В процессе литья под давлением участвуют специальные механизмы, которые под высоким давлением продвигают расплавленный термопласт в пресс-форму, а также открывают и закрывают пресс-форму для извлечения деталей, формованных при помощи этого процесса.
К механизмам, осуществляющим процесс, относятся автономный механизм литья под давлением (IMM) и пресс-форма. Последняя проектируется и изготавливается для производства конкретных деталей. Пресс-форму устанавливают между закрепленными и передвижными плитами зажимного устройства IMM. Зажимное устройство (или пресс) открывает и перемещает две половины пресс-формы по отдельности – чтобы извлечь формованную деталь. Оно также крепко сжимает две половины пресс-формы друг с другом во время впрыска расплавленного полимера в пресс-форму. Обычно механизм приводится в действие гидроприводами и двигателями, хотя с начала 1980-х годов все большее распространение получают полностью электрические приводы.
Первый механизм для литья под давлением появился в 1872 году, когда американский инженер Джеймс Хайетт запатентовал механизм для литья под давлением бильярдных шаров из нитроцеллюлозы (целлулоид). Однако самые современные механизмы появились благодаря Джеймсу Хендри. В 1946 году он внес самое значительное усовершенствование в инжекторный блок, заменив шнеком простой плунжер, расположенный внутри нагреваемого цилиндра Хайетта. Он вращается внутри нагреваемого цилиндра и тем самым продвигает гранулы термопласта, которые размягчаются и плавятся. После накопления дозы впрыска шнек отводят назад. После расплавления достаточного количества полимера для заполнения пресс-формы шнек продвигают вперед; теперь он выступает в качестве плунжера, а расплавленный полимер подается через патрубок, соединяющий инжектроный блок с пресс-формой, которая и заполняется таким образом.
Температура пресс-формы значительно ниже, чем у полимерного расплава – стандартная разница составляет 200ºC при формовании полипропилена (температура пресс-формы составляет 45ºC, а температура расплава – 245ºC). Тепловая энергия расплава передается в более холодную пресс-форму, и полимер отвердевает и застывает. Для детали толщиной 3 мм из полипропилена это займет примерно 35 секунд. После этого пресс-форму открывают и вынимают формованную деталь, а затем повторяют весь цикл процесса.
Цикл работы механизма и температурный контроль подготовки расплава управляются системой на основе микропроцессора. Это позволяет вести точный, но бесступенчатый контроль параметров процесса, которые изменяются в зависимости от типа обрабатываемого изделия и полимера.
У каждого термопластичного полимера своя температура литья, которую необходимо поддерживать в пределах критического интервала – часто этот интервал составляет минимум 20ºC. Большая часть тепла, полученная полимером, переходит от электронагревательных элементов, намотанных вокруг барабана инжекторных блоков, внутри которых вращается шнек. Однако значительная часть тепловой энергии вырабатывается посредством трения, так как низкотемпературный расплав срезается шнеком. Это срезание также способствует смешению красителей, других добавок и наполнителей, формирующих равномерный расплав, из которого посредством сжатия выдавливается весь воздух. Внутренний диаметр шнека может быть вдвое меньше внешнего диаметра (или ствола барабана) на ведомом конце шнека. Гранулы полимера (кубики около 3 мм) подаются самотеком на этот конец нагреваемого барабана из загрузочной воронки. Сила вращения шнека перемещает гранулы вниз по внутренней части барабана. «Зона подачи» занимает около одной трети длины шнека, после чего внутренний диаметр плавно увеличивается. Это обеспечивает сжимание расплава и выдавливание из него воздуха. Эта «зона сжимания» занимает вторую треть длины шнека, здесь внутренний диаметр достигает размера в три четверти ствола барабана, который сохраняется на этом уровне на протяжении всей оставшейся длины шнека и формирует «зону измерения». Ближе к концу шнека витки заканчиваются, и внутренний диаметр уменьшается до двух третей ствола барабана. Такой размер диаметра сохраняется на протяжении трех четвертей ствола барабана. У кольца из закаленной стали длиной с половину ствола барабана, которое точно соответствует стволу барабана, имеется осевой проем, размер которого приблизительно равен трем четвертям ствола барабана, а внутренний диаметр меньше внутреннего диаметра шнека. Это стальное кольцо служит в качестве однолинейного распределителя и именуется «стопорным кольцом». Когда шнек вращается и перемещает расплавленный полимер из зоны подачи в зону измерения, его принудительно проводят через стопорное кольцо к тому концу барабана, который закрыт патрубком, соединяющимся через проем в закрепленной плите с втулкой центрального литника в пресс-форме. Эта часть барабана, в которой уже нет шнека, увеличивается по мере подачи шнеком большего количества полимерного расплава. После накопления расплава в торце барабана шнек принудительно отводится назад, при этом он продолжает вращаться до тех пор, пока не будет получен нужный объем впрыска. В этот момент вращение прекращается, а инжекторный блок готов ввести расплав в пресс-форму.
Половины пресс-формы сводятся вместе и удерживаются IMM-прессом. Проем между закрепленными и передвигающимися половинами представляет собой полость, которая заполняется полимерным расплавом. Для каждого квадратного сантиметра формовки требуется усилие около 3 кН, чтобы не позволить пресс-форме открыться под воздействием давления, которое оказывает расплавленный полимер. После того, как пресс-форма будет закрыта этим усилием, шнек перемещается вперед, проталкивая (или впрыскивая) полимерный расплав внутрь полости пресс-формы через втулку центрального литника. Время впрыска составляет всего лишь пару секунд. Даже для очень больших деталей впрыск редко занимает больше 4~5 секунд, а для небольших форм он может составить одну десятую долю секунды.
После расплавления полимер значительно увеличивается в объеме. В этом состоянии его также можно сжать, поэтому плотность полимера будет зависеть от того, какое давление применяется к введенному объему полимера. После остывания полимера в тех местах, где полимерный расплав вступает в контакт с гораздо более холодной пресс-формой, образуется морозная оболочка. По мере затвердевания полимер дает усадку. Оболочка постепенно становится толще, что только усиливает усадку полимера. Во время этого процесса давление продолжает воздействовать на расплавленную сердцевину формовки, потому что шнек по-прежнему продвигается вперед, оказывая уплотняющее воздействие. Это позволяет увеличить количество полимера внутри пресс-формы и морозной оболочки и возместить большую часть усадки. В конечном счете полимер остывает в достаточной степени, чтобы морозная оболочка достигла центра и уплотнение прекратилось. При этом шнек начинает вращаться, чтобы подготовить полимерный расплав к следующему циклу. Еще через несколько секунд пресс-форму отрывают и вынимают затвердевшую деталь. Весь производственный цикл обычно занимает менее минуты. Период остывания главным образом зависит от толщины детали и типа полимера, поэтому может варьироваться от 2~3 минут (для очень толстых деталей до 6 мм) до всего лишь нескольких секунд (для деталей с тонкими стенками, например одноразовых питьевых чашек). Грэм Уэбстер
http://www.omnexus.com |
