Что такое литье пластмасс под давлением и как оно работает?

При литье под давлением пластиковые гранулы нагревают до расплавления, затем машина впрыскивает расплав в пресс-форму, где он охлаждается и превращается в пластиковое изделие. Это хороший способ производства, потому что он быстрый, точный и позволяет выпускать самые разные изделия — автомобильные детали, чехлы телефонов и пищевые контейнеры.

Ⅰ.Понять литье под давлением

1.1 Определение литья пластмасс под давлением

Литьё под давлением, также известное как инжекционное формование, — это метод, сочетающий впрыск и формование. Его преимущества — высокая скорость и эффективность производства, возможность автоматизации, множество вариантов дизайна и цвета, формы от простых до сложных и размеры от крупных до мелких. Изделия имеют точные размеры, легко заменяются и могут иметь сложную форму. Литьё под давлением подходит для массового производства, изделий сложной формы и других областей формования.

1.2 Исторические предпосылки и процесс эволюции

В 1868 году Хайатт разработал пластмассу, которую назвал целлулоидом. Целлулоид был изобретен в 1851 году Александром Парксом. Хайатт усовершенствовал его, сделав пригодным для переработки в готовые изделия. В 1872 году Хайатт и его брат Айзая зарегистрировали патент на первую плунжерную литьевую машину. По сравнению с машинами XX века она была относительно простой. По принципу действия она напоминала гигантский шприц. Эта гигантская игла (диффузионный цилиндр) впрыскивала пластик в форму через нагретый цилиндр. В 1940-х годах Вторая мировая война создала огромный спрос на дешевую продукцию массового производства. В 1946 году американский изобретатель Джеймс Уотсон Хендри создал первую машину для литья под давлением, которая позволяла точнее контролировать скорость впрыска и качество выпускаемых изделий. Эта машина также обеспечивала смешивание материала перед впрыском, благодаря чему окрашенный или вторичный пластик можно было тщательно смешивать с первичным сырьем. В 1951 году в США была разработана первая шнековая литьевая машина. Заявка на патент не подавалась, и это устройство используется до сих пор.

В 1970-х годах Хендри разработал первый процесс литья под давлением с использованием газа, что позволило производить сложные полые изделия, которые быстро охлаждались. Это значительно повысило гибкость конструкции, а также прочность и конечные точки изготавливаемых деталей, сократив при этом время производства, стоимость, вес и количество отходов.

Ⅱ Процесс литья пластмасс под давлением

2.1 Конструкция пресс-формы

Пресс-форма для литья под давлением в основном состоит из формовочных деталей (частей, образующих полость в подвижных и неподвижных частях пресс-формы), литниковой системы (канала, по которому расплавленный пластик поступает в полость пресс-формы из сопла литьевой машины), направляющих деталей (когда пресс-форма закрыта, она может быть точно выровнена), механизма выталкивания (устройства, выталкивающего пластик из полости после отделения пресс-формы), система регулировки температуры (для соответствия температурным требованиям формы в процессе впрыска), вытяжная система (для удаления воздуха из полости во время формования и вывода летучих газов самого пластика из формы, часто с вытяжными канавками на поверхности разъема) и опорные части (компоненты, используемые для установки, фиксации или поддержки формованных деталей и других механизмов), иногда с боковым разъемом и механизмом вытягивания стержня.

2.1.1 Этапы проектирования литьевой формы

**1. Подготовительные работы перед проектированием **(1) Техническое задание. (2) Изучите пластмассовые детали, включая их форму, назначение и материалы, из которых они изготовлены. (3) Проверьте способ изготовления пластмассовых деталей. (4) Уточните модель и типоразмер термопластавтомата.

**2. Разработайте технологическую карту литья **(1) Изучите изделие: чертёж, массу, толщину, площадь, размеры и наличие специальных элементов или деталей. (2) Изучите используемый пластик: наименование, марку, производителя, цвет и необходимость сушки. (3) Изучите основные технические характеристики термопластавтомата: размеры машины и пресс-формы, тип шнека и мощность. (4) Уточните применяемые термопластавтоматом давление и ход. (5) Определите условия литья под давлением: температуру, давление, скорость и усилие смыкания.

3. Этапы проектирования конструкции пресс-формы (1) Определите необходимое число гнезд с учетом объема впрыска, доступного усилия смыкания, требуемой точности изделия и бюджета. (2) Выберите поверхность разъема. Форма должна быть простой, легко разбираться и не ухудшать внешний вид или работу детали. (3) Определите расположение гнезд, по возможности обеспечив баланс. (4) Спроектируйте подачу пластика: центральный канал, разводящие каналы, литники и колодец холодного остатка. (5) Выберите способ извлечения детали. Для разных элементов формы применяются разные механизмы.

(6) Спроектируйте регулирование температуры с учетом используемого пластика. (7) Определите обработку и установку матрицы или пуансона во вставной конструкции; разделите вставки на секции и устанавливайте их согласованно. (8) Спроектируйте удаление воздуха. Обычно используют поверхность разъема и зазоры механизма выталкивания, но для крупных и скоростных форм нужны специальные вентиляционные решения. (9) Рассчитайте размеры формы. По формулам определите размеры формуемых деталей, затем толщину боковых стенок и дна полости, опорной плиты пуансона, подвижной плиты, плиты модульной полости и общую высоту формы.

(10) Выберите стандартный пакет формы и стандартные детали по рассчитанным основным размерам. (11) Выполните полный эскиз конструкции и схему формы. (12) Проверьте совместимость с термопластавтоматом: максимальный объем и давление впрыска, усилие смыкания, монтажные размеры формы, ход раскрытия и механизм выталкивания. (13) Проведите предварительный анализ конструкции, получите согласие заказчика и уточните его требования. (14) Подготовьте сборочный чертеж формы, ясно указав сопряжения, размеры, номера деталей, спецификации, основные надписи и технические требования к изготовлению, сборке, эксплуатации, защите от коррозии, маркировке, гравировке, консервации маслом, хранению, испытаниям и контролю.

(15) Подготовьте чертежи деталей формы. Разберите форму и выполняйте чертежи в следующем порядке: от внутренних деталей к наружным, от сложных к простым, от формообразующих к крепежным. (16) Проверьте проектные чертежи. На завершающем этапе проектирования формы еще раз просмотрите их, уделяя внимание технологичности изготовления деталей.

2.2 Выбор материала

2.2.1 Типы пластиковых материалов, обычно используемых для литья под давлением

**1. Полипропилен (PP) **Полипропилен — распространенный пластик, широко применяемый в литье под давлением. Он легкий, устойчив к кислотам и щелочам и имеет низкую плотность. Он также отличается высокой износостойкостью и ударной прочностью. Поскольку температура плавления полипропилена относительно низкая, при литье под давлением необходимо контролировать температуру расплава и давление впрыска во избежание дефектов.

**2. Полиамид (PA) **Полиамид — высокоэффективный пластик с высокой прочностью, вязкостью и износостойкостью. Поэтому он широко применяется в автомобильной, аэрокосмической, электронной и других отраслях. Полиамид необходимо впрыскивать при более высокой температуре расплава, поэтому важно контролировать температуру и время впрыска, чтобы избежать подгорания материала и других проблем.

**3. Полиуретан (PU) **Полиуретан — превосходный пластик с высокой износостойкостью, маслостойкостью, стойкостью к UV-излучению и другими полезными свойствами, поэтому его широко применяют в промышленности, строительстве и других областях. При литье полиуретана под давлением требуется более высокая температура впрыска, а давление и продолжительность впрыска необходимо контролировать, чтобы избежать проблем с отделением материала от пресс-формы. Помимо полипропилена, полиамида и полиуретана, для литья под давлением применяют множество других пластмасс, например полиэтилен (PE), поликарбонат (PC) и т. д. При литье под давлением каждый пластик требует учёта своих особенностей и корректировки параметров в зависимости от конкретных условий.

2.2.2 Факторы, влияющие на выбор материала

Физические свойства. Физические свойства материала — прочность, твердость, ударная вязкость, коррозионная стойкость и другие — определяют его поведение в эксплуатации. Например, для детали, которая должна выдерживать нагрев, удар или высокую нагрузку, нужно выбрать материал с подходящими физическими характеристиками.

Химические свойства. Химические свойства материала — склонность к коррозии, устойчивость к кислотам и щелочам и другие — также важны, особенно если деталь будет находиться в среде, где возможна реакция с химическими веществами.

Стоимость производства. Важна и стоимость изготовления, включая цену исходного материала и сложность его переработки.

Экологичность. При стремлении к устойчивому развитию и защите планеты важно выбирать безопасные для окружающей среды материалы.

2.3 Зажим пресс-формы

Смыкание пресс-формы — первый этап процесса литья под давлением. Пресс-форма литьевой машины открывается и закрывается системой смыкания. При закрытии она обеспечивает надёжное усилие смыкания, позволяющее пресс-форме выдерживать огромное раскрывающее усилие, которое возникает при впрыске расплавленного пластика под высоким давлением и заполнении полости в процессе литья под давлением.

2.4 Литье под давлением (впрыск/заливка)

Процесс впрыска обычно состоит из трех этапов: подача, пластификация и впрыск. При определенной температуре полностью расплавленный пластиковый материал перемешивается шнеком и впрыскивается в полость пресс-формы под высоким давлением. (Примечание: контроль температуры и давления).

2.4.1 Контроль температуры

1. Температура цилиндра При литье под давлением контролируют температуру цилиндра, сопла и формы. Первые две главным образом влияют на пластификацию и течение пластика, а температура формы — на его течение и охлаждение. У каждого пластика своя температура течения. Даже для одного пластика она и температура разложения различаются в зависимости от производителя или марки из-за разной средней молекулярной массы и ее распределения. В разных типах литьевых машин пластики имеют разные температуры течения и разложения, различается и процесс пластификации, поэтому требуется разная температура цилиндра.

**2. Температура сопла **Температура сопла обычно немного ниже максимальной температуры цилиндра. Это предотвращает «подтекание», которое может возникать при использовании прямоточного сопла. Температура сопла не должна быть слишком низкой, иначе расплав слишком рано затвердеет и закупорит сопло либо затвердевший материал будет впрыснут в полость пресс-формы и испортит изделие.

**3. Температура пресс-формы **Температура пресс-формы существенно влияет на внутренние эксплуатационные характеристики и внешний вид изделия. Температура пресс-формы зависит от степени кристалличности пластмассы, размеров и конструкции изделия, требований к характеристикам и других параметров процесса (температуры расплава, скорости и давления впрыска, цикла литья и т. д.).

2.4.2 Контроль давления

Давление в процессе литья под давлением включает в себя давление пластификации и давление впрыска, и оно напрямую влияет на пластификацию пластика и качество изделия.

**1. Давление пластификации (противодавление): **В шнековой литьевой машине давление на расплав перед шнеком при его вращении и отходе назад называют давлением пластификации или противодавлением. Его регулируют предохранительным клапаном гидросистемы. При впрыске величина противодавления не меняется со скоростью шнека. Повышение давления увеличивает температуру расплава, но снижает скорость пластификации; оно также выравнивает температуру, улучшает смешивание красителя и удаление газа. Обычно выбирают минимальное давление, обеспечивающее требуемое качество изделия. Значение зависит от пластика и редко превышает 20kg/cm².

**2. Давление впрыска **В современном производстве давление впрыска практически всех литьевых машин определяется давлением, которое плунжер или торец шнека оказывает на пластик, с пересчётом из давления в гидролинии. Давление впрыска при литье под давлением преодолевает сопротивление течению пластика от цилиндра до полости, обеспечивает скорость заполнения расплавом и уплотняет его.

Давление впрыска делится на давление впрыска и давление выдержки, обычно от 1 до 4 ступеней давления впрыска и от 1 до 3 ступеней давления выдержки. Как правило, давление выдержки меньше, чем давление впрыска, и должно регулироваться в зависимости от фактического используемого пластикового материала для достижения наилучшего результата, физических свойств, внешнего вида и требований к размеру.

2.5 Охлаждение и затвердевание

Когда речь идет о литье под давлением, охлаждение при впрыске является одним из важнейших факторов, определяющих качество литья и эффективность производства. Принцип охлаждения при литье под давлением в основном основан на воздействии охлаждающей среды на пластиковые детали. В системе охлаждения литья под давлением обычно используется текучая среда, такая как вода или масло. Когда охлаждающая среда течет по каналу охлаждающей воды литьевой формы, она забирает тепло в форме путем теплопередачи, чтобы быстро охладить пластиковую деталь. Система охлаждения для литья под давлением может также использовать различные методы охлаждения, такие как горизонтальный нагрев и косой нагрев, в зависимости от конкретной формы и материала пресс-формы, чтобы достичь наилучшего эффекта охлаждения.

2.5.1 Процесс охлаждения и его важность

1. Снижение температуры пластиковых деталей При литье горячий пластик впрыскивают в форму, где разные участки нагреваются и охлаждаются неодинаково. Без охлаждения появляются горячие зоны и температурная неравномерность, вызывающие усадку и коробление. Быстрое охлаждение формы доводит горячие зоны до нужной температуры, выравнивает охлаждение и уменьшает внутренние напряжения детали, благодаря чему снижается риск деформации.

2. Ускорение охлаждения По мере течения пластика в форме тепло постепенно рассеивается вдоль потока, поэтому разные участки охлаждаются и затвердевают неодновременно. Система охлаждения формы своевременно отводит тепло, выравнивает распределение температуры и ускоряет охлаждение. Это позволяет быстрее сформировать деталь, сократить цикл раскрытия формы и повысить производительность.

3. Предотвращение деформации Неравномерное охлаждение литой детали создает внутренние напряжения, способные вызвать деформацию или даже разрушение. Система охлаждения выравнивает внутреннюю температуру и уменьшает напряжения, предотвращая деформацию и повышая стабильность и надежность изделия.

2.5.2 Влияние скорости охлаждения на конечный продукт

Охлаждение при литье под давлением — метод контроля точности размеров формованных деталей. В ходе литья расплавленный пластик после впрыска в пресс-форму быстро охлаждается и затвердевает. Охлаждение критически важно для стабильности размеров деталей. Правильно спроектированная система охлаждения обеспечивает равномерную усадку деталей, благодаря чему точность размеров готового изделия соответствует требованиям. Охлаждение при литье под давлением существенно влияет на характеристики и качество формованных деталей.

Характеристики литьевых деталей часто тесно связаны с такими факторами, как структура кристаллизации и ориентация молекулярной цепи, а эти факторы связаны со скоростью охлаждения литьевых деталей. Регулируя скорость охлаждения литьевых деталей, можно регулировать степень кристаллизации и ориентацию молекулярной цепи литьевых деталей, тем самым улучшая их механические свойства, термостойкость, химическую стойкость и т.д., снижая внутреннее напряжение литьевых деталей и улучшая их общие эксплуатационные характеристики и качество.

2.6 Выталкивание формованных деталей

Принцип работы термопластавтомата заключается в выталкивании литых изделий из пресс-формы с помощью механической силы или давления воздуха для дальнейшей обработки. Как правило, для выталкивания изделия используется механический механизм, приводящий в движение выталкивающую плиту посредством стальных шариков, пружин или цилиндров.

2.6.1 Общие проблемы и их решения

**1. Усилие выталкивания слишком мало или слишком велико **Если усилие выталкивания слишком мало, изделие не выйдет из пресс-формы. Если оно слишком велико, изделие может получить повреждения или деформироваться. В этом случае необходимо отрегулировать усилие выталкивания, давление воздуха или механизм выталкивания.

**2. Прилипание изделия к пресс-форме **Если изделие прилипает к пресс-форме, причиной может быть недостаточное охлаждение формы или слишком короткое время выталкивания. Необходимо увеличить время выталкивания или улучшить охлаждение.

**3. Неполное извлечение изделия **Если извлекается только часть изделия, необходимо увеличить усилие выталкивания и проверить исправность механической конструкции или цилиндра выталкивания.

Ⅲ.Применение литья под давлением

Литье под давлением - это распространенный метод обработки пластмасс, который широко используется в различных областях. Он позволяет получать пластиковые изделия путем впрыска расплавленного пластика в форму, а затем охлаждения и затвердевания до нужной формы. Преимуществами литья под давлением являются высокая скорость формовки, высокая эффективность производства и высокая точность изделий. Поэтому оно широко используется в автомобилях, электронике, бытовой технике, медицинском оборудовании и других областях.

1. Автомобильная промышленность Литьем под давлением производят пластиковые детали сложной формы: приборные панели, дверные панели и центральные консоли. Процесс отвечает требованиям автопрома к качеству, внешнему виду и характеристикам деталей при меньшей себестоимости, поэтому востребован автопроизводителями.

2. Электронная промышленность По мере развития электроники растут требования к корпусам. Литье под давлением позволяет производить тонкие высокоточные корпуса для телефонов, компьютерных клавиатур и другой электроники. Оно отвечает требованиям к внешнему виду, точности и эффективности производства и способствует дальнейшему совершенствованию электронных изделий.

**3. Отрасль бытовой техники **Бытовая техника обычно должна быть долговечной и привлекательной, и литьё под давлением обеспечивает оба свойства. Оно позволяет изготавливать изделия сложной формы и конструкции, например корпуса стиральных машин и ручки холодильников. Литьё под давлением обеспечивает качество и функциональность бытовой техники и повышает её конкурентоспособность.

**4. Производство медицинских изделий **Медицинские изделия должны быть безопасными и чистыми, и литье под давлением позволяет обеспечить эти требования. Этим методом можно выпускать продукцию, соответствующую стандартам медицинских изделий, включая шприцы, системы для внутривенного введения и другие изделия. Литье под давлением обеспечивает качество и работоспособность медицинских изделий, помогая сохранять здоровье пациентов.

Ⅳ. Преимущества и недостатки литья пластмасс под давлением

4.1 Преимущества

**1. Высокая эффективность производства **Процесс литья под давлением допускает высокую степень автоматизации, снижая зависимость от ручного труда и повышая эффективность производства.

**2. Высокая точность и хорошая повторяемость **Точное управление такими параметрами литья под давлением, как температура, давление и скорость, обеспечивает высокую точность размеров и хорошую повторяемость изделий, что делает процесс пригодным для массового производства.

**3. Широкая применимость **Литье под давлением подходит для переработки различных материалов, включая термопласты, реактопласты, резину и другие, и позволяет удовлетворять разнообразные требования к продукции.

**4. Энергосбережение и защита окружающей среды **Оборудование для литья под давлением обычно работает от электроэнергии, поэтому оно экономичнее и экологичнее традиционных машин, а отходы материала можно перерабатывать.

**5. Преимущество по стоимости **Литье под давлением подходит для массового производства и позволяет снизить себестоимость одного изделия.

4.2 Недостатки

**1. Высокая стоимость пресс-форм **Для литья под давлением требуются точные пресс-формы, поэтому первоначальные затраты выше.

**2. Длительный производственный цикл **При литье под давлением требуется время на охлаждение и формообразование, поэтому цикл получается длительным. Это снижает эффективность и увеличивает продолжительность процесса.

**3. Высокие технические требования **Литье под давлением требует квалифицированных операторов и технических знаний. Его также сложно обслуживать и налаживать.

4. Ограничения области применения Литье под давлением не подходит для некоторых сложных или очень крупных изделий и лучше применимо к небольшим деталям.

Заключение

Мировой рынок литья пластмасс под давлением будет расти: ожидается увеличение с 4,56 миллиона тонн в 2023 году до 5,95 миллиона тонн в 2028 году. Основными факторами роста рынка литья под давлением являются расширение его применения в автомобилестроении и упаковке, а также увеличение потребительского спроса и продаж электроники. Однако высокие затраты на вход и альтернативные технологии, такие как 3D-печать, сдерживают темпы роста рынка.

Но движение в сторону создания более легких и электрических автомобилей, а также новые сферы применения в здравоохранении могут принести больше положительных моментов для роста рынка литья пластмасс под давлением. Литье пластмасс под давлением предлагает целый ряд решений, от упаковки сыпучих материалов до форм для изготовления тонкостенных контейнеров и бутылок. Эти решения широко используются в различных отраслях конечного потребления для упаковки. Помимо того, что литье предлагает универсальное упаковочное решение, оно также снижает потребление пластика и оказывается идеальным как с экономической, так и с экологической точки зрения.

Получите конкурентную цену, рекомендации DFM и график производства от инженерной команды ZetarMold.

Запросить бесплатное предложение → Ознакомьтесь с нашим Полным руководством по литью под давлением, чтобы получить исчерпывающий обзор.