CC BY
59
УДК 678.5
Рыбкин В.А., Щербаков А.В., Шерышев М.А.
ПРИМЕНЕНИЕ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКЕ ПРОИЗВОДСТВА ДЛЯ ЛИТЬЯ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Рыбкин Владимир Александрович, магистрант 1 года кафедры технологии переработки пластмасс, e-mail: rybkinvladimir2807@vandex.ru;
Щербаков Александр Валентинович, магистрант 1 года кафедры технологии переработки пластмасс; Шерышев Михаил Анатольевич, д.т.н., профессор кафедры технологии переработки пластмасс. Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия, 125047, Миусская пл., 9
Описаны пути совершенствования технологической подготовки производства для литья термопластичных полимерных материалов, а также рассмотрены особенности изготовления формообразующих деталей литьевых форм аддитивными технологиями.
Ключевые слова: литье под давлением, формообразующие детали, аддитивные технологии, термопластичные полимерные материалы.
THE APPLICATION OF ADDITIVE TECHNOLOGIES IN TECHNOLOGICAL MANUFACTURE PREPARATION FOR INJECTION MOLDING THERMOPLASTIC POLYMER MATERIALS
Rybkin V.A., Scherbakov A.V., Sheryshev M.A.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Described ways to improve the technological manufacture preparation for injection molding thermoplastic polymer materials and production features of forming parts by additive technologies
Keywords: Injection molding, additive technologies, forming parts, thermoplastic polymeric materials.
Введение
Технология литья термопластичных полимерных материалов под давлением является одной из самых массовых технологий производства современных изделий. Пластмассовые детали содержатся практически в любом изделии и степень их использования возрастает. При этом процесс подготовки производства средств технологической оснастки для литья изделий достаточно трудоемок и требует существенных временных затрат, которые могут не только повлиять на коммерческую успешность новых продуктов, но и поставить под сомнение целесообразность выпуска изделия как такового [1]. Применение технологий быстрого производства (аддитивных технологий) существенно увеличивает вероятность вывода на рынок новых изделий в приемлемые сроки и с требуемым качеством.
Длительность технологической подготовки производства может быть соизмерима с длительностью самого процесса производства полимерных изделий, и даже превышать ее [2]. Необходимым условием конкурентоспособности современного производства предприятия является сокращение сроков технологической подготовки производства за счет использования современного программного обеспечения и
высокопроизводительного оборудования, а также за счет использования новых технологий, к которым относятся аддитивные технологии.
Создание прототипа изделия. Технологическая подготовка производства для литья
термопластичных полимерных материалов состоит из нескольких этапов, усредненных по времени:
• Разработка конструкторской документации на деталь (1 неделя);
• Разработка конструкторской документации на литьевую форму (3-4 недели);
• Изготовление литьевой формы (8-12 недель);
• Литье опытных образцов.
Следовательно, получить первые опытные
образцы детали можно только через 3-4 месяца после разработки её конструкторской документации. Тестирование партии деталей опытных образцов не всегда приводят к положительным результатам и доработать существующую деталь и литьевую форму редко удается. Это приводит к тому, что процесс технологической подготовки производства, характеризующийся немалыми денежными и временными затратами, нужно начинать сначала.
Сократить потери времени и средств позволяет технологическая подготовка производства с использованием деталей-прототипов, получение которых может производится на установках, основанных на аддитивных технологиях. Преимущество данных установок в том, что из 3D-модели детали в формате STL «выращивается» объемная модель детали за несколько часов работы с точностью размеров в пределах 0,1 мм от номинального размера. К примеру, получать такие детали можно из порошка полиамида PA12 методом селективного лазерного спекания на установках серии P производства фирмы EOS (Германия) или из акрилового фотополимера на установках серии Connex производства фирмы Stratasys (США).
Полученный прототип позволяет нам:
• Оценить эргономичность и внешний вид детали;
• Скорректировать рабочие и технологические зазоры;
• Проверить работоспособность изделия;
• Использовать образец в качестве презентации.
По результатам испытаний прототипов корректируется 3D-модель детали и выпускается конструкторская документация. В данном случае приступить к созданию литьевой формы для серийного производства можно, когда в конструкции изделия устранены все проблемные места.
Изготовление формообразующих деталей. Одним из основных критерием выбора материала для формообразующих деталей (ФОД) является серийность производства, определяемая
количеством выпускаемых изделий (объемом выпуска). Соответственно, чем больше изделий планируется выпустить, тем большее количество раз ФОД будет подвергаться неблагоприятным воздействиям, например, абразивному износу, тепловым нагрузкам. Вследствие этого необходимо учитывать такой параметр как стойкость ФОД [3].
Однако наблюдаемая в настоящий момент тенденция к снижению серийности производства полимерных изделий, являющаяся следствием роста конкуренции, стремления предприятия
удовлетворить разнообразные требования потребителя, обеспечив индивидуализацию и эксклюзивность своих изделий, выдвигает на передний план не стойкость ФОД, а скорость их изготовления. В связи с этим спектр применяемых материалов расширяется и, кроме стали, становится возможным использование различных технологий и материалов, применяемых в установках аддитивного производства.
Технология PolyJet позволяет с помощью 3D печати получить из фотополимера ФОД для литья под давлением. Такие ФОД применяются для литья полимеров с хорошей текучестью, таких как полиэтилен, полипропилен, полистирол,
акрилонитрилбутадиенстирол, термопластичный эластомер. Обусловлено это тем, что литьевые формы PolyJet не могут выдерживать высокие давления литья и при литье низкотекучих расплавов могут возникать недоливы и линии спая. Температура расплава не должна превышать 300 °С. При выборе отливаемого материала имеет значение геометрия получаемого изделия. Если конструктивные особенности отливаемой детали не препятствуют потоку расплава, то могут использоваться более вязкие полимерные материалы и температура расплава может быть минимальной. ФОД из фотополимера применяются для литья деталей небольших размеров, меньше 165 см3, а усилие запирания литьевой машины не должно превышать 80 тонн.
Сравнительно невысокая теплостойкость фотополимера, которая меньше температуры литья
указанных выше термопластичных полимерных материалов, не сказывается на деформационной устойчивости ФОД, поскольку фотополимер не успевает прогреться до высоких температур за время цикла литья. И лишь при толщине стенки отливки более 4 мм наблюдается перегрев фотополимерных ФОД из-за увеличенных времени цикла и теплового потока от расплава полимерного материала. Также наблюдается, что тщательное смазывание поверхностей ФОД, которое рекомендуется проводить после каждого цикла литья, способствует улучшению теплоотвода. Также улучшению теплоотвода способствует дополнительное охлаждение [4].
Следует заметить, что в случае использования фотополимерных ФОД время цикла литья несколько увеличивается по сравнению с металлическими ФОД, поэтому и усадка деталей будет несколько больше.
Исходя из термических характеристик ФОД из фотополимера, охлаждающая система не будет существенно влиять на длительность цикла или качество деталей. Однако система охлаждения может продлить срок службы оснастки.
Основные требования к конструкции ФОД (пуансона и матрицы) из фотополимера и рекомендации по их обслуживанию:
• Использовать наибольшие радиусы скругления вместо острых углов и острых кромок. Это позволит избежать концентрации напряжений и локализацию разрушения ФОД;
• Увеличить угол наклона вертикальной стенки ФОД до максимума, допустимого для отливаемой детали. Увеличивая угол наклона вертикальной стенки, уменьшается сопротивление детали при извлечении, что уменьшает возможность повреждения формы. Технологический угол наклона вертикальных стенок должен быть не менее 1 5°'
• Все отверстия в литьевой форме PolyJet должны быть не менее 0,8 мм;
• Для уменьшения напряжения внутри полости рекомендуется использовать центральный литник, веерный, кольцевой впускные литники. Использовать туннельные и точечные впускные литники не рекомендуется.
• Увеличить размер впускных литников для лучшего растекания расплава полимера и уменьшения давления в оснастке. Впускные литники могут быть в два или три раза больше, чем в металлических формах. Рекомендуется сделать толщину впускных литников идентичной толщине стенок детали в точке заливки. Также размер впускных литников будет зависеть от вязкости материала и конфигурации литьевой формы.
• Направление линий "выращивания" материала при создании ФОД ложно быть
вдоль фронта течения расплава полимерного материала в формующей полости литьевой формы;
• Температура рабочих поверхностей ФОД в процессе литья не должна превышать приблизительно 50 °C, поэтому их рекомендуется охлаждать сжатым воздухом в течение около 1 минуты через каждые 5-6 циклов литья.
ФОД из фотополимера могут быть установлены в стальные плиты или обоймы литьевой формы. Для более быстрого и менее затратного изготовления пилотных серий деталей из штатного полимерного материала необходимо иметь универсальную быстроналаживаемую литьевую форму.
Изготовленные ФОД монтируются в литьевую форму (обычно в подвижную полуформу). Литьевая форма устанавливается на литьевую машину и крепится прихватами. Неподвижная полуформа подключается к термостату (к сетевой охлаждающей воде), после чего включается обогрев горячеканальной системы. Время цикла составляет обычно от 20 до 120 секунд в зависимости от толщины стенки отливки. Серия деталей количеством в 100 штук отливается в среднем за 3,0-3,5 часа в полуавтоматическом режиме работы формы. Время на переналадку, т. е. на смену комплекта ФОД, составляет 10-15 минут. В конструкции заменяется только формообразующая вставка и подгоняются по длине выталкиватели. В эту же литьевую форму можно устанавливать сменные вставки и из других материалов.
Ряд зарубежных фирм имеет опыт изготовления ФОД методом селективного лазерного спекания композиционного материала в виде порошка. Например, Фирма EOS (Германия) использует для таких целей наполненный алюминиевым порошком PA12 марки EOS Alumide, а реализация процесса осуществляется на установках серии P.
Изготовление конформных систем охлаждения. Возможности получения ФОД из полимерных материалов в настоящее время широко исследуются разработчиками и производителями изделий из термопластичных полимерных материалов. В большей степени освоенными при изготовлении ФОД являются аддитивные технологии, основанные на спекании или сплавлении металлических порошков. В частности, они являются наиболее экономически выгодными при изготовлении литьевых форм с конформными системами охлаждения. Применение конформных систем охлаждения ФОД литьевых форм позволяет максимально повысить эффективность системы охлаждения, т. е. сократить время цикла литья и улучшить качество изделий с большим разбросом толщин и со сложной геометрией. Эти системы охлаждения проектируются таким образом, что их контур повторяет геометрию отливаемого изделия и тем самым обеспечивает более равномерное ее охлаждение. Геометрия конформного канала
охлаждения является намного более сложным геометрическим объектом, чем канал обычного охлаждения, соответственно его проектирование и изготовление являются задачами повышенной сложности [5]. Использование подобного канала охлаждения позволяет создать равномерное тепловое поле (распределение температур в объеме или на поверхности нагреваемого или охлаждаемого тела) ФОД литьевой формы, в результате чего такие дефекты изделия, как коробление и остаточные напряжения могут быть устранены или существенно сокращены. Для создания стойких к высокому давлению и температуре ФОД с конформными системами охлаждения рекомендуется использовать аддитивные технологии селективного лазерного спекания. Применение таких технологий позволяет получить ФОД из металла, которые превосходят ФОД, изготовленные из фотополимера по технологии PolyJet. Время изготовления подобной оснастки по сравнению с обычными методами уменьшается до 60%.
Список литературы
1. Яблочников Е.И., Пирогов А.В., Грибовский А.А. Совместное применение аддитивных технологий и систем виртуального моделирования при подготовке производства полимерных изделий // Известия вузов. Приборостроение. — 2014. — №5. — С. 72-76.
2. Тимофеева О.С., Андреев Ю.С., Яблочников Е.И. Разработка и исследование технологий изготовления формообразующей оснастки в условиях мелкосерийного производства. Инновации на транспорте и в машиностроении: сборник трудов IV Международной научно-практической конференции (Санкт-Петербург, 28-29 апреля 2016г.). — 2016. — Т. 3. — С. 145148.
3. Талапов В.В., Тимофеева О.С., Помпеев К.П. Разработка алгоритма и определение критериев выбора материала формообразующих деталей. Инновации на транспорте и в машиностроении: сборник трудов IV Международной научно-практической конференции (Санкт-Петербург, 28-29 апреля 2016г.). — 2016. — Т. 3. — С. 138142.
4. Бояринцев А.В., Дувидзон В.Г., Подсобляев Д.С. Быстрое изготовление пилотных серий деталей из термопластичных полимерных материалов // Полимерные материалы. — 2013. — №6. — С.4-9.
5. Яблочников Е.И., Грибовский А.А., Пирогов А.В. Эффективность применения аддитивных технологий для изготовления литьевых форм и при подготовке производства изделий из термопластичных полимерных материалов // Металлообработка. — 2013. — №5-6(77-78). — С.74-80.
