Пластмасса в нашей жизни

Пластмассы, как материалы, пользуются большим распространением в силу своей уникальной способности принимать в процессе обработки сложные формы. Нагретая пластмасса поддается формовке, а, остывая, сохраняет заданную конфигурацию. Такие возможности придает пластмассе ее состав – полимеры органического или синтетического происхождения.
Полимеры обладают уникальной молекулярной структурой. Молекула полимера – настоящий гигант, состоящий из большого количества одинаковых групп атомов, которые взаимосвязаны между собой. Эти молекулы и являются основой пластичности. В состав пластмасс входят также добавки. Роль добавок – придать пластмассе цвет, ускорить процесс затвердевания и т.д.
Для получения конечного продукта, детали, на основании заказа или чертежа, необходимо организовать технологический процесс, в основе которого, как говорилось выше нагрев и штамповка. Работа с пластмассами, в рамках этого процесса, называется переработкой пластмасс.
В зависимости от технического задания подбирается материал, из которого будет выполнена деталь и процесс переработки, с помощью которого она будет изготовлена. Принимая решение, в производстве пластмассовых изделий учитывается множество факторов, главные среди которых:
• Особенности конструкции детали (размер, форма, сложность, резьба, маркировка)
• Эксплуатационные требования (усиление арматурой, точность по допускам и посадкам)
• Серийность заказа (общее количество необходимых изделий по заказу)
• Экономическая составляющая (амортизация оборудования, изготовление дополнительной оснастки)
• Кадровый аспект (количество и квалификация рабочих, привлеченных к выполнению заказа).

Виды пластмасс

Общепринятыми в производстве пластмасс признаками, на сегодняшний день, служат: используемый наполнитель, условия эксплуатации, предназначение изделий, изготовленных из пластмассы. Реже, в отдельных случаях, используют прочие значимые параметры.
Классификация по применению:
• Для эксплуатации в условиях сопротивления механической нагрузке (изгиб, разрыв, сжатие). Композиции на базе пропилена (ПП) стеклонаполненные, петапласт, этролы, полисульфон (ПСФ), материалы на базе кремнийорганических соединений, полиимид (ПИ) и пр.
• Для эксплуатации в условиях низкой температуры (до минус 60 С). Большую вязкость обеспечивают упоминавшиеся полиимиды (ПИ), полисульфон (ПСФ), фторопласт (ФТ), полиэтилены (ПЭ), фторопласт (ФТ), сополимеры этилена (СЭП, СЭБ, СЭВ), морозостройкий полипропилен и пр.
• Для антифрикционного действия (уменьшения трения и износа поверхностей). Известные нам полиимиды (ПИ) и фторопласты (ФТ), полиформальдегид (ПФ), фенопласты, полиамиды, текстолиты и пр.
• Для электро- и радиотехнических изделий: отдельные виды кремнийорганических и эпоксидных материалов, полиимиды (ПИ), полисульфон (ПСФ), фторопласты (ФТ), полистиролы (ПИ) и полиэтилены (ПЭ)
• Для изготовления прозрачных деталей: полисульфон (ПСФ), полистирол (ПС), некоторые марки фторопласта (ФТ), эпоксидные смоли и пр.
• Для получения теплоизоляционного и звукопоглощающего эффекта: материалы на основе фенопласта, аминопласта, полиимида (ПИ), полиуретана (ПУР), полистирола (ПС), полиэтилена (ПЭ), поливинилхлорида (ПВХ). Используются газонаполненные материалы.
• Для эксплуатации в агрессивных средах применяют фторопласты (ФТ), полиэтилены (ПЭ), поливинилхлорид (ПВХ), полипропилен (ПП), полиимид (ПИ), полисульфон (ПСФ) и пр.
По назначению пластмассы разделяют на две подгруппы.
• Пластмассы общетехнического назначения применяют при изготовлении изделий, к которым не предъявляются высокие эксплуатационные требования. Это могут быть предметы домашнего обихода, детали механизмов и машин, которые не испытывают сильных нагрузок, а являются элементами дизайна. Использование для таких целей дорогостоящих полимеров, применение технологий, обеспечивающих высокую точность изготовления продукции неоправданно, эти качества никогда не будут использованы в процессе эксплуатации. Действительно, технические показатели у таких пластмасс не высоки, но, при производстве вышеописанных изделий, руководствуются принципом разумной достаточности, но не в ущерб качеству.
• К пластмассам инженерно-технического назначения требования значительно выше. Их применяют в качестве материала для изделий, работающих в особых условиях и для изготовления ответственных частей механизмов. Основной принцип – сохранение изначальных свойств детали при воздействии высоких или низких температур, агрессивной среды, длительного срока эксплуатации без замены. В любой ситуации такие пластмассы сохраняют геометрию, а детали – работоспособность.
В силу того, что воздействия, которым могут подвергнуться детали из пластмассы, при эксплуатации многообразны, а вместе эти воздействия никогда не встречаются. Пластмассы инженерно-технического назначения разделяются на подгруппы, в соответствии со значимыми показателями.
Значимые свойства пластмасс инженерно-технического назначения:
• Электросопротивление (поверхностное и объемное).
• Прочность электрическая
• Проницаемость диэлектическая
• Свойства электро- и радиотехнические.
• Свойства механические (тепловое расширение, износ, коэффициент трения)
Порядок свойств, необходимых для долгой жизни детали из пластмассы, также имеет большой разброс. К примеру, значение линейного теплового расширения может быть приемлемо для одного механизма, но недостаточно для другого.
Чтобы реализовать в производстве разных деталей упоминавшийся принцип разумной достаточности, достичь лучшего экономического эффекта в производстве пластмасс, каждое свойство рассматривают в интервале, от худшего к лучшему, классифицируя пластмассы уже внутри определенного свойства.

Работа со свойствами пластмасс

Уникальность пластмасс, как материала, заключается не только в их пластичности, что следует уже из их названия. Пластмассы примечательны, прежде всего, тем, что они могут изготовляться с заданными свойствами. Самым простым и понятным свойством является цветность изделий. Добавляя в пластмассу краситель, можно получить материал заданного цвета.
Но этим возможности пластмасс не ограничены. Использование разнообразных пластификаторов и наполнителей, совмещение нескольких полимеров придает пластмассам необходимые свойства. На свойства пластмасс влияет не только их состав, но условия формовки.
Для получения необходимых свойств используют следующие способы:
• Плотность пластмасс регулируют либо на молекулярном уровне или используя наполнители. В первом случае, речь идет об использовании молекул хлора, которые увеличивают плотность получаемого вещества. Во втором, возможно получение необходимой плотности, путем в исходный продукт минерального наполнителя. В зависимости от количества использованного наполнителя, меняется и показатель плотности пластмассы. Кроме того, сам пластик может стать элементом, используемым для увеличения плотности других материалов (пенопласты).
• Прозрачность – изначальное свойство полимеров. Полиметакрилаты пропускают 90% света. Поэтому, здесь разговор лучше вести о тонировке пластмасс в необходимый цвет или сознательном уменьшении способности пропускать свет.
• Электрическое сопротивление, как и прозрачность, присуще всем полимерам. Полиэтилен (ПЭ), полистирол (ПС), тефлон, находят применение в электро-, радиопромышленности, благодаря именно этим качествам. Они прекрасные диэлектрики и изоляторы.
• Термостойкость. Пластические материалы, имеющие в своем составе кремний, полиимиды (ПИ) и тефлон, настолько сильно сопротивляются температурному воздействию, что это становится причиной невозможности работы с ними путем формовки и прессования. К примеру, известный всем тефлон поддается только выдавливанию при высоких температурах. Но и этой способности (длительное время выдерживать температуру около 200 С) иногда недостаточно. Поэтому в состав пластмасс добавляют упомянутые минеральные наполнители, используемые при увеличении плотности пластмасс. В этом случае предел термостойкости достигает 250 С.
• Хладостойкость. Детали из пластмасс, используемые в холодильных агрегатах, либо при эксплуатации в условиях низкой температуры, должны сохранять свои свойства и на морозе. Свойства вязкости, которая делает пластмассу гибкой, придаются материалу путем введения в его состав пластификаторов, а также путем сополимеризации (использования нескольких мономеров, для создания молекул особого строения).
• Химостойкость – также свойство, присущее некоторым пластмассам изначально, как прозрачность и электрическое сопротивление. Растворители, кислоты и щелочи могут влиять только на те пластмассы, в состав которых входят минеральные наполнители, под действием кислот начинает разбухать. Однако большинство термопластов подвержены воздействию растворителей.
• Прочность на растяжение. Свойство пластмасс сопротивляться усилию на разрыв можно увеличить путем введения в состав пластмассы волокнистых наполнителей. В этом случае волокна наполнителя выполняют функции арматуры. Лидер по прочности на растяжение – найлон. После процедуры ориентации вытягиванием этот материал с успехом применяется военными в производстве парашютов и веревок.
• Прочность на сжатие. Высокой прочностью на сжатие обладают винильные полимеры (ненаполненные). Но лучшие результаты достигаются в этой области путем армирования пластика. Такая пластмасса может выдержать значительное давление, не изменив при этом форму.
• Ударопрочность пластмасс востребована в изделиях, специального назначения. Лучшие результаты по увеличению ударопрочности дает применение наполнителей, особенно волокнистых. Хорошей ударопрочностью обладает найлон.

Технология изготовления изделий из пластмассы

При изготовлении больших, габаритных деталей из пластмассы предпочтительнее использовать литье при низком давлении. К несомненным плюсам этого вида литья можно отнести:
• Уменьшение потери давления, а значит и энергозатрат.
• Малый уровень остаточного напряжения, а, следовательно, отсутствие брака, возникающего из-за коробления.
Кроме этих положительных моментов, при использовании метода литья при низком давлении, можно применять метод литья на подложку, который позволяет изготовлять детали с декоративной поверхностью. Если ту же операцию проделать на больших скоростях вспрыска, то подложка, формирующая поверхность (обычно пленка, кожа или ткань), будет смята или смещена, что приведет к выпуску бракованной детали.
Круг изделий, выпускаемых с использованием способа низкого давления довольно широк. Среди этих изделий можно отметить мебель, элементы интерьера автомобиля, знакомые всем предметы вроде чемоданов или дипломатов.
На первый взгляд, может показаться, что производительность оборудования, а, следовательно, и экономическая эффективность при использовании литья при низком давлении падает. Действительно, время заполнения формы пластмассой увеличивается в 3-4 раза. Но, если взять цикл изготовления детали в целом, это мнение оказывается ошибочным. Длительность процесса заполнения формы компенсируется сокращением времени на охлаждение, а стадия выдержки под давлением вообще исключена из технологического процесса.
Необходимый материал и программное обеспечение:
• Для работы на малой скорости вспрыска подходят материалы, для переработки которых достаточно невысокой температуры, а именно: смеси на основе АБС-пластиков и полипропилен.
• При литье на подложку материал должен обладать высокой текучестью. Этот момент является обязательным, т.к. при использовании метода литья при низком давлении расплав быстро теряет температуру.
• Для выбора материала и расчета толщины изделия рекомендуется использовать программное обеспечение Flow. В этом программном продукте реализован алгоритм расчета охлаждения пресс-формы Cool.
Необходимая пресс-форма:
• Требования к пресс-форме при работе методом литья под низким давлением довольно умеренны. В отсутствии высоких скоростей пресс-формы не подвергаются серьезным нагрузкам, а, значит, могут быть изготовлены из дешевого материала, который легко обрабатывать.
• Нюансом при работе по технологии литья под низким давлением является возможность появления брака, в линии спая в изделии. Возможность избежать появления брака заложена в самом оборудовании. Сопла, через которые подается расплав, расположены на разной высоте относительно пресс-формы. В начале процесса заполнения формы работает единственное сопло. Остальные включаются в работу по мере того, как расплав поднимается до их уровня. Такой метод называется «технология последовательных впусков».
• Сопла регулируются и выставляются путем расчетов в программе Flow.
Преимущества машин для литья при низком давлении:
• Простота и надежность конструкции
• Низкое усилие замыкания
• Малые размеры крепежных плит
Все эти положительные моменты стали возможны из-за отказа от использования высокого давления и снижения скорости вспрыска. Лидерами на рынке литьевых машин этого типа являются фирмы Krauss-Maffei, Engel, Hettinga Equipment.

Основные особенности литьевого процесса термопластических материалов с давлением, используя оснастку горячих каналов.

Основными особенностями для литьевой обработки термопластических материалов, используя точечное литье оснастки горячих каналов перед началом процесса с применением давления и специальной установки отвердевания, являются безотходное производство, высокие характеристики материалов, а также значительное сокращение времени на изготовление деталей. Повсеместное использование данного способа предоставляет возможность сократить расходы посредством отсутствия ручного труда на производстве при литьевом процессе для термопластических материалов в условиях отсутствия манипуляционных систем.
При переоборудовании предприятий по выпуску пластмассовых изделий возможно последовательное замещение установок низкой мощности с малым числом входов на более мощные установки для литья, и блоки со многими входами и большой пропускной способностью. Переоборудование лучше всего начинать с более выгодных в экономическом отношении и крупномасштабных отделений и с предприятий, производящих изделия больших размеров.
Характеристики оснастки горячих каналов. Повсеместно используется 3 основных типа оснастки горячих каналов для литьевого процесса.
Блок для впуска у первого типа имеет в составе распределяющее устройство, где имеются специальные горячие каналы, специальные устройства для поддержания нужной температуры и воронки с пробками для изоляции тепла и герметизации. Оснастки, имеющие подобные блоки для впуска, предназначены для элементов обычной и высокой вязкости из разряда полиофенов. Воронки делаются из специальной бронзовой основы с добавками берилла БР – Б2, согласно стандарту ГОСТ 15 – 835.70, детали для герметизации изоляции тепла изготавливаются из титана марки ТВ по стандарту ГОСТ 190-173.75. Подобный бронзовый сплав отвечает самым большим теплопроводным показателям, что позволяет значительно сократить теплопотери от воронок. Титан же имеет низкий показатель по теплопроводности, тем самым, не давая оснастке нагреваться при контакте с ним.
Второй тип имеет разницу в сравнении с первым, прежде всего, в использовании специальных вентилей с независимым закрыванием, открытие этих вентилей происходит под давлением плавящегося материала, а затем, после наполнения, вентили сами закрывают выходы. При этом щели между воронкой и оснасткой не превышают сотой доли миллиметра, что не дает возможности просачиванию материала. Специальные ленты, закрепленные по центру снаружи воронки, защищают ее от повреждения, создавая необходимую щель из воздуха, для удержания тепла воронки и шаблона, который не позволяет материалу стекать из воронки в окружающие отделы и придает соосность воронке и каналам оснастки. Оснастки, имеющие блоки для впуска типов 2-5, используются для полиамида с низкими показателями вязкости. Типы 2-5 имеют различие с типом 1 в том, что вентиль в виде конуса закрывает впускной блок, который находится не в воронке, а в самом шаблоне и заходит внутрь него на несколько сотых долей миллиметра. Пространство между осью вентиля и воронкой примерно 1 миллиметр, а воронка имеет толщину в пределах двух-трех миллиметров. Чтобы не было протекания в распределительное пространство, имеются титановые затычки, используемые, как герметик и изолятор тепла. Блоки для впуска типов 2-5 могут использоваться для литьевого процесса без очистки после предыдущего цикла и применяются для полимеров низкой вязкости. Были спроектированы объединенные устройства, которые имеют распределяющую воронку и воронки для подвода и впуска. При этом оснастка горячих каналов с одним или четырьмя гнездами имеют соответственно вентили с одним и четырьмя воронками. Все типы блоков для воронок впуска фиксируются к распределяющему устройству с помощью плотного подсаживания в соответствующих местах или шурупов и соединяются с закрепленными лентами. Методы фиксирования воронок применяют для оснасток с одним или несколькими входами при изготовлении материалов больших размеров, а также в оснастках со многими входами.
Использование оснасток горячих каналов при литьевом изготовлении деталей дает возможность получить изделия очень высоких характеристик. При использовании данного метода гарантируется плотное и однородное наполнение емкостей, при этом, расплавленный материал идет равномерно и не создает остывшие дорожки из застывшего материала на воронке, что часто проявляется при оснастках из нескольких впусков. Наполнение оснастки идет при низком давлении за счет отсутствия воронки для отвердения. В оснастках со многими впусками путем однородного распределения и высоких температурных режимов по всему каналу идет расплавленный материал и снижение давления в каналах и наружном пространстве, и, кроме того, прогрев материала и выдавливании его из впускных отверстий. В результате, появляется возможность обеспечить наибольшее пространство для литьевого процесса для одной установки до 40% в сравнении с литьевым процессом с воронкой для отвердения или использоваться для того же объема пространства установку с уменьшенной силой закрывания и оснастками с малым расходом металла. Литьевой процесс, применяемый в условиях низкого давления и высоких температур оснастки, позволяет изготавливать изделия с более низким напряжением, а также повышает однородность заполняемого сплава и увеличивает срок годности оснасток. Оснастки с горячими каналами имеют небольшое конусное смещение в вентилях и каналов для впуска, что дает возможность давать расплавленный материал в пространство оснастки без червячной передачи, а, используя пружинный механизм, при этом передается большее количество расплавленного материала и, тем самым, идет уравновешивание уплотнения.
Эта особенность позволяет получать более плотные детали и обеспечивает их хорошую однородность, что очень важно при изготовлении деталей высокой точности.
Распределительное устройство оснастки горячих каналов имеет специальные нагревательные блоки, расположенные возле каналов и воронок и идущие параллельно. Далее в не сквозные воронки вмонтированы специальные устройства для поддержания необходимой температуры, а также приборы типа Р – 133, имеющие аналоговый сигнал на выходе, преобразуемой усилителями типа У – 13, убирающие лишнюю мощность. Параллельное включение приборов в электрическую разводку гарантирует однородное нагревание расплавленного материала в каждой части канала и возле воронок, которые имеют электроснабжение заданной величины. Специальный термоэлемент обеспечивает подачу и выключение электроэнергии, тем самым, предотвращая перегревание материала и нагревающих элементов и их порчу. Однородное распределение температуры в горячей массе и шаблоне обеспечивает долговечность и прочность материала, правильность их формы и исключает последующую выверку на плоскостность до использования, кроме того, материал при остывании изменяется равномерно. Требуемая производительность нагревающих элементов калькулируется по наиболее широко используемым расчетам. Типы 3-5 имеют особенность применения литьевого процесса, в центр нижней части отливаемого изделия.
Усиление производства при использовании литьевого процесса с давлением в оснастках горячих каналов. Подобное усиление связано с уменьшением расходов по материальным, людским, электроэнергетическим, а также другим ресурсам, благодаря тому, что не нужно отделять каналы и очищать их и материалы после предыдущего цикла, а также повышению долговечности воронок и каналов и, соответственно, меньшим расходом металла на их изготовление и ремонт. При производстве крупных деталей и их элементов, вместо установок низкой производительности, имеющих оснастки с одним входом, лучше использовать установки с высокой производительностью и оснастки горячих каналов с большим числом впусков и без воронок. Для получения деталей больших размеров вместо оснасток, имеющих один канал для впуска, целесообразнее применять оснастки горячих каналов со многими впусками. При этом количество входов в оснастках должно быть выбрано с учетом производительности, количества материала для одного впуска, силы закрывания и габаритов установки для литья. А также спроса на материалы, требуемых сроков для производства, затрат на рабочую силу. Предполагается снижение стоимости готовых изделий, снижение расходов на производство оснастки, применения автоматизированного процесса без участия человека, тем самым, освобождая персонал от ручного труда, всеобъемлющего применения производительности установки, включая блок для пластифицирования, параметров для одиночного впуска расплавленного материала, силы закрывания при самом низком давлении в оснастке и срока службы оснастки горячих каналов после производства одного миллиона изделий. В итоге, после полного усиления работы производства, применяющего оснастку горячих каналов со многими входами и впусками без отходов, добиваются экономии, сравнимой с повышением производительности предприятия в оборудовании и объемах в двадцать и более раз. Общее время, затраченное на процессы входа, наполнения, утрамбовки и остывания входов и частей материалов, соизмеримо со временем, потраченным на производство с использованием оснастки с одним входом. В результате чего возрастает мощность установки, находящаяся в прямой зависимости от количества входов в оснастке или количеству участков в оснастке со многими впусками горячих каналов. Остывание входов и частей на одном изделии происходит вместе с процессом пластификации, в результате чего уменьшается общее время, затраченное на литьевой процесс, благодаря тому, что время на последующую пластификацию и остывание не затрачивается. Таким образом, наибольшая мощность литья достигается при наибольшем числе входов или впусков в оснастке. Это обеспечивается с помощью применения установок для литья производительности и габаритов, позволяющих поместить наибольшее количество входов и частей изделий в оснастке со многими впусками и областях для остывания. В итоге уменьшается необходимость в установках для литья с применением в работе одного типа при наибольшей мощности, использованием людских ресурсов и снижаются требуемые площади для размещения оборудования. Снижение числа оснастки одновременно понижает затраты труда для их производства на одно изделие, кроме того уменьшаются объемы, которые исполняются подразделениями по обслуживанию и ремонту.