ПРОЦЕСС ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОДАЧИ ГАЗА МЕТОДОМ ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО УДАРА И.М.АНТОНОВА Российский патент 2002 года по МПК B29C45/00 

Изобретение относится к области обработки материалов в пластическом состоянии для получения изделий преимущественно из полимерных материалов, в частности в автомобильной промышленности: деталей кузова, панелей, бамперов, консолей, ручек, деталей внутренней и внешней отделки, элементов внутреннего интерьера, решеток, пустотелых жестких конструкций и т.п., а также электробытовых деталей, например корпусов телевизоров, компьютерных мониторов, крышек панелей, несущих каркасов и др., и предметов мебели, упаковки и т.п.

Известен способ литья под давлением с использованием сжатого газа, заключающийся в том, что нагретую полимерную композицию впрыскивают под давлением в полость формы, инжектируют в композицию газ для заполнения полости. При этом используют газ с относительно высоким давлением при хранении, а введение газа в форму осуществляют при относительно более низком давлении по сравнению с исходным и понижают давление этого газа до еще более низкого значения, которое сохраняется при сбрасывании давления в форме. Отформованное полимерное изделие охлаждают, форму вентилируют, размыкают полуформы и извлекают изделие из формы (US 5039463, кл. В 29 С 45/00, опубл. 13.08.1991).

Недостатком этого способа является то, что при его осуществлении требуются относительно большие расходы газа высокого давления, а максимальное давление ограничено усилием смыкания формы термопластавтомата.

Известен способ формования пластмассовых изделий с применением дополнительного газа, заключающийся в том, что в форму впрыскивают определенное количество расплавленного полимера, достаточное для образования изделия, полимер проходит по литниковому каналу до полости формы, затем в форму подают порцию газа под давлением так, что количество газа и его давление достаточны для входа газа в названный канал, но не достаточны для входа в полость. Эту порцию газа удерживают под давлением до отверждения полимера внутри полости формы, а затем сбрасывают давление (US 4948547, кл. В 29 С 45/00, опубл. 14.08.1990).

Недостатком его является то, что относительно низкие давления газа не позволяют сформировать пространственно сложные изделия.

Известен также способ литья под давлением с дополнительной подачей сжатого газа, заключающийся в том, что в полость формы впрыскивают расплавленный термопласт в количестве, достаточном для образования изделия, затем в полость формы вводят сжатый газ, полученное полое изделие охлаждают ниже температуры охлаждения термопласта, в результате чего изделие принимает окончательную конфигурацию. Из газовой полости, образовавшейся внутри изделия, выпускают газ, снижая давление в этой полости от первого значения до второго. Во время охлаждения и отверждения формовочного материала, находящегося в относительно вязком состоянии, в газовой полости поддерживают второе давление, после отверждения материала давление внутри полости уменьшают до атмосферного (US 5112563, кл. В 29 С 45/00, опубл. 12.05.1992).

Недостатком этого способа является то, что при реализации этого способа требуется значительное время для получения окончательной конфигурации, что в свою очередь экономически не целесообразно.

Известен способ формования пластмассовых изделий с дополнительной подачей газа, заключающийся в том, что в полость формы впрыскивают первую порцию расплавленной полимерной композиции, которой недостаточно для образования изделия, после чего в полость подают сжатый газ, давление и количество которого достаточны для того, чтобы прекратить течение первой порции расплавленной полимерной композиции. Одновременно с подачей сжатого газа в полость начинают подавать вторую порцию расплавленной полимерной композиции. Сумма первой и второй порций является достаточной для получения изделия. После завершения подачи второй порции в полость продолжают подавать сжатый газ, обеспечивающий распределение в полости всего количества полимерной композиции, при этом давление газа внутри изделия поддерживают до отверждения изделия в полости формы (US 5110533, кл. В 29 С 45/00, опубл. 05.05.1992).

Недостатком его является то, что двухстадийная подача материала приводит к образованию дефекта "холодного спая" на поверхности изделия, устранение которого требует повышенного расхода материала.

Все указанные выше способы изготовления изделий из полимерных материалов с помощью инертных газов относятся к технологиям газонаполненного литья с газовой поддержкой, так называемой "Gas Assist Injection System".

В основу изобретения положена задача значительного повышения качества изделий, а именно: устраняются линии связи, удаляются следы усадки и в изделии не остаются остаточные напряжения, существенно снижается себестоимость изделий: снижается вес изделия на 10-50%, а следовательно, и уменьшается расход материала, уменьшается количество брака, снижаются расходы на форму и время цикла процесса литья на 10% и более. Кроме этого заявленный процесс литья под давлением с использованием подачи газа методом газодинамического удара позволяет получить изделия с более высокой прочностью, т.к. возможно изготовление деталей трубчатого сечения и с приливами и ребрами жесткости.

Процесс литья под давлением с использованием подачи газа методом газодинамического удара назван: "Gas dynamic shock process" и разработан И.М. Антоновым.

Поставленная задача решается тем, что процесс литья под давлением осуществляется с использованием подачи газа методом газодинамического удара и заключается в том, что в полость формы, сжатой давлением смыкания Р, подают расплавленный материал под давлением Р₁, а операцию подачи газа в полость формы осуществляют во время подачи материала методом газодинамического удара для равномерного распределения материала по внутренней поверхности формы, при этом газ подают в течение времени t₂, равного 0,01-5,0 с, с давлением Р₂ до 1000 МПа.

При этом величина давления Р смыкания формы может находиться в пределах 50-200 МПа, а величина давления P₁ материала - в пределах 30-50 МПа.

Кроме этого, материал, из которого изготавливается изделие, может представлять собой термопласт, а в качестве газа можно использовать пар.

Указанные параметры газодинамического удара получены экспериментальным путем применительно к таким материалам, как термопласты, т.е. термически пластичным материалам, позволяющим многократное использование и многократное фазовое превращение. К таким материалам относятся: полиэтилен, полипропилен, полиамид, поликарбонат, АБС пластик и др.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязанными между собой причинно-следственной связью с образованием совокупности существенных признаков, достаточных для достижения технического результата.

Газодинамический удар, представляет собой процесс с волновым механизмом передачи давления. Поскольку газовая волна обеспечивает точную и почти мгновенную передачу давления по всей полости, образованной внутри расплавленной полимерной массы, достигается эффект равного давления во всех точках формируемого изделия при подаче газа в течение очень короткого времени, которое равно 0,01-5,0 с при очень высоком давлении до 1000 МПа.

По сравнению с известными способами заявленный процесс литья под давлением изделий из полимерных материалов с использованием подачи газа методом газодинамического удара позволяет:
во-первых, значительно повысить качество изделий:
- полностью исключить дефекты на поверхности изделия,
- уменьшить или полностью исключить остаточные внутренние напряжения,
- уменьшить коробления и поводки,
- повысить точность линейных размеров изделия;
во-вторых, снизить себестоимость изделий:
- снизить расход материала,
- уменьшить длительность производственного цикла,
- возможность получения более прогрессивной конструкции изделия;
в-третьих, снизить инвестиционные затраты:
- позволяет снизить усилие запирания на литейной машине (термопластоавтомате - ТПА) и, следовательно, использовать ТПА меньшей размерности,
- снизить износ форм за счет уменьшения износа подвижных частей,
- снизить стоимость форм за счет упрощения и, в конечном итоге, отказа от горячеканальных систем,
- снизить стоимость форм за счет использования более дешевых материалов.

На фиг. 1 изображен график распределения давлений по времени, где Р - давление смыкания формы, P₁ - давление материала, Р₂ - давление газа.

Заявленный технологический процесс заключается в следующем. В пресс-форму впрыскивается расплав полимерного материала. Его подача прекращается, когда он заполнит 50-60% объема формы (для полого изделия) или 90-95% (для монолитного изделия). Затем в форму под высоким давлением до 1000 МПа со сверх коротким временем впрыска от 0,01 до 5,0 с (аналогично волновому источнику) подается инертный газ (в большинстве случаев азот). Волны газа со сверхвысокими пиками давления способствуют заполнению материалом всего объема формы и дополнительно уплотняет его.

В полых изделиях, получаемых таким методом, хорошо сочетаются стенки различной толщины и обеспечивается высокое качество лицевой поверхности.

Возможны два варианта подачи газа:
- управляемым давлением газа, т.е. с использованием компрессора и клапанного механизма быстрого срабатывания или
- с управляемым объемом подаваемого газа, т.е. с использованием поршневого дозирующего компрессора импульсного действия.

Примеры реализации настоящего способа.

Пример 1.

При изготовлении из полипропилена пустотелого стержня, имеющего следующие размеры: диаметр - 15 мм и длину - 480 мм, в двухместную форму при давлении смыкания Р= 80 МПа подается расплавленный полипропилен, температура которого t₁=210^oС, а давление P₁=60 МПа в количестве 50% от полного объема, затем подается азот с давлением Р₂=50 МПа в течение t₂=0,7 с.

Вес стержня, полученного известным способом, составляет 80 г, а полученного заявленным способом 51,8 г. При этом характерными особенностями являются высококачественная поверхность и поперечная жесткость.

Полученное изделие на 40% легче монолитного, а время рабочего цикла уменьшилось на 20%, в результате себестоимость изделия снизилась на 30%.

Пример 2.

При изготовлении каркаса усилителя панели приборов автомобиля ГАЗ3111, имеющего следующие размеры: длину - 1600 мм, ширину - 400 мм, глубину - 280 мм, а толщину стенок - 2,5 мм из материала "АБС + поликарбоната", в одноместную форму при усилии смыкания 1000 тонн (Р=90 МПА) подается расплавленный материал с температурой t₁=240^oС и давлением впрыска Р₁=60 МПа в количестве 90% от полного объема, затем подается азот с давлением Р₂=700 МПа в течение времени t₂=1,2 с.

Полученное изделие соответствует заданным требованиям и имеет следующие характерные особенности, а именно: сложную пространственную форму с тонкостенными ребрами, бобышками, утолщениями. Изделие не имеет остаточных напряжений, короблений и поводок.

Изобретение соответствует критерию "промышленная применимость", поскольку осуществимо с помощью известных материалов, средств производства и технологий. При производстве возможно использование традиционного литейного оборудования. Кроме этого процесс литья возможно математически моделировать на стадии проектирования изделия и пресс-формы.

Изобретение относится к обработке материалов в пластическом состоянии для получения изделий преимущественно из полимерных материалов, в частности в автомобильной промышленности, электробытовых деталей, предметов мебели, упаковки и т.п. Способ заключается в том, что в полость формы, сжатой давлением смыкания Р, подают расплавленный материал под давлением P₁. Одновременно для равномерного распределения материала по внутренней поверхности формы подают сжатый газ в течение времени t₂, равного 0,01 - 5,0 с, с давлением Р₂ до 1000 МПа. В изделии не остаются остаточные напряжения, снижается расход материала, уменьшается количество брака, уменьшается время цикла. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Процесс литья под давлением с использованием подачи газа методом газодинамического удара, заключающийся в том, что в полость формы, сжатой давлением смыкания Р, подают расплавленный материал под давлением Р₁, а операцию подачи газа в полость формы осуществляют во время подачи материала методом газодинамического удара для равномерного распределения материала по внутренней поверхности формы, при этом газ подают в течение времени t₂ равном 0,01 - 5,0 с, с давлением Р₂ до 1000 МПа. 2. Процесс по п.1, отличающийся тем, что величина давления Р смыкания формы находится в пределах 50 - 200 МПа. 3. Процесс по п.1, отличающийся тем, что величина давления Р₁ материала находится в пределах 30-50 МПа. 4. Процесс по п. 1, отличающийся тем, что материал представляет собой термопласт. 5. Процесс по п.1, отличающийся тем, что в качестве газа используют пар.