Литье тонкостенных изделий

Тонкостенное литье под давлением (Thin-Wall Injection Molding) характеризуется кокой скоростью впрыска и высоким давлением. Ее используют в получении изделий с номинальной толщиной менее 1,2 мм или изделий, у которых отношение толщины стенок к длине составляет от 100: 1 до 150: 1 или более. Данные ограничения на толщину стенок и экстремальные условия переработки сужают рамки параметров технологического процесса.

Тем не менее, концепция тонкостенного литья получила большие распространение и популярность, из-за снижения толщины стенок, которое приводит к уменьшению веса, экономии сырья и значительному сокращению времени охлаждения в таких областях применения, как корпуса компьютерных мониторов, приборные и другие панели автомобилей, телекоммуникации, карманные компьютеры и ноутбуки, мобильные телефоны. Эти портативные устройства требуют пластмассовых корпусов, которые должны быть как можно более легкими и тонкими (менее 1,2 мм), а также обеспечивать ту же самую прочность, что и обычные изделия. Другим революционным приложением для тонкостенного литья является производство изделий с микроструктурой поверхности для медицинской, оптической и электронной промышленности.

Описание процесса

Термин "тонкостенное литье" не совсем отражает суть процесса. Обычные пластмассовые изделия имеют толщину от 2 до 4 мм. Тонкостенной конструкция считается, если толщина стенок составляет менее 1,2 мм. Другое определение тонкостенного литья основано на соотношении длины течения полимера к толщине стенок изделия. Типичные соотношения для тонкостенных отливок лежат в диапазоне от 100: 1 до 150: 1 или более. Вне зависимости от определений тонкостенные изделия получаются при более ограниченном распространении потока по сравнению с традиционными отливками (рис.1 a). В результате они быстро затвердевают в процессе литья. Чтобы преодолеть эти трудности, изготовители полимерных изделий часто пытаются повысить температуру расплава на 38-65 0С выше рекомендуемого диапазона в литературе Plastics Engineering, Fassett (1995). Другим методом преодоления преждевременного затвердевания является впрыскивание материала со скоростью на порядок больше, чем в традиционной технологии (от 500 до 1400 мм/с). Для достижения большой скорости впрыска и нужного уплотнения требуется очень высокое давление впрыска (от 2400 до 3000 бар).

Данные ограничения на толщину и экстремальные условия переработки сужают область варьирования параметров процесса (рис.1 б). Применение холодноканальной литниковой системы при тонкостенном литье неэффективно из-за большого времени охлаждения литников и значительных потерь давления расплава в литниковой системе. По этой причине для литья тонкостенных изделий используют горячеканальные литниковые системы, или, реже, - для термически стабильных материалов - системы с незастывающими литниками, которые имеют меньшую стоимость, но при этом и менее надежны в работе.

Время заполнения литьевой формы при тонкостенном литье составляет от 0,1 до 0,5 с (в традиционном литье около 2 с). В таблице 2 сравниваются некоторые параметры тонкостенного литься с литьем под давлением. Поскольку в тонкостенном литье требуется меньший объем впрыска, то машины с цилиндром стандартного размера будут иметь слишком большую емкость. Это приводит к тому, что возникает необходимость изготовления специальных цилиндров, позволяющих избежать повышенного времени пребывания расплава в цилиндре и избыточных температур расплава, а следовательно, термической деструкции. Из-за высоких скорости расплава и скорости сдвига в тонкостенном литье ориентация молекул происходит легче. Чтобы свести к минимуму анизотропную усадку в тонкостенных изделиях, очень важно осуществлять уплотнение изделия в нужный момент, когда внутренний объем изделия находится в расплавленном состоянии. Впускные литники большого сечения (по сравнению с толщиной стенок изделия) необходимы, чтобы обеспечить достаточный поток материала во время уплотнения. Кроме того, места впуска должны быть расположены таким образом, чтобы поток направлялся от участков большей толщины к участкам меньшей толщины.

В тонкостенном литье крайне важна конструкция системы выталкивания. Во-первых, тонкостенные изделия более подвержены остаточной деформации во время извлечения. Во-вторых, чтобы увеличить жесткость изделий, в их конструкции предусматривают упрочняющие ребра, которые требуют большего усилия выталкивания и усложненной конструкции системы выталкивания. В-третьих, изделие имеет тенденцию прилипать к стенкам литьевой формы из-за высокой скорости впрыска и высокого давления уплотнения.

Наконец, если не продумана конструкция толкателей, изделия могут деформироваться или даже ломаться в процессе извлечения. Тонкостенные изделия для устройств электронной или телекоммуникационных отраслей промышленности должны иметь одновременно привлекательный внешний вид (плавные линии, нестандартный дизайн) и жесткость. Стратегии получения противоударных корпусов включают в себя использование неармированных пластмассовых корпусов, которые будут демпфировать нагрузку, армированных термопластов, передающих воздействие другим частям изделия, или использование технологии двухкомпонентного литья для того, чтобы нанести защитный слой термопластичного эластомера.

Таблица 2: Сравнение тонкостенного литья с традиционным литьем под давлением

Преимущества

Тонкостенное литье позволяет снижать вес изделия, экономить материал и существенно сокращать время охлаждения отливки. В частности, в процессах традиционного литья под давлением время цикла обычно составляют от 30 до 60 с, а в тонкостенном литье оно сокращается до 6-20 с. Это приводит к значительному снижению производственных затрат.

Недостатки

Тонкостенное литье - более сложный процесс с технической точки зрения, чем традиционное литье под давлением, из-за трудностей в распространении потока, избыточных требований к параметрам процесса переработки. Оно также требует прочного, дорогого оборудования и, возможно, модифицированных или специальных машин для литья, обеспечивающих высокую скорость и высокое давление впрыска. Наконец, высокий уровень скорости сдвига, который является следствием высокой скорости впрыска, вызывает деструкцию расплава, индуцированную сдвиговыми напряжениями, что наблюдалось по уменьшению напряжения разрушения при проведении испытаний на разрыв.

Материалы

Для тонкостенного литья может применяться большинство термопластичных материалов, однако наиболее часто применяются ПК, АБС, смеси ПК/АБС и ПА 6. Возможно, это связано с тем, что при уменьшении толщины стенок возникает необходимость в материалах с лучшими физическими характеристиками, чтобы добиваться определенной прочности изделий.