Выставка «Fakuma-2008» и пути минимизации энергопотребления литьевых машин
«Минимизация энергопотребления литьевых машин» – вот что было одной из главных (если не главной) тем 19-й Международной специализированной выставки по переработке пластмасс «Fakuma», прошедшей с 14 по 18 октября 2008 г. в выставочном центре «Messe Friedrichshafen» (г. Фридрихсхафен, Германия) и по праву считающейся в мире «выставкой № 1» по литью под давлением. Обсуждаются пути решения указанной задачи, предложенные ведущими компаниями – участницами выставки.
Основные критерии и порядок выбора литьевых машин
Основными технико-экономическими критериями выбора литьевой машины для производства изделий из полимерных материалов являются, как известно, значения ее максимального усилия смыкания, объема впрыска, давления литья, скорости впрыска расплава, пластикационной про-изводительности, а также удельный расход электроэнергии, стоимость литьевой машины и уровень ее автоматизации, обеспечивающей заданную последовательность стадий литья и согласованность с другими технологическими операциями процесса. В данной статье, на основе обобщения и дополнения накопленного в этой области опыта, предлагается типовой порядок выбора литьевых машин.
Основные технологические факторы, определяющие процесс литья пластмасс:
1) подготовка материала;
2) текучесть термопласта в процессе литья;
3) температура термопласта в нагревательном цилиндре;
4) температурный режим формы;
5) давление в цилиндре и форме;
6) продолжительность цикла.
Подготовка материала. Большинство термопластов не нуждается в предварительной обработке перед загрузкой в литьевую машину, если не считать окрашивания в нужный цвет. Полиамиды, этролы и поликарбонат, способные при хранении увлажняться, необходимо подсушивать. При переработке увлажненных материалов образуются пузыри, утяжины, пятна, серебристость на поверхности изделий. Подсушивание производят непосредственно перед переработкой.
Литники, бракованные изделия и другие отходы термопластов подлежат предварительной разборке, очистке и дроблению. После этого они могут быть использованы в качестве добавок к свежему материалу.
Поведение термопласта в процессе литья. Переход аморфных полимеров в вязкотекучее состояние происходит в широком интервале температур. Подобные термопласты перерабатываются без особых затруднений. Колебания температуры расплава не вызывают резкого изменения процесса литья; термопласт не вытекает через зазоры в форме. Усадка аморфных термопластов обычно 0,4-0.6%.
В противоположность аморфным кристаллические термопласты (капрон, полиэтилен) имеют узкий интервал температур перехода в вязкотекучее состояние, низкую, вязкость и, соответственно, высокую текучесть. Это несколько усложняет их переработку, вызывает необходимость точнее поддерживать температуру расплава, делать запорные устройства к мундштуку, обеспечивать плотную посадку поршня в цилиндре. Термопласты кристаллического строения при затвердевании имеют значительно большую усадку, доходящую до 3%. Чем выше температура термопласта, тем больший объем он занимает и тем больше усадка при охлаждении. Кроме термической усадки может происходить усадка вследствие изменения структуры полимера. Усадка проявляется не только в изменении размеров, но и в появлении углублений, внутренних пустот. Чем ниже температура термопласта и чем выше давление в процессе литья, тем меньше усадка, тем больше плотность материала в изделии.
Температурный режим нагревательного цилиндра. Нагревательный (инжекционный) цилиндр является основным технологическим узлом машины, определяющим ее производительность и качество изделий. К нагревательному цилиндру предъявляются следующие требования:
высокий коэффициент теплопередачи от источников нагрева к материалу при небольших разностях температур стенок цилиндра и материала;
равномерный нагрев материала и отсутствие местных перегревов.
Эти требования должны быть учтены при его конструировании. Используются различные варианты: нагревательный цилиндр с торпедой, нагревательный цилиндр с внутренней обогревающей гильзой. Хорошие результаты дает шнековая предпластикация, особенно в машинах большой мощности, где необходим прогрев значительных количеств пластмассы. Вращением шнека пластмасса увлекается из зоны бункера, уплотняется и разогревается при транспортировании к соплу. Разогрев пластмассы осуществляется в благоприятных условиях (несколько зон нагрева, малые толщины нагреваемого слоя, перемешивание). При шнековой пластикации уменьшается удельное давление литья. Эти конструктивные решения позволяют улучшить технологию литья, увеличить производительность машины и снизить расход электроэнергии.
Температурный режим формы. Режим охлаждения изделия в форме влияет как на производительность машины, так и на качество изделий. Интенсивное охлаждение увеличивает производительность машины, но может привести к снижению качества изделий из-за появления внутренних напряжений. Чем выше температура затвердевания термопласта, тем выше должна быть температура формы.
Температура формы перед заполнением обычно ниже температуры литья на 100—150 град.
Практика показала также, что наличие разности температур на формующих поверхностях в различных точках формы вредно сказывается на качестве изделий. Оптимально допустимый перепад температур на поверхности формы не должен превышать 5—6 град. Отсюда вытекает необходимость установки контрольных и регулирующих приборов температуры формы.
Давление в цилиндре и форме. Давление на материал создается поршнем нагревательного цилиндра.
Под давлением поршня материал проходит через нагревательный цилиндр, каналы формы и заполняет полость формы. По мере продвижения материала к полости формы давление уменьшается из-за противодействия сил трения. Давление, испытываемое расплавом в форме, всегда меньше давления, создаваемого поршнем. В процессе отливки и затвердевания изделия давление еще больше уменьшается. В зависимости от условий проведения процесса литья давление в форме к моменту ее открытия становится равным атмосферному или несколько больше его (остаточное давление).
Максимальное давление в форме создается в конце хода поршня вперед и зависит от давления поршня, температуры расплава и сопротивления продвижению материала. Сопротивление обусловливается вязкостью термопласта, сужением и расширением материального потока, шероховатостью поверхностей, ограничивающих поток расплава, и др. Поэтому для создания максимального давления в форме необходимо стремиться к увеличению давления поршня, увеличению температуры расплава, сокращению длины литниковых каналов, увеличению их сечения, уменьшению шероховатости поверхности цилиндра, введению в пластмассу смазывающих веществ.
Иногда при отводе формы из нее вытекает материал. Для предотвращения- этого необходима определенная выдержка материала после впрыскивания для охлаждения расплава в литниковом канале (затвердение литника, закупорка формы).
Продолжительность цикла складывается из времени смыкания формы, впрыска, выдержки под давлением и раскрытия формы. Время впрыска зависит от веса отливки, формы изделия, сечения впускных каналов, текучести термопласта, температуры и давления расплава в материальном цилиндре и интенсивности охлаждения изделия в форме. Для различных термопластов, при равных условиях, длительность впрыска разная и колеблется в пределах от 2—3 сек для полистирола и до 40—60 сек для полиамида-54 на 1 мм толщины изделия.
Чем больше отливка по весу, чем тоньше стенки изделия и сложнее его форма и чем меньше сечение впускных каналов формы, тем продолжительнее время впрыска. Чем больше текучесть термопласта и выше давление и температура расплава в материальном цилиндре машины, тем меньше время впрыска.
Время срабатывания подвижных частей (время смыкания-размыкания формы) литьевой машины зависит от производительности гидронасосов машины и конструкции узла смыкания формы.
По продолжительности цикла литья определяют производительность процесса. В связи с возрастающими потребностями в машинах высокой производительности большое значение приобретает сокращение времени срабатывания узла смыкания формы и скорости движения инжекционного цилиндра.
