Прижоги и Газовые Ловушки при Литье под Давлением — Проектирование Вентиляции, Дизельный Эффект и Технологические Решения

Инженер-технолог поставщика автомобильного освещения осматривает поликарбонатную линзу — длиной 180 мм, толщиной 4,2 мм в центре с утонением до 2,0 мм по краям, с одним подводным литником на нижней стороне и бобышкой диаметром 15 мм на каждом из четырёх крепёжных углов. Каждый 20-й–30-й впрыск даёт линзу с коричнево-чёрным обесцвечиванием — около 3–5 мм в диаметре — на бобышке, наиболее удалённой от литника. Обесцвечивание не на поверхности; оно внедрено в полимер и видно через прозрачный ПК как тёмный завиток. Спецификация заказчика для передней автомобильной линзы — ноль прижогов: любое видимое обесцвечивание является браком. При уровне брака 3–4 % форма теряет около 180 годных деталей за смену. Годовые затраты на брак при ¥85 за деталь составляют около ¥1,3 миллиона.

Инженер попытался снизить температуру расплава с 300 °C до 285 °C — частота прижогов упала с 5 % до 3 %, но не исчезла. Снижение скорости впрыска с 85 мм/с до 60 мм/с уменьшило частоту до 2 %, но давление заполнения выросло со 120 МПа до 155 МПа, приближаясь к пределу машины в 175 МПа, а время цикла увеличилось на 1,8 секунды. Прижоги всё ещё присутствуют на уровне 2 % — один брак на каждые 50 впрысков.

Коренная причина — газовая ловушка в последней заполняемой бобышке: четыре угловые бобышки заполняются последними, и сходящиеся фронты расплава захватывают воздух в полости бобышки без пути выхода. Захваченный воздух сжимается до примерно 15–25 бар за последние миллисекунды заполнения, адиабатически нагреваясь до примерно 350–500 °C — выше температуры деструкции ПК, составляющей около 340 °C. Полимер на границе сжатия газа термически разрушается, вызывая коричнево-чёрное обесцвечивание. Вентиляция, которая должна была быть на торце бобышки, не была выполнена, потому что конструктор формы счёл бобышку «глухим карманом», который заполнится без захвата воздуха — просчёт, который анализ течения расплава выявил бы до первого впрыска.

Что такое прижог — и газ, который его вызывает

Прижог — это локализованное обесцвечивание — обычно коричневое, чёрное или серебристо-коричневое — на или сразу под поверхностью литьевой детали. Он образуется, когда захваченный газ (воздух, летучие вещества или продукты разложения) сжимается до высокого давления и температуры на последней стадии заполнения полости, вызывая термическую деструкцию полимера на границе сжатия газа.

Прижог — это не:

• Серебристая полоса от влаги или сдвиговой деструкции (хотя оба дефекта связаны с газом)
• Горячая точка от локального отклонения температуры горячего канала
• Загрязнение от разложившегося материала в застойной зоне цилиндра

Прижоги всегда сопровождаются захваченным газом. Найдите газовую ловушку — и вы найдёте прижог. Устраните газовую ловушку — вентиляцией, перемещением или более медленным заполнением — и вы устраните прижог.

Захваченный газ может происходить из четырёх источников:

Наиболее распространённый источник — и тот, который может быть устранён конструкцией формы — воздух, захваченный в полости при заполнении. Полость — это замкнутый объём с одним входом (литником) и без выхода. Воздух, находящийся в полости до впрыска, должен куда-то выйти. Если у него нет пути выхода, он сжимается поступающим расплавом и составляет примерно 0,1–0,5 % конечного объёма детали — казалось бы, незначительно, но достаточно для образования видимого прижога.

Дизельный эффект: адиабатическое сжатие захваченного газа

Физика, превращающая захваченный воздух в прижог — это адиабатическое сжатие: тот же принцип, который воспламеняет топливо в дизельном двигателе. Когда газ быстро сжимается, его температура растёт. Если сжатие происходит достаточно быстро, чтобы тепло не успевало отводиться в окружающий металл и пластик (т.е. сжатие адиабатическое), повышение температуры описывается формулой:

T₂ = T₁ × (P₂ / P₁)^((γ−1)/γ)

Где:

• T₁ = начальная температура газа (~503 K / 230 °C — температура стенки полости для ПК)
• P₁ = начальное давление газа (1 бар, атмосферное в начале заполнения)
• P₂ = конечное давление газа (давление в полости в конце заполнения, обычно 300–700 бар)
• γ = показатель адиабаты для воздуха (1,4)

Для ПК, отливаемого при давлении в полости 500 бар с температурой стенки полости 90 °C (363 K):

T₂ = 363 × (500/1)^((1,4−1)/1,4) = 363 × 500^0,286 ≈ 363 × 5,93 ≈ 2,153 K (1,880 °C)

Рассчитанная адиабатическая температура 1,880 °C значительно превышает температуру деструкции поликарбоната (~340 °C), АБС (~270 °C) и большинства распространённых термопластов. На практике фактическая температура газа ниже — сжатие не является идеально адиабатическим, так как часть тепла отводится в стенки формы и расплав — но захваченный газовый пузырь может легко достичь 350–600 °C, что достаточно для разрушения любого распространённого литьевого полимера.

Разрушенный полимер на границе сжатия газа механически слаб. Он претерпел разрыв цепей (для аморфных материалов, таких как ПК и АБС) или окислительную деструкцию (для полиолефинов). Обесцвеченный материал — это не просто косметический дефект; это локальная ослабленная зона с пониженной молекулярной массой, пониженной ударной вязкостью и, в экстремальных случаях, карбонизованный материал, который может отслаиваться от поверхности детали и загрязнять последующую сборку.

Пять коренных причин и их устранение

Причина 1: Неадекватная или отсутствующая вентиляция в месте газовой ловушки

Это основная причина прижогов в новых формах. Анализ течения расплава предсказывает, где последняя зона полости заполняется — «зона последнего заполнения» — которая всегда является газовой ловушкой при отсутствии вентиляции. Вентиляция должна быть расположена точно в этой точке последнего заполнения. Вентиляция в 5 мм от газовой ловушки — это неработающая вентиляция: газ захвачен в 5 мм от пути выхода, и расплав достигает вентиляции раньше газа, запечатывая её.

Правила размещения вентиляции:

1. Вентиляция должна находиться точно в месте газовой ловушки, предсказанном симуляцией заполнения — не рядом, не поблизости
2. Вторичная вентиляция должна размещаться вдоль пути потока в местах, где фронт расплава замедляется или сходится, например, в плоскостях встречи линий спая
3. Для глухих карманов (бобышек, глубоких рёбер, углов) вентиляция выполняется на торце — в самой глубокой точке кармана, противоположной входу
4. Толкатели могут служить вентиляцией: толкатель с плоскошлифованным торцом в зоне газовой ловушки с периферийным зазором 0,01–0,02 мм обеспечивает естественный путь вентиляции к плите толкателей

Размеры вентиляции по материалам:

Вентиляционный уступ — это мелкий участок у края полости; его глубина определяет, проходит ли газ (да) и проходит ли пластик (нет, при правильном размере). Ширина уступа (3–8 мм) обеспечивает короткое контролируемое ограничение. За уступом вентиляционный канал переходит в значительно более глубокую разгрузку (0,5–1,0 мм), не оказывающую сопротивления потоку газа и выводящую выходящий воздух наружу формы.

Правило глубины уступа: на 0,01 мм ниже порога облоя материала. Если материал даёт облой при зазоре плоскости разъёма 0,03 мм, глубина вентиляционного уступа должна быть 0,02 мм — достаточно глубокая для прохода газа, достаточно мелкая для предотвращения входа расплава. Вот почему низковязкие материалы (ПЭ, ПП, ПА6) требуют самых мелких вентиляций — их порог облоя ниже.

Количество вентиляций: Нет фиксированного числа. Каждое место газовой ловушки — каждая зона, где симуляция заполнения показывает сходящиеся фронты потока или глухой карман — требует своей вентиляции. Форма с одним литником, двумя стержневыми знаками и четырьмя бобышками может иметь 5–8 мест газовых ловушек, каждое из которых требует выделенной вентиляции.

Причина 2: Скорость впрыска слишком высока для доступной вентиляции

Скорость впрыска напрямую контролирует, насколько быстро сжимается воздух в полости. Более высокая скорость впрыска даёт захваченному воздуху меньше времени для выхода через вентиляцию до того, как расплав запечатывает путь выхода — и одновременно создаёт более высокую скорость сжатия, повышая пиковую температуру газа.

Связь между скоростью впрыска и образованием прижогов нелинейна. Существует пороговая скорость впрыска, ниже которой существующая вентиляция может эвакуировать воздух из полости до прихода расплава, и выше которой газ захватывается и сжимается. Этот порог зависит от:

• Площади вентиляции (сумма всех поперечных сечений вентиляций)
• Объёма полости (больше воздуха для эвакуации = ниже пороговая скорость)
• Времени заполнения (меньше время заполнения = быстрее сжатие = выше температура)

Диагностический тест: Выполните серию впрысков с пошагово уменьшающейся скоростью — начните с нормальной производственной скорости, снижайте на 10 мм/с за шаг, сохраняя все остальные параметры постоянными. Фиксируйте наличие или отсутствие прижогов при каждой скорости. Постройте график частоты прижогов от скорости впрыска. Порог — это скорость, при которой частота прижогов падает до нуля. Если пороговая скорость ниже скорости, необходимой для полного заполнения полости (т.е. расплав застывает до заполнения), вентиляция неадекватна, и требуется модификация формы.

Профилированный впрыск: Вместо использования одной низкой скорости для всего впрыска используйте профилированный впрыск: быстрое заполнение (80–100 мм/с) для первых 90–95 % объёма полости, затем резкое замедление до 20–30 мм/с для последних 5–10 % — зоны, где происходит сжатие газа. Быстрое заполнение основной части объёма предотвращает преждевременное застывание; медленное заполнение для конечного сжатия даёт захваченному газу время выйти через вентиляцию. Это стандартный подход для форм с ограниченной вентиляцией, когда модификация формы невозможна немедленно.

Причина 3: Положение литника, создающее невентилируемую газовую ловушку

Положение литника определяет картину заполнения, а картина заполнения определяет, где образуются газовые ловушки. Литник, заполняющий бобышку с открытого конца (литник у основания бобышки, поток идёт вверх по стенке бобышки, встречаясь на закрытом конце), создаёт газовую ловушку на глухом конце бобышки — который доступен для вентиляции, так как обращён к плоскости разъёма или толкателю.

Литник, который сначала заполняет зону вокруг бобышки, а затем заполняет бобышку снаружи внутрь, создаёт газовую ловушку в основании бобышки — которая недоступна для вентиляции, так как находится внутри полости, окружённая заполненным пластиком. Газ захвачен в бобышке, и нет пути для его выхода.

Правило положения литника для предотвращения газовых ловушек: литник должен быть расположен так, чтобы газовые ловушки образовывались в доступных местах — поверхности плоскости разъёма, торцы толкателей, поверхности ползунов или концы рёбер, достигающих плоскости разъёма. Газовые ловушки на внутренних элементах полости (внутренние полости бобышек, заполняемые снаружи, глубокие карманы без доступа к плоскости разъёма) — это кошмар для вентиляции.

Причина 4: Влажность материала и содержание летучих

Недостаточно высушенный материал вносит водяной пар и низкомолекулярные летучие вещества в поток расплава. Эти летучие испаряются при температуре расплава и добавляют дополнительный объём газа в полость — газ, не учтённый в конструкции вентиляции. Полость, вентилируемая для 3 см³ захваченного воздуха, может быть неадекватна для 3 см³ воздуха плюс 1 см³ водяного пара от невысушенного материала.

Требования к сушке материалов:

Сушилка материала, не обеспечивающая номинальную точку росы (обычно от −30 °C до −40 °C для технических смол), производит материал с влажностью 0,05–0,10 % — в 2–5 раз выше целевой — добавляя существенный объём газа в полость. Диагностический тест — измерение влажности материала на входе в цилиндр с помощью анализатора влажности. Если влажность выше спецификации, сушилка — а не вентиляция — является коренной причиной прижогов.

Причина 5: Застойные зоны и деградация материала в цилиндре

Полимер, находящийся в застойной зоне — углу цилиндра, за обратным клапаном, в тупиковом канале коллектора горячего канала — в течение нескольких циклов подвергается прогрессирующей термической деструкции. Разложившийся материал темнее, более вязкий и несёт газы разложения. Когда он в конце концов срывается и попадает в полость со следующим впрыском, он создаёт перемежающийся прижог — появляющийся раз в 10–50 впрысков, никогда в одном и том же месте.

Прижоги от застойных зон диагностируются по их перемежаемости и случайности. Прижог, связанный с вентиляцией, высокостабилен — одно и то же место, одна и та же форма, одна и та же частота (каждый впрыск или через впрыск). Прижог от застойной зоны нестабилен — разные места, разная выраженность, появляется группами, затем исчезает на 20 впрысков.

Корректирующее действие: Прочистить цилиндр коммерческим чистящим компаундом (не производственным материалом — разложившийся материал, застрявший в застойных зонах, не будет вытеснен тем же материалом, который его создал). Проверить обратный клапан на износ — изношенный обратный клапан создаёт зону рециркуляции, где материал может застаиваться. В системах горячих каналов проверить тупиковые каналы коллектора — любой канал без пути потока (забитый литник, неиспользуемая позиция сопла) является застойной зоной, накапливающей разложившийся материал.

Вакуумная вентиляция — когда обычной вентиляции недостаточно

Для деталей, где вентиляция через обычные зазоры плоскости разъёма и толкателей недостаточна — обычно глубокие детали, детали с большой проекцией площади и коротким временем заполнения, или прозрачные детали с нулевым допуском на косметические дефекты — решением является вакуумная вентиляция.

Система вакуумной вентиляции соединяет вентиляционные каналы с вакуумным насосом, который активно эвакуирует воздух из полости до и во время впрыска. Полость герметизируется (все вентиляции подключены к вакуумному контуру), создаётся вакуум 500–700 мбар ниже атмосферного давления, и впрыск запускается при достижении заданного вакуума. Пониженное начальное давление снижает пиковую температуру сжатия:

При начальном давлении 0,3 бар (70 % вакуума) вместо 1,0 бар степень сжатия при 500 бар становится 500/0,3 ≈ 1,667 (против 500/1,0 = 500), но абсолютный рост температуры составляет лишь 60 % от атмосферного случая из-за более низкой начальной плотности — меньше молекул газа присутствует для сжатия.

На практике вакуумная вентиляция снижает пиковую температуру захваченного газа на 40–60 %, что может быть достаточно для удержания температуры газа ниже порога деструкции полимера.

Вакуумная вентиляция добавляет примерно ¥15,000–30,000 к стоимости формы (вакуумный насос, коллектор, уплотнения, система управления) и 1–3 секунды к времени цикла (создание вакуума). Она применяется там, где стоимость брака от прижогов превышает амортизированную стоимость вакуумной системы — обычно автомобильное освещение, медицинские прозрачные компоненты и оптические детали.

Анализ течения расплава для прогнозирования газовых ловушек

Моделирование течения расплава предсказывает расположение газовых ловушек с высокой точностью. Симуляция заполнения отслеживает движущийся фронт расплава, и любая зона полости, где фронт расплава сходится с нескольких направлений — «остров» незаполненной полости, окружённый заполненной полостью — отмечается как газовая ловушка.

Симуляция требует моделирования вентиляции: если вентиляции не заданы в симуляции, газовые ловушки предсказываются в предположении нулевой вентиляции (весь газ захвачен). Если вентиляции заданы в конкретных местах с конкретными размерами, симуляция рассчитывает, сколько газа выходит через каждую вентиляцию и достаточно ли оставшегося газа для образования прижога.

Стандартный рабочий процесс до запуска в производство:

1. Выполнить симуляцию заполнения без вентиляции → определить все места газовых ловушек
2. Добавить вентиляции в каждом месте газовой ловушки → повторно выполнить симуляцию с вентилируемыми граничными условиями
3. Убедиться, что не осталось невентилируемых газовых ловушек
4. Если невентилируемые газовые ловушки сохраняются (недоступные места), скорректировать положение литника для изменения картины заполнения или добавить вентиляции через толкатели в местах газовых ловушек

Анализ DFM, включающий анализ газовых ловушек, выявляет риски прижогов до обработки стали. Стоимость добавления вентиляции при проектировании формы — это стоимость фрезерованной канавки: примерно ¥200–500 за вентиляцию. Стоимость добавления той же вентиляции путём модификации готовой формы — разборка, переобработка, сборка, переквалификация — составляет ¥3,000–8,000 за вентиляцию плюс 2–5 дней простоя.

Инженер автомобильного освещения, начавший с 3–4 % брака по прижогам на линзе из ПК, в итоге выявил две коренные причины систематической диагностикой. Во-первых, анализ течения расплава существующей картины заполнения подтвердил четыре газовые ловушки на четырёх угловых бобышках — каждая бобышка заполнялась снаружи внутрь, захватывая воздух на торце бобышки без вентиляционного пути. Во-вторых, было обнаружено, что сушилка материала даёт точку росы −22 °C вместо заданной −40 °C — изношенный осушитель — производя ПК с влажностью 0,04 % вместо целевой <0,02 %, добавляя водяной пар к захваченному воздуху и увеличивая объём газа в каждой бобышке примерно на 30 %.

Корректирующие действия: вентиляции через толкатели были добавлены на торце каждой бобышки (существующие толкатели были плоскошлифованы для создания периферийного вентиляционного зазора 0,03 мм к плите толкателей — модификация за ¥2,000 за толкатель, не потребовавшая разборки формы сверх извлечения толкателей для шлифовки). Осушитель сушилки был заменён (¥3,000), восстановив точку росы −40 °C и доведя влажность материала до 0,015 %.

После обеих коррекций частота прижогов упала с 3–4 % до нуля — ни одного прижога за 5,000-цикловую валидацию. Годовые затраты на брак в ¥1,3 миллиона были устранены. Скорость впрыска была восстановлена до 85 мм/с, температура расплава до 300 °C, а время цикла до исходного значения.

Прижоги — это проблема газа. Если газ не может выйти, он сжигает пластик. Решение всегда одинаково в принципе — дайте газу путь наружу, — но искусство в том, чтобы знать, где захвачен газ и можно ли добавить вентиляцию в этом месте без модификации формы. Анализ течения расплава делает первый вопрос разрешимым; конструкция формы делает второй вопрос реализуемым.

Обсудить проблему прижога на вашей форме →