Экспериментальное исследование процесса литья под давлением с выдувным формованием: параметры процесса, методы характеризации и анализ с точки зрения промышленности.
Процесс литья под давлением с растяжением и выдувом регулируется сложной сетью взаимодействующих параметров — скоростью впрыска, температурой расплава, температурой станции кондиционирования, скоростью перемещения растягивающего стержня, давлением воздуха для выдувания и временем выдувания, — которые в совокупности определяют двухосную ориентацию, достигаемую в готовом контейнере, и, следовательно, его механические и барьерные свойства. Понимание взаимосвязи между этими переменными процесса и свойствами получаемого контейнера является предметом экспериментальных исследований, а результаты таких работ непосредственно применимы для оптимизации промышленного производства.
В данной статье рассматриваются основные методы, используемые в экспериментальном исследовании процесса ISBM, ключевые взаимосвязи между процессом и свойствами, установленные в ходе экспериментальной работы, а также практическое значение этих знаний для инженеров-технологов и специалистов по проектированию оборудования, эксплуатирующих линии ISBM в коммерческих целях. Статья предназначена для технически подкованных читателей — инженеров-технологов, специалистов по исследованиям и разработкам в области упаковки и менеджеров по качеству, — которые хотят понять научную основу параметров процесса, которыми они управляют ежедневно.
Это также объясняет, почему процесс литья под давлением с растяжением и выдувным формованием реализовано на текущем поколении одноступенчатая машина для литья под давлением с растяжением и выдувным формованием Конструкция отражает десятилетия накопленного опыта в области технологических процессов, и именно поэтому ведущие производители предлагают современные сервоэлектрические машинные архитектуры. производители машин для литья под давлением с растяжением и выдувным формованием являются непосредственным коммерческим воплощением результатов технологических исследований, полученных в ходе экспериментальных разработок.
Что измеряют экспериментальные исследования ISBM?
В экспериментальных исследованиях процесса ISBM обычно ставится цель охарактеризовать одну или несколько из следующих выходных переменных как функцию входных параметров процесса.
Распределение толщины стенок
Пространственное распределение толщины стенок по всему контейнеру является основным геометрическим результатом процесса ISBM. Измеряемое с помощью ультразвукового толщиномера или разрушающего секционирования, распределение толщины стенок является прямым показателем равномерности коэффициента растяжения и поведения при заполнении формы в условиях исследуемого выдувания.
Степень двухосной ориентации
Степень молекулярной ориентации в стенке выдувного контейнера количественно определяется с помощью измерения двулучепреломления (оптическая задержка через стенку), широкоугловой рентгеновской дифракции (кристалличность для полукристаллических смол) и поляризованной ИК-спектроскопии (коэффициент ориентации). Эти методы позволяют выявить, как различные параметры процесса влияют на уровень ориентации, достигаемый в разных местах контейнера.
Механические свойства
Прочность на разрыв, относительное удлинение при разрыве, прочность на сжатие при верхней нагрузке, ударопрочность при падении и ESCR измеряются на контейнерах, изготовленных в различных технологических условиях, для установления количественных взаимосвязей между процессом и свойствами.
Барьерные свойства
Для ПЭТ и многослойных контейнеров ISBM скорость пропускания кислорода (OTR) и удержание углекислого газа измеряются как функции параметров процесса, поскольку барьерные свойства чувствительны к уровню ориентации и однородности.
Тепловой профиль в преформе
Инфракрасная термография или термопарная съемка поверхности заготовки на входе в зону продувки позволяют охарактеризовать тепловое состояние при двуосном ориентировании, устанавливая взаимосвязь между параметрами кондиционирования и положением окна продувки.
Ключевые взаимосвязи между процессом и свойствами, установленные экспериментальным путем.
Зависимость температуры кондиционирования от равномерности толщины стенки
Экспериментальные исследования неизменно показывают, что температура на станции кондиционирования является основным контролирующим фактором распределения толщины стенок в одностадийном ISBM. Когда температура заготовки на станции выдувания ниже оптимального диапазона температуры — слишком близко к температуре стеклования для аморфных смол или слишком близко к началу кристаллизации для полукристаллических смол — заготовка неравномерно сопротивляется растяжению, образуя локализованные толстые зоны, где материал застыл до достижения адекватной ориентации.
Исследования с использованием инфракрасной термографии для картирования температуры поверхности заготовки на входе в выдувную станцию показали, что даже асимметрия температуры кондиционирования на 5–8 °C по окружности заготовки приводит к измеримой асимметрии толщины стенок в выдувном контейнере. Эта чувствительность к равномерности температуры кондиционирования является основной причиной, по которой ведущие производители оборудования проектируют станции кондиционирования с многозонным независимым контролем температуры и инструментами прямого контакта, а не с конвективными методами нагрева.
Скорость растяжения стержня в зависимости от осевой ориентации
Экспериментальные исследования влияния скорости растяжения стержня показывают, что для каждой комбинации смола-заготовка существует оптимальный диапазон скоростей растяжения. Ниже этого диапазона материал деформируется слишком медленно и частично релаксирует до того, как можно будет зафиксировать двухосную ориентацию путем охлаждения относительно выдувной формы. Выше этого диапазона быстрая деформация может инициировать локальное сужение или преждевременную кристаллизацию в направлении растяжения. Оптимальный диапазон обычно составляет 50–200 мм/с для применения в коммерческой таре, но значительно варьируется в зависимости от молекулярной массы смолы и температуры обработки.
Давление и время продувки воздуха в зависимости от равномерности ориентации
Временная зависимость между выдвижением растягивающего стержня и подачей продувочного воздуха является одним из наиболее чувствительных к технологическому процессу параметров в ISBM и была предметом многочисленных экспериментальных исследований с использованием высокоскоростной фотосъемки для визуализации деформации заготовки во время продувки. Исследования показали, что оптимальная равномерность ориентации достигается при подаче продувочного воздуха низкого давления, когда растягивающий стержень достигает приблизительно 60–701 Т3Т своего полного хода, предотвращая раздувание заготовки до того, как растягивающий стержень сможет направлять осевую деформацию. Затем время перехода к высокому давлению определяет коэффициент радиального растяжения и окончательное распределение толщины стенки.
Экспериментальные методы характеризации в исследованиях процесса ISBM
Измерение двойного лучепреломления
Двойное лучепреломление — разница показателей преломления между направлением ориентации и поперечным направлением стенки контейнера — является наиболее широко используемым методом количественной оценки молекулярной ориентации в исследованиях ISBM. Более высокое двойное лучепреломление указывает на более высокую ориентацию. Картирование двойного лучепреломления по высоте и окружности контейнера выявляет градиенты ориентации, которые коррелируют с неравномерностью толщины стенки и изменением механических свойств.
Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК)
Дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК) используется в экспериментальных исследованиях ISBM полукристаллических смол — в частности, ПЭВП и ПП — для характеристики кристалличности стенки контейнера в зависимости от параметров процесса. Поскольку кристалличность в ISBM обусловлена как механизмом ориентации, так и термической историей цикла выдувания, ДСК предоставляет прямые доказательства того, как температура кондиционирования, коэффициент растяжения и температура выдувной формы в совокупности влияют на морфологию кристаллов и, следовательно, на барьерные и механические свойства готового контейнера.
Подходы к планированию экспериментов (DoE)
В промышленных экспериментальных исследованиях ISBM чаще всего используется методология планирования экспериментов — факторные планы, центрально-композиционные планы или методология поверхностей отклика — для эффективного отображения многомерного пространства параметров процесса с минимальным количеством экспериментальных запусков. Подходы планирования экспериментов позволяют выявлять эффекты взаимодействия между параметрами — например, взаимодействие между температурой кондиционирования и давлением продувочного воздуха на равномерность толщины стенки — которые были бы упущены при использовании подходов, основанных на изменении одной переменной за раз.
Высокоскоростная фотосъемка и анализ методом конечных элементов
Визуализация деформации заготовки на этапе выдувания с помощью высокоскоростной камеры обеспечивает прямые экспериментальные доказательства поведения при выдувании, дополняющие измерения свойств готовых контейнеров. Конечно-элементное моделирование (КЭМ) этапа выдувания ISBM — с использованием моделей материалов, откалиброванных экспериментальными измерениями механического поведения смолы в условиях растяжения-выдувания — позволяет инженерам-технологам прогнозировать распределение толщины стенок для новых геометрических форм контейнеров до начала изготовления оснастки.
Последствия для промышленности: применение экспериментальных данных к производству ISBM
Практическая ценность экспериментальных исследований технологических процессов ISBM заключается в их применении в производственных процессах — подтвержденных технологических окнах, ранжировании чувствительности параметров и методах устранения неполадок, которые инженеры-технологи могут напрямую применять в работе оборудования.
Экспериментальные данные, показывающие, что температура кондиционирования является основной переменной для равномерности толщины стенок в одноступенчатой ISBM, напрямую влияют на спецификацию конструкции машины: точность контроля температуры в станции кондиционирования ±1°C или лучше, многозонный независимый контроль температуры и мониторинг температуры в реальном времени — это инженерные требования, которые напрямую вытекают из технологической науки. Современные сервоэлектрические машины ISBM от ведущих производителей реализуют эти функции в стандартной комплектации, и улучшение качества продукции, которое они обеспечивают, количественно соответствует эффектам, предсказанным экспериментальными исследованиями процесса.
Аналогичным образом, экспериментальная характеристика влияния скорости и времени растяжения штока непосредственно повлияла на переход от гидравлического привода с растягивающим штоком — где положение и скорость определяются характеристиками гидравлического потока, которые изменяются в зависимости от температуры масла, состояния клапана и давления в системе — к сервоэлектрическим системам привода с растягивающим штоком, где положение и скорость точно программируются и могут повторяться с точностью на порядок выше, чем у гидравлических аналогов.
Как преданный своему делу производитель оборудования ISBMФилософия проектирования машин компании Ever-Power основана на технологических процессах — каждая функция системы управления, каждая спецификация сервооси и каждое решение по проектированию оснастки для обработки материалов отражают установленные взаимосвязи между процессом и свойствами, которые были количественно определены экспериментальными исследованиями ISBM. Компания предоставляет полный спектр услуг. поставщик литьевых машин ISBMМы применяем эти технологические знания в проектировании пресс-форм, оптимизации геометрии заготовок и подготовке спецификаций оснастки. Для организаций, проводящих оценку Продается терминал ISBM В рамках предлагаемых нами опций мы предоставляем документацию по технологическим возможностям, демонстрирующую, как наша конструкция оборудования преобразует экспериментальные технологические процессы в производственные показатели.
Часто задаваемые вопросы
Какие параметры процесса оказывают наибольшее влияние на механические свойства контейнеров ISBM?
Экспериментальные исследования неизменно показывают, что температура на станции кондиционирования, скорость и перемещение растягивающего стержня, а также время продувки воздухом являются параметрами, оказывающими наибольшее влияние на уровень двухосной ориентации и, следовательно, на механические свойства. Температура кондиционирования контролирует положение окна продувки (термическое состояние, в котором происходит переход к двухосной ориентации), скорость и перемещение растягивающего стержня определяют степень осевой ориентации, а время продувки воздухом относительно положения растягивающего стержня определяет радиальную ориентацию и равномерность распределения стенок. Параметры литья под давлением влияют на качество заготовки, которое определяет исходное состояние материала на этапе ориентации.
Как исследователи изучают процесс ISBM, не повреждая контейнеры в процессе производства?
В исследованиях процесса ISBM важны неразрушающие методы характеризации. Картирование двулучепреломления использует поляризованный свет, проходящий через стенку контейнера без разрезания. Ультразвуковое измерение толщины стенки позволяет определить распределение толщины стенки без разрезания. Инфракрасная термография позволяет неинвазивно измерять температуру. Для свойств, требующих механических испытаний — прочности на растяжение, верхней нагрузки, ESCR — исследователи обычно создают специальные экспериментальные партии и используют контейнеры в стандартизированных процедурах испытаний. Высокоскоростная фотосъемка на стадии выдувания обеспечивает неразрушающую прямую визуализацию процесса деформации.
Существуют ли стандартные методы испытаний для определения качества контейнеров ISBM?
Да. Для характеристики контейнеров ISBM применяются несколько стандартов ASTM и ISO: ASTM D2659 (сжатие при верхней нагрузке), ASTM D2911 (допуски размеров для крышек), ASTM D1693 и F1473 (ESCR для полиэтилена), ASTM D638 (прочность пластмасс на растяжение), ISO 2554 (пластиковые бутылки) и ASTM D7191 (ультразвуковое измерение стенок полимерной упаковки). В частности, для ПЭТ методология измерения двулучепреломления описана в стандарте ASTM D5265. Фармацевтические контейнеры дополнительно характеризуются в соответствии с монографиями USP и EP.
Наша продукция ISBM Machine
Полный ассортимент одноступенчатых машин для литья под давлением с растяжением и выдувным формованием от Ever-Power — от оборудования для производства косметики до крупногабаритных промышленных контейнеров.
Галерея образцов бутылок
Контейнеры, производимые на станках Ever-Power ISBM, применяются по всему миру.
Что говорят наши клиенты
«Наша команда НИОКР работала с инженерами-технологами компании Ever-Power над разработкой экспериментального исследования параметров кондиционирования полиэтилена высокой плотности (HDPE) для новой спецификации контейнеров. Системный подход, который они использовали — структура планирования эксперимента, протокол измерений и анализ данных — позволил получить подтвержденное технологическое окно за половину запланированного нами времени. Поистине впечатляющие знания в области технологических процессов».
«Мы использовали измерение двулучепреломления для определения ориентации контейнеров, изготовленных на нашей машине Ever-Power, по сравнению с нашей предыдущей гидравлической машиной. Улучшение равномерности ориентации благодаря сервоэлектрическому управлению растягивающим стержнем было четко измеримо — значительно более равномерное распределение ориентации по высоте контейнера. Научное обоснование этой разницы непосредственно видно в наших данных».
«Команда специалистов Ever-Power по технологическим процессам помогла нам понять, почему наши контейнеры из ПЭВП демонстрировали переменные результаты ESCR. Их объяснение зависимости температуры кондиционирования от ориентации — подкрепленное ссылками на опубликованные исследования технологических процессов — дало нашей команде по контролю качества понимание механизма, необходимое для устранения первопричины, а не просто для эмпирической корректировки параметров».
«Рекомендованный компанией EverPower подход Министерства энергетики США к разработке нового технологического процесса для контейнеров позволил сократить многомесячную работу методом проб и ошибок до трех недель структурированных экспериментов. У нас есть проверенный документ с описанием технологического окна для каждого из четырех типов контейнеров, и мы точно знаем, какие параметры необходимо контролировать для каждого из них».
«Наша исследовательская группа по упаковке высоко оценила то, что инженеры Ever-Power говорят на том же техническом языке, что и наша группа исследований и разработок. Двулучепреломление, окно выдувания, коэффициент растяжения — для них это не просто рабочие термины. Созданная ими машина явно отражает глубокое понимание лежащей в основе физики процесса».
«Мы запланировали конечно-элементный анализ геометрии нашего нового контейнера еще до начала работ по изготовлению оснастки, сотрудничая с инженерной командой Ever-Power. Результаты конечно-элементного анализа распределения толщины стенок совпали с измерениями первого образца с точностью до 8% — значительно лучше, чем мы ожидали. Инвестиции в моделирование позволили нам избежать полной переработки пресс-формы».
Примените технологические процессы в производстве ISBM с помощью EverPower.
Обратитесь к команде инженеров-технологов Ever-Power за поддержкой в разработке технологических процессов на основе планирования экспериментов (DoE), проверкой документации по технологическому окну и оптимизацией производительности контейнеров.
