Тонкостенное литье позволяет снижать вес изделия, экономить материал и существенно сокращать время охлаждения отливки. В частности, в процессах традиционного литья под давлением время цикла обычно составляют от 30 до 60 с, а в тонкостенном литье оно сокращается до 6-20 с. Это приводит к значительному снижению производственных затрат.
Недостатки
Тонкостенное литье - более сложный процесс с технической точки зрения, чем традиционное литье под давлением, из-за трудностей в распространении потока, избыточных требований к параметрам процесса переработки. Оно также требует прочного, дорогого оборудования и, возможно, модифицированных или специальных машин для литья, обеспечивающих высокую скорость и высокое давление впрыска. Наконец, высокий уровень скорости сдвига, который является следствием высокой скорости впрыска, вызывает деструкцию расплава, индуцированную сдвиговыми напряжениями, что наблюдалось по уменьшению напряжения разрушения при проведении испытаний на разрыв.
Материалы
Для тонкостенного литья может применяться большинство термопластичных материалов, однако наиболее часто применяются ПК, АБС, смеси ПК/АБС и ПА 6. Возможно, это связано с тем, что при уменьшении толщины стенок возникает необходимость в материалах с лучшими физическими характеристиками, чтобы добиваться определенной прочности изделий.
Тонкостенное литье наиболее популярно в отраслях производства портативных телекоммуникационных устройств и компьютерного оборудования. Причем изделия должны иметь настолько тонкие стенки, насколько это возможно, чтобы сохранить механическую прочность, как у изделий, отлитых по стандартной технологии. К типичным изделиям, полученным тонкостенным литьем, относятся: мобильные телефоны, пейджеры, корпуса ноутбуков, передние панели автомобильных аудиоколонок, микрозажимы для хирургии, электронные разъемы, а также оптические носители информации.
Литье крупногабаритных деталей, содержащих тонкостенные решетки, имеет ряд особенностей, которые необходимо учитывать при проектировании детали и пресс-формы, а также при выборе технологического режима изготовления. Примером таких деталей являются корпуса телевизоров с решеткой динамика. Один из наиболее распространенных дефектов при литье деталей этого типа - недолив на решетке.
Моделирование процесса литья деталей высокой сложности может быть проведено с достаточной точностью методами современного конечноэлементного анализа. В данной работе анализ выполнялся с помощью программного продукта MPI/Flow фирмы Moldflow. Для анализа использовалась упрощенная модель реального корпуса телевизора под кинескоп 20” с толщиной основных стенок 3 - 3.5 мм. Модель содержала тонкостенную решетку динамика в нижней части корпуса, вентиляционную решетку и другие типовые конструктивные элементы. Объем модели составлял 628 см3. В отличие от реальной детали в модель не были включены ребра, бобышки, различные отверстия. Материал детали: ударопрочный полистирол HI 425 TVG фирмы Kumho Chemicals, ПТР = 9.5 г/10 мин (200 оС, 5 кг), температура потери текучести расплава Tno-flow = 136 оС.
Рассматривались различные варианты мест впуска для холодноканальной литниковой системы с туннельными литниками. Выбор мест впуска осуществлялся так, чтобы обеспечивался примерный баланс потоков в отливке. Скорость впрыска оптимизировалась по методике фирмы Moldflow. Анализ выполнялся при скорости впрыска 314 см3/с. Применение более высоких скоростей впрыска для данной детали нежелательно, так как это приводит к высоким скоростям сдвига на впускном литнике, что может вызывать деструкцию материала (предполагалось, что диаметр впускного литника не превышает 2 мм).
Решетка динамика может содержать сотни и даже тысячи отверстий, поэтому пригодная для анализа конечноэлементная модель (сетка) трудна в построении и содержит большое число элементов, что значительно замедляет расчеты. Однако даже самая плотная сетка не дает возможности точно смоделировать течение расплава в подобных конструкциях. Современные программные продукты для анализа течения, базирующиеся на модели Хеле-Шоу, позволяют использовать два типа элементов: треугольные или четырехугольные элементы типа "оболочка" (двумерное течение) и лучевые элементы (одномерное течение). Течение в треугольных элементах моделируется как неизотермическое течение сжимаемой жидкости в плоской бесконечной щели заданной толщины и не соответствует условиям охлаждения расплава при заполнении решетки, в частности дает существенно заниженные потери давления. Одномерные элементы, обычно используемые для моделирования литниковых каналов, дают лучшее соответствие характеру течения, но могут применяться только в случае простых решеток с прямоугольными отверстиями. Появившиеся в последние годы программные продукты для анализа тетраэдрических сеток (трехмерное течение), базирующиеся на уравнениях Новье-Стокса, практически не применяются для деталей высокой сложности главным образом из-за ограниченной мощности используемых компьютерных систем.
Тем не менее, моделирование течения расплава в решетке произвольной формы может быть выполнено с достаточно высокой точностью при замене фактической толщины стенки решетки эквивалентной толщиной. При таком подходе можно заменить модель решетки сплошной сеткой (без отверстий), толщина которой рассчитывается так, чтобы обеспечивались те же потери давления расплава, что и при заполнении реальной решетки. Эквивалентная толщина (Нэкв) определятся через коэффициент формы (Кф) следующим образом: Нэкв = Нэфф/Кф, где Нэфф =V/Sпроекц, Кф =Sпов/2 Sпроекц, V - объем решетки, Sпроекц - площадь проекции решетки, Sпов - площадь поверхности решетки. Эквивалентная толщина решетки оказывается намного меньше ее фактической толщины. Например, для решетки с фактической толщиной 1.5 мм, имеющей круглые отверстия диаметром 0.5 мм и расстояния между отверстиями 1 мм, эквивалентная толщина равна 0.95 мм. В данной работе использовалась решетка с эквивалентной толщиной 0.9 мм, что соответствует фактической толщине 1.35 мм.
Расчеты показали, что для всех рассмотренных вариантов мест впуска тонкостенная решетка динамика заполняется в последнюю очередь. Это связано с хорошо известным явлением замедленного течения расплава в тонкостенных областях (hesitation effect) при разветвлении литьевого канала на толстый и тонкий. Подобный эффект наблюдается и на других участках корпусных деталей, имеющих малую толщину (ребрах, бобышках и т.д.), но именно на решетке динамика он часто приводит к недоливу. Причиной этого являются: малое значение эквивалентной толщины решетки, большая протяженность тонкостенной области, близость решетки к месту впуска.
Степень проявления эффекта замедленного течения повышается с уменьшением расстояния от решетки динамика до места впуска, уменьшением эквивалентной толщины решетки, снижением текучести расплава, увеличением толщин основных стенок детали после разветвления потока.
Заполняемость детали может быть улучшена при повышении температур расплава и формы. Однако на практике невысокая термостабильность материала и использование литьевых машин с большим объемом впрыска не позволяют применять высокие температуры расплава. Применение высоких температур формы приводит к появлению следов от толкателей в областях с затрудненным отводом тепла: в углах, вблизи высоких ребер, бобышек и т.д. Таким образом, необходимо обеспечить заполняемость изделия при температурах расплава и формы, соответствующих средним значениям диапазона переработки материала.
Расчеты показали, что наилучшие результаты по заполняемости детали получаются при двух местах впуска, максимально удаленных от решетки динамика. Это единственный из рассмотренных вариантов, при котором решетка динамика полностью заполняется при средних температурах расплава (Тр = 230 oC) и формы (Tф = 60 oC). Для ударопрочного полистирола и других полистирольных пластиков, являющихся аморфными материалами, особенности растекания расплава, такие как направление течения, радиальное растекание и др., не оказывают большого влияния на качество детали. Оказалось, что недолив на решетке связан не с большими потерями давления при заполнении детали, а с быстрым остыванием фронта расплава при течении в тонкостенной области.
Потери давления при заполнении детали составляют 34 МПа, что намного меньше допустимых потерь давления для обычной литьевой машины. Для снижения себестоимости детали толщина основных стенок может быть уменьшена без ухудшения качества отливки.
Большое влияние на заполняемость детали имеют условия переключения на выдержку под давлением. Обычно переключение с режима впрыска (режим управления скоростью впрыска) на выдержку под давлением (режим управления давлением) происходит не позже 98-99% заполнения, оставшаяся часть детали заполняется при убывающей скорости впрыска. Но заполнение основной части решетки динамика происходит после 99% заполнения детали, т.е. при снижении скорости впрыска, что еще больше усугубляет проблему. Для получения качественной отливки необходимо точно подобрать момент переключения на выдержку как можно ближе к окончанию заполнения, задать достаточно высокое давление в начальный момент выдержки под давлением (оно должно быть выше давления в момент окончания впрыска). Желательно использовать переключение по положению шнека. Такой технологический процесс накладывает особые требования к литьевой машине, пресс-форме и полимеру. Машина должна обеспечивать высокую точность и надежность регулировки, достаточное усилие замыкания. Необходимо предусмотреть хорошую вентиляцию пресс-формы. Важную роль играет также стабильность реологических показателей материала детали.