Заглавное фото: для сравнения: в левом стаканчике находятся 7000 микрозажимов (см. рис. 1, а), а в правом – 500 штекеров (источник: Micro Systems)
Микролитье
Микролитье под давлением все шире используется в медицине, оптике, микроэлектронике, при изготовлении часов, фототехники и др. К микролитью принято относить производство микродеталей четырех видов:
- макроскопические детали с микроскопической структурой, такие как CD и DVD;
- детали с массой более 1 г, некоторые элементы которых имеют размеры порядка микрометров;
- детали, допуски на размеры которых лежат в пределах микрометров;
- детали, масса которых измеряется миллиграммами и долями миллиграмм.
При этом высота микронеровностей или глубина микроструктур может составлять менее 20 нм. Изделия с такими характеристиками применяются среди прочего в слуховых аппаратах, инсулиновых насосах, электростимуляторах сердца, датчиках и смартфонах… Этот список можно продолжать до бесконечности.
На рынке существуют немногочисленные компании, которые специализируются исключительно на микролитье под давлением. Например, британская Micro Systems сосредоточилась на производстве микродеталей для медицины, биотехнологии и оптики. Примером подобной продукции служат микрозажимы для перекрытия движения потока крови в кровеносном сосуде, имеющие длину 2,5 мм, ширину 0,5 мм и толщину 0,3 мм (см. фото у заголовка статьи и рис. 1, а). Они изготавливаются в условиях чистого помещения из биорассасывающегося материала, который со временем без остатка разлагается в теле пациента. Их производство осуществляется в трехплитной литьевой форме, имеющей от 4 до 8 гнезд, в рамках полностью автоматизированного технологического процесса, включающего оптический контроль качества и упаковывание. При этом суммарная масса литников не превышает 0,1 г, что является очень важным обстоятельством, если учесть, что стоимость используемого материала составляет свыше 5000 евро/кг.
Другой пример – обтурационные инструменты, которые применяются в стоматологии (рис. 1, б). При этом минимальный диаметр гнезда литьевой формы составляет всего 0,18 мм (в области тонкого конца этой микродетали) при длине 38 мм.
Для многих ведущих машиностроительных компаний мира микролитье под давлением, занимающее существенный по объему сегмент рынка, является, как правило, лишь одним из направлений их бизнеса, для которого они разрабатывают соответствующие по размерам и мощности термопластавтоматы (ТПА). Так, у австрийской компании Wittmann Battenfeld это отражено даже в названии ее серии предназначенных для этих целей машин – MicroPower. Примером являются двухкомпонентные мембраны из термопласта и жидкого силикона (LSR), предназначенные для миниатюрного динамика и изготавливаемые на ТПА модели MicroPower 15/10H/10H Combimould (рис. 2), оснащенном двухступенчатыми шнеково-поршневыми узлами впрыска обоих компонентов.
Множество разнообразных пластиковых микродеталей требуется в сфере медицины, для использования в которой австрийская компания ENGEL предлагает компактный, полностью электрический ТПА e-mac 265/130 (рис. 3, а), который имеет пакет оснащения для чистого помещения и предназначен в данном случае для литья в 96-гнездной форме защитных колпачков для одноразовых шприцев с минимальным временем цикла – 6,2 с (рис. 3, б).
Другим примером от той же компании служат мельчайшие прецизионные силиконовые детали для офтальмологии массой 0,0013 г каждая производятся в холодноканальной 32-гнездной форме на полностью электрическом бесколонном ТПА e-motion 50/30 TL компании ENGEL (рис. 4). Эти филигранные детали имеют длину 1,7 мм и толщину всего 0,9 мм. В состав производственной ячейки входят также высокоточный насос, дозирующий LSR, система камер для контроля качества, разработанная фирмой ACH Solution и линейный робот viper 12. Однако изготовление крошечных деталей было бы невозможным без нового агрегата для микролитья LSR. Именно благодаря ему стало возможным производить прецизионные силиконовые детали с массой впрыска менее чем 0,1 г.
На новом ТПА компании Arburg модели Allrounder More 1600 производятся со сборкой в (4+4)-гнездной форме (изготовитель – фирма Braunform) готовые к использованию двухкомпонентные коннекторы шприцев типа Luer (рис. 5). Масса этих компонентов, изготавливаемых из ПП и TПЭ, составляет всего 0,2 и 0,05 г соответственно. «Деликатное» манипулирование этими микродеталями осуществляет шестиосевой коленно-рычажный робот фирмы Yaskawa.
Компания Präzisions-Kunststoff-Teile (PKT) из Германии вот уже более 50 лет специализируется в области литья под давлением пластиковых изделий для медицины и часовой промышленности, где зачастую требуются миниатюрные детали с высокой размерной точностью. Впечатляющим примером служат не просто мелкие, а совсем крошечные микрошестеренки массой менее 0,0006 г и внешним диаметром 1,33 мм, серийно изготавливаемые в многогнездной форме (рис. 6). Очевидно, что на сегодня это рекорд в микролитье.
Что касается литьевого оборудования, то самые миниатюрные ТПА – это хорошо известные на российском рынке горизонтальные и вертикальные литьевые машины серии Babyplast, в том числе настольного типа, имеющие усилие смыкания до 100 кН, занимающие площадь всего 0,6 м2 и предназначенные для производства широкого спектра микродеталей из пластика и LSR, в том числе многокомпонентных (рис. 7).
Макролитье
Что касается макролитья изделий из пластмасс, то оно не отстает от микролитья, если иметь в виду стремление ведущих машиностроительных компаний добиться новых успехов в «тяжелом весе». И дело тут не столько в рекордах (хотя это тоже важно для имиджа компании на мировом рынке), сколько в заинтересованности потребителей больших машин – переработчиков пластмасс – в производстве крупногабаритных изделий массой до 100 кг и более, востребованных на рынке. Примерами таковых могут служить мусорные контейнеры с непреходящим спросом на них, поддоны, баки для хранения воды, колодезные кольца и т.д. И качество этой макропродукции имеет не меньшее, чем в случае микролитья, значение. Так, только одно подобное, но бракованное изделие будет представлять собой отход, который по массе почти в 170 млн раз (!) превысит отход в виде той же, но также бракованной, микрошестеренки массой 0,0006 г (см. рис. 6).
В апреле 2023 г. компания KraussMaffei сообщила о поставке швейцарской компании Georg Utz на 22 (!) грузовиках (по одному на станину, на две колонны, на каждую плиту и т.д.) самой большой своей литьевой машины – MX 4000-75000 с усилием смыкания 4000 т (рис. 8, а). После 12 недель монтажа и наладки новый ТПА был введен в эксплуатацию и заменил старый с усилием смыкания 2700 т.
MX 4000-75000 оснащен двухуровневой системой автоматизации, которая позволяет выполнять такие операции, как нанесение RFID, штрих-кодов IML и логотипов, лазерную маркировку, и контроль качества и последующую обработку в такт циклам литья, не снижая производительности процесса. Непосредственно на машине установлены два робота LRX (также от KraussMaffei), каждый из которых имеет ось Z длиной более 12 м для обеспечения особенно большого радиуса действия.
Основными видами продукции на заводе Georg Utz являются крупногабаритные контейнеры, ящики и поддоны, изготавливаемые главным образом из полиолефинов (рис. 8, б). При этом доля рециклята в изделиях в настоящее время составляет около 35 %, а в перспективе должна возрасти до 80 %. «Умная» функция APC Plus в новом ТПА регулирует точку переключения и величину давления подпитки в зависимости от вязкости расплава в новой партии сырья, что обеспечивает стабильную массу изделий (более подробно о функции APC Plus см. в ПМ № 6 2017 г., с. 34–37). Тем самым компенсируются колебания свойств материала, возникающие из-за возможных различий в сырье и содержании рециклата.
В Россию самый первый большой ТПА – модели duo 5500 с усилием смыкания 5500 т, предназначенный для производства полимерных мусорных баков емкостью 1100 л и контейнеров iBox для фруктов и овощей, был поставлен еще в 2012 г. австрийской компанией ENGEL на завод ООО «Ай-Пласт» в г. Нижнекамске. Совсем недавно ENGEL смонтировала в своем технологическом центре в г. Санкт-Валентине ТПА модели duo 5500 combi M с тем же усилием смыкания, но с расширенными функциональными возможностями (рис. 9, а). Этот трехплитная машина, предназначенная для тестирования многокомпонентного литья клиентами, весит 545 т, имеет 32 м в длину, 13 м в ширину и 6,8 м в высоту и способна принять формы весом до 150 т (рис. 9, б). ТПА оснащен двумя горизонтальными узлами впрыска, а также двумя шестиосными роботами-манипуляторами ЕNGEL easix. На примере этого duo 5500 combi M можно вживую познакомиться с различными литьевыми технологиями ENGEL: clearmelt, foammelt, organomelt, optimelt, combimelt и foilmelt.
Но самые большие свои ТПА ENGEL поставила в США на завод компании Infiltrator Water Technologies (IWT), специализирующейся на производстве крупногабаритных изделий для водоподготовки, первый – в 2022 г., второй – в 2023 г. Речь о двухплитных двухкомпонентных ТПА модели Duo 130000/130000H/8200 Combi длиной 29,3 м и шириной 6,4 м. Каждый из них имеет усилие смыкания 8000 т и оснащен двумя узлами впрыска со значениями объема и массы впрыска, равными 85 тыс. см3 и 122 кг соответственно. ТПА такого масштаба могут достигать расхода материала в две тонны в час. Сначала каждый из ТПА был собран на заводе больших машин ENGEL в г. Санкт-Валентине, а затем протестирован и принят в присутствии команды заказчика (рис. 10), после чего предстояла трудная задача его транспортировки в разобранном виде из Австрии в США.
Достаточно сказать, что сначала крепежные плиты, каждая из которых весила 117 т, перевозились по Дунаю на грузовых баржах, а для транспортировки по суше потребовалось 29 грузовиков для всех частей ТПА, причем для перевозки той же отдельной крепежной плиты был использован специальный нестандартный транспорт (рис. 11). Но «все хорошо, что хорошо кончается», и сейчас оба «тяжеловеса» успешно работают на заводе IWT.
В феврале 2022 г. китайская компания YIZUMI сообщила о создании сверхмощного двухплитного ТПА YIZUMI 8500T с усилием смыкания 8500 т (рис. 12, а). Общая высота машины превышает 6 м (выше двухэтажного дома), длина составляет около 27 м, а площадь – 251 м2 (больше, чем у трех площадок для игры в бадминтон). При этом только одна его плита весит более 140 т, что эквивалентно весу 23 азиатских слонов (!) (рис. 12, б). Этот ТПА, имеющий два узла впрыска с массой впрыскиваемого материала 80 кг, отличается также высокой повторяемостью открывания и закрывания пресс-формы с точностью до ±0,3 мм. В компании подчеркивают, что 8500 т – это номинальное усилие смыкания, а максимальное может достигать 9000 т.
«Эту машину можно считать важной вехой в истории YIZUMI, потому что в настоящее время она является крупнейшей машиной для литья под давлением в Китае с точки зрения усилия смыкания и массы впрыска»
сообщила пресс-служба компании.
Но спустя всего лишь год, в октябре 2023 г., другая известная китайская компания – HAITIAN – успешно сдала французской компании Belli двухплитный сервогидравлический ТПА JU88000 серии Jupiter с усилием смыкания 8800 т, объемом впрыска 134 тыс. см3 и весом 138 т, оснащенный роботом собственной марки Hilectro модели VD-150ID и предназначенный для производства крупногабаритных пластиковых баков для хранения дождевой воды в регионах Европы с небольшим количеством осадков. (рис. 13). Габаритные размеры ТПА составляют 27,2´9,5´6,1 м, крепежных плит – 5560´4920´1990 мм. Но сказать о том, что это самая мощный ТПА в мире, представляется затруднительным: с одной стороны, его усилие смыкания (8800 т) больше номинального (8500 т), но меньше максимального (9000 т) у «тяжеловеса» YIZUMI.
Если в завершение данного обзора задаться риторическим вопросом – ждать ли новых рекордов в микро- и макролитье изделий из пластмасс, то ответ на него будет наверняка положительным – конечно, ждать, и, скорее всего, недолго.
Подготовил канд. техн. наук В. Н. Мымрин с использованием пресс-материалов упомянутых в данном обзоре компаний
Опубликовано в журнале «Полимерные материалы» № 1 (308) 2025 г., с. 8-16.
