Các thiết bị cơ bản choép phunlà một máy ép phun và một khuôn ép phun. Hình 1-2 thể hiện quy trình ép phun của máy ép phun kiểu trục vít.
Nguyên lý ép phun
Nguyên tắc là nhựa dạng hạt hoặc dạng bột được thêm vào thùng máy ép phun, đun nóng và nấu chảy, sau đó áp suất cao và tốc độ cao của vít máy ép phun sẽ đẩy nhựa nóng chảy qua vòi phun ở đầu phía trước của thùng và nhanh chóng bơm nó vào khoang khuôn kín [Hình. 1-2(a)]. Chất nóng chảy lấp đầy khoang được làm nguội và đông đặc dưới áp suất để duy trì hình dạng do khoang tạo ra [Hình. 1-2(b)]. Sau đó, khuôn được mở và sản phẩm được lấy ra [Hình. 1-2(c)]. Trong quá trình ép phun, nhựa trải qua một loạt thay đổi, bao gồm làm mềm, nóng chảy, chảy, tạo hình và đông đặc.
(Hình 1-2 Nguyên lý ép phun của máy ép phun loại trục vít)
Làm mềm và tan chảy:
Hình 1-4 cho thấy cấu trúc thùng và trục vít của máy ép phun. Bởi vì một lò sưởi hình tròn được lắp đặt bên ngoài thùng, nhựa sẽ tan chảy khi nó di chuyển về phía trước dưới sự quay của trục vít, và cuối cùng được phun vào khuôn thông qua vòi phun.
(L1-Phần cho ăn; L2-Phần nén; L3-Phần đo lường; h1/h2-Tỷ lệ nén; D-Đường kính vít)
Nhựa trải qua những thay đổi sau trong quá trình đổ đầy khuôn:
Trước khi vít quay (L2), nhiệt độ và áp suất của thanh vít tương đối thấp do thể tích nóng chảy giảm do vật liệu đi vào khoang khuôn (L1). Sau khi vít quay (L3), nhiệt độ nhựa đã đạt tới nhiệt độ nóng chảy và trở nên nóng chảy. Để đảm bảo chất lượng sản phẩm, nhựa phải được nấu chảy hoàn toàn trước khi{1}}nấu chảy lại. Tại thời điểm này, nếu nhựa đã bước vào giai đoạn nén ở một mức độ nóng chảy nhất định, hiệu quả khử khí của nó sẽ bị ảnh hưởng rất nhiều.
Ngay cả khi số lượng (L3) vẫn giữ nguyên, do độ sâu rãnh vít h₀ khác nhau, nhựa sẽ chịu tác động cắt ở mức độ khác nhau trong quá trình quay trục vít, do đó mức độ dẻo hóa sẽ khác nhau.
Tóm lại, trong cùng một chu trình đúc, mức độ và chất lượng nóng chảy của nhựa sẽ bị ảnh hưởng bởi hàm lượng khí và chất lượng nóng chảy của trục vít:
① Chiều dài hiệu dụng của vít tỷ lệ thuận (tăng): L/D=22-25.
② Tỷ số nén của vít: h₁/h₂=2.0-3.0 (thường là 2,5).
③ Phần nén của vít tương đối tỷ lệ: L₁/L₂=40%-60%.
Vì giá trị quá lớn nên thời gian lưu trú của vật liệu cũng sẽ tăng lên và chuyển động quay của trục vít sẽ liên tục đẩy nhựa nóng chảy về phía trước. Lúc này, nhựa sẽ tiếp tục chảy trong khoang khuôn dưới áp suất, sau đó trong một chu kỳ đúc (không có sự can thiệp từ bên ngoài trước khi vít bắt đầu di chuyển về phía trước). Sau khi trục vít quay sẽ di chuyển về phía trước dưới tác dụng của lực cơ học, dần dần nén nhựa và bơm vào khoang khuôn. Ngay trước đó, sự tan chảy của nó sẽ bị nén nhanh (gọi là nén tức thời), dễ gây ra sự kết tinh và dẫn đến khuyết tật. Sử dụng phương pháp tiêm chậm có thể tránh được sự kết tinh (kết tinh hoàn toàn, làm cho nó hoàn toàn vô định hình do làm lạnh nhanh).
Chảy:
Khi chất nóng chảy được bơm vào khoang khuôn dưới áp suất cao và tốc độ cao, sẽ có hai hiện tượng xảy ra trong quá trình phun. Một là nhựa tiếp xúc với thành khuôn ở trạng thái nóng chảy sẽ đông cứng lại và tạo thành một lớp mỏng do quá trình nguội nhanh do tiếp xúc với bề mặt khoang khuôn. Lớp mỏng này được gọi là lớp đông lạnh (hay gọi là lớp đông lạnh tức thời), lớp này sẽ làm cho nhiệt độ của nhựa nóng chảy giảm xuống (chủ yếu do ảnh hưởng của sự mất đi ẩn nhiệt của quá trình kết tinh). Ví dụ, trong polyetylen, ẩn nhiệt kết tinh được giải phóng trong quá trình làm nguội nóng chảy qua thành khuôn có thể đạt tới 50 độ hoặc cao hơn. Vì vậy, sau khi tan chảy lấp đầy toàn bộ khoang khuôn và trở về trạng thái khẩn cấp, nhiệt độ sẽ giảm xuống. Thứ hai là phần lớn nhựa nóng chảy sẽ tiếp tục duy trì hướng dòng chảy và trải qua dòng chảy ngược.
Như có thể thấy trong Hình 1-5, khi chất tan chảy tiếp xúc với thành của khoang khuôn, nó sẽ tạo ra một lớp đông lạnh và tốc độ dòng chảy nhanh hơn sẽ được tạo ra ở phần trung tâm cách xa khoang khuôn. Nhựa sẽ chảy thành từng lớp ở khu vực giữa lớp đông lạnh và thành khoang. Sau khi nhựa đi qua trạng thái như vậy và được làm nguội và định hình thành sản phẩm, các lớp sẽ vẫn tồn tại trong sản phẩm đúc theo hướng song song và hướng thẳng đứng, dẫn đến sự khác biệt về độ bền và độ dẻo dai của sản phẩm, điều này sẽ tồn tại trong quá trình nhả và tạo hình của sản phẩm đúc.
1 - Máy ép phun; 2 - Khuôn phun nhựa (thực tế bao gồm đường dẫn chính và cổng);
3 - Khuôn (bên trong khoang); 4 - Phần có tốc độ dòng chảy nhanh hơn ở trung tâm;
5 - Phần có tốc độ dòng chảy rất chậm dọc theo thành khoang; 6 - Các phân tử nhựa được định hướng và kéo dài ra;
7 - Các phân tử nhựa vướng vào nhau.
Tạo hình và bảo dưỡng:
Khi nhựa nóng chảy được bơm vào, nó sẽ đi vào khuôn thông qua một vòi phun, tạo hình, sau đó nguội đi và đông đặc lại để trở thành sản phẩm hoàn chỉnh. Tuy nhiên, thời gian thực tế để nhựa nóng chảy đổ đầy khuôn là vài giây nên rất khó quan sát quá trình đổ đầy.
Kỹ sư người Mỹ Stevenson đã sử dụng mô phỏng máy tính để mô tả quá trình đổ đầy cửa ô tô bằng polypropylen được đúc bằng khuôn chạy nóng có hai cổng và tính toán thời gian phun (tức là thời gian đổ đầy), đường hàn và lực kẹp cần thiết. Hình 1-6 minh họa mô hình thu được từ mô phỏng của anh ấy. Dòng chảy và trạng thái làm đầy của chất tan chảy trong Hình 1-6 không khác biệt đáng kể so với những gì được tưởng tượng và có thể phản ánh chính xác quá trình làm đầy thực tế của cửa ô tô.
Có nhiều phương pháp để mô phỏng dòng chảy của quá trình ép phun (chẳng hạn như phương pháp FAN, hệ thống mô phỏng CAIM và hệ thống mô phỏng Moldflow). Các phương pháp mô phỏng này hiện đang được sử dụng để dự đoán quá trình đổ nhựa nóng chảy vào khuôn, nhằm mục đích thiết kế khuôn hợp lý hơn và lựa chọn vị trí hoặc loại cổng.
Sau khi nhựa nóng chảy được định hình, nó sẽ bước vào quá trình hóa rắn. Hiện tượng chính xảy ra trong quá trình đông đặc là sự co ngót, xảy ra đồng thời do quá trình làm mát và kết tinh. Hình 1-7 cho thấy độ co ngót của ba loại polyetylen có độ kết tinh khác nhau khi nhiệt độ giảm.
(a-PE với mật độ tương đối là 0,9645; b-PE với mật độ tương đối là 0,95; c-PE với mật độ tương đối là 0,918; d-Đường cong tốc độ làm mát: C1, C2, C3-cả ba đều có tốc độ làm mát như nhau.)