Proces vstrekovania plastových fliaš

Proces vstrekovania plastov: základná technológia termoplastického lisovania

Proces vstrekovania plastov je efektívna technológia vstrekovania, ktorá spracováva termoplastické materiály do rôznych výrobkov pomocou foriem. Vďaka výhodám vysokej automatizácie, rýchlej výrobnej efektivity a vysokej presnosti výrobkov sa stal jedným z najpoužívanejších procesov v modernom spracovaní plastov. Od bežného plastového riadu a puzdier na telefóny až po presné automobilové diely a zdravotnícke pomôcky, technológia vstrekovania plastov so svojou silnou prispôsobivosťou a flexibilitou podporuje výrobu produktov v mnohých odvetviach a zaujíma nenahraditeľné miesto v materiálovej vede a priemyselnej výrobe.

1. Princípy procesu a základné prvky

Základným princípom procesu vstrekovania plastov je cyklický proces tavenia, tuhnutia a stuhnutia: pevné plastové častice sa zahrievajú a tavia do prúdiacej dynamickej taveniny, ktorá sa pod tlakom vstrekuje do uzavretej dutiny formy. Po ochladení a stuhnutí v dutine tavenina vytvára produkt, ktorý zodpovedá tvaru dutiny formy. Tento proces sa musí dosiahnuť synergickým účinkom troch základných prvkov: surovín, vstrekovacieho zariadenia a foriem.

Požiadavky na vlastnosti surovín

Proces vstrekovania plastov má špecifické požiadavky na vlastnosti surovín (termoplastov), ktoré priamo ovplyvňujú kvalitu a účinnosť lisovania. Rýchlosť toku taveniny (MFR) je kľúčovým ukazovateľom, ktorý odráža tekutosť plastovej taveniny. Nadmerná MFR môže viesť k veľkému zmršťovaniu a nestabilnej veľkosti produktu. Ak je príliš nízka, tekutosť bude slabá a môžu sa vyskytnúť problémy, ako je nedostatok materiálu a nedostatočné plnenie. Je potrebné vybrať vhodný plast MFR podľa zložitosti produktu, napríklad výberom vysoko tekutého PP a ABS pre presné diely a vysokopevnostného PC a PA pre konštrukčné diely.

Tepelná stabilita plastov je rovnako dôležitá. Musia byť schopné odolať teplote ohrevu materiálu v valci (zvyčajne 150 – 350 ℃) bez degradácie, inak dôjde k zmene farby a zníženiu mechanických vlastností výrobku. Preto je potrebné pred spracovaním overiť teplotu tepelného rozkladu plastu. Napríklad PVC je potrebné pridať tepelný stabilizátor, aby sa zabránilo rozkladu. Okrem toho je potrebné prispôsobiť mieru zmršťovania plastu (podiel zmršťovania pri ochladzovaní po lisovaní) konštrukcii formy. Rôzne plasty majú výrazné rozdiely v miere zmršťovania (napríklad miera zmršťovania PE 1,5 % – 3 %, miera zmršťovania PC 0,5 % – 0,7 %) a forma musí mať rezervu na zmršťovanie, aby sa zabezpečila rozmerová presnosť výrobku.

Medzi bežné vstrekované plasty patria všeobecné plasty (PP, PE, ABS, PS), technické plasty (PC, PA, POM, PBT) a špeciálne plasty (PEEK, PI), ktoré sú vhodné pre scenáre s rôznymi požiadavkami na pevnosť, teplotnú odolnosť a chemickú odolnosť.

Zloženie zariadenia na vstrekovanie plastov

Vstrekovací lis je jadrom procesu vstrekovania plastov a pozostáva zo štyroch častí: vstrekovacieho systému, systému upnutia formy, hydraulického prevodového systému a elektrického riadiaceho systému. Vstrekovací systém je zodpovedný za tavenie a vstrekovanie plastov a zahŕňa násypku, valec, závitovku a trysku: násypka ukladá plastové častice, ktoré padajú do valca gravitáciou; vykurovací krúžok je obtočený okolo vonkajšej strany materiálového valca, aby sa plast zahrial do roztaveného stavu; závitovka dokončuje prepravu, zhutňovanie a plastifikáciu (miešanie taveniny) plastu otáčaním a axiálnym pohybom a plastifikovaná tavenina sa vstrekuje do formy cez trysku.

Upínací systém formy realizuje otváranie, zatváranie a uzamykanie formy a pozostáva z pevnej šablóny, pohyblivej šablóny, ťažnej tyče a upínacieho valca. Upínacia sila musí zodpovedať vstrekovaciemu tlaku a premietanej ploche produktu, aby sa zabránilo roztiahnutiu formy a vzniku otrepov počas vstrekovania. Vzorec na výpočet upínacej sily je: upínacia sila (kN) = premietaná plocha produktu (cm²) x vstrekovací tlak (MPa) x bezpečnostný faktor (1,2-1,5).

Hydraulický prevodový systém zabezpečuje energiu pre vstrekovanie a uzatváranie formy, pričom riadi rýchlosť a tlak pohybu každého komponentu. Elektrický riadiaci systém (PLC + dotyková obrazovka) presne riadi procesné parametre (teplotu, tlak, čas) na dosiahnutie automatizovanej výroby. Špičkové vstrekovacie stroje sú tiež vybavené servomotormi s mierou úspory energie viac ako 30 %.

Kľúčové body návrhu formy

Forma je kľúčom k určeniu tvaru a kvality výrobku a pozostáva z dutiny, jadra, odlievacieho systému, chladiaceho systému a vyhadzovacieho systému. Vonkajší a vnútorný povrch výrobku tvorený dutinou a jadrom je väčšinou vyrobený z formovacej ocele (ako napríklad P20, 718H), ktorá musí byť kalená a leštená, aby sa zabezpečila hladkosť povrchu a odolnosť voči opotrebovaniu.

Odlievací systém zavádza roztavený materiál z trysky do dutiny formy vrátane hlavného kanála, odvádzacieho kanála a vtokového kanála: hlavný kanál spája trysku a odvádzací kanál a pre jednoduché vyberanie z formy je potrebné navrhnúť zúženie (2° - 5°); odvádzací kanál rozdeľuje taveninu do viacerých dutín; vtokový kanál je posledný kanál, ktorým tavenina vstupuje do dutiny formy, s malou veľkosťou (zvyčajne 0,5-2 mm), čo je vhodné na rezanie taveniny a oddeľovanie produktu. Medzi bežné typy vtokových kanálov patria bočné vtokové kanály, bodové vtokové kanály a skryté vtokové kanály, ktoré je potrebné vyberať podľa tvaru produktu.

Chladiaci systém odvádza teplo z taveniny cirkulujúcou vodou, čím urýchľuje tuhnutie produktu. Kanál chladiacej vody musí byť blízko povrchu dutiny formy (15 – 25 mm), aby sa zabezpečilo rovnomerné chladenie. Čas chladenia predstavuje 50 % – 70 % lisovacieho cyklu, čo priamo ovplyvňuje efektivitu výroby. Vyhadzovací systém (vyhadzovací kolík, horná doska, vyhadzovacia trubica) vytlačí produkt z formy po ochladení, aby sa predišlo deformácii alebo poškriabaniu.

2. Priebeh procesu a kľúčové parametre

Proces vstrekovania plastov je nepretržitý cyklus a riadenie parametrov každého článku priamo ovplyvňuje kvalitu produktu. Celý proces zahŕňa tri fázy: prípravu surovín, vstrekovanie plastov a následné spracovanie.

Fáza prípravy surovín

Suroviny musia byť predúpravené a vysušené: predúprava zahŕňa preosievanie (odstránenie nečistôt) a miešanie (pridanie farebnej predzmesi a prísad v príslušnom pomere), aby sa zabezpečila jednotnosť surovín. Sušenie je zamerané na hygroskopické plasty (ako PA, PC, PBT), ktoré sú náchylné na absorbovanie vlhkosti zo vzduchu a pri tavení môžu vytvárať chyby, ako sú bubliny a strieborné drôty. Na zníženie obsahu vlhkosti pod 0,02 % – 0,05 % je potrebné použiť sušiaci stroj (sušenie horúcim vzduchom alebo odvlhčovanie). Parametre sušenia sa líšia v závislosti od plastu (napríklad teplota sušenia PC je 120 ℃ počas 4 – 6 hodín; teplota sušenia PA6 je 80 – 90 ℃ počas 4 hodín).

Fáza vstrekovania plastov

Toto je jadro procesu, ktorý pozostáva z piatich krokov: plastifikácia, vstrekovanie, udržiavanie tlaku, chladenie a otvorenie a vyhodenie formy. Plastifikácia: Rotácia závitovky transportuje plastové častice dopredu a taví ich za pôsobenia ohrevu valca a strihu závitovky, čím vytvára rovnomernú taveninu. Kvalita plastifikácie závisí od teploty valca, rýchlosti závitovky a protitlaku (protitlak počas otáčania závitovky). Ak je protitlak príliš vysoký, predĺži sa čas plastifikácie, a ak je príliš nízky, povedie to k nerovnomernej plastifikácii.

Vstrekovanie: Skrutka sa rýchlo pohybuje dopredu, aby vstrekla taveninu do dutiny formy pri vysokom tlaku a rýchlosti. Vstrekovací tlak je zvyčajne 50 – 150 MPa a rýchlosť 30 – 150 mm/s. Je potrebné ho upraviť podľa hrúbky a zložitosti výrobku: tenkostenné výrobky vyžadujú vysoký tlak a vysokú rýchlosť (aby sa znížilo ochladzovanie taveniny) a hrubostenné výrobky vyžadujú nízky tlak a nízku rýchlosť (aby sa zabránilo pretečeniu).

Udržiavanie tlaku: Po naplnení dutiny formy taveninou sa v závitovke udržiava určitý tlak, aby sa materiál doplnil do dutiny a kompenzovalo sa zmršťovanie taveniny pri chladení. Udržiavanie tlaku je zvyčajne 60 % – 80 % vstrekovacieho tlaku a doba udržiavania sa určuje podľa hrúbky výrobku (pri hrubostenných výrobkoch sa doba udržiavania predĺži). Nedostatočné udržiavanie môže viesť k pretlačeniu výrobku a jeho menšej veľkosti.

Chladenie: Po ukončení udržiavania tlaku systém chladenia formy pracuje na znížení teploty výrobku pod teplotu tepelnej deformácie, čo umožňuje jeho stuhnutie a tvarovanie. Vzorec na výpočet času chladenia je: čas chladenia (s) = (maximálna hrúbka steny výrobku (mm))² × koeficient materiálu, rôzne koeficienty plasticity sa líšia (napríklad koeficient PE 0,8, koeficient PC 1,2).

Otvorenie a vyhodenie formy: Po dokončení ochladenia systém uzatvárania formy poháňa pohyblivú šablónu k ústupu a otvoreniu formy. Vyhadzovací systém vyhadzuje produkt z formy pomalou a rovnomernou rýchlosťou, aby sa zabránilo deformácii alebo zblednutiu produktu.

Fáza následného spracovania

Niektoré výrobky vyžadujú dodatočné spracovanie na zlepšenie výkonu: odstránenie prebytočného materiálu z vlievacieho kanála a deliacej plochy odstránením otrepov; žíhanie (napríklad udržiavanie výrobkov z PC v peci s teplotou 120 ℃ počas 2 hodín) eliminuje vnútorné napätie a zabraňuje praskaniu výrobku; povrchová úprava (striekanie, galvanické pokovovanie, sieťotlač) zlepšuje vzhľad a funkčnosť; pri výrobkoch potravinárskej kvality je potrebné čistenie a dezinfekcia na odstránenie olejových škvŕn a nečistôt.

3. Kontrola kvality a bežné problémy

Kvalitu vstrekovaných výrobkov je potrebné kontrolovať z troch hľadísk: vzhľad, veľkosť a mechanické vlastnosti. Bežné chyby je potrebné riešiť optimalizáciou parametrov počas výroby.

Ukazovatele kontroly kvality

Požiadavky na kvalitu vzhľadu zahŕňajú absenciu chýb, ako sú otrepy, chýbajúce materiály, bubliny, strieborné drôty, zmršťovacie stopy, škrabance atď., čo sa dá dosiahnuť vizuálnou alebo automatizovanou vizuálnou kontrolou (s presnosťou 0,01 mm); rozmerová presnosť musí zodpovedať tolerancii výkresu (napríklad ± 0,1 mm) a kľúčové rozmery by sa mali merať pomocou súradnicového meracieho prístroja alebo posuvného meradla; mechanické vlastnosti (pevnosť v ťahu, rázová húževnatosť) musia spĺňať požiadavky na použitie a výkonnostné normy sa zabezpečujú odberom vzoriek a testovaním surovín a hotových výrobkov.

Bežné chyby a riešenia

Vady vo výrobe sú často spôsobené parametrami alebo problémami s formou a je možné ich zodpovedajúcim spôsobom upraviť: otrepy (prebytočný materiál na okraji výrobku) je potrebné zvýšiť alebo znížiť z dôvodu nedostatočnej upínacej sily formy alebo vysokého vstrekovacieho tlaku; Nedostatočné množstvo materiálu (nevyplnená dutina) z dôvodu zlej tekutosti taveniny alebo nedostatočného vstrekovaného objemu je potrebné zvýšiť teplotu valca s materiálom, zvýšiť vstrekovací tlak alebo predĺžiť čas výdrže; Bubliny je potrebné viac sušiť alebo znížiť rýchlosť závitovky (aby sa znížilo zachytávanie vzduchu) z dôvodu nedostatočného sušenia surovín alebo vniknutia vzduchu do taveniny; Zmršťovacie stopy (povrchové prehĺbeniny) vyžadujú zvýšenie udržiavacieho tlaku alebo optimalizáciu kanála chladiacej vody z dôvodu nedostatočného tlaku alebo nerovnomerného chladenia; Deformácia v tvare deformácie je spôsobená nadmerným vnútorným napätím a je potrebné znížiť teplotný gradient formy alebo upraviť polohu uzáveru, aby sa zabezpečil rovnomerný tok taveniny.

4. Oblasti použitia a vývojové trendy

Proces vstrekovania plastov s výhodami vysokej účinnosti a presnosti sa široko používa v rôznych odvetviach a s technologickým pokrokom sa zlepšuje smerom k inteligencii a ekologizácii.

Hlavné oblasti použitia

Obalenský priemysel je najväčším trhom pre technológiu vstrekovania plastov a vyrába uzávery fliaš, nádoby, prepravné boxy atď. Napríklad uzávery fliaš na minerálnu vodu používajú vstrekovanie PP na zabezpečenie utesnenia prostredníctvom závitovania; automobilový priemysel používa vstrekovanie plastov na výrobu vnútorných dielov (prístrojová doska, dverové panely), vonkajších dielov (nárazník) a funkčných dielov (konektory) a technické plasty (zliatina PC/ABS) na nahradenie kovov kvôli odľahčeniu; priemysel domácich spotrebičov vyrába škrupiny (zásuvky chladničiek, vnútorné trubice práčok) a konštrukčné komponenty (prevodovky, konzoly), pričom ABS sa stáva hlavným materiálom vďaka svojmu ľahkému farbeniu a strednej pevnosti; zdravotnícky priemysel používa vstrekovanie plastov medicínskej kvality (PC, PP) na výrobu striekačiek, puzdier infúznych súprav a komponentov zdravotníckych pomôcok, čo si vyžaduje čisté formy a netoxické suroviny; priemysel 3C vyrába presné diely, ako sú puzdrá mobilných telefónov, klávesnice, konektory atď., ktoré si vyžadujú rozmerovú toleranciu ± 0,02 mm a vysoko presné vstrekovacie stroje a formy.

Trendy technologického rozvoja

Inteligencia je hlavným smerom a vstrekovacie stroje sú vybavené senzormi (tlak, teplota, posun) a algoritmami umelej inteligencie na monitorovanie roztaveného stavu a kvality produktu v reálnom čase. Prostredníctvom adaptívneho riadenia sa parametre automaticky upravujú, aby sa znížili manuálne zásahy a miera odpadu sa znížila pod 0,5 %. Priemyselný internet umožňuje prepojenie zariadení, diaľkové monitorovanie výrobných údajov a spotreby energie a zlepšuje efektivitu riadenia.

Ekologizácia sa zameriava na úsporu energie, znižovanie spotreby a obehové využívanie s mierou penetrácie servomotorov do vstrekovacích lisov viac ako 80 % a 30 % znížením spotreby energie; technológia vstrekovania recyklovaných plastov je vyspelá a vďaka čisteniu a modifikácii je možné recyklovaný PP a ABS použiť na výrobky, ktoré neprichádzajú do kontaktu s potravinami; rozširuje sa aplikácia vstrekovania bioplastov (PLA, PBAT), čím sa znižuje závislosť od fosílnych zdrojov.

Prielom v presnej a špeciálnej technológii lisovania, mikrovstrekovanie plastov dokáže vyrábať mikroprodukty s hmotnosťou menšou ako 0,1 g (ako napríklad medicínske mikrosúčiastky) s presnosťou ± 0,001 mm; plynové vstrekovanie plastov využíva vstrekovanie dusíka na vytvorenie dutých hrubostenných produktov, čím sa znižuje zmršťovanie a hmotnosť; dvojfarebné/viacfarebné vstrekovanie plastov na jednorazové lisovanie viacmateriálových alebo viacfarebných produktov, čím sa zlepšuje integrácia vzhľadu a funkčnosti.

Ako základná technológia spracovania plastov odráža proces vstrekovania plastov spoločnú inováciu materiálov, zariadení a foriem v procese svojho vývoja. Od predmetov dennej potreby až po špičkové priemyselné diely, technológia vstrekovania plastov podporuje rozvoj moderného výrobného priemyslu svojimi efektívnymi a flexibilnými vlastnosťami. S prehlbovaním inteligentných a zelených technológií bude proces vstrekovania plastov zohrávať väčšiu úlohu v presnej výrobe a šetrení zdrojov, čím sa podporí smerovanie výrobného priemyslu k vysokej kvalite.