Реакционное литье под давлением — это процесс низкого давления, при котором два реакционноспособных жидких компонента дозируются, смешиваются под давлением и впрыскиваются в закрытую форму, где они полимеризуются, образуя готовую деталь. Это единственное предложение отличает его от обычного термопластичного литья под давлением, при котором твердые гранулы расплавляются и вдавливаются в стальную полость под высоким давлением. При реакционном литье под давлением форма не формирует расплав; она удерживает реагирующую жидкость, в то время как химические процессы формируют материал.
Различие между реакционным литьем под давлением определяет все последующие этапы процесса — доступную оснастку, размеры деталей, которые можно изготовить, планируемое время цикла и объемы, при которых экономическая целесообразность оправдана. В этом руководстве пошагово рассматривается весь процесс, приводятся аргументы в пользу выбора реакционного литья под давлением, а также аргументы против него, рассматриваются семейства материалов (полиуретан, полимочевина, гибриды и армированные варианты RRIM и SRIM), и проводится прямое сравнение этого процесса с литьем под давлением термопластов, формованием конструкционной пены, компрессионным формованием, литьем, выдувным формованием, металлами и армированными волокнами композитами. В заключение приводятся рекомендации по проектированию и обработке, а также схема принятия решений о том, когда реакционное литье под давлением является подходящим процессом, когда нет, и как проектировать детали, которые хорошо поддаются формовке.
Что такое реакционное литье под давлением и чем оно отличается от обычного литья под давлением?
Реакционное литье под давлением — это процесс низкого давления, при котором два реактивных потока жидкости — обычно изоцианат «сторона А» и полиол или смола «сторона В» — дозируются, смешиваются методом ударного перемешивания и впрыскиваются в закрытую форму, где они полимеризуются и отверждаются. Давление заполнения находится в диапазоне примерно 50–200 фунтов на квадратный дюйм (3.4–13.8 бар), и компоненты поступают в полость в виде низковязких жидкостей, а не расплавленного полимера.
Технология термопластичного литья под давлением работает в обратном направлении. Твердые гранулы расплавляются при высокой температуре и укладываются в стальную форму при давлении впрыска, обычно составляющем от 5,000 до 20,000 фунтов на квадратный дюйм. Поскольку усилие смыкания является произведением давления в полости и площади проекции, именно эта разница давлений делает возможным изготовление крупных деталей методом реакционного литья под давлением на небольших прессах и с использованием сравнительно недорогой оснастки.
Название может вызвать путаницу, поэтому следует разделять обе части. «Реакция» относится к химическому процессу: деталь создается путем полимеризации внутри формы, а не путем охлаждения расплава. «Впрыск» относится только к подаче: жидкая смесь вдавливается в закрытую полость. Семейство процессов началось с литья под давлением полиуретана методом реакционного литья под давлением, разработанного в конце 1960-х годов и принятого автомобильной промышленностью в 1970-х годах для облицовки и кузовных панелей; с тех пор оно расширилось до вариантов с использованием полимочевины, полиизоцианурата, армированного (RRIM) и конструкционного (SRIM) полиуретана.
Химические процессы, лежащие в основе реакционного литья под давлением.
При реакционном литье под давлением деталь формируется путем полимеризации, а не затвердевания. Изоцианатная группа реагирует с гидроксильной группой полиола, образуя уретановую связь; вода или вспенивающий агент могут генерировать газ для получения пенообразного материала с цельной оболочкой; удлинители цепи диаминов способствуют образованию полимочевины. Реакция экзотермическая, и время гелеобразования, скорость отверждения и время извлечения из формы определяются пакетом катализаторов и составом, а не охлаждением формы.
Именно поэтому технологический процесс совсем не похож на процесс формования термопластов. При формовании термопластов время охлаждения, как правило, является определяющим фактором цикла, а форма действует как теплоотвод. При реакционном литье под давлением форма поддерживается при контролируемой температуре (обычно 100–180 °F / 40–80 °C), а линии подачи воды регулируют экзотермический эффект, но скорость процесса определяется скоростью гелеобразования и нарастания прочности в сыром состоянии. Та же самая базовая химическая формула, переформулированная с использованием различных функциональных групп полиолов, удлинителей цепи и вспенивающих агентов, применяется для мягких эластомеров, полужестких пенополиуретанов с цельной оболочкой и жестких конструкционных пенополиуретанов.
Почему низкое давление меняет уравнение работы инструмента
В типичном реакционном литье под давлением давление в полости остается ниже примерно 100 фунтов на квадратный дюйм (7 бар). При таком уровне становятся возможными литые алюминиевые, электроформованные никелевые, киркситовые сплавы, эпоксидные смолы, силикон и стекловолоконные пресс-формы, тогда как для той же крупной детали потребовалась бы пресс-форма из закаленной стали. Выбор материала для пресс-формы тогда становится компромиссом между количеством изготавливаемых деталей, размерами и допусками, качеством и текстурой поверхности, требуемым сроком службы пресс-формы, стоимостью пресс-формы и характеристиками детали — и экономия возрастает с увеличением размера пресс-формы.
Компромисс лежит в основе каждого решения, принимаемого при реакционном литье под давлением. Оснастка дешевле, но стоимость одной детали выше: двухкомпонентная жидкая химия стоит дороже за фунт, чем обычные гранулы, циклы занимают минуты, а не секунды, и большинство деталей требуют обрезки, удаления облоя и покраски. Этот процесс представляет собой арбитраж между первоначальными затратами на оснастку и текущей ценой за деталь, и расчеты в следующем разделе покажут, как его оценить.
Процесс литья под давлением с реакционной реакцией, шаг за шагом.
Последовательность этапов от сырья до готовой детали — это то, где фактически сосредоточены риски, связанные со временем, стоимостью и качеством. Типичные показатели — время впрыска порядка 15–20 секунд, отверждение деталей примерно за минуту, время цикла обычно 4–6 минут, а для некоторых систем дополнительная полимеризация не требуется — являются отправными точками, а не гарантиями. Они меняются в зависимости от размера детали, толщины стенки и состава, и для более крупных деталей, как правило, требуется больше времени.
Дозирование и обработка двух компонентов
В герметичных резервуарах суточного объема находятся изоцианат и полиол, при этом циркуляционные насосы и мешалки поддерживают однородность смеси, а теплообменники поддерживают температуру каждого компонента на заданном уровне. Критически важным параметром является контроль соотношения компонентов: стехиометрия реакции изоцианата с полиолом определяет плотность сшивки и конечные свойства, а впрыск с неправильным соотношением компонентов приводит к отверждению с неправильной твердостью независимо от действий пресс-формы. Температура имеет значение по той же причине — она изменяет вязкость, а вязкость влияет на качество смешивания двух потоков.
Наполнители, такие как измельченное стекло или минералы, добавляемые в полиольную смесь, требуют постоянного перемешивания для поддержания их во взвешенном состоянии. Влага является загрязняющим веществом на протяжении всего процесса, поскольку изоцианаты реагируют с водой, образуя мочевинные связи и углекислый газ; эта реакция полезна, когда она целенаправленно используется для вспенивания, и нежелательна, когда она приводит к образованию пустот или изменению свойств.
Смешивание ударных воздействий в смесительной головке
Насосы высокого давления подают оба потока под давлением примерно 1,500–3,000 фунтов на квадратный дюйм (100–200 бар) в самоочищающуюся смесительную головку, где они сталкиваются лоб в лоб в небольшой камере. Механического смесителя нет; смешивание происходит за миллисекунды самими форсунками. Для быстродействующих систем это крайне важно, поскольку смесь должна быть однородной до начала гелеобразования. Конструкция смесительной головки, состояние сопла и циклы промывки между впрысками являются постоянными проблемами в процессе эксплуатации, а изношенная или плохо очищенная смесительная головка проявляется в виде разводов и неравномерной работы деталей.
Заполнение формы: ламинарный поток, ориентация и вентиляция.
При прохождении через затвор скорость потока материала переходит из турбулентного в ламинарный, и низковязкая жидкость затем заполняет полость в ламинарном потоке. Таким образом, ориентация пресс-формы и расположение вентиляционных отверстий определяют, будет ли воздух вытеснен должным образом, а не заперт. Стандартным правилом является заливка в самую нижнюю точку инструмента в сочетании с кратчайшей практически возможной длиной потока; размеры вентиляционных отверстий должны соответствовать объему воздуха, который поступающая жидкость выталкивает перед собой.
Здесь же берут начало два правила проектирования, описанные далее в руководстве. Плавные переходы между стенками помогают фронту потока продвигаться равномерно, а достаточный уклон имеет значение, поскольку деталь изготавливается вручную, а полиуретан обеспечивает сцепление с инструментом.
Затвердевание, извлечение из плесени и отделка
Внутри пресс-формы реакция протекает через экзотермический процесс, гелеобразование и достижение точки, когда деталь приобретает достаточную прочность в сыром состоянии для извлечения из формы без деформации. Затем наступает этап финишной обработки: обрезка, удаление облоя и покраска являются обычными статьями расходов при реакционном литье под давлением. Поверхности в отформованном виде обычно требуют покраски, а не получения высококачественной отделки сразу после литья, хотя нанесение покрытия внутри пресс-формы — распыление краски на поверхность пресс-формы перед заполнением — может сократить трудозатраты на последующую финишную обработку и обеспечивает превосходную адгезию покрытия.
В некоторых производственных установках время извлечения деталей из формы для крупных деталей класса А сокращается до 60–150 секунд при использовании многопрессовых карусельных систем с роботизированной обработкой. Рассматривайте это как передовую производственную конфигурацию, а не как базовый уровень; планировка обычной ячейки для реакционного литья под давлением должна быть ориентирована на многоминутный цикл.
Почему стоит выбрать литье под давлением с реакционной реакцией?
Аргументы в пользу литья под давлением с использованием реакционной смеси сводятся к ряду явных преимуществ, каждое из которых имеет свой механизм действия и сопровождается определенной стоимостью. Честная оценка этих преимуществ превращает процесс от простого ознакомления с рекламным буклетом в принятие решения.
В статье приведены примерные диапазоны размеров оснастки для реакционного литья под давлением и литья под давлением термопластов. Цифры представляют собой типичные оценки специалистов-практиков, зависящие от размера детали, материала оснастки и сложности, а не коммерческие предложения.
Преимущества: низкая стоимость оснастки для крупных деталей; возможность изготовления больших, легких и тонкостенных деталей благодаря низкой вязкости и малому усилию смыкания; свобода проектирования сложных геометрических форм; переменная толщина стенки в пределах одной детали; хорошие ударопрочность, химическая стойкость и устойчивость к атмосферным воздействиям в зависимости от состава; и возможность создания пенополиуретана с цельной оболочкой, где плотный слой образуется поверх сердцевины низкой плотности.
Ограничения: более высокая стоимость материала на деталь, более длительные циклы, ограниченная возможность вторичной переработки, поскольку деталь изготовлена из термореактивного пластика, поверхность после формования, как правило, требует покраски, и оптимальный объем производства, который значительно ниже, чем при литье под давлением термопластов. Если рассматривать выбор как экономический — арбитраж оснастки против стоимости детали — то логика точки безубыточности становится следующей: разделите разницу в стоимости оснастки на разницу в стоимости детали, чтобы найти объем, обеспечивающий безубыточность, а затем сравните его с объемом программы за весь срок ее действия, а не с объемом первого года.
Стоимость оснастки и экономика объемов производства при реакционном литье под давлением
Обычно указываются ориентировочные диапазоны цен на оснастку для реакционного литья под давлением примерно от 5,000 до 25 000 долларов США по сравнению с 30 000–150 000 долларов США для традиционного литья под давлением, что часто описывается как снижение на 60–80%. Это ориентировочные цифры, которые зависят от размера детали, материала оснастки и сложности — крупная оснастка класса А с возможностью нанесения покрытия непосредственно в пресс-форме не будет находиться в нижней части диапазона цен.
Обычно оптимальный объем производства описывается в диапазоне примерно от 100 до 5,000 деталей в год, при этом некоторые источники расширяют верхний предел до 10 000 единиц в год, прежде чем увеличение времени цикла начнет снижать экономическую эффективность. Произведите расчеты для вашей детали: если использование пресс-формы для реакционного литья под давлением позволяет сэкономить 100 000 долларов, а цена за штуку увеличивается на 2 доллара, то точка безубыточности составляет 50 000 деталей, что может превысить весь объем программы. Если же использование пресс-формы позволяет сэкономить 100 000 долларов, а цена за штуку увеличивается на 0.50 доллара, точка безубыточности снижается до 200 000 деталей, и ответ полностью зависит от объема производства за весь срок службы. Формула проста; входные данные специфичны для вашей детали, поэтому и вывод специфичен.
Крупные детали, низкое усилие смыкания и свобода проектирования.
Давление в полости пресс-формы составляет около 100 фунтов на квадратный дюйм, что означает, что усилие смыкания остается умеренным даже при увеличении площади проекции до нескольких квадратных метров, поэтому большие прессы не требуются, и детали могут иметь площадь в несколько квадратных метров. Текучесть низковязких компонентов обеспечивает равномерное распределение материала внутри пресс-формы, что позволяет изготавливать крупные, тонкостенные и сложные детали.
Переменная толщина стенок является существенным отличием. Для реакционного литья под давлением указываются поперечные сечения от 0.25 до 1.125 дюйма в пределах одной и той же формованной детали — диапазон, который не характерен для термопластичного литья под давлением, выдувного формования или формования листовых компаундов. Вставки также могут быть размещены в полости и инкапсулированы; поскольку давление заполнения низкое, вставкам требуется гораздо меньше поддержки для предотвращения вымывания, чем при литье под давлением, что является реальным преимуществом для крупных склеенных узлов и для деталей, содержащих датчики, проводку или усиливающие рамы.
В тех случаях, когда литье под давлением с реакционной силой является неправильным выбором.
Отрицательный случай заслуживает столь же ясного рассмотрения. Реакционное литье под давлением — неподходящий процесс, когда объемы производства превышают примерно 10 000 единиц в год, а время цикла является определяющим фактором в модели затрат; когда конструкция требует использования конструкционных термопластов, таких как PEEK, PPS или поликарбонат; когда требуется поверхность класса А без покраски; и когда необходимы допуски жестче, чем примерно ±0.005 дюйма. В этих случаях правильным решением является литье под давлением термопластов со стальной оснасткой.
В диапазоне объемов производства от 2,000 до 5,000 единиц решение требует детального моделирования затрат, а не эмпирического правила: амортизация оснастки на весь срок службы, стоимость материалов на одну деталь, время цикла, умноженное на скорость работы оборудования, и вторичные операции, такие как покраска при реакционном литье под давлением. В этой «серой зоне» решение должно приниматься на основе тщательной электронной таблицы, а не на основе личных предпочтений.
Выбор материалов для реакционного литья под давлением
Выбор материала для реакционного литья под давлением начинается с обзора семейств материалов, а затем сужается путем решения ряда инженерных вопросов. Доминирующим материалом является полиуретан, доступный в чрезвычайно широком диапазоне жесткости, твердости и плотности — от гибкого эластомера до жесткой конструкционной пены. Полимочевина обладает высокой реакционной способностью и относительной нечувствительностью к влаге. Гибриды полиуретана и полимочевины обеспечивают баланс между скоростью отверждения и профилем свойств, а полиизоциануратные системы жертвуют некоторой гибкостью ради термической стабильности и огнестойкости. Армированные варианты — RRIM, с измельченными стекловолоконными или минеральными наполнителями, обычно в количестве 10–25% по весу, и SRIM, с предварительно размещенным стекловолоконным матом в полости — повышают жесткость и термостойкость. DCPD (полидициклопентадиен) — это отдельная система реакционного литья под давлением со своим собственным профилем свойств, позволяющая изготавливать крупные детали в низкотемпературных формах с механическими характеристиками, аналогичными термопластам, полученным методом литья под давлением.
Критерии выбора включают жесткость и модуль упругости, ударную вязкость и удлинение, термостойкость, химическую стойкость и стойкость к УФ-излучению, качество поверхности и возможность окрашивания, пенообразование или твердость, а также уровень наполнителя или армирования. Все они подчиняются одному принципу: состав — тип изоцианата, полиольная основа, удлинитель цепи, катализатор и добавки — определяет свойства в большей степени, чем сам процесс. Ароматические изоцианаты желтеют под воздействием света, в то время как алифатические системы светостойки; этот единственный выбор может определить, можно ли использовать деталь на открытом воздухе без покраски.
Полиуретановые системы: от гибких эластомеров до жестких конструкционных пенопластов.
Мягкие эластомеры, полужесткие пенополиуретаны с цельной оболочкой и жесткие конструкционные пенополиуретаны имеют одинаковую базовую химическую структуру, различаясь лишь функциональностью полиолов, удлинителями цепи и вспенивающими агентами. Жесткие полиуретановые системы, как правило, обладают более высоким модулем упругости при изгибе и твердостью, а также хорошей термостойкостью, электрическими свойствами, химической стойкостью и звукоизоляцией; эластомерные системы выбираются там, где важны ударная прочность, вязкость, а также сопротивление истиранию, износу и порезам. Эти две категории частично перекрываются на границе, поэтому диапазоны модуля упругости при изгибе не являются четкой разделительной линией.
В системах структурной пены используется вспенивающий агент, который активируется при реакции полиола с изоцианатом, образуя более плотный слой поверх микроячеистого сердечника меньшей плотности. Плотность полиуретановых пен варьируется от 2 фунтов на кубический фут до 55 фунтов на кубический фут, а модуль упругости при изгибе возрастает с плотностью — для неармированной структурной пены с плотностью 15 фунтов/фут³ характерна прочность примерно 30 000 фунтов на квадратный дюйм. Такая цельнослойная структура является преимуществом реакционного литья под давлением: жесткость там, где это необходимо детали, малый вес там, где это не требуется, и поверхность, которую можно окрашивать сразу после формовки.
Полимочевинные и гибридные системы
Быстрая реактивность полимочевины и ее относительная нечувствительность к влаге сделали двухкомпонентные полимочевинные эластомеры полезными покрытиями для проектов с большими поверхностями, и эти химические свойства сохраняются и в формованных эластомерных деталях. Благодаря быстрой реакции, полимочевинные системы позволяют сократить время извлечения из формы, но та же скорость сужает технологический диапазон и повышает требования к производительности смесительной головки и точности соотношения компонентов.
Гибридные полиуретаново-полимочевинные системы существуют именно для того, чтобы сбалансировать эти компромиссы, и для изменения скорости реакции, максимального экзотермического эффекта и вязкости смолы наряду с профилем свойств используются подходы с взаимопроникающими полимерными сетями. Следует четко определять область применения заявленных характеристик: это характеристики, зависящие от состава, а не универсальные рейтинги, и определяющими являются технические характеристики конкретной системы.
Усиленное реакционное литье под давлением: RRIM и SRIM
В методе RRIM наполнители — измельченное стекло, слюда, волластонит, тальк, обработанные минеральные волокна — добавляются в поток полиола перед инъекцией. В методе SRIM в полость перед инъекцией смолы помещается стекловолоконный мат или заготовка, поэтому армирование является структурным, а не диспергированным. Армирование обеспечивает более высокий модуль упругости при изгибе (обычно в 2–4 раза выше, чем у неармированного полиуретана для RRIM), лучшую стабильность размеров и более высокую термостойкость. Это сопряжено с усложнением процесса, а в случае SRIM — с дополнительными трудозатратами на укладку мата.
Третий способ, впрыскивание длинных волокон, предполагает измельчение и смачивание стекловолокон внутри смесительной головки, после чего смесь распыляется роботом на открытую форму перед ее закрытием. Он сочетает в себе материалы для реакционного литья под давлением с процессом, более близким к обработке композитных материалов для листового литья, и заслуживает внимания, когда требуется как высокое содержание стекловолокна, так и высокие структурные характеристики.
Практический контрольный список для выбора материалов
Проработайте вопросы по порядку. Во-первых, определите механические и термические нагрузки, которые должна выдерживать деталь, включая температуры, которым она будет подвергаться в процессе обработки, сборки и конечного использования. Во-вторых, решите, использовать ли сплошную или цельнолитую пену — пена снижает плотность и вес, но изменяет жесткость и поведение поверхности. В-третьих, решите, использовать ли неармированный или армированный материал, и если армированный, то какой тип наполнителя — диспергированный (RRIM) или предварительно уложенный (SRIM) — подходит для данной геометрии и объема. В-четвертых, проверьте воздействие химических веществ — растворителей, обезжиривающих средств, чистящих средств, бытовых товаров — а также требования к УФ-излучению и воспламеняемости. В-пятых, подтвердите возможность покраски и требования к поверхности, включая возможность нанесения покрытия в пресс-форме. В-шестых, убедитесь, что выбранная рецептура доступна и пригодна для обработки на вашем предприятии по литью пластмасс, с необходимым оборудованием и опытом. Это обычные инженерные рассуждения, а не утвержденное правило, но пропуск этого шага приводит к тому, что в результате проекта используется материал, соответствующий техническим характеристикам, а не требованиям применения.
Реакционное литье под давлением против других производственных процессов
Сравнения полезны только тогда, когда они ограничены критериями, по которым разница реальна. В данном случае это стоимость оснастки, время цикла, размер детали, диапазон объемов, качество поверхности, варианты материалов и возможность вторичной переработки. В таблице ниже приведены ориентировочные данные; рассматривайте их как типичные значения, а не как спецификации, поскольку диапазоны перекрываются на границах, и каждая деталь влияет на эти значения.
| Критерий | Реакционное литье под давлением | Литье термопластов под давлением |
| Давление впрыска | 50-200 фунтов на квадратный дюйм | 5,000-20,000 фунтов на квадратный дюйм |
| Типичная стоимость оснастки | $ $ 5,000 25,000- | $ $ 30,000 150,000- |
| Время цикла | 2 – 10 минут | 10–60 XNUMX секунд |
| Варианты материала | ПУ, полимочевина, ДЦПД, армированные варианты | Более 100 термопластов |
| Максимальный размер детали | 6+ футов (2 м) — вполне реально. | Ограничено тоннажем прессования |
| Оптимальный уровень громкости | ~50–5,000 единиц в год | ~1 000–1 000 000+ единиц в год |
| отформованная поверхность | Обычно требуется покраска. | Достижимый класс А |
| Рециркуляции | Термореактивный материал; не подлежит повторному измельчению. | Измельчено и использовано повторно |
Диапазоны давления заполнения полости для реакционного литья под давлением и литья под давлением термопластов, переведенные в единую единицу измерения (бар). Диапазоны различаются примерно в пять раз в ближайшем сравнении и примерно в сто раз в самом широком, или примерно в двадцать-двадцать пять раз между соответствующими концами каждого диапазона, что позволяет использовать недорогую оснастку и низкое усилие смыкания при реакционном литье под давлением. Диапазоны представляют собой типичные технологические окна, а не требования.
Реакционное литье под давлением против термопластичного литья под давлением
Это ключевое сравнение. Реакционное литье под давлением обеспечивает заполнение при давлении 50–200 фунтов на квадратный дюйм, стоимость оснастки обычно составляет 5,000–25,000 долларов, цикл занимает 2–10 минут, позволяет лить полиуретан, полимочевину и DCPD, позволяет изготавливать детали длиной более 2 м и конкурентоспособно при производительности примерно от 50 до 5,000 единиц в год. Поверхность после литья обычно требует покраски, а деталь представляет собой термореактивный материал, который нельзя перешлифовать. Термопластичное литье под давлением обеспечивает заполнение при давлении 5,000–20,000 фунтов на квадратный дюйм, стоимость оснастки обычно составляет 30,000–150,000 долларов, цикл занимает 10–60 секунд, предлагает более сотни термопластов, ограничено по размеру мощностью пресса и конкурентоспособно при производительности от 1,000 до более 1 000 000 единиц в год; достижима класс А, а отходы подлежат переработке.
Решение обычно зависит от размера детали и объема производства. Для деталей размером более 12 дюймов при небольших объемах производства литье под давлением с использованием реакционной смеси часто не имеет жизнеспособной альтернативы термопластам, поскольку для крупноформатной литьевой формы может потребоваться пресс мощностью 1,000 тонн и более. При больших объемах производства мелких деталей преимущество термопластичного литья по времени цикла возрастает, и решение меняется на противоположное.
Реакционное литье под давлением против формования конструкционной пены
Оба процесса позволяют получать крупные, жесткие и легкие детали со структурой «оболочка-сердцевина», поэтому их часто путают. Формование конструкционной пены — это термопластичный процесс: газ, чаще всего азот, растворяется в расплаве, впрыскивается небольшое количество вещества, и расширяющийся газ завершает заполнение. Реакционное литье под давлением создает структуру «оболочка-сердцевина» посредством самой реакции при низком давлении, и конструкционную пену, полученную методом реакционного литья под давлением, иногда называют «жестким» реакционным литьем под давлением.
Исторические данные свидетельствуют о том, что полиуретановые пенопласты с цельной внешней оболочкой, полученные методом реакционного литья, стали конкурентоспособными по сравнению с термопластичными конструкционными пенопластами, и эта позиция по-прежнему актуальна: выбирайте реакционное литье под давлением, когда вам нужна структура «оболочка-сердцевина» в крупной детали с использованием недорогой оснастки, и формование конструкционных пенопластов, когда требуется термопластичная смола и определение ее свойств.
Реакционное литье под давлением против компрессионного литья
При компрессионном формовании SMC или BMC предварительно отмеренная загрузка помещается в открытую нагретую форму и сжимается под давлением 15–30 МПа. Этот метод позволяет получать прочные, термостойкие, электростабильные детали, а также обходится дешевле в изготовлении оснастки, чем литье под давлением, для деталей размером больше обувной коробки, но требует предварительной отмеренной загрузки и прессов высокого давления. Преимуществом реакционного литья под давлением является более низкое давление и более дешевая оснастка для крупных деталей; преимуществом компрессионного формования является армирование волокном, что повышает структурную прочность и экономичность цикла при больших объемах производства. Если деталь представляет собой конструкционную панель с высоким содержанием стекловолокна и ее объем значителен, следует серьезно рассмотреть компрессионное формование; если деталь большая, геометрически сложная и требуется в небольших количествах, реакционное литье под давлением обычно выигрывает в плане оснастки.
Реакционное литье под давлением против литья и выдувного формования
Литье использует простую, недорогую оснастку и медленные циклы, а также ограничено относительно простыми формами и небольшими объемами — его следует применять только при простой геометрии и небольшом количестве. Выдувное формование производит полые термопластичные детали и относится к совершенно другому классу геометрических форм; оно не является заменой детали, изготовленной методом литья под давлением. Оба сравнения касаются скорее исключения, чем исчерпывающего рассмотрения.
Реакционное литье под давлением в сравнении с металлами и армированными волокнами композитами.
Штампованный или обработанный металл обеспечивает более высокую плотность и иное соотношение жесткости и веса, но при этом существуют развитые системы оснастки и соединений, которые трудно превзойти для некоторых конструкционных кронштейнов. По сравнению с армированными волокнами композитами сравнение частично внутреннее: SRIM сам по себе является вариантом реакционного литья под давлением, поэтому реальный вопрос заключается в том, обеспечивает ли трудозатраты на укладку стекловолоконного мата достаточную структурную жесткость, чтобы оправдать себя. Листовые формовочные компаунды и термопласты на основе стекловолокна обеспечивают ламинированное армирование и, для GMT, короткие циклы, но оба требуют оборудования высокого давления. Более низкое давление реакционного литья под давлением снижает затраты на пресс и оснастку, а его способность формовать детали, сетки и выступы на стороне B детали класса А делает его конкурентоспособным по сложности.
Рекомендации по проектированию и технологическим процессам для деталей, изготовленных методом реакционного литья под давлением.
Приведенные ниже эмпирические правила определяют, насколько хорошо изделие поддается формовке. Это рекомендации с обоснованием, а не абсолютные требования, и их следует уточнить у производителя и с учетом конкретной рецептуры.
| Характеристика | Рекомендованные | Ограничивать | Почему |
| толщина стенки | 0.125–0.250 дюйма (3–6 мм) | 0.100–0.500 дюйма (2.5–12 мм) | Химический процесс отверждения позволяет использовать толстые слои материала. |
| Переход стены | Постепенное снижение | Резкий шаг 3:1 | Изолированные тяжелые массы сильно нагреваются во время экзотермической реакции. |
| Черновик - Draft | 2–3° в каждую сторону | 1° | Инструмент удерживается полиуретаном; детали изготавливаются вручную. |
| Внутренний радиус | 0.125 дюйма (3 мм) или более | - | Угловые элементы конструкции и плавность фронта потока |
| Основание ребра | 0.6–0.75 × стенка | - | Низковязкий наполнитель облегчает приготовление рёбер; кожа всё ещё тонет. |
| Давление в полости | При давлении около 100 фунтов на квадратный дюйм (7 бар) | - | Устанавливает низкое усилие зажима и использует дешевый инструмент. |
| Частичная область | До нескольких квадратных метров | - | Сила зажима плавно возрастает с увеличением площади проекции. |
Толщина стенок, переходы и конструкция ребер
Экзотермический эффект является причиной существования правил регулирования толщины стенок. Толстые участки генерируют больше тепла, а изолированная тяжелая масса, окруженная тонкими стенками, не может отводить его в окружающий материал, поэтому она нагревается, отверждается по-другому и может проседать или деформироваться. Постепенные переходы распределяют это тепло и обеспечивают равномерное продвижение фронта потока. Химический процесс отверждения в первую очередь позволяет использовать толстые участки — практический диапазон составляет 0.100–0.500 дюйма, а в некоторых системах DCPD возможны участки толщиной до 12 дюймов — но допустимая толщина не является безразличной.
Ребра легко заполняются, поскольку жидкость очень текучая, что является преимуществом по сравнению с термопластичным формованием. Усадочные раковины остаются риском возникновения поверхностного эффекта, поэтому основание ребер толщиной 0.6–0.75 × номинальной толщины стенки позволяет найти компромисс между жесткостью и качеством поверхности. Там, где требуется дополнительная прочность, добавление ребер, как правило, предпочтительнее, чем резкое увеличение толщины стенки.
Осадка, радиусы и выброс
Уклон здесь имеет большее значение, чем при литье термопластов, поскольку детали вытягиваются вручную, а полиуретан удерживает инструмент. Рекомендуется два-три градуса с каждой стороны, а 1° — это практический минимум; более глубокие ребра и полости требуют большего уклона, поэтому, если он будет как можно меньше, требования к нему снизятся. Внутренние радиусы 3 мм и более важны как для обеспечения прочности углов, так и для плавности потока, а общепринятое правило устанавливает внешний радиус примерно равным 1.5 номинальной толщине стенки, а внутренний радиус — примерно 0.5 номинальной толщине стенки. Острые окрашенные кромки следует сглаживать малым радиусом, поскольку равномерное покрытие острым внешним углом трудно обеспечить.
Температура пресс-формы, время цикла и вентиляция.
Температура пресс-формы обычно составляет 100–180 °F (40–80 °C), время впрыска — около 15–20 секунд, отверждение — около минуты, а время цикла — обычно 4–6 минут. Размеры вентиляционных отверстий должны соответствовать объему воздуха, вытесняемого во время ламинарного заполнения; недостаточная вентиляция проявляется в виде неполного впрыска, следов пригорания и неровных поверхностей. Для более крупных деталей требуется более длительное время цикла, а для толстых элементов из конструкционной пены может потребоваться 8–10 минут для достижения достаточной прочности в сыром состоянии перед безопасным извлечением. Некоторые системы не требуют дополнительной полимеризации; другие требуют дополнительной полимеризации при комнатной температуре в течение 24–48 часов для достижения заданных механических свойств, поэтому необходимо уточнить требования перед планированием последующих операций.
Выберите NOBLE для поддержки вашего литья под давлением с реакционной вязкой. Проект
NOBLE — это китайский контрактный производитель с мощными сервисными возможностями и профессиональными производственными мощностями, помогающий клиентам эффективно осуществлять прототипирование и серийное производство. Мы сертифицированы по стандартам ISO 9001:2015 и ISO 13485:2016 и предлагаем полный спектр услуг от проектирования до сборки — а не только производство.
Для проекта по реакционному литью под давлением этот масштаб имеет значение на этапах передачи проекта. Сначала идет поддержка проектирования и создание прототипов, поэтому геометрия, переходы стенок, уклон и выбор материала определяются до изготовления оснастки. Затем следует координация оснастки, после чего – производство, контроль качества и сборка – все под одной крышей. Практическое преимущество заключается в наличии единого партнера на всем пути от прототипа до производства, что снижает риски при передаче проекта и сокращает путь от проектного замысла до получения качественных деталей.
Если вы рассматриваете возможность применения реакционного литья под давлением для изготовления крупного корпуса, конструкционной панели или узла, требующего вставок и отделки, пришлите нам чертеж и предполагаемый объем. Мы поможем вам разобраться с вопросами процесса и материалов, изложенными в этом руководстве, применительно к вашей конкретной детали.
Часто задаваемые вопросы о реакционном литье под давлением
В чём разница между литьём под давлением с реакционным процессом и обычным литьём под давлением?
Обычное термопластичное литье под давлением расплавляет твердые гранулы и вдавливает их в стальную форму под давлением 5,000–20,000 фунтов на квадратный дюйм. Реакционное литье под давлением дозирует две реактивные жидкости, смешивает их методом соударения и впрыскивает под давлением примерно 50–200 фунтов на квадратный дюйм в закрытую форму, где они полимеризуются. Деталь создается химическим путем, а не путем охлаждения расплава. Полное сравнение см. в первом разделе.
Какие материалы можно использовать при реакционном литье под давлением?
В основном используются полиуретаны, охватывающие гибкие эластомеры, пенополиуретаны с цельной оболочкой и жесткие конструкционные пенополиуретаны. Также применяются полимочевина, полиуретаново-полимочевинные гибриды, полиизоцианурат и DCPD, а также армированные варианты — RRIM с измельченным стекловолокном или минеральными наполнителями и SRIM с предварительно уложенным стекловолоконным матом. В разделе, посвященном материалам, рассматриваются критерии выбора.
Какова типичная продолжительность цикла?
Обычно это занимает 4–6 минут, с более широким диапазоном от 2 до 10 минут в зависимости от толщины стенок, состава, температуры пресс-формы и сложности детали. Тонкостенные детали с быстродействующими полимочевинными составами могут быть извлечены из формы за 2–3 минуты; для толстых деталей из конструкционного пенопласта может потребоваться 8–10 минут. Усовершенствованные карусельные установки позволяют сократить время извлечения из формы до 60–150 секунд для крупных деталей класса А.
При каких объемах производства литье под давлением с реакционной добавкой становится экономически выгодным?
Обычно конкурентоспособность оценивается в диапазоне примерно от 100 до 5,000 деталей в год, при этом некоторые источники указывают верхний предел примерно в 10 000 единиц в год. Надежный метод заключается в делении разницы в стоимости оснастки на разницу в стоимости одной детали для определения количества, при котором достигается точка безубыточности, а затем в сравнении этого значения с объемом программы за весь срок ее действия. В диапазоне от 2,000 до 5,000 единиц требуется детальное моделирование затрат.
Может ли литье под давлением с реакционной вязкой обеспечить получение поверхностей класса А?
Как правило, для поверхностей, полученных методом литья под давлением, требуется покраска, а не получение высококачественной отделки непосредственно из пресс-формы. Покрытие, нанесенное непосредственно в пресс-форму (краска, распыляемая на поверхность пресс-формы перед заполнением), обеспечивает превосходную адгезию и может сократить затраты на последующую обработку, а текстура точно воспроизводится с пресс-формы. Планируйте покраску как статью расходов, если не указано покрытие, нанесенное непосредственно в пресс-форму.
Какая толщина стенок является практичной?
Рекомендуемый диаметр составляет 0.125–0.250 дюйма (3–6 мм), а практические пределы — 0.100–0.500 дюйма (2.5–12 мм). Химический процесс отверждения допускает толщину поперечных сечений, при этом приводятся данные о поперечных сечениях от 0.25 до 1.125 дюйма в пределах одной детали. Следует избегать резких переходов, поскольку изолированные тяжелые массы сильно нагреваются во время экзотермической реакции.
В чём разница между RRIM и SRIM?
В технологии RRIM наполнители, такие как измельченное стекло или минералы, добавляются в поток полиола перед впрыскиванием, обеспечивая равномерное распределение армирующего материала по всей детали. В технологии SRIM стекловолоконный мат или заготовка помещаются в полость перед впрыскиванием смолы, создавая структурный композит. Технология RRIM проще в обработке; технология SRIM обеспечивает более высокие структурные характеристики за счет затрат на укладку мата.
Подлежит ли переработке литье под давлением с использованием реакционной смеси?
Деталь изготовлена из термореактивного пластика, поэтому ее нельзя переплавить и перемолоть, как отходы термопластика. Литники, облой и бракованные детали отправляются на свалку или требуют специализированной химической переработки. Если требования устойчивого развития предусматривают замкнутый цикл переработки, то литье под давлением термопластов является более подходящим вариантом.
Насколько жесткими могут быть допуски?
Типичные допуски составляют примерно ±0.010–0.030 дюйма (0.25–0.75 мм), при этом для элементов размером менее 12 дюймов допуск составляет приблизительно ±0.020 дюйма (±0.5 мм), а для больших панелей — около ±0.1–0.2% от размера. Полиуретан обладает высоким коэффициентом теплового расширения, поэтому необходимо указать температуру контроля. Если требуется допуск ±0.005 дюйма или меньше, подходящим методом является термопластичное литье под давлением с использованием стальной оснастки.
