Литье под давлением ТПУ — это не литье жестких пластиков с использованием более мягкой смолы. Термопластичный полиуретан плавится и течет как термопластик, но он чувствителен к сдвигу, поглощает влагу из воздуха и извлекается из пресс-формы с эластичностью, которая изменяет способ изготовления пресс-формы. Набор параметров, скопированный с производства из АБС-пластика или полипропилена, обычно приводит к изготовлению деталей, но затем к деформации, усадке, прилипанию или остаточной деформации при сжатии, которая никогда не достигает значений, указанных в технической документации.
Данное руководство описывает этапы принятия решений в соответствии с планом проекта: какой материал используется и почему он ведет себя именно так, пошаговый процесс, параметры, определяющие качество детали, проектирование детали и пресс-формы, выбор марки стали, области применения, сравнение с другими материалами и процессами, а также диагностика дефектов. Оно предназначено для разработчиков продукции, инженеров-конструкторов и групп по закупкам, которым необходимо перейти от чертежа к проверенной детали.
Приведенные ниже данные взяты из опубликованных рекомендаций по обработке ТПУ и являются отправными точками, а не настройками. Технические характеристики марок ТПУ, состояние оборудования и геометрия инструмента могут влиять на диапазон значений, поэтому каждое значение следует подтвердить в ходе пробного литья на реальном оборудовании, инструменте и марке ТПУ, прежде чем вносить его в технологическую карту. Данное руководство постоянно обновляется по мере развития рекомендаций по обработке.
Что такое TPU? Литье под давлением и почему оно ведет себя по-другому
Термопластичный полиуретан — это блок-сополимер, состоящий из жестких и мягких сегментов. Жесткие сегменты плотно прилегают друг к другу и образуют физические поперечные связи; мягкие сегменты придают материалу эластичность, подобную резине. Нагрев расплавляет физические поперечные связи, а охлаждение возвращает их в исходное состояние. Именно поэтому термопластичный полиуретан можно лить под давлением на стандартном оборудовании для термопластов: в оснастке ничего не нужно отверждать, и фазовая структура восстанавливается по мере охлаждения детали.
Та же структура объясняет диапазон твердости материала. ТПУ доступен в диапазоне примерно от 60 по Шору А до 74–75 по Шору D, и набор свойств непрерывно меняется в этом диапазоне — мягкие марки ведут себя как резина, а твердые — как прочный конструкционный пластик. Для проекта это означает, что одно семейство материалов может заменить несколько, но это не означает, что одна стратегия изготовления оснастки охватывает весь диапазон. Усадка, усилие при извлечении из формы, время охлаждения и склонность расплава к сдвиговой деградации — все это изменяется с твердостью, поэтому изменение твердости на поздней стадии программы — это событие, связанное с изготовлением оснастки и проверкой, а не замена.
Термопластичные и термореактивные материалы: различия в переработке
Вулканизированная резина имеет химически сшитую структуру. После образования сшивок деталь не может быть повторно расплавлена; сетка является постоянной. Сшивки ТПУ являются физическими и термически обратимыми, поэтому материал может быть повторно расплавлен, измельчен и не требует стадии вулканизации в пресс-форме.
Практические последствия заключаются в сокращении циклов, отсутствии необходимости контролировать химический состав сшивок в пресс-форме и возможности переработки отходов вместо их утилизации. Компромисс состоит в том, что свежеотформованная деталь из ТПУ еще не достигла заявленных свойств. Она продолжает формироваться при комнатной температуре, а значения, указанные в технической документации, измеряются на отожженных и подготовленных образцах. Отжиг в печи с циркуляцией воздуха сокращает этот период выравнивания примерно до 15–20 часов и является единственным способом достижения оптимальной остаточной деформации при сжатии. Термореактивный каучук вообще не может быть повторно расплавлен, поэтому ТПУ конкурирует там, где время цикла и экономические показатели отходов каучука невыгодны, — и поэтому этап отжига ТПУ необходимо включать в производственный план, а не рассматривать как дополнительную опцию.
Почему чувствительность к сдвигу и поглощение влаги определяют всё?
Два материальных ограничения определяют практически каждое решение, принимаемое в остальной части этого руководства.
Первая причина — чувствительность к сдвигу. Расплавы ТПУ чувствительны к сдвигу, и чрезмерная скорость вращения шнека может ухудшить свойства готовой детали. Это не незначительный эффект: именно поэтому противодавление поддерживается на низком уровне, скорость впрыска устанавливается на минимальном уровне, насколько позволяют литниковая система и толщина стенок, и скорость вращения шнека ограничивается максимальной окружной скоростью, а не фиксированной частотой вращения. Производитель, работающий с ТПУ как с быстродействующей обычной смолой, получит детали, которые будут выглядеть приемлемо, но при тестировании окажутся ниже требуемых параметров.
Второй фактор — влажность. Гранулят ТПУ поглощает атмосферную влагу, и поглощенная вода превращается в пар в барабане, вызывая разбрызгивание, серебристые полосы и внутренние пузырьки. Материал необходимо высушить до уровня остаточной влажности, требуемого для данного сорта, прежде чем он попадет в бункер, и он должен оставаться сухим в этом состоянии. Сушка и подготовка материала описаны в разделе, посвященном процессу; последствия для параметров описаны в разделе, посвященном обработке. Ни то, ни другое нельзя рассматривать как организационные детали.
Процесс литья под давлением ТПУ, этап за этапом.
Проект литья под давлением ТПУ представляет собой цепочку этапов, в которой каждый этап ограничивает следующий. Выбранный на первом этапе сорт определяет температуру сушки и профиль цилиндра; качество сушки определяет достижимую площадь поверхности; конфигурация шнека и сопла определяет величину сдвигового воздействия на расплав; решения по охлаждению и извлечению из формы определяют время цикла и процент брака. Вдоль этой цепочки накапливаются затраты, риски и сроки выполнения, и самое дешевое место для исправления ошибки всегда находится раньше, чем то, где она обычно обнаруживается.
Этап 1: Требования к заявке и предварительный отбор по оценкам.
Начинайте с режима работы детали, а не с названия материала. При составлении списка кандидатов учитываются следующие вопросы: какие воздействия (истирание или деформация) должна выдерживать деталь и сколько циклов она должна выдерживать; какой диапазон температур она испытывает в процессе эксплуатации и как долго; с какими маслами, смазками, топливом, чистящими средствами или биологическими жидкостями она контактирует; какой класс соответствия применяется; какая твердость требуется для выполнения функции; и должна ли деталь быть прозрачной, полупрозрачной или соответствовать цвету.
Эти ответы сужают круг поиска до семейства ТПУ — полиэфира, полиэстера или поликапролактона — а затем до твердости. Выбор твердости не является чисто декоративным: он определяет температуру обработки, время цикла, усадку и поведение при извлечении из формы, описанные далее в этом руководстве. Деталь, для которой была указана твердость 85 по Шору А, а затем изменена на 95 по Шору А, представляет собой другую проблему формования, а не другой цвет.
Этап 2: Сушка и подготовка материала.
ТПУ гигроскопичен, и этап сушки чаще всего недостаточно регламентируется. В опубликованных рекомендациях целевой показатель остаточной влажности указан ниже 0.02% в одном наборе технологических инструкций и ≤0.05% в другом, причем разница отражает марку и источник материала, а не является противоречием, которое необходимо здесь разрешить. Сушка обычно проводится при температуре около 110 °C в циркулирующем или сухом воздухе, при этом сушилки с сухим воздухом достигают целевого показателя быстрее; один из источников указывает диапазон температур 80–110 °C в зависимости от твердости, а время сушки составляет от одного до трех часов.
Технические характеристики продукта имеют первостепенное значение. Процесс должен гарантировать фактическое достижение целевых показателей: высушенные горячие гранулы не должны охлаждаться на открытом воздухе, они должны помещаться в сухие, герметично закрывающиеся контейнеры, а бункер машины должен оставаться закрытым. Добавки, функциональные концентраты и красители также должны быть предварительно высушены — невысушенная мастербатч-смесь является частой и легко упускаемой из виду причиной дефектов поверхности.
Этап 3: Настройка станка и винторезного механизма
TPU используется в стандартных шнековых литьевых машинах, но не на всех шнеках. Проверенная конфигурация — это однолопастной трехзонный шнек стандартной длины, примерно 18–22 D, с коэффициентом сжатия около 2:1, который не должен превышать 3:1. Шнеки с короткой зоной сжатия непригодны, поскольку они создают высокое сдвиговое напряжение в расплаве. Необходимо установить обратное кольцо, а сопло — с возможностью свободного потока или с автоматическим отключением — должно иметь гладкие каналы без застойных зон, где расплав может застревать и обугливаться.
Термопластичный полиуретан (ТПУ) не является ни коррозионно-активным, ни абразивным материалом, поэтому специальный сплав для шнека или броня не требуются. Однако машине необходим достаточный крутящий момент привода: для производства ТПУ требуется высокая энергия пластификации, а недостаточный крутящий момент приводит к колебаниям скорости вращения шнека и неравномерному расплаву.
Этап 4: Впрыск, выдержка и охлаждение
Сам цикл описан численно в разделе параметров обработки. Последовательность действий следующая: впрыскивание со скоростью, поддерживаемой на минимально возможном уровне, определяемом литниковой системой и толщиной стенки; переключение на давление выдержки, которое обеспечивает стабильность размеров и усадку; поддержание низкого противодавления из-за чувствительности к сдвигу; и охлаждение в течение времени, определяемого сечением стенки, твердостью и температурой пресс-формы.
Давление впрыска и давление выдержки находятся в диапазоне 100–1000 бар, а противодавление обычно составляет 5–20 бар. Виды отказов носят направленный характер: слишком низкое давление выдержки приводит к образованию усадочных раковин, в то время как чрезмерное давление впрыска затрудняет извлечение изделия из формы. Охлаждение — это фактор, определяющий эффективность цикла, и он зависит от толщины и твердости стенки, а не подчиняется универсальному значению.
Этап 5: Извлечение из формы, отжиг и Лечение после
Детали из ТПУ достигают оптимального уровня физических свойств только после выдержки при комнатной температуре. Отжиг в печи с циркуляцией воздуха сокращает этот срок примерно до 15–20 часов. Опубликованные диапазоны составляют около 80–90 °C для твердости до 92 по Шору А и 100–110 °C для твердости 93 по Шору А и выше; в другом наборе рекомендаций указывается 20 часов при 100 °C. В частности, остаточная деформация при сжатии может быть оптимизирована только путем отжига, поэтому значения в технических характеристиках предполагают именно его.
Детали с низкой размерной стабильностью могут нуждаться в поддержке во время отжига, чтобы избежать деформации. Отжиг — это технологический этап, требующий определенных действий при обработке, а не пассивное ожидание.
Этап 6: Инспекция и контроль качества
Контроль качества деталей из ТПУ включает проверку размеров по чертежам с поправкой на усадку, твердости, внешнего вида — линий потока, разбрызгивания, облоя — целостности соединения в месте литья, а также функциональные проверки, такие как срок службы при изгибе и герметичность. Поскольку усадка продолжается после литья, контроль размеров должен проводиться в согласованные сроки относительно отжига и стабилизации.
Первичную проверку изделия следует повторять после любого изменения марки стали, красителя или соотношения переработанного сырья. Каждое из этих изменений влияет на усадку, текучесть или цвет, и деталь, прошедшая проверку в исходной конфигурации, не прошла проверку в новой.
Параметры обработки, определяющие качество детали
Приведенные ниже значения — это параметры, которые фактически устанавливает обрабатывающий процесс. Это опубликованные начальные диапазоны; они определяются техническими характеристиками марки стали и результатами испытаний при формовке на производственной оснастке. В случаях, когда источники информации расходятся, разница обычно отражает марку стали и твердость, а не указывает на ошибку.
Температурные профили в зависимости от твердости
Температура в цилиндре и температура плавления повышаются с увеличением твердости. Опубликованные диапазоны:
| Твердость по Шору | Температура в камере сгорания (зоне нагрева) | Температура плавления | Температура насадки |
| 60A-80A | 170-210 ° C | 190-205 ° C | 200-210 ° C |
| 85A-95A | 190-220 ° C | 205-220 ° C | 210-225 ° C |
| 98А–74Д | 210-230 ° C | 215-235 ° C | 220-240 ° C |
Температура должна повыситься примерно на 10–20 °C от зоны подачи до зоны дозирования, а сопло следует установить близко к температуре расплава. В одном источнике отмечается, что для некоторых твердых марок стали может потребоваться температура расплава до 260 °C; это требование зависит от марки стали, а не противоречит указанным выше диапазонам, и его следует подтвердить, сверив с техническими характеристиками марки. Небольшие машины, как правило, требуют более высоких настроек, чем большие. Температуру расплава следует измерять, а не определять по заданным значениям контроллера, и соответствующим образом корректировать настройки контроллера.
Давление, скорость и вращение винта
Давление впрыска и давление выдержки находятся в диапазоне 100–1000 бар. Давление выдержки влияет на стабильность размеров и извлечение из формы: слишком низкое приводит к появлению усадочных раковин, слишком высокое затрудняет извлечение. Обычно для достижения низкого уровня внутренних напряжений отправной точкой является давление выдержки, составляющее примерно половину давления впрыска. Противодавление обеспечивает гомогенизацию, но должно оставаться низким — 5–20 бар — поскольку расплав чувствителен к сдвигу.
Скорость впрыска следует поддерживать на минимально возможном уровне, с учетом литниковой системы, толщины стенок и дальности потока. Скорость вращения шнека ограничена максимальной окружной скоростью около 0.2 м/с, что означает, что допустимая частота вращения снижается с увеличением диаметра шнека. Нарушение этих ограничений имеет предсказуемые последствия: чрезмерное сдвиговое усилие ухудшает свойства готовой детали, избыточное давление впрыска затрудняет извлечение из формы, а недостаточное давление выдержки оставляет усадочные раковины.
Температура пресс-формы и время цикла
Температура пресс-формы обычно колеблется от 15 до 70 °C в зависимости от марки и типа детали и оказывает решающее влияние на качество поверхности, усадку и деформацию. Для модифицированных и стекловолоконных марок может потребоваться температура пресс-формы до 80 °C для достижения оптимального качества поверхности, а толстостенные детали иногда можно дополнительно охладить, чтобы сократить цикл.
Время цикла определяется процессами затвердевания и извлечения изделия из формы и зависит от твердости, толщины стенок и температуры формы. Универсального значения времени цикла не существует. В случаях, когда существует риск деформации, использование двух половин формы при разных температурах является общепризнанной мерой противодействия.
Очистка, остановки и время пребывания
Длительная выдержка приводит к перегреву материала в цилиндре, и опубликованные рекомендации предписывают продувку цилиндра перед возобновлением производства после остановок, превышающих примерно 10 минут. Та же логика применима и к времени пребывания: очень малый объем впрыска по сравнению с вместимостью цилиндра приводит к длительному нахождению расплава в пластифицирующем блоке, что увеличивает риск термического повреждения. Практические рекомендации предполагают работу цилиндра с коэффициентом использования примерно 30–75% и поддержанием хода дозирования в пределах от 1D до 3D, с максимальным значением 4D.
Длительное время пребывания и перегрев проявляются в виде разбрызгивания, изменения цвета и черных пятен на последующих этапах, поэтому продувка является не только мерой по поддержанию чистоты, но и мерой предотвращения дефектов.
Проектирование деталей из ТПУ для литья под давлением
Правила проектирования для ТПУ основаны на том, как упругий, склонный к усадке и чувствительный к сдвигу расплав заполняет полость и выходит из нее. Это не общий контрольный список толщины стенок с другим названием материала вверху.
Толщина стенки, переходы и припуск на усадку
Полиуретан (TPU) лучше, чем жесткие пластики, переносит некоторые изменения толщины стенок, поскольку его эластичность компенсирует незначительные различия в размерах. Резкие изменения сечения по-прежнему остаются проблемой: они вызывают усадки, пустоты и следы течения, а также создают резкие изменения жесткости, приводящие к линиям деформации. Плавные переходы остаются правилом.
Усадка — более сложный для точного определения показатель. Усадка приблизительно в 1% является разумным приблизительным ориентиром для проектирования пресс-форм, но общая усадка варьируется в зависимости от толщины и твердости стенок, а опубликованные кривые охватывают диапазон примерно 0.5–2.5%. Общая усадка — это сумма усадки при формовании и усадки после формования, причем усадка после формования происходит не только во время отжига, но и во время длительного хранения — именно поэтому усадку трудно предсказать с высокой точностью. Усадка после формования больше для мягких марок и тонких стенок, чем для твердых марок и толстых стенок. Марки, армированные стекловолокном, усаживаются гораздо меньше: примерно на 0.05–0.20% в направлении потока и на 0.1–0.5% в поперечном направлении.
Уклон, радиусы и подрезы
Гибкость ТПУ позволяет делать довольно большие подрезы, а кратковременное перерастяжение менее чем на 5% не приводит к необратимой деформации. Это может исключить боковые воздействия и значительно упростить инструмент. Однако это не оправдывает недостаточный уклон: в опубликованных рекомендациях указывается уклон не менее 5°, особенно для мягких марок, поскольку недостаточный уклон все еще приводит к задирам и прилипанию. Большие радиусы на углах улучшают текучесть и снижают напряжение застывания.
Ребра, боковые стенки и соотношение толщины стенки к ребру.
Ребра жесткости придают детали прочность, но они также создают изменение сечения, которое приводит к усадке на противоположной, видимой поверхности. Соотношение ребер должно быть таким, чтобы сечение ребра не вдавливало толстую массу в тонкую стенку, и должны быть плавные переходы в местах соединения ребра с основанием. Резкие изменения жесткости в местах соединения ребер являются известной причиной появления линий деформации — видимых линий или мерцающих участков, которые возникают в зависимости от угла освещения. Правильное соотношение зависит от толщины стенки, твердости и требований к внешнему виду, поэтому лучше определить его на основе этих параметров, чем копировать как единое универсальное значение.
Расположение ворот и его влияние на недвижимость
Положение затвора определяет молекулярную ориентацию и, следовательно, механическую анизотропию: деталь, затворенная с одного конца, механически отличается от детали, затворенной в центре. Затворы должны располагаться в области максимальной толщины стенки и быть достаточно большими, чтобы выдерживать удерживающее давление и избегать усадочных раковин.
Рекомендуемые типы литниковых каналов включают литниковые каналы, диафрагменные, кольцевые и пленочные литники, а штифтовые литники допустимы для мелких деталей. Подводные литники не рекомендуются из-за высокой эластичности материала и риска разрушения при сдвиге, а более мягкие марки стали особенно подвержены проблемам с ними. Литниковые каналы должны иметь достаточно большие размеры, чтобы избежать локального сдвига и обеспечить передачу давления; круглое поперечное сечение литникового канала обеспечивает наилучшие характеристики потока, а для многогнездных инструментов необходима сбалансированная литниковая система. При использовании горячелитниковых каналов предпочтительнее использовать системы с внешним нагревом.
Выброс, вентиляция и обработка поверхности
Выталкиватели должны быть в два-три раза больше, чем те, которые используются для твердых термопластов, и они должны иметь вентиляционные каналы, чтобы во время извлечения из формы не образовывался вакуум. Воздух должен иметь возможность выходить из полости по мере поступления расплава: вентиляционные каналы глубиной примерно 0.02–0.05 мм, расположенные на линии разъема, вставках и штифтах, предотвращают образование следов пригорания от сжатого воздуха.
Качество обработки поверхности пресс-формы противоречит интуиции. Для ТПУ рекомендуется поверхность пресс-формы с шероховатостью примерно 25–35 мкм, чтобы облегчить извлечение изделия из формы; полированные и хромированные поверхности менее подходят, поскольку они способствуют прилипанию, особенно у более мягких марок.
Проектирование для литья под давлением и многокомпонентных соединений
Термопластичный полиуретан (ТПУ) хорошо сцепляется с некоторыми жесткими подложками за счет соответствия полярности и повторного расплавления на границе раздела, но совместимость зависит от марки и типа подложки и должна быть подтверждена испытаниями, а не предполагаться на основе таблицы семейств материалов. При литье под давлением поступающему расплаву необходимо достаточное количество остаточного тепла, чтобы слегка расплавить поверхность подложки и образовать прочное соединение; подложки с гораздо более высокой температурой плавления в большей степени полагаются на механическое сцепление.
Материалы на основе полиолефинов, как правило, несовместимы с ТПУ, а полипропилен, в частности, требует модифицированного компаунда или обработки поверхности, например, пламенной или плазменной обработкой. Нейлон впитывает влагу, и содержание влаги в момент склеивания заметно влияет на поверхностную энергию и качество сцепления, поэтому необходимо контролировать и документировать условия склеивания. Поликарбонат хорошо склеивается, но некоторые химические составы клеев могут вызывать растрескивание под напряжением, которое проявляется через несколько недель. Металлические вставки основаны на механическом сцеплении — отверстия, подрезы, рифленые канавки — плюс грунтовка, и они должны быть чистыми, обезжиренными и закаленными перед формованием. Единственным надежным методом проверки является тест на отслаивание, специфичный для конкретного субстрата, с использованием производственных партий смолы и параметров, за которым следует ускоренное старение.
Выбор подходящего сорта ТПУ
Выбор марки — это не список продуктов, а скорее концептуальная основа для принятия решений. При составлении списка кандидатов следует руководствоваться свойствами, которые чаще всего определяют область применения: устойчивость к гидролизу, маслостойкость, твердость, прозрачность, огнестойкость или нормативный класс.
Полиэфир против полиэстера против поликапролактона
Химический состав основной цепи определяет пределы воздействия окружающей среды на материал. Полиэфирные марки обладают устойчивостью к гидролизу, гибкостью при низких температурах и устойчивостью к микробному воздействию, что делает их подходящими для использования там, где важна влага. Полиэфирные марки лучше противостоят маслам, смазкам и истиранию, но гибкий полиэфирный ТПУ может подвергаться воздействию грибков и бактерий и разлагаться в неблагоприятных условиях — жарком климате, высокой влажности, контакте с почвой — что приводит к изменению цвета и растрескиванию в местах нагрузки. Поликапролактоновые марки сочетают в себе прочность полиэфирных типов с хорошими низкотемпературными характеристиками и относительно высокой устойчивостью к гидролизу, и являются распространенным выбором для гидравлических и пневматических уплотнений.
Выбор твердости и каковы его последствия.
Твердость определяет температуру обработки, время цикла, усадку, извлечение из формы и тактильные ощущения. Диапазон 60A–75D позволяет заменить несколько семейств материалов одним, а также создавать конструкции с различной твердостью путем последовательного литья под давлением. Практическое следствие заключается в том, что изменение твердости в середине проекта требует повторной проверки: температурный профиль, допуск на усадку и поведение при извлечении из формы изменяются вместе с ним.
Специальные марки: наполненный стеклом, огнестойкий, прозрачный, медицинский и для контакта с пищевыми продуктами.
Армирование стекловолокном снижает термическое расширение и усадку — даже 20% содержание стекловолокна приближает коэффициент термического расширения к коэффициенту алюминия или стали, — а для получения оптимальной поверхности стеклонаполненным маркам требуются более высокие температуры формования. Существуют огнестойкие марки для применений, требующих соответствия стандартам: неогнестойкий ТПУ обычно соответствует классу HB, а огнестойкие марки достигают V0 или V2 по стандарту UL 94.
Алифатические марки светостойки и обладают превосходной оптической прозрачностью, поэтому они используются там, где важны стабильность цвета и прозрачность; ароматические марки могут желтеть под воздействием УФ-излучения. Медицинские марки соответствуют стандартам биосовместимости, таким как ISO 10993-1, и совместимы со стерилизацией этиленоксидом, гамма-излучением, сухим теплом, электронным пучком и перекисью водорода. Марки, контактирующие с пищевыми продуктами, производятся в соответствии с требованиями GMP. Специальные марки часто сужают технологический диапазон, поэтому техническая документация имеет большее значение, а не меньшее.
Добавки, красители и вторичное сырье
Часто причиной проблем является несовместимость красителей. Наиболее простым и надежным вариантом являются цветовые мастербатчи на основе ТПУ; красители на основе САН подходят лишь в ограниченной степени; красители на основе полиолефинов и ПВХ не подходят. Дозировка обычно составляет 1.0–4.0% в зависимости от толщины стенки и плотности цвета. Цветовые пасты, жидкие красители и пигменты используются в количестве примерно 0.2–1.0%. Все красители и функциональные добавки должны быть предварительно высушены.
Переработанный лом пригоден для использования в определенных пределах. Чистый, отсортированный лом может быть переработан после соответствующей обработки и сушки в пропорциях, обычно указываемых до 30%, при этом переработанный лом должен соответствовать исходному материалу по типу и твердости по Шору и не содержать загрязнений. В идеале переработанный лом следует измельчить, высушить и использовать повторно без промежуточного хранения; загрязненный или деградированный материал непригоден, а многократные циклы переработки снижают качество. Особые требования к качеству могут полностью исключить использование переработанного лома, а применение в оптической и медицинской отраслях обычно ограничивает или запрещает его.
Где используется литье под давлением ТПУ
Литье под давлением ТПУ находит свое место в отрасли, когда деталь должна обладать износостойкостью, устойчивостью к усталости при изгибе, эластичностью без пластификаторов или мягкой на ощупь поверхностью, соединенной с жесткой подложкой. В приведенных ниже подразделах каждая область применения соотносится со свойством, которое ее оправдывает.
Автомобильная и транспорт
Уплотнения, прокладки, пыльники, втулки, внутренние мягкие элементы, компоненты оболочки кабелей и детали под капотом — все они используют износостойкость, масло- и смазочно-охлаждающую способность и гибкость ТПУ в широком диапазоне температур. Ограничивающим фактором является температурный потолок: непрерывная эксплуатация обычно ограничивается 80–100 °C для полиэфирных марок и 100–120 °C для полиэфирных марок, поэтому детали под капотом должны оставаться в этом диапазоне. Внутренние мягкие элементы часто используют ТПУ, нанесенный методом литья под давлением на жесткую подложку.
Медицинские приборы и здравоохранение
В катетерах и их компонентах, средствах по уходу за ранами, деталях для управления жидкостями, соединителях трубок и корпусах устройств используется медицинский ТПУ благодаря сочетанию гибкости, прозрачности, химической стойкости и стерилизуемости — без пластификаторов. Области применения катетеров охватывают урологию, внутривенные, желудочные, баллонные и сердечно-сосудистые катетеры. В уходе за ранами ТПУ используется в перевязочных материалах, пластырях для доставки лекарств, вкладышах для калоприемников, хирургических простынях и защите матрасов, где важны прозрачность, устойчивость к перегибам и гидролизу.
Потребительские товары и электроника
Основные потребительские применения включают защитные чехлы, бамперы, ремешки для носимых устройств, рукоятки и мягкие на ощупь корпуса. Для защиты устройств часто используется технология литья под давлением из ТПУ поверх поликарбоната и ТПУ поверх АБС-пластика, благодаря благоприятному совпадению полярности с этими материалами. Ремешки для часов и носимых устройств также зависят от совместимости с кожей.
Обувь и спорт
Подошвы, промежуточные подошвы, шипы, щитки и высокоэффективные компоненты используют ТПУ для повышения износостойкости и устойчивости к усталости при изгибе. В производстве обуви также часто используется алюминиевая оснастка: алюминиевые формы экономически выгодны и хорошо подходят для небольших партий, характерных для этой отрасли.
Промышленная робототехника и Автоматизация
Колеса, ролики, ремни, захваты, сильфоны, диафрагмы и виброопоры зависят от износостойкости, прочности на разрыв и усталостной долговечности при изгибе. Эти детали часто подвергаются высоким циклическим нагрузкам в сочетании с воздействием масел и смазок, и именно здесь становится актуальной характеристика износостойкости полиэфирных марок.
Сравнение ТПУ с другими материалами и технологиями
Сравнения полезны только по тем параметрам, которые определяют успех проекта: механические характеристики, температурный предел, химическая стойкость, сложность обработки, оснастка и себестоимость единицы продукции. Каждый из представленных ниже вариантов имеет свои преимущества, и цель сравнения — определить, в каких именно.
Сравнение композитов TPU и TPE (TPS и TPV)
ТПУ — это термопластичный эластомер, получаемый в реакторе: его свойства заложены в одном полимере. ТПС и ТПВ — это компаунды, получаемые путем смешивания резиновой фазы с термопластом в расплаве. ТПУ характеризуется высокой механической прочностью и очень хорошей износостойкостью, и, как правило, он значительно тверже, чем типичные изделия из ТПС, поэтому эти два материала редко конкурируют напрямую. ТПС и ТПВ выигрывают по мягкости, тактильным ощущениям и меньшим требованиям к обработке; ТПУ выигрывает по прочности и износостойкости.
ТПУ против силикона
Термопластичный полиуретан (ТПУ) обладает лучшей износостойкостью, более высокой прочностью на разрыв и меньшей стоимостью. Силикон имеет гораздо более широкий температурный диапазон — примерно от −60 до 200 °C по сравнению с примерно от −40 до 120 °C для ТПУ — и занимает лидирующие позиции в имплантируемых и экстремально температурных приложениях. Выбирайте ТПУ, когда механические характеристики и стоимость важнее, чем экстремальная температура или имплантируемая биосовместимость.
ТПУ против термореактивной резины
Термореактивный полиуретан (ТПУ) выигрывает по времени цикла, утилизации отходов, свободе проектирования и адгезии: отсутствие стадии вулканизации, возможность повторного измельчения и способность формовать сложные геометрические формы и склеивать подложки. Термореактивный каучук сохраняет превосходную остаточную деформацию при высоких температурах и прочно закрепился в области динамического уплотнения. Остаточная деформация ТПУ улучшается при отжиге, но остается скорее вопросом проектирования, чем решенной проблемой.
ТПУ против ТПЭЭ, ПВХ и полипропилена
По сравнению с TPEE, TPU, как правило, обладает лучшей устойчивостью к усталости при изгибе и истиранию, в то время как TPEE имеет преимущества в термостойкости и устойчивости к гидролизу. По сравнению с пластифицированным ПВХ, TPU позволяет избежать проблем, связанных с регулированием и миграцией пластификаторов, и обладает более высокой механической прочностью. По сравнению с полипропиленом, TPU обладает эластичностью и износостойкостью, в то время как PP выигрывает по стоимости и химической инертности — и, как отмечалось в разделе проектирования, PP является одним из самых сложных материалов для склеивания с TPU.
Литье под давлением ТПУ против экструзии, выдувного формования и 3D печать
Процессы обработки ТПУ (термопластичных полиуретанов) на стандартном термопластичном оборудовании включают несколько методов, выбор которых зависит от геометрии и объема детали. Литье под давлением подходит для сложных деталей с жесткими допусками и большим объемом производства. Экструзия охватывает непрерывные профили, трубки, оболочки кабелей и пленки. Выдувное формование подходит для полых тел. Аддитивные методы подходят для прототипов, малых объемов и решетчатых геометрических форм. При очень малых объемах лучше использовать механическую обработку деталей из ТПУ — хотя выделение тепла при механической обработке ТПУ требует охлаждения и соответствующей геометрии инструмента.
Предотвращение дефектов и устранение неполадок
Большинство дефектов ТПУ связаны с влажностью, сдвигом, вентиляцией или конструкцией литникового канала. Организация диагностики по симптомам и знание того, какое направление изменения параметров обычно устраняет каждый из них, сокращает цикл от обнаружения дефекта до его устранения.
Дефекты, связанные с влажностью: растекание краски, серебристые полосы и пузырьки.
Следы от разбрызгивания проявляются в виде беловатых шероховатых пятен; обширные серебристые полосы — в виде вытянутых полос пенициллиновой формы; крупные пузырьки — в виде заполненных воздухом полостей в стенках. Все три могут быть вызваны влагой, хотя перегрев и чрезмерное время выдержки также могут привести к появлению подобных беловатых пятен. Для устранения проблемы необходимо проверить производительность сушилки и сам процесс сушки, проверить температуру расплава и время выдержки, уменьшить скорость вращения шнека и убедиться, что бункер остается закрытым. Небольшие пузырьки также могут образовываться из-за попадания воздуха во время дозирования; в этом случае помогают противодавление в пределах допустимых значений и сокращение времени втягивания шнека.
Дефекты текучести и заполнения: неполное впрыскивание, струйная печать и линии текучести.
Короткое формование проявляется в конце пути потока или в местах тонких стенок. Струйное распыление проявляется в виде S-образного следа около литника или затвора, вызванного неподходящим затвором или горловиной, не обеспечивающим фронтального потока. Линии потока появляются на ребрах и в местах изменения сечения. Корректировка заключается в поэтапном изменении скорости впрыска — от медленной к быстрой, изменении размера и положения затвора с помощью дефлекторной поверхности и плавных переходах между стенками. Повышение температуры расплава и формы, а также увеличение толщины стенок или сокращение путей потока также помогают в случаях, когда расплав слишком вязкий для данной геометрии.
Термические дефекты: следы ожогов, черные пятна и деградация.
Следы пригорания образуются из-за сжатого воздуха в полости, поэтому в первую очередь необходимо оптимизировать вентиляцию, особенно вблизи линий потока и в конце пути потока, а также проверить вентиляционные каналы. Черные пятна и периодическое изменение цвета возникают из-за застойных зон на уплотнительных поверхностях, изменений поперечного сечения или изгибов в горячеканальном канале, где материал застревает и обугливается; устранение застойных зон и проверка уплотнительных поверхностей — вот решение проблемы. Изменение цвета из-за перегрева и длительного времени пребывания требует снижения температуры расплава, сокращения времени пребывания и продувки после остановок.
Дефекты размеров и извлечения из формы: усадка, деформация, облой и прилипание.
Усадочные швы возникают из-за недостаточного давления выдержки или несоответствия стенок и ребер; для их устранения необходимо увеличить давление выдержки и время выдержки, увеличить диаметр сопла и поперечное сечение литника, а также отрегулировать соотношение стенок и ребер. Деформация предотвращается путем балансировки температуры пресс-формы и равномерности охлаждения, а также выравнивания разницы скоростей между фронтами потока при использовании нескольких литников. Облой возникает из-за чрезмерного давления в полости или недостаточной силы зажима и устраняется путем более раннего включения давления выдержки, снижения давления выдержки и увеличения силы зажима. Прилипание и задиры возникают из-за недостаточного уклона, полированных поверхностей пресс-формы, вакуума при выталкивании или преждевременного выталкивания — поэтому для их устранения необходимо увеличить уклон, обеспечить рекомендуемую шероховатость поверхности, оптимизировать вентиляцию и увеличить время охлаждения.
Выбор компании NOBLE для поддержки вашего проекта по литью ТПУ под давлением
NOBLE — это китайский контрактный производитель, который оказывает поддержку программам литья под давлением ТПУ от концепции до производства. NOBLE — это китайско-британское совместное предприятие, удостоенное правительством звания «Национальное высокотехнологичное предприятие», с более чем 10-летним опытом предоставления комплексных услуг по изготовлению продукции на заказ, от прототипирования до производства. Заявленная миссия компании — воплощать концепции в реальность посредством производства по запросу, отвечающего строгим стандартам точности и качества.
Сервисная модель охватывает всю цепочку, а не только производство: поддержка проектирования, прототипирование, изготовление оснастки, литье, контроль качества и сборка. Компания NOBLE имеет сертификаты ISO 9001:2015 и ISO 13485:2016, а ее инженерные и контрольные возможности призваны помочь клиентам эффективно перейти от прототипа к серийному производству. Предложение формируется быстро — профессиональное ценовое предложение может быть предоставлено в течение 24 часов после запроса с необходимой информацией — и быстрые сроки выполнения заказа являются частью заявленного предложения.
Если вам необходимо изготовить деталь из ТПУ, следующим шагом будет отправка запроса на коммерческое предложение (RFQ) с информацией о детали, описанной в разделе часто задаваемых вопросов (FAQ) ниже; компания NOBLE ответит вам коммерческим предложением.
Как NOBLE поддерживает каждый этап программы TPU
Описанные ранее этапы в этом руководстве соответствуют заявленному спектру услуг компании NOBLE следующим образом. На этапе определения требований и проектирования NOBLE оказывает поддержку в проектировании, где наиболее ценным является вклад в проектирование с учетом технологичности конструкции (DFM) в отношении переходов между стенками, положения литниковых каналов и припуска на усадку. Для прототипирования возможности NOBLE по быстрому прототипированию позволяют проверить проект до начала изготовления оснастки. Изготовление оснастки и литье осуществляются собственными силами компании, а контроль качества осуществляется с помощью полного комплекта контрольно-измерительного оборудования и общей системы контроля качества. Сборка завершает цепочку, поэтому программу не нужно распределять между несколькими поставщиками.
Каждая из этих возможностей является частью заявленного компанией NOBLE комплексного предложения. Конкретный объем работ по той или иной детали — какие этапы включены и в соответствии с какими техническими требованиями — уточняется в коммерческом предложении.
Системы качества и их значение для медицинских изделий
ISO 9001:2015 сертифицирует документированную систему управления качеством; ISO 13485:2016 сертифицирует систему управления качеством, соответствующую производству медицинских изделий. Для покупателя это означает, что процессы, записи и корректирующие действия следуют проверяемой системе, а не зависят от индивидуальной практики.
Сертификация поддерживает процесс обеспечения качества, но сама по себе не сертифицирует конкретную деталь. Валидация на уровне детали, а также любая необходимая для устройства нормативно-правовая документация, остаются специфичными для проекта и согласовываются в рамках программы.
Часто задаваемые вопросы о литье под давлением ТПУ
До какой степени влажности следует высушить ТПУ перед формованием?
Опубликованные целевые значения содержания остаточной влаги варьируются от примерно 0.02% до 0.05% в зависимости от источника и сорта. Сушка обычно проводится при температуре около 110 °C в сухом или циркулирующем воздухе, при этом в некоторых рекомендациях указывается температура 80–110 °C в зависимости от твердости и время сушки от одного до трех часов. Основные параметры указаны в техническом паспорте сорта. См. этап сушки выше.
Можно ли повторно измельчить и отлить термопластичный полиуретан (ТПУ)?
Да, в определенных пределах. Переработанный материал следует измельчить, высушить и незамедлительно использовать повторно, в пропорциях, обычно указываемых в норме, до 30%, и в количестве, соответствующем первичному материалу по типу и твердости. Загрязненный или деградировавший материал непригоден, многократная переработка снижает качество, а установленные требования могут полностью исключить переработанный материал.
Почему детали из ТПУ иногда разрушаются из-за несоответствия размеров после формования?
Поскольку общая усадка представляет собой сумму усадки при формовании и усадки после формования, а усадка после формования продолжается во время отжига и длительного хранения. Толщина стенки, конструкция литниковой системы и условия обработки влияют на нее, и усадка после формования больше для мягких марок и тонких стенок. Усадку следует проверять на реальном инструменте, а не брать за основу одно номинальное значение.
Подходит ли ТПУ для использования в компонентах медицинских изделий?
Существуют медицинские марки ТПУ, соответствующие стандартам биосовместимости, таким как ISO 10993-1, и совместимые со стерилизацией этиленоксидом, гамма-излучением, сухим теплом, электронным пучком и перекисью водорода. Пригодность определяется конкретной маркой, областью применения и нормативным путем, а не только семейством материалов.
Чем отличается термопластичный полиуретан (TPU) от силикона при использовании в гибких деталях?
Термопластичный полиуретан (ТПУ) обладает лучшей износостойкостью, более высокой прочностью на разрыв и меньшей стоимостью, а его рабочий диапазон составляет примерно от −40 до 120 °C. Силикон предлагает гораздо более широкий диапазон, примерно от −60 до 200 °C, и подходит для имплантируемых изделий и применения в условиях экстремальных температур. Выбор зависит от того, какие из этих различий действительно необходимы для данной детали.
Что вызывает появление черных пятен или следов пригорания на изделиях из ТПУ, изготовленных методом литья?
Застойные зоны в горячеканальном канале, сопле или уплотнительных поверхностях, где материал застревает и обугливается; перегрев и длительное время пребывания материала в канале; а также недостаточная вентиляция, позволяющая сжатому воздуху сжигать деталь. Корректирующие меры включают устранение застойных зон, проверку вентиляции, продувку после остановок, а также проверку температуры расплава и скорости вращения шнека.
Можно ли наносить термопластичный полиуретан (TPU) методом литья под давлением на твердые пластмассы?
Да, но качество склеивания зависит от типа материала и марки смолы. АБС-пластик и поликарбонат, как правило, хорошо склеиваются, содержание влаги в нейлоне влияет на качество склеивания, а полиолефины, такие как полипропилен, обычно требуют модифицированных компаундов или обработки поверхности. Квалификация должна проводиться с помощью теста на отслаивание с использованием производственных партий смолы и заданных параметров, после чего следует ускоренное старение.
Как мне начать проект по литью ТПУ под давлением с компанией NOBLE?
Предоставьте чертеж детали или 3D-модель, требования к применению (рабочий цикл, температура, воздействие химических веществ, нормативный класс), целевую твердость и объем, а также любые нормативные ограничения, после чего отправьте запрос на коммерческое предложение (RFQ). Компания NOBLE сможет предоставить профессиональное ценовое предложение в течение 24 часов после получения необходимой информации.
