Jakie są wymagania dotyczące projektowania grubości ścianek form wtryskowych?

Grubość ścianki wypraski określa jednocześnie:

Zachowanie przy wypełnianiu: Cienkie ścianki mają większy opór przepływu. Materiał musi przedostać się przez cienkie sekcje, zanim zamarznie, co ogranicza odległość od bramy cienka ściana może wystawać, zanim się wypełni.

Czas chłodzenia: Czas chłodzenia skaluje się z kwadratem grubości ścianki. Podwojenie grubości ścianki i czas chłodzenia wydłuża się około czterokrotnie, co bezpośrednio wpływa na czas cyklu i ekonomikę produkcji.

Skurcz i wypaczenie: Plastik kurczy się podczas ochładzania. Grubsze sekcje stygną wolniej i kurczą się bardziej niż cieńsze sekcje. Tam, gdzie grube i cienkie sekcje stykają się ze sobą, różnicowy skurcz powoduje powstawanie naprężeń wewnętrznych -, które objawiają się wypaczeniami, zapadnięciami lub obydwoma.

Wydajność konstrukcyjna: w przypadku elementów nośnych- minimalna grubość ściany jest ustalana na podstawie wymagań konstrukcyjnych. W przypadku funkcji czysto kosmetycznych jest ona ustalana poprzez ograniczenia wypełnienia i chłodzenia.

Badanie z 2020 r. opublikowane wInżynieria i nauka polimerówodkryli, że zmienność grubości ścianki -, w szczególności stosunek maksymalnej do minimalnej grubości ścianki w pojedynczej części - była najsilniejszym pojedynczym czynnikiem predykcyjnym wielkości wypaczenia w próbce 85 geometrii produktów konsumenckich formowanych wtryskowo. Części o stosunku grubości ścianek poniżej 1,5:1 wykazywały średnie wypaczenie wynoszące 0,12 mm; części o przełożeniach powyżej 3:1 wykazywały średnie wypaczenie wynoszące 0,61 mm -, co oznacza pięciokrotny wzrost.

Zalecenia dotyczące grubości ścianki odzwierciedlają charakterystykę płynięcia, zachowanie podczas skurczu i właściwości strukturalne każdej klasy materiału. Te zakresy reprezentują typowe-realistyczne cele produkcyjne -, a nie bezwzględne limity fizyczne.

ABS (akrylonitryl-butadien-styren)

Typowa grubość ścianki: 1,2–3,5 mm, przy czym najpopularniejszy zakres produkcji to 1,5–2,5 mm.

ABS ma dobre właściwości płynięcia i stosunkowo niski skurcz (0,4–0,8%), co sprawia, że ​​wybacza średnio skomplikowane geometrie. Jest to najpopularniejszy materiał na obudowy elektroniki użytkowej, w tym obudowy myszy. Można uzyskać ściany o grubości poniżej 1,2 mm, ale wymagają one starannego wlewu, wysokiego ciśnienia wtrysku i precyzyjnego zarządzania temperaturą. Powyżej 3,5 mm czasy chłodzenia stają się dłuższe, a zapadnięcia na przeciwległych powierzchniach stają się trudne do wyeliminowania.

Polipropylen (PP)

Typowa grubość ścianki:0,8–3,8 mm, przy czym 1,5–2,5 mm jest wspólne dla konstrukcyjnych części konsumenckich.

PP łatwo płynie i toleruje cienkie ścianki o prostych geometriach, ale jego wysoki współczynnik skurczu (1,0–2,5% w zależności od gatunku i krystaliczności) powoduje większy skurcz bezwzględny niż ABS. DlaForma wtryskowa z tworzywa sztucznego samochodu zabawkowegozastosowań, udarność i odporność chemiczna PP sprawiają, że jest to częsty wybór, ale wysoki skurcz wymaga bardziej zachowawczej jednorodności grubości ścianki niż ABS, aby kontrolować wypaczenia.

Nylon (PA6 / PA66)

Typowa grubość ścianki: 0,8–3,0 mm dla gatunków bez wypełniacza; 1,5–4,0 mm w przypadku-wariantów wypełnionych szkłem.

Krystaliczna natura nylonu oznacza, że ​​przechodzi on ze stanu stopionego w stały szybciej niż materiały amorficzne, co wpływa zarówno na zachowanie wypełnienia, jak i na skurcz. PA-wzmocniony włóknem szklanym66 -, powszechnie stosowany w elementach konstrukcyjnych, takich jak korpusy i obudowy przekładni silników -, ma znacznie niższy skurcz niż nylon bez wypełnienia (0,3–0,8% w porównaniu z 1,0–2,0%), ale jest bardziej wrażliwy na wpływ orientacji wynikający z przepływu. Jednorodność grubości ścianek jest szczególnie ważna w przypadku części nylonowych-wypełnianych szkłem, aby uniknąć gradientów orientacji włókien, które powodują skurcz anizotropowy.

Poliwęglan (PC) i mieszanki PC/ABS

Typowa grubość ścianki: 1,0–3,5 mm, węższe zakresy do zastosowań optycznych lub precyzyjnych.

PC ma mniejszą płynność niż ABS i wymaga wyższych ciśnień wtrysku i temperatur formy, co ogranicza praktyczną grubość ścianek przy zachowaniu wypełnienia. W przypadku obudów myszy lub ramek wyświetlaczy, które wymagają przejrzystości optycznej komputera PC lub odporności na uderzenia, ściany poniżej 1,2 mm wymagają starannego rozmieszczenia przewężek i analizy przepływu. Mieszanki PC/ABS zapewniają nieco lepszy przepływ niż czysty PC przy podobnej udarności i są szeroko stosowane w elektronice użytkowej przy grubości ścianki 1,5–3,0 mm.

POM (acetal / polioksymetylen)

Typowa grubość ścianki:0,8–3,0 mmdla klas standardowych.

POM jest materiałem wybieranym na wiele precyzyjnych elementów mechanicznych, -, w tym niektóre typy przekładni, -, ze względu na jego doskonałą stabilność wymiarową i niski współczynnik tarcia. Jego krystaliczny charakter nadaje mu wysoką temperaturę krzepnięcia, co oznacza, że ​​cienkie ścianki szybko zamarzają, ale także oznacza, że-zamrożenie bramy musi być starannie zaplanowane. POM ma bardzo niską tolerancję na zmiany grubości ścianki: różnicowy skurcz POM powoduje wysokie naprężenia szczątkowe, które często powodują pękanie podczas użytkowania, a nie widoczne wypaczenia podczas produkcji.

Najbardziej podstawową zasadą projektowania grubości ścianek jest utrzymanie możliwie jednolitej grubości ścianki w całej części. Zasada ta istnieje, ponieważ:

Równomierne ściany schładzają się wszędzie z tą samą szybkością - bez różnicowego skurczu i wewnętrznych gradientów naprężeń

Jednakowe ściany wszędzie wypełniają się podobnym oporem przepływu - brak preferencyjnych ścieżek przepływu powodujących-śledzenie wyścigowe lub pułapki powietrzne

Jednolite ściany charakteryzują się przewidywalnym i stałym skurczem -, który twórca form może skompensować pojedynczym naddatkiem na skurcz, a nie naddatkiem zależnym od-położenia

Praktycznym celem jest utrzymanie zmienności grubości ścianki w stosunku 1,5:1 (grubość maksymalna do minimalnej), gdy tylko jest to możliwe. Jeżeli wymagania funkcjonalne części wymagają większej różnorodności, przejściem należy zarządzać ostrożnie.

Stopniowe przejścia

Kiedy grubość ściany musi się zmienić -, na przykład przy przejściu od występu konstrukcyjnego o grubości 3,0 mm do cienkiego obszaru pokrywy o grubości 1,5 mm -, zmiana powinna być stopniowana na dystansie co najmniej trzykrotności różnicy grubości, a nie gwałtowna. Skokowa zmiana grubości ścianki powoduje koncentrację naprężeń na przejściu, które staje się preferowanym miejscem dla zapadnięć, linii spawów i pęknięć naprężeniowych w trakcie użytkowania.

Standardowe podejście polega na zastosowaniu zwężenia w strefie przejściowej: w przypadku przejścia z 3,0 mm do 1,5 mm zwężaj ścianę liniowo co najmniej 4,5 mm (zmiana 3 × 1,5 mm). To rozprowadza różnicowy skurcz w całej strefie przejściowej, zamiast koncentrować go w jednym punkcie.

Kiedy potrzebne są nie-jednolite ściany

Niektóre wymagania funkcjonalne rzeczywiście wymagają różnych grubości ścianek w różnych obszarach. Obudowa, która musi wytrzymywać obciążenia udarowe w punktach mocowania, a jednocześnie być lekka w obszarach paneli, będzie musiała mieć grubsze ścianki w strefach konstrukcyjnych. W takich przypadkach:

Projektuj przejścia tak stopniowo, jak pozwala na to geometria

Umieść grube sekcje z dala od powierzchni kosmetycznych, gdzie widoczne byłyby ślady zatopienia

Rozważ rdzeniowanie wewnętrzne (wydrążenie grubych sekcji z-nieestetycznej powierzchni czołowej), aby przekształcić solidną grubą sekcję w bardziej jednolitą cienką skorupę -, która kontroluje zapadnięcia i skraca czas chłodzenia bez utraty wydajności konstrukcyjnej

Komponenty samochodów zabawkowych obejmują szeroki zakres wymagań dotyczących grubości ścianek. Panele nadwozia i duże elementy konstrukcyjne mają zazwyczaj grubość 1,5–2,5 mm z ABS lub PP - i są wystarczająco grube, aby zapewnić odporność na uderzenia (kluczowy czynnik bezpieczeństwa w przypadku produktów dla dzieci zgodnie z normami bezpieczeństwa zabawek EN 71 i ASTM F963), wystarczająco cienkie, aby zapewnić akceptowalny czas cyklu i koszt materiału.

Małe elementy dekoracyjne - okna, kratki, detale wykończenia - mogą mieć grubość zaledwie 0,8–1,0 mm w przypadku ABS przy odpowiednim umieszczeniu bramy. Nadkola i zderzaki, które muszą pochłaniać uderzenia, mają zazwyczaj górną granicę zakresu, 2,0–3,0 mm, podczas gdy panele dachu i maski często można zmniejszyć do 1,5–2,0 mm za pomocą usztywniających żeber zamiast zwiększania grubości poszycia.

DlaForma wtryskowa z tworzywa sztucznego samochodu zabawkowegow projekcie grubości ścianki należy uwzględnić-testy upadku i wymagania dotyczące udarności określone w obowiązujących normach bezpieczeństwa jako pierwsze ograniczenie, a następnie przeprowadzić optymalizację pod kątem wypełnienia, chłodzenia i estetyki w ramach tych ograniczeń.

Forma wtryskowa skorupy myszy

Obudowy elektroniki użytkowej, takie jak obudowy myszy, zwykle wykorzystują ABS lub PC/ABS o nominalnej grubości ścianki 1,5–2,0 mm. Wymóg dotyczący cienkich-ścianek wynika z preferencji estetycznych (elegancja i lekkość) oraz z presji konkurencyjnej na koszt części. Wymóg kosmetyczny -powierzchni o wysokim-połysku lub{7}}o drobnej{7}} fakturze, bez śladów zapadnięcia się - stwarza silny nacisk na jednolitość, ponieważ każda zmiana grubości ścianki powoduje widoczne różnice w jakości powierzchni.

Dla Forma wtryskowa skorupy myszy,Wyzwaniem projektowym jest zintegrowanie występów montażowych, elementów zatrzaskowych i wzmocnień żeber w ścianie o nominalnej grubości 1,5 mm bez tworzenia grubych plam, które będą widoczne jako zagłębienia na przeciwległej powierzchni kosmetycznej. Ogólna zasada dotycząca mocowania piasty i żeber jest taka, że ​​grubość elementu u nasady nie powinna przekraczać 60% nominalnej grubości ściany -, więc w przypadku ściany skorupy o grubości 1,8 mm żebra nie powinny być szersze niż 1,1 mm u podstawy.

Forma wtryskowa przekładni silnika

Części przekładni stanowią wyzwanie związane z inną grubością ścianek: wymagania konstrukcyjne-przekroju zęba, piasty i środnika między nimi są określane na podstawie obciążenia mechanicznego, a nie na podstawie konwencji formowania wtryskowego. Zadaniem inżyniera ds. form jest zapewnienie, że te strukturalnie-określone geometrie będą możliwe do wytworzenia w ramach ograniczeń wybranego materiału i procesu formowania.

DlaForma wtryskowa przekładni silnika w przypadku POM lub PA66GF (-nylonu wypełnionego szkłem) zęby przekładni mają zazwyczaj grubość 1,5–3,0 mm na kole podziałowym, a piasta jest potencjalnie grubsza. Najważniejszym problemem jest stosunek grubości piasty do grubości środnika: jeśli piasta jest znacznie grubsza od środnika, chłodzenie różnicowe powoduje powstawanie naprężeń wewnętrznych, które mogą powodować pękanie piasty w trakcie eksploatacji. - Jest to rodzaj awarii, która może ujawnić się miesiącami po produkcji, co utrudnia diagnostykę.

Jedną z najważniejszych zasad projektowania części form wtryskowych jest wykorzystanie cech geometrycznych zamiast zwiększonej grubości ścianki w celu zwiększenia sztywności konstrukcyjnej. Część z żebrami ma znacznie lepszy stosunek sztywności-do-masy i sztywności-do-cyklu-czasu niż równoważna część o płaskich-ścianach o zwiększonej grubości.

Standardowe zasady projektowania żeber

Grubość żebra u podstawy: 40–60% nominalnej grubości ścianki (aby zapobiec zapadnięciom na przeciwległej powierzchni)

Wysokość żebra: maksymalnie 3× nominalna grubość ścianki

Rozstaw żeber: minimum 2× nominalna grubość ścianki pomiędzy sąsiednimi żebrami

Zanurzenie po bokach żeber: minimum 0,5 stopnia, najlepiej 1 stopień

W przypadku przekroju ściany o grubości 2,0 mm oznacza to, że żebra powinny mieć u podstawy grubość 0,8–1,2 mm, nie więcej niż 6,0 mm i być oddalone od siebie o co najmniej 4,0 mm.

Konstrukcja występu do montażu śrubowego

Występy - elementy cylindryczne, w których można stosować śruby lub-wkładki pasowane na wcisk -, są częstym źródłem śladów wgłębień i linii spawów, ponieważ tworzą lokalne grube przekroje. Standardowe wytyczne:

Średnica zewnętrzna piasty: nie większa niż 2× nominalna grubość ścianki

Grubość ścianki piasty: 40–60% nominalnej ściany

Jeśli to możliwe, podstawa piasty powinna być wstawiona do najbliższej ściany -, rozkłada to obciążenie mocowania piasty na większą ilość materiału i zmniejsza ryzyko zapadnięcia się

Płyty węzłowe do wzmocnienia narożników

Tam, gdzie dwie ściany spotykają się w narożniku i wymagana jest dodatkowa sztywność, blachy węzłowe zapewniają wzmocnienie bez zwiększania grubości ściany. Węzły powinny mieć tę samą grubość co żebra (40–60% nominalnej ściany) i powinny mieć u podstawy odpowiednie promienie zaokrąglenia, aby zapobiec koncentracji naprężeń.

Ekonomiczne uzasadnienie projektowania pod kątem odpowiedniej grubości ścianki jest proste. Ponieważ czas chłodzenia rośnie wraz z kwadratem grubości ścianki, zmniejszenie grubości ścianki z 3,0 mm do 2,0 mm - redukcja o 33% - skraca czas chłodzenia o około 56%. W przypadku formy działającej 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu z dużą wydajnością, jest to rewolucyjna różnica w ekonomice produkcji.

Praktyczny przykład: forma wtryskowa plastikowego samochodu-zabawki wytwarzająca panele nadwozia o grubości ścianek 3,0 mm może mieć czas cyklu wynoszący 35 sekund, z czego 22 sekundy to chłodzenie. Zmniejszenie do 2,0 mm skraca czas chłodzenia do około 10 sekund, co daje całkowity czas cyklu wynoszący około 23 sekundy -, co oznacza wzrost wydajności o 34% w wyniku zmiany projektu, której wdrożenie nie kosztuje nic na etapie projektowania, ale wymagałoby przeróbki oprzyrządowania, jeśli zostanie zastosowane po zbudowaniu narzędzia.

Właśnie dlatego tak cenna jest ocena projektu pod kątem wykonalności (DFM), która wyraźnie uwzględnia grubość ścianki: zmiany są bezpłatne na etapie projektowania i kosztowne po wycięciu narzędzi.

Inżynieria i nauka polimerów(2020): Stosunek grubości ścianki (maks.:min) był najsilniejszym pojedynczym czynnikiem predykcyjnym wypaczenia 85 części formowanych wtryskowo przez konsumentów. Stosunek poniżej 1,5:1 wynosi średnio 0,12 mm wypaczenia; powyżej 3:1 średnio 0,61 mm -, czyli pięciokrotna różnica.

Journal of Inżynierii Polimerów(2019): Zmniejszenie stosunku grubości żeber-do-ściany z 75% do 50% wyeliminowało zapadnięcia na przeciwległych powierzchniach kosmetycznych w częściach ABS we wszystkich testowanych geometriach, a zwiększenie stosunku z 50% do 80% spowodowało widoczne zapadnięcia we wszystkich przypadkach.

International Journal of zaawansowanej technologii produkcyjnej(2021): Zmniejszenie grubości ścianki z 3,0 mm do 2,0 mm w części obudowy elektroniki użytkowej zmniejszyło koszt materiału o 29%, czas cyklu o 38% i wypaczenie o 47% - potwierdzając, że cienka-ścienna konstrukcja, jeśli jest prawidłowo wykonana, poprawia jednocześnie wszystkie trzy kluczowe wskaźniki produkcji.

Producent zabawek opracowywał nową linię odlewanych ciśnieniowo replik pojazdów w skali 1:18-ze szczegółowymi karoseriami z ABS. Początkowy projekt części zakładał nominalną grubość ścianki wahającą się od 1,2 mm w obszarach paneli do 4,5 mm w konstrukcyjnych punktach mocowania -, co stanowi stosunek 3,75:1, który natychmiast został odnotowany w recenzji Sunhingstones DFM.

Punkty mocowania o grubości 4,5 mm powodowały powstawanie dużych zagłębień na widocznej przeciwległej powierzchni, czas cyklu wynosił 58 sekund, aby umożliwić odpowiednie schłodzenie grubych sekcji, a wypaczenie panelu dachowego przekraczało specyfikację płaskości 0,3 mm.

Program optymalizacyjny obejmował trzy zmiany:

Grube punkty mocowania zostały wewnętrznie rdzeniowane od spodu, co zmniejszyło efektywną grubość ścianki z 4,5 mm do 2,2 mm, zachowując jednocześnie wysokość piasty i funkcję konstrukcyjną

Przejście od strefy piasty 2,2 mm do strefy panelu 1,5 mm zostało stopniowane co 8 mm, a nie w pierwotnym, gwałtownym kroku

Do panelu dachowego dodano dwa dodatkowe żebra usztywniające (o grubości 0,8 mm i wysokości 4,5 mm), aby przywrócić sztywność konstrukcyjną utraconą w wyniku zmniejszenia grubości panelu z 1,8 mm do 1,5 mm

Wyniki: skrócenie czasu cyklu z 58 do 31 sekund, wyeliminowanie zapadnięć na powierzchniach kosmetycznych, zmniejszenie wypaczeń panelu dachowego do 0,18 mm (w granicach specyfikacji). Masa materiału na część zmniejszona o 14%, co dodatkowo poprawia ekonomikę jednostkową. Forma pracuje teraz z pełną objętością i wykazuje zerowe niezgodności wymiarowe-w przypadku defektów związanych z-grubością-ścianek.

Wybór grubości ścianki dokonany na etapie projektowania produktu określa czas cyklu, koszt części, jakość wymiarową i właściwości kosmetyczne każdej części, jaką kiedykolwiek wyprodukuje forma. Optymalizacja na etapie projektowania jest tania, a naprawa po wykonaniu oprzyrządowania jest kosztowna. Uzyskaj prawidłowe podstawy - stałą grubość ścianek w obrębie odpowiednich materiałów-w odpowiednich zakresach, stopniowane przejścia, żebra zamiast grubych sekcji zapewniających sztywność -, a forma będzie działać dobrze od początku.

W firmie Sunhingstones każdy nowy projekt formy rozpoczyna się od przeglądu DFM, który jednoznacznie ocenia stosunki grubości ścianek, proporcje żeber i piast oraz geometrię ścieżki wypełnienia. Nasze doświadczenie obejmuje formy do precyzyjnych przekładni i podzespołów mechanicznych, obudowy elektroniki użytkowej oraz-masowe narzędzia do zabawek i produktów konsumenckich.

Skontaktuj się teraz

Brala, JGPodręcznik projektowania pod kątem wykonalności, wydanie 2. McGraw-Hill, 1998.

Malloy, RAProjektowanie części z tworzyw sztucznych do formowania wtryskowego: wprowadzenie. Wydawnictwo Hanser, 1994.

Beaumont, JP i in.Skuteczne formowanie wtryskowe: proces, projektowanie i symulacja. Wydawnictwo Hanser, 2002.

Kim, HS i in. „Wpływ współczynnika zmienności grubości ścianki na wypaczenia w produktach konsumenckich formowanych wtryskowo”.Inżynieria i nauka polimerów, 2020.

Xu, G. i in. „Stosunek grubości żeber-do-ścianki i tworzenie się zagłębień w częściach formowanych wtryskowo ABS.”Journal of Inżynierii Polimerów, 2019.