Мега- и просто тенденции в области проектирования и производства литьевой оснастки

Упомянутые выше мегатенденции поддерживаются «просто тенденциями», в числе которых следует отметить дальнейшее расширение ассортимента стандартных элементов литьевых форм, упрощение их техобслуживания, совершенствование холодно- и горячеканальных систем (ГКС), все более широкое использование аддитивных технологий для производства литьевых изделий, элементов ГКС и формообразующих деталей (ФОД) литьевой оснастки, повышение срока службы форм, включая ФОД, цифровизацию и др. При этом ряд этих тенденций существует не по отдельности, а в совокупности друг с другом. Например, не одна, а сразу три воплощены в направлении «стандартизация горячеканальных инжекторов, изготавливаемых 3D-печатью». Так что систематизация приведенных ниже разделов обзора новых разработок по наименованию тренда носит условный характер. При этом ради справедливости следует заметить, что все приведенные примеры взяты из опыта европейских компаний, прежде всего немецких, большое количество которых, специализирующихся в области конструирования и производства литьевой оснастки, очевидно, заставляет их постоянно искать новые решения в условиях жесткой конкуренции друг с другом.

Стандартизация

Немецкая компания HASCO, отмечающая в 2024 г. 100-летний юбилей со дня основания, продолжает расширять свою программу стандартизации литьевой оснастки, предоставляя переработчикам пластмасс литьем под давлением больше гибкости при проектировании литьевых форм (рис. 1). Так, пакет стандартных плит литьевых форм был дополнен более чем 1500 новых типоразмеров с заранее просверленными монтажными отверстиями и без них (см. титульное фото). Ряд элементов сложной конфигурации, входящих в состав ГКС, сейчас изготавливается 3D-печатью. Так, в напечатанных игольчатых запорных клапанах практически отсутствуют застойные зоны при течении расплава, что, например, снижает опасность образования отложений и почти на 40 % ускоряет смену цвета перерабатываемого материала. Кроме того, более плавная форма каналов течения позволяет уменьшить напряжения сдвига в расплаве.

И без того обширный ассортимент стандартных выталкивателей расширен за счет более чем 600 новых, в том числе плоских, выталкивателей (рис. 2). Здесь основное внимание уделяется продлению их срока службы и снижению затрат на техобслуживание благодаря использованию инструментальной стали HSS, обладающей повышенными показателями прочности и термостойкости. Наконец, новые направляющие элементы, в том числе колонки и втулки, с более плотным прилеганием к плитам в месте посадки отличаются их упрощенным монтажом и более высокой технологической надежностью. Цифровые технологии реализуются в программном обеспечении (ПО), используемом для ускорения выбора нужных конструктору стандартных деталей литьевых форм.

При литье под давлением воздух, находящийся в гнезде или выделяемый из перерабатываемого материала, не должен попадать в отливку в процессе заполнения гнезда во избежание образования в изделии воздушных включений. В обычном случае отвод воздуха из закрытой формы осуществляется через выпоры или зазор в месте скользящей посадки выталкивателей. Однако это решение сопряжено с такими рисками, как образование облоя, ухудшение скольжения выталкивателей в сопрягаемом отверстии и, как следствие, ускоренный износ посадочных поверхностей. Немецкая компания Knarr решает эту проблему с помощью высокоточной спиралевидной геометрии углубления у выталкивающих элементов, которая обеспечивает надежную вентиляцию оформляющего гнезда при сохранении надежности посадки (рис. 3). При этом глубина спиралевидного углубления по всей длине выталкивателя составляет всего 0,02 мм, что вполне достаточно для удаления воздуха. В стандартном исполнении подобные выталкиватели выпускаются в диапазоне значений диаметра от 2 до 12 мм и длиной до 450 мм, в специальных случаях — длиной до 750 мм.

Полный ассортимент стандартизированной продукции, выпускаемой компанией HSB Normalien (Германия) и предназначенной для изготовления литьевых форм, в настоящее время насчитывает около 36 тыс. позиций. В случае краткосрочных проектов или нехватки производственных мощностей у клиентов компания оказывает им также поддержку в плане производства как собственно литьевой оснастки, так и сопутствующих деталей. Примером служат плиты с габаритными размерами до 2000×3000 мм и массой до 10 т, которые могут быть обработаны по заказу клиента (рис. 4).

Компания Strack Norma, также производящая стандартные детали литьевых форм, сообщила о своих новых разработках, в числе которых:

• центрирующие шпонки, которые используются в индексных пластинах при двухкомпонентном литье и обеспечивают точное
• центрирование вставок или пластин после их поворота в новое положение;
• водяной фильтр с чистотой фильтрации 200 мкм, предотвращающий засорение охлаждающих каналов системы термостатирования формы или преждевременный износ уплотнений;
• силиконовые щетки, предназначенные для равномерного распределения смазки даже в труднодоступных местах;
• специальный поворотный рым-болт, экономящий время при транспортировке формы по сравнению с классическим вариантом;
• спиралевидный пуансон, напечатанный на 3D-принтере и позволяющий, по словам производителя, обеспечить эффективное контурное охлаждение отливки и сократить тем самым время цикла литья (рис. 5).

Горячеканальные решения

Немецкая компания Yudo предлагает под брендом Yudo Pack геометрически и термически сбалансированное решение для ГКС, используемых при литье жесткой тонкостенной упаковки. В зависимости от перерабатываемого материала и формы, пользователь может выбирать из двенадцати различных типоразмеров горячеканальных инжекторов с запорным игольчатым клапаном (рис. 6). Герметизирующий колпачок на инжекторах облегчает эффективную смену материала или его цвета, а спиралевидный наконечник обеспечивает хорошее перемешивание расплава при впрыске и равномерное распределение цвета. Чтобы предотвратить вращение или даже ослабление сопел во время работы, они фиксируются фланцем. Ввинченная вставка литниковой втулки упрощает обслуживание сопел, а теплоизоляция в зоне контакта формы с ГКС обеспечивает стабильный тепловой профиль расплава в инжекторе, стабилизируя тем самым процесс литья.

Компания Ewikon (Германия) расширяет линейку горячеканальных инжекторов с игольчатым затвором для прямого бокового впрыска расплава, добавив компактную мультиинжекторную версию под брендом Pro Edge VG (рис. 7). Конструкция основного канала течения внутри этого блока разработана таким образом, что в сочетании с его естественной балансировкой обеспечиваются одинаковые траектории потока во всех восьми боковых инжекторах, равномерно расположенных по окружности, и, следовательно, равномерное заполнение всех оформляющих гнезд. Одновременно упрощается их охлаждение. Линейный серводвигатель последнего поколения обеспечивает синхронное высокоточное срабатывание запорных игл, ход и скорость открывания которых могут плавно регулироваться. Ewikon стремится предельно упростить обслуживание подобных инжекторов. Так, для каждой точки впрыска все изнашиваемые детали, такие как игла, ее направляющая и уплотнение, объединены в один узел, который можно заменять непосредственно на литьевой машине с плоскости разъема формы без необходимости ее демонтажа. Это позволяет значительно сократить время простоя машины при плановом техобслуживании.

Сплошными преимуществами, по заверению немецкой компании Günther Heisskanal-technik, обладают ее горячеканальные инжекторы новой серии BlueFlow (рис. 8): уменьшенное на 50 % энергопотребление, точный и равномерный температурный профиль по всей длине инжектора, минимальная инерционность при выходе на заданный тепловой режим, отсутствие утечек, простота монтажа и демонтажа. Разработчики объясняют это конструктивными особенностями новинки, среди которых следующие:

• значительно меньшая толщина ленточного нагревателя, что обеспечивает лучшую теплопередачу и экономию энергии за счет его малой инерционности;
• очень узкая конструкция инжектора и небольшой диаметр его хвостовика, обеспечивающие минимальный занимаемый объем внутри формы;
• улучшенная теплоизоляция;
• высокая теплопроводность наконечника инжектора;
• удобные для монтажа и демонтажа разъемы питания и термодатчика.

Немецкая компания Witosa представила новинку в виде напечатанного на 3D-принтере пневмоприводного узла ГКС, управляющего срабатыванием игольчатых запорных клапанов (рис. 9, а). По словам производителя, этот узел отличается компактной инновационной конструкцией, которая может быть изготовлена только с помощью аддитивной технологии. Благодаря этому сводится к минимуму монтажная высота литьевой формы, а ее гнезда могут быть расположены на минимальном расстоянии друг от друга. Во время опытно-промышленной отработки новый приводной узел доказал свою надежность и эффективность, не потребовав техобслуживания в течение трех миллионов впрысков.

Для литьевых форм с ГКС, оснащенных указанным приводным узлом, существует возможность блокировки дефектных оформляющих гнезд пластиковой, также напечатанной крышкой с надписью STOP. Тогда, если у переработчика возникли проблемы с каким-либо одним гнездом, а он все еще хочет продолжать производство, проблемное гнездо можно отключить. Когда форма затем отправляется на ремонт или техобслуживание, снаружи сразу видно, на какую оформляющую полость следует обратить внимание (рис. 9, б).

Техобслуживание и ремонт

Компания Sauer & Sohn из Германии, имея мощную машиностроительную базу и опытный персонал, нашла свою рыночную нишу в форме поддержки серийного производства переработчиков пластмасс литьем под давлением в случае каких-либо проблем с литьевой оснасткой. В целом пакет предлагаемых услуг включает в себя следующие основные позиции:

• работы по техобслуживанию форм, включая предоставление соответствующих компонентов, таких как горячие каналы, а также изготовление или закупку запасных частей на замену изношенных деталей;
• оптимизация конструкции форм;
• ремонт или модернизация литьевых форм, осуществляемые, по желанию заказчика, на его предприятии или на заводе Sauer & Sohn (рис. 10).
• В последнем случае погрузку и разгрузку даже очень тяжелых форм компания берет на себя.

Новое устройство модели Rud Tecdos TM 08/10—5, разработанное немецкой компанией Rud Ketten Rieger & Dietz, предназначено для надежного и безопасного обращения с литьевыми формами весом до 5 т в случае их смены, техобслуживания или ремонта (рис. 11, а). При этом габариты этого устройства составляют всего 140×80×100 см при размерах рабочего стола 80×100 см. Данная версия стала промежуточной в линейке подобных с грузоподъемностью от 2,5 до 64 т. Так, в первом случае устройство представляет собой поддон, оснащенный салазками с рельсовыми направляющими и поворотными столами, на которых располагаются полуформы массой до 2,5 т и габаритами рабочей поверхности до 30×60 см (см. рис. 11, а). При этом операции по их перемещению и повороту выполняются одним оператором вручную, без использования крана или дополнительных вспомогательных электрических, пневматических или гидравлических механизмов. Перемещение самих устройств по цеху осуществляется без проблем с помощью простого автопогрузчика.

Другие решения

В число услуг, предлагаемых баварской компанией Toolcraft AG, входит лазерное напыление порошкообразного металла (LMD: Laser Metal Deposition) на оформляющую ФОД литьевых форм, что позволяет существенно повысить их износостойкость. Так, поверхность изделия из термопласта, наполненного 20 % стекловолокна, сохраняет высокий блеск даже после 50 тыс. впрысков (рис. 12). Для целей прототипирования и выполнения заказов небольшого размера компания использует технологию 3D-печати, обеспечивающую производство изделий сложной формы из термостойких пластиков.

Австрийская компания Haidlmair является известным экспертом в области разработки и изготовления крупногабаритных литьевых форм для производства пластиковых изделий различного назначения, таких как ящики для бутылок, мусорные и транспортные контейнеры, поддоны и т.п. Примером одного из последних инновационных решений служит форма для литья шестиместного ящика, предназначенного для хранения и транспортировки бутылок с напитками (6DC: 6 Drinks Crate) (рис. 13). В данном случае для впрыска используется разработанное ранее Haidlmair широкое шлицевое сопло (FDU: Flat Die Unit), которое повышает скорость заполнения формы и особенно хорошо подходит для литья вторичных пластиков. Форма также оснащена гибридными запорными соплами, втулки которых имеют износостойкое покрытие и приварены к другим материалам для обеспечения эффективного охлаждения. Кроме того, при необходимости предусмотрена возможность быстрой замены формообразующих вставок с выгравированными фирменными брендами.

Австрийская компания Rico Group спроектировала и изготовила 256(!)-гнездную форму для серийного производства литьем под давлением уплотнений из жидкого силикона (LSR) массой 0,6 г (рис. 14). При этом время цикла составило всего 15 с при усилии смыкания 130 т. Несмотря на наличие 256 гнезд, форма оказалась чрезвычайно компактной, имея габариты всего 446×611×351 мм. Разработанная самобалансирующаяся холодноканальная система с двумя главными впускными каналами не требует регулировки и обеспечивает безотходность производства. Система съема позволяет как выталкивать готовые детали россыпью, так и раскладывать их по отдельным местам.

Немецкая компания Nonnenmann расширяет ассортимент быстроразъемных соединений (БРС) магистралей с энергоносителями — водой, маслом, сжатым воздухом или вакуумом — в целях сокращения времени, затрачиваемого на смену и техобслуживание литьевых форм (рис. 15). Так, новое мульти-БРС позволяет соединять до 12 контуров одним движением рукоятки, что эквивалентно в общей сложности 24 отдельным подключениям входа и выхода энергоносителя. В зависимости от области применения, БРС могут быть изготовлены из латуни, обычной или нержавеющей стали для работы при температуре до 300 °C и давлении до 160 бар. В свою очередь, во избежание путаницы соединительные шланги предлагаются в четырех различных цветах — синем, желтом, зеленом и красном — в качестве альтернативы стандартному исполнению в черном и сером.

Как известно, при литье термопластов, наполненных короткими волокнами, последние ориентируются вдоль направления впрыска и течения расплава, что нежелательно для ряда изделий. Таковыми, например, являются трубчатые детали, часто используемые в автомобилестроении и эксплуатируемые под высоким внутренним давлением. И если впрыск осуществляется вдоль их оси, то и волокна ориентируются в осевом направлении, усиливая его по сравнению с окружным, тогда как от подобных деталей требуется противо- положное соотношение показателей прочности. Дело в том, что напряжение растяжения стенки трубы, работающей под внутренним давлением, в окружном направлении в два раза больше, чем в осевом. Оригинальное решение этой проблемы предлагает Университет г. Оснабрюка (Германия) в виде вращающегося в процессе литья цилиндрического пуансона, оформляющего внутреннюю полость трубчатого изделия и заставляющего ориентироваться короткие волокна преимущественно в окружном направлении (рис. 16). При этом предельное внутреннее давление р, которое может выдерживать трубчатое изделие, может быть повышено более чем на 100 %. Об этом свидетельствуют результаты испытаний трубок, изготовленных литьем под давлением из ПП, наполненного 50 % коротких стеклянных волокон (PP LGF50). Как видно из рис. 17, значение р повышается с увеличением скорости вращения пуансона и толщины стенки трубок, причем чем больше толщина, тем в большей степени заметен эффект повышения прочности. Для того чтобы продлить расплавленное состояние отливки и ее способность к течению под действием вращения пуансона, предлагается также использовать вариотермический нагрев ФОД.
Понятно, что данное решение потребует значительных дополнительных затрат, связанных с организацией вращательного движения пуансона и вариотермического нагрева ФОД, о чем, впрочем, разработчики умалчивают.

В совместном проекте немецких компаний Sigma Engineering и H&B Electronic методом моделирования, реализованным с помощью программного обеспечения Sigmasoft (зона ответственности Sigma Engineering), была исследована эффективность охлаждения отливки с помощью контурной системы термостатирования, напечатанной на 3D-принтере (зона ответственности H&B Electronic). Как оказалось, данная система позволяет существенно сократить время охлаждения и тем самым время цикла (рис. 18). В настоящее время 3D-печать находит все более широкое применение при изготовлении элементов литьевой оснастки сложной формы, которые не могли бы быть произведены другими методами, а моделирование позволяет еще до изготовления формы виртуально оценить преимущества такого решения и величину дополнительных затрат на контурное охлаждение по сравнению с обычным.

Опубликовано в журнале «Полимерные материалы» № 6 (301) 2024 г., с. 18-24.