Formowanie wtryskowe jest jednym z najczęściej stosowanych obecnie procesów produkcyjnych. Umożliwia masową produkcję części z tworzyw sztucznych o wąskich tolerancjach, złożonej geometrii i szczegółowych cechach.
W miarę jak konsumenci i producenci stają się coraz bardziej świadomi ekologicznie, rośnie zainteresowanie wykorzystaniem zrównoważonych biotworzyw, takich jak kwas polimlekowy (PLA) do formowania wtryskowego.
Tak więc w tym kompleksowym przewodniku, jako profesjonalista Producent form wtryskowych z tworzyw sztucznych, I’ll walk you through everything you need to know about PLA injection molding.
By the end, you’ll understand:
- Co to jest PLA?
- Właściwości materiału PLA
- Proces formowania wtryskowego PLA
- Plusy i minusy korzystania z PLA
- Typowe wady części PLA
- Jak zoptymalizować proces
Let’s get into it!
Czym jest materiał PLA?
PLA to skrót od kwasu polimlekowego lub polilaktydu. Jest to biodegradowalny termoplast pochodzący z zasobów odnawialnych, takich jak skrobia kukurydziana, korzenie tapioki, trzcina cukrowa itp.
Monomery kwasu mlekowego produkowane z tych roślin są łączone ze sobą w reakcji kondensacji, tworząc długołańcuchowe polimery PLA. Firmy biotechnologiczne, takie jak NatureWorks, produkują różne gatunki PLA do użytku w różnych branżach.
W przeciwieństwie do konwencjonalnych tworzyw sztucznych, PLA jest kompostowalny w warunkach przemysłowych. Rozkłada się na dwutlenek węgla i wodę w ciągu 90-180 dni. Sprawia to, że jest to popularny wybór w przypadku jednorazowych opakowań na żywność i jednorazowych produktów konsumenckich.
Wczesne generacje PLA miały problemy z kruchością, odpornością na ciepło i przetwarzalnością. Jednak w ciągu ostatniej dekady sytuacja uległa ogromnej poprawie. Nowoczesne gatunki PLA mogą teraz dorównać PET, PS i PP pod względem właściwości, a jednocześnie są zrównoważone.
Właściwości materiału PLA
Let’s look at some of the important material properties of PLA that matter for injection molding-
1. Niska temperatura topnienia – PLA melts between 130 °C and 180 °C, which is lower than traditional polymers like PS (240 °C) and ABS (220 °C). This allows easy flow in thin sections and the ability to combine PLA with heat sensitive additives.
2. Szybka krystalizacja – PLA can develop crystallinity quite fast compared to PET (30×) and PP (3×). Faster crystallization means reduced cycle times and higher production rates.
3. Niska przepuszczalność gazu – PLA allows much less oxygen and CO2 transmission compared to other bioplastics. This results in excellent shelf life for PLA bottles and blister packaging.
4. Dobra przejrzystość optyczna – Amorphous PLA can achieve clarity close to PS and PET. This is useful for see-through medical devices and electronics housings. Clarity reduces once PLA parts become semi-crystalline.
5. Wysoka wytrzymałość i sztywność – PLA products feel stiffer and tougher than PP and PET containers. The flexural modulus can range from 2.7 GPa to 7 GPa depending on the grade. Heat-resistance goes up to ~100 ̊C.
6. Słaba wytrzymałość na uderzenia – Neat PLA has low-impact strength due to brittle failure. So impact modifiers are usually added for durable applications. The izod impact strength varies from 0.5 kJ/m2 (rigid sheet) up to 30 kJ/m2 (toughened film).
Jak działa formowanie wtryskowe PLA?
Now that you know about PLA’s properties, let’s understand how to injection mold parts from it. The basic process consists for four major steps:
1. Suszenie
PLA resin is highly hygroscopic – meaning it quickly absorbs ambient moisture. Too much moisture leads to hydrolysis and molecular weight loss during melt processing.
PLA musi więc być odpowiednio suszone do wilgotności poniżej 250 ppm before use. Industrial dehumidifying dryers with dew points of -40°C are necessary for this.
Zalecenia zależą od typu PLA, ale drying overnight at 80 ̊C is usually sufficient. Wysuszona żywica musi być przechowywana w szczelnych pojemnikach przed załadowaniem do maszyny formującej.
2. Uplastycznianie
This is where the PLA pellets are gravity fed from a top mounted hopper into the injection molding machine’s heated barrel.
Wewnątrz cylindra ślimak posuwisto-zwrotny poddaje granulki mechanicznemu ścinaniu i przewodzeniu ciepła. Powoduje to uplastycznienie granulek do postaci jednorodnego stopionego polimeru o jednolitej temperaturze i lepkości.
Temperatura plastyfikacji dla standardowego PLA mieści się pomiędzy 180°C to 230°C. For toughened PLA compounds, it may go up to 260°C. Excessive temperatures promote material degradation which must be avoided.
3. Wtrysk
Po wystarczającym stopieniu i uplastycznieniu w pobliżu przedniej części ślimaka, żądany rozmiar wtrysku jest wycofywany i utrzymywany w stanie gotowym do wtrysku.
Następnie ślimak porusza się szybko do przodu, wtryskując stopiony polimer do narzędzia formy o kontrolowanej temperaturze pod wysokim ciśnieniem.
Formowanie wtryskowe czystego PLA wymaga ciśnień w zakresie od 55 MPa do 110 MPa. A prędkości wtrysku około 150 mm/s do 300 mm/s prawidłowo wypełnić wnęki formy.
Wyższe masy cząsteczkowe i PLA wypełnione dodatkami mogą wymagać bardziej zoptymalizowanych warunków przetwarzania w celu uzyskania części wolnych od wad.
4. Chłodzenie i wyrzut
Po całkowitym wypełnieniu formy utrzymywane jest ciśnienie pakowania, aby skompensować kurczenie się materiału podczas krzepnięcia i stygnięcia części.
This is where PLA’s crystallization kinetics makes a big difference. Optimized cooling combined with the right mold temperature, allows the molded PLA part to be ejected faster while maintaining dimensional stability.
Amorphous parts require the mold surface to be below 60°C. For semi-crystalline high heat resistance parts, mold temperatures around 90-120°C działa bardzo dobrze.
Obwody wody chłodzącej precyzyjnie regulują te temperatury w całym narzędziu. Szybszy transfer ciepła minimalizuje również czas cyklu formowania wtryskowego PLA.
Korzyści z używania PLA do formowania wtryskowego
Now that you understand how PLA injection molding works, let’s discuss a few of benefits that make it an attractive alternative-
1. Zrównoważony rozwój środowiska – Made from annually renewable resources like corn and sugarcane, PLA has 90% lower carbon emissions compared to traditional plastics. It also reduces reliance on fossil fuels for producing raw plastic materials.
2. Ulepszony wizerunek firmy – Offering eco-friendly bioplastic products caters to the environmentally conscious buyers of today. This allows brands to boost their green credentials and corporate social responsibility.
3. Lekka konstrukcja – With specific gravities between 1.21 to 1.25, PLA is 10% lighter than PS and almost 20% lighter than ABS. This aids fuel savings in transportation applications.
4. Łatwiejsze przetwarzanie – Low melt viscosity provides better flow for intricate mold designs. Reduced processing temperatures save energy costs as well. The fast crystallization also enables shorter cycle times.
5. Niższe ryzyko związane z bezpieczeństwem – Negligible emissions and non-toxicity allows PLA products to be safely used for medical, pharmaceutical and food packaging purposes.
Wyzwania związane z formowaniem wtryskowym PLA
Pomimo wielu zalet, praca z PLA wiąże się z pewnymi wyjątkowymi wyzwaniami podczas formowania wtryskowego.
Wrażliwość na wilgoć – PLA’s tendency to rapidly absorb ambient humidity makes drying a prerequisite before processing. Any residual moisture leads to hydrolysis, reduced molecular weights and mechanical performance.
Wąskie okno przetwarzania – The small gap between PLA’s melting and degradation temperatures provides a narrow processing window. This demands precise temperature control to balance productivity and part quality.
Szybsza krystalizacja – While fast crystallization improves cycle times, sudden cooling and temperature variations on the mold walls leads to uneven shrinkage, warpage and structural stresses. Intelligent temperature regulation is required.
Niższa odporność na ciepło – In its amorphous state, PLA cannot be used beyond temperatures of 60 ̊C. Special nucleating agents and crystalline morphology is necessary to achieve higher heat resistance.
Ograniczona wytrzymałość na uderzenia – Neat PLA has very poor impact strength due to brittle failure mechanisms. This necessities the use of special impact modifiers or plasticizers for durable applications involving high loads.
Podatność na hydrolizę – Moist operating environments slowly hydrolyze PLA over months or years, needing replacement or disposal before mechanical failure. Use of stabilizers can somewhat prevent this issue.
Wytrzymałość linii spawania – The weld lines created between converging melt fronts lead to much lower mechanical strength compared to ABS i PC. Aby przezwyciężyć ten problem, wymagane jest odpowiednie uszczelnienie/wentylacja formy i dodatki wzmacniające.
Jak zoptymalizować formowanie wtryskowe PLA?
With a good understanding of PLA’s injection molding behavior, let’s now see how to optimize the process-
1. Nadanie priorytetu właściwemu suszeniu przed obróbką stopu do zapobiegają degradacji opartej na hydrolizie bioplastiku. Aby uzyskać stabilne wyniki, poziom wilgotności musi być utrzymywany poniżej 250 ppm.
2. Wykorzystanie systemów gorących kanałów z zewnętrznie ogrzewanymi strefami kolektora do transportu stopionego PLA o niskim ścinaniu. Zapobiega to również ślinieniu się i nitkowaniu materiału.
3. Prawidłowe zrównoważenie prędkości napełniania i ciśnienia pakowania. based on part thickness and geometry. PLA’s narrow temperature window necessitates very good process control.
4. Starannie regulować temperaturę powierzchni formy w zależności od wymaganego poziomu krystaliczności i docelowego czasu cyklu. Równomierne chłodzenie jest równie istotne dla zachowania stabilności wymiarowej.
5. Rozważ zastosowanie związków PLA zamiast żywicy bazowej w celu zwiększenia płynności, wytrzymałości, odporności na ciepło i estetyki w zależności od wymagań aplikacji.
6. Dodanie powłok odpornych na zużycie i antykorozyjnych to improve tool surface durability given PLA’s acidic nature after decomposition. Hardened cavities/cores also help.
7. Konserwacja zapobiegawcza i planowe czyszczenie do usuwania pozostałości PLA z cylindrów wtryskowych, gorących kanałów i powierzchni narzędzi w oparciu o wyprodukowane partie.
Wnioski
Wraz z rosnącym zainteresowaniem zrównoważonymi technologiami, PLA zapowiada się na przełom w formowaniu wtryskowym w różnych branżach w przyszłości.
I hope this guide gave you deep insights into PLA’s behavior along with actionable best practices to injection mold parts out of it.
Optimizing the processing parameters and overcoming PLA’s sensitivity to moisture and temperature changes needs some effort. But the environmental and commercial benefits make it totally worthwhile.
Daj mi znać w komentarzach, jeśli masz inne pytania!
Polish 
English 
German 
Spanish 
French 
Italian