3 Шнек и пластификация

3.1 Шнек пластикации

На узлы пластикации машин литья под давлением возложена важнейшая часть процес­са литья. В широком поле применения они должны гарантировать переработку, пункту­ально правильную в отношении материала и производства. Механизм пластикации спо­собствует тому, чтобы подведенный материал

• загружался,

• уплотнялся,

• подплавлялсяи

• расплавлялся.

Гомогенизация расплава и достижение температуры переработки

Количество тепла, необходимое для расплавления, вводится, с одной стороны, нагреты­ми стенками цилиндра и, с другой стороны, внутренним и внешним трением (диссипа­цией) при подаче материала.

Исходят из того, что на стенке цилиндра образуется пленка расплава. Она растет по своей толщине, пока не будет соскоблена подающим гребнем шнека, его „активным" ребром. Эта пленка собирается перед ребром в витке шнека, пока там не образуется завихрение расплава. Завихрение расплава становится шире в направлении витков шнека, уменьшая ширину зоны остающегося твердым материала до тех пор, пока в витках шнека в конечном итоге не будет находиться только рапсплав.

Трехзонный шнек

При литье под давление термопластов преимущественно применяются стандартные, так называемые трехзонные шнеки (Рис. 3.1).

"с- 3.1: Геометрия стандартного трехзонного шнека

Demaa

Plastservice

48

Параметры процесса литья под давлением

Отличительным признаком этого универсального шнека для термопластов является раз­деление шнека на следующие три зоны:

Зона загрузки втягивает материал, находящийся в состоянии сыпучего твердого веще­ства, из воронки для материала. Вращением шнека он подается дальше. Подача твердо­го материала обуславливается различными условиями трения гранулята на шнеке и ци­линдре. Уже после немногих витков шнека материал начинает подплавляться. В начале зоны загрузки имеется чистая подача твердого материала, так что высота профиля шнека должна быть выбрана соответственно большого размера, так как удельный объем грану­лированного твердого материала больше, чем объем его расплава.

Зона компрессии сжимает материал, подведенный из зоны загрузки, и он продолжает расплавляться. Условием для этого является плавно уменьшающаяся высота профиля шнека.

Зона дозирования гомогенизирует расплав и нагревает материал до окончательной тем­пературы выпуска расплава. Высота профиля в этой зоне остается постоянной. &

Длина шнека при литье под давлением чаще всего лежит в диапазоне 18 Д - 22 Д. Для скоростной работы применяются шнеки длиной 25 Д. При стандартных применениях зона загрузки занимает около половины длины шнека. Зона компрессии и зона дозирования имеют почти одинаковую длину - по четверти длины шнека. Длина витка трехзонного шнека составляет около 1 Д, а отношение шага к глубине витка находится между 2 и 3, при этом 2,3 является наиболее употребительной величиной.

Если рассматривают широкую гамму пластмасс - аморфные, частично кристалличес­кие, высоковязкие, низковязкие, термически чувствительные или менее чувствительные, с наполнением, без наполнения, - то универсальный шнек по своей природе представ­ляет собою компромисс.

С помощью универсального шнека (зона загрузки около 50%, зона компрессии около 30% и зона дозирования около 20% длины шнека) может перерабатываться без про­блем большинство материалов.

Специальные геометрические формы шнека

i

Сегодня обычные шнеки длиной от 20 Д до 22 Д при переработке капризных пластмасс делают компромисс более легким, чем употребительные несколько лет назад шнеки дли­ной только 1 б Д - 18 Д. Несмотря на это шнек с особой геометрической формой требует­ся тогда, когда требуются высокая мощность по пластикации, особо бережное приготов­ление расплава или переработка термически чувствительных материалов,

Так, например, для переработки ПММАдолжен применяться шнеке меньшей ком-прес- сией, с более длинной зоной загрузки и большей глубиной канала в зоне загрузки. Для переработки ПА и ПБТзона загрузки тоже должна быть длиннее, а компрессия больше, длина витка меньше и глубина канала в зоне дозирования тоже меньше, чем у универ­ сального шнека. ПК/АБС требует шнек с малой компрессией, особенно длинную зону загрузки и особенно короткую, глубокую зону дозирования. ,.

%

;t Demaa a

" Plastservice f

Параметры процесса литья под давлением 49

Во всех случаях переработки твердого ПВХ требуется шнек со специальной геометрией. Большое соотношение LD у шнека, которое дает преимущеава для переработки почти всех материалов, при переработке твердого ПВХ является недостатком, так как есть опас­ность слишком длительного времени пребывания термически чувствительной массы в шнековом цилиндре. Поэтому длина шнека должна быть не больше 18 Д - макс. 20 Д. Компрессия должна быть рассчитана менее сильной, но более дли­тельной, чем у всех других материалов. Зона загрузки, напротив, может быть относи­тельно короткой.

Подробно описанные специальные геометрические формы шнеков показывают, что для оптимальной переработки каждой группы материалов требуется собственная геометрия шнека, а универсальный шнек представляет собой „только" компромисс. При изготовле­нии технических деталей с высокими требованиями к качеству переработчику должна быть известна геометрия шнека, чтобы установить в соответствии с геометрией темпера­турный режим на шнековом цилиндре, противодавление шнека и скорость вращения шнека.

Если, например, должен перерабатываться ПК/АБС посредством универсального шнека (при маленьком диаметре шнека это частично возможно), то нужно пластицировать с медленной скоростью вращения шнека и низким противодавлением шнека. Нужно сле­дить за тем, чтобы трение было малым для того, чтобы держать на низком уровне терми­ческую нагрузку. Возможна грубая оценка посредством контроля времени включения на­гревателей контура, большая длительность времени включения указывает на относительно малое трение, малая длительность времени включения - на относительно высокое тре­ние.

Если геометрия имеющегося шнека известна, то при применении малых диаметров шнека возможно путем подгонки технологических параметров перерабатывать указан­ные выше материалы за короткое время. Чтобы достичь бесперебойного и оптимально­го производства, целесообразно, однако, применить для названных выше материалов шнек со специальной геометрией.

Режущий и смесительный блоки

При литье под давлением иногда требуются такие большие объемы массы, что для тра­диционных трехзонных шнеков приготовление такого количества расплава с достаточ­ной термической и механической однородностью является невозможным. Причины это­го:

• от клина твердого материала бесконтрольно отрываются выделившиеся комочки (аг­ломераты) твердого вещества, которые трудно дробятся и плавятся в зонах компрессии и дозирования.

• средние напряжения сдвига, возникающие в наполненных расплавом витках шнека, так малы, что агломераты, как правило, не раздробляются.

Ьлагодэря улучшенной зоне расплава могут пластицироваться более высокие потоки мас­сы, для чего необходимы дополнительные элементы для смешивания и диспергирова­ния По этой причине шнеки часто оснащаются режущим и смесительным блоками (Рис. /;. Режущий блок устанавливается в конце зоны дозирования в направлении потока перед смесительным блоком.

Demao

^e Plastservice

so

Параметры процесса литья под давлением

Режущий блок

■'*■

Винтовой режущий блок

Зубчато-дисковый смесительный блок

Рис. 3.2: Распространенные режущие и смесительные блоки на пластицирующих f шнеках

Режущий блок

Режущие блоки принимают на себя задачу диспергировать материал и измельчать агло­мераты любого вида. Для достижения равномерной степени диспергирования весь по­ток разделяется на множество частичных потоков. Отдельные частичные потоки направ­ляются через перепускную щель и подвергаются деформации резанием. Различные доли потока из потока давления, тягового потока и потока циркуляции во впадине шнека вы­зывают деформации сдвига. Происходит измельчение агломератов частиц твердого ве­щества, находящихся в расплаве.

Недостаток при применении режущих блоков состоит в нарушении осевого профиля дав­ления. Расход давления режущим блоком сильно зависит от его геометрии. У режущего блока с неправильно рассчитанными размерами это может привести к последствиям в расходе давления, которые проявляются через повышение температуры массы и сниже­ние производительности по массе.

Смесительный блок

Смесительные блоки - это динамические смесители, так как они сами находятся в дви­жении и вступают в контакт с движущейся массой. Они должны макроскопически нерав­ные компоненты равномерно распределять в пространстве (гомогенизировать), в то же время они путем интенсивного перемешивания размельчают окруженные массой ядра твердого материала, образовавшиеся при расплавлении. Так смеситель

Demag

Plastservice

Параметры процесса литья под давлением

51

ный блок создает возможность фазового перехода этих частиц твердого вещества в рас­плав. Это происходит благодаря постоянному распределению и совместному направле­нию потока расплава в шнековом цилиндре и через слои частичных потоков. Частым по­вторением этого процесса достигается распределительное смешивание. Наряду с хоро­шим распределением расплава улучшается также термическая однородность.

Зубчато-винтовой смесительный блок состоит из продольных пазов с полукруглыми вы­ступами. Поперек направления потока протянут смесительный блок с тонкими продоль­ными пазами. При осевых потоках фронт расплава попадает на прямоугольные пере­мычки, на которых расплав размельчается. В полукруглых выступах расчлененный поток расплава снова объединяется.

Двухзаходный трехзонный шнек

Применением многозаходного шнека можно повысить производительность по пласти­кации. Уменьшение сечения витка из-за введения второго гребня в сравнении содноза-ходным шнеком, при отсутствии других изменений геометрии, дает незначительное сни­жение производительности. Однако этот недостаток компенсируется увеличением шага витка, удлиняющегося в сопоставлении со стандартным шнеком. Тем самым сокращает­ся имеющаяся развернутая длина канала, а путем увеличения числа заходов - и длина слоя твердого материала.

Характерным для многозаходных шнеков является малая толщина пленки расплава на стенке цилиндра, что повышает передачу теплоты. Этот эффект основывается на росте перехода теплоты при одновременном снижении толщины пленки. Дополнительно, бла­годаря малой толщине, получаются более высокие скорости сдвига в пленке из распла­ва, которые вызывают более высокую подведенную энергию диссипации и таким обра­зом повышают производительность по расплавлению.

^ис ^'^' Геометрия двухзаходного трехзонного шнеке

ис. 3.3 демонстирует геометрическую структуру двухзаходного трехзонного шнека. До-пем^{НИТеЛЬНОе п}Р^еимУЩ^ество двухзаходного шнека в симметричном расположении пе-л ^Ычек шнека. При этой геометрии шнека выстраивается равномерный профиль дав­ня по длине шнека, уровень которого из-за повышенного шага витка находит

Demaa

Plastservice

52

Параметры процесса литья под давлением

ся ниже, чем у обычного однозаходного стандартного шнека. Так как профиль давления по длине шнека является определяющим критерием для ожидаемой скорости механи­ческого износа тела шнека на наружном диаметре, низкий профиль давления снижает нагрузку на шнек.

Барьерный шнек

Барьерные шнеки (Рис. 3.4), в сравнении с применявшимися до сих пор конструкциями шнека, могут обеспечивать бережную и, тем не менее, более высокую производитель­ность по плавлению, а тем самым - лучшую производительность при улучшенной одно­родности расплава.

Рис. 3.4: Геометрия барьерного шнека

Функционирование всех барьерных шнеков принципиально одинаково: вместо зоны ком­прессии там,.где материал начинает плавиться, вводится дополнительная перемычка, так называемая барьерная перемычка. Барьерная перемычка разделяет канал шнека на канал для твердого материала и канал для расплава, так что различающиеся фазы дан­ного полимера разъединяются. Барьерная перемычка оформлена менее высокой, чем основная перемычка, и поэтому обладает большей шириной щели по направлению к стенке цилиндра. Однако она рассчитана по размерам таким образом, чтобы, с одной стороны, частицы твердого вещества не могли попасть в находящийся далее канал для расплава и, с другой стороны, не возникали слишком высокие усилия сдвига при перехо­де расплава через барьерную перемычку. В направлении головки шнека сечение канала для твердого материала уменьшается, а сечение для расплава соответственно увеличи­вается. У большинства конструкций барьеров канал для твердого материала к концу зак­рывается, так что расплав течет над режущей перемычкой и таким образом должен рас­плавиться весь материал.

Для того, чтобы создать объем расплава, требующийся для второго канала шнека, шаг витка в барьерной зоне больше, чем в зоне загрузки. Одновременно уменьшение объе­ма витка для твердого материала на подходе к зоне барьера ведет к тому, что нерасп­лавленный гранулят прижимается к стенке цилиндра и расплавляется. Образовавшая­ся на стенке цилиндра пленка расплава разрезается узкой щелью барьера между обо­ими каналами и соскабливается расположенным позади активным гребнем при вра­щении шнека. Благодаря относительно тонкому, прилипшему к стенке цилиндра слою расплава улучшается перенос теплоты в направлении от цилиндра в твердый матери­ал. Вследствие этого на твердый материал действуют более высокие уси-

Demaa

** Plastservice -Ji

_дметры процесса литья под давлением 53

глвига, которые имеют следствием более высокую диссипационную теплоту. Канал ппя расплава на конце барьерной зоны значительно глубже, чем канал для твердого ма­териала, так что расплав в целом претерпевает существенно меньшую нагрузку сдвига.

3 2 Объем дозировки и время пребывания материала в цилиндре

Важным критерием, определяющим качество, является установленный в узле впрыска объем дозировки. Нижний предел полезного объема дозировки определяется, с одной аороны, точноаью срабатывания и точноаью запирания затвора обратного потока (это определяет воспроизводимость качества литых изделий), с другой стороны, термичес­кой стабильностью перерабатываемых пластмасс. Колебания конечного положения до­зирования и колебания позиции переключения также оказывают влияние на качество литых изделий, особенно при малом весе дозы впрыска. Неточности в позиционирова­нии каждой из этих функций в размере всего лишь на 0,2 мм означают отклонение в весе дозы впрыска примерно на 2%. Эти неточности позиционирования вместе с указанными выше колебаниями в работе затвора обратного потока могут привести к получению пере­литых изделий.

Для большинства материалов при технически возможном ходе шнека 4,5 - 5 Д значе­ние около 0,5 Д, или 10% от максимального объема дозировки следует рассматривать как минимальное значение для объема дозировки шнека. В особенности у смесей поли­меров и высокожаропрочных термопластов объем дозировки и вытекающее из него время пребывания материала в цилиндре является существенным фактором, влияющим на молекулярные преобразования материала.

Рекомендуемый объем дозировки Стандартный шнек L:D 20:1 Приемлемый объем дозировки Проблематичный объем дозировки

ис 3.5: Рекомендуемые минимальный и максимальный объемы дозировки для Различных материалов

Demaa

Plastservice

54

Параметры процесса литья под давление/*

Верхний предел полезного объема хода находится, в зависимости от материала, в пре­делах ЗД - 4 Д, или 65 - 90% максимального объема дозировки, базируясь на макси­мальном ходе шнека 4,5 Д - 5 Д при длине шнека 20 Д. В зависимости от времени цик­ла, т.е. от времени пребывания расплава в шнековом цилиндре, изменяется рекоменду­емая величина хода дозировки. При скоростном производстве упаковочных изделий ход шнека должен составлять 0,5 Д -1,5 Д. При производстве изделий с коротким временем цикла ход шнека в зависимости от материала должен составлять 0,5 Д - 2 Д, у изделий с относительно длительным временем цикла в зависимости от материала - 1,5 Д - 4 Д.

* длина шнека 25 Д "длина шнека 20 Д

Табл. 3.1: Рекомендуемый объем дозировки для различных материалов в зависимос­ ти от времени цикла Щ

У большинства машин для литья под давлением максимальный ход шнека составляв" 4,5 Д - 5 Д. Так как с точки зрения конструкции относительно просто и благоприятно пс расходам увеличить ход шнека до б Д и, тем самым, якобы достичь большого веса дозы впрыска, некоторые машиностроители идут этим путем.

Работа на верхнем пределе хода дозирования действует отрицательно на качество литых изделий. Длинный ход дозирования, т.е. уменьшенная эффективная (находящаяся в ци­линдре) длина шнека при пластикации, снижает долю энергии конвекции, и теплоотда­чи, и энергии диссипации в подведенной энергии на расплавление. В этом заложена опасность того, что сформируется неравномерный профиль температуры по длине шне­ка, и это нарушит стабильность процесса.

Demaa

^э Plastservice

яметры процесса литья под давлением 55

П мер: Если ход дозирования при шнеке длиной 20 Д составляет 4 Д, то фактическая (ЬсЬективная длина шнека остается только 1 б Д. Так как длина зоны загрузки нормаль­ным образом составляет 50% от общей длины шнека, т.е. 10 Д, то длина зоны загрузки уменьшается на 4 Д и составит только 6 Д, и есть опасность, что процесс пластификации будет неравномерным, и возникнут неоднородности в расплаве.

_AZ.

Т.

Положение шнека перед процессом дозирования Положение шнека после процесса дозирования

Рис. 3.6: Положение шнека при ходе дозирования 4 Д

Рекомендация для верхнего предела хода дозировки основывается на длине шнека 20Д. При длине шнека только 18 Д при больших ходах шнека эффективная длина шнека и эффективная длина зоны загрузки становится еще меньше, а опасность плохого качества расплава еще больше.

Кроме того, при больших ходах дозирования и впрыска есть опасность, что комочки твер­дого материала, находящиеся в задней секции шнека, и наполненные воздухом пустоты при впрыске проникают слишком далеко вперед. Несмотря на возможное высокое про­тиводавление шнека воздух больше не может уходить в направлении отверстия подачи сырья. Он уплотняется в зоне компрессии и приводит к серым или черным полосам в литом изделии.

Время пребывания расплава в цилиндре

Под временем пребывания в цилиндре понимают время, которое нужно гранулам для прохода от отверстия подачи сырья в цилиндр до выхода в полость формы уже в виде расплава. Эмпирической формулой для времени пребывания материала в цилиндре t является:

макс, вес дозы впрыска шнека х фактор 1 х фактор 2 *v ⁼ - - xt^

вес дозы впрыска

Максимальный вес дозы впрыска в шнеке указывается в описании машины для полисти­рола (ПС). В вышеуказанной формуле для различных пластмасс применены корректиру­ющие факторы, перечисленные в таблицах 3.2 и 3.3. Рекомендованное время пребыва-™я материала в цилиндре для различных материалов указано на Рис. 3.7. У ПС, ПЭ, ПП, мя к ^{И Г}"^^{1МА П}Р^И низких температурах цилиндра рекомендованное в Рис.3.7 вре-

»пребывания материала в цилиндре может быть превышено на несколько минут, без Риска термического повреждения массы. Но у ПА, ПЭТ, ПБТ, ПК/АБС и ПВХ-тв. рекомен-д ванное время пребывания в цилиндре не должно превышаться. Превышение реко-

ндованного времени пребывания в цилиндре в целях подготовки однородного рас­плава не рекомендуется.

Demaa

^w Plastservice

56

Параметры процесса литья под давлением

Диаметр шнека	Максимальный ход шнека	Фактор L:D = 20	Фактор L:D = 25
мм	Д
22	5,0	1,50	1,85
25	5,0	1,50	1,85
30	5,0	1,50	1,85
35	5,0	1,50	1,85
40	4,5	1,50	1,85
45	4,5	1,45	1,80
50	4,5	1,45	1,80
60	4,5	1,45	1,80
70	4,5	1,40	1,75
80	4,5	1,40	1,75
95	4,5	1,30	1,65
110	4,5	■ 1,20	1,55
130	4,5	1,10	1,40
145	4,5	1,10	1,40

Табл. 3.2: Ориентировочные значения корректирующего фактора I для расчета веса плаамассы в шнеке в соотношении к максимальному весу дозы впрыска в шнековом цилиндре

Группа материала	Структура	Фактор
АБС	аморфная	1,00
АЦ	аморфная	1,14
НП-ПЭ	частично кристалличэская	0,82
ВП-ПЭ	частично кристалличэская	0,80
ПА6	частично кристалличэская	1,03
ПА66	частично кристалличэская	1,03
ПА6-СВ30	частично кристалличэская	1,25
ПБТ	частично кристалличэская	1,19
ПК	аморфная	1,07
ПК/АБС	аморфная	1,04
ПЭТ	аморфная/частично кристаллическая	1,19
ПММА	аморфная	1,11
ПОМ	частично кристалличэская	1,25
ПП	частично кристалличэская	0,80
ПФО	аморфная	1,01
ПС	аморфная	1,00
ПВХ-тв.	аморфная	1,30
ПВХ-.мяг.	аморфная	1,18
САН	аморфная	1,02

Табл. 3.3: Корректирующий фактор 2 для плотноаи различных пластмасс при технологической температуре на базе полиаирола

D&maQ

" Plastservice

_оаивтры процесса литья под давлением

57

10 11 12 13 мин

Рекомендованный диапазон времени пребывания в цилиндре ^Ц Граничное время пребывания в цилиндре ^| Проблематичный диапазон времени пребывания в цилиндре

Рис 3.7: Рекомендованное время пребывания массы в цилиндре шнека для различ­ных материалов (Диаметр шнека 70 мм, длина шнека 20 Д)

При больших ходах шнека и коротком времени цикла еаь опасноаь слишком короткого времени пребывания расплава в шнековом цилиндре и тем самым получения недоста-точно однородного расплава. При малых ходах шнека и относительно длинном времени циклов при определенных обаоятельавах получается слишком длительное время пре­бывания расплава в цилиндре, которое может привеаи к расщеплению материала, ухуд­шающему качеаво литого изделия, а также стабильность процесса.

Предаавленные значения выведены на основании данных изготовителей материалов и многочисленных результатов серийного производава и экспериментальных процессов. Так какбольшинство данных происходят из экспериментов с диаметрами шнеков 50 -80 мм, на Рис. 3.7 указаны значения для диаметра шнека 70 мм. Требующееся время пре­бывания расплава в цилиндре для маленьких диаметров шнека короче, для больших диаметров шнека - длиннее, чем предаавлено на Рис. 3.7.

В отношении времени пребывания расплава в цилиндре следует учитывать еще один важный аспект: чем больше диаметр шнека, тем больше также и требующееся время пре­бывания расплава в цилиндре, чтобы доаичь сравнимой однородноаи. Причиной для этого является, среди прочего, высота профилей гребня у больших шнеков, что влечет Другое соотношение наполнительного объема в витках шнека к теплопроводящей по­верхности цилиндра.

³-3 Время дозирования

ремя дозирования - это время, в течение которого головка шнека проходит ход дозиро-ния против направления впрыска, и в освобождающемся пространстве скапливается 'ластицируемый вращением шнека материал.

Demaa

Plastservice

58

Параметры процесса литья под давлением

Фаза плааикации - это одна из важнейших фаз в процессе литья под давлением, так как в этой фазе можно оказать сущеавенное влияние на качеаво массы. В зависимоаи от перерабатываемого материала и диаметра цилиндра получаются различия во времени дозирования. У ПЭ, ПП, ПС, АБС, САН, ПВХ, ПОМ, ПК и ПФО в нормальном случае име­ют меао малые колебания времени дозирования, напр., 0,2%, которые не являются нео­бычными. У ПММА, ПА, ПК/АБС, ПБТ и АЦ в зависимоаи от материала следует ожидать сущеавенно больших отклонений времени дозирования- около 0,4%. Отклонения вре­мени дозирования могут быть больше, чем указано, если примешивается регенерат или производится окрашивание маточной смесью или жидкой краской. Дальнейшими при­чинами для больших отклонений времени дозирования могут быть недоааточная пред­варительная сушка материала, а также не функционирующий затвор от обратного пото­ка. Износ тела шнека тоже имеет следавием снижающуюся производительноаь по пла­аикации, а колебания во времени дозирования возрастают. Как упомянуто выше, фаза пластикации является очень важной фазой процесса. Поэтому время дозирования дол­жно применяться как параметр, влияющий на качество.

Рис. 3.8: Поток плааикации в зависимости от окружной скорости вращения шнека

Рис. 3.8 показывает поток пластикации в зависимости от окружной скорости шнека. От­четливо видно, что поток пластикации с увеличением окружной скорости возрааает по­чти линейно.

Demag

Plastservice

Параметры процесса литья под давлением

59

Рис. 3.10: Влияние противодавления шнека на поток пластикации на примере полиамида