Введение
Традиционное литье под давлением, ориентированное на массовое производство, становится экономически невыгодным в случае малых объемов выпуска из-за высокой стоимости пресс-форм, тем более, когда речь идет о сложных изделиях с поднутрениями, подразумевающих изготовление пресс-форм с подвижными шиберными элементами, горячекальными системами (ГКС) и т.д.
Следует учитывать также, что производство оснастки может занимать несколько месяцев. Все это стимулирует трансформацию отрасли и технологий, где ключевыми факторами становятся гибкость, технологичность и скорость запуска подобного товара в серию, пусть даже небольшую.
Для сокращения сроков запуска литьевого производства новых изделий известны следующие основные подходы.
Использование пресс-форм из алюминия. Но когда речь идет о сложной конструкции изделия и необходимости применения подвижных шиберных элементов, данные формы не могут быть эффективно использованы, так как подвержены быстрому истиранию и износу.
3D-печать оформляющих частей формы из полимера. Эта технология еще далека от идеала, так как не решена задача достижения высокого качества оформляющих поверхностей и эффективного теплоотвода от них, что, соответственно, не позволяет изготавливать детали с высококачественной поверхностью, в том числе без утяжин. Кроме того, когда речь идет о шиберных формах, эта технология также не может решить все задачи.
3D-прототипирование и литье в силиконовые формы также имеют свои ограничения, особенно когда речь идет о литье инженерных, в том числе наполненных, пластиков с высокими физико-механическими свойствами типа ПК или стеклонаполненного ПА различных марок.
Остается только традиционная технология литья под давлением, но как решить задачу быстрого изготовления сложных пресс-форм и при этом существенно сократить их стоимость? Давайте представим ситуацию, когда было бы возможно исключить из пресс-формы все детали, кроме оформляющих вставок и рабочих частей шиберов. И при этом были бы не нужны крепежные плиты, центрирующие колонки и втулки, брусья, центральные фланцы, литниковые втулки, да и вообще вся система выталкивания. А еще были бы исключены из проекта пресс-формы вместе с ГКС все части приводов подвижных шиберных элементов в виде косых колонок, поджимных планок и гидроцилиндров. Насколько бы тогда уменьшилась стоимость формы и сократилось время на ее изготовление? Скорее всего на 50–60 % как минимум, а время на проектирование и изготовление – сразу на 80 %, поскольку в этом случае форма представляла бы оформляющую вставку, состоящую только из формообразующих деталей (ФОД) – как минимум матрицы и пуансона плюс знаки-шиберы или резьбовые знаки, если изделие имеет поднутрения или резьбу соответственно.
Но как это сделать возможным? Ответ на этот вопрос есть. Все это можно разместить на запатентованной автором модульной литьевой машине, созданной в компании ООО «МИК» под брендом MIC-ON (см. титульное фото), которую далее условно назовем станком в отличие от традиционных термопластавтоматов (ТПА). При этом количество и комбинация модулей при их монтаже на станке MIC-ON могут быть различными в зависимости от геометрии литьевого изделия.
Рассмотрим подробней конструктивные узлы и элементы данного оборудования.
Модуль набора дозы и впрыска
Конструкция нового модуля подготовки расплава полимера, его дозирования и впрыска является уникальной и основана на эффекте Вайсенберга, который, как известно, характерен для неньютоновских вязкоупругих жидкостей, коими, собственно, и являются расплавы термопластов. Находясь во вращающемся сосуде в непосредственном контакте с неподвижным стержнем, расплав начинает двигаться к центру вращения (рис. 1, б) вместо того, чтобы вытесняться наружу под действием центробежных сил, как это происходит, например, с ньютоновскими жидкостями (см. рис. 1, а).
На основе этого эффекта был создан узел подготовки расплава и его подачи в цилиндр для набора дозы полимерного материала перед впрыском (рис. 2). Сам впрыск обеспечивается поступательным движением плунжера (6) внутри цилиндра и перемещением тем самым подготовленного расплава в пресс-форму через горячеканальную втулку (7), которая является частью станка, а не пресс-формы. В этом случае любая оформляющая вставка для любого изделия, встроенная в плиту (8) станка, автоматически становится горячеканальной, так как эта ГКС уже установлена в плите станка (см. рис. 2, а).
Основным рабочим элементом модуля набора дозы и впрыска является плоский шнек (1), имеющий улиткообразную загрузочную камеру, в которую поступает полимерный материал посредством вращения и захвата гранул полостью на внешнем диаметре плоского шнека. При этом гранулированный материал, вращаясь с помощью сервопривода и прилипая к стенкам плоского шнека, поступает по спиралевидным каналам к центру шнека. При передаче тепла от воронки плоского шнека (2), которая в свою очередь нагревается от расположенных в ней ТЭНов (3), полимерный материал переходит из высокоэластического состояния в вязкотекучее и поступает в цилиндр воронки плоского шнека (2). После прохождения запорного клапана и заполнения части цилиндра воронки плоского шнека на расстояние, перекрывающее отверстие гильзы плунжера, запускается процесс набора дозы расплавленного полимерного материала путем поступательного отвода плунжера (6) внутри обогреваемой гильзы плунжера. За счет эффекта Вайсенберга расплав полимера, находясь в вязкотекучем состоянии, начинает заполнять гильзу вплоть до полного набора дозы для последующего впрыска. Впрыск материала осуществляется через интегрированную в цилиндр воронки плоского шнека литниковую горячеканальную втулку (7), которая имеет отдельную систему управления температурным режимом.
Отличие данного конструкторско-технологического решения от стандартных, существующих на рынке шнековых пар традиционных ТПА, заключается в уменьшении габаритных линейных размеров узла впрыска, отсутствии застойных зон в материальном цилиндре и отсутствии локального перегрева полимерного материала, что позволяет осуществить переход полимерной массы из высокоэластического состояния в вязкотекучее состояние без деструкции. Плунжерная система набора дозы и впрыска в совокупности с сервоприводом обеспечивает более высокую точность дозировки объема впрыска в отличие от шнековых пар с гидравлическим приводом.
Кроме внедрения ГКС в станок, снижению сроков и стоимости производства пресс-форм способствует трехплитная система раскрытия станка.
Модуль смыкания
Модуль смыкания станка состоит из трех подвижных плит (3) и двух неподвижных опорных плит с двух сторон – (1) и (2) (рис. 3). К плите (1) присоединяется модуль впрыска, а на плите (2) устанавливается основной сервопривод, обеспечивающий создание усилия смыкания всех плит при впрыске подготовленного расплава. Две промежуточные подвижные плиты управляются с помощью сервоприводов для обеспечения их перемещения при работе станка с возможностью независимого движения в разных направлениях. Третья подвижная плита приводится в движение основным сервоприводом (4) через муфту (5) и шарико-винтовую пару. В подвижные плиты интегрирована система охлаждения со стандартно расположенными каналами охлаждения и системой автоматической герметизации соединений при установке оформляющих вставок формы. Все плиты оснащены системой центрирования посредством установки центрирующих колонок (6) и втулок, обеспечивающих точное позиционирование плит в момент смыкания. Это позволило исключить использование направляющих колонн, применяемых в традиционных ТПА, и обеспечить беспрепятственную работу модуля выталкивания и боковых модулей шиберных систем. Дополнительно в плитах станка установлена система колонн, позволяющая обеспечить точное позиционирование оформляющих вставок в каждой плите (см. рис. 3).
Модуль выталкивания
Использование описанной выше системы смыкания с тремя плоскостями разъема позволяет разместить систему выталкивания в любой из плоскостей разъема при помощи отдельного модуля, оснащенного сервоприводом (2) и наборными выталкивателями (3) с закрепленными в опорных рамах (4) направляющими (1) над плитами станка с возможным линейным перемещением плиты с наборными выталкивателями вниз и вверх (рис 4). Это обеспечивает центрирование выталкивателей по плоскости разъема и выталкивание изделия, которое гарантированно останется в одной из подвижных плит.
Использование данного модуля позволяет исключить стандартную систему выталкивания с брусьями и плитами из конструкции пресс-формы, а выталкивание обеспечить исключительно наборными выталкивателями (3) на блоке модуля.
Модуль шибера
Но остается вопрос использования шиберных элементов для оформления поднутрений в изделии: за счет чего же возможно обеспечить их исключение из конструкции пресс-формы? Это возможно за счет отдельных модулей, интегрированных опять же в станок.
Модуль оформляющего знака-шибера, обеспечивающий его линейное перемещение, представляет собой отдельно управляемую систему, оснащенную направляющими (1) и шарико-винтовой парой (2), перемещающей каретку (3) с установленным на ней сервоприводом (4), на штоке которого, собственно, и закрепляется оформляющий шибер формы (5) (рис. 5). Данный модуль может быть установлен по обеим сторонам станины станка, а также, при необходимости, перпендикулярно плоскости смыкания сверху и снизу в зависимости от необходимости оформлении поднутрений в изделии с четырех сторон. При этом возможно синхронное управление движениями каретки (3) и штока сразу несколькими приводами для обеспечения необходимого параллельного движения шиберов, а также синхронно с движениями основных плит узла смыкания.
Компоновочная схема станка
Теперь, когда мы разобрались с техническими решениями и модулями, которые обеспечивают нам исключение из проекта пресс-формы всего лишнего, кроме оформляющей части, посмотрим, как все это выглядит в сборе (рис. 6).
В результате от пресс-формы остались только ФОД в виде оформляющей вставки, которая легко закрепляется на плитах станка. Система охлаждения, которая уже расположена в плитах самого станка, контактирует с помощью стандартных систем уплотнения с литниковыми каналами в оформляющих вставках. Их центрирование происходит за счет точности позиционирования самих плит станка на отшлифованной станине, а сами вставки центрируются на специальных конусных центраторах, установленных в посадочных местах плит станка.
Конструкция такого станка позволяет не только использовать исключительно ФОД для производства изделий, но и изменить весь процесс открытия оформляющей вставки и выталкивания изделия. Необходимо обратить внимание на то, что извлечение изделия происходит с помощью модуля с наборными выталкивателями, причем не в сторону узла впрыска, как это реализуется в стандартных формам и на стандартных ТПА, а в противоположную сторону, т.е. в сторону системы смыкания. Это говорит о том, что подобная конструкция расширяет возможности конструкторов пресс-форм для проектирования изделий, которые были ранее невозможны для стандартного литья, и технологов – для наладки режимов литья. Такой подход позволяет переработчикам пластмасс сократить временные и денежные затраты на проектирование и изготовление форм, тем более что представленное оборудование работает от сети 220 В и не нуждается ни в гидравлике, ни в пневматике. А из периферийного оборудования необходим исключительно чиллер для охлаждения оформляющей вставки и станка. Преимуществами для рынка и клиентов является в первую очередь быстрый запуск производства сложных изделий из необходимых полимерных материалов с минимальными затратами на старте.
Впервые в «железе» станок MIC-ON был представлен на выставке Rosplast-2024, а на выставке Ruplastica-2025 уже работал на стенде компании «МИК» (см. титульное фото).
Заключение
Переход к производству малых серий методом литья под давлением в России становится драйвером технологической перестройки отрасли. Совмещение быстрого изготовления исключительно ФОД, обеспечение новых методов литья с использованием доступных на сегодняшний день технологических возможностей оборудования позволяет предприятиям оперативно реагировать на запросы рынка в условиях импортозамещения.
Успех будет зависеть от реализации новых технологий и, конечно, обучения и развития кадрового потенциала. В перспективе это создаст основу для конкурентоспособного производства высокотехнологичных литьевых изделий для различных сфер, включая технику, медицину и электронику.
New Domestic Equipment for Plastic Injection Moulding
D. F. Yakovlev
Traditional injection moulding, focused on mass production, becomes economically unprofitable in the case of small production volumes due to the high cost of moulds. Under the conditions of sanctions pressure and the need to replace imported plastic products, the Russian industry is facing new challenges, including the need to quickly master the production of complex plastic products in small batches (1000–5000 pcs.). The design of a new injection moulding equipment designed for these purposes is described.
Опубликовано в журнале «Полимерные материалы» № 6 (313) 2025 г., с. 26-30.
