Процесс литья пластика под давлением с раздувом

Литье пластмасс под давлением – это интегрированная технология производства полых изделий, сочетающая литье под давлением и выдувное формование. Благодаря таким преимуществам, как высокая точность, герметичность и низкое энергопотребление, этот метод стал основным методом литья в таких областях, как производство высококачественной упаковки для лекарств, продуктов питания и косметики. Этот процесс обеспечивает однократное формование пластиковых частиц в готовые полые контейнеры посредством непрерывного процесса литья под давлением преформ и выдувного формования, эффективно решая проблемы недостаточной точности и излишних заусенцев, характерные для традиционных методов выдувного формования. С развитием технологий материалов и интеллектуального оборудования технология литья под давлением развивается в сторону большей эффективности, точности и экологичности, обеспечивая крупномасштабное производство высококачественных полых изделий.

1. Основные принципы и технологические преимущества процесса инжекционно-выдувного формования

Основной принцип процесса литья пластмасс под давлением заключается в двухэтапном методе формования преформы литьем под давлением + формованием выдувом ("), который объединяет непрерывную операцию литья преформы под давлением и формования полых изделий выдувом на одном и том же оборудовании, что позволяет избежать вторичного загрязнения и потери точности при транспортировке преформы, характерной для традиционного процесса выдувного формования. Суть процесса заключается в использовании пластичности расплава пластика: сначала формируется трубчатая заготовка определенной формы и толщины стенки методом литья под давлением, а затем под давлением сжатого воздуха заготовка термопласта расширяется и формуется в форме, в результате чего получается полое изделие, соответствующее полости формы.

Основная стадия технологического процесса

Полный процесс технологии литья под давлением делится на три ключевых этапа: этап литья под давлением является основой. В литьевой форме пластиковые частицы нагреваются и расплавляются материальным цилиндром, а затем впрыскиваются в полость литьевой формы под высоким давлением шнеком, образуя трубчатую форму (преформу) с одним закрытым концом и другим открытым концом. Толщина стенки и размерная точность формования напрямую влияют на качество конечного продукта. Этот этап требует точного контроля давления литья под давлением (обычно 50-100 МПа) и температуры (регулируется в зависимости от материала, например, для ПП - 180-220 ℃); Этап выдувного формования является ключом к формованию. Преформа вращается или перемещается вместе с формой к станции выдувного формования. После закрытия формы выдувного формования через открытый конец преформы вводится сжатый воздух высокого давления (давление 0,5-3 МПа), чтобы расширить горячую преформу в радиальном направлении и плотно прижать к внутренней стенке формы выдувного формования. Одновременно система охлаждения пресс-формы быстро охлаждается, обеспечивая затвердевание и формование изделия. Давление выдувного формования и время выдержки должны соответствовать размеру изделия, а для больших контейнеров требуется более высокое давление и более длительное время выдержки. Этап извлечения и извлечения является заключительным. После открытия пресс-формы для выдувного формования готовое изделие извлекается из формы с помощью выталкивающего механизма, завершая производственный цикл. Для изделий с резьбой или сложной структурой необходимо разработать специальный механизм извлечения, чтобы избежать деформации.

Технологические преимущества по сравнению с традиционным ремеслом

По сравнению с традиционными процессами, такими как экструзионно-выдувное формование и литье под давлением с раздувом (двухступенчатый метод), литье под давлением имеет значительные преимущества: высокая точность формования является наиболее заметной особенностью. Литье под давлением и выдувное формование преформы завершаются на одном и том же оборудовании, и нет вторичной транспортировки преформы. Погрешность размера может контролироваться в пределах ± 0,1 мм, особенно для изделий с резьбовым горлышком бутылки. Точность резьбы может достигать уровня 6 по GB / T 197, что обеспечивает герметизацию; Качество продукции стабильно, а однородность толщины стенки заготовки хорошая (отклонение ≤ 5%). После выдувного формования изделие не имеет заусенцев или очевидных линий пресс-формы, а гладкость поверхности высокая (Ra ≤ 0,05 мкм), без необходимости последующей обработки обрезкой; Высокая эффективность производства, использование многопозиционного вращающегося оборудования позволяет добиться непрерывного производства. Производственный цикл одномодового оборудования с полостью составляет 10–30 секунд, а производительность оборудования с многомодовым полем (например, 8- и 12-полостного) может достигать тысяч изделий в час; Высокий коэффициент использования материала, отсутствие отходов, коэффициент использования материала более 95%, что выше, чем при экструзионно-выдувном формовании (около 85%); Отличные характеристики герметизации, бесшовное цельное горлышко бутылки в сочетании с точной конструкцией резьбы позволяют достичь высокой герметичности и соответствовать требованиям по предотвращению протечек для упаковки жидкостей.

2. Основное оборудование и критически важные системы

Реализация процесса литья пластмасс под давлением осуществляется с использованием специализированных термопластавтоматов и вспомогательных систем. Производительность оборудования напрямую определяет стабильность процесса и качество продукции. Основное оборудование включает в себя систему литья под давлением, систему выдувного формования, систему зажима пресс-формы, систему индексации и систему управления.

Конструктивный состав литьевой машины

Система литья под давлением является ядром процесса формирования преформы и включает в себя бункер, шнек, цилиндр и сопло. Бункер накапливает высушенные частицы пластика и точно подаёт их через дозирующее устройство; Шнек имеет конструкцию с постепенным сжатием (степень сжатия 3–5:1) для обеспечения полного расплавления и пластификации пластика, а скорость вращения регулируется (50–150 об/мин) для контроля качества пластификации; Цилиндр с материалом нагревается поэтапно (обычно 3–5 секций), и температура постепенно повышается от секции подачи к соплу, адаптируясь к процессу плавления пластика; Сопло плотно соединено с основным проточным каналом формы для предотвращения утечки расплава, а отверстие сопла рассчитано в соответствии с размером заготовки (обычно 3–8 мм).

Система выдувного формования отвечает за формование изделия и состоит из выдувных форм, систем регулирования давления воздуха и систем охлаждения. Выдувные формы изготовлены из высокопрочных сплавов (например, стали 718H), а полость формы зеркально отполирована для обеспечения гладкой поверхности изделия. Для изделий неправильной формы необходимо проектировать выпускные канавки, чтобы избежать образования пузырьков воздуха; Система регулирования давления воздуха регулирует давление выдувного формования и время выдержки с помощью прецизионных клапанов и требует высокой стабильности давления (колебание ≤ ± 0,05 МПа); Система охлаждения быстро охлаждается через циркулирующий водяной канал внутри формы, на долю которого приходится 40% -60% цикла формования. Водяной канал находится на расстоянии 15-25 мм от поверхности полости формы для обеспечения равномерного охлаждения.

Система зажима и перемещения обеспечивает переключение рабочих станций и обеспечивает блокирующее усилие (обычно 50–300 кН в зависимости от размера изделия) для предотвращения расширения пресс-формы во время литья под давлением и выдувного формования. Система перемещения (поворотная или линейная) перемещает заготовку со станции литья под давлением на станцию выдувного формования. Точность поворотного перемещения достигает ±0,05 мм, обеспечивая точную стыковку заготовки с пресс-формой. Время перемещения регулируется в пределах 1–2 секунд, что снижает эффект охлаждения заготовки.

Система управления использует ПЛК (программируемый логический контроллер) в сочетании с сенсорным экраном для цифровой настройки параметров и мониторинга в режиме реального времени. Система позволяет хранить несколько наборов параметров процесса (для различных продуктов), поддерживает удаленную диагностику и отслеживание данных. Высококлассное оборудование также оснащено системой визуального контроля для оперативного обнаружения дефектов продукции и автоматического отбраковывания несоответствующих изделий.

3. Требования к характеристикам сырья и адаптации процесса

Процесс литья под давлением предъявляет особые требования к характеристикам плавления, прочности расплава, а также к характеристикам охлаждения и формования исходных материалов. Не все пластики подходят для этого процесса, поэтому выбор материала должен быть комплексным, основанным на требованиях к эксплуатационным характеристикам продукта и характеристиках процесса.

Основные применимые материалы и характеристики

Полипропилен (ПП) является наиболее часто используемым материалом в процессе литья под давлением, составляя более 60% от общего объема литьевых изделий. ПП обладает отличной текучестью расплава и умеренной прочностью расплава, хорошей формуемостью литьевых заготовок, равномерным расширением при выдувном формовании, высокой скоростью охлаждения и коротким циклом формования (10-20 секунд). Пищевой ПП соответствует стандартам FDA и GB 4806.7, нетоксичен и не имеет запаха, подходит для упаковки пищевых продуктов (например, приправ, меда), фармацевтических препаратов (например, лекарств для приема внутрь), а его химическая и температурная стойкость (температура непрерывного использования 100 ℃) также подходит для бытовых химических продуктов, таких как бутылки для моющих средств.

Полиэтилен (ПЭ) подразделяется на ПЭВП и ПЭНП. ПЭВП, благодаря высокой кристалличности и хорошей жёсткости, подходит для изготовления литьём под давлением ёмкостей большой ёмкости (например, бутылок для химикатов объёмом 5–20 л) и обладает хорошей ударопрочностью и стойкостью к химической коррозии. ПЭНП обладает хорошей гибкостью и высокой прочностью расплава, что делает его пригодным для тонкостенных изделий небольшой ёмкости (например, флаконов для образцов косметических средств), но скорость охлаждения у него ниже, а цикл формования немного длиннее, чем у ПП.

Полиэтилентерефталат (ПЭТ) подходит для производства высококачественной прозрачной упаковки. Светопропускание изделий из ПЭТ, полученных методом литья под давлением с раздувом, составляет более 90%, поверхность обладает высоким блеском, превосходной механической прочностью и хорошей химической стойкостью. Он широко используется для производства флаконов для косметики (например, флаконов для эссенций) и средств по уходу за здоровьем. Однако ПЭТ обладает высокой влагопоглощаемостью и требует тщательной сушки (содержание влаги ≤ 0,005%) перед переработкой. Температура литья под давлением может достигать 270–290 °C, что требует точного контроля температуры оборудования.

Поликарбонат (ПК) используется для изготовления высокопрочных прозрачных контейнеров (например, бутылочек для медицинского оборудования и детских бутылочек) благодаря своей прозрачности и высокой ударопрочности. Изделия из ПК, изготовленные методом литья под давлением, могут непрерывно использоваться при температуре до 120 ℃, но их стоимость высока, и в процессе обработки необходимо добавлять антиоксиданты для предотвращения высокотемпературной деградации.

Другие специальные материалы, такие как полиамид (ПА), подходят для изготовления маслостойких контейнеров, а полистирол (ПС) используется для изготовления одноразовых медицинских бутылок для проб. Эти материалы требуют корректировки параметров процесса в соответствии с их характеристиками, например, ПА требует более высоких температур литья под давлением (230–260 °C) и более длительного времени охлаждения.

Требования к ключевым показателям эффективности материалов

Процесс литья под давлением предъявляет строгие требования к скорости течения расплава (MFR) материала, обычно контролируемой на уровне 5-25 г/10 мин (190 ℃/2,16 кг). Если MFR слишком высокий, это приведет к недостаточной прочности заготовки и легкому разрушению во время выдувного формования; Если MFR слишком низкий, текучесть расплава плохая, и заготовки, полученные литьем под давлением, склонны к нехватке материала или появлению следов сварки. Прочность расплава является ключевым показателем на стадии выдувного формования, относящимся к способности расплава противостоять растяжению и расширению. Недостаточная прочность расплава может привести к образованию шейки или растрескиванию заготовки во время выдувного формования. Прочность расплава ПП и ПЭ умеренная и подходит для литья под давлением; Однако расплав ПВХ имеет низкую прочность и должен быть модифицирован, прежде чем его можно будет использовать в процессах литья под давлением. Скорость охлаждения и формования влияет на эффективность производства. Кристаллические пластики (ПП, ПЭ) имеют высокую скорость охлаждения и короткий цикл формования; Скорость охлаждения аморфных пластиков (ПК, ПЭТ) низкая, поэтому конструкцию системы охлаждения необходимо оптимизировать.

4. Контроль параметров процесса и оптимизация качества

Основой контроля качества в процессе литья под давлением является точное регулирование ключевых параметров, снижение количества дефектов продукции, обеспечение точности размеров и стабильности характеристик. Параметры необходимо динамически корректировать в зависимости от размера изделия, характеристик материала и конструкции пресс-формы.

Принципы регулирования основных параметров процесса

Параметры впрыска напрямую влияют на качество заготовки: температура впрыска должна быть установлена в соответствии с температурой плавления материала. Температура цилиндра ПП обычно составляет 180-200 ℃ в передней части, 200-220 ℃ в средней части и 210-230 ℃ в сопле. Если температура слишком высокая, материал будет деградировать (например, ПЭТ пожелтеет), а если температура слишком низкая, пластификация будет неравномерной и заготовка будет иметь холодные пятна; Давление впрыска должно соответствовать сложности преформы, с давлением 80-100 МПа для небольших прецизионных преформ (например, фармацевтических флаконов) и 50-70 МПа для больших грубых преформ (например, химических флаконов). Давление выдержки должно составлять 60% -80% от давления впрыска, чтобы гарантировать, что преформа будет плотной и без пузырьков; Скорость впрыска контролируется по частям: начальная скорость низкая, чтобы предотвратить разбрызгивание расплава, средняя секция, быстро заполняющая полость формы, и конечная секция, медленно поддерживающая давление, чтобы уменьшить внутреннее напряжение.

Параметры выдувного формования определяют качество формования изделия: Давление выдувного формования необходимо регулировать в соответствии с объемом изделия и толщиной стенки. Для тонкостенных изделий небольшой емкости (например, косметических флаконов объемом 100 мл) давление составляет 1,5-2,5 МПа, а для толстостенных изделий большой емкости (например, химических бутылок объемом 5 л) давление составляет 2,5-3,5 МПа. Недостаточное давление может привести к нехватке материала или впадине поверхности изделия, в то время как избыточное давление может легко вызвать заусенцы; Время выдувного формования включает время надувания и время выдержки. Время надувания должно гарантировать, что заготовка полностью прикреплена к форме (обычно 0,5-2 секунды), а время выдержки должно быть достаточным для охлаждения и формования изделия (обычно 2-5 секунд). Недостаточное время выдержки может вызвать усадку и деформацию изделия; Время задержки выдувного формования (время от подачи преформы на станцию выдувного формования до начала раздува) следует максимально сократить, чтобы преформа не остыла и не стала слишком тяжёлой для раздува. Обычно оно контролируется в пределах 1–3 секунд.

Параметры охлаждения влияют на эффективность производства и размерную точность: температура формы должна быть установлена в соответствии с характеристиками кристаллизации материала, при этом температура формы ПП составляет 40–60 ℃ (для ускорения кристаллизации) и температура формы ПЭТ 10–30 ℃ (для сохранения прозрачности при быстром охлаждении); Объём охлаждающей воды должен быть равномерным, обеспечивая разницу температур между различными частями полости формы ≤ 5 ℃. Время охлаждения составляет 50–70 % цикла формования. Время охлаждения можно сократить, увеличив количество каналов охлаждающей воды или снизив температуру воды (обычно 15–25 ℃), но необходимо избегать чрезмерного внутреннего напряжения, вызванного быстрым охлаждением в изделии.

Распространенные дефекты качества и решения

Распространенные дефекты производства можно устранить путем настройки параметров и оптимизации пресс-формы: поломка заготовки часто вызвана низкой температурой впрыска или слишком высокой скоростью впрыска, что требует повышения температуры цилиндра или снижения скорости впрыска; неравномерная толщина стенок изделия вызвана неравномерной толщиной стенок преформы или неравномерным распределением давления выдува, и необходимо отрегулировать параметры удержания давления литья под давлением или оптимизировать выпускную канавку пресс-формы; деформация горлышка бутылки обычно вызвана недостаточным охлаждением горлышка бутылки во время литья под давлением, и необходимо увеличить контур охлаждающей воды горлышка бутылки или снизить температуру литья под давлением в соответствующей области; царапины на поверхности изделия могут быть вызваны загрязнениями в полости формы или износом механизма извлечения из формы, что требует регулярной очистки формы или замены компонентов извлечения из формы; пузырьки или проколы могут быть вызваны недостаточной сушкой сырья или попаданием воздуха во время литья под давлением. Необходимо усилить сушку сырья (например, температура сушки ПЭТ 120 ℃ в течение 4 часов) или уменьшить скорость вращения шнека, чтобы уменьшить воздухововлечение.

5. Области применения и тенденции развития технологий

Технология инжекционно-выдувного формования, благодаря своим преимуществам высокой точности и высокой герметичности, занимает незаменимое место в сфере производства высококачественной упаковки и специальных полых изделий. С ростом спроса на рынке и развитием технологий сфера применения и производительность процесса продолжают расширяться.

Основные области применения и типичные продукты

Фармацевтическая упаковка – основной рынок для технологий литья под давлением. К медицинским флаконам предъявляются строгие требования к герметичности, чистоте и точности размеров. Флаконы для твердых пероральных лекарственных средств (например, для капсул и таблеток), изготовленные литьем под давлением, имеют высокую точность резьбы на горлышке и могут быть герметично закрыты пробками из бутилкаучука, предотвращая попадание влаги. Флаконы для глазных капель изготавливаются за один проход с использованием технологии литья под давлением с выдувом, без швов на горлышке, что предотвращает загрязнение препарата. Флаконы для вакцин и реагентов изготавливаются из медицинского полипропилена или поликарбоната, а процесс литья под давлением и выдува гарантирует отсутствие пузырьков и загрязнений в корпусе флакона, что соответствует требованиям стерильности.

В области упаковки пищевых продуктов особое внимание уделяется безопасности и свежести. Бутылки для приправ, изготовленные методом литья под давлением (например, для соусов и уксуса), изготовлены из пищевого полипропилена с надежной герметизацией горлышка, предотвращающей утечку жидкости. Бутылки для мёда и джема изготовлены из прозрачного материала с гладкими внутренними стенками, изготовленного методом литья под давлением, что облегчает переливание и очистку содержимого. Бутылочки для детского питания изготавливаются из ПЭТ или ПП, не содержащего бисфенол А, методом литья под давлением, что гарантирует отсутствие запаха и соответствие стандартам безопасности пищевых продуктов.

В сфере косметики и бытовой химии особое внимание уделяется текстуре и точности внешнего вида. Флаконы для эссенций и лосьонов, производимые методом литья под давлением и выдува, изготавливаются из прозрачного ПЭТ или акрила, а поверхность может достигать высокой гладкости, которую можно улучшить с помощью гальванопокрытия или шелкографии; Флаконы для шампуня и геля для душа изготавливаются из химически стойкого полиэтилена высокой плотности (HDPE), а резьба горлышка бутылки, полученная литьем под давлением, точно соответствует головке насоса, что предотвращает утечку; Бутылки для дорожных образцов производятся серийно с помощью многополостного литьевого и выдувного оборудования, отличаются высокой размерной однородностью и простотой упаковки и сборки.

В промышленной и химической отраслях особое внимание уделяется коррозионной стойкости и прочности. Бутылки для химических реагентов, изготовленные методом литья под давлением, изготавливаются из полиэтилена высокой плотности (HDPE) или полипропилена (PP), которые устойчивы к кислотной и щелочной коррозии, а резьбовое уплотнение горлышка бутылки обеспечивает надежность. Бутылки для смазочных масел и чернил благодаря технологии литья под давлением обладают высокой жесткостью и ударопрочностью, предотвращая повреждения при транспортировке. Небольшие резервуары для хранения жидкостей изготовлены из армированного полипропилена (PP), который выдерживает определенное внутреннее давление после литья под давлением и подходит для хранения промышленных жидкостей.

Тенденции развития технологий и направления инноваций

Интеллектуальная модернизация – важное направление развития технологий литья под давлением. Оборудование оснащено системой визуального контроля на базе искусственного интеллекта, которая позволяет выявлять дефекты продукции (такие как царапины, деформации, черные точки) в режиме реального времени с помощью высокоскоростных камер с точностью более 99,5%. Адаптивная система управления автоматически корректирует параметры процесса в зависимости от колебаний сырья и изменений окружающей среды, например, отслеживает температуру заготовки с помощью датчиков, динамически оптимизирует давление выдувного формования и сокращает ручное вмешательство. Технология промышленного интернета обеспечивает сетевое взаимодействие между устройствами, удаленный мониторинг эффективности производства, энергопотребления и уровня отходов, а также повышает точность управления.

Экологичное производство стало консенсусом в отрасли, и технология литья под давлением способствует применению переработанных материалов. Переработанные ПП и ПЭ, полученные путем физической переработки, могут использоваться для изделий, не контактирующих с пищевыми продуктами (например, промышленных бутылок), в то время как химически переработанные переработанные ПЭТ-материалы имеют свойства, аналогичные сырью, и используются в производстве косметических бутылок; Легкая конструкция снижает расход материала, обеспечивая при этом прочность за счет структурной оптимизации (такой как рифление и утончение бутылки). После того, как бутылка для воды объемом 500 мл определенного бренда стала легкой за счет технологии выдува под давлением, вес одной бутылки уменьшился на 15%, что экономит более 100 тонн сырья в год; Энергосберегающее оборудование использует технологию серводвигателя и теплового насоса, что снижает потребление энергии на 20% -30% по сравнению с традиционным оборудованием.

Точность и многофункциональная интеграция расширяют границы применения. Технология микролитья под давлением и выдува позволяет производить микроконтейнеры объёмом ≤ 10 мл (например, флаконы для духов), при этом допуск на размер контролируется в пределах ± 0,05 мм; двухцветный процесс литья под давлением и выдува позволяет создавать многоцветные или многокомпонентные композитные корпуса флаконов (например, из полипропилена и полиэтилена), улучшая внешний вид и функциональность; интегрированная технология литья под давлением и выдувного формования позволяет синхронно наклеивать этикетки на корпус флакона на этапе выдувного формования, сокращая последующие этапы обработки и повышая эффективность производства.

6. Сравнение процесса литья под давлением с другими процессами формования полых изделий

Процесс литья под давлением с раздувом имеет свои преимущества по сравнению с экструзионно-выдувным формованием, формованием с раздувом и другими процессами и подходит для различных условий. При выборе необходимо всесторонне учитывать требования к продукту, объём производства и стоимость.

Сравнение с процессом экструзионно-выдувного формования

Экструзионно-выдувное формование использует экструдер для непрерывной экструзии трубчатых заготовок, которые затем формуются и формуются выдувом. Этот метод подходит для производства крупногабаритных полых изделий (например, резервуаров объёмом 50 л и более), но точность размеров заготовок низкая, а линия формования изделий замкнутая.