Підбір конструкційних матеріалів для лиття під тиском - Практичний посібник 2025

Вступ до підбору матеріалів

Підбір пластмас є одним з найважливіших етапів проектування процесу лиття під тиском. Правильний вибір матеріалу визначає не тільки кінцеві властивості виробу, але й технологічні параметри, витрати на виробництво та довговічність готового продукту. У сучасній промисловості переробки пластмас доступні десятки різних груп матеріалів, і кожна з них пропонує унікальні комбінації механічних, термічних і хімічних властивостей.

У цьому посібнику ми надамо комплексну інформацію про матеріали для лиття під тиском, їх класифікацію, параметри переробки та критерії вибору. Незалежно від того, чи виробляєте ви споживчі пакування, автомобільні компоненти чи прецизійні медичні деталі, ця стаття надасть необхідних знань для прийняття оптимального рішення щодо матеріалу.

Що таке підбір конструкційних матеріалів?

Підбір конструкційних матеріалів — це систематичний процес аналізу вимог застосування та підбору відповідної пластмаси, яка задовольнить усі функціональні, економічні та технологічні критерії. Цей процес вимагає розуміння як властивостей самого матеріалу, так і специфіки процесу лиття під тиском та умов експлуатації готового виробу.

Правильний підбір пластмас враховує низку факторів: механічні навантаження, діапазон робочих температур, контакт із хімічними речовинами, естетичні вимоги, галузеві стандарти та економічні аспекти. Сучасні інженерні пластмаси пропонують широкий спектр можливостей — від дешевих масових матеріалів до високоспеціалізованих полімерів із винятковими властивостями.

Види пластмас для лиття під тиском

Ринок матеріалів для лиття під тиском пропонує десятки різних термопластичних полімерів. У промисловій практиці найчастіше застосовують 10-12 основних сімей пластмас, які можна поділити на три категорії: стандартні, інженерні та високоефективні. Кожна категорія характеризується різним рівнем механічних, термічних властивостей та ціною.

Стандартні пластмаси (PP, PE, PS)

Стандартні пластмаси становлять близько 70% глобального споживання термопластів у процесі лиття під тиском. Вони характеризуються доброю перероблюваністю, низькою ціною та широким спектром застосувань.

Поліпропілен (PP)

• Температура переробки - 200-280°C, низька температура прес-форми 20-80°C
• Механічні властивості - добра міцність на вигин, стійкість до втоми
• Хімічна стійкість - кислоти, луги, органічні розчинники
• Застосування - харчові пакування, автомобільні деталі, меблі
• Орієнтовна ціна - 1,2-1,8 EUR/kg

Поліетилен (PE-HD, PE-LD)

• Температура переробки - 180-280°C, дуже добра текучість
• Механічні властивості - еластичність, ударостійкість при низьких температурах
• Хімічна стійкість - відмінна стійкість до більшості хімікатів
• Застосування - контейнери, труби, плівки, резервуари
• Орієнтовна ціна - 1,0-1,6 EUR/kg

Полістирен (PS, HIPS)

• Температура переробки - 180-260°C, легка переробка
• Механічні властивості - жорсткість, прозорість (PS), ударостійкість (HIPS)
• Застосування - одноразові пакування, корпуси електроніки, іграшки
• Орієнтовна ціна - 1,3-1,9 EUR/kg

Інженерні пластмаси (ABS, PC, PA, POM)

Інженерні пластмаси пропонують значно кращі механічні та термічні властивості, ніж стандартні матеріали. Їх застосовують у застосуваннях, що вимагають високої міцності, розмірової стабільності та стійкості до підвищених температур.

Акрилонітрил-бутадієн-стирол (ABS)

• Температура переробки - 220-270°C, температура прес-форми 50-80°C
• Механічні властивості - відмінна ударостійкість, жорсткість, добра якість поверхні
• Температура експлуатації - до 85°C при постійному навантаженні
• Застосування - корпуси пристроїв, панелі приладів, кубики LEGO
• Орієнтовна ціна - 2,0-3,0 EUR/kg

Полікарбонат (PC)

• Температура переробки - 280-320°C, вимагає сушіння <0,02% вологості
• Механічні властивості - найвища ударостійкість, оптична прозорість
• Температура експлуатації - до 135°C при постійному навантаженні
• Застосування - лінзи, захисні кожухи, медичні деталі
• Орієнтовна ціна - 3,5-5,0 EUR/kg

Поліамід (PA6, PA66)

• Температура переробки - PA6: 230-280°C, PA66: 260-300°C
• Механічні властивості - відмінна міцність, стійкість до зносу
• Вимоги до сушіння - критичні <0,1% вологості, гігроскопічність
• Застосування - зубчасті колеса, підшипники, конструкційні деталі automotive
• Орієнтовна ціна - 2,8-4,5 EUR/kg

Поліоксиметилен (POM, ацеталь)

• Температура переробки - 190-230°C, вузьке вікно переробки
• Механічні властивості - висока жорсткість, низьке тертя, розмірова стабільність
• Застосування - прецизійні деталі, годинникові механізми, замки
• Орієнтовна ціна - 2,5-3,8 EUR/kg

Термопластичні еластомери (TPE, TPU)

• Температура переробки - 180-230°C, залежно від твердості
• Механічні властивості - гумова еластичність, багаторазова переробка
• Застосування - ручки, ущільнення, елементи soft-touch
• Орієнтовна ціна - 3,0-8,0 EUR/kg

Високоефективні пластмаси (PEEK, PPS)

Високоефективні пластмаси — це елітна група полімерів із винятковими термічними та механічними властивостями. Їх застосовують у найвимогливіших промислових застосуваннях, де стандартні матеріали не відповідають вимогам.

Поліефіретерекетон (PEEK)

• Температура переробки - 360-400°C, вимагає спеціального обладнання
• Температура експлуатації - до 250°C при постійному навантаженні
• Механічні властивості - найвища міцність у своєму класі
• Хімічна стійкість - практично універсальна
• Застосування - авіація, медицина, нафтова промисловість
• Орієнтовна ціна - 80-120 EUR/kg

Поліфенілени сульфід (PPS)

• Температура обробки - 310-350°C
• Температура експлуатації - до 200°C при тривалому навантаженні
• Механічні властивості - жорсткість, розмірна стабільність
• Хімічна стійкість - кислоти, луги, розчинники
• Застосування - елементи під капотом, електричні компоненти
• Орієнтовна ціна - 12-25 EUR/kg

Ключові параметри обробки

Правильні параметри обробки необхідні для отримання виливків високої якості. Кожен матеріал вимагає специфічного набору налаштувань термопластавтомата.

1. Температура циліндра (°C)

Температура пластикуючого циліндра повинна відповідати реологічним характеристикам пластмаси. Занадто низька температура спричиняє неповне розплавлення та підвищені внутрішні напруження. Занадто висока призводить до термічної деградації матеріалу.

Типові діапазони температур:

• PP: 200-280°C
• ABS: 220-270°C
• PC: 280-320°C
• PA: 230-300°C
• PEEK: 360-400°C

2. Температура прес-форми (°C)

Температура прес-форми впливає на якість поверхні, розмірну стабільність та час циклу. Амorfні матеріали (PC, ABS) потребують вищих температур прес-форми 60-120°C для кращої якості поверхні. Частково кристалічні матеріали (PP, PA, POM) вимагають контрольованого охолодження для оптимальної кристалічності.

3. Тиск впорскування (MPa)

Тиск впорскування повинен бути достатнім для заповнення гнізда прес-форми. Вищий тиск потрібен для тонкостінних виробів та довгих шляхів течії.

Типові значення тиску:

• PE: 70-120 MPa
• PP: 80-130 MPa
• ABS: 100-150 MPa
• PC: 120-180 MPa
• PA: 100-160 MPa

4. Швидкість впорскування (mm/s)

Швидкість впорскування впливає на заповнення прес-форми та молекулярну орієнтацію. Матеріали чутливі до зсуву (PC, POM) потребують помірних швидкостей. Матеріали з низькою в’язкістю (PP, PE) витримують високі швидкості. Типово: 20-200 mm/s залежно від геометрії та матеріалу.

5. Тиск витримки (MPa)

Тиск витримки компенсує усадку матеріалу під час кристалізації. Він повинен становити 40-80% тиску впорскування.

Матеріали з високою усадкою:

• PP: 1,5-2%
• PA: 0,8-1,5%

Матеріали з низькою усадкою:

• PC: 0,5-0,7%
• ABS: 0,4-0,7%

6. Час охолодження (s)

Час охолодження становить 50-70% загального часу циклу. Залежить від товщини стінки, температури прес-форми та термічних властивостей матеріалу. Орієнтовна формула: час охолодження = (товщина стінки)² × матеріальний коефіцієнт.

Матеріальні коефіцієнти:

• PP: 2,5
• PC: 3,5
• PA: 3,0

7. Вимоги до сушіння

Гігроскопічні матеріали (PA, PC, PET, PBT) потребують сушіння перед обробкою. Неправильне сушіння спричиняє гідролітичні дефекти та погіршення механічних властивостей.

Типові параметри сушіння:

• PA: 80°C протягом 4-6h до <0,1% вологості
• PC: 120°C протягом 3-4h до <0,02% вологості
• PET: 160°C протягом 4-6h до <0,005% вологості

Критерії вибору матеріалу

Вибір відповідного пластику для лиття під тиском вимагає систематичного аналізу багатьох технічних та економічних факторів.

1. Механічні властивості

• Міцність на розтяг - PP: 25-40 MPa, ABS: 40-55 MPa, PA: 70-85 MPa, PEEK: 90-100 MPa
• Модуль пружності - жорсткість матеріалу, від 1000 MPa (PP) до 4000 MPa (PEEK)
• Ударна в’язкість - стійкість до ударів, критична для PC та ABS
• Стійкість до втоми - важлива для динамічно навантажених елементів

2. Термічні властивості

• HDT (температура прогину під навантаженням) - максимальна робоча температура
• Коефіцієнт теплового розширення - розмірна стабільність при змінних температурах
• Теплопровідність - відведення тепла з елемента
• Горючість - класифікація UL94, вимоги V-0 для електроніки

3. Хімічна стійкість

• Робоче середовище - контакт з оливами, паливом, розчинниками
• PP та PE - відмінна стійкість до більшості хімікатів
• PA - чутливий до сильних кислот та окисників
• PC - чутливий до ароматичних розчинників та лугів
• PEEK та PPS - практично універсальна хімічна стійкість

4. Галузеві вимоги та сертифікати

• Контакт з харчовими продуктами - FDA, EU 10/2011, сертифікати міграції
• Медичні застосування - USP Class VI, ISO 10993, біосумісність
• Автомобільна промисловість - PPAP, IATF 16949, VDA
• Електроніка - UL94, RoHS, REACH

5. Економічні аспекти

• Ціна сировини - від 1 EUR/kg (PE) до 120 EUR/kg (PEEK)
• Продуктивність обробки - час циклу, енергоспоживання
• Витрати на інструмент - абразивні матеріали вимагають прес-форм із загартованої сталі
• TCO (Total Cost of Ownership) - загальна вартість володіння протягом життєвого циклу продукту

Застосування в промисловості

Матеріали для лиття під тиском застосовуються практично в усіх галузях промисловості. Вибір пластмаси тісно пов’язаний із специфікою галузі та вимогами кінцевого продукту.

Автомобільна промисловість

Автомобільна промисловість — найбільший споживач інженерних пластмас.

Використовувані матеріали:

• PP з тальком - бампери, елементи інтер'єру
• PA-GF - елементи під капотом до 150°C
• ABS/PC - приладові панелі
• POM - елементи механізмів
• PBT-GF - електричні роз'єми

Вимоги:

• Стійкість до температур -40 до +120°C
• Стійкість до UV
• Відповідність нормам IATF 16949

Медична промисловість

Медичний сектор вимагає матеріалів найвищої чистоти та біосумісності.

Використовувані пластмаси:

• PC - корпуси медичного обладнання
• PP медичного класу - шприци, упаковки
• PEEK - імплантати, хірургічні інструменти
• TPE - ущільнення, м'які елементи

Вимоги:

• Сертифікати FDA
• USP Class VI
• ISO 10993
• Можливість стерилізації

Електроніка та побутова техніка

Електронна галузь використовує переважно:

Використовувані матеріали:

• ABS - корпуси, декоративні елементи
• PC - прозорі елементи, лінзи LED
• PA-GF - конструктивні елементи
• PBT - роз'єми, гнізда

Вимоги:

• Горючість V-0 за UL94
• Відповідність RoHS та REACH
• ESD (антистатичні або провідні матеріали)

Упаковка

Сектор упаковки становить понад 40% світового споживання пластмас.

Використовувані матеріали:

• PP - харчові упаковки, кришки
• PE-HD - контейнери, пляшки
• PET - преформи, прозорі упаковки
• PS - одноразові упаковки

Вимоги:

• Сертифікати контакту з харчовими продуктами
• Бар'єрні властивості
• Перероблюваність

Авіаційна та оборонна промисловість

Найвимогливіші застосування використовують високо продуктивні пластмаси:

Використовувані матеріали:

• PEEK - конструктивні елементи, ущільнення
• PPS - компоненти двигунів
• PI - високотемпературні ізолятори

Вимоги:

• Стійкість до температур до 250°C
• Низький коефіцієнт тертя
• Стійкість до випромінювання

Сумісність із машинами Tederic

Термопластавтомати Tederic розроблені для обробки широкого спектра термопластів. Сучасні системи керування та прецизійні пластикуючі вузли забезпечують оптимальні умови для кожного типу матеріалу.

Конфігурація пластифікаційного циліндра

• Стандартний шнек (L/D 22:1) - PP, PE, PS, ABS - універсальне застосування
• Бар'єрний шнек (L/D 24:1) - інженерні матеріали PA, PC, POM
• Шнек з мікшером - пластмаси, армовані скловолокном
• Наконечники шнеків - спеціальні наконечники для матеріалів, чутливих до зсуву

Система терморегуляції Tederic

• Нагрівальні зони - 5-7 s зон з індивідуальним контролем ±1°C
• Температурний профіль - можливість налаштування градієнта для кожного матеріалу
• Моніторинг у реальному часі - датчики температури розплаву на виході сопла
• Процесні аларми - автоматичне виявлення відхилень від заданих параметрів

Точність впорскування для вимогливих матеріалів

• Електричні термопластавтомати Tederic NEO - ідеальні для PC, PA, POM, що вимагають точності ±0,1%
• Контроль тиску витримки - багатоступеневі профілі для мінімізації напружень
• Швидкість впорскування - програмовані профілі до 500 mm/с
• Декомпресія - регульована для матеріалів з різною в’язкістю

Зберігання та підготовка матеріалів

Правильне зберігання та підготовка пластмас має ключове значення для якості кінцевого продукту та ефективності процесу лиття під тиском.

Умови зберігання гранулату:

• Температура - 15-25°C, уникати коливань температур
• Відносна вологість - <50% для гігроскопічних матеріалів
• Захист від UV - зберігання в оригінальному пакуванні або непрозорих контейнерах
• Чистота - уникати забруднень, пилу, контакту з хімікатами
• Ротація запасів - принцип FIFO (First In, First Out)

Процедура сушки матеріалів:

• PA (поліамід) - 80°C протягом 4-6 годин, цільова вологість <0,1%
• PC (полікарбонат) - 120°C протягом 3-4 годин, цільова вологість <0,02%
• PET (поліефір) - 160°C протягом 4-6 годин, цільова вологість <0,005%
• PBT - 120°C протягом 4 годин, цільова вологість <0,04%
• ABS - 80°C протягом 2-4 годин (опційно, рекомендовано)

Типи сушарок:

• Конвекційні сушарки - базові, для негігроскопічних матеріалів
• Сушарки з осушувачем (desiccant dryers) - обов’язкові для PA, PC, PET
• Вакуумні сушарки - найефективніші, коротший час сушки
• Центральні системи - для великих виробництв, автоматичний розподіл

Контроль якості сировини:

• Вимірювання вологості - гігрометри, аналізатори вологості (метод вагово-сушильний)
• Контроль MFI - індекс текучості розплаву (Melt Flow Index)
• Візуальний аналіз - колір, забруднення, грудки
• Документація - сертифікати матеріалів, номери партій, терміни придатності

Підсумок

Підбір пластмас є фундаментальним етапом проектування процесу лиття під тиском, від якого залежить успіх усього виробничого проєкту. Правильний вибір матеріалу впливає на властивості кінцевого продукту, ефективність процесу, витрати на виробництво та задоволеність кінцевого клієнта.

Ключові висновки з посібника:

• Класифікація матеріалів - стандартні пластмаси (PP, PE, PS), інженерні (ABS, PC, PA, POM) та високо-ефективні (PEEK, PPS) відрізняються властивостями та ціною навіть у 100 разів
• Параметри переробки - температура циліндра від 180°C (PE) до 400°C (PEEK) вимагає точного контролю для кожного матеріалу
• Вимоги до сушки - гігроскопічні матеріали (PA, PC, PET) вимагають обов’язкової сушки до вологості <0,1% перед переробкою
• Критерії вибору - механічні, термічні, хімічні властивості, галузеві сертифікати та економічні аспекти мають аналізуватися комплексно
• Сумісність з машинами - сучасні термопластавтомати Tederic пропонують повну налаштовуваність для всіх типів термопластів
• Зберігання матеріалів - умови складування та процедури підготовки безпосередньо впливають на кінцеву якість
• Спеціалізовані галузі - автомобілебудування, медицина та авіація вимагають сертифікованих матеріалів і суворого контролю якості

Правильний підбір матеріалу — це інвестиція в якість, ефективність і конкурентоспроможність. Систематичний аналіз вимог застосування та глибоке розуміння властивостей доступних пластмас дозволяє уникнути дорогих помилок і максимізувати цінність кінцевого продукту.

Якщо вам потрібна допомога у підборі матеріалів або ви шукаєте термопластавтомат, адаптований до специфічних вимог переробки, зверніться до експертів TEDESolutions. Як авторизований партнер Tederic, ми пропонуємо комплексне технічне консультування, підбір оптимальної конфігурації машини та навчання з переробки різних типів пластмас.

Дивіться також наші статті про термопластавтомати, оптимізацію виробничого циклу та виявлення дефектів лиття під тиском.