Литье поликарбоната под давлением:экспертное руководство по материалам, процессам и дизайну

Поликарбонат (ПК) — материал, ценимый за свою ударопрочность и прозрачность. Оно может выглядеть как стекло, но с точки зрения прочности оно настолько не похоже на стекло, насколько вы можете себе представить:его можно найти в пуленепробиваемых окнах, защитных щитах и других сверхпрочных деталях, которые практически невозможно разбить.

Хотя его можно обрабатывать с помощью экструзии, термоформования и даже 3D-печати, одним из лучших способов изготовления деталей из поликарбоната является литье под давлением. Расплавленный пластик довольно вязкий, но его все же можно точно впрыскивать в полости формы для изготовления пластиковых деталей различных форм и размеров.

В этой статье рассматриваются основы литья поликарбоната под давлением, включая параметры процесса, правила проектирования и популярные области применения.

Что такое поликарбонат?

Прозрачные, как стекло, и прочные, как некоторые металлы, поликарбонаты (ПК) представляют собой термопластичные полимеры, химическая структура которых содержит карбонатные группы. Эти материалы подходят для различных производственных процессов, включая литье под давлением и термоформование. Эти материалы прочные и прочные, а также обладают хорошей термостойкостью и прозрачностью.

С химической точки зрения поликарбонат представляет собой полиэфир угольной кислоты , образующийся одним из двух способов:в результате реакции поликонденсации между бисфенолом А (BPA) и фосгеном (COCl₂) или путем переэтерификации с использованием дифенилкарбоната. Повторяющаяся структурная единица поликарбоната содержит ароматические кольца, связанные карбонатными группами, что придает материалу заметную жесткость и прозрачность.

Поскольку поликарбонат является термопластом, его можно плавить и формовать, что делает его идеальным для таких процессов, как литье под давлением. Гранулы ПК для литья под давлением изготавливаются путем экструзии материала на пряди и разрезания его на однородные куски. Эти пластиковые гранулы обычно стоят несколько долларов за килограмм. Для сравнения:поликарбонатные материалы стоят дороже, чем обычные термопласты, такие как АБС, ПЭ и ПП, но сопоставимы по цене со многими нейлонами.

Таким образом, поликарбонат — это достаточно практичный пластик, известный своей прозрачностью, прочностью и термостойкостью, что делает его идеальным материалом для формованных изделий, таких как линзы, защитные экраны и корпуса для электронных устройств.

Свойства материала поликарбоната

Собственность Ценность Примечание Плотность 1,20–1,22 г/см3Умеренная для технического термопласта; более плотный, чем ABS, но меньший, чем стекло, что делает ПК пригодным для оптического и структурного облегченияМолодой ’ s модуль 2,0–2,4 ГПаУмеренная жесткость; более жесткий, чем полиэтилен и полипропилен, но менее жесткий, чем акрилПрочность на разрыв 55–75 МПа. Относительно высокий показатель для аморфного термопласта; похож на нейлон и близок к некоторым алюминиевым сплавамТемпература стеклования 147 °C Очень высокая температура для обычного термопласта, что обеспечивает хорошую стабильность размеров и ударопрочность при высоких температурахРабочий температурный диапазон От -40 °C до 130 °C. Относительно широкий рабочий диапазон; сохраняет прочность при отрицательных температурах, не становясь хрупким

Процесс литья поликарбоната под давлением

Литье поликарбоната под давлением — это мощный и экономически эффективный процесс производства больших объемов высокопрочных пластиковых деталей с хорошим уровнем прозрачности. Хотя процесс литья под давлением поликарбоната в некотором смысле похож на процесс литья других пластмасс, он требует точного контроля температуры из-за высокой температуры плавления материала.

Краткое описание процесса:

• Сушка пеллет
• Заполнение бункера
• Плавка окатышей в бочке
• Инъекция в полость формы
• Выброс готовых деталей.
• Постобработка

Перед началом производственного процесса гранулы поликарбоната обычно сушат при умеренных температурах. Это связано с тем, что ПК очень гигроскопичен, и неправильная сушка гранул может привести к производственным дефектам, вызванным поглощением воды.

После приготовления гранул ПК они подаются в бункер литьевой машины, где возвратно-поступательный шнек перемещает их в нагретый цилиндр. Температура литья под давлением поликарбоната обычно находится в диапазоне 260–320 °C, что значительно выше, чем у недорогих материалов, таких как АБС-пластик. Из-за своей относительно высокой вязкости расплавленный поликарбонат затем впрыскивается под довольно высоким давлением в полость формы.

Расплавленный поликарбонат заполняет полость формы. По мере остывания и затвердевания он принимает форму полости. После полного затвердевания форма выталкивается из открытой формы с помощью выталкивающих штифтов.

Время цикла изготовления форм из поликарбоната варьируется от примерно 30 секунд до примерно двух минут, в зависимости от размера детали, толщины стенок, температуры формы и других факторов.

В некотором смысле поликарбонат — материал крайностей. Его необычно высокий уровень оптической прозрачности, прочности и термостойкости делает его востребованным во многих отраслях промышленности. Однако эти свойства требуют довольно экстремальных параметров процесса, таких как высокая температура литья под давлением и давление впрыска.

Факторы, влияющие на идеальные параметры формования, включают конкретную марку материала ПК, геометрию детали и толщину стенок, а также тип формы.

• Температура ствола :Обычно 260–320 °C, марки общего назначения около 270–300 °C, а армированные или огнестойкие марки — ближе к более высокому пределу. Профиль температуры должен постепенно увеличиваться от зоны подачи к соплу, чтобы обеспечить равномерное плавление без ухудшения качества.
• Температура формы :80–120 °C, выше, чем у большинства термопластов, для снижения внутреннего напряжения и улучшения оптической прозрачности или качества поверхности. Более низкие температуры пресс-формы могут сократить время цикла (материал быстрее остывает и затвердевает), но сопряжены с риском деформации или помутнения прозрачных деталей.
• Давление впрыска :15 000–25 000 фунтов на квадратный дюйм, поскольку вязкость ПК относительно высока. Для тонкостенных или сложных деталей может потребоваться более высокое давление или более высокая скорость впрыска, чтобы избежать коротких впрысков.
• Частота внедрения :От умеренного до быстрого, гарантируя, что будет достаточно времени для полного заполнения полости без риска возникновения напряжения, вызванного сдвигом, или возгорания затвора, вызванного высокими температурами.
• Контроль влажности :3–4 часа сушки при 120 °C, поскольку ПК очень гигроскопичен, и даже следы влаги вызывают гидролитическую деградацию, что приводит к образованию пузырей или снижению прочности готовых формованных изделий. Пеллеты также следует хранить в герметичных контейнерах или сушилках до момента использования.

Для формования деталей из поликарбоната также можно использовать нестандартные методы литья под давлением. Например, литье под давлением с использованием воды можно использовать для предотвращения дефектов в крупных тонкостенных деталях, тогда как компрессионное литье под давлением лучше подходит для толстостенных деталей, на которых в противном случае могли бы появиться вмятины.

Поликарбонатные материалы для литья под давлением

Поликарбонатные материалы для литья под давлением бывают разных марок и могут быть смешаны с определенными добавками для получения различных эффектов, а некоторые поликарбонатные пластики оптимизированы для конкретного конечного использования или отрасли. Основными производителями материалов для ПК являются Covestro, SABIC, Mitsubishi Chemical и LG Chem.

• ПК общего назначения предлагает баланс прочности, прозрачности и термостойкости для самого широкого спектра применений.
• ПК с высокой производительностью имеет более высокий индекс текучести расплава и может использовать добавки, такие как низкомолекулярный полибутилентерефталат, для улучшения текучести, что облегчает впрыскивание в полости формы.
• Огнестойкий ПК обычно содержит добавки на основе фосфора или серы для тушения пожара.
• ПК пищевого назначения обычно одобрен таким агентством, как FDA, для прямого контакта с пищевыми веществами.
• ПК медицинского назначения обычно одобрен таким агентством, как FDA, и может быть биосовместимым и одобренным для стерилизации гамма-излучением, EtO или паром.
• Погодостойкий ПК обычно содержит УФ-стабилизаторы для повышения устойчивости к атмосферным воздействиям и используется в автомобильной и других отраслях промышленности.

Хотя это прочный и аккуратный материал, поликарбонат можно укрепить рубленым стеклом или углеродными волокнами. Также могут быть добавлены модификаторы ударной вязкости для повышения ударной прочности и ударной вязкости. Некоторые марки содержат антиадгезивы, которые предотвращают прилипание готовых форм к металлической форме. Другие добавки могут включать наполнители, антистатические добавки и красители для обеспечения стойкого цвета готовых форм.

Смеси поликарбоната используются для достижения различных свойств материала или снижения стоимости формованных деталей. Обычные смеси включают ПК/АБС для улучшения технологичности, ПК/ПБТ для повышения химической стойкости и ПК/ПММА для повышения устойчивости к царапинам при сохранении превосходной оптической прозрачности.

Формы для поликарбоната

Для формования поликарбоната требуется прочная металлическая форма, способная выдерживать высокие температуры и давление в течение многочисленных циклов. Поэтому формы для ПК обычно изготавливаются из закаленных инструментальных сталей, таких как H13, S7, или нержавеющих марок, таких как 420. Эти материалы могут противостоять термической усталости, износу и коррозии, вызванной длительным воздействием горячего расплава ПК.

Одна из трудностей при литьевом поликарбонате заключается в том, что материал имеет тенденцию прилипать к внутренней части формы, что затрудняет его извлечение, чем в случае других термопластов. По этой причине полированная отделка формы предпочтительнее текстурированной, а для улучшения отделения при сохранении оптической прозрачности прозрачных деталей можно наносить покрытие из никеля или хрома.

Алюминиевые формы можно использовать для прототипирования поликарбоната или мелкосерийного производства, но их относительная мягкость по сравнению с инструментальными сталями может вызвать проблемы. Независимо от материала формы, адекватная вентиляция является ключом к предотвращению появления следов напряжения или пузырей.

Обработка поверхности поликарбонатом

При литье поликарбоната под давлением используется несколько методов последующей обработки и отделки поверхности. Однако выбор технологии зависит от конечного использования детали:оптические детали требуют другого обращения с механическими или конструкционными деталями.

Формованный поликарбонат дает точное впечатление о поверхности формы, поэтому часто рекомендуется создавать формы с полированной поверхностью, как упоминалось в предыдущем разделе. Это важно для оптических деталей, где нежелательное текстурирование поверхности может снизить четкость таких деталей, как линзы или корпуса светильников. На другом конце спектра детали, требующие определенной степени шероховатости поверхности, могут быть изготовлены путем химического или лазерного травления внутренней части формы. Для таких деталей может потребоваться больший угол наклона, чтобы преодолеть дополнительное трение и облегчить выброс.

Методы отделки поверхности литьем под давлением поликарбоната

Процесс Функция Примечания Текстурирование Регулирует шероховатость поверхности. Текстуры добавляются непосредственно во внутреннюю часть формы; для очень грубых текстур требуется больший угол уклонаШлифование и полировка Удаляет небольшие дефекты, разглаживает поверхности, улучшает оптическую прозрачность. Возможны как ручные, так и механические методы Полировка паром. Разглаживает поверхности, создает более высокий уровень прозрачности. Метиленхлорид или другие пары растворителей. Требуются наиболее эффективные, но контролируемые условия. Покраска и покрытие Добавляет цвет, защиту от ультрафиолета или устойчивость к царапинам. Возможна отличная адгезия; Акрил с твердым покрытием – обычное покрытие для прозрачных деталей.Гальваника и металлизация. Добавляет металлический слой для эстетики или защиты от электромагнитных помех. Требуется проводящее базовое покрытие; Наиболее распространены вакуумная металлизация и химическое никелированиеПечать Добавляет логотипы, символы, текст. Хорошая адгезия краски при тампопечати или трафаретной печати.

Руководство по проектированию литьевого формования поликарбоната

При проектировании сложных деталей для литья под давлением, которые будут изготовлены из ПК-пластика, инженерам необходимо учитывать принципы проектирования для производства (DFM), а также уникальные свойства поликарбоната.

Толщина стенки

1 –4  мм

ПК должен иметь относительно одинаковую толщину стенок, чтобы предотвратить внутренние напряжения и оптические искажения. Тонкие секции толщиной менее 1 мм может быть трудно заполнить из-за высокой вязкости расплава материала, а толстые стенки толщиной более 4 мм могут привести к образованию усадок и длительному времени охлаждения.

Угол уклона

0,5–2 ° (до 3 –5 ° для текстурированных поверхностей)

Поскольку ПК прочно прилипает к полированной стали и имеет низкую усадку, для правильного выброса важны большие углы уклона. Текстурированные или матовые поверхности требуют повышенной тяги, чтобы предотвратить потертости и побеление.

Радиусы

Не менее 0,6 мм или ¼–½ толщина стенки Острые углы концентрируют напряжение и могут привести к растрескиванию, особенно в прозрачных деталях ПК. Внутренние и внешние радиусы улучшают заполнение формы и ударопрочность, а переходы радиусов должны быть плавными и скругленными.

Ребрышки

Высота до  3× толщина стенки; толщина ½ толщина стенки

Ребра обеспечивают жесткость без увеличения веса. Поскольку ПК остывает медленно, слишком толстые ребра могут привести к появлению вмятин на видимых поверхностях. Закругленные основания ребер и равномерное расстояние помогут добиться лучших результатов.

Боссы

Толщина основания  ½ толщина стенки

В бобышках следует вырезать сердцевину, чтобы избежать толстых сечений и риска возникновения внутренних пустот. Винты или вставки с накатывающей резьбой обычно используются при сборке деталей ПК, но при их использовании следует избегать чрезмерных напряжений, чтобы предотвратить растрескивание.

Толерантность

± 0,05 –0,2 мм

Детали ПК могут достигать высокой точности размеров благодаря низкой усадке (~ 0,5–0,7%) пластика. Однако при изготовлении оптических или крупных деталей следует избегать очень жестких допусков, поскольку во время охлаждения могут возникнуть внутренние напряжения и коробление.

Ворота

Краевые, веерные или лепестковые затворы предпочтительны для обеспечения равномерного потока и снижения напряжения сдвига. Для оптических деталей используйте большие затворы, чтобы снизить скорость впрыска и предотвратить образование линий потока.

Вентиляции

0,02–0,04 мм

Правильная вентиляция предотвращает образование газовых ловушек и следов ожогов, особенно с учетом высокой вязкости ПК. Вентиляционные отверстия должны быть достаточно маленькими, чтобы предотвратить вспышку, а также обеспечить выход захваченного воздуха. Рекомендуется вентиляция вблизи линий сварных швов или толстых элементов.

Помощь по программному обеспечению

Многие инструменты САПР предлагают помощь в литье под давлением, упрощая проектирование формованных деталей из поликарбоната. Эти функции могут включать в себя:

• Д Ф М-анализ :проверяет ключевые характеристики, такие как толщина стенок, углы уклона, подрезы и расположение литников, для проверки конструкции для литья под давлением.
• Анализ процесса :такие функции, как анализ текучести пресс-формы, прогнозирование усадки и анализ методом конечных элементов (FEA), дают пользователям представление о том, как ПК будет вести себя во время формования.
• Создание пресс-форм :автоматическое создание простых или сложных форм на основе конструкции детали, включая размещение выталкивающего штифта и другие функции.
• Интеграция с CAM :Интеграция с программным обеспечением CAM, которое управляет производственным оборудованием, обеспечивая плавный переход от проектирования к производству.

Применение литья под давлением поликарбоната

Благодаря балансу желаемых механических и оптических свойств поликарбонат, полученный литьем под давлением, используется во многих отраслях промышленности, например, в автомобильных фарах и медицинских приборах. Ниже приведены потенциальные и реальные применения формованных ПК, отсортированные по отраслям.

Оптический :Прозрачные пластмассы, полученные литьем под давлением, такие как поликарбонат, являются безопасной альтернативой стеклу для таких продуктов, как линзы для солнцезащитных очков и очков, а также защитных очков для использования в лабораториях, на рабочих местах и в других опасных средах. Прочный прозрачный термопласт также можно использовать для изготовления таких деталей, как объективы фотоаппаратов и очки дополненной реальности.

Автомобилестроение :В автомобильной промышленности детали из поликарбоната, отлитые под давлением, включают детали из прозрачного пластика, такие как линзы фар. Материал подходит для этой цели благодаря своей прозрачности, ударопрочности и небольшому весу. Однако на эти детали обычно наносят поверхностное покрытие, чтобы повысить их устойчивость к царапинам и предотвратить разрушение под воздействием ультрафиолета. Другие нишевые области применения включают держатели аккумуляторных батарей для электромобилей.

Электроника :Являясь хорошим электроизолятором и обладая высокой температурой теплоотдачи, поликарбонат широко используется в электронике. Прочные корпуса и кожухи — это обычные формованные изделия, в то время как корпуса некоторых смартфонов, таких как Samsung Galaxy S21, изготовлены из этого материала. Некоторые защищенные компьютеры, такие как Panasonic Toughbook, также имеют корпус, обеспечивающий долговечность. Особый тип литья под давлением используется для производства дисков для хранения данных (CD, DVD и т. д.) из поликарбоната. Для производства накопителей данных требуется литьевая форма со штампом, содержащим негатив содержимого диска.

Здравоохранение :При наличии одобрения регулирующих органов некоторые модели ПК могут использоваться в медицинских целях. Примеры включают защитное снаряжение, такое как защитные очки и лицевые щитки, корпуса для аппаратов для диализа и других медицинских устройств, диагностическое оборудование, такое как наборы для тестирования, и системы доставки лекарств, такие как ручки, насосы и трубки. Прозрачность ПК и способность стерилизовать при довольно высоких температурах также делают его подходящим для деталей катетера.

Строительство и архитектура :поликарбонат является прозрачным материалом, который в 250 раз прочнее стекла. Он является предпочтительной прозрачной смолой для многих прозрачных пластиковых деталей конструкций. Литье под давлением прозрачного поликарбоната позволяет производить такие детали, как щитки банковских касс, окна будок охраны, крышки уличных фонарей, световые люки, корпуса электросчетчиков и рассеиватели света.

Потребительские товары :Прозрачная пластиковая формовка из поликарбоната может использоваться для изготовления потребительских товаров, таких как бутылки для воды и другая посуда для питья, детали кухонных комбайнов и другая кухонная утварь, бутылочки для кормления детей, чехлы для телефонов, корпуса для небольших бытовых приборов, таких как электрические зубные щетки, чемоданы с твердым корпусом и спортивные товары.

Плюсы и минусы литья поликарбоната под давлением

Литье пластика из поликарбоната под давлением имеет важные преимущества, такие как производство высококачественных прозрачных деталей, но это не самый простой материал в обращении из-за его высокой температуры плавления и относительно плохих характеристик текучести.

Преимущества

• Оптическая прозрачность :Литье под давлением с использованием полированной металлической формы сохраняет прозрачность поликарбоната, позволяя производить детали из прозрачного пластика оптического качества.
• Другие желательные свойства :Формованные поликарбонатные материалы обладают хорошей термо- и морозостойкостью, ударопрочностью, электроизоляцией, стабильностью размеров и огнестойкостью.
• Быстрый и эффективный процесс :Литье под давлением идеально подходит для производства больших объемов деталей ПК при низкой себестоимости детали.
• Жесткие допуски :Низкая усадка поликарбоната обеспечивает высокий уровень точности и жесткие допуски.
• Пригодность к вторичной переработке :ПК можно переработать механическим или химическим способом, но последний вариант лучше всего подходит для сохранения ударопрочности материала.

Недостатки

• Трудный материал :Высокая температура плавления и низкая текучесть поликарбоната означают, что для литья под давлением требуется высокая температура и высокое давление впрыска, которые труднее поддерживать в течение многих циклов.
• Устойчивость к царапинам :Учитывая, что поликарбонат часто используется для оптических деталей, его чувствительность к царапинам может стать проблемой, хотя ее можно смягчить с помощью добавок или защитных покрытий.
• Устойчивость к ультрафиолетовому излучению :Поликарбонат также не обладает устойчивостью к ультрафиолетовому излучению, что может стать проблемой для наружных деталей, таких как автомобильные фары, если не защититься от защитного покрытия.
• Чувствительность к влаге :ПК очень гигроскопичен и требует тщательной сушки перед литьем под давлением.

Надежное литье поликарбоната под давлением с 3ERP

Поликарбонат — это универсальный и эффективный термопласт для изготовления прозрачных пластиковых деталей и не только. Однако, поскольку с ним труднее работать, чем с другими распространенными пластиками, такими как АБС или ПП, крайне важно выбрать квалифицированного и надежного партнера по литью под давлением.

Обладая более чем 15-летним опытом работы в бизнесе, 3ERP может выполнять проекты литья под давлением поликарбоната любого размера, от прототипов до массового производства. Наш профессиональный опыт позволяет нам заниматься DFM, изготовлением пресс-форм, производством качественных деталей и отделкой поверхности, контролируя процесс формования ПК от начала до конца.

Запросите у нас цену, если вам нужны прочные прозрачные детали.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Можно ли красить литой композитный поликарбонат?

Да, краски и покрытия хорошо прилипают к поликарбонату и родственным ему композитам. Однако материал обладает плохой устойчивостью к растворителям. Гранулы ПК также можно смешивать с цветными пигментами перед формованием с использованием маточной смеси, сухого смешивания или других методов.

Насколько тонкий поликарбонат можно отлить под давлением?

Минимальная толщина стенки поликарбоната составляет около 1 мм. Высокая вязкость термопласта затрудняет инъекцию в более тонкие полости.

Является ли литой поликарбонат прочнее других пластиков?

Литой ПК очень прочен и обладает высокой ударопрочностью, поэтому его можно использовать для таких требовательных приложений, как защитные щиты. Его прочность выше, чем у большинства пластиков в этом ценовом диапазоне, а ударная вязкость превосходит многие металлы.

При какой температуре происходит литье поликарбоната?

Настройки машины для литья поликарбоната включают температуру цилиндра около 260–320 °C и температуру формы около 80–120 °C.

Является ли поликарбонат хорошей заменой стеклу?

Поликарбонат может заменить стекло во многих случаях, особенно там, где устойчивость к разрушению и безопасность являются приоритетом, поскольку он намного прочнее. Его основные недостатки по сравнению со стеклом включают склонность к пожелтению после длительного воздействия ультрафиолета и плохую устойчивость к царапинам.