под давлением
При формовании вспененным методом и микропористым формовании в расплав вводится физический вспенивающий агент — обычно сверхкритическая жидкость. Растворенный газ снижает вязкость расплава, а при впрыскивании перепад давления способствует образованию большого количества мелких ячеек. Сообщается, что микропористый процесс позволяет уменьшить толщину материала на 30–40%, при этом получая детали с более высокой ударной прочностью и внутренней структурой из мелких пузырьков размером от 2 до 10 мкм.
Изготовленная деталь обычно имеет сэндвич-структуру из твердой оболочки и вспененного сердечника. Температура пресс-формы и давление в полости являются ключевыми факторами, определяющими качество поверхности: низкая температура пресс-формы подавляет рост ячеек у стенок и образует твердую оболочку, а толщина оболочки также зависит от скорости потока и глубины полости. Поскольку качество поверхности обычно является слабым местом вспененных деталей, для его улучшения используются противодавление газа и динамический контроль температуры пресс-формы, а датчики температуры и давления в полости обеспечивают мониторинг в режиме реального времени. Процесс чувствителен к объему впрыска, температуре пресс-формы, дозировке газа и скорости впрыска, а размер ячеек может варьироваться от области к области в пределах одной детали, поэтому механические свойства могут изменяться вместе с ним.
Тонкостенное литье под давлением
Литье тонкостенных изделий – это не столько отдельная машина, сколько целая технология. Деталь обычно классифицируется как тонкостенная, если ее номинальная толщина стенки составляет менее 1.0 мм (0.040 дюйма) или если отношение длины потока к толщине стенки превышает 150:1 даже при толщине стенки от 1.0 до 1.2 мм в большом корпусе. Заполнение такой полости до замерзания расплава требует высокоскоростного впрыска – порядка 300–1,000 мм/с – удельного давления впрыска около 180–280 МПа и усилия смыкания в диапазоне от 1.0 до 1.5 тонн/см².
Инструментальная оснастка должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать такое давление, а конструкция литникового канала должна быть выбрана таким образом, чтобы расплав достигал краев до того, как застывший слой их закроет. Формование тонких стенок также взаимодействует с микроэлементами: когда полость имеет как толстые, так и тонкие участки, расплав задерживается на входе в микроэлементы до тех пор, пока более толстая подложка не заполнится, и если время задержки превышает критическое время охлаждения элемента, полимер затвердевает в точке застоя до того, как элемент будет заполнен.
Вплавляемая этикетка
Технология нанесения этикеток непосредственно в пресс-форме предполагает размещение напечатанной этикетки или декоративной пленки, плоской или предварительно сформированной, в пресс-форме — часто с помощью робота — так что впрыскиваемая смола подкладывает под нее подкладку и сплавляет ее с поверхностью детали во время формования. Этикетка становится неотъемлемой частью детали, а не просто наклеенной этикеткой, что обеспечивает долговечное, интегрированное изображение без дополнительного этапа декорирования.
Эта технология имеет долгую историю в стандартном литье под давлением, начиная с отделки салона автомобилей под дерево и заканчивая предварительно напечатанными пленками и пленками для сухой покраски внутренних и наружных деталей, портативной электроники и крупной бытовой техники. Практическим ограничением являются требования к оснастке и погрузочно-разгрузочным работам: этикетка должна быть размещена и точно совмещена, а система обработки должна соответствовать темпу цикла литья.
Реакция литья под давлением
Реакционное литье под давлением представляет собой особый химический процесс, а не обработку отдельных твердых веществ. Два низковязких реакционноспособных компонента сталкиваются и смешиваются, а затем впрыскиваются в форму, где происходит их полимеризация. Наиболее распространенной системой является полиуретан, но таким способом также можно обрабатывать полимочевины, полиизоцианураты, полиэфиры, полифенолы, полиэпоксиды и нейлон 6.
Поскольку смесь гораздо менее вязкая, чем расплавленный термопластик, из нее можно формовать крупные, легкие и тонкостенные детали, а более низкая вязкость требует меньшего усилия зажима, что означает меньшие размеры оборудования и меньшие капитальные затраты. Пенопласт, полученный методом армированного реакционного литья под давлением (RIM), также образует высокоплотную оболочку поверх низкоплотного сердечника. При армировании методом реакционного литья под давлением добавляют стекловолокно или слюду для получения жестких пенопластовых панелей, обычно используемых в автомобилестроении. Инструменты могут быть изготовлены из обработанной стали или алюминия, литого алюминия, силиконовой резины, эпоксидной смолы или никеля, а размеры станка соответствуют размеру детали.
Как объемы производства и оснастка влияют на выбор типа процесса литья под давлением
Выбор технологического процесса также является экономическим решением, и именно в этом проявляется его влияние на оснастку. Ассоциация производителей пластмасс (ранее — Общество производителей пластмасс) определяет пять классов пресс-форм, которые дают общее представление о сроке службы оснастки. Класс 101 рассчитан на более миллиона циклов; класс 102 — на 500 000–1 миллион; класс 103 — на менее 500 000; класс 104 — на менее 100 000; и класс 105 — для изготовления прототипов с менее чем 500 циклами. Классы различаются по материалам, твердости и сроку службы: в классе 101 используется высококачественная сталь с полостями и сердечниками, закаленными как минимум до 48 R/C, в то время как класс 105 часто изготавливается из литого металла и является наименее дорогим из пяти. Эти классификации являются ориентирами для составления смет и оформления заказов и сами по себе не гарантируют качество изготовления.
Второй важный фактор — количество полостей. При объеме производства менее 50 000 деталей в год обычно начинают с одно- или двухгнездной оснастки, поскольку большее количество полостей редко окупается в краткосрочной перспективе. Точка безубыточности, при которой многогнездная пресс-форма окупает дополнительные инвестиции по сравнению с одногнездной, обычно находится в диапазоне от 50 000 до 200 000 деталей, в зависимости от размера детали, стоимости материала и производительности станка. Эти цифры являются типичными ориентирами, а не универсальными правилами: для крупной детали с дорогостоящим полимером и высокой производительностью станка многогнездная оснастка может быть оправдана при другом объеме производства, чем для мелкой стандартной детали.
Объем производства также взаимодействует с выбором материалов и специальных технологических процессов, описанных выше. В проекте по производству термореактивных пластмасс невозможно перерабатывать отходы на начальном этапе, поэтому мелкосерийное производство имеет иную структуру затрат, чем производство термопластичных пластмасс того же объема. Двухкомпонентная оснастка влечет за собой более высокие первоначальные затраты, которые может покрыть только крупная, стабильная по конструкции программа. А прототип оснастки класса 105 — это естественный способ проверить конструкцию, прежде чем принимать решение о производстве оснастки класса 103.
Чем отличаются автоматизация и управление технологическими процессами в зависимости от типа процесса литья под давлением?
Уровень управления и автоматизации варьируется так же сильно, как и сам процесс. Традиционное литье основано на замкнутом контуре управления впрыском и зажимом, измерении давления в полости и контроле температуры пресс-формы; специальные процессы добавляют к этому оси управления. Системы Variotherm нагревают и охлаждают пресс-форму в контролируемом цикле для управления заполнением и качеством поверхности. Впрыск газа и воды требует специальных блоков управления, которые регулируют время впрыска жидкости, удержания и сброса давления. Жидкий силиконовый каучук требует дозирования и контроля смешивания для поддержания двухкомпонентного соотношения. Литье с закладными элементами и маркировка внутри пресс-формы требуют роботизированного размещения и совмещения, которые соответствуют темпу цикла.
Общим моментом является то, что данные с датчиков поддерживают мониторинг в режиме реального времени и проверку результатов моделирования. Датчики давления и температуры в полости пресс-формы предоставляют данные для проверки того, что процесс протекает в соответствии с моделированием, а инструменты моделирования используются для оптимизации конструкции пресс-формы и параметров процесса до начала изготовления инструмента. Следует знать об ограничениях: существующие инструменты моделирования микроячеистых структур не могут точно воспроизвести весь процесс впрыска из-за больших колебаний давления, высоких скоростей охлаждения и сложного зарождения ячеек, а также предполагают равномерное зарождение ячеек, поэтому форма ячеек и ее влияние на анизотропию не учитываются. Моделирование сужает область поиска; оно не заменяет пробный метод.
Как выбрать подходящий тип процесса литья под давлением для вашей детали
В практической последовательности отбора переход от требований к деталям к процессу осуществляется в фиксированном порядке, поскольку каждый шаг ограничивает следующий.
Расчетная оценка силы сжатия для детали из ABS-пластика: 80 кв. дюймов (площадь проекции, детали, литники и литник) × 3.0 тонны/кв. дюйм, эмпирический коэффициент = 240 тонн, плюс 15% запас = 276 тонн, что указывает на пресс мощностью примерно 280–300 тонн. Этот коэффициент является расчетным значением для конструкционных смол общего назначения и должен быть подтвержден данными о давлении в полости пресс-формы или анализом потока расплава.
Начнем с семейства материалов. Термопласты, термореактивные пластмассы, эластомерные материалы или жидкий силиконовый каучук, металлический или керамический порошок, а также композитные материалы — каждый из них требует различного оборудования и оснастки, и выбор обычно определяется температурой, воздействием химических веществ, чистотой или механическими требованиями, а не самим процессом формования.
Затем обратите внимание на геометрию и сечение стенки. Тонкие стенки, большая длина потока и микроскопические особенности указывают на необходимость работы в высокоскоростном режиме при высоком давлении и использования вариатермического оборудования; толстые сечения могут свидетельствовать о процессах с использованием жидкости или пены, которые позволяют получить внутреннюю структуру методом стержня.
Затем следует выяснить, требуется ли для детали более одного материала или встроенный компонент. Мягкий захват жесткого корпуса, инкапсулированная металлическая резьба или скрытый сердечник из переработанного металла — каждый из этих факторов указывает на различную специальную технологию, а объем и уверенность в конструкции определяют выбор между двухэтапной обработкой и установкой компонентов методом «захват-перемещение».
Затем следует определить объем производства и бюджет на оснастку. Класс пресс-формы и количество ячеек определяются годовым объемом производства и ожидаемым сроком службы программы, а стоимость оснастки необходимо сопоставить с ценой за единицу продукции.
Наконец, проверьте требования к поверхности и допускам. Аморфные термопласты обычно выбирают вместо кристаллических смол, когда требуются жесткие допуски, из-за их меньшей и более изотропной усадки; для получения качественной поверхности вспененным деталям требуется противодавление или динамический контроль температуры пресс-формы; а для текстурированных поверхностей требуется дополнительный уклон.
В таблице ниже приведено краткое описание основных типов в зависимости от материала, типичного объема производства, сложности оснастки и ключевых компромиссов. В тех случаях, когда источники не приводят конкретных цифр, таблица носит качественный характер, а данные об объеме производства являются скорее ориентировочными, чем нормативными.
| Тип процесса литья под давлением | Материал | Типичный режим объема | Сложность инструмента | Ключевой компромисс |
| термопласт | Полукристаллические и аморфные полимеры | от низкого до очень высокого | Умеренный или высокий, в зависимости от класса. | Контроль усадки и деформации |
| термореактивных | сшивающие смолы | Снизу вверх | Нагретый инструмент; металлолом не подлежит повторной шлифовке. | Термостойкость и химическая стойкость в сравнении со стоимостью лома |
| Эластомер / жидкий силиконовый каучук | Силикон платинового отверждения, резина | Снизу вверх | Дозирование и смешивание, а также оснастка для холодной обработки. | Чистота и герметичность в сравнении со стоимостью оборудования |
| Металлический/керамический порошок | Порошок плюс связующее вещество | От низкоскоростного (LPIM) до массового производства (HPIM) | Формование, удаление связующего и спекание. | Металл или керамика с заданной формой, а не дополнительные этапы обработки. |
| Композитный / армированный волокнами материал | Коротковолокнистые и твердые соединения | Снизу вверх | Износостойкий шнек, цилиндр и инструмент. | Зависимость жесткости от анизотропии и износа волокон |
| Двухкомпонентный / многокомпонентный | Два полимера | Обычно более 10 000 деталей. | Одностаночный станок с индексируемой или вращающейся пресс-формой; дорогостоящая оснастка. | Склеенная многокомпонентная деталь против инвестиций в оснастку |
| Вставить молдинг | Смола плюс металлическая или другая вставка | Снизу вверх | Укажите местоположение и характеристики хранения. | Устранение необходимости сборки против увеличения времени цикла |
| многокомпонентное формование | Подложка плюс смола для литья под давлением | От скромного до высокого | Раздельное прессование и обработка | Мягкое прикосновение или герметизация против контроля сцепления |
| Совместная инъекция | Полимеры оболочки и ядра | От среднего до высокого | Два ствола, одно сопло; управление технологическим процессом. | Основные факторы, влияющие на стоимость или производительность, против факторов, способствующих прорыву. |
| Микролитье под давлением | Конструкционные полимеры | От среднего до высокого | Маленькие шнеки, точный контроль впрыска, вариотермический режим | Микронные характеристики по сравнению с контролем веса дроби |
| Газоподшипниковый / водоподшипниковый | Термопласты | От среднего до высокого | Блоки управления впрыском жидкости | Снижение веса и коробления в зависимости от сложности процесса |
| Пена / микроячеистая | Термопласты плюс сверхкритическая жидкость | От среднего до высокого | Дозирование газа и контроль температуры пресс-формы | Снижение расхода материала на 30–40% по сравнению с качеством поверхности. |
| Тонкостенный | Термопласты | Высокий | Надежная оснастка, высокоскоростной пресс | Уменьшение толщины стенки в зависимости от давления и замерзание |
| Вплавляемая этикетка | Термопласты плюс этикетка или пленка | От среднего до высокого | Роботизированная установка и регистрация | Интегрированная графика против сложности управления |
| Реакционное литье под давлением | Полиуретан и другие реактивные системы | От низкого до среднего | Инструменты из стали, алюминия, силикона, эпоксидной смолы или никеля | Крупные тонкие детали при малом усилии зажима в сравнении с контролем химического состава. |
Выберите NOBLE для поддержки вашего проекта по литью под давлением.
NOBLE — ведущая производственная компания в Китае, китайско-британское совместное предприятие, признанное правительством как национальное высокотехнологичное предприятие. Обладая более чем 10-летним опытом в сфере производства и быстрого прототипирования, NOBLE специализируется на услугах, связанных с поддержкой проектов, включая механическую обработку деталей и производство в рамках своей бизнес-модели «умное производство».
Для проектов по литью под давлением опыт имеет значение на обоих этапах программы. Возможности сервисного обслуживания и профессиональные технологические процессы NOBLE помогают клиентам эффективно переходить от прототипирования к серийному производству — подтверждая конструкцию, проверяя материал, а затем доводя деталь до серийного производства, не передавая проект между разрозненными поставщиками. Команда работает над полным выполнением требований заказчика, используя стандартизированное управление для строгого контроля качества деталей и продукции, а также рациональный рабочий процесс, который позволяет снизить затраты при сохранении качества.
Система управления качеством сертифицирована по стандартам ISO 9001:2015 и ISO 13485:2016, поэтому проекты, требующие высокого качества медицинских изделий, могут поддерживаться в рамках документированной системы управления. Компания NOBLE предлагает полный спектр услуг от проектирования до сборки — а не только производства — и осуществляет эффективный, точный и экономически выгодный процесс собственными силами, что означает, что быстрое прототипирование и быстрое производство не зависят от аутсорсинга. Комплексное программное обеспечение для станков с ЧПУ и опытные инженеры обеспечивают короткие сроки выполнения заказов, профессиональное коммерческое предложение может быть предоставлено в течение 24 часов после запроса с необходимой информацией, а полный комплект контрольно-измерительного оборудования и общая система контроля качества помогают гарантировать высокую точность создания прототипов и компонентов.
Миссия NOBLE — воплощать идеи в реальность, предоставляя высококачественные услуги по изготовлению продукции на заказ, создавая простые и сложные прототипы и детали конечного использования, отвечающие строгим допускам и стандартам качества. Для обсуждения проекта по литью под давлением отправьте запрос на коммерческое предложение с необходимой информацией о детали, и наша команда ответит вам ценовым предложением и рекомендуемым маршрутом от прототипа до серийного производства.
Часто задаваемые вопросы о типах литья под давлением
Какой процесс литья под давлением подходит для материала и геометрии моей детали?
Начните с выбора материала, поскольку он накладывает ограничения на станок и оснастку еще до учета геометрии. Затем рассмотрите сечение стенки и размеры элементов: тонкие стенки, большая длина потока и микроскопические элементы требуют высокоскоростных режимов и вариатермической оснастки, в то время как толстые сечения могут предпочитать процессы с использованием жидкости или пены. Наконец, задайте себе вопрос, требуется ли для детали более одного материала или вставка; если да, то следует начать с раздела о специальных процессах, описанного выше.
Как выбрать между двухкомпонентным литьем, литьем с закладными элементами и литьем с наложением слоев для детали, изготовленной из нескольких материалов?
Двухкомпонентное литье предполагает последовательное впрыскивание двух материалов в одной машине и подходит для больших объемов производства — обычно более 10 000 деталей — когда конструкция и материалы определяются на весь цикл. Литье с закладными элементами заключается в инкапсуляции предварительно установленной вставки, обычно металлической, в смолу, что исключает вторичные этапы вставки, такие как термосварка или ультразвуковая сварка. Литье с наложением слоев (overmolding) обеспечивает соединение второго слоя пластика с пластиковой подложкой для мягкого на ощупь сцепления, герметизации или эстетических целей и может осуществляться либо в режиме двухкомпонентного литья в одной машине, либо последовательно на отдельном прессе. Эти три метода связаны, но не взаимозаменяемы, и прочность соединения может различаться между ними для одной и той же пары материалов, поэтому выбор следует уточнить у поставщика материала и у производителя.
При каких объемах производства становится целесообразным использование специализированной оснастки для литья под давлением?
Универсального порогового значения не существует, поскольку экономика оснастки зависит от размера детали, стоимости материала и скорости обработки на станке. В качестве типичных ориентиров, оснастка с одной или двумя полостями обычно используется при объеме производства менее 50 000 деталей в год, а точка безубыточности, при которой многогнездная пресс-форма окупает дополнительные инвестиции по сравнению с одногнездной, обычно находится в диапазоне от 50 000 до 200 000 деталей. Для очень малых объемов производства прототипная оснастка класса 105 — менее 500 циклов — является естественным выбором для проверки конструкции перед началом серийного производства.
Чем отличаются литье под давлением металлических и керамических порошков от литья пластмасс под давлением с точки зрения оснастки и постобработки?
Литье под давлением порошковых материалов добавляет два этапа после формования, которых нет при литье пластмасс под давлением: удаление связующего вещества из заготовки и спекание, которое уплотняет заготовку и формирует ее свойства. Подготовка сырья также более сложна, поскольку порошок и связующее вещество должны быть смешаны в однородную смесь. В рамках литья под давлением порошковых материалов высокотемпературное формование исторически было связано с массовым производством, в то время как низкотемпературное формование с использованием низковязких материалов продемонстрировало свои возможности как для мелкосерийного, так и для крупносерийного производства, включая изготовление керамических деталей, близких к окончательной форме, в количестве от 100 до 10 000 единиц.
Какие различия в оснастке и оборудовании следует ожидать при микролитье под давлением по сравнению с традиционным литьем?
Микролитье под давлением использует шнеки меньшего диаметра, точный контроль впрыска и более высокие температуры расплава и формы, а также часто добавляет вариатермический нагрев формы для предотвращения преждевременного застывания микроэлементов. Главная сложность заключается в контроле очень малых объемов впрыска: для впрыска 1 мг требуется ход шнека примерно 0.0056 мм на 14-миллиметровом шнеке, а маленькие шнеки с трудом поддерживают давление впрыска и подают гранулы. В обычных машинах иногда используются системы литников и каналов, примерно в 100 раз превышающие размеры микродетали, но это приводит к перерасходу смолы, увеличению цикла и скрывает влияние параметров машины на деталь.
Каким образом формование с использованием газа, воды и пенопласта уменьшает деформацию или вес, и во сколько это влияет на сложность процесса?
В методе формования с газовой поддержкой газ впрыскивается в расплав для вырезания толстых участков, уплотнения детали и уменьшения деформации, напряжений и усадки, что обеспечивает лучшую точность размеров и стабильность формы. В методе формования с водной поддержкой используется вода, которая имеет примерно в 40 раз большую теплопроводность, чем газ, и примерно в четыре раза большую теплоемкость; это позволяет сократить время цикла охлаждения на 70% по сравнению с формованием с газовой поддержкой и обеспечивает более гладкие внутренние стенки, но быстрое охлаждение под высоким давлением может создавать пустоты или прорывать поверхностный слой, особенно в быстрокристаллизующихся материалах, таких как нейлон. В методах формования с использованием пены и микроячеистой структуры используется сверхкритическая жидкость для создания мелкоячеистой структуры, при этом сообщается о снижении расхода материала на 30-40% в процессе микроячеистой формовки, но качество поверхности зависит от температуры пресс-формы и давления в полости и часто требует противодавления газом или динамического контроля температуры пресс-формы. Все три метода жертвуют простотой процесса ради снижения веса, коробления или сокращения времени цикла.
Какие услуги предоставляет компания NOBLE в области прототипирования и массового производства, и какие сертификаты к ней применяются?
Компания NOBLE предоставляет полный спектр услуг по изготовлению продукции на заказ, от проектирования до сборки — не только серийного производства — и оказывает поддержку клиентам на всех этапах, от прототипирования до массового производства. NOBLE — это китайско-британское совместное предприятие, признанное национальным высокотехнологичным предприятием, обладающее более чем 10-летним опытом профессионального производства и быстрого прототипирования. Система качества компании сертифицирована по стандартам ISO 9001:2015 и ISO 13485:2016. Собственные производственные мощности, контрольно-измерительное оборудование и профессиональный процесс составления коммерческих предложений обеспечивают короткие сроки выполнения заказов и высокое качество деталей.
