Одним из наиболее эффективных методов снижения себестоимости изделия является уменьшение толщины стенки изделия, позволяющее уменьшить расход материала и цикл литья. Однако толщина стенки менее 1 мм и время цикла литья 5-10 сек накладывают особые требования к материалу, оборудованию и пресс-форме. Поэтому говорят о технологии тонкостенного литья (thinwall molding).

Можно выделить 3 типа изделий, для литья которых применяется технология тонкостенного литья. К первому типу относятся изделия из термически стабильных материалов, таких как полиэтилен, полипропилен, полистирол и др., толщиной менее 1 мм. Указанные материалы используются для изготовления упаковки, одноразовой посуды. Низкий уровень механических свойств данных материалов обычно не позволяет снизить толщину менее 0.5-0.6 мм.

Ко второму типу можно отнести технически сложные изделия толщиной менее 1 мм, отливаемые из конструкционных термопластов (АБС-пластик, полиамиды, поликарбонат, полибутилентерефталат, полиацетали и др.) и суперконструкционных материалов (полифениленсульфид, полиэфирсульфон, полиэфирэфиркетон, жидкокристаллические полимеры, полиэфиримид и др.). Данные материалы отличаются высоким уровнем механических свойств и невысокой термической стабильностью при переработке. Из этих материалов могут отливаться сверхтонкие изделия, например: электрический разъем из стеклонаполненного жидкокристаллического полимера длиной 250 мм с толщиной стенки 0.4 мм /5/, миниатюрные разъемы из жидкокристаллического полимера толщиной 0.2-0.3 мм /6/, корпуса электрических катушек из PA 66 и ПБТ толщиной 0.15 - 0.27 мм /7/. Существуют примеры литья и более тонких изделий, например толщиной 0.08 мм.

Тонкостенные изделия третьего типа - изделия толщиной более 1 мм с отношением длина потока/толщина более 100. Литье таких изделий имеет свои особенности и в данной работе не рассматривается.

Требования к литьевой машине, пресс-форме и материалу для тонкостенного литья

Требования к литьевой машине, пресс-форме и материалу изделия при тонкостенном литье обобщены в таблице:

Литьевая машина

· Высокое давление

· Высокая скорость впрыска

· Высокое усилие замыкания

· Быстроходность

· Высокий уровень системы управления

· Высокий уровень гидравлической системы

Пресс-форма

· Горячеканальная система

· Интенсивное и равномерное охлаждение

· Повышенные требования к центрированию

· Повышенная точность изготовления литниковой системы

· Увеличенное усилие выталкивания

· Увеличенные литьевые уклоны

· Хорошая вентиляция

· Надежность работы всех систем пресс-формы

· Повышенная прочность и износостойкость материалов пресс-формы

Материал изделия

· Высокая текучесть

· Стабильность

· Способность к "быстрому литью"

· Высокие механические свойства

При литье тонкостенных изделий из термически нестабильных материалов одним из наиболее критических параметров литьевой машины является скорость впрыска. При тонкостенном литье необходима очень высокая скорость впрыска т.к. материал очень быстро застывает. Литьевая машина для тонкостенного литья должна иметь гидроаккумулятор. Гидроаккумулятор увеличивает подачу масла в гидроцилиндр узла впрыска, что позволяет повысить скорость впрыска в 3 раза по сравнению с обычной машиной.

Если тонкостенное изделие отливается из термически стабильного материала, обычно можно взять машину с большим объемом - это обеспечивает повышение скорости впрыска. Для термически нестабильных материалов объем впрыска должен соответствовать объему отливки и время пребывания материала при высокой температуре должно быть минимальным.

Машина для тонкостенного литья должна обеспечивать высокое давление впрыска (1800-2500 кгс/см2 и более) и соответствующее высокое усилие замыкания. Например, для литья корпуса источника питания толщиной менее 0.5 мм из поликарбоната потребовалась машина с давлением литья, превышающем 2760 кгс/см2 .

Важнейшее условие получения качественных тонкостенных изделий - высокий уровень системы управления машины (управление с обратной связью по основным параметрам процесса, контроль процесса), надежность и стабильность работы машины. Изменение времени впрыска на 0.1 с может привести к недоливу.

Применение холодноканальных литников при тонкостенном литье неэффективно из-за большого времени охлаждения литников и значительных потерь давления расплава в литниковой системе. По этой причине для литья тонкостенных изделий используют горячеканальные литниковые системы или реже - для термически стабильных материалов - системы с незастывающими литниками, которые имеют меньшую стоимость, но менее надежны в работе.

При тонкостенном литье должна быть обеспечена высокая надежность работы всех систем пресс-формы. Особое внимание должно быть уделено центрированию формообразующих элементов. Смещение пуансона относительно матрицы на 0.01 мм может привести к резкому изменению характера течения полимера при впрыске. Высокая скорость впрыска требует хорошей вентиляции оформляющей полости.

В многогнездных формах важным фактором является точность изготовления литниковой системы. Небольшие различия в размерах литниковых каналов (особенно впускных литников) могут вызвать резкие изменения характера заполнения гнезд отливки.

При тонкостенном литье часто необходимо более высокое усилие выталкивания и увеличенные по сравнению с обычным литьем литьевые уклоны - следствие более высокого давления литья.

Высокие давление и скорость впрыска накладывают особые требования к материалам пресс-формы. При литье тонкостенных изделий рекомендуется применять более износостойкие и прочные стали, типа стали H13 (отечественный аналог 4Х5МФ1С) /1/.

Высокие требования к пресс-формам для тонкостенного литья приводят к ее удорожанию на 30-40% по сравнению с обычным литьем. Более высокая стоимость пресс-формы окупается за счет меньшего веса изделия и большей производительности процесса.

Высокая текучесть - одно из обязательных свойств материала для тонкостенного литья. Выпускаемый в настоящее время марочный ассортимент зарубежных термопластов включает достаточное количество материалов с низкой вязкостью различного применения. Необходимо учитывать, однако, что повышение текучести материала сопровождается уменьшением основных механических характеристик.

При толщинах стенки меньше 1 мм "окно переработки" становится очень узким. Это накладывает жесткие требования к стабильности характеристик материала.

Уменьшение времени цикла литья ограничено теплофизическими характеристиками материала (для кристаллизующихся материалов - скоростью кристаллизации). Некоторые марки материалов разработаны специально для тонкостенного литья. Они характеризуются как материалы с "быстрым циклом" (fast cycle, high cycle).

Тонкостенное литье требует более точного учета технологических и эксплуатационных особенностей материала при конструировании изделия. Оптимальное решение может быть найдено в компьютерном анализе.

Оптимизация толщины стенки изделия, литниковой системы и технологического режима

В таблице приведены результаты анализа впрыска для кофейной чашки из полипропилена марки Каплен 01250 в программном продукте MPI/FLOW фирмы Moldflow при различной толщине стенки. Анализ проводился при температуре расплава 220С и температуре формы 40С.

Толщина (мм)

Вес изделия (г)

Оптимальное время впрыска (с)

Общая толщина 2-х застывших слоев при окончании впрыска (мм)

Время охлаждения (с)

Потери давления: изделие + литник (кгс/см2)

Распорное усилие при впрыске (тс)

0.4

5.7

0.18

0.21

0.3

990

40

0.5

7.1

0.24

0.22

0.5

780

30

0.6

8.5

0.30

0.20

0.8

680

25

0.7

10.0

0.35

0.26

1.1

600

22

0.8

11.4

0.43

0.30

1.4

530

19

0.9

12.8

0.53

0.34

1.7

460

16

1.0

14.2

0.64

0.38

2.1

410

14