Двухкомпонентное или совместное литье под давлением представляет собой процесс, использующий течение полимерного расплава в литьевой пресс-форме. Полимерный расплав – это сжимаемая, вязкоупругая жидкость с аномальными свойствами, кажущаяся вязкость которой уменьшается по мере роста температуры и скорости сдвига.
Когда расплав пластмассы начинает течь в пресс-форме, температура которой обычно примерно на 200ºC ниже, чем у расплава, то в момент касания расплава поверхности пресс-формы формируется так называемая морозная оболочка. Скорость потока наиболее высока в центре, что приводит к фонтанированию передней части потока, а основная часть вещества поставляется в начало потока из центра. Скорость сдвига, измеренная от наружной стенки к центру, снижается. Эту разницу скоростей можно обнаружить во многих случаях, когда поток остается ламинарным.
Если конфигурация механизма, осуществляющего процесс литья под давлением такова, что поток одного полимера окружен потоком другого, то появляется возможность провести такой процесс литья, когда первый материал полностью формирует внешнюю поверхность компонента, а его внутренняя часть полностью состоит из второго материала. Необходимо контролировать вязкость и объемную скорость потоков, чтобы обеспечить максимально качественное распределение обоих материалов. Если разрезать литой компонент после охлаждения, то окажется, что толщина внешней оболочки очень равномерна, а внутренний материал «зажат» внутри нее. На самом деле, этот процесс обычно называют многослойным формованием. Одна из первых разработок в этой области была создана в 1970-е годы, когда активно решалась проблема слабой обработки поверхности при формовании конструкционного пенопласта.
Толщина конструкционных форм, отлитых под давлением, обычно составляет 6 мм. Полимер смешивается с химическим пенообразователем, который распадается при достижении температуры плавления, производя достаточное количество углекислого газа или азота для создания ячеистой структуры внутри продукта литья. В результате использования этого метода создается слабое давление газа, поэтому для инициирования роста ячеистой структуры форма не заполняется полностью во время первого цикла литья под давлением – на самом деле объем введенного расплава недостаточен для заполнения формы, которая заполняется до конца благодаря расширяющемуся газу, перемещающему расплав. Тем не менее, отделка поверхности формы разрушается поврежденными ячейками, это приводит к изготовлению внешне неприглядных изделий. Для решения этой проблемы была разработана трехслойная структура совместного литья под давлением, при котором после литья первоначального объема однородного полимера через тот же входной проход подается конструкционный пенопласт. В результате получается компонент с эстетически идеальной внешней поверхностью первоначального полимера и сердцевиной из конструкционного пенопласта. Область сбыта такой продукции была ограниченной. Главная проблема состояла в том, что для развития какой-либо ячеистой структуры требуемая толщина стенки составляла 8 мм, и, поскольку последняя стадия заполнения формы должна была производиться путем давления внутреннего газа, которое создавалось в результате распада химического пенообразователя, то успешный результат определялся скорее моделью изделия и местоположением точки подачи, а не контролем процесса литья под давлением. Все слишком сильно зависело от модели изделия.
Концепция прослаивания двух полимеров без необходимости создания ячеистой структуры была многообещающей. На самом деле, возможность контролировать потоки материалов через две контрольные системы механизмов литья, работающих при обычном давлении и скорости литья, означала, что этот процесс можно применять во время литья стандартных деталей, создаваемых посредством литья под давлением, при обычной толщине стенки 2-3 мм, а в некоторых случаях и намного меньше. Можно использовать только одну точку подачи, поэтому размер компонентов ограничен максимально доступным удельным давлением расплава (обычно самое большее 160 МПа), а также достижимым усилием зажима. Здесь сфера применения гораздо шире, чем для слоистой структуры с сердцевиной из ячеистого пенопласта.
Теперь появилась возможность использовать высококачественный чистый полимер только для создания тонкой оболочки, тогда как внутренняя часть компонента состоит большей частью из полимера более низкого качества или даже переработанного материала. Эта концепция предлагает потенциально значительное сокращение издержек, но во многих случаях низкое качество прочности переработанного материала означало потребность в утолщении внешней оболочки для обеспечения качества производства. В результате сразу же снижается выгода от процесса, а экономическую жизнеспособность определяет критическое равновесие между уровнями содержания компонентов сердцевины и оболочки.
Если можно гарантировать прочность двух материалов, то процесс оптимизируется посредством значительной экономии издержек. Красители и другие добавки, например УФ-абсорбенты, необходимо вводить только в материал оболочки. Расходы значительно сокращаются посредством использования процессов совместного литья под давлением, во время которых эти дорогостоящие добавки не включаются во внутренний полимер. Этот подход, при котором дорогостоящие полимеры используются на поверхности, а более дешевые – в сердцевине, что обеспечивает конструкционную прочность, открывает экономичные возможности для особых сфер применения. Одним из значительных недостатков процесса является то, что на всей внешней поверхности детали используется один полимер. Во многих случаях только одна сторона компонента находится в зоне видимости или должна иметь свойства оболочки. Например, вам необходимо обработать (покрасить) поверхность с внешней стороны для отделки на автомобильном колесе, но при этом процесс совместного литья под давлением, «красит» всю площадь поверхности. Это означает, что будет использовано вдвое больше дорогостоящего отделочного материала.
Грэм Уэбстер
http://www.omnexus.com |
