Mówiąc językiem plastiku: Przewodnik po projektowaniu części w formach wtryskowych

We wszechświecie produkcji, projektowanie części jest ciałem niebieskim, wokół którego obracają się orbity funkcjonalności produktu, możliwości produkcyjnych i sukcesu rynkowego. Szczególnie w przypadku formowania wtryskowego, projektowanie części to nie tylko estetyka lub wymiary; chodzi o wyobrażenie sobie podróży komponentu od granulatu tworzywa sztucznego do trwałej, funkcjonalnej części integralnej ze złożonym zespołem.

Projektowanie części do formowania wtryskowego, podobnie jak inne procesy produkcyjne, to delikatna równowaga między właściwościami mechanicznymi, projektem produktu, opłacalnością i wydajnością. Jednak w przeciwieństwie do innych procesów produkcyjnych, formowanie wtryskowe wymaga podejścia projektowego, które uwzględnia zachowanie tworzywa sztucznego, gdy przekształca się ono ze stanu stopionego w stan stały w granicach precyzyjnie zaprojektowanej formy. Projektant musi przewidzieć przepływ tworzywa sztucznego, wpływ szybkości chłodzenia oraz wzajemne oddziaływanie między strukturą części a siłami fizycznymi wywieranymi przez maszynę do formowania.

Znaczenie projektu części w rozwoju produktu jest ogromne. Jest to plan, który dyktuje wykonalność produkcji i wyznacza scenę dla ostatecznej wydajności produktu. W formowaniu wtryskowym projekt części dyktuje projekt formy, co z kolei wpływa na czas cyklu, koszty produkcji i trwałość samej formy.

Dobrze przemyślany projekt części może prowadzić do solidnego produktu o optymalnej funkcjonalności, długowieczności i estetyce. I odwrotnie, zły projekt części może skutkować wyzwaniami produkcyjnymi, zwiększonymi kosztami i potencjalnymi awariami produktu. Jest to środowisko o wysokiej stawce, które podnosi rolę projektanta części ze zwykłego współpracownika do głównego architekta sukcesu produktu.

Niniejszy przewodnik ma na celu pomóc w płynniejszym posługiwaniu się językiem tworzyw sztucznych. U podstaw projektowania części formowanych wtryskowo leży dogłębne zrozumienie zachowania tworzyw sztucznych. Wiedza ta służy jako podstawa, na której budowane są wszystkie elementy projektu. Ale dlaczego zachowanie materiału jest tak ważne w projektowaniu części? Odpowiedź leży w unikalnych właściwościach tworzyw sztucznych, które mogą być zarówno korzystne, jak i trudne dla projektantów.

Tworzywa sztuczne nie są monolitem; ich właściwości są bardzo zróżnicowane. Od wytrzymałości na rozciąganie nylonu po odporność na uderzenia poliwęglanów, wybór materiału wpływa na aspekty projektowania części, a co ważniejsze, na wydajność gotowej części. W porównaniu z metalem, drewnem i innymi materiałami, tworzywa sztuczne mają niski moduł sprężystości i mają tendencję do pełzania. Mają lepkosprężystą naturę, co oznacza, że reagują inaczej na siłę przyłożoną z dużą prędkością niż z niską. Patrząc na charakterystykę naprężenie-odkształcenie tworzyw sztucznych, często pomijaną częścią rozmowy jest pytanie: "Ale przy jakiej prędkości odkształcenia ma to zastosowanie?"

Ciekawostka: Czy wiesz, że mechaniczne termostaty w samochodach wykorzystują substancję, która jest w zasadzie woskiem świecowym, do wykrywania temperatury samochodu oraz otwierania i zamykania zaworów w celu regulacji przepływu płynu chłodzącego? Podobnie jak wosk świecowy, tworzywa sztuczne rozszerzają się i kurczą odpowiednio podczas topnienia i krzepnięcia. Te rozszerzenia i skurcze są głównymi elementami napędzającymi dobry projekt części.

U podstaw DFM leży projektowanie części z uwzględnieniem procesu produkcyjnego. Chodzi o zrozumienie możliwości i ograniczeń procesu formowania wtryskowego i wykorzystanie tej wiedzy od najwcześniejszych etapów koncepcji części. DFM ma na celu zminimalizowanie złożoności produkcji, zmniejszenie strat materiałowych i uniknięcie kosztownych modyfikacji projektu w przyszłości.

Integracja zasad DFM z projektowaniem części rozpoczyna się od uproszczenia. Upraszczając geometrię, zmniejszając liczbę części i optymalizując część pod kątem procesu formowania, projektanci mogą znacznie zmniejszyć ryzyko wad i usprawnić proces produkcji.

Różne grubości ścianek mogą również uniemożliwić odpowiednie wypełnienie formy. Jeśli cieńsze i grubsze obszary są absolutną koniecznością, upewnij się, że przepływ rozpoczyna się w grubym obszarze i wypełnia cienkie obszary jako ostatnie. Upewnij się, że przepływ nie przechodzi z grubych obszarów do cienkich, a następnie ponownie do grubych, ponieważ spowoduje to znaczne spadki ciśnienia, które wpłyną na integralność możliwości formy. Czasami musi się to zdarzyć, jak w przypadku formowania żywych zawiasów, ale należy tego unikać. Przejście z obszaru grubego do cienkiego powinno być tak stopniowe i płynne, jak to tylko możliwe.

Wytrzymałość części formowanych wtryskowo niekoniecznie musi wynikać z ich masy. Strategiczne zastosowanie żeber i klinów może znacznie zwiększyć sztywność części bez uszczerbku dla jednorodności grubości ścianki. Jednak, jak każdy element, muszą one być zaprojektowane z należytą starannością, aby zapobiec zapadaniu się i zapewnić, że nie przyćmią podstawowych zasad projektowania geometrycznego.

Zazwyczaj żebra powinny stanowić około 60% przylegającej ściany, aby uniknąć problemów ze skurczem. Aby być bardziej precyzyjnym, zaleca się jednak stosowanie grubości ścianki 0,5 dla wysoko amorficznych i 0,75 dla półkrystalicznych.

Umieść kliny w strategicznych miejscach, aby wesprzeć obszary nośne i zwiększyć ogólną sztywność części bez wpływu na przepływ materiału.

Podczas projektowania otworów, otwory przelotowe są preferowane w stosunku do otworów dennych, ale mają również pewne wady.

Otwory przelotowe mają więcej opcji do wykonania w oprzyrządowaniu i charakteryzują się większą stabilnością wymiarową, ponieważ oprzyrządowanie może stykać się z obu stron otworu. Jednakże, gdy front przepływu wypraski porusza się wokół otworu dennego, musi podzielić się na dwa fronty, gdy porusza się wokół otworu. Dwa fronty spotykają się ponownie po drugiej stronie otworu. Miejsce, w którym spotykają się fronty, jest znane jako linia spoiny i tworzy lokalny obszar słabości. Należy o tym pamiętać za każdym razem, gdy element dzieli front przepływu na dwie części. Otwór w dnie nie spowoduje takiego zjawiska.

Powszechną cechą w formowaniu jest tzw. pasowanie zatrzaskowe. Pozwalają one na małe "ramiona" z tworzywa sztucznego, które zatrzaskują się na innych elementach, aby utrzymać części razem. Jak je zaprojektować? Kilka ważnych punktów:

- Pasowanie zatrzaskowe powinno być tak dobrane, aby w żadnym punkcie nie przekraczało 70% granicy plastyczności materiału

- Ramię pasowania zatrzaskowego nie powinno być w stanie naprężenia po zatrzaśnięciu

- Często zdarza się, że wymiary przekroju poprzecznego ramion pasowania zatrzaskowego zmniejszają się wzdłuż ich długości - oszczędza to materiał i zapewnia bardziej idealny profil naprężenia dla ramienia.

Jeśli wartość naprężenia wynosi 70% lub mniej granicy plastyczności, powinno być dobrze.

Dla uproszczenia nie zostało to pokazane w szkicu. Można zauważyć, że druga część oprzyrządowania będzie musiała uformować górę i boki elementu zatrzaskowego i zetknąć się z przejściem przez odcięcie, które tworzy zwis na elemencie zatrzaskowym. W obszarach, w których oba narzędzia stykają się, wyższe wartości ciągu pozwolą zachować trwałość narzędzia. Tam, gdzie narzędzia stykają się z innymi narzędziami, należy dążyć do zanurzenia 5° lub większego.

Postęp technologiczny w oprogramowaniu symulacyjnym umożliwił projektantom przewidywanie wyników dokładniej niż wcześniej. Technologia symulacji form ma jednak swoje ograniczenia. Zasadniczo symulacja jest dokładna w pokazywaniu, gdzie wystąpią zniekształcenia, takie jak wypaczenie, zapadanie się lub kurczenie, ale wielkość takich zniekształceń może znacznie różnić się od przewidywań symulacji. Do tej pory nie ma zamiennika dla zrozumienia i przestrzegania dobrych zasad projektowania form wtryskowych.

Formowanie wtryskowe to wysoce wydajny proces masowej produkcji części i komponentów z tworzyw sztucznych. Jedną z jego głównych zalet jest możliwość produkcji dużych ilości części o wysokim stopniu spójności i powtarzalności. Ta jednorodność ma kluczowe znaczenie w branżach, w których precyzja jest najważniejsza, takich jak motoryzacja i produkcja urządzeń medycznych.

Kolejną istotną zaletą jest możliwość projektowania i produkcji złożonych geometrii, które byłyby trudne lub niemożliwe do osiągnięcia przy użyciu innych metod produkcji. Formowanie wtryskowe pozwala na skomplikowane projekty z precyzyjnymi detalami, podcięciami i wąskimi tolerancjami, otwierając szeroki wachlarz możliwości projektowych.

Dodatkowo, formowanie wtryskowe jest opłacalne na dużą skalę. Chociaż początkowy koszt projektowania i tworzenia form może być wysoki, koszt produkcji jednej części jest znacznie zmniejszony w przypadku dużych serii ze względu na szybkość procesu produkcyjnego. Sprawia to, że formowanie wtryskowe jest doskonałym wyborem do produkcji długoterminowej, w której początkowa inwestycja może zostać zamortyzowana przez dużą liczbę części.

Wybór materiału to kolejna zaleta. Szeroka gama tworzyw sztucznych i polimerów może być stosowana w formowaniu wtryskowym, umożliwiając dostosowanie właściwości materiału do konkretnych potrzeb aplikacji, takich jak elastyczność, wytrzymałość lub odporność na ciepło lub chemikalia.

Pomimo wielu zalet, formowanie wtryskowe ma również wady. Początkowa inwestycja w oprzyrządowanie jest znaczna i może być zaporowa dla małych firm lub produktów o niskiej wielkości produkcji. Ten początkowy koszt sprawia również, że jest to mniej idealne rozwiązanie do prototypowania w porównaniu z procesami wytwarzania przyrostowego, takimi jak drukowanie 3D .

Potrzeba produkcji na dużą skalę w celu uzasadnienia kosztów początkowych oznacza, że formowanie wtryskowe jest mniej elastyczne, jeśli chodzi o szybkie zwiększanie lub zmniejszanie produkcji. Zmiany projektowe mogą być kosztowne i czasochłonne, ponieważ często wymagają modyfikacji formy, co może być znaczącym utrudnieniem w szybkich cyklach rozwoju produktów na dzisiejszym rynku.

W grę wchodzą również kwestie środowiskowe. Chociaż tworzywa sztuczne są wszechstronne, pochodzą z nieodnawialnych zasobów, a produkty końcowe mogą być trudne do recyklingu. Doprowadziło to do nacisku na bardziej zrównoważone praktyki w branży.

Równoważenie zalet i wad formowania wtryskowego ma kluczowe znaczenie. Pozostaje ono dominującą metodą produkcji w wielu branżach ze względu na swoją wydajność i skalowalność. Firmy muszą jednak dokładnie rozważyć wpływ na środowisko, koszty początkowe i wymagania projektowe, zanim zdecydują się na ten proces.

Podsumowując, sukces części formowanych wtryskowo leży w filozofii projektowania, która łączy funkcjonalność z estetycznym wyglądem, kierując się zasadami projektowania pod kątem możliwości produkcyjnych (DFM). Jednolita grubość ścianek, odpowiedni dobór materiałów, przemyślane wykończenie powierzchni i symbiotyczny związek między częścią a konstrukcją formy to podstawowe elementy, które przyczyniają się do integralności części, opłacalności i rentowności rynkowej. Poruszając się po tych założeniach projektowych z precyzją i kreatywnością, producenci mogą zapewnić, że każda część nie tylko spełnia rygorystyczne wymagania produkcyjne, ale także spełnia oczekiwania użytkowników końcowych, ucieleśniając mieszankę innowacji, jakości i praktyczności, która stanowi serce branży formowania wtryskowego.