Горячеканальные системы и технологии

Что такое горячеканальная система?

Благодаря целому ряду технологических и экономических преимуществ горячеканальные системы (ГКС) получили широкое применение для литья пластиковых деталей под давлением. Основная особенность технологии горячеканального литья заключается в том, что расплав полимера из термопластического автомата транспортируется в полость пресс-формы при заданной температуре, которая поддерживается в течении, как минимум, одного литьевого цикла.

Рабочая температура расплава в каналах ГКС обеспечивается электрическими нагревателями, управляют заданными тепловыми параметрами контроллеры (регуляторы), принимающие информацию от специальных датчиков (термопар), расположенных в различных точках системы.

Если сравнивать с холодноканальными системами, в каналах которых полимерный материал затвердевает и выталкивается вместе с отформованным изделием, то в ГКС расплав постоянно находится в текучем состоянии и не образует литника (застывшего в канале пластика). Именно поэтому горячеканальную систему ещё называют «безлитниковой». Подогрев литниковых каналов позволяет транспортировать текучую массу к точкам впрыска практически независимо от его длины и сечения, что обеспечивает равномерное (и одновременное) заполнение всех полостей оснастки практически любой сложности, в том числе крупногабаритной и многогнёздной.

Преимущества и недостатки ГКС

Применение безлитниковых систем даёт ряд преимуществ, недоступных при традиционном, холодном, литье.

• Они снижают себестоимость готового изделия и повышают рентабельность производства вцелом.
• Сокращается длительность цикла, из-за уменьшения времени охлаждения детали – не требуется ждать, когда застынет ещё и литник.
• Литник не нужно удалять из формы, отрезать от изделия, перерабатывать, хранить.
• Требуется меньшее количество материала, так как он не расходуется на литники. Соответственно, можно использовать менее производительную (по объёму впрыска, количеству приготовления расплава, давлению), не такую дорогую машину.
• Необходимо меньшее усилие на запирание пресс-формы (из-за меньшей площади соединяемых частей – плоскости разъёма).
• Не требуется дополнительное охлаждение литников.
• Нет существенных потерь давления. Оно может быть ниже как на впуске, так и при выдержке.
• Снижаются остаточные напряжения в изделии, уменьшается размер и количество утяжек.
• Возможно изготовления сложных деталей в габаритных, многоэтажных и многоместных формах. Доступны особые варианты литья (каскадное, «сэндвич», вспененное, многоцветное…).
• Значительно улучшается качество и эксплуатационные характеристики готового изделия – снижается и стабилизируется вес, увеличивается прочность. Можно уменьшить толщину стенок. Остаются лишь незначительные следы от питателя, так как нет необходимости отделять от детали застывшие отходы, как при холодном литье.

У ГКС есть некоторые недостатки, которые, между тем, нивелируются при больших объёмах производства.

• Пресс-форма для горячеканального литья намного сложнее, чем для холодных каналов, и несколько дороже. Во-первых, из-за наличия термических элементов, технологичных систем контроля температуры, дополнительных деталей. Второе, применяются особые (по теплопроводности), стойкие материалы и специальные покрытия деталей. Третье, конструирование и производство литьевого блока должно быть очень точным, особенно это касается пресс-формы.
• Повышается энергопотребление (если не учитывать расходы на переработку литников традиционных систем).
• Требуется более тщательное и квалифицированное обслуживание элементов системы.
• При неполадках имеется опасность термического разложения материала.
• После остановки работы системы, для возобновления процесса необходимо некоторое время.
• Требуется фильтрация расплава, либо использование только первичного качественного сырья.

Особенности конструкции горячеканальной системы

Среднестатистическая ГКС состоит из нескольких десятков деталей, но главными её элементами считается система сопел и коллектор. По коллектору полимерный расплав транспортируется в нужные зоны за плитой матрицы, а сопла обеспечивают впрыск текучего материала в полости пресс-формы. В зависимости от типа обогрева, все ГКС принято подразделять на системы с внутренним и системы с внешним подогревом а также изолированные литниковые системы, не имеющие прямого источника тепла.

Коллектор ГКС и его обогрев

Итак, коллектор (дистрибутор, распределительный блок) применяется для доставки материала от ТПА к нескольким соплам. По сути, это стальная плита с внутренними каналами круглого или кольцевого сечения, которая может иметь прямоугольную, круглую, X-образную, Н-образную или другую форму с различным количеством и расположением литниковых втулок. Распределительный блок закрепляется между плитой матриц и фланцевой плитой.

Коллектор с внутренним подогревом имеет встроенный по центру каналов обогреватель патронного типа, вокруг которого двигается полимерный расплав. Энергия нагревательных элементов в такой системе расходуется в основном только на обогрев полимера, так как на стенках каналов образуется слой затвердевшего расплава – своего рода тепловой барьер. Это является минусом при необходимости заменить тип материала или его цвет, из-за того что пристеночный слой выводится из коллектора длительное время. Однако в случае остановки литьевой машины (смена оснастки, профилактика…), внутренний подогрев позволяет быстро расплавить материал и возобновить работу ТПА.

Такой коллектор отличается простой монолитной конструкцией, что упрощает техническое обслуживание. К его плюсам можно также отнести: невысокую температуру поверхности пресс-формы, отсутствие утечек, уменьшенную нагрузку на нагреватель, лучшую энергоэффективность, сравнительно низкую цену.

Коллектор с наружным подогревом имеет конструкцию, где температура расплава поддерживается с помощью патронных или трубчатых нагревателей, расположенных снаружи литниковых каналов. В этом случае, для уменьшения теплопотерь в сторону окружающих плит, распределитель тщательно изолируется. Заметим, что энергия нагревателя расходуется на поддержание температуры полимерной массы и плиты, в которую он интегрирован. Коллектор с наружным подогревом лучше подходит для быстрой замены материала, но после остановок ТПА застывшая в каналах масса относительно долго расплавляется, потому что нагрев нужен для всей плиты.

Плюсами распределителя такого типа считается: однородность и стабильность температуры полимерного расплава, малый уровень сдвига материала, быстрая замена обогревателей, широкий ассортимент втулок и наконечников. Он хорошо справляется с транспортировкой вязких, конструкционных и термонестабильных (быстро разлагаемых) материалов.

Сопла ГКС и их обогрев

Сопло (инжектор, дюза) – это элемент ГКС который, предназначенный для впрыска расплава в полость пресс-форм. Количество дюз и расстояние между ними определяется размером формы и проектным расположением точек впрыска. Конструктивно инжекторы отличаются по типу и расположению нагревательного элемента, по типу впускного литника.

Прямоточные, незапирающиеся, открытые сопла не имеют запорного механизма, их канал гладкий, без резких сужений и расширений. В большинстве случаев они предпочтительнее вариантов с запорными клапанами, так как имеют простую конструкцию, при работе вызывают малые потери давления, канал открытого инжектора хорошо очищается, стоят такие системы значительно дешевле. Дюзы свободного истечения применяются для работы с литьевыми марками реактопластов, ПК, некоторыми марками ПЕ, непластифицированным ПВХ, полипропиленом.

К конструкции прямоточного сопла прилагаются некоторые специфические требования, так как при эксплуатации данного типа форсунок необходимо минимизировать подтекание расплава из литникового отверстия, уменьшить след от литника, обеспечить ламинарное (равномерное) течение расплава без завихрений и образования застойных зон, стабилизировать температуру в литниковой зоне.

Чтобы предотвратить потери расплава из незапирающегося сопла, его выходное отверстие часто делают в виде обратного конуса (вместо цилиндра), диаметр литника прямоточного сопла ограничивают 3,5-4 миллиметрами. Так в нём между циклами образуется пробка из застывшего полимера, которая удерживает расплав до следующего впрыска. Различные геометрические решения в конструкции прямоточных инжекторов (контактная площадь наконечника, его диаметр и высота) позволяют подобрать оптимальный вариант для работы с полимерами, обладающими различными свойствами. Для уменьшения следа от литника применяют сопла с теплопроводящим рассекателем (торпедо) и острые наконечники.

Стабилизация и регулирование температурного режима в литниковой зоне прямоточного сопла осуществляется подбором специальных материалов для изготовления наконечника, которые обладают особой теплопроводностью. Если нужно усилить тепловой поток, то применяют медь, TZM, сплавы меди. Если необходимо изолировать теплопередачу – используют титановые сплавы. Иногда применяются многослойные конструкции с комбинацией подобных материалов и кольцевидными изоляционными контурами из расплава или воздуха.

Для выполнения нестандартных задач (заливка боковых поверхностей, изготовление трубчатых деталей) могут применяться многоточечные инжекторы, с наклонными и горизонтально расположенными наконечниками.

Горячеканальные инжекторы с запорными клапанами не зависят от вязкости материала, исключают потери расплава, дают возможность фиксировать время впрыска, прерывать подачу материала в полость, обеспечивая одновременное или последовательное заполнение гнёзд пресс-формы (каскадное литьё), снижение чувствительности процесса к температурным градиентам внутри системы, управление давлением.

Для обеспечения стабильности литьевого процесса и качества готового изделия, каждое сопло комплектуется отдельным тепловым датчиком, с помощью которого добиваются независимого регулирования температуры в точке впрыска (во впускном литнике). При изготовлении ГКС очень важно правильно расположить термопару (лучший вариант – в зоне температурного максимума, поблизости от источника тепла).

Ещё один нюанс – для управления температурой необходимо организовать охлаждение в зоне впрыска (независимый контур). Чем ближе каналы охлаждения к впускному литнику, тем лучше они работают.

Обогрев сопел производится как внешним, так и внутренним способом. Иногда применяется обогрев смешанного типа. В случае с использованием электрических источников (спиральные, цилиндрические, резисторные…), нагрев называется прямым. Если тепло передаётся через длинный теплопроводящий сердечник (торпедо) или теплопроводящее сопло – это непрямой, косвенный нагрев.

Наружный обогрев производится открытым спиральным или цилиндрическим нагревателем, расположенным на литниковой втулке. Цилиндрический обогреватель имеет закрытую конструкцию, где элемент посажен на корпус втулки, залит и закрыт сверху нержавеющим кожухом. Он меньше загрязняется, хорошо защищён от повреждений, равномерно распределяет тепло по соплу, корректно работает при температурах до 350⁰С (конструкционные пластики). Спиральный обогреватель предназначен для работы при температурах до 250 градусов (общие материалы - ПЭ, ПС, ПП). Он имеет открытую конструкцию, поэтому для предотвращения перегрева отдельных участков элемента намотка витков делается неравномерной, чтобы компенсировать теплопотери по краям втулки.

Внутренний обогрев расплава в зоне впуска обеспечивается подачей и регулировкой тепла с помощью иглообразного наконечника, торпедо сопла. Также здесь применяются патронные нагреватели.

Выводы

Выбирая тип ГКС, следует учесть, что все они имеют свои недостатки и положительные моменты. Но недостатки конкретной горячеканальной системы, при определённых условиях, становятся её плюсами. Именно поэтому для грамотной комплектации системы следует учесть большое количество факторов, среди которых:

• Конфигурация изделия;
• Толщина стенок;
• Объём детали;
• Качество поверхностей, допустимый след от впускного литника;
• Планируемая частота замены материала;
• Особенности полимерного материала;
• Характеристики термопластавтомата.