benlong 
Что такое литьё под давлением?
Оглянитесь вокруг любой комнаты, и вы увидите множество деталей, изготовленных методом литья под давлением: корпус вашего зарядного устройства для телефона, корпус вашего ноутбука, резервуар для воды кофемашины, приборная панель вашего автомобиля, тысячи кабельных стяжек и корпус каждого автоматического выключателя в вашем щите. Литье под давлением — самый распространённый производственный процесс для пластиковых деталей в мире — и всё же большинство людей не могут объяснить, что именно происходит внутри машины. Если вы инженер, закупщик пластиковых деталей или просто интересуетесь, как изготавливаются пластиковые изделия вокруг вас, понимание литья под давлением является основой современного производства.
Это техническое руководство подробно рассматривает литье под давлением: что это такое, принципы и физику процесса, полный цикл, материалы, правила проектирования, типы машин, дефекты и способы их устранения, отделку поверхности и контроль качества.
Литье под давлением можно определить как процесс производства пластиковых деталей путём плавления полимерных гранул и впрыска расплава в герметичную металлическую форму с последующим охлаждением и затвердеванием для формирования нужной формы. Весь процесс можно разделить на пять основных этапов: зажим, впрыск, удержание или упаковка, охлаждение и извлечение. К преимуществам процесса литья под давлением относятся высокая скорость производства и низкая себестоимость, а к недостаткам — высокие затраты на оснастку и длительные сроки производства при изготовлении менее 1000 изделий.
Что такое литье под давлением простыми словами?
Проще говоря, литье под давлением — это точная машина для изготовления деталей, которая использует нагретое под давлением вещество вместо режущего инструмента. Пластиковые гранулы плавятся до вязкой жидкости и впрыскиваются под высоким давлением в полую стальную форму. Когда пластик охлаждается и затвердевает, машина открывается, извлекает готовую деталь и начинает процесс заново, повторяя его множество раз за короткий промежуток времени.
Этот процесс обычно используется для массового производства пластиковых деталей, так как он быстрый, воспроизводимый и позволяет создавать сложные формы с низкой себестоимостью за единицу без ограничений по производству.
Принцип: как это работает
Физический принцип прост. Полимеры размягчаются при нагревании и затвердевают при охлаждении. Литье под давлением состоит из трёх важных частей.
- Плавление: пластиковые гранулы нагреваются выше температуры плавления или температуры стеклования и приобретают свойства жидкости.
- Поток и давление: расплав под высоким давлением (70-180 МПа) впрыскивается в закрытую полость и заполняет все мельчайшие детали формы.
- Затвердевание: расплав охлаждается внутри формы и принимает форму полости.
Форма, вероятно, самая важная часть машины: она изготовлена из стали (или алюминия) и имеет отрицательный рельеф детали. Всё, что касается детали — отделка поверхности, уклон и геометрия — определяется формой.
Процесс литья под давлением: 5+1 этапов
Производственный цикл непрерывно повторяется и включает всего 5 этапов, а также процесс пластикации:
| # | Этап | Что происходит | Типичное время |
|---|---|---|---|
| 0 | Пластикация (параллельно) | Винт вращается, плавит и смешивает смолу; расплав накапливается на конце винта | Перекрывает другие этапы |
| 1 | Зажим | Половины формы закрываются и зажимаются с усилием в тоннах (чтобы противостоять давлению впрыска) | 1–5 с |
| 2 | Впрыск | Винт движется вперед, впрыскивая расплав в полость под высоким давлением/скоростью | 0,5–5 с |
| 3 | Упаковка / удержание | Давление поддерживается для уплотнения материала, компенсируя усадку | 2–20 с |
| 4 | Охлаждение | Деталь затвердевает в термоконтролируемой форме; обычно самый длительный этап | 5–60 с |
| 5 | Извлечение | Форма открывается; выталкивающие штифты выталкивают деталь; цикл начинается заново | 1–3 с |
Время цикла для разных деталей: 15-120 секунд; мелкие, тонкостенные детали (например, кабельные стяжки) могут иметь время цикла 2-10 секунд; в то время как крупные детали, такие как автомобильные бамперы, могут занимать минуты.
Машина для литья под давлением и её части
Основные компоненты машины для литья под давлением:
- Секция впрыска (впрыск и нагрев пластика): загрузчик (подача материала), нагретый цилиндр с вращающимся винтом (плавление, смешивание и впрыск), и сопло (подаёт материал в форму).
- Секция зажима — это неподвижная и подвижная плиты, содержащие форму, зажимной инструмент (гидравлический или электрический) и систему выталкивания.
Основные характеристики машины: усилие зажима – тоннаж – от 30 до более 4000 тонн в зависимости от размера изделия; объём впрыска – объём расплавленного материала за цикл; диаметр винта – соотношение длины и диаметра – влияет на качество получаемого расплава. Дополнительное оборудование: устройства контроля температуры, сушилки (для гигроскопичных смол, таких как нейлон), транспортные устройства и роботы.
Материалы: что можно лить под давлением
Литьё под давлением можно применять практически для всех типов термопластов. Вот наиболее распространённые смолы и их применения:
| Материал | Ключевые свойства | Типичные применения |
|---|---|---|
| ПП (полипропилен) | Дешёвый, прочный, химически стойкий, устойчивая к усталости (живые петли) | Контейнеры, крышки, кабельные стяжки, интерьер автомобилей |
| ПЭ (полиэтилен) | Дешёвый, гибкий, хорошая химическая стойкость | Корпуса, бутылки, крышки, игрушки |
| АБС | Прочный, хорошая отделка поверхности, пригоден для покраски | Корпуса электроники, бытовая техника, отделка автомобилей |
| ПС (полистирол) | Жёсткий, дешёвый, прозрачный (GPPS) | Одноразовые изделия, корпуса, оптические детали |
| ПА (нейлон 6/66) | Прочный, износостойкий, термостойкий; впитывает влагу | Шестерни, подшипники, кабельные стяжки, автомобильные детали |
| ПК (поликарбонат) | Ударопрочный, прозрачный, термостойкий | Линзы, защитное снаряжение, корпуса электроники |
| ПОМ (ацеталь) | Низкое трение, высокая жёсткость, размерная стабильность | Шестерни, втулки, прецизионные детали |
| ПММА (акрил) | Прозрачный, устойчивый к царапинам | Линзы, дисплеи, световоды |
| PBT / PET | Жёсткий, химически стойкий, хорошие электрические свойства | Разъёмы, автомобильная электроника |
| ПБТ / ПЭТ | Эластомерный, гибкий | Мягкие рукоятки, уплотнители, овермолды |
Инженерные термопласты (включая ПА, ПК, ПOM и PBT), армированные стекловолокном типы (например, PA66-GF30), огнестойкие типы (UL 94V-0) и биоосновные пластиковые смолы. Для более глубокого изучения одного из самых популярных материалов, наш руководство по литью под давлением ПНД охватывает полный набор параметров, специфичных для материала.
Правила проектирования: что делает деталь литья хорошей
Правильное производство компонентов методом литья под давлением требует соблюдения принятых рекомендаций по проектированию для производства (DFM):
- Однородность толщины стенки: толщина стенки должна быть максимально однородной (обычно 1-4 мм), чтобы исключить появление усадочных вмятин, деформаций и неравномерного охлаждения.
- Угол наклона: все вертикальные поверхности должны иметь минимальный угол наклона 1-2 градуса (больше для текстур).
- Скругление кромок: радиус внутренних и внешних углов должен быть прямоугольным (не менее 25-50% толщины стенки).
- Допуск на усадку: полость должна быть увеличена с учётом усадки (0,3-2,5% усадки для обычных пластиков; 3,5% для HDPE).
- Рёбра и выступы: рёбра следует использовать для усиления стенок (толщина у основания 50-60%), а выступ должен быть спроектирован для надлежащей поддержки вставки/винта.
- Расположение впускных каналов и линий сварки: впускные каналы должны располагаться для обеспечения равномерного заполнения, а линии сварки — в зонах с низкими напряжениями. Избегайте подрезов.
- Конструкция выброса: расположение выбрасывающих штифтов должно быть назначено на невидимых частях изделия.
Виды литья под давлением и машины
- Наиболее распространённое применение термопластичного литья под давлением — использование плавящихся смол.
- Литьё термореактивных пластмасс, применяемое с термореактивными пластиками, приводит к материалам, которые нельзя повторно расплавить или изменить форму.
- Вставное литьё — техника, при которой формуемый пластик используется для окружения заранее вставленной металлической вставки, основное применение которой — производство электрических деталей.
- Многокомпонентное литьё, также называемое двухкомпонентным или многоматериальным литьём, происходит, когда другой материал (например, мягкий термопластичный эластомер) используется для покрытия первого отлитого изделия.
- Газонаполненное литьё включает использование газов и/или воды для создания полостей в толстой части изделия.
- Литьё тонкостенных изделий подразумевает изготовление стенок толщиной не более 1 мм для ускорения процесса, обычно применяется в упаковке лекарств или электронике.
- Микролитьё специализируется на производстве очень мелких деталей, используемых в электронике и медицине.
Что касается машин, первый тип — гидравлический (широко используемый и недорогой), второй тип — электрический (с серводвигателями; энергоэффективный), и последний тип — гибридный (сочетающий гидромеханический подход с электрическими средствами). Компании, занимающиеся производством оборудования, включают таких гигантов, как Haitian (крупнейший по объёмам производства), Engel, Arburg, KraussMaffei и Sumitomo-Demag.
Распространённые дефекты и способы их устранения
| Дефект | Причина | Исправление |
|---|---|---|
| Недолив (неполное заполнение) | Низкое давление/скорость впрыска, холодный материал, заблокированный впуск | Повысить давление/температуру; увеличить скорость впрыска; проверить впуск |
| Заброс (избыточный пластик на линии раздела) | Сила зажима слишком мала, изношенная форма, высокое давление впрыска | Увеличить усилие зажима; отремонтировать форму; снизить давление |
| Вмятины (вмятины на толстых участках) | Недостаточная упаковка, толстые стенки | Увеличить время/давление упаковки; уменьшить толщину стенки; переместить впуск |
| Линии сварки (видимые швы там, где встречаются фронты потока) | Встречающиеся фронты расплава вокруг вставок/отверстий | Повышение температуры расплава/формы; увеличение скорости; перемещение впускного канала |
| Деформация / искривление | Неравномерное охлаждение, различия усадки | Балансировка охлаждения; равномерные стенки; регулировка зон температуры формы |
| Следы ожогов (коричневые/черные пятна) | Затрудненный выход воздуха, слишком высокая температура расплава (“дизельный эффект”) | Добавить вентиляционные отверстия; снизить скорость впрыска; понизить температуру расплава |
| Линии течения / полосы | Вариации потока материала, влага в смоле | Высушить смолу; увеличить температуру; увеличить скорость |
| Полосы / серебристые прожилки | Влага, загрязнения или разложение добавок | Правильная сушка материала; промывка цилиндра; проверка на загрязнения |
| Струйное впрыскивание (змееобразные линии) | Слишком быстрый впрыск расплава через маленький впускной канал | Замедлить начальный впрыск; увеличить размер впускного канала; изменить расположение впускного канала |
| Следы от выбрасывателей / прилипание детали | Недостаточный уклон, избыточное уплотнение, поверхность формы | Увеличить уклон; уменьшить уплотнение; отполировать полость; добавить выбрасыватели |
Золотое правило устранения неполадок: изменяйте одну переменную за раз и дайте 10–15 циклам стабилизироваться перед оценкой — одновременное изменение нескольких параметров усугубляет проблемы.
Отделка поверхности и последующая обработка
- Отделка после формовки зависит как от поверхностных характеристик используемой формы, так и от классов отделки SPI/VDI, варьирующихся от зеркальной отделки (A) до грубой текстурированной отделки (D) с добавлением текстурного травления.
- Косметическая постобработка: включает покраску, тампопечать, лазерную маркировку, термопечать, гальваническое покрытие и ультразвуковую сварку.
- Вторичная механическая обработка включает ЧПУ-резку впускных каналов/выпускников, сверление и нарезание резьбы для специальных элементов.
- Обработка поверхности включает твердые покрытия (например, для PC-линз), антицарапинные и УФ-прозрачные покрытия, а также пламенную обработку для улучшения адгезии краски.
Контроль и обеспечение качества
Качество формованных деталей контролируется на различных уровнях:
- Проверка первого образца (FAI): проверка формы и визуальной точности первых произведенных изделий.
- Проверки в процессе: регулярные проверки размеров, веса и внешнего вида формованных деталей.
- Статистический контроль процесса (SPC): постоянный мониторинг параметров веса и размеров.
- Сертификация материала: получение информации об анализе смолы, проверка влажности перед производством формованных деталей.
- Стандарты: ISO 9001 и продукт-специфические стандарты; для электрических деталей применимы стандарты IEC и UL.
На автоматизированных линиях системы визуального контроля и автоматические проверки веса/размеров могут тестировать 100% деталей — та же философия качества, которая управляет автоматизированным и ручным тестированием на последующих этапах сборки.
Затраты: оснастка, цена детали и когда это оправдано
| Статья затрат | Типичный диапазон | Примечания |
|---|---|---|
| Форма (оснастка), простая | 1 000–10 000 | Алюминий / однокамерная, малые объемы |
| Форма, производственная сталь | 10 000–50 000 | Сталь, многокамерная, точные допуски |
| Форма, сложная / крупная | 50 000–150 000+ | Многокамерная, слайдеры, сложная геометрия |
| Срок изготовления формы | 4–16 недель | Зависит от сложности |
| Цена детали (за штуку) | 0,01–5+ | Материал + время цикла + накладные расходы; снижается с увеличением объема |
| Экономический минимальный объем | ~500–1 000 штук | Ниже этого объема 3D-печать/ЧПУ может быть дешевле |
Литьё под давлением является экономически эффективным, когда объём производства достаточно велик, чтобы покрыть затраты на оснастку. Объём, при котором происходит переход от 3D-печати к литью под давлением, варьируется от сотен до тысяч деталей, в зависимости от размера детали и используемого материала.
Часто задаваемые вопросы
Что такое литьё под давлением простыми словами?
Литьё под давлением — это производственная технология, которая создаёт пластиковые изделия путём расплавления пластиковых гранул в жидкое состояние, заливки этой жидкости в металлическую форму, имеющую форму желаемой детали, её затвердевания и последующего извлечения отлитой детали. Можно представить литьё под давлением как очень высоконапорный способ вырезания печенья, где форма — это вырезатель, а тепло и давление отвечают за вырезание. Это типичный способ производства пластиковых элементов благодаря своей скорости, надёжности и экономической эффективности с точки зрения выпускаемых деталей.
Какая компания является крупнейшей в мире по литью под давлением?
Существуют разные интерпретации термина “крупнейшая”. Jabil обычно называют крупнейшим производителем изделий методом литья под давлением по выручке (их пластиковое подразделение располагает большим количеством машин по всему миру и производит продукцию для электроники, автомобильной и медицинской отраслей). Что касается производства машин для литья под давлением, Haitian International (Китай) является мировым лидером по количеству отгруженных машин. Крупными кастомными производителями также являются такие компании, как Flex, Nypro/Jabil, HTI Plastics и Berry Global. Поэтому можно спорить о том, какое предприятие считать крупнейшим по количеству машин и по выручке, поскольку в обоих случаях Jabil/Flex и Haitian занимают лидирующие позиции соответственно.
Каков недостаток литья под давлением?
Основным недостатком является то, что производственные формы требуют больших временных и денежных затрат — стоимость варьируется от 1 000 до более 150 000 долларов, а процесс изготовления самой формы занимает от четырёх до шестнадцати недель. Это делает литьё под давлением экономически нецелесообразным для малых объёмов (500–1 000 штук) и непродуктивным с точки зрения модификаций (изменение формы может быть дорогостоящим). Другие недостатки: ограниченный размер детали; неблагоприятные геометрические формы (геометрические особенности детали, которые невозможно изготовить обычными методами производства); ограниченное удаление отходов материала; большое количество промывок при смене цвета или материала; и высокие затраты на процесс из-за необходимости использования специальной формы для производства.
Каковы 5 этапов литья под давлением?
Цикл литья под давлением состоит из пяти основных этапов: (1) зажим – две части формы соединяются и фиксируются; (2) впрыск – пластик вводится в жидком виде в форму; (3) удержание/упаковка – форма поддерживает пластик под давлением, чтобы он мог затвердеть и усадиться; (4) охлаждение – готовое изделие охлаждается, и форма (которая обычно находится на этом этапе в самой длительной фазе процесса) удерживается; (5) извлечение – форма открывается, и деталь вынимается из формы с помощью выталкивающих штифтов. В течение времени цикла также происходит процесс пластификации (плавление смолы).
Ссылки
- ASTM — стандарты испытаний пластиковых материалов (D638 на растяжение, D790 на изгиб и др.)
- ISO — стандарты для пластика и литья (ISO 1133 определение текучести расплава, ISO 294 литье)
- ENGEL — технологии литья под давлением и документация по процессу
- Arburg — ресурсы по машинам для литья под давлением и процессам
- KraussMaffei — технологии процесса литья под давлением
- Protolabs — рекомендации по проектированию литья под давлением и данные по материалам
Заключение
Литье под давлением — самый значимый процесс производства пластмасс, который происходит через повторяющиеся циклы зажима, впрыска, упаковки, охлаждения и извлечения веществ, и позволяет получать однородные и сложные изделия массового производства с низкой стоимостью за единицу продукции. Процесс опирается на хорошо спроектированные инструменты (формы) и характеризуется параметрами, специфичными для определенного материала (температура, давление), а также определенными особенностями, касающимися дизайна формуемой детали (конструкция стенок, уклоны, радиусы и усадка).
В этом случае экономический аспект прост: значительные затраты на формы и длительный период их изготовления, но более низкая цена за единицу изделия. Позже будет легко выявлять дефекты и изменять только одну переменную за раз.
