Активное повышение точности литья под давлением

Активно переключаемый обратный клапан activeLock перед впрыском перекрывает каналы для прохода расплава за счет небольшого, но строго определенного поворота в направлении, противоположном направлению вращения шнека при пластикации и наборе дозы впрыска, и обеспечивает тем самым создание минимальной и остающейся постоянной по объему от цикла к циклу подушки расплава перед шнеком. Это способствует повышению стабильности процесса литья под давлением, что особенно важно при изготовлении высокоточных изделий и при очень малых дозах впрыска.

Применение при литье под давлением обратных запорных клапанов традиционной конструкции, закрывание которых начинается в момент начала впрыска расплава полимерного материала (ПМ) в форму, не гарантирует сохранение заданного объема набранной дозы и является потенциальной причиной нарушения стабильности массы и размеров готовых деталей от цикла к циклу. Этот недостаток, имеющий место даже при изготовлении на полностью электрических литьевых машинах изделий с высокими требованиями к их точности, может быть устранен с помощью автоматически переключаемого обратного клапана модели activeLock компании Sumitomo (SHI) Demag, являющегося новым устройством подобного рода на европейском рынке.

Обратный клапан играет решающую роль в процессе перемещения расплава из узла пластикации в литьевую форму: он выполняет функцию разделительного механизма, расположенного между шнеком и предшнековым пространством, предотвращая возможность возврата расплава в межвитковую зону шнека в процессе впрыска. На протяжении прошедших десятилетий достаточно хорошо зарекомендовали себя обратные клапаны двух типов: наиболее широко распространенные кольцевые обратные клапаны и шаровые обратные клапаны. В основу работы обоих типов обратных клапанов положен один и тот же принцип: на стадии дозирования расплав ПМ за счет вращения шнека перемещается вперед и через открытые каналы обратного клапана поступает в предшнековое пространство. Затем в нем – в начале стадии впрыска – создается достаточно высокое давление литья, под действием которого запирающий элемент (кольцо или шарик) обратного клапана прижимается к упору и тем самым герметично отделяет пространство перед шнеком от собственно шнека.

Принцип действия традиционных систем чреват неточностями

Именно в этом и заключается «слабое место» принципа действия обратного клапана. Поскольку в момент начала стадии впрыска обратный клапан находится в открытом положении, то вплоть до момента его полного закрытия расплав может перетекать через обратный клапан назад в межвитковое пространство шнека. Такое явление не представляло бы большой проблемы, если бы оно происходило от цикла к циклу с высоким постоянством. Однако на практике существует много факторов, оказывающих влияние на закрывание обратного клапана и, следовательно, ухудшающих воспроизводимость процесса литья. В данном случае речь идет о типичных отклонениях параметров процесса и ПМ. В частности, вследствие колебаний температуры и в результате смены партий перерабатываемого ПМ может измениться вязкость его расплава. Наряду с этим определенную роль играют факторы окружающей среды, а также остаточная влажность подлежащих сушке технических ПМ. Даже колебания температуры литьевой формы и горячих каналов могут стать причиной появления различий в процессе создания противодавления в пространстве перед шнеком, а следовательно, и ухудшения стабильности процесса закрывания обратного клапана, что напрямую негативно отражается на воспроизводимости массы впрыска и качестве изготавливаемых изделий. Одна из возможностей улучшения работы обратного клапана заключается в использовании декомпрессионного хода шнека на заключительной стадии процесса дозирования. Отвод шнека назад позволяет уменьшить давление расплава в предшнековом пространстве и способствует перемещению кольца обратного клапана в определенное положение. Недостатком такого метода является то, что в результате создания пониженного давления в зоне перед шнеком возникает опасность образования пузырьков и ожоговых свилей из-за подсасываемого воздуха.

На практике часто применяется другой метод, заключающийся в максимально быстром закрывании обратного клапана за счет увеличения давления и соответственно скорости впрыска. Ограничительными факторами в данном случае являются геометрические характеристики изготавливаемых изделий, вязкость расплава и опасность появления поверхностных дефектов на изделиях.

В целом общим серьезным недостатком традиционных кольцевых и шаровых обратных клапанов является пассивный характер процесса их закрывания, на который можно повлиять только опосредованно, например путем использования декомпрессионной подачи или регулирования скорости впрыска.

Производство высокоточных изделий требует строго определенного поведения обратного клапана в процессе его закрывания

В большинстве случаев литья под давлением изделий из ПМ возникающие в связи с описанными причинами неравномерности в объеме остаточной подушки материала являются незначительными по отношению к точности процесса литья под давлением в целом и не оказывают существенного негативного влияния на качество изготавливаемых изделий. В то же время при изготовлении изделий, требующих очень высокой точности и стабильности технологического процесса, отклонения в поведении традиционных обратных клапанов на стадии закрывания особенно нежелательны. Подобные высокоточные изделия, используемые прежде всего в электронике и медицинской технике, изготавливаются на полностью электрических литьевых машинах, оснащенных работающими с высочайшей точностью литьевыми формами и позволяющих выдерживать минимальные допуски по размерам и массе литьевых изделий. В такой нацеленной на высокую точность системе обратный клапан оказывается причиной возможного снижения точности. Этот недостаток может быть устранен с помощью нового устройства компании Sumitomo (SHI) Demag Plastics Machinery GmbH (город Швайг, Германия), являющегося результатом единственной в своем роде разработки на европейском рынке.

Переключаемый клапан запирается непосредственно по окончании дозирования

Для высокоточного литья под давлением на полностью электрических литьевых машинах предлагается активно переключаемый обратный клапан, который обеспечивает воспроизводимое герметичное замыкание предшнекового пространства. На рынке эта новая разработка Sumitomo (SHI) Demag реализуется под названием activeLock. По принципу действия этот обратный клапан существенно отличается от традиционных кольцевых и шаровых аналогов. Его главная особенность заключается в том, что он закрывается уже в конце процесса дозирования, благодаря чему пространство перед шнеком остается закрытым во время всего процесса впрыска, включая его начальную стадию.

Обратный клапан activeLock снабжен вращающимся запорным кольцом, которое закрывается в результате вращения шнека в противоположном направлении. На стадии пластикации клапан благодаря вращению шнека остается в открытом положении, и расплав через свободные каналы поступает в предшнековое пространство. По окончании процесса дозирования направление вращения шнека изменяется на противоположное, в результате чего каналы обратного клапана, по которым движется расплав, полностью и надежно перекрываются. Эта операция выполняется независимо от других стадий литья и, следовательно, от колебаний параметров этих стадий. Строго определенное запирающее движение обеспечивает повторяющееся с высокой точностью от впрыска к впрыску активное и управляемое закрывание обратного клапана, способствуя тем самым существенному повышению стабильности процесса литья под давлением.

О том, что клапан activeLock закрывается еще до начала процесса впрыска, свидетельствуют сравнительные данные об изменении давления, измеренного позади стандартного и клапана activeLock в процессе впрыска. Так, пик давления позади стандартного обратного клапана во время процесса впрыска свидетельствует об обратном течении расплава, в случае же клапана activeLock, напротив, увеличение давления не было зарегистрировано.

Усовершенствованная технология из Японии

Описанный принцип закрывания обратного клапана за счет вращательного движения, разработанный японским «материнским» концерном Sumitomo, был запатентован несколько лет назад. Поэтому уже несколько тысяч переключаемых обратных клапанов успешно эксплуатируются на полностью электрических литьевых машинах компании Sumitomo (SHI) Demag в Азии и США. Европейские клиенты компании также извлекают для себя выгоду из богатого опыта, накопленного в этой области. Со времени выставки «К-2010», когда компания Sumitomo (SHI) Demag начала продавать обратные клапаны activeLock в Европе, здесь также были достигнуты значительные успехи. В дополнение к доброй сотне реализованных на рынке клапанов activeLock целый ряд клиентов компании (фирмы Wago, Tyco, Dehn + Soehne и Fischer) еще до официального начала продаж успешно использовали эту единственную в своем роде для европейского рынка технологию в рамках тестовых испытаний.

Успешный опыт применения обратных клапанов activeLock

В число первых пользователей обратных клапанов activeLock входит, в частности, компания Fischer GmbH & Co. KG (город Зинсхайм, Германия), являющаяся многолетним и верным клиентом компании Sumitomo (SHI) Demag. Этот производитель, специализирующийся на изготовлении электрических разъемов, с 2004 использует полностью электрические литьевые машины; в настоящее время компания эксплуатирует 18 установок IntElect. Робин Кемтер (Robin Kemter), отвечающий в компании Fischer за управление проектами и оптимизацию технологических процессов, в своем докладе, сделанном на выставке Fakuma осенью 2011 года, сообщил, что благодаря обратным клапанам activeLock его предприятие сумело обеспечить дальнейшее улучшение технологической надежности, которая и прежде была на достаточно высоком уровне. Улучшение воспроизводимости, повышение качества изделий, уменьшение доли брака, расширение возможностей при выборе технологических параметров, а также увеличение допустимых диапазонов варьирования технологических параметров наряду с ослаблением зависимости от отклонений температуры литья и вязкости расплава ПМ – это наиболее важные из достигнутых компанией Fischer результатов. Достигнутые результаты г-н Кемтер продемонстрировал на примере корпуса двухполюсного контактного предохранителя, изготавливаемого из наполненного 20% стеклянных волокон полибутилентерефталата (ПБТ). Такие изделия массой 0,62 г производились в 16-гнездной литьевой форме с четырьмя обогреваемыми каналами на литьевой машине модели IntElect 50 (усилие смыкания – 500 кН, диаметр шнека – 25 мм) с применением стандартного кольцевого обратного клапана и клапана activeLock. После 600 впрысков на диаграмме рассеяния результатов, полученных с применением стандартного клапана, было отмечено 18 циклов, в которых объем остаточной подушки материала выходил за пределы допуска. Использование же обратного клапана activeLock позволило полностью исключить подобные выбросы.

 

Надежность технологического процесса и обеспечения качества изготавливаемых изделий в компании Dehn + Soehne GmbH & Co. KG (город Ноймаркт) стоит на первом месте. Деятельность этой семейной компании сконцентрирована на трех областях применения выпускаемой продукции: защите от перенапряжений, защите от ударов молний (заземление) и охране труда. На литьевой машине модели IntElect 50-110 (усилие смыкания – 500 кН, диаметр шнека – 25 мм), оснащенной литьевой формой с 8 горячими каналами, компания Dehn в рамках программы тестирования обратных клапанов activeLock изготавливала из полиамида (ПА) 66 среди прочего используемые в устройствах для защиты от перенапряжений высокоточные изделия массой 1,2 г. По сравнению с кольцевыми обратными клапанами применение клапанов activeLock позволило обеспечить существенное уменьшение отклонений массы изготавливаемых изделий от заданного значения. Измерения выполнялись как для отдельных гнезд литьевой формы, так и в среднем для партии из 100 тысяч изделий. В результате было установлено, что использование обратных клапанов activeLock позволило почти в два раза снизить среднее арифметическое значение колебаний массы деталей.

Обычно среднее уменьшение колебаний величины объема остаточной подушки материала, достигаемое в результате применения обратного клапана activeLock, находится в пределах от 30 до 50% и более, что подтверждают результаты, полученные на примере литьевых корпусов штекеров из стеклонаполненного ПБТ. В дополнение к этому стабильное закрывание обратного клапана способствует достижению воспроизводимых значений давления в гнездах литьевой формы, что в свою очередь сопровождается снижением колебаний плотности, степени кристалличности и усадки изготавливаемых изделий, а следовательно, обеспечивает минимальные отклонения их размеров.


Компания Sumitomo (SHI) Demag фокусирует применение своей новой разработки прежде всего на высокоточном литье технических термопластов, таких как ПА, ПБТ, полиэфирэфиркетон, полиэфиримид и жидкокристаллические полимеры. Расплавы этих ПМ характеризуются очень низкой вязкостью, а их высокая стоимость придает особую важность задаче минимизации количества брака уже только из экономических соображений.

Повышение надежности малых перемещений в процессе впрыска

В максимальной степени технологические преимущества обратных клапанов activeLock проявляются на литьевых машинах со шнеками малых диаметров и при малых величинах хода шнеков. Негативное влияние нестабильного закрывания стандартного обратного клапана снижается по мере увеличения диаметра шнека.

Кроме того, важную роль играет величина хода шнека при впрыске: чем она меньше, тем в большей степени сказывается отрицательное влияние нестабильного закрывания традиционного обратного клапана. Замена его клапаном activeLock, напротив, позволяет с высокой точностью выполнять самые малые подачи шнека при впрыске, даже если их значения намного меньше диаметра шнека. Это существенно повышает гибкость использования литьевых машин. В частности, появляется возможность высокоточного изготовления самых мелких изделий на стандартных электрических литьевых машинах. Важным аспектом является и то, что благодаря использованию стандартных узлов пластикации можно отказаться от применения более дорогого микрогранулята ПМ.

Изготовление микроизделий на стандартных литьевых машинах

Компания Stamm AG (город Халлау, Швейцария) уже много лет назад освоила производство микроизделий на стандартных литьевых машинах. На литьевой машине модели IntElect 50-45 (усилие смыкания – 500 кН, диаметр шнека – 14 мм), оснащенной четырехгнездной литьевой формой, она изготавливает из полиоксиметилена (ПОМ) водила планетарных передач массой 0,055 г. Компания также использует при этом преимущества нового обратного клапана activeLock, обеспечивая за счет этого уменьшение колебаний массы микроизделий по меньшей мере на 50% по сравнению со стандартным обратным клапаном.

 

Возможность простого обслуживания и замены в любой момент

После продолжавшихся в течение года тестовых испытаний компания Sumitomo (SHI) Demag представила обратный клапан activeLock для полностью электрических литьевых машин серии IntElect на выставке «K-2010» и с тех пор предлагает его для работы в сочетании со всеми шнеками диаметром от 14 до 35 мм. Благодаря тому, что клапан activeLock имеет такие же размеры и соединительную резьбовую часть, как и у ранее использовавшихся компанией стандартных клапанов, переоснащение литьевых машин новыми клапанами осуществляется, как правило, без каких-либо проблем. В системе управления NC5 появилась дополнительная страница, обеспечивающая удобное обслуживание модернизированной машины. Для определения значений трех варьируемых параметров – угла поворота, скорости вращения и момента закрывания – компания Sumitomo (SHI) Demag разработала в ходе проведения многочисленных тестов простые правила.

Полноценная реализация всех возможностей повышения точности

Права на способ переключения обратного клапана за счет вращения шнека в противоположном направлении защищены патентом японской компании Sumitomo. На европейском рынке нет другого производителя, предлагающего переключаемые подобным образом обратные клапаны. Таким образом, компания Sumitomo (SHI) Demag предлагает своим клиентам единственное в своем роде техническое решение для улучшения точности процесса литья под давлением и воспроизводимости его результатов.

В целях максимальной реализации потенциальных возможностей повышения точности и эффективности работы полностью электрических литьевых машин компания Sumitomo (SHI) Demag в дополнение к переключаемому обратному клапану activeLock разработала еще целый ряд устройств серии active. В частности, устройство activeDynamics позволяет за счет четко согласованной работы электродвигателей, преобразователей частоты и системы управления литьевой машины достигнуть высокой точности регулирования и воспроизводимости заданных законов изменения параметров литья. Другая новая активная функция – activeFlowBalance – предназначена для ее использования при работе с многогнездными литьевыми формами: за счет активного управления остановом шнека при переходе со стадии впрыска на стадию подпитки она обеспечивает выравнивание давления во всех гнездах литьевой формы и способствует тем самым повышению качества изготавливаемых изделий.

Т. Бреттних, С. Гелтингер, Sumitomo (SHI) Demag Plastics Machinery GmbH (Швайг, Германия)