Процесс литья пластиковых бутылок под давлением

Процесс литья под давлением: основная технология термопластичного формования

Процесс литья под давлением — это эффективная технология литья, позволяющая перерабатывать термопластичные материалы в различные изделия с помощью пресс-форм. Благодаря таким преимуществам, как высокая автоматизация, высокая производительность и точность изготовления, он стал одним из наиболее широко используемых процессов в современной переработке пластмасс. От повседневной пластиковой посуды и чехлов для телефонов до прецизионных автомобильных деталей и медицинских приборов, технология литья под давлением, благодаря своей высокой адаптивности и гибкости, используется в производстве продукции во многих отраслях промышленности и занимает незаменимое место в материаловедении и промышленном производстве.

1. Принципы процесса и основные элементы

В основе литья под давлением лежит циклический процесс плавления, формования и затвердевания: твердые частицы пластика нагреваются и расплавляются, образуя текучий динамический расплав, который под давлением впрыскивается в закрытую полость формы. После охлаждения и затвердевания в полости формы расплав образует изделие, соответствующее форме полости формы. Этот процесс должен быть реализован за счет синергетического эффекта трех основных элементов: сырья, оборудования для литья под давлением и пресс-форм.

Требования к характеристикам сырья

Процесс литья под давлением предъявляет особые требования к характеристикам сырья (термопластиков), что напрямую влияет на качество и эффективность формования. Скорость течения расплава (МФР) является ключевым показателем, отражающим текучесть расплавленного пластика. Чрезмерное значение МФР может привести к значительной усадке и нестабильности размеров изделия; слишком низкое значение МФР приведет к низкой текучести, что может привести к таким проблемам, как нехватка материала и недостаточное заполнение формы. Необходимо выбирать пластик с соответствующим МФР в зависимости от сложности изделия, например, для прецизионных деталей следует выбирать высокотекучие ПП и АБС, а для конструкционных деталей – высокопрочные ПК и ПА.

Термостойкость пластиков не менее важна. Они должны выдерживать температуру нагревания цилиндра (обычно 150–350 °C) без ухудшения свойств, в противном случае это приведет к изменению цвета и снижению механических свойств изделия. Поэтому перед обработкой необходимо подтвердить температуру термического разложения пластика. Например, в ПВХ необходимо добавлять термостабилизатор для предотвращения разложения. Кроме того, скорость усадки пластика (доля усадки при охлаждении после формования) должна соответствовать конструкции пресс-формы. Различные пластики имеют значительные различия в скорости усадки (например, усадка ПЭ составляет 1,5–3%, усадка ПК — 0,5–0,7%), и пресс-форма должна иметь припуск на усадку для обеспечения размерной точности изделия.

К распространенным литьевым пластикам относятся обычные пластики (ПП, ЧП, АБС, PS), конструкционные пластики (ПК, ПА, ПОМ, ПБТ) и специальные пластики (PEEK, ПИ), которые подходят для сценариев с различными требованиями к прочности, термостойкости и химической стойкости.

Состав оборудования для литья под давлением

Машина для литья под давлением является основным оборудованием процесса литья под давлением и состоит из четырёх частей: системы впрыска, системы зажима пресс-формы, гидравлической системы трансмиссии и электрической системы управления. Система впрыска отвечает за плавление и впрыск пластика и включает в себя бункер, цилиндр, шнек и сопло: бункер накапливает частицы пластика, которые попадают в цилиндр под действием силы тяжести; нагревательное кольцо огибает внешнюю часть цилиндра с материалом для нагрева пластика до расплавленного состояния; шнек осуществляет транспортировку, уплотнение и пластификацию (смешивание расплава) пластика посредством вращения и осевого перемещения, после чего пластифицированный расплав впрыскивается в форму через сопло.

Система зажима пресс-формы обеспечивает открытие, закрытие и фиксацию пресс-формы, состоящей из неподвижного шаблона, подвижного шаблона, тяги и зажимного цилиндра. Усилие зажима должно соответствовать давлению впрыска и площади проекции изделия, чтобы предотвратить растяжение пресс-формы и образование заусенцев во время впрыска. Формула для расчета усилия зажима: усилие зажима (кН) = площадь проекции изделия (см²) x давление впрыска (МПа) x коэффициент запаса (1,2–1,5).

Гидравлическая система трансмиссии обеспечивает питание для впрыска и закрытия пресс-формы, контролируя скорость и давление перемещения каждого компонента. Электрическая система управления (ПЛК + сенсорный экран) точно контролирует параметры процесса (температуру, давление, время), обеспечивая автоматизацию производства. Высококлассные литьевые машины также оснащены серводвигателями, обеспечивающими энергосбережение более 30%.

Ключевые моменты проектирования пресс-формы

Форма играет ключевую роль в определении формы и качества изделия, состоящего из полости, стержня, системы заливки, системы охлаждения и системы выталкивания. Внешняя и внутренняя поверхности изделия, образованные полостью и стержнем, в основном изготавливаются из литейной стали (например, P20, 718H), которая должна быть закалена и полирована для обеспечения гладкости и износостойкости поверхности.

Система заливки вводит расплавленный материал из сопла в полость формы, включая основной канал, отводной канал и литник: основной канал соединяет сопло и отводной канал, а конусность (2°-5°) должна быть спроектирована для облегчения извлечения из формы; отводной канал распределяет расплав по нескольким полостям; литник является конечным каналом для подачи расплава в полость формы, имея небольшой размер (обычно 0,5-2 мм), что удобно для резки расплава и разделения изделия. Распространенные типы литников включают боковые литники, точечные литники и скрытые литники, которые необходимо выбирать в соответствии с формой изделия.

Система охлаждения отводит тепло расплава через циркулирующую воду, ускоряя затвердевание изделия. Канал охлаждающей воды должен располагаться близко к поверхности полости формы (на расстоянии 15–25 мм) для обеспечения равномерного охлаждения. Время охлаждения составляет 50–70% цикла формования, напрямую влияя на эффективность производства. Система выталкивания (выталкиватель, верхняя плита, выталкивающая трубка) выталкивает изделие из формы после охлаждения, предотвращая деформацию и царапины.

2. Технологический процесс и основные параметры

Процесс литья под давлением представляет собой непрерывный цикл, и контроль параметров каждого звена напрямую влияет на качество изделия. Весь процесс включает три этапа: подготовку сырья, литье под давлением и последующую обработку.

Этап подготовки сырья

Сырье должно пройти предварительную обработку и сушку: предварительная обработка включает просеивание (удаление примесей) и смешивание (добавление красящего концентрата и добавок в пропорции) для обеспечения однородности сырья; сушка предназначена для гигроскопичных пластиков (таких как ПА, ПК, ПБТ), которые склонны поглощать влагу из воздуха и могут образовывать дефекты, такие как пузырьки и серебряные нити при плавлении. Необходимо использовать сушильную машину (сушку горячим воздухом или сушку с осушением), чтобы снизить содержание влаги до уровня ниже 0,02% -0,05%. Параметры сушки варьируются в зависимости от пластика (например, температура сушки ПК 120 ℃ в течение 4-6 часов; температура сушки ПА6 80-90 ℃ в течение 4 часов).

Этап литья под давлением

Это суть процесса, состоящего из пяти этапов: пластификация, впрыск, выдержка под давлением, охлаждение, открытие формы и выталкивание. Пластификация: вращение шнека перемещает частицы пластика вперёд и расплавляет их под действием нагрева цилиндра и сдвигающего усилия шнека, образуя равномерный расплав. Качество пластификации зависит от температуры цилиндра, скорости вращения шнека и противодавления (противодавления во время вращения шнека). Слишком высокое противодавление увеличит время пластификации, а слишком низкое – приведёт к неравномерной пластификации.

Впрыск: Шнек быстро движется вперёд, впрыскивая расплав в полость формы под высоким давлением и скоростью. Давление впрыска обычно составляет 50–150 МПа, а скорость — 30–150 мм/с. Его необходимо корректировать в зависимости от толщины и сложности изделия: для тонкостенных изделий требуются высокое давление и высокая скорость (для замедления охлаждения расплава), а для толстостенных — низкое давление и низкая скорость (для предотвращения перелива).

Выдержка под давлением: после заполнения полости формы расплавом шнек поддерживает определённое давление для пополнения полости расплавом, компенсируя усадку расплава при охлаждении. Выдержка под давлением обычно составляет 60–80% от давления впрыска, а время выдержки определяется толщиной изделия (для изделий с толстыми стенками время выдержки необходимо увеличить). Недостаточная выдержка может привести к вмятинам и уменьшению размеров изделия.

Охлаждение: После завершения выдержки под давлением система охлаждения пресс-формы снижает температуру изделия до уровня ниже температуры термической деформации, позволяя ему затвердеть и сформироваться. Формула расчета времени охлаждения: время охлаждения (с) = (максимальная толщина стенки изделия (мм)) ² × коэффициент материала. Различные коэффициенты пластичности различаются (например, коэффициент ПЭ 0,8, коэффициент ПК 1,2).

Открытие формы и выталкивание: После охлаждения система закрытия формы отводит подвижный шаблон назад и открывает форму. Система выталкивания медленно и равномерно выталкивает изделие из формы, предотвращая его деформацию или побеление.

Этап постобработки

Для повышения эксплуатационных характеристик некоторых изделий требуется последующая обработка: удаление излишков материала с литника и поверхности разъема путем удаления заусенцев; отжиг (например, выдерживание изделий из ПК в печи при температуре 120 ℃ в течение 2 часов) устраняет внутренние напряжения и предотвращает растрескивание изделий; обработка поверхности (распыление, гальваника, шелкография) улучшает внешний вид и функциональность; для изделий, предназначенных для пищевой промышленности, требуется очистка и дезинфекция для удаления масляных пятен и загрязнений.

3. Контроль качества и распространенные проблемы

Качество литьевых изделий необходимо контролировать по трём параметрам: внешнему виду, размеру и механическим свойствам. Распространенные дефекты необходимо устранять путём оптимизации параметров в процессе производства.

Показатели контроля качества

Требования к качеству внешнего вида включают отсутствие таких дефектов, как заусенцы, недостающие материалы, пузырьки, серебряная проволока, усадочные следы, царапины и т. д., что может быть достигнуто путем визуального или автоматизированного визуального контроля (с точностью до 0,01 мм); Точность размеров должна соответствовать допускам чертежа (например, ± 0,1 мм), а основные размеры должны быть измерены с помощью координатно-измерительного прибора или штангенциркуля; Механические свойства (прочность на разрыв, ударная вязкость) должны соответствовать требованиям эксплуатации, а эксплуатационные характеристики должны быть обеспечены путем отбора проб и испытаний сырья и готовой продукции.

Распространенные дефекты и решения

Дефекты производства часто вызваны параметрами или проблемами пресс-формы и могут быть скорректированы соответствующим образом: заусенцы (избыток материала на краю изделия) необходимо увеличить или уменьшить из-за недостаточного усилия зажима пресс-формы или высокого давления впрыска; Недостаток материала (незаполненная полость) из-за плохой текучести расплава или недостаточного объема впрыска, необходимо повысить температуру материального цилиндра, увеличить давление впрыска или увеличить время выдержки; Пузыри необходимо высушивать больше или следует уменьшить скорость шнека (для уменьшения вовлечения воздуха) из-за недостаточной сушки сырья или включения воздуха в расплав; Усадочные следы (впадины на поверхности) требуют увеличения давления выдержки или оптимизации канала охлаждающей воды из-за недостаточного давления или неравномерного охлаждения; Деформация коробления вызвана чрезмерным внутренним напряжением, и необходимо уменьшить температурный градиент пресс-формы или отрегулировать положение литника, чтобы обеспечить равномерный поток расплава.

4. Области применения и тенденции развития

Процесс литья под давлением, обладающий такими преимуществами, как высокая эффективность и точность, широко используется в различных отраслях промышленности и совершенствуется в сторону интеллектуальности и экологичности по мере технического прогресса.

Основные области применения

Упаковочная промышленность является крупнейшим рынком для технологии литья под давлением, производя крышки для бутылок, контейнеры, коробки для оборота и т. д. Например, крышки для бутылок с минеральной водой используют литье под давлением ПП для обеспечения герметизации посредством формирования резьбы; Автомобильная промышленность использует литье под давлением для производства деталей интерьера (приборная панель, дверные панели), внешних деталей (бампер) и функциональных деталей (разъемы), а также конструкционных пластиков (сплав ПК/АБС) для замены металлов с целью снижения веса; Промышленность бытовой техники производит корпуса (ящики холодильников, внутренние камеры стиральных машин) и структурные компоненты (шестерни, кронштейны), причем АБС становится основным материалом из-за его легкой окраски и умеренной прочности; Медицинская промышленность использует литье под давлением медицинских пластиков (ПК, ПП) для производства шприцев, корпусов инфузионных наборов и компонентов медицинских приборов, для чего требуются чистые формы и нетоксичное сырье; Промышленность 3C производит прецизионные детали, такие как корпуса мобильных телефонов, клавиатуры, разъемы и т. д., для которых требуется допуск на размер ± 0,02 мм и высокоточные машины и формы для литья под давлением.

Тенденции развития технологий

Интеллектуальные технологии являются ключевым направлением, и литьевые машины оснащены датчиками (давления, температуры, смещения) и алгоритмами искусственного интеллекта для мониторинга состояния расплава и качества продукции в режиме реального времени. Благодаря адаптивному управлению параметры автоматически корректируются, что позволяет сократить ручное вмешательство, а процент брака снижается до менее 0,5%. Промышленный интернет обеспечивает сетевое взаимодействие оборудования, удаленный мониторинг производственных данных и энергопотребления, а также повышает эффективность управления.

Экологизация фокусируется на энергосбережении, сокращении потребления и циклическом использовании, при этом уровень внедрения машин для литья под давлением с сервоприводом составляет более 80%, а потребление энергии сокращается на 30%; Технология литья под давлением для переработанных пластмасс является отработанной, и после очистки и модификации переработанные ПП и АБС можно использовать для изделий, не контактирующих с пищевыми продуктами; Расширяется применение литья под давлением биопластиков (ПЛА, ПБАТ), что снижает зависимость от ископаемых ресурсов.

Прорыв в технологии точного и специального литья: микролитье под давлением позволяет производить микроизделия весом менее 0,1 г (например, медицинские микродетали) с точностью ± 0,001 мм; литье под давлением с газовым соплом использует впрыск азота для того, чтобы сделать толстостенные изделия полыми, уменьшая следы усадки и вес; двухцветное/многоцветное литье под давлением для одноразового формования многоматериальных или многоцветных изделий, улучшая интеграцию внешнего вида и функциональности.

Будучи ключевой технологией переработки пластмасс, литье под давлением отражает совместную разработку инновационных материалов, оборудования и пресс-форм. От товаров повседневного спроса до высокотехнологичных промышленных деталей, технология литья под давлением способствует развитию современной обрабатывающей промышленности благодаря своей эффективности и гибкости. С развитием интеллектуальных и экологичных технологий литье под давлением будет играть всё большую роль в точном производстве и ресурсосбережении, способствуя переходу обрабатывающей промышленности к производству высококачественных изделий.