Простым решением данного вопроса может являться изменение точки впрыска, но этот способ подходит не для всех видов полимеров, для некоторых выходом может стать литье с газом.
Следы усадки материала в виде утяжек на поверхности пластиковых деталей, полученных литьем под давлением, появляются, когда материал в области элементов, имеющих большую толщину, таких как ребра или выступы, дает усадку больше, чем материал в прилегающей стенке. Это связано с тем, что элемент с большей толщиной остывает медленнее, чем прилегающие области, и из-за разницы в скорости охлаждения на прилегающей поверхности образуется впадина, называемая утяжиной.
Такой тип дефекта является серьезной проблемой, которая накладывает целый ряд ограничений уже на этапе проектирования. Особенно это касается тонкостенных изделий, требующих высокого качества поверхности, как, например, лицевые панели телевизоров и мониторов. Детали для бытовой электроники должны быть практически без утяжек, в то время как на поверхности, скажем, игрушек утяжки допускаются и часто могут быть видны.
Появление следов усадки может быть вызвано одним или несколькими факторами, включая используемые методы обработки, геометрию детали, свойства материала и конструкцию пресс-формы. Стоит учитывать, что геометрия детали и используемый полимер обычно определяются заказчиком и не могут быть легко изменены.
Тем не менее, есть несколько влияющих на усадку аспектов, учитываемых в процессе дизайна оснастки. К ним относится конструкция системы охлаждения, а также тип и размер литниковой втулки. Так, например, небольшие туннельные литники остывают намного быстрее, чем литники в край изделия. Преждевременное остывание точки впрыска сокращает время, необходимое для уплотнения материала в полости пресс-формы, а это, в свою очередь, приводит к высоким рискам образования утяжек.
Непосредственно в процессе литья уменьшение усадки может быть достигнуто подбором наиболее оптимальных значений технологических параметров. Такие параметры, как время и усилие выдержки под давлением, оказывают существенное влияние на усадку. После заполнения полости отливки в нее подается дополнительный материал, который увеличивает плотность изделия и тем самым уменьшает эффект усадки. Если же время удержания под давлением недостаточное, то и утяжины на поверхности будут более заметны. Литейщики могут регулировать данные параметры для улучшения качества отливок, но этого может быть недостаточно для получения оптимального результата.
В числе других способов борьбы с усадкой – незначительные изменения конструкции оснастки при помощи сменных вставок или использование вспомогательных устройств, как в случае литья с газом или вспенивающим агентом.
Формообразующие стержни, газ и вспенивание
Центр разработки полимерных процессов в Германии провел 12-месячное исследование по оценке восьми различных подходов, направленных на уменьшение следов усадки. Данные альтернативные методы основаны на новейших представлениях о способах уменьшения усадки и делятся на две категории: основанные на вытеснении материала и на способах отвода тепла. Метод вытеснения материала направлен на уменьшение усадки за счет добавления или удаления материала в области, где вероятно ее возникновение. Метод отвода тепла – это метод быстрого отвода тепла от области, где может произойти усадка, и сокращение вероятности неравномерного охлаждения толстых и тонких элементов.
Были выделены и оценены пять способов вытеснения материала: удлиненный формообразующий стержень пуансона, стержень пуансона с радиусом, подпружиненный стержень пуансона, литье с газом и с помощью химического вспенивания. Также были оценены три способа отвода тепла: бериллиево-медный стержень, бериллиево-медная вставка и специально разработанный стержень с активным терморегулированием.
Мы оценили величину усадки, полученную на тестовой детали с выступающей втулкой, имеющей прилегающие ребра жесткости, и сравнили с усадкой, полученной при литье со стандартным формообразующим стержнем. Тестовый образец состоит из плоской пластины с номинальной толщиной стенки 2,5 мм (0,100 дюйма), выступающей втулки высотой 22,25 мм (0,875 дюйма) и диаметром 4,5мм (0,177 дюйма) с толщиной стенки 1,90 мм (0,075 дюйма), а также ребер жесткости толщиной 2 мм (0,079 дюйма) у основания.
8 альтернативных методов были испытаны в ходе эксперимента с использованием образца состоящего из плоской пластины с номинальной толщиной стенки 2,5 мм (0,100 дюйма), выступающей втулки высотой 22,25 мм (0,875 дюйма) и диаметром 4,5 мм (0,177 дюйма) с толщиной стенки 1,90 мм (0,075 дюйма), а также ребер жесткости толщиной 2 мм (0,079 дюйма) у основания.
Тестовые испытания проводились на заводе Центра разработки полимерных процессов в Германии с использованием горизонтальной инжекционно-литьевой машины с усилием смыкания 350Т и с гидравлическим коленно-рычажным механизмом смыкания. В ходе работ использовали два материала, широко применяемых в бытовой электронике, где утяжка является значимым дефектом. Это компаунд PC/ABS торговой марки Cycoloy CU6800 и компаунд PPE/PS торговой марки Noryl PX5622. Переработка обоих видов материала проводилась при средних величинах диапазона допустимых значений, заявленных в паспорте материала. Полученные результаты усадки были минимальны, поэтому было принято решение снизить значения параметров удержания под давлением, чтобы плотность деталей была меньше, а усадка соответственно больше. Это позволило упростить измерение результатов и сравнение данных экспериментальных методов. Для количественного измерения глубины раковин использовалась координатно-измерительная машина.
Какие эксперименты были проведены.
Одной из проверенных стандартных технологий является использование удлиненного формообразующего стержня. Суть данного метода заключается в том, что удлиненный стержень углубляется в стенку в нижней части втулки, тем самым уменьшая ее толщину и компенсируя эффект дополнительного материала у основания втулки. В экспериментах использовались два варианта углубления стержня в стенку основания — на 25% и 50%.
Стандартный формообразующий стержень: вровень со стенкой втулки.
Удлиненный формообразующий стержень: стоимость данного метода относительно мала, но подходит не для всех видов материалов.
Также был опробован метод использования стержня стандартной длины, но со скругленным концом вместо острых краев. Данный способ не удаляет материал из области основания втулки, но делает переход между областями менее резким.
Формообразующий стержень со скругленным окончанием: низкая стоимость, малоэффективен.
В следующем методе используется пружина, расположенная между стержнем и плитой толкателя. Подпружинивание позволяет поддерживать давление на материал под втулкой по мере остывания детали, в результате чего происходит смещение материала из данной области и компенсирование усадки. Результаты зависят от изначальной нагрузки на пружину и непосредственно от ее жесткости, поэтому в ходе эксперимента были опробованы две пружины разной жесткости и разные варианты нагрузки для каждой из них.
Подпружиненный стержень: хорошие результаты, но высокая стоимость.
Была произведена и оценка добавления химического пенообразующего агента, ведь данный метод имеет весомое преимущество, так как он не требует каких-либо изменений оснастки. Теория, лежащая в основе этого метода, заключается в том, что пенообразование происходит в более толстых областях, где и возникает большая усадка, а вспенивание помогает обеспечить достаточное местное давление. В ходе испытаний добавляли небольшое количество (0,25%) пенообразователя (Safoam RPC-40 от Reedy International Corp.) во избежание образования вздутий, которые могут повредить поверхность отливки.
Литье с помощью газа было протестировано посредством подачи азота через модифицированный формообразующий стержень таким образом, чтобы в области под стержнем, где и проявляется усадка, образовывался пузырек, давление внутри которого помогает в уплотнении материала в данной зоне.
Литье с газом: потенциальный победитель, но метод сложный и дорогостоящий.
Для проверки метода быстрого отвода тепла был изготовлен специальный формообразующий стержень из бериллиевой меди, так как этот сплав обладает лучшей теплопроводностью, чем обычная инструментальная сталь. Стержень должен контактировать с областью, где происходит максимальная усадка, чтобы отводить тепло именно от нее.
Бериллиево-медный стержень: хорошие показатели.
Одним из вариантов реализации данного метода является использование бериллиево-медной вставки в формообразующую поверхность данной втулки в комплекте со стандартным стержнем из инструментальной стали. Но данный способ требует больших изменений оснастки, так как необходимо вытачивать полости для установки данных вставок в формообразующие. Такая структура позволяет отводить тепло от всей области втулки и распределять его по пресс-форме.
Бериллиево-медные вставки: метод подходит для некоторых видов пластика, но является дорогостоящим.
Оба варианта с использованием данного сплава реализуют метод пассивного отвода тепла, но существует также и метод с использованием специализированных стержней заполненных специальной жидкостью для активного отвода тепла от наиболее горячих областей к охлаждающему коллектору.
Стержень с активной терморегуляцией: сложно реализовать, малоэффективен.
Какой метод работает лучше?
Пять из опробованных методов при работе со смесью PC/ABS давали меньшую усадку, чем была получена при литье со стандартным формообразующим стержнем. Все техники отвода тепла показали себя хорошо, а вот среди способов, основанных на вытеснении материала, лучшие показатели были получены при испытании подпружиненного стержня. Но в данном методе большое влияние на результат имеет уровень предварительного натяжения пружины (см. график). Эксперимент с использованием газовой поддержки показал неубедительные результаты: при такой конструкции и с данным материалом остывание расплава происходит слишком быстро из-за тонких стенок, что усложняет равномерное распределение газа. Испытания с применением вспенивающего агента также не обнадежили, поскольку на поверхности проявились следы вздутия, а значит при использовании этого метода нужно очень тщательно подбирать количество добавляемого вспенивателя.
Эффективность методов борьбы с усадкой зависит от материала. Квадраты и прямоугольники представляют диапазон данных, собранных за 10 циклов. Красная точка — среднее значение. При тестировании подпружиненных стержней использовались две пружины - средней и большой жесткости, а также разные уровни натяжения для каждой из них.
При тестировании компаунда PPE/PS также наилучшие результаты были получены в варианте с подпружиненные стержнями. Три других метода вытеснения материала, в том числе и удлиненные стержни, и даже метод газовой поддержки превзошли показатели стандартного метода. Что касается технологий отвода тепла, то только бериллиево-медный стержень сработал лучше.
Закругленный стержень проявил себя неэффективно в экспериментах с обоими видами материала. Неожиданностью стали плохие показатели метода удлиненных стержней при использовании смеси PC/ABS, ведь именно эта технология лидирует среди основных рекомендаций по борьбе с усадкой в последние два десятилетия. Тесты показали, что данная техника подходит не для всех видов материалов.
Таким образом, самые интересные результаты были получены с применением подпружиненного стержня. При правильной регулировке пружины усадка уменьшалась до 50% для обоих видов полимерной смеси, причем более важным оказался именно уровень предварительной нагрузки, а не жесткость самой пружины. Если натяжение пружины недостаточно, то в процессе литья стержень отходит далеко назад, материала в области основания втулки становится больше, и усадка тоже увеличивается. Если же натяжение слишком велико, то пружина под давлением расплава не сжимается и ведет себя как обычный стержень. Этот метод также оказался хорош и для сокращения усадки на ребрах жесткости при работе с PPE/PS. Очевидно, что пружина позволила увеличить плотность не только в области втулки, но и в области ребер.
Не стоит сбрасывать со счетов и техники с применением газа или вспенивающего агента. Результаты, полученные в ходе данных испытаний, не показательны, так как не была произведена оптимизация этих техник непосредственно под имеющиеся условия процесса.
