Серебристые Полосы и Прожилки при Литье под Давлением — Влага, Сдвиг и Деструкция Материала

Инженер по качеству контрактного производителя медицинских изделий держит хирургическую рукоятку из полифенилсульфона (ПФСУ) — прозрачную деталь янтарного цвета длиной 120 мм с равномерной стенкой 3,5 мм, отлитую в одной гнезде с прямым литниковым впуском. Поверхность детали показывает веерообразный рисунок из тонких серебристо-белых полос, расходящихся от зоны литника — длиной примерно 25 мм, видимых с обеих сторон детали и наиболее выраженных в радиусе 15 мм от литника. По стандарту контроля заказчика при освещении 1,200 люкс полосы не соответствуют косметической спецификации. Проблема возникла три дня назад после смены материала на новую партию ПФСУ от того же поставщика и той же марки. Предыдущая партия работала шесть месяцев без единого косметического брака. Больше ничего не изменилось: та же форма, та же машина, те же параметры процесса.

Инженер проверяет сушилку: уставка 150 °C с точкой росы −40 °C, время сушки 5 часов — всё в рекомендованном поставщиком материала диапазоне. Дисплей точки росы сушилки показывает −38 °C. Материал был загружен в бункер сегодня утром. Всё выглядит правильным.

Коренная причина — влага, но не из-за неадекватной сушки. Новая партия ПФСУ хранилась на складе поставщика 14 месяцев, и герметичный мешок — хотя технически неоткрытый — имел микроотверстие в алюминизированном фольгированном слое, невидимое при беглом осмотре. Материал поглотил примерно 0,15 % влаги за 14 месяцев на некондиционируемом складе в Гуандуне, где средняя влажность составляет 75–85 %. Стандартный 5-часовой цикл сушки при 150 °C снижает влажность с 0,15 % до примерно 0,04 % — выше максимума 0,02 % для ПФСУ и достаточно для образования видимых полос. Решением было не изменение настроек сушилки или параметров процесса, а продление времени сушки до 8 часов для этой конкретной партии, снизив влажность до целевых 0,02 %, и добавление входного контроля влажности для всех будущих партий материала.

Серебристые полосы — наиболее часто неправильно диагностируемый дефект литья, потому что все они выглядят похоже — серебристые или белёсые прожилки — но имеют четыре независимые коренные причины. Лечение полос от термической деструкции повышением температуры сушилки ухудшает проблему. Лечение влажностных полос снижением температуры расплава повышает вязкость расплава и ухудшает заполнение. Корректирующее действие должно соответствовать коренной причине, а коренную причину можно определить по рисунку полос, если знать, на что смотреть.

Что такое серебристые полосы — и как выглядят четыре типа

Серебристые полосы (также называемые серебристыми прожилками, серебрением или брызговыми метками) — это поверхностный дефект, состоящий из тонких вытянутых полос — обычно серебристо-белых, иногда с коричневым оттенком — расходящихся от литника или появляющихся изолированными пятнами на поверхности детали. Полосы ориентированы в направлении течения, потому что газ или разложившийся материал, вызывающий их, растягивается фонтанным течением по мере заполнения расплавом полости.

Серебристые полосы — это принципиально газовый дефект. Газовые пузырьки, увлечённые в поток расплава — будь то водяной пар, газы разложения или захваченный воздух — растягиваются в вытянутые полосы по мере течения расплава через полость, и полосы застывают в поверхности, когда расплав контактирует со стенкой полости и затвердевает. Четыре коренные причины различаются тем, откуда берётся газ и как он попадает в расплав:

Последовательность диагностики: определите, какой из четырёх источников газа вызывает полосы, затем устраните этот источник. Устранение неправильного источника может ухудшить полосы или заменить один тип полос на другой.

Тип 1: Влажностные полосы — водяной пар в расплаве

Влага — наиболее частая причина серебристых полос и первое, что нужно проверять при их появлении — особенно если полосы начались после смены партии материала, обслуживания сушилки или сезонного изменения влажности.

Большинство технических термопластов гигроскопичны — они поглощают влагу из воздуха. Равновесное содержание влаги зависит от материала, влажности окружающей среды и времени воздействия. АБС достигает примерно 0,3–0,5 % влажности при 50 % относительной влажности за 24 часа. ПА6 достигает 1,5–2,5 % при 50 % ОВ — самый высокий показатель среди распространённых литьевых материалов — и может достигать 3–4 % при 80 % ОВ. ПФСУ достигает 0,4–0,6 % в аналогичных условиях.

Когда влажный материал попадает в цилиндр, вода испаряется при температуре расплава (200–350 °C в зависимости от материала). Объёмное расширение жидкой воды в пар составляет примерно 1,700:1 при атмосферном давлении. Одна гранула ПА6 с 2 % влажности несёт достаточно воды для образования примерно 0,3 см³ пара при нагреве до 280 °C — а один впрыск 50 грамм ПА6 с 2 % влажности несёт примерно 1 грамм воды, производя 1,7 литра пара при атмосферном давлении. В замкнутом пространстве цилиндра и полости этот пар сжимается, увлекается в расплав, растягивается потоком и застывает в поверхности детали в виде серебристых полос.

Требования к сушке материалов — целевое содержание влаги, ниже которого полосы не возникают:

Время сушки должно отсчитываться с момента достижения материалом температуры сушки в центре гранулы — а не с момента включения сушилки. Бункерная сушилка, загруженная 50 кг холодных гранул, требует 30–60 минут для достижения слоем гранул заданной температуры. 4-часовое время сушки начинается, когда гранулы достигают температуры, а не когда сушилка включена.

Диагностическое подтверждение: При подозрении на влажностные полосы проведите измерение влажности материала на загрузочной горловине с помощью анализатора влажности — не из бункера сушилки, а из бункера машины, где материал фактически поступает в цилиндр. Материал, показывающий 0,03 % на выходе сушилки, мог набрать 0,01–0,02 % влаги при транспортировке через необогреваемые шланги или негерметичный бункер машины. Показание на загрузочной горловине — это влажность, которую фактически видит цилиндр.

Корректирующие действия для Типа 1

1. Увеличить время сушки. Если материал поглотил влагу сверх нормального диапазона — из-за длительного хранения, повреждённой упаковки или воздействия высокой влажности — стандартное время сушки недостаточно. Удвойте время сушки для материала, о котором известно, что он подвергался воздействию влажности выше нормальных складских условий, и проверьте анализатором влажности перед допуском в производство.
2. Повысить температуру сушки в рекомендованном поставщиком диапазоне. Повышение температуры сушки на 10 °C примерно удваивает скорость диффузии влаги в большинстве термопластов. Верхний предел — температура размягчения или деструкции материала.
3. Проверить работу сушилки. Сушилка с насыщенным осушителем подаёт воздух с точкой росы от −10 °C до −20 °C вместо заданной −40 °C. Равновесная влажность материала определяется точкой росы сушильного воздуха — а не температурой сушилки. Сушилка с правильной температурой и неисправным слоем осушителя при −15 °C точки росы высушит ПА6 до примерно 0,15–0,20 % влажности, а не до целевых <0,10 %. Замените осушитель, очистите фильтры и проверьте цикл регенерации.
4. Герметизировать путь транспортировки материала. От выхода сушилки до загрузочной горловины машины высушенный материал должен перемещаться по герметичным шлангам или трубам — не открытым для окружающего воздуха. Высушенная гранула ПА6, подвергнутая воздействию окружающего воздуха при 70 % ОВ, реабсорбирует примерно 0,02–0,03 % влаги за 10–15 минут — достаточно, чтобы подняться с <0,10 % до >0,12 %.

Тип 2: Полосы термической деструкции — полимер варится

Полосы термической деструкции возникают, когда полимер подвергается разрыву цепей или окислительной деструкции из-за чрезмерной температуры или времени пребывания в цилиндре. Деструкция производит низкомолекулярные фрагменты — некоторые из которых газообразны при температуре расплава — и газы увлекаются в расплав и растягиваются в полосы на поверхности детали.

В отличие от влажностных полос, которые серебристо-белые, полосы термической деструкции имеют характерный коричневый до чёрного оттенок и часто сопровождаются сдвигом основного цвета материала к жёлтому. В прозрачных материалах (ПК, ПММА, ПФСУ) разложившийся материал выглядит как жёлто-коричневая дымка вокруг зоны литника. В непрозрачных материалах деструкция производит тёмно-коричневые или чёрные полосы — трудноотличимые от прижогов кроме как по расположению (полосы деструкции — у литника, прижоги — в последней заполняемой зоне).

Термическая деструкция имеет три подпричины:

Подпричина A: Чрезмерная температура расплава. Поставщик материала указывает диапазон температуры расплава — обычно 260–300 °C для ПК, 230–260 °C для АБС, 280–310 °C для ПА66. Работа на верхнем пределе или выше него разрушает полимер. Скорость деструкции примерно удваивается на каждые 10 °C превышения рекомендованного диапазона. ПК, перерабатываемый при 310 °C, разрушается примерно вдвое быстрее, чем тот же ПК при 300 °C.

Подпричина B: Чрезмерное время пребывания. Даже при рекомендованной температуре расплава полимер разрушается, если находится в цилиндре слишком долго. Максимальное рекомендованное время пребывания варьируется по материалам: 5–8 минут для ПК, 8–12 минут для АБС, 4–6 минут для ПОМ, 10–15 минут для ПЭ и ПП. Время пребывания рассчитывается как:

Время пребывания (мин) = Объём цилиндра (г) / Вес впрыска (г) × Время цикла (мин)

Для объёма цилиндра 500 г, веса впрыска 100 г и времени цикла 30 секунд (0,5 мин) время пребывания составляет 500/100 × 0,5 = 2,5 минуты — вполне в пределах ограничений большинства материалов. Для объёма цилиндра 500 г, веса впрыска 25 г и времени цикла 45 секунд (0,75 мин) время пребывания составляет 500/25 × 0,75 = 15 минут — слишком долго для большинства технических термопластов. Цилиндр слишком велик для веса впрыска.

Подпричина C: Горячие точки в цилиндре или горячем канале. Неисправный нагревательный пояс, неправильно показывающая термопара или коллектор горячего канала с локальной горячей точкой могут перегреть малую долю расплава. Перегретый материал разрушается, выделяет газ и создаёт полосы — но только разрушенная доля показывает дефект, поэтому полосы могут быть перемежающимися (одна полоса раз в несколько впрысков), а не постоянными.

Диагностическое подтверждение термической деструкции: Промойте цилиндр и горячий канал, соберите образец промывки и проверьте на изменение цвета по сравнению с исходным материалом. Свободный впрыск (промывка на открытый воздух, не в форму), показывающий коричневый оттенок или пузыри, подтверждает деструкцию в цилиндре. Если свободный впрыск чистый, но отлитая деталь показывает полосы, деструкция, вероятно, происходит в литнике (сдвиговой перегрев) или в застойной зоне горячего канала.

Корректирующие действия для Типа 2

1. Снизить температуру расплава — целиться в середину рекомендованного поставщиком диапазона, а не в верхний предел. Если материал перерабатывается при 260–300 °C, начните с 280 °C и повышайте только при проблемах с заполнением.
2. Сократить время пребывания — используйте цилиндр, размер которого соответствует весу впрыска (вес впрыска должен составлять 20–60 % объёма цилиндра). Если цилиндр слишком велик, рассмотрите меньший комплект шнек-цилиндр.
3. Промывать при остановке. Никогда не оставляйте термочувствительные материалы (ПК, ПОМ, ПБТ, ПФСУ) в горячем цилиндре во время простоя. Промойте стабильным чистящим компаундом или следующим производственным материалом перед отключением нагрева цилиндра.
4. Проверить нагревательные пояса и термопары. Нагревательный пояс, работающий на 30–50 °C выше уставки из-за неисправной термопары, является источником локальной деструкции. Проверьте температуры цилиндра независимым щуповым термометром — не дисплеем машины, который показывает показания возможно неисправной термопары.

Тип 3: Полосы сдвигового перегрева — слишком быстро через слишком малое сечение

Полосы сдвигового перегрева возникают, когда расплав испытывает скорость сдвига, превышающую критическую скорость сдвига материала, в месте сужения потока — обычно в литнике, остром углу литникового канала или тонкостенном сечении. При скоростях сдвига выше критического предела полимерные цепи подвергаются механическому разрыву: сдвиговые силы буквально разрывают полимерные цепи, производя низкомолекулярные фрагменты и газообразные продукты разложения.

Критическая скорость сдвига зависит от материала:

Скорость сдвига в литнике рассчитывается как:

Скорость сдвига (1/с) = 4 × Объёмный расход (см³/с) / (π × Радиус литника³ (см))

Для детали из ПК с объёмным расходом 80 см³/с через подводный литник диаметром 1,2 мм (радиус 0,06 см):

Скорость сдвига = 4 × 80 / (π × 0,06³) ≈ 320 / 0,000678 ≈ 472,000 1/с

Это значительно превышает критическую скорость сдвига ПК 20,000–40,000 1/с. Литник слишком мал для расхода. Расплав механически разрывается при прохождении через литник, создавая сдвиговые полосы в зоне литника.

Тест размера литника: Если полосы появляются у литника и нигде более, и исчезают при снижении скорости впрыска на 30–40 %, коренная причина — сдвиговой перегрев: скорость впрыска (а следовательно, и расход) слишком высока для диаметра литника. Постоянное решение — увеличить диаметр литника или изменить тип литника на имеющий большее поперечное сечение (например, подводный литник → щелевой литник, или щелевой литник → веерный литник).

Длина литникового уступа также имеет значение. Длинный литниковый уступ (параллельный участок на входе в литник) удлиняет время, которое расплав проводит под высоким сдвигом. Укорачивание литникового уступа с 2,0 мм до 1,0 мм сокращает время воздействия сдвига на 50 % при том же расходе.

Корректирующие действия для Типа 3

1. Снизить скорость впрыска — немедленная коррекция процесса. Снижение скорости впрыска на 30 % уменьшает объёмный расход и соответственно снижает скорость сдвига на 30 %. Если это устраняет полосы, диагноз подтверждён: сдвиговой перегрев.
2. Увеличить диаметр литника — постоянное конструктивное решение. Скорость сдвига зависит от 1/r³ (радиус литника в кубе), поэтому небольшое увеличение диаметра литника даёт значительное снижение скорости сдвига. Увеличение подводного литника с 1,2 мм до 1,5 мм диаметра снижает скорость сдвига примерно на 50 %.
3. Повысить температуру расплава (контринтуитивно, но правильно для сдвиговых полос). Более горячий расплав имеет меньшую вязкость, что снижает сдвиговое напряжение для данной скорости сдвига. Повышение температуры расплава на 10–15 °C может снизить вязкость на 15–25 % и пропорционально уменьшить сдвиговой нагрев. Это противоположно корректирующему действию для полос термической деструкции — вот почему критически важно диагностировать коренную причину до корректировки параметров.
4. Изменить тип литника. Подводный литник с его острым углом входа концентрирует сдвиг. Замена его на щелевой литник большего поперечного сечения или веерный литник для широких деталей снижает как пиковую скорость сдвига, так и время воздействия сдвига.

Тип 4: Полосы от захваченного воздуха — воздух в потоке расплава

Полосы от захваченного воздуха возникают, когда воздух затягивается в поток расплава во время пластикации (вращение и отход шнека) и переносится в полость вместе с расплавом. В отличие от влажностных полос, которые создают серебристо-белые прожилки, и полос деструкции, которые создают коричнево-чёрные прожилки, полосы от захваченного воздуха создают пятнистые, нерегулярные серебристые метки, которые не имеют постоянного расположения и не обязательно расходятся от литника.

Воздух может попасть в поток расплава четырьмя путями во время пластикации:

1. Слишком быстрый или слишком большой отвод шнека (pull-back/suck-back). После достижения шнеком объёма впрыска большинство машин применяют небольшой отвод шнека (1–3 мм, иногда называемый декомпрессией или suck-back) для предотвращения подтекания сопла. Если расстояние отвода слишком велико (>5 мм) или скорость слишком высока, воздух затягивается в сопло со стороны формы, и этот воздух смешивается с расплавом следующего впрыска во время последующего цикла пластикации.
2. Недостаточное противодавление. Противодавление при вращении шнека уплотняет расплав перед шнеком и вытесняет увлечённый воздух назад по виткам шнека для выхода через бункер. Без адекватного противодавления (обычно 5–15 бар гидравлического давления для материалов общего назначения, 10–25 бар для наполненных материалов) пузырьки воздуха остаются в расплаве и переносятся вперёд в следующий впрыск.
3. Сводообразование в бункере. Когда гранулы образуют свод в горловине бункера — создавая арку, блокирующую поток материала в цилиндр — шнек испытывает голодание, и воздух затягивается в цилиндр через зазоры между гранулами свода. Прерывистый поток материала создаёт непостоянную плотность расплава с воздушными карманами.
4. Конструкция шнека. Шнек с изношенной зоной сжатия или неправильной степенью сжатия для материала может недостаточно уплотнять расплав, оставляя увлечённый воздух в потоке расплава. Шнек общего назначения (степень сжатия 2,0–2,5:1), перерабатывающий полукристаллический материал, требующий степени сжатия 2,5–3,5:1, может создавать полосы от захваченного воздуха.

Диагностическое подтверждение: Наблюдайте за фазой отхода шнека. Нестабильное время пластикации (±0,5 секунды или более) предполагает захват воздуха или сводообразование в бункере. Прислушайтесь к визгу или шипению во время вращения шнека — это воздух продавливается назад через витки шнека. Проверьте наконечник сопла на наличие пузырей в расплаве во время свободного впрыска: промывочный впрыск, который плюётся, хлопает или показывает пузыри, подтверждает наличие воздуха в расплаве.

Корректирующие действия для Типа 4

1. Уменьшить расстояние декомпрессии шнека. Стремитесь к 1–2 мм отвода — ровно столько, чтобы снять давление на наконечнике сопла и предотвратить подтекание. Для материалов с очень низкой вязкостью расплава (ПА6, ППС, ЖКП) используйте 0,5–1,0 мм или полностью исключите декомпрессию, положившись на запорные клапаны сопла.

2. Увеличить противодавление. Начните с 10 бар и повышайте шагами по 5 бар, пока время пластикации не стабилизируется (постоянное от впрыска к впрыску в пределах ±0,2 секунды) и свободный впрыск не станет свободным от пузырей. Компромисс — повышенная температура расплава от дополнительной сдвиговой работы при пластикации — контролируйте температуру расплава и при необходимости корректируйте профиль температуры цилиндра.

3. Проверить бункер и загрузочную горловину. Убедитесь, что в бункере нет свода (липкие гранулы, влажные условия, накопление мелкой фракции). Очистите загрузочную горловину — мелкая фракция и пыль могут накапливаться и ограничивать поток гранул в цилиндр. Рассмотрите вибратор или ворошитель бункера для материалов, склонных к сводообразованию (дроблёнка, мелкий порошок, регранулят).

4. Снизить обороты шнека. Слишком высокая скорость шнека для материала может захватывать воздух, отбрасывая гранулы от шнека, а не затягивая их в витки. Максимальные обороты шнека для данного материала примерно составляют:

   Макс. об/мин = 15,000 / Диаметр шнека (мм)

   Для шнека 50 мм: макс. об/мин ≈ 300. Для шнека 60 мм: макс. об/мин ≈ 250. Работа выше этой скорости несёт риск захвата воздуха независимо от противодавления.

Диагностическая таблица: Какой это тип полос?

Используйте таблицу последовательно: сначала проверьте влажность материала (самая частая коренная причина), затем проверьте вид свободного впрыска (отличает деструкцию в цилиндре от захвата воздуха), затем выполните тест снижения скорости впрыска (изолирует сдвиговой перегрев). Коренная причина — та, чей диагностический тест даёт значительное улучшение. Если ни один из отдельных тестов не устраняет полосы, возможно одновременное действие двух коренных причин.

Инженер по качеству медицинских изделий, начавший с влажностными полосами на хирургической рукоятке из ПФСУ, в итоге отследил проблему до материала, а не процесса. Показание анализатора влажности материала на загрузочной горловине показало 0,05 % — значительно выше максимума 0,02 % для ПФСУ. Материал в бункере сушилки показал 0,025 %, но материал в бункере машины — после падения через 1,5-метровую необогреваемую транспортную трубку, подверженную воздействию окружающего воздуха при 28 °C и 78 % ОВ — набрал дополнительные 0,025 % влаги за 20 минут между сушилкой и загрузочной горловиной.

Корректирующие действия: время сушки для этой партии было продлено до 8 часов для снижения внутренней влажности необычно влажных гранул; необогреваемая транспортная трубка была заменена на изолированную герметичную трубку, соединённую напрямую от выхода сушилки к бункеру машины; и тестирование влажности входящего материала было добавлено в процедуру входного контроля — каждая новая партия тестируется на содержание влаги при приёмке, и любая партия с влажностью выше 0,05 % помечается для продлённой сушки до допуска в производство. Полосы не появились вновь.

Серебристые полосы — это не один дефект с одним решением. Это четыре дефекта, имеющие сходный визуальный признак. Диагностическое мастерство в том, чтобы знать, какой из четырёх источников газа создаёт прожилки — потому что сушка уже сухого материала ничего не даёт, а снижение температуры расплава для сдвиговых полос делает их хуже. Сначала диагностируйте, потом действуйте.

Обсудить проблему серебристых полос на вашем производстве →