Технология литья при низком давлении имеет следующие преимущества:

снижение требований к усилию смыкания литьевой формы, что позволяет использовать более дешевые формы;

достижение меньших внутренних напряжений в готовом изделии и улучшение его потребительских свойств;

возможность совмещения с другими литьевыми технологиями (например, с литьем на подложку);

возможность производства изделий большого размера при экономии сырья от 5 до 8%;

возможность снижения температуры расплава и сокращения общего времени цикла;

возможность уменьшения давления во впускных литниках и формующей полости формы;

возможность сокращения затрат на дополнительную обработку изделий и на весь процесс производства.

Недостатки

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

Литье крупногабаритных деталей, содержащих тонкостенные решетки, имеет ряд особенностей, которые необходимо учитывать при проектировании детали и пресс-формы, а также при выборе технологического режима изготовления. Примером таких деталей являются корпуса телевизоров с решеткой динамика. Один из наиболее распространенных дефектов при литье деталей этого типа - недолив на решетке.

Моделирование процесса литья деталей высокой сложности может быть проведено с достаточной точностью методами современного конечноэлементного анализа. В данной работе анализ выполнялся с помощью программного продукта MPI/Flow фирмы Moldflow. Для анализа использовалась упрощенная модель реального корпуса телевизора под кинескоп 20” с толщиной основных стенок 3 - 3.5 мм. Модель содержала тонкостенную решетку динамика в нижней части корпуса, вентиляционную решетку и другие типовые конструктивные элементы. Объем модели составлял 628 см3. В отличие от реальной детали в модель не были включены ребра, бобышки, различные отверстия. Материал детали: ударопрочный полистирол HI 425 TVG фирмы Kumho Chemicals, ПТР = 9.5 г/10 мин (200 оС, 5 кг), температура потери текучести расплава Tno-flow = 136 оС.

Рассматривались различные варианты мест впуска для холодноканальной литниковой системы с туннельными литниками. Выбор мест впуска осуществлялся так, чтобы обеспечивался примерный баланс потоков в отливке. Скорость впрыска оптимизировалась по методике фирмы Moldflow. Анализ выполнялся при скорости впрыска 314 см3/с. Применение более высоких скоростей впрыска для данной детали нежелательно, так как это приводит к высоким скоростям сдвига на впускном литнике, что может вызывать деструкцию материала (предполагалось, что диаметр впускного литника не превышает 2 мм).

Решетка динамика может содержать сотни и даже тысячи отверстий, поэтому пригодная для анализа конечноэлементная модель (сетка) трудна в построении и содержит большое число элементов, что значительно замедляет расчеты. Однако даже самая плотная сетка не дает возможности точно смоделировать течение расплава в подобных конструкциях. Современные программные продукты для анализа течения, базирующиеся на модели Хеле-Шоу, позволяют использовать два типа элементов: треугольные или четырехугольные элементы типа "оболочка" (двумерное течение) и лучевые элементы (одномерное течение). Течение в треугольных элементах моделируется как неизотермическое течение сжимаемой жидкости в плоской бесконечной щели заданной толщины и не соответствует условиям охлаждения расплава при заполнении решетки, в частности дает существенно заниженные потери давления. Одномерные элементы, обычно используемые для моделирования литниковых каналов, дают лучшее соответствие характеру течения, но могут применяться только в случае простых решеток с прямоугольными отверстиями. Появившиеся в последние годы программные продукты для анализа тетраэдрических сеток (трехмерное течение), базирующиеся на уравнениях Новье-Стокса, практически не применяются для деталей высокой сложности главным образом из-за ограниченной мощности используемых компьютерных систем.

Тем не менее, моделирование течения расплава в решетке произвольной формы может быть выполнено с достаточно высокой точностью при замене фактической толщины стенки решетки эквивалентной толщиной. При таком подходе можно заменить модель решетки сплошной сеткой (без отверстий), толщина которой рассчитывается так, чтобы обеспечивались те же потери давления расплава, что и при заполнении реальной решетки. Эквивалентная толщина (Нэкв) определятся через коэффициент формы (Кф) следующим образом: Нэкв = Нэфф/Кф, где Нэфф =V/Sпроекц, Кф =Sпов/2 Sпроекц, V - объем решетки, Sпроекц - площадь проекции решетки, Sпов - площадь поверхности решетки. Эквивалентная толщина решетки оказывается намного меньше ее фактической толщины. Например, для решетки с фактической толщиной 1.5 мм, имеющей круглые отверстия диаметром 0.5 мм и расстояния между отверстиями 1 мм, эквивалентная толщина равна 0.95 мм. В данной работе использовалась решетка с эквивалентной толщиной 0.9 мм, что соответствует фактической толщине 1.35 мм.

Расчеты показали, что для всех рассмотренных вариантов мест впуска тонкостенная решетка динамика заполняется в последнюю очередь. Это связано с хорошо известным явлением замедленного течения расплава в тонкостенных областях (hesitation effect) при разветвлении литьевого канала на толстый и тонкий. Подобный эффект наблюдается и на других участках корпусных деталей, имеющих малую толщину (ребрах, бобышках и т.д.), но именно на решетке динамика он часто приводит к недоливу. Причиной этого являются: малое значение эквивалентной толщины решетки, большая протяженность тонкостенной области, близость решетки к месту впуска.

Степень проявления эффекта замедленного течения повышается с уменьшением расстояния от решетки динамика до места впуска, уменьшением эквивалентной толщины решетки, снижением текучести расплава, увеличением толщин основных стенок детали после разветвления потока.

Заполняемость детали может быть улучшена при повышении температур расплава и формы. Однако на практике невысокая термостабильность материала и использование литьевых машин с большим объемом впрыска не позволяют применять высокие температуры расплава. Применение высоких температур формы приводит к появлению следов от толкателей в областях с затрудненным отводом тепла: в углах, вблизи высоких ребер, бобышек и т.д. Таким образом, необходимо обеспечить заполняемость изделия при температурах расплава и формы, соответствующих средним значениям диапазона переработки материала.

Расчеты показали, что наилучшие результаты по заполняемости детали получаются при двух местах впуска, максимально удаленных от решетки динамика. Это единственный из рассмотренных вариантов, при котором решетка динамика полностью заполняется при средних температурах расплава (Тр = 230 oC) и формы (Tф = 60 oC). Для ударопрочного полистирола и других полистирольных пластиков, являющихся аморфными материалами, особенности растекания расплава, такие как направление течения, радиальное растекание и др., не оказывают большого влияния на качество детали. Оказалось, что недолив на решетке связан не с большими потерями давления при заполнении детали, а с быстрым остыванием фронта расплава при течении в тонкостенной области.

Потери давления при заполнении детали составляют 34 МПа, что намного меньше допустимых потерь давления для обычной литьевой машины. Для снижения себестоимости детали толщина основных стенок может быть уменьшена без ухудшения качества отливки.

Большое влияние на заполняемость детали имеют условия переключения на выдержку под давлением. Обычно переключение с режима впрыска (режим управления скоростью впрыска) на выдержку под давлением (режим управления давлением) происходит не позже 98-99% заполнения, оставшаяся часть детали заполняется при убывающей скорости впрыска. Но заполнение основной части решетки динамика происходит после 99% заполнения детали, т.е. при снижении скорости впрыска, что еще больше усугубляет проблему. Для получения качественной отливки необходимо точно подобрать момент переключения на выдержку как можно ближе к окончанию заполнения, задать достаточно высокое давление в начальный момент выдержки под давлением (оно должно быть выше давления в момент окончания впрыска). Желательно использовать переключение по положению шнека. Такой технологический процесс накладывает особые требования к литьевой машине, пресс-форме и полимеру. Машина должна обеспечивать высокую точность и надежность регулировки, достаточное усилие замыкания. Необходимо предусмотреть хорошую вентиляцию пресс-формы. Важную роль играет также стабильность реологических показателей материала детали.

5. Микролитье пластмасс