Технология и организация производства изделий из литьевого пластика в непроизводственных условиях

Технологии художественной обработки материалов
25.07.2019

(Всего голосов: 0)

 

Общие сведения

Пластик или пластмасса - это материал, в основе которого лежат синтетические и природные полимеры. Название означает способность материала изменять свою форму при нагревании или давлении и сохранять ее после охлаждения или затвердевания и объединяет различные виды пластика: полистирол, полипропилен, полиэтилен и другие. Пластмассы разнятся по свойствам, которые определяются структурой и природой материала. Их применяют в производстве электроники, автомобилей, медицинского оборудования, детских игрушек и прочего. Основными достоинствами пластмасс являются: лѐгкий вес и неподверженность коррозии, в отличие от металла, высокая технологичность и быстрота изготовления, возможность автоматизации производства и вторичного использования материала. Литье - метод обработки пластика, которым производят более трети от общего числа изделий из полимеров, а конкретная технология литья зависит от масштабов производства.

История возникновения пластмасс

Пластик пришѐл в наш мир, когда в 1870 году Джон У. Хаятт запатентовал целлулоид, продукт объединения нитроцеллюлозы и камфоры, как материал, заменяющий слоновую кость в изготовлении бильярдных шаров. На протяжении 20-го века были разработаны многие новые пластиковые материалы, а с 1950-х годов их производство переросло в крупную отрасль. Оригинальное литьѐ пластмасс в целом не меняется с 1946 года, когда вторая мировая война создала огромный спрос на недорогие изделия массового производства.

Способы производства

Как говорилось ранее, технология производства определяется его масштабом, т.е. количеством необходимых изделий. Существует 3 основных метода: 3D-печать, литье в силиконовые формы и литье под давлением.

Печать на принтере используется при штучном тираже или при изготовлении прототипа будущего изделия на этапе его разработки. Чаще всего применяют недорогую, распространѐнную FDM-печать, при которой построение модели происходит путѐм подачи расплавленной нити пластика на рабочую поверхность с последующим еѐ застыванием. Поверхность изделий слоистая, рекомендуется ее шлифовка.

Литье в силиконовые формы используют при производстве небольших партий, когда тираж не превосходит 500 единиц. Используемый материал - это литьевой полиуретан. Данный метод допускает возможность производства изделий в домашних условиях с минимальными денежными вложениями.

При больших масштабах производства применяется литье под давлением. Это процесс, при котором расплав материала вспрыскивается в литьевую форму под давлением, после чего охлаждается. Необходимо использование дорогостоящего оборудования - инжекционно-литьевых машин.

Этапы производства

Непроизводственные условия подразумевают мелкосерийное производство, поэтому далее сосредоточимся только на литье в силикон. Этот метод позволяет получить точную копию мастер-модели путѐм заливки жидкого пластика в заранее подготовленные формы из силикона. Весь процесс можно разделить на четыре этапа: создание мастер-модели, изготовление формы, литье пластика и механическая обработка отливки.

Создание мастер-модели. Прототип или мастер-модель - это образец, имеющий размеры и конфигурацию будущего изделия, с помощью которого создаѐтся форма для литья. Он изготавливается из дерева или гипса, но зачастую применяются трѐхмерные технологии, позволяющие быстро и качественно создать модель любой сложности. Прототип проходит оценку функциональности, и на этом этапе изменения его конструкции не ведут к большим расходам. Если слоистая поверхность изделия удовлетворяет целям заказчика, то остаток небольшого тиража распечатывается на принтере и шлифуется (см. Рис. 1).

Если требования к поверхности выше или необходим больший объем, приступают к изготовлению форм. Существует несколько способов изготовления формы.

Сплошная заливка. Модель помещают в опалубку и фиксируют. Поверхность модели покрывают разделительным составом и заливают силиконом, пока форма не достигнет необходимой толщины (см. Рис. 2а - 2г). Этот способ подходит для сувенирной продукции, рельефов и простых двухмерных моделей. Если конфигурация модель сложная, то форму разрезают для облегчения съѐма.

Формовка в двух полуформах. Суть метода заключается в помещении мастер-модели на пластилиновую основу, делящую силиконовую форму пополам. Вокруг основы ставится опалубка, и в неѐ заливается первая половина формы. После отверждения силикона форма переворачивается и счищается пластилин. Поверхность разъѐма формы покрывается разделительным составом, и заливается вторая половина. Штыри на обеих половинах форм обеспечивают отсутствие смещений. (На рисунках 3а - 3ж представлены этапы)

Метод «В намазку». Формы, созданные этим методом, точно повторяют форму объекта и имеют толщину от нескольких мм до нескольких см. Для создания формы необходим вязкий силикон, который бы не стекал с мастер-модели. Силикон наносят кистью в несколько тонких слоѐв, чередуя слои силикона с различной вязкостью и скоростью отвердевания для получения максимально прочной и точной формы. После затвердевания всех слоѐв из материала Plasti-Paste создается жѐсткая внешняя оболочка, которая будет держать форму (см. Рис. 4а - 4г).

Литье пластика. После того как форма изготовлена, приступают к литью полиуретана. Внутренняя полость формы предварительно покрывается разделительным составом. Существует несколько способов заливки пластика.

Самый простой заключается в обычной заливке пластика формы (см. Рис. 4). Он подходит для домашнего использования и позволяет достичь приемлемого качества. Для более качественного результата форму с пластиком помещают в камеру повышенного давления на все время отвердевания пластика, чтобы пузырьки воздуха, находящиеся в пластике уменьшились в размерах.

Еще один метод, так называемая заливка «в обкатку», используется для создания полых изделий. В форму заливается небольшое количество пластика, около 10% от общего объѐма, отверстие для заливки закрывается, и начинается вращение формы по всех плоскостях, вручную или на специальной ротационной машине (см. Рис. 5). При этом пластик отвердевает на стенках формы, создавая полую модель, что позволяет существенно снизить вес изделия и экономить материал (см. Рис. 6а - 6б).

На этапе механической обработки изделие приобретает законченный вид: убирается литниковая система и излишки материала, отливка шлифуется и полируется. При необходимости изделие окрашивают и покрывают лаком.

Преимущества и недостатки

Литье пластика в силиконовые формы выигрывает в скорости изготовления и денежных затратах по сравнению с литьѐм под давлением, что обеспечивает низкую себестоимость изделий. Силиконовые формы универсальны и могут использоваться с различными видами пластика. Они просты в использовании и легко отделяются от отливок. Заливаемый материал - пластик - лѐгкий, достаточно прочный и недорогой, легко поддаѐтся обработке. Ему не страшны атмосферные воздействия.

У изделий из пластмасс есть и недостатки. При высоких температурах материал деформируется и плавится, а при отрицательных становится хрупким и разрушается даже при незначительном механическом воздействии. Твѐрдость пластика ниже, чем у металла. Прочностные характеристики со временем ухудшаются.

Материалы и оборудование

В ходе производства требуются следующие материалы: Силикон, разделительный состав, полиуретан.

Силикон. Это синтетический полимерный материал, единственный из выпускаемых в больших масштабах эластомер, обладающий теплостойкостью, т.е. возможностью длительного сохранения эластичности в условиях высоких температур (см рис. 7). Силикон выдерживает широкий диапазон температур, у него большая прочность на растяжение, а изделия легко вынимаются из формы. В производстве литейных форм применяются силиконовые компаунды холодного отверждения. Меняя соотношение его компонентов (основа и катализатор) можно регулировать скорость отверждения материала и его время жизни.

По типу катализатора двухкомпонентные силиконы разделяются на оловянные и платиновые. Оловянные характеризуются дешевизной, экономичностью и простотой использования, однако срок службы таких форм небольшой. Силиконы на основе платины дороже, сильнее подвержены ингибированию, безопасны для контакта с кожей и пищевыми продуктами, имеют более долгий срок использования. Поэтому при литье пластмасс целесообразнее использовать силикон с катализатором на основе олова.

При выборе силикона нужно обращать внимание на его твѐрдость, вязкость, время жизни и полимеризации и коэффициент удлинения. Силиконы  различаются по твѐрдости. Чем крупнее и сложнее изделие, тем более твѐрдый материал стоит применять. В зависимости от вязкости силиконы делятся на заливочные и обмазочные. Первые заливаются в опалубку, а вторые наносят на мастер-модель кистью. Из силикона с меньшей вязкостью воздух выходит быстрее и легче, а смесь лучше растекается и передаѐт мелкие детали мастер-модели. Время жизни - это время, на протяжении которого силикон сохраняет вязкость, т.е. с ним можно работать. Время полимеризации - время, через которое форма полностью застынет. Коэффициент удлинения характеризует возможность готовую форму до ее разрыва. Чем он больше, тем большее число отливок можно изготовить из формы.

Разделительный состав. Это материал, наносимый на поверхность модели или раздела форм. Он применяется для защиты мастер-модели, если она состоит из пористого материала (гипс или дерево), для ее лѐгкого извлечения и для предотвращения склеивания двух полуформ (см. Рис. 8). В условиях ограниченного бюджета можно использовать вазелин, воск или парафин.

Полиуретан. Это синтетический эластомер, обладающий широким диапазоном прочностных характеристик, однако его использование ограниченно температурным диапазоном применения (от -60 до +80 градусов). Полиуретан легче, чем метал, не является электрическим проводником; имеет более длительный срок эксплуатации, чем резина, устойчив к внешним воздействия среды. Применение его в производстве позволяет удешевить себестоимость продукции.

Двухкомпонентный полиуретан, заливающийся в силиконовые формы принимает форму готового продукта при смешивании двух его составляющих - основы и отвердителя - в нужных пропорциях (см. Рис. 9). Существуют полиуретановые смесь горячего и холодного типа полимеризации. Горячая полимеризация проходит в условиях повышенных температур, а холодная - в условиях комнатной температуры. Высокая текучесть материала до отвердевания позволяет изготавливать формы любой сложности.

Вакуумное оборудование. Устройство для удаления нежелательных пузырьков газа (дегазации) силикона или пластика. Состоит из вакуумной камеры, вакуумного насоса и шланга (см. Рис. 10).

Контейнер со смесью устанавливают внутрь камеры и плотно закрывают крышку. Силикон во время дегазации увеличивается в размерах в 2-3 раза, что нужно учитывать при выборе размера контейнера. Насос с помощью шланга соединяют с камерой и включают. Давление в камере понижается, а так как давление пузырьков воздуха в смеси было равно атмосферному, разница давлений внутри и снаружи смеси заставляет воздух выходить из силикона. Смесь сначала вздувается, после чего опадает. Она выдерживается в камере еще 90 секунд, насос выключают, и материал готов к заливке (см. Рис. 11а - 11г).

Камера повышенного давления. Это другой способ избавиться от пузырьков в отливке. От вакуумной камеры она принципиально отличается тем, что полиуретан остается в ней уже залитый в силиконовую форму на все время застывания (см. Рис. 12). Пузырьки воздуха под действием избыточного давления внутри смеси начинают сжиматься и уменьшатся в размерах так, что они становятся не видны глазу. На рисунке 13 представлена разница между отливками, прошедшей дегазацию и нет.

Общие рекомендации

При изготовлении форм для предотвращения брака, необходимо следовать следующим правилам.

  1. Всегда тестировать новые материалы, контактирующие с силиконом;
  2. Смешивать компоненты силикона и полиуретана в строгих пропорциях и тщательно их перемешивать. Если добавить отвердителя меньше или плохо размешать, смесь не застынет, если добавить больше - застынет раньше времени;
  3. После смешивания рекомендуется дегазация силикона для предотвращения появления пузырьков в форме и возможного брака отливок;
  4. Силикон заливается в одну точку, равномерное течение для предотвращения добавления пузырьков воздуха в смесь;
  5. Работать при достаточной вентиляции;
  6. Носить только виниловые (не латексные) перчатки.
  7. Следить за   температурой  помещения   при   заливке.  Иначе   силикон   не затвердеет или затвердеет слишком быстро.

Область применения

Методом литья в силиконовые формы изготавливают сувенирную и рекламную продукцию (см. Рис 14а - 14б), мебельный декор, предметы интерьера и внешнего декора зданий, элементы ландшафтного дизайна (см. Рис 15а - 15б). Декоративным изделиям из пластика можно придавать разнообразный облик,

 

например, имитировать металл или натуральный камень. Это позволяет заменять пластиком настоящий металл или камень при изготовлении скульптур или бюстов (см. Рис. 16а - 16в). Эта технология также отлично подходит для изготовления бутафории - оружия, элементов костюма, декораций (см. Рис. 17а - 17б).

Организация собственного производства

В первую очередь необходимо приобрести материалы и оборудование. На рынке представлен широкий ассортимент продукции различных производителей. Силикон                   производят    следующие     бренды:     ToolDecor    -     немецкий производитель   силикона.   Цена    меньше   1000р   за   1   кг.    Эластоформ   - отечественный производитель силикона. Цена около 1000р за 1кг. Alcorsil - китайский производитель силикона. Цена около 4000р за 5кг. Smooth-On - американский производитель силикона, пластика, оборудования для дегазации и вспомогательных материалов. Рекомендуемая серия - Mold Max. Цена порядка 2000р за 1 кг. На сайте компании можно найти видеоуроки о литье в силикон, что

может быть полезно новичкам.

Полиуретан производят следующие производители: SikaAxson (Франция) серии Axson и Biresin. Цена около 1000р за 1 кг; серия Caspol (Россия), около 500р за 1 кг; серии Crystal Clear и Smooth-Cast производителя Smooth-On (Америка), цена около 2000р за 1 кг.

Вакуумная камера производителя Smooth-On стоит около 37 тыс. р, камера повышенного давления - около 52 тыс. р. Вакуумный насос и компрессор приобретаются отдельно.

Вспомогательные материалы (разделительный состав, красители и т.п.) приобретаются в розничных магазинах.
Производство не требует больших площадей, поэтому литьем силикона можно заниматься на дому или в небольшой мастерской. Приобретение дорогого оборудования для дегазации необходимо. При литье изделий, аналогов которых не существует, необходимо изготовление мастер-моделей, то есть приобретение 3D-принтера и расходных материалов.

Заключение

Подведѐм итоги. Литьѐ пластиков в силиконовые формы - это современный, технологичный и недорогой способ изготовления изделий небольшим тиражом, позволяющий начать производство на дому без крупных денежных вложений. Использующиеся материалы недорогие, простые в использование, легко приобретаемые.


Оставить комментарий