Отсутствие точного расчета времени пребывания полимера в материальном цилиндре может поставить под угрозу свойства материала еще до момента впрыска.
Большинство термопластов являются органическими материалами, и их химическая структура не способна выдерживать температуру плавления дольше определенного времени. Данные исследований марки Valox 420, широко известного ПБТ от производителя SABIC, показывают, что при воздействии температуры 260°С в течение 6 минут, молекулы полимера разрушаются и его свойства теряются (Рис. 1).
В данном исследовании изучалась вязкость материала, и вывод о том, что максимальное время пребывания в материальном цилиндре для этого ПБТ при 260 ° С составляет 6 минут, является слишком общим, поскольку нигде не упоминается абсолютное или процентное падение какого-либо конкретного свойства. Детали со сложным конструктивом или детали, не подвергающиеся нагрузке в процессе эксплуатации, скорее всего, могут функционировать, даже если она были отформованы с некоторым количеством молекул, которые разложились и имеют более низкую молекулярную массу. Существуют также различные присадки, которые могут разрушать базовые полимеры, тем самым еще более усложняя процесс литья.
Рис. 1. Исследование с использованием ПБТ SABIC Valox 420 показывает, что молекулы разрушаются, и вязкостные свойства материала теряются в результате воздействия температуры 260°С в течение 6 минут.
Расчет времени пребывания
Время пребывания - это время, которое полимер проводит в материальном цилиндре, а именно, время с момента нахождения гранул на дне загрузочного бункера, когда они уже готовы к подаче в материальную пару, до момента достижения кончика сопла. Его можно рассчитать с помощью очень простой формулы, но, на самом деле, эта формула является лишь приблизительной. Для начала необходимо определить максимальное количество пластика, которое может поместиться внутри материального цилиндра. Можно использовать заявленное производителем литьевой машины значение массы впрыска, это приемлемо, но не совсем верно.
Предположим, что изделия, о которых мы говорим, отлиты из полистирола - стандартного материала, по которому обычно и указывается расчетная масса впрыска ТПА. Максимальная масса впрыска заявленная производителем – 100 г. Под массой впрыска понимается общая масса отливок и литников. Также в дальнейшем расчете не будем учитывать небольшое количество материала (так называемой «подушки»), которое должно присутствовать в материальном цилиндре в конце фазы удержания под давлением.
Вариант 1: Максимальная масса впрыска.
Данный вариант практически нереализуем, но, допустим, что масса впрыска составляет 100 г, то есть для отливки изделий используется 100% заявленного значения массы впрыска. Когда шнек отведен назад в конечное положение перед впрыском, то масса материала, находящегося перед наконечником шнека составляет 100 г (Рис.2). Кроме этого материала, если еще некоторое количество полимера непосредственно на поверхности шнека. Весь материал, попадающий в зону дозирования, полностью расплавлен, тот, что находится в зоне компрессии – частично расплавлен, а в зоне загрузки – в размягченном состоянии, близком к расплавлению.
Рис.2. В данном варианте масса впрыска составляет 100 г, то есть используется 100% заявленного значения массы впрыска. Когда шнек отведен назад в конечное положение перед впрыском, то масса материала, находящегося перед наконечником шнека составляет 100 г.
В такой ситуации максимальное количество расплавленного пластика составляет более 100 г. Очевидно, что конструктивные особенности шнека - соотношение длины к диаметру (L/D), коэффициент уплотнения, соотношение длин зоны загрузки, компрессии и дозирования, а также тип шнека - будут играть большую роль в определении количества расплава в материальном цилиндре.
Вариант 2: Минимальная масса впрыска.
В следующем примере рассмотрим вариант, где масса впрыска составляет 20 г, то есть 20% от максимальной. Аналогично с первым вариантом количество расплава в материальном цилиндре будет равно 20 г плюс остальной полимер внутри цилиндра.
Предположим, что все параметры литья, кроме размера впрыска, идентичны в обоих вариантах. Тогда очевидно, что количество пластика в зоне дозирования и в зоне компрессии шнека одинаково (Рис. 3). Однако количество материала в зоне загрузки будет больше во втором варианте, где впрыск составляет 20%, а не 100%.
Конечно, расчет количества полимера внутри материального цилиндра зависит от нескольких факторов, в том числе и параметров литья, особенно противодавления. Для корректного расчета максимального количества пластика в шнековой паре необходимо сложить количество материала перед шнеком с количеством материала на шнеке в каждой из зон.
Рис.3. В данном случае все параметры литья, кроме размера впрыска, идентичны в обоих вариантах. Тогда очевидно, что количество пластика в зоне дозирования и в зоне компрессии шнека одинаково (Рис. 3). Однако количество материала в зоне загрузки будет больше во втором варианте, где впрыск составляет 20%, а не 100%.
В тех случаях, когда процент используемой массы впрыска достаточно высок, скажем, 70% от максимального, то пластик может подвергаться воздействию температуры плавления уже в зоне загрузки. Какое именно количество подвергается, определить сложно, так как невозможно оценить, на каких участках шнека материал уже достиг температуры плавления, но можно произвести подсчеты, используя данные о конструкции шнека, предоставляемые производителем. В этом случае можно рассчитать количество материала, находящегося в каждой из зон материального цилиндра.
На какое количество доз впрыска хватит объема материального цилиндра?
Зная количество полимера в цилиндре, делим его на массу одного впрыска и получаем число доз впрыска, на которое хватит объема цилиндра. Умножаем число впрысков на время одного цикла и получаем общее время пребывания материала в шнековой паре.
Например, если общее количество пластика составляет 150 г, а масса впрыска равна 25 г, то расчетное количество впрысков в цилиндре равно шести. Если время цикла для этих изделий составляет 30 секунд, то умножив его на количество доз впрыска, получаем 180 секунд – это общее время, необходимое для транспортировки материала от места плавления к кончику сопла. Но сюда не включен пластик, который еще не достиг температуры плавления, а значит, некоторая часть полимера в зоне загрузки не учитывается.
Производить такой расчет в повседневной работе не очень удобно, поэтому для облегчения расчета используется широко известная формула:
Количество доз впрыска = Максимальная масса впрыска ТПА ÷ Масса впрыска
По этой формуле время пребывания рассчитывается путем умножения количества доз впрыска в цилиндре на время цикла. Эта формула, в целом, информативна, но, как мы знаем, не на 100% точна.
Практический метод определения времени нахождения в цилиндре
Существует очень простой и практичный метод определения количества доз впрыска в шнековой паре, однако он неэффективен, если речь идет об изделиях темного цвета. В таких случаях необходимо запустить в работу эту же форму, но с более светлым цветом или натуральным материалом. Для подсчета необходимо запустить процесс литья, сдвинуть загрузочный бункер в сторону, чтобы загрузочная горловина была открыта и при помощи зеркала или камеры телефона понаблюдать как материал подается по шнеку. При выполнении данной операции соблюдайте правила техники безопасности и никогда не смотрите прямо в бункер.
Как только вы увидите, что шнек открылся, бросьте одну или две гранулы любого совместимого темного цвета в загрузочную горловину и верните бункер на место. Дайте форме открыться и сделайте впрыск. С этого момента начинайте отсчитывать количество циклов до момента появления на отливках темных пятен.
Если цвет проявился на восьмом впрыске, значит, в цилиндре как минимум семь доз, ведь восьмой уже имеет примесь цвета. Но, в целом, можно считать это количество и как 8 доз. Умножаем время цикла на восемь и получаем время пребывания полимера в материальном цилиндре. Например, если время цикла составляет 40 секунд, то время пребывания будет 8×40=320 секунд или 5,4 минуты. Если максимальное время пребывания для данного полимера составляет 6 минут, то в отливках нет распавшихся молекул, но если максимальное время пребывания для этого материала составляет 4 мин, то определенно свойства пластика будут в некоторой степени утрачены.
Рис.4. Для подсчета количества доз впрыска необходимо запустить процесс литья, сдвинуть загрузочный бункер в сторону, чтобы загрузочная горловина была открыта и при помощи зеркала или камеры телефона понаблюдать как материал подается по шнеку. Как только вы увидите, что шнек открылся, бросьте одну или две гранулы любого совместимого темного полимера в загрузочную горловину и верните бункер на место. Дайте форме открыться и сделайте впрыск. С этого момента начинайте отсчитывать количество циклов до момента появления на отливках темных пятен.
Результат данного эксперимента показан на рисунке 4, где примесь цвета проявилась уже на третьем впрыске. Именно этот пример будет разобран в следующей части статьи, посвященной распределению времени пребывания материала в материальном цилиндре.
