Важнейшим достижением в технике литья пластмасс под давлением стало создание термопластавтоматов (ТПА). Современные ТПА отличаются улучшенным дизайном и конструктивным совершенством основных узлов… Новым направлением совершенствования ТПА является технология микросотового вспенивания, получившая краткое обозначение MuCell…

Новое оборудование на рынке термопластавтоматов
Метод литья под давлением заключается в нагревании термопластичного полимера до расплавленного состояния с последующим впрыском его под большим давлением в охлаждаемую прессформу.
Обеспечение отличного качества литых изделий разнообразной и очень сложной конфигурации при очень высокой производительности термопластавтоматов предъявляет исключительно жесткие требования к реологическим свойствам исходного сырья, стабильности параметров технологического процесса, конструктивному исполнению и точности изготовления прессформ и узлов термопластавтоматов.
Большое значение имеют реологические свойства расплава полимерных материалов — вязкость и напряжение сдвига. Под действием напряжения сдвига происходит распрямление полимерных цепей. Прекращение действия напряжений сдвига приводит к восстановлению прежней конфигурации цепей. Вязкость расплава полимера снижается с ростом температуры и сдвиговых напряжений. Уменьшается вязкость и с возрастанием скорости деформации сдвига. Следовательно, при высоких скоростях впрыска и высоких сдвиговых напряжениях, создаваемых давлением впрыска, происходит снижение вязкости расплава, облегчающее заполнение формы. Этому способствует и достаточно высокая, порядка 350° C, температура расплава. Реологические свойства полимерного сырья могут быть улучшены в нужном направлении путем предварительной обработки, при которой в него вводят определенные добавки, вспомогательные материалы и даже, при необходимости, другие полимеры.

Качество литья и производительность термопластавтоматов напрямую зависят от строгого соблюдения установленных параметров технологического режима:
1) температуры расплава, определяемой температурой цилиндра пластификатора;
2) давления впрыска;
3) температуры пресс-формы.

Исключительно тяжелые условия проведения технологического процесса литья при высоких температурах и давлении, необходимость поддержания постоянства заданных технологических параметров обусловили весьма высокие требования к конструкции автомата, в частности, к жесткости и прочности прессформ, размерам и форме литниковых каналов, надежности узлов впрыскивания и запирания прессформы.

Сравнительные характеристики ТПА
Термопластавтоматы (ТПА) различаются по объему впрыска, составляющему от 3,0 до 100000 см3, усилию запирания прессформ, достигающему у новых супергабаритных термопластавтоматов 8х107 Ньютон (8000 тонн) и давлению в форме — 245 МПа и выше.
В настоящее время на рынке широко представлены термопластавтоматы от малогабаритного вертикального до супергабаритного горизонтального разного назначения и с различными характеристиками. Наряду с традиционными изготовителями из Германии, Италии и других стран Европы и США, новое современное оборудование предлагают фирмы Китая, Южной Кореи, Тайваня.
Совершенствуются конструкции и расширяется ассортимент термопластавтоматов российских и белорусских машиностроителей.

Новые термопластавтоматы отличаются улучшенным дизайном и конструктивным совершенством основных узлов. К основным узлам термопластавтомата, схематично изображенного в разрезе на рисунке 2, относятся:
1) прессформа и механизм ее запирания;
2) узел впрыска;
3) гидравлическая система;
4) механизм выталкивателя изделия из прессформы;
5) автоматическая система контроля и регулирования;
6) защитные устройства.

Пресс-форма автомата состоит из двух частей, жестко закрепленных на неподвижной и подвижной плитах. Смыкание и размыкание прессформы выполняется путем перемещения подвижной плиты гидроприводом по направляющим колоннам. Для запирания прессформ применяется коленно-рычажный механизм, а в автоматах с очень большим усилием запирания высокоскоростной гидравлический механизм с гидроусилителем и четырьмя выдвижными консолями со шлицевыми замками на концах. Механизм запирания прессформы наряду с удержанием ее в замкнутом положении при впрыске расплава под большим давлением должен полностью предотвратить возможные деформации прессформы.
Узел впрыска представляет собой червячный пресс с гидравлическим или электромеханическим приводом. Обычно комплектуется цилиндрами и шнеками различных диаметров. Цилиндры из азотированной стали с высокой твердостью поверхности и наплавка шнеков твердым молибденовым сплавом гарантируют хорошее скольжение и минимальный износ. Цилиндр имеет несколько зон нагрева и сопло с керамическими обогревателями, что создает условия получения стабильно высокого качества литья. Автоматически управляемое сопло с игольчатым клапаном осуществляет интрузионный (вталкиванием) впрыск расплава и обеспечивает высокую скорость и точную дозу впрыска. Перемещение узла впрыска к прессформе выполняется при помощи двух силовых гидроцилиндров по направляющим с шаровыми опорами. Такие опоры позволяют при необходимости поворачивать узел для удобства обслуживания термопластавтомата. Конструкция узла впрыска современных термопластавтоматов обеспечивает выполнение важнейшего требования технологии — высокой скорости впрыска. Время заполнения прессформы составляет 0,05 сек, что достигается за счет высоких скорости и давления впрыска.
Гидравлическая система термопластавтомата состоит из силовых гидроцилиндров перемещения подвижной плиты с консолями и подвижной полуформой и удержания прессформы в замкнутом состоянии, гидропривода выталкивателя готовых изделий из формы, регулируемых и нерегулируемых насосов привода, распределительных и регулирующих клапанов. Точность позиционирования, контроль и регулирование скорости и давления обеспечивается сервоклапанами и пропорциональными регуляторами, действующими по принципу обратной связи. Золотниковые распределители обеспечивают стабильность параметров, применяются гидравлические аккумуляторы, предназначенные для увеличения скорости выполнения технологических операций.
Механизм выталкивателя изделий из прессформы выполняется в виде автономного гидропривода выталкивающих стержней.
Автоматическая система контроля, регулирования и управления включает микропроцессор, командное устройство, программное обеспечение, цветной и монохроматический экраны, запоминающее устройство, давление и другие заданные технологические параметры, а также счетчики рабочих циклов и рабочих часов. Система позволяет осуществить полный и наглядный контроль производственного процесса, обеспечивая необходимую воспроизводимость стабильность всех технологических параметров и условий.
Защитные устройства термопластавтомата составляют: подвижная защитная перегородка и ее электрическая, гидравлическая и механическая блокировка, защита пространства перед соплом и формы от попадания посторонних предметов. Предусмотрены также автоматический контроль и сигнализация уровня масла в баке, загрязненности масляного фильтра, неисполнения впрыска, выталкивания изделия и других операций.
Можно выделить отдельный специфический класс термопластавтоматов для литья под давлением заготовок (преформ) ПЭТ-бутылок. Автоматы этого класса отличаются применением многогнездовых прессформ и соответственно более сложной конструкцией узлов впрыска, запирания прессформ и других. Для увеличения производительности новые автоматы этого класса снабжены 96- и даже 288-гнездными прессформами и создают усилие запирания 80000 кН.

Технология MuCell
Новым направлением совершенствования термопластавтоматов является технология микросотового вспенивания, получившая краткое обозначение MuCell. Сущность новой технологии состоит в том, что атмосферный газ азот, или углекислый газ в суперкритическом жидком состоянии впрыскивается инжектором в цилиндр пластификатора и равномерно смешивается с полимерным расплавом. Жидкий инертный газ, выполняя функцию временной пластифицирующей добавки, позволяет снизить вязкость расплава на 30–60 % и улучшить заполнение тонкостенных гнезд прессформ.
После заполнения прессформы и ее охлаждения начинают образовываться мельчайшие пузырьки газа, создающие по мере их разрастания в прессформе внутреннее давление, необходимое для лучшего ее заполнения. Это дает возможность сократить и даже полностью исключить выдержку формы под давлением, т. к. рост внутреннего давления во всех «центрах роста сот» будет одинаковым, даже в удаленных от литника точках прессформы. Это дает возможность уменьшить максимальное внутреннее давление в прессформе на 80 % по сравнению с давлением при традиционной технологии. В результате в отливке формируются микропоры размером от 5 до 50 мкм, равномерно распределенные по всему объему отливки.

Технология MuCell дает:
1) увеличение на 30 % производительности термопластавтоматов за счет сокращения полного цикла литья;
2) существенную экономию исходных полимерных (до 0,5 мм) отливок;
3) возможность уменьшить усилия запирания прессформ и в результате — габаритные размеры ТПА и энергетические затраты;
4) повышение качества изделий.

Новая технология может успешно применяться для изготовления тонкостенных пластмассовых конмикрошероховатостей поверхности. Технология MuCell может применяться на ТПА с любыми типами приводов. В качестве дополнительного оборудования требуется модуль подготовки газа до суперкритического жидкого состояния и дозированной подачи его в пластификатор. Сегодня основными производителями ТПА, использующих технологию MuCell являются компании Trexec Inc, Engel, Arburg, Battenfeld, Demag, Krauss-Maffei, Ferromatik-Milacron.

Виктор Каверин, д. т. н., профессор