Технологии производства тонкостенных изделий продолжают совершенствоваться

При формовании тонкостенных изделий необходимы высокие давления и скорости, а также модифицированное расположение впускных литников и системы выталкивания изделий. Марк Холмс (Mark Holmes), представляющий издание InjectionWorld, узнал о некоторых последних разработках в этой области.

Устойчивость, затраты на производство и сырьевые материалы и функциональность – основные факторы, стимулирующие развитие сферы производства тонкостенных изделий. Такую мысль высказал Нигель Флауэрс (Nigel Flowers), исполнительный директор британского филиала фирмы Sumitomo (SHI) Demag Plastics Machinery (www.sumitomo-shi-demag.eu). «Толщина стенки тонкостенных изделий обычно составляет менее 0,6 мм. Такие контейнеры и компоненты имеют меньшую массу, себестоимость, легче транспортируются и хранятся, – заявил он. – Производство пищевых продуктов – крупнейший рынок потребления тонкостенных изделий. Однако эти изделия используются и в других сферах, в частности при производстве фармацевтических препаратов, косметики, красок и адгезивов, а также в автомобилестроении».

Флауэрс заявляет, что с точки зрения технологии для производства тонкостенных изделий требуется оборудование, которое может обеспечивать высокое давление и скорость впрыска, а также формующий инструмент с соответствующим расположением впускных литников и системы выталкивания изделий. «Для того чтобы эффективно изготавливать тонкостенные изделия, производителям важно оценить каждую потенциальную сферу применения таких компонентов. В этом случае они могут выбрать материал, оборудование и оснастку, обеспечив оптимальное сочетание скорости, качества и стабильности свойств изделий, – объяснил он. – Одна из основных проблем при формовании тонкостенных изделий – неравномерное заполнение формующей полости. Такие факторы, как наличие нескольких впускных литников, тонкостенных областей в удаленных точках формующей полости, а также очень малые размеры изделий по сравнению с их впускными литниками, часто обуславливают большое количество отходов, образующихся при таком процессе».

Технология activeFlowBalance фирмы Sumitomo (SHI) Demag разработана для решения этой проблемы. Она широко используется на полностью электрических ТПА для решения проблемы неравномерного заполнения формующей полости. Эта технология используется для точного управления приводом полностью электрических ТПА и реализуется в момент перехода со стадии впрыска на стадию выдержки под давлением. В этот момент шнек останавливается в определенной точке на заранее заданный промежуток времени, после чего наступает стадия стандартной выдержки под давлением. Это позволяет расплаву, находящемуся в сжатом состоянии в литьевой системе, расшириться и полностью заполнить частично пустые формующие полости без дополнительного воздействия на полностью заполненные гнезда.

В таком случае давление во всей форме нормализуется, и расплав автоматически затекает в частично заполненные полости. Система самостоятельно балансируется, в результате чего полости становятся более равномерно заполненными. Давление в разных гнездах выравнивается. Sumitomo (SHI) Demag заявляет, что за счет этого снижается степень колебания усадки, коробления, стабильности массы и оптических характеристик получаемых изделий.

Точный контроль
Точное управление полностью электрическими ТПА играет на руку производителям тонкостенных изделий. «Формы для получения тонкостенных изделий изготавливаются с очень высокой точностью, а поэтому такие формы приходится часто обслуживать, – рассказывает Флауэрс. – Накопление материалов и остатков на вентилируемых поверхностях приводит к снижению качества получаемых изделий, особенно в многогнездных формах. Используя закрытую систему управления усилием смыкания, это усилие можно оптимизировать, снижая до минимального уровня. За счет этого уменьшается вероятность повреждения вентиляционных каналов».

Формование тонкостенных изделий – основной вопрос, на котором компания Sumitomo (SHI) Demag сосредоточилась при разработке новой серии полностью электрических ТПА IntElect. Оборудование было представлено на выставке K и начнет реализовываться в 2017 году. Компания предлагает версии ТПА со стандартной и сниженной продолжительностью цикла формования. Стандартная версия предназначена для получения технических изделий, которые ранее получались на гидравлических ТПА. Высокоскоростная версия характеризуется продолжительностью цикла менее чем 7 с, а поэтому может использоваться в тех сферах, в которых от ТПА требуются скорость, точность и динамичность. Высокоскоростные версии, например, обеспечивают скорость впрыска 300–350 мм/с.

На выставке K 2016 был продемонстрирован ТПА с усилием смыкания 50 т, на котором изготавливались легкие крышки-дозаторы. Продолжительность цикла формования крышек массой 7,6 г и диаметром 38 мм составляла 13 с. Эти изделия имеют малую толщину стенки (0,8–1,2 мм) и включают сложную мембрану. Для обеспечения надежного, полного заполнения формы расплавом в ТПА были использованы системы activeLock и activeFlow-Balance.

«При высокоскоростном производстве тонкостенных изделий важно иметь возможность оптимизировать перемещения компонентов оборудования без привлечения дополнительных специалистов, – уточняет Флауэрс. – Система ПИД-регулирования выводит параметры на экран в упрощенной форме, что позволяет пользователю определить и контролировать величину ускорения и замедления компонентов. Это позволяет оптимизировать перемещение манипуляторов к форме и достичь максимальной производительности процесса».

Улучшенная динамика полностью электрических ТПА также позволяет реализовывать в них процесс компрессионного литья под давлением в многогнездных формах. Этот процесс на выставке был продемонстрирован Sumitomo (SHI) Demag на ТПА El-Exis SP420, оснащенном 2+2-гнездной этажной формой, изготовленной французской фирмой Plastisud. При процессе компрессионного литья под давлением расплав впрыскивается в частично открытую форму. При последующем закрытии формы и происходит полное заполнение полости и распределение расплава. За счет этого снижается давление заполнения оснастки, что позволяет получать более тонкие изделия, не содержащие больших внутренних остаточных напряжений и не подвергающиеся короблению (по сравнению со стандартным процессом литья под давлением).

Технология компрессионного литья под давлением была продемонстрирована на K 2016 также компанией Netstal (www.netstal.com), входящей в группу KraussMaffei. Фирма представила ТПА Elion с усилием смыкания 280 т, оснащенный 4+4-гнездной формой фирмы Plastisud (www.plastisud.com) и средствами автоматики компании Machines Pagès (www.machines-pages.fr). На этом ТПА на мероприятии был реализован процесс литья под давлением с этикетированием в форме (IML). В ТПА получались крупные емкости массой 10,7 г, в которые помещается 425 г продукта. Продолжительность цикла формования изделий составляла 4,9 с.

Майкл Бирхлер (Michael Birchler), представитель Netstal, заявил, что компрессионное литье под давлением (ICM) отличается от обычного процесса литья под давлением характером усадки расплава при охлаждении в форме. Такие различия называются «эффектом усадки». «При обычном литье под давлением усадка компенсируется на стадии выдержки под давлением за счет нагнетания в форму дополнительных порций материала. При процессе ICM эффект усадки компенсируется сжатием материала во время окончательного закрытия формы. За счет этого удается уменьшить массу получаемых изделий на 20%», – добавил Бирхлер.

Бирхлер также отметил, что при таком процессе происходит быстрое, но очень равномерное заполнение формы, а в получаемых изделиях присутствует меньше остаточных напряжений. Высокая скорость впрыска обеспечивает быстрое, но очень равномерное заполнение формующей полости. «По сравнению с обычным процессом литья под давлением при процессе ICM в формующей полости давление распределяется очень равномерно, что снижает степень деформации получаемой отливки. Становится возможным равномерное заполнение форм, характеризующихся большой длиной затекания и малой толщиной формуемой стенки. Процесс ICM характеризуется меньшей продолжительностью цикла, меньшим энергопотреблением и потреблением материалов. В то же время процесс позволяет повышать качество получаемой упаковки. Использование этажных форм существенно повышает производительность процесса» – сказал он.

Еще одна тенденция в сфере производства тонкостенных изделий, в частности упаковки, – повышение спроса на ТПА с большим усилием смыкания. На K 2016 Netstal представил новую модель ТПА серии Elios с усилием смыкания 750 т. ТПА Elios 7500 должен заполнить нишу, образовавшуюся на рынке подобного оборудования. Новый узел смыкания указанного ТПА оснащен пятиточечной двойной шарнирной системой, динамичным сервоприводом и мощной гидромеханической вспомогательной системой. Эти компоненты позволяют обеспечивать высокую скорость и большое усилие смыкания полуформ. Продолжительность холостого цикла на новом ТПА составляет 1,9 с (согласно стандарту Euromap). Компания заявляет, что ТПА является самым высокоскоростным оборудованием своего класса. В ТПА также используются система восстановления энергии и гидравлическая система точного впрыска с двойным клапаном, которая обеспечивает скорость впрыска до 2200 мм/с.

Жажда скорости
Оборудование продолжает электрифицироваться. Особенно это касается высокоскоростных процессов литья, которые до сих пор в основном реализуются в ТПА с гидравлическими накопителями. Такие изменения – основная цель индустрии литья под давлением. Подобную мысль высказал Майк Прачар (Mike Prachar), вице-президент международного отдела менеджмента продукции и маркетинга (в области литья под давлением) фирмы Milacron (www.milacron.com). «В течение 10 лет в индустрии использовались материалы с показателем текучести расплава (ПТР, MFI) 20, но сегодня нормальным становится использование материалов с ПТР 90. Эта тенденция, а также стремление получать миниатюрные изделия позволяет производителям при изготовлении изделий обеспечивать скорость впрыска от 150 до 500 мм/с. Это открывает возможности для изготовления таких компонентов на полностью электрических ТПА. Когда затраты на материал составляют 80–90% от общей стоимости изготовления изделия, эффективность потребления энергии становится еще более актуальной. В связи с увеличением доли материалов в общей структуре себестоимости продукции производители продолжат активно разрабатывать и изготавливать легкие изделия», – сказал Прачар.

Milacron считает, что тонкостенные прозрачные барьерные контейнеры обладают большим потенциалом. Фирма разработала свои собственные технологии производства подобных изделий, в том числе за счет приобретения компаний Mold-Masters и Kortec. «Обладатели брендов стремятся предоставить потребителям возможность осмотреть продукт, находящийся в контейнере, и при этом многие из них также стремятся придать им барьерные свойства для увеличения срока хранения продукта, – продолжил Прачар. – Барьерная упаковка, получаемая методом многокомпонентного литья, является современным продуктом. Такой товар легко распознается на полках магазинов. Переработчики также стремятся использовать более гибкие и универсальные системы, поскольку рынок становится все более ориентированным на потребителя. Это вынуждает производителей снижать серийность производства. Они заинтересованы в системах, в которых можно было бы быстро перейти с выпуска одной продукции на производство других изделий. Еще одна интересная концепция – использование сочетания многокомпонентного и компрессионного литья под давлением при производстве упаковки. Это позволяет придавать ей барьерные свойства и снижать ее стоимость. Используя для этих целей полностью электрические ТПА, можно также сокращать расходы энергии на производство изделий».

Разработанные компанией ТПА серии Ferromatik оснащены системами многокомпонентного литья для введения в структуру изделия барьерных слоев и слоев вторичного материала. Такие термопластавтоматы были представлены на K 2016. Технология Klear Can, предложенная компанией, позволяет получать из ПП прозрачные литьевые емкости (банки), содержащие барьерный слой ЭВС. Такие емкости имеют традиционное (металлическое) дно и горлышко. Изделия характеризуются хорошим соотношением цены и качества по сравнению с традиционными металлическими консервными банками, но при этом обладают неоспоримым преимуществом – являются прозрачными. Фирма Del Monte использовала такую технологию для получения упаковки для фруктов, которые она реализует под одним из своих брендов в Азиатско-Тихоокеанском регионе. Milacron также продемонстрировал еще одну сферу применения многокомпонентного литья под давлением – процесс производства контейнера емкостью 5 галлонов, содержащего внутренний слой вторичного материала. Масса вторичного полимера в таком изделии достигает 50%. Продолжительность формования многослойного контейнера не отличается от продолжительности цикла изготовления однослойного (однокомпонентного) изделия.

Milacron заявляет, что она продолжает активно использовать полностью электрические ТПА в сочетании с крупными этажными формами, в частности для производства упаковки. Фирма считает, что для таких целей оборудование использовать наиболее эффективно, поскольку оно позволяет сокращать затраты на производство изделий. В будущем компании, вероятно, продолжат разрабатывать системы для высокоскоростного компрессионного литья под давлением, а также расширять сферы применения технологии многокомпонентного литья.

Чистые решения
Производство одноразовых медицинских изделий – важная сфера применения тонкостенной упаковки. В этой сфере реализуется еще одно важное преимущество полностью электрических ТПА – возможность эксплуатации в условиях чистоты. Arburg (www.arburg.com) на выставке K 2016 представил высокоэффективный процесс производства чашек Петри на полностью электрическом ТПА Allrounder 470A в 2+2-гнездной форме, изготовленной фирмой Mould & Matic (www.mouldandmatic.com). Продолжительность цикла формования изделий в указанной системе составляла 3,2 с. Чашки изготавливалась из ПС со скоростью 4 500 шт./ч. На мероприятии была представлена версия оборудования, компоненты которого изготовлены из нержавеющей стали. Такое оборудование может использоваться в условиях «чистой комнаты». Оно оснащается модулем ионизации и очистки воздуха до категории ISO7. Такой модуль размещается над узлом смыкания ТПА. В ТПА, используемые для медицинских целей, применяются смазывающие вещества, одобренные FDA/NSF.

На выставке изделия свободно выпадали из формы на специальные линейные направляющие. Затем крышки и корпуса собирались вместе в стопку на конвейере. Arburg заявляет, что использование линейных направляющих для извлечения изделий из формы сокращает время раскрытия оснастки. За счет этого общая продолжительность всего цикла формования изделий сокращается примерно на 20%.

Engel (www.engelglobal.com) предлагает для сферы высокоскоростного формования тонкостенных изделий свои ТПА серии e-Speed – гибридная версия оборудования с электрической системой смыкания, узлом впрыска с гидравлическим сервоприводом и системой восстановления энергии, оснащенной маховиком. На выставке компания продемонстрировала ТПА с усилием смыкания 500 т, на котором в 16-гнездной форме фирмы Otto Hofstetter (www.otto-hofstetter.swiss) получались контейнеры для герметиков. Как и обычно, изделия такой геометрии при производстве декорировались в форме с помощью технологи IML фирмы Beck Automation (www.beckautomation.com).

Engel заявляет, что в такой сфере оптимальным является использование гибридных термопластавтоматов. Формования длинных полых емкостей с толщиной стенки 1,2 мм должно происходить за короткий промежуток времени, несмотря на то что общий объем впрыска в такой системе составляет 800 г. Использование технологии IML и дополнительных средств автоматизации предполагает очень точное перемещение плит ТПА.

KraussMaffei (www.kraussmaffei.com) для сферы формования тонкостенных изделий предлагает свою новую серию ТПА PX. Оборудование имеет универсальную модульную конструкцию и при необходимости может оснащаться различными электрическими и гидравлическими вспомогательными приводами. На K 2016 компания продемонстрировала типичную конфигурацию ТПА модели PX160 с усилием смыкания 160 т, предназначенную для формования тонкостенных изделий. На мероприятии на таком оборудовании получались крышки по стандарту flip-top. Во всех ТПА серии PX используется электрический сервопривод в основных узлах оборудования (узлы смыкания, пластикации и впрыска). Однако при необходимости оборудование может оснащаться и другим приводом. Представленный на мероприятии ТПА был оснащен высокоскоростным электрическим приводом узла впрыска, обеспечивающим скорость впрыска до 270 мм/с.

Совершенствуя TRIM
Компания StackTeck Systems усовершенствовала свою технологию TRIM (Thin Recess Injection Moulding, литье под давлением изделий с тонкостенными участками), позволяющую получать сверхлегкую упаковку. Компания заявляет, что наносить печать можно на 75% площади боковой поверхности изделий, полученных по этой технологии.

Технология TRIM используется для формования изделий, имеющих тонко- и толстостенные участки. За счет этого снижается масса изделий и обеспечивается большая длина затекания расплава в формующую полость (чего невозможно достичь при формовании изделий с постоянным сечением стенки). StackTeck заявляет, что с помощью усовершенствованной технологии TRIM можно получать стаканчики, некоторые участки которых имеют очень малую толщину стенки (0,2 мм или 0,008 дюйма). За счет этого снижается стоимость изделий, и при этом на них все равно можно наносить печать. Изделия можно также декорировать, используя технологию IML (применение дополнительной стадии нанесения печати в другом оборудовании считается выгодным с экономической точки зрения). Компания заявляет, что с помощью технологии TRIM могут получаться легкие изделия с соотношением длины к толщине стенки (L/T) 300. За счет этого подобные изделия имеют на 30–40% меньшую массу.