Устройство для термического формования полимера и/или смолы литьем под давлением

Устройство для термического формования полимера литьем под давлением через отверстие (инжекционный пресс) относится к области машиностроения, в частности, термического формования изделий из полимерных материалов. В технологии обработки полимеров существует два независимых направления: 1 - формование с применением вакуума нагретых до размягчения листов полимера и 2 - распыление под давлением расплавленного жидкого полимера. Предложенное техническое решение сочетает в себе достоинства обоих направлений за счет одновременного давления на полимер и откачку объема литьевой пресс-формы средствами и устройствами вакуумирования. Техническое решение позволяет отказаться от необходимости помещать полимер в картридж, повысить точность передачи формы, устранить газовыделения из полимера, увеличить его плотность, что особенно важно для изделий, применяемых в медицине и контактирующих непосредственно с тканями человека.

Настоящее техническое решение относится к области машиностроения, в частности, термического формования изделий из полимерных материалов.

В технологии обработки полимеров существует два независимых направления: формование под вакуумом нагретых размягченных листов полимера (vacuum forming) и литье под давлением расплавленного жидкого полимера (injection moulding), например, это наглядно видно в рекламных материалах фирмы DMS Plastics Limited, представленных на сайтах: http:/www.dmsplastics.co.uk/vacfonn.html и http:www.dmsplastics.co.uk/injection.html.

Достоинства применения вакуума при термопластическом формовании полимерных структур известны: -отсутствие паров летучих органических соединений, в частности, выделений соединений стирола на рабочем месте,

- 100% возможность вторичной переработки полимера,

- хорошая сопротивляемость ударным нагрузкам и истиранию,

- снижение трудозатрат и накладных расходов,

- снижение времени рабочего цикла,

- снижение затрат на покупку компонентов,

- великолепная стойкость к воздействию воды и химических соединений (статья "Vacuum Moulding of Thermoplastic Composite Structures" на сайте www.ep.

Другое направление технологии обработки полимеров - литье расплавленного полимера через отверстие под давлением с помощью гидравлической пары: гидроцилиндр, внутри которого перемещается поршень или плунжер Поршень - деталь цилиндрической формы, совершающая возвратно-поступательное движение внутри цилиндра и служащая для превращения изменения давления газа, пара или жидкости в механическую работу, или наоборот - возвратно-поступательного движения в изменение давления, (статья на сайте Википедии http://ru.wikipedia.org/wiki).

Плунжер - вытеснитель цилиндрической формы, длина которого намного больше диаметра.

Точность обработки деталей современных плунжерных и роторно-плунжерных гидромашин столь высока, что зазор между внутренней и внешней цилиндрической поверхностью в плунжерных парах достигает 2-3 мкм (статья на сайте Википедии http://ru.wikipedia.org/wiki).

Из существующего уровня техники известно устройство термического формования изделий из полимеров, включающее шток с поршнем, которые под действием механического устройства перемещения, перемещаются внутри цилиндрической формовочной камеры, разогретой устройством нагрева до температуры плавления полимера, и выдавливают расплавленный полимер через выходное отверстие в объем полости литьевой пресс-формы (Патент США 5302104 А, кл. 425/178 от 12.04.1994).

Недостатки данного технического решения: низкое качество поверхности изделий из полимера из-за недостаточно плотного прилегания полимера к стенкам полости литьевой пресс-формы, наличие пустот в полимере из-за газовых включений.

Известно устройство для литья под давлением полимерных формованных изделий, которое состоит из литьевой машины и литьевой пресс-формы (Патент РФ 2284913 С2, кл. В29С 45/12, опубл. 10.10.2006). Устройство для литья под давлением полимерных формованных изделий состоит из литьевой машины и литьевой пресс-формы. В литьевой пресс-форме имеются по меньшей мере две соответствующие размерам изготавливаемых формованных изделий полости. Литьевая машина выполнена в виде обычной стандартной литьевой машины. В литьевой пресс-форме выполнен один канал для подвода расплавленного полимера. Для увеличения производства числа готовых формованных изделий в единицу времени в литьевой пресс-форме выполнен проходящий от первой плоскости разъема и далее до второй плоскости разъема канал, от которого отходят доходящие до полостей дополнительные каналы.

Недостатки технического решения: низкое качество поверхности изделий из полимеров из-за недостаточно плотного прилегания полимера к стенкам полости литьевой пресс-формы, наличие пустот в объеме полимера из-за газовых включений.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является инжекционный плавильный пресс (Патент США 2007/0194474 А1, МКИ В23С 45/76; В29С 45/02, опубл. 23 августа 2007 г). Пресс для формования расплавленного полимера и/или смолы впрыскиванием под давлением (инжекционный пресс), в котором есть формовочная камера цилиндрической формы и поршень давления, расположенный внутри этой камеры цилиндрической формы с возможностью перемещения. Поршень давления разделяет цилиндр на две камеры: втягивания и выдавливания. Насос и устройство для создания давления вдоль оси подсоединены к камере выдавливания. Датчик измеряет давление в камере выдавливания. Контроллер получает сигналы от датчика и управляет насосом. Насос подает гидравлическую жидкость в камеру выдавливания, чтобы сдавить и впрыснуть (инжектировать) полимер/смолу, помещенный/ую в картридж из легкодеформируемого материала, например, алюминиевой фольги, в полость литьевой пресс-формы посредством поршня. Контроллер останавливает работу насоса, когда давление в камере выдавливания достигает заданного уровня отключения. Устройство создания давления вдоль оси создает противодавление на жидкость в выдавливающей камере после того, как контроллер останавливает работу насоса, чтобы обеспечить избыточное давление на впрыскиваемый полимер.

Недостатки предложенного технического решения: необходимость применения картриджа из лекгодеформируемого материала, например алюминия, для размещения полимера/смолы, низкое качество полимера из-за наличия пустот, сдержащих газовые включения в объеме полимера/смолы после остывания, недостаточная заполняемость объема полости литьевой пресс-формы полимером/смолой, потому что часть объема занимает картридж.

Технический результат, который достигается предлагаемым техническим решением, - это повышение качества формуемого полимера и изготавливаемого изделия за счет отсутствия газовых включений в полимере, повышения заполняемости объема полости литьевой пресс-формы, повышения точности передачи формы изделий из полимерных материалов и качества их поверхности за счет более плотного прилегания полимера к стенкам полости литьевой пресс-формы.

Для достижения указанного технического результата устройство для термического формования расплавленного полимера/смолы впрыскиванием под давлением состоит из:

- цилиндрической формовочной камеры, внутри которой размещен поршень на штоке с возможностью перемещения вдоль оси камеры от входного к выходному отверстию, при этом

- поршень делит формовочную камеру на две полости: полость штока и полость поршня;

- между поршнем и выходным отверстием формовочной камеры расположен диск для защиты поверхности поршня от расплава полимера/смолы,

- выходное отверстие формовочной камеры соединено с объемом полости литьевой пресс-формы, в которую подают расплавленные гранулы полимера за счет перемещения поршня;

- к полости поршня формовочной камеры подсоединен датчик давления, связанный со входом контроллера, содержащего микропроцессор, подключенный к устройству для перемещения поршня, при этом

- поршень взаимодействует с полимером непосредственно или через диск с возможностью выдавливания полимера/смолы через выходное отверстие из объема формовочной камеры в полость литьевой пресс-формы,

при этом шероховатость наружной поверхности поршня и внутренней поверхности фор- мовочной камеры для его перемещения находится в интервале значений:

1,0*10^-6 мм<R_a<1,0 мм,

где R_a - среднее арифметическое отклонение,

- величина зазора между наружной поверхностью поршня и внутренней поверхностью формовочной камеры для его перемещения находится в интервале значений:

2,0*10^-6 мм<h<1,0 мм,

- литьевая пресс-форма для подачи полимера в объем полости имеет по крайней мере одно отверстие-канал, соединяющее объем полости литьевой формы с устройством вакуумирования,

- к объему полости литьевой пресс-формы подсоединен по меньшей мере один датчик давления, соединенный с контроллером,

- снаружи формовочной камеры и литьевой пресс-формы размещены электронагреватели и датчики температуры, при этом датчики температуры формовочной камеры и литьевой пресс-формы соединены с контроллером, подключенным к устройству вакуумирования и устройствам регулирования величины тока в электронагревателях.

В устройстве также выходное отверстие формовочной камеры и входное отверстие литьевой пресс-формы закрыто перегородкой, которая или разрушена, или удалена перед подачей полимера в объем полости литьевой пресс-формы.

Схема заявленного устройства представлена на рис.

Схема устройства для формования расплавленного полимера/смолы литьем под давлением (ижекционный пресс) - рис.:

1 - датчик для измерения вакуума;

2 - соединительный трубопровод, соединяющий объем литьевой пресс-формы со средствами и устройствами вакуумирования;

3 - корпус литьевой пресс-формы;

4 - электронагреватель пресс-формы;

5 - входное отверстие литьевой пресс-формы;

6 - по крайней мере один герметизирующий элемент, например заглушка затворного клапана, закрывающий выходное отверстие формующей камеры и входное отверстие литьевой пресс-формы;

7 - выходное отверстие формующей камеры;

8 - полимер/смола;

9 - электронагреватель формующей камеры;

10 - формующая камера;

11 - защитный диск;

12 - поршень/плунжер;

13 - шток;

14 - управляемое электрическими сигналами от контроллера устройство перемещения штока с поршнем/плунжером вдоль оси формующей камеры от входного к выходному отверстию, например, содержащее электродвигатель, а также устройства защиты электродвигателя от перегрузки и перегорания катушек обмотки, в частности, при увеличении величины тока выше уровня безопасной работы;

15 - датчик для измерения температуры корпуса формирующей камеры;

16 - устройство управления работой электронагревателя формующей камеры;

17 - контроллер, содержащий микропроцессор;

18 - средства индикации, например, жидкокристаллический дисплей, а также средства ввода значений параметров, например, кнопочная или сенсорная клавиатура;

19 - устройство управления герметизирующим элементом;

20 - устройство управления электронагревателем литьевой пресс-формы;

21 - датчик измерения температуры корпуса литьевой пресс-формы;

22 - затворный элемент, перекрывающий трубопровод средств вакуумирования, например, затворный клапан;

23 - устройство вакуумирования, содержащее вакуумный насос.

Устройство работает следующим образом:

при работе корпус формовочной камеры (10) сначала чаще всего устанавливают вертикально входным отверстием вверх. В объем формовочной камеры (10) через входное отверстие засыпают гранулы полимера/смолы (8). Затем через входное отверстие в объем поршня формовочной камеры (10) вставляют защитный диск и вдвигают шток (13) с поршнем/плунжером (12).

Мануально на клавиатуре дисплея (18) задают параметры процесса, через контроллер (17) запускают в действие программу хода процесса. От контроллера (17) с микропроцессором поступает электрический сигнал на устройство вакуумирования (23). Включается вакуумный насос и через канал-отверстие в полости литьевой пресс-формы (3), а также в объеме соединенной с ней формовочной камеры (10), откачивается атмосферный воздух, уменьшается давление, создается разрежение (вакуум).

При достижении требуемого уровня давления, которое сначала задают мануально на клавиатуре и контролируют по изображению на экране дисплея (18), срабатывает датчик давления, он подает электрический сигнал на контроллер (17) и по электрическому сигналу от контроллера (17), который поступает на устройства управления (20) величиной тока в наружных электронагревателях (9), расположенных поверх корпусов формовочной камеры (10) и литьевой пресс-формы (3), начинают нагреваться электронагреватели. Датчики температуры измеряют температуру формовочной камеры (10) и литьевой пресс-формы (3) соответственно и подают электрические сигналы на контроллер (17) с микропроцессором, а оттуда идут электрические сигналы на панель управления и дисплей (18).

При достижении заданного значения температуры (t1) литьевой пресс-формы (3), которое сначала задают мануально и контролируют по изображению на экране дисплея (18), от датчика температуры подается электрический сигнал на контроллер (17) с микропроцессором, а оттуда поступает сигнал выключить электронагреватель. Электронагреватель, управляемый контроллером (17), методом включено/выключено поддерживает температуру литьевой пресс-формы (3) постоянной на уровне заданного значения (t1).

При достижении температуры формовочной камеры (10) заданного значения (t2), которое сначала задают мануально на клавиатуре и контролируют по изображению на экране дисплея (18), от датчика температуры подается электрический сигнал на контроллер (17) с микропроцессором и контроллер (17), управляя электронагревателем методом включено/выключено, поддерживает температуру формовочной камеры (10) на уровне заданного значения (t2) в течение времени, требуемого для равномерного расплава полимера в формовочной камере (10). Процессы нагревания и поддержания температуры в литьевой пресс-форме (3) и формовочной камере (10) начинаются и заканчиваются одновременно и идут параллельно, отличаются лишь задаваемые значения температур нагрева t1 и t2. Через заданный промежуток времени или по сигналам от датчиков контроллер (17) подает электрический сигнал на устройство управления, чтобы сдвинуть перегородку. Она перекрывает соединяющиеся отверстия: выходное отверстие (7) формовочной камеры (10) и входное отверстие (5) литьевой пресс-формы (3) и не дает возможности расплаву попасть из объема формовочной камеры в объем полости литьевой пресс-формы.

По окончании плавления полимера на контроллер (17) с микропроцессором от датчика температуры поступает электрический сигнал, а контроллер (17) выдает электрический сигнал устройству вакуумирования (23), которое отключает вакуумный насос и закрывает канал-отверстие для вакуумирования.

Устройство управления по сигналу от контроллера (17) сдвигает перегородку и открывает соединяющиеся отверстия: выходное литьевой пресс-формы (3) и входное формовочной камеры (10), устройство (14) для перемещения штока и поршня на основе электрического привода по электрическому сигналу от контроллера (17) с микропроцессором начинает двигать шток (13), а шток (13) начинает двигать поршень/плунжер (12), выдавливая расплав полимера (8) из объема формовочной камеры (4) в объем полости литьевой пресс-формы (3).

Объем полости штока формовочной камеры увеличивается, а полости поршня уменьшается. Все описанные процессы идут параллельно. Когда полимер заполнит весь объем полости литьевой пресс-формы (3) и давление штока превысит заданное, датчик давления подаст электрический сигнал на контроллер (17) с микропроцессором, а оттуда пойдет сигнал устройству (14) для перемещения штока и поршня и движение штока (13) прекратится, шток (13) остановится. Шток (13) будет удерживать полимер (8) в области штока (13) под давлением, пока будет длиться остывание полимера (8) в полости литьевой пресс-формы (3). Когда датчики температуры подадут в контроллер (17) сигналы о том, что температура литьевой пресс-формы (3) и формовочной камеры (10) достигли значений меньше 50°С, поршень по команде устройства (14) для перемещения штока и поршня начнет обратное движение, освобождая объем полости поршня формовочной камеры (10). Литьевая пресс-форма (3) отсоединится от формовочной камеры (10) и готовое изделие будет возможно извлечь из литьевой пресс-формы (3).

Несмотря на то, что некоторые из применяемых признаков известны, их сочетание и взаимное расположение элементов конструкции в данном техническом решении является новым.

Технический эффект - изменяется структура и состав полимерного материала вследствие более сильного сжатия, вызванного значительно большей разницей давлений и уменьшением концентрации содержания газовых включений, что имеет большое значение прежде всего для материалов, применяющихся в медицине и длительное время контактирующих с тканями человека, в частности, материалов зубных протезов.

1. Устройство для термического формования расплавленного полимера/смолы впрыскиванием под давлением, состоящее из:

- цилиндрической формовочной камеры, внутри которой размещен поршень на штоке с возможностью перемещения вдоль оси камеры от входного к выходному отверстию, при этом

- поршень делит формовочную камеру на две полости: полость штока и полость поршня;

- между поршнем и выходным отверстием формовочной камеры расположен диск для защиты поверхности поршня от расплава полимера/смолы,

- выходное отверстие формовочной камеры соединено с объемом полости литьевой пресс-формы, в которую подают расплавленные гранулы полимера за счет перемещения поршня;

- к полости поршня формовочной камеры подсоединен датчик давления, связанный со входом контроллера, содержащего микропроцессор, подключенный к устройству для перемещения поршня,

отличающееся тем, что

- поршень взаимодействует с полимером непосредственно или через диск с возможностью выдавливания полимера/смолы через выходное отверстие из объема формовочной камеры в полость литьевой пресс-формы,

при этом шероховатость наружной поверхности поршня и внутренней поверхности формовочной камеры для его перемещения находится в интервале значений:

1,010^-6 мм<R_a<1,0 мм,

где R_a - среднее арифметическое отклонение,

- величина зазора между наружной поверхностью поршня и внутренней поверхностью формовочной камеры для его перемещения находится в интервале значений:

2,010^-6 мм<h<1,0 мм,

- литьевая пресс-форма для подачи полимера в объем полости имеет по крайней мере одно отверстие-канал, соединяющее объем полости литьевой формы с устройством вакуумирования,

- к объему полости литьевой пресс-формы подсоединен по меньшей мере один датчик давления, соединенный с контроллером,

- снаружи формовочной камеры и литьевой пресс-формы размещены электронагреватели и датчики температуры, при этом датчики температуры формовочной камеры и литьевой пресс-формы соединены с контроллером, подключенным к устройству вакуумирования и устройствам регулирования величины тока в электронагревателях.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выходное отверстие формовочной камеры и входное отверстие литьевой пресс-формы закрыто перегородкой, которая или разрушена, или удалена перед подачей полимера в объем полости литьевой пресс-формы.