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Processo di Stampaggio a Iniezione di Materie Plastiche
Creato il 01.04
Flusso del processo di stampaggio a iniezione
Il processo di stampaggio a iniezione consiste principalmente in sei fasi: chiusura dello stampo, riempimento, mantenimento della pressione, raffreddamento, apertura dello stampo e sformatura. Queste sei fasi determinano direttamente la qualità dello stampaggio del prodotto e formano un processo completo e continuo. Questo capitolo si concentra sulle fasi di riempimento, mantenimento della pressione, raffreddamento e sformatura.
Fase di riempimento
Il riempimento costituisce la fase iniziale dell'intero ciclo di stampaggio a iniezione, iniziando dal momento in cui lo stampo si chiude e continuando fino a quando la cavità dello stampo è riempita approssimativamente al 95%. Teoricamente, un tempo di riempimento più breve si traduce in una maggiore efficienza di stampaggio; tuttavia, nella produzione effettiva, il tempo di stampaggio (o velocità di iniezione) è soggetto a numerosi vincoli.
Riempimento ad alta velocità. Durante il riempimento ad alta velocità, la velocità di taglio è elevata, causando una riduzione della viscosità della plastica dovuta all'assottigliamento per taglio, abbassando così la resistenza complessiva al flusso. Gli effetti localizzati di riscaldamento viscoso contribuiscono anche a uno strato di solidificazione più sottile. Di conseguenza, durante la fase di controllo del flusso, il comportamento di riempimento è spesso determinato dal volume da riempire. Cioè, in questa fase, il significativo effetto di assottigliamento per taglio del fuso durante il riempimento ad alta velocità supera tipicamente l'influenza del raffreddamento sulle sezioni a parete sottile, permettendo all'effetto della velocità di prevalere.
Riempimento a bassa velocità. Durante il riempimento a bassa velocità con controllo della conduzione termica, i tassi di taglio sono bassi, la viscosità locale è elevata e la resistenza al flusso è significativa. Poiché la velocità di reintegro della plastica fusa è lenta, il flusso progredisce gradualmente, rendendo pronunciati gli effetti della conduzione termica. Il calore viene rapidamente dissipato dalle fredde pareti dello stampo. Insieme al minimo riscaldamento viscoso, lo strato solidificato più spesso aumenta ulteriormente la resistenza al flusso nelle sezioni a parete più sottile.
A causa delle dinamiche di flusso della fontana, le catene polimeriche nel fuso plastico si allineano quasi parallelamente al fronte di flusso. Di conseguenza, quando due flussi di plastica fusa convergono, le catene polimeriche alla loro interfaccia diventano mutualmente parallele. Aggravato dalle diverse proprietà delle due fusioni (variabile tempo di permanenza nella cavità dello stampo, temperatura e pressione), ciò si traduce in una debolezza microstrutturale nella zona di convergenza. Quando la parte è posizionata con un angolo appropriato sotto la luce e osservata ad occhio nudo, diventa visibile una distinta linea di saldatura. Questo rappresenta il meccanismo di formazione delle linee di saldatura. Le linee di saldatura non solo compromettono l'aspetto dei pezzi in plastica, ma presentano anche una microstruttura lassa incline alla concentrazione di stress. Di conseguenza, la resistenza di quest'area viene ridotta, portando a potenziali fratture.
In generale, le linee di saldatura formate in zone ad alta temperatura mostrano una resistenza superiore. Questo perché le catene polimeriche mostrano una maggiore mobilità a temperature elevate, consentendo loro di interpenetrarsi e intrecciarsi. Inoltre, nelle regioni ad alta temperatura, le temperature dei due flussi fusi sono più vicine, con conseguenti proprietà termiche dei fusi quasi identiche, il che migliora la resistenza dell'area saldata. Al contrario, la resistenza della saldatura è inferiore nelle zone a bassa temperatura.
Fase di mantenimento della pressione
Lo scopo della fase di mantenimento della pressione è di applicare continuamente pressione, compattando il fuso e aumentando la densità della plastica (densificazione) per compensare il comportamento di ritiro del materiale. Durante il mantenimento della pressione, poiché la cavità dello stampo è già riempita di plastica, la contropressione è relativamente alta. Durante tutto il processo di compattazione a mantenimento di pressione, la vite della macchina per lo stampaggio a iniezione può avanzare solo lentamente con piccoli incrementi, e anche la portata del flusso di plastica è relativamente lenta; questo flusso è definito flusso di mantenimento della pressione. Durante la fase di mantenimento della pressione, la plastica si raffredda e solidifica rapidamente contro le pareti dello stampo, causando un rapido aumento della viscosità del fuso. Di conseguenza, si genera una resistenza significativa all'interno della cavità dello stampo. Verso la parte finale del mantenimento della pressione, la densità del materiale continua ad aumentare e il pezzo prende gradualmente forma. La fase di mantenimento della pressione deve persistere fino a quando il canale di iniezione non si solidifica e si sigilla. A questo punto, la pressione nella cavità durante la fase di mantenimento della pressione raggiunge il suo valore massimo.
Durante la fase di mantenimento della pressione, la plastica presenta una parziale comprimibilità a causa della pressione relativamente elevata. Nelle aree di maggiore pressione, la plastica diventa più densa con un aumento della densità; al contrario, nelle regioni di minore pressione, la plastica diventa più porosa con una riduzione della densità. Di conseguenza, la distribuzione della densità varia sia con la posizione che con il tempo. Durante questa fase, la velocità di flusso della plastica è estremamente bassa, rendendo la dinamica del flusso non più il fattore dominante; la pressione diventa il principale determinante che influenza il processo di mantenimento. A questo punto, la plastica ha riempito la cavità dello stampo. Il fuso che si solidifica gradualmente agisce ora come mezzo per la trasmissione della pressione. La pressione all'interno della cavità viene trasmessa attraverso la plastica alle superfici della parete dello stampo, creando una tendenza ad espandere lo stampo. Di conseguenza, è necessaria un'adeguata forza di chiusura per fissare lo stampo. In condizioni normali, la forza di espansione dello stampo allarga leggermente lo stampo, facilitando lo sfiato. Tuttavia, una forza di espansione eccessiva può causare bave, fuoriuscite o persino la separazione dello stampo. Pertanto, quando si seleziona una macchina per lo stampaggio a iniezione, si dovrebbe scegliere una macchina con una forza di chiusura sufficiente per prevenire l'espansione dello stampo e garantire un mantenimento efficace della pressione.
In base alle nuove condizioni ambientali dello stampaggio a iniezione, dobbiamo considerare nuovi processi di stampaggio a iniezione come lo stampaggio assistito da gas, lo stampaggio assistito da acqua e lo stampaggio a iniezione con schiuma.
Fase di raffreddamento
Nell'iniezione di materie plastiche, la progettazione del sistema di raffreddamento è di fondamentale importanza. Questo perché la parte in plastica stampata deve essere raffreddata e solidificata fino a una certa rigidità prima dell'espulsione per evitare deformazioni sotto forze esterne. Poiché il tempo di raffreddamento rappresenta circa il 70% - 80% dell'intero ciclo di stampaggio, un sistema di raffreddamento ben progettato può ridurre significativamente il tempo di stampaggio, aumentare la produttività dell'iniezione e abbassare i costi. Un sistema di raffreddamento inadeguatamente progettato prolunga il tempo di stampaggio e aumenta i costi; un raffreddamento non uniforme aggrava ulteriormente la deformazione e l'incurvamento del prodotto in plastica.
Gli esperimenti indicano che il calore che entra nello stampo dalla massa fusa viene dissipato in due modi principali: circa il 5% viene trasferito all'atmosfera tramite irraggiamento e convezione, mentre il restante 95% viene condotto dalla massa fusa allo stampo. All'interno dello stampo, il calore del prodotto in plastica viene trasferito tramite conduzione termica dalla plastica nella cavità attraverso la base dello stampo fino ai tubi dell'acqua di raffreddamento, dove viene poi allontanato dal fluido di raffreddamento tramite convezione. Una piccola parte del calore non rimosso dall'acqua di raffreddamento continua a condurre all'interno dello stampo, dissipandosi infine nell'aria ambiente al contatto con l'ambiente esterno.
Il ciclo di stampaggio a iniezione comprende il tempo di chiusura, il tempo di riempimento, il tempo di mantenimento della pressione, il tempo di raffreddamento e il tempo di espulsione. Tra questi, il tempo di raffreddamento rappresenta la proporzione maggiore, circa dal 70% all'80%. Di conseguenza, il tempo di raffreddamento influisce direttamente sia sulla durata del ciclo di stampaggio del prodotto in plastica che sulla produzione. Durante la fase di sformatura, la temperatura del prodotto in plastica deve essere raffreddata al di sotto della sua temperatura di flessione termica per prevenire il rilassamento causato da tensioni residue o deformazioni e distorsioni derivanti dalle forze esterne di sformatura.
I fattori che influenzano la velocità di raffreddamento del prodotto includono:
Nella progettazione di prodotti in plastica, lo spessore della parete è una considerazione primaria. Un maggiore spessore del prodotto richiede tempi di raffreddamento più lunghi. Generalmente, la durata del raffreddamento è proporzionale al quadrato dello spessore del prodotto o alla potenza 1,6 del diametro massimo del canale di iniezione. Ciò significa che raddoppiando lo spessore del prodotto, il tempo di raffreddamento quadruplica.
Materiali dello stampo e metodi di raffreddamento. I materiali utilizzati per il nucleo, la cavità e la base dello stampo influenzano significativamente i tassi di raffreddamento. Coefficienti di conducibilità termica più elevati nei materiali dello stampo migliorano il trasferimento di calore dalla plastica per unità di tempo, riducendo così il tempo di raffreddamento.
Configurazione dei tubi dell'acqua di raffreddamento. Più vicini sono i tubi dell'acqua di raffreddamento alla cavità dello stampo, maggiore è il loro diametro e maggiore è il loro numero, più efficace è il raffreddamento e più breve è il tempo di raffreddamento.
Portata del fluido refrigerante. Maggiore è la portata dell'acqua di raffreddamento (generalmente il raggiungimento di un flusso turbolento è ottimale), più efficacemente l'acqua di raffreddamento rimuove il calore tramite convezione termica.
Proprietà del refrigerante. La viscosità e il coefficiente di conducibilità termica del refrigerante influenzano anche l'efficienza del trasferimento di calore dello stampo. Una minore viscosità del refrigerante è correlata a una maggiore conducibilità termica, temperature più basse e prestazioni di raffreddamento superiori.
Selezione della plastica. Questo si riferisce alla capacità della plastica di condurre calore da aree calde ad aree fredde. Un coefficiente di conducibilità termica più elevato indica una migliore efficienza di trasferimento del calore. In alternativa, una minore capacità termica specifica significa che la temperatura della plastica fluttua più facilmente, facilitando la dissipazione del calore e ottenendo così migliori prestazioni termiche con tempi di raffreddamento ridotti.
Impostazioni dei parametri di processo. Temperature del materiale più elevate, temperature dello stampo più elevate e temperature di espulsione più basse richiedono tempi di raffreddamento più lunghi.
Principi di progettazione per i sistemi di raffreddamento:
I canali di raffreddamento devono essere progettati per garantire un raffreddamento uniforme e rapido.
Lo scopo della progettazione di un sistema di raffreddamento è mantenere un raffreddamento appropriato ed efficiente dello stampo. I fori di raffreddamento dovrebbero impiegare dimensioni standard per facilitare la lavorazione e il montaggio.
Nella progettazione di un sistema di raffreddamento, il progettista dello stampo deve determinare i seguenti parametri di progettazione in base allo spessore della parete e al volume della parte in plastica: la posizione e le dimensioni dei fori di raffreddamento, la lunghezza dei fori, il tipo di fori, la disposizione e la connessione dei fori, nonché la portata e le proprietà di trasferimento del calore del refrigerante.
Fase di sformatura
Lo sformo costituisce la fase finale di un ciclo di stampaggio a iniezione. Sebbene il prodotto si sia già raffreddato e solidificato, il processo di sformo influisce in modo significativo sulla sua qualità. Metodi di sformo impropri possono causare una distribuzione non uniforme della forza durante la rimozione, potenzialmente provocando deformazioni o altri difetti. Esistono due approcci principali allo sformo: lo sformo con perni espulsori e lo sformo con placca espulsore. Durante la progettazione degli stampi, è necessario selezionare il metodo di sformo appropriato in base alle caratteristiche strutturali del prodotto per garantirne la qualità.
Per stampi che impiegano perni espulsori, questi dovrebbero essere posizionati nel modo più uniforme possibile, localizzati dove la resistenza all'espulsione è maggiore e dove il pezzo presenta massima resistenza e rigidità. Ciò impedisce deformazioni o danni al componente in plastica.
Le piastre eiettrici sono tipicamente utilizzate per contenitori a cavità profonda e a parete sottile e per prodotti trasparenti dove i segni dei perni eiettori sono inaccettabili. Questo meccanismo fornisce una forza di espulsione sostanziale ma uniforme, funziona in modo fluido e non lascia tracce discernibili.
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