Jaké jsou požadavky na návrh tloušťky stěny vstřikovacích forem?

Tloušťka stěny vstřikovaného dílu současně určuje:

Chování při plnění: Tenké stěny mají vyšší odpor proudění. Materiál musí projít tenkými částmi, než zmrzne, což omezuje, jak daleko od brány se může tenká stěna roztáhnout, než se naplní.

Doba ochlazování: Doba ochlazování se měří s druhou mocninou tloušťky stěny. Dvojnásobná tloušťka stěny a doba chlazení se prodlužují přibližně čtyřnásobně, což má přímý dopad na dobu cyklu a ekonomiku výroby.

Smrštění a deformace: Plast se při chladnutí smršťuje. Silnější části se ochlazují pomaleji a smršťují se více než tenké části. Tam, kde se tlusté a tenké části spojují, vytváří rozdílné smrštění vnitřní napětí -, které se projevuje jako deformace, propadnutí nebo obojí.

Konstrukční výkon: Pro nosné-prvky je minimální tloušťka stěny stanovena konstrukčními požadavky. Pro čistě kosmetické vlastnosti je nastavena omezeními plnění a chlazení.

Studie z roku 2020 zveřejněná vPolymerové inženýrství a vědazjistili, že variace tloušťky stěny -, konkrétně poměr maximální a minimální tloušťky stěny v rámci jedné části -, byla nejsilnějším jediným prediktorem velikosti deformace ve vzorku 85 vstřikovaných geometrií spotřebního výrobku. Díly s poměrem tloušťky stěny pod 1,5:1 vykazovaly průměrnou deformaci 0,12 mm; díly s poměrem nad 3:1 vykazovaly průměrnou deformaci 0,61 mm - pětinásobný nárůst.

Doporučená tloušťka stěny odráží charakteristiky toku, smršťování a strukturální vlastnosti každé třídy materiálů. Tyto rozsahy představují typické produkční-životaschopné cíle -, nikoli absolutní fyzické limity.

ABS (akrylonitrilbutadienstyren)

Typická tloušťka stěny: 1,2–3,5 mm, přičemž nejběžnějším výrobním sortimentem je 1,5–2,5 mm.

ABS má dobré tokové vlastnosti a relativně nízké smrštění (0,4–0,8 %), což ho činí shovívavým pro středně složité geometrie. Je to nejběžnější materiál pro skříně spotřební elektroniky, včetně mušlí myší. Stěny pod 1,2 mm jsou dosažitelné, ale vyžadují pečlivé vstřikování, vysoký vstřikovací tlak a přesné řízení teploty. Nad 3,5 mm se doba chlazení prodlužuje a stopy po potopení na protilehlých površích se obtížně eliminují.

Polypropylen (PP)

Typická tloušťka stěny:0,8–3,8 mm, s 1,5–2,5 mm společným pro konstrukční spotřební díly.

PP snadno teče a je tolerantní k tenkým stěnám v jednoduchých geometriích, ale jeho vysoká rychlost smrštění (1,0–2,5 % v závislosti na jakosti a krystalinitě) vytváří větší absolutní smrštění než ABS. Proplastové vstřikovací formy na autíčkaaplikace, odolnost PP proti nárazu a chemická odolnost z něj činí běžnou volbu, ale vysoké smrštění vyžaduje konzervativnější stejnoměrnost tloušťky stěny než ABS, aby se zabránilo deformaci.

Nylon (PA6 / PA66)

Typická tloušťka stěny: 0,8–3,0 mm pro neplněné třídy; 1,5–4,0 mm pro skleněné-výplně.

Krystalická povaha nylonu znamená, že přechází z roztavené do pevné látky prudčeji než amorfní materiály, což ovlivňuje chování výplně i smršťování. Sklo-vyztužený PA66 - společný pro konstrukční součásti, jako jsou tělesa a skříně motorů -, má výrazně nižší smrštění než neplněný nylon (0,3–0,8 % vs. 1,0–2,0 %), ale je citlivější na orientační vlivy proudění. Rovnoměrnost tloušťky stěny je zvláště důležitá u nylonových dílů-vyplněných sklem, aby se zabránilo gradientům orientace vláken, které způsobují anizotropní smrštění.

Směsi polykarbonátu (PC) a PC/ABS

Typická tloušťka stěny: 1,0–3,5 mm, s užším rozsahem pro optické nebo přesné aplikace.

PC má nižší průtok než ABS a vyžaduje vyšší vstřikovací tlaky a teploty formy, což omezuje, jak tenké mohou být stěny prakticky při zachování výplně. U krytů myší nebo rámečků displeje, které vyžadují optickou čistotu počítače nebo odolnost proti nárazu, vyžadují stěny pod 1,2 mm pečlivé umístění brány a analýzu průtoku. Směsi PC/ABS nabízejí poněkud lepší průtok než čisté PC s podobným nárazovým výkonem a jsou široce používány pro spotřební elektroniku při tloušťce stěny 1,5–3,0 mm.

POM (acetal / polyoxymethylen)

Typická tloušťka stěny:0,8–3,0 mmpro standardní třídy.

POM je materiálem volby pro mnoho přesných mechanických součástí - včetně některých typů ozubených kol - díky své vynikající rozměrové stabilitě a nízkému koeficientu tření. Jeho krystalická povaha mu dává vysokou teplotu tuhnutí, což znamená, že tenké stěny rychle zmrznou, ale také to znamená, že zamrznutí brány-musí být pečlivě načasováno. POM má velmi nízkou toleranci pro kolísání tloušťky stěny: rozdílné smrštění v POM vytváří vysoké zbytkové napětí, které často vede k praskání při provozu spíše než k viditelnému zborcení během výroby.

Nejzákladnějším pravidlem pro návrh tloušťky stěny je udržovat co nejrovnoměrnější tloušťku stěny v celém dílu. Tento princip existuje, protože:

Jednotné stěny se všude ochlazují stejnou rychlostí - žádné rozdílné smršťování, žádné gradienty vnitřního napětí

Jednotné stěny se všude plní s podobným odporem proudění - žádné preferenční cesty proudění, které způsobují-sledování závodu nebo vzduchové pasti

Jednotné stěny mají předvídatelné a konzistentní smrštění -, které může výrobce formy kompenzovat jediným přídavkem na smrštění, nikoli přídavky závislými na poloze-

Praktickým cílem je udržet kolísání tloušťky stěny v poměru 1,5:1 (maximální k minimální tloušťce), kdykoli je to možné. Tam, kde funkční požadavky dílu vyžadují větší variace, musí být přechod řízen opatrně.

Odstupňované přechody

Když se tloušťka stěny musí změnit -, například při přechodu ze strukturálního výstupku na stěně 3,0 mm do oblasti tenkého krytu na 1,5 mm -, změna by měla být odstupňována po vzdálenosti alespoň trojnásobku rozdílu tloušťky, neměla by být náhlá. Skoková změna tloušťky stěny vytváří koncentraci napětí na přechodu, která se stává preferovaným místem pro propady, čáry svarů a praskání napětím v provozu.

Standardním přístupem je použití zúžení přes přechodovou zónu: při přechodu z 3,0 mm na 1,5 mm zkoste stěnu lineárně alespoň o 4,5 mm (změna 3 × 1,5 mm). Tím se rozdílné smrštění rozděluje přes přechodovou zónu spíše než aby se soustředilo do jediného bodu.

Když jsou-nejednotné stěny nezbytné

Některé funkční požadavky skutečně vyžadují různé tloušťky stěn v různých oblastech. Pouzdro, které musí odolávat nárazovým zatížením v montážních bodech a přitom je lehké v panelových oblastech, bude mít nutně silnější stěny v konstrukčních zónách. V těchto případech:

Navrhněte přechody tak pozvolné, jak to geometrie umožňuje

Umístěte tlusté části mimo kosmetické povrchy, kde by byly viditelné stopy po dřezu

Zvažte použití vnitřního jádra (vyhloubení tlustých částí z ne-kosmetického povrchu) pro přeměnu pevné tlusté části na jednotnější tenkou skořepinu -, která kontroluje stopy po propadnutí a zkracuje dobu chlazení bez obětování konstrukčního výkonu

Komponenty autíček pokrývají širokou škálu požadavků na tloušťku stěn. Panely karoserie a velké konstrukční prvky jsou obvykle 1,5–2,5 mm ABS nebo PP - dostatečně silné, aby byly odolné proti nárazu (hlavní bezpečnostní hledisko u dětských výrobků podle norem EN 71 a ASTM F963 pro bezpečnost hraček), dostatečně tenké, aby zajistily přijatelnou dobu cyklu a náklady na materiál.

Malé dekorativní prvky - okna, mřížky, detaily obložení - mohou být tenké 0,8–1,0 mm z ABS s vhodným umístěním brány. Podběhy kol a nárazníky, které potřebují absorbovat náraz, jsou obvykle na horním konci rozsahu, 2,0–3,0 mm, zatímco střešní panely a panely kapoty mohou být často zmenšeny na 1,5–2,0 mm pomocí vyztužených žeber namísto zvýšení tloušťky kůže.

Pro aplastové vstřikovací formy na autíčkatloušťka stěny musí jako první omezení zohlednit požadavky na pád-test a náraz v příslušných bezpečnostních normách a poté optimalizovat výplň, chlazení a estetiku v rámci těchto limitů.

Vstřikovací forma na myš

Skříně spotřební elektroniky, jako jsou mušle na myši, obvykle používají ABS nebo PC/ABS s nominální tloušťkou stěny 1,5–2,0 mm. Požadavek na tenké-stěny je dán estetickými preferencemi (úhledný, lehký pocit) a konkurenčním tlakem na cenu dílů. Kosmetický požadavek na -vysoký-lesklý nebo jemný{7}}povrch bez propadů - vytváří silný tlak na jednotnost, protože jakákoli změna tloušťky stěny způsobí viditelné změny kvality povrchu.

Pro a vstřikovací forma na myš,Výzvou při návrhu je integrace montážních nálitků, zaklapávacích prvků a vyztužení žeber do nominálně 1,5mm stěny, aniž by se vytvářely silné skvrny, které se na protějším kosmetickém povrchu projevují jako propady. Základním pravidlem pro připojení výstupků a žeber je, že tloušťka prvku u kořene by neměla překročit 60 % jmenovité tloušťky stěny -, takže u stěny skořepiny 1,8 mm by žebra neměla být širší než 1,1 mm u základny.

Vstřikovací forma motoru

Součásti ozubených kol představují jiný problém tloušťky stěny: konstrukční požadavky na průřez zubu-, náboje a žebra mezi nimi jsou určeny mechanickým zatížením, nikoli konvencemi vstřikování. Úkolem konstruktéra forem je zajistit, aby tyto strukturně-určené geometrie byly vyrobitelné v rámci omezení zvoleného materiálu a procesu formování.

Pro avstřikovací forma motorového ozubeného kola u POM nebo PA66GF (nylon plněný sklem-) mají zuby ozubeného kola na roztečné kružnici obvykle tloušťku 1,5–3,0 mm, přičemž náboj může být silnější. Zásadním problémem je poměr mezi tloušťkou náboje a tloušťkou žebra: pokud je náboj výrazně tlustší než žebra, diferenciální chlazení vytváří vnitřní pnutí, které může způsobit prasknutí náboje v provozu - poruchový režim, který může trvat měsíce, než se objeví po výrobě, což ztěžuje diagnostiku.

Jedním z nejdůležitějších principů při navrhování dílů vstřikovacích forem je použití geometrických prvků spíše než zvýšená tloušťka stěny pro zvýšení strukturální tuhosti. Díl s žebry má mnohem lepší poměry tuhosti-k-hmotnosti a tuhosti-k-cyklu{5}}času než ekvivalentní plochý-díl se stěnou se zvýšenou tloušťkou.

Standardní pravidla návrhu žebra

Tloušťka žebra na základně: 40–60 % jmenovité tloušťky stěny (aby se zabránilo stopám na protějším povrchu)

Výška žebra: maximálně 3× jmenovitá tloušťka stěny

Vzdálenost žeber: minimálně 2× jmenovitá tloušťka stěny mezi sousedními žebry

Průvan na stranách žeber: minimálně 0,5 stupně, nejlépe 1 stupeň

Pro 2,0 mm stěnovou část to znamená, že žebra by měla mít tloušťku 0,8–1,2 mm u základny, ne vyšší než 6,0 mm a měla by být od sebe vzdálena alespoň 4,0 mm.

Boss Design pro šroubovou montáž

Náboje - válcové prvky, které přijímají šrouby nebo lisované{1}}vložky - jsou běžným zdrojem prohlubní a svarových čar, protože vytvářejí místní silné sekce. Standardní pokyny:

Vnější průměr nástavce: ne více než 2× jmenovitá tloušťka stěny

Tloušťka stěny nástavce: 40–60 % jmenovité stěny

Základna nálitku by měla být pokud možno vyztužena k nejbližší stěně - toto rozloží zatížení nástavce na více materiálu a sníží riziko propadnutí

Styčníkové desky pro vyztužení rohů

Tam, kde se dvě stěny setkávají v rohu a je potřeba dodatečná tuhost, styčníkové desky poskytují vyztužení, aniž by se přidala na tloušťce stěny. Výztuhy by měly dodržovat stejné pravidlo tloušťky jako žebra (40–60 % jmenovité stěny) a měly by mít na své základně vhodné poloměry zaoblení, aby se zabránilo koncentraci napětí.

Ekonomický důvod pro návrh na vhodnou tloušťku stěny je jednoduchý. Vzhledem k tomu, že doba ochlazování se měří se čtvercovou tloušťkou stěny, snížení tloušťky stěny z 3,0 mm na 2,0 mm -, 33% zkrácení - snižuje dobu chlazení přibližně o 56 %. Pro formu běžící 24 hodin denně 7 dní v týdnu při vysokém objemu je to transformační rozdíl v ekonomice výroby.

Pro praktický příklad: plastová vstřikovací forma pro autíčka vyrábějící panely karoserie o tloušťce stěny 3,0 mm může mít dobu cyklu 35 sekund, z čehož 22 sekund je chlazení. Snížení na 2,0 mm snižuje chlazení na přibližně 10 sekund, při celkové době cyklu přibližně 23 sekund - 34% zlepšení propustnosti díky změně návrhu, jejíž implementace během fáze návrhu nic nestojí, ale pokud by byla použita po sestavení nástroje, vyžadovala by přepracování nástroje.

To je důvod, proč je revize designu pro vyrobitelnost (DFM), která se výslovně zabývá tloušťkou stěny, tak cenná: změny jsou bezplatné ve fázi návrhu a drahé po obrábění nástrojů.

Polymerové inženýrství a věda(2020): Poměr tloušťky stěny (max:min) byl nejsilnějším jediným prediktorem deformace u 85 spotřebních vstřikovaných dílů. Poměr pod 1,5:1 v průměru 0,12 mm deformace; nad 3:1 v průměru 0,61 mm - pětinásobný rozdíl.

Journal of Polymer Engineering(2019): Snížení poměru žebra-k{2}}tloušťce stěny ze 75 % na 50 % odstranilo stopy propadu na protilehlém kosmetickém povrchu u dílů ABS ve všech testovaných geometriích, zatímco zvýšením poměru z 50 % na 80 % ve všech případech vznikaly viditelné stopy propadu.

International Journal of Advanced Manufacturing Technology(2021): Snížení tloušťky stěny z 3,0 mm na 2,0 mm v části skříně pro spotřební elektroniku snížilo náklady na materiál o 29 %, dobu cyklu o 38 % a deformaci o 47 % -, což potvrzuje, že návrh tenké{7}}stěny, je-li správně proveden, zlepšuje současně všechny tři klíčové metriky výroby.

Výrobce hraček vyvíjel novou řadu odlévaných replik vozidel v měřítku 1:18 v měřítku 1:18{2}}s detailními ABS karoseriemi. Původní návrh dílu měl nominální tloušťku stěny v rozmezí od 1,2 mm v oblasti panelů do 4,5 mm v konstrukčních upevňovacích bodech -, poměr 3,75:1, který Sunhingstones DFM okamžitě označil.

Montážní body 4,5 mm vytvářely na viditelném protějším povrchu velké stopy propadu, doba cyklu byla 58 sekund, aby bylo umožněno adekvátní chlazení tlustých částí, a deformace ve střešním panelu přesáhla specifikaci rovinnosti 0,3 mm.

Optimalizační program zahrnoval tři změny:

Silné montážní body byly ze spodní strany opatřeny vnitřním jádrem, čímž se snížila efektivní tloušťka stěny ze 4,5 mm na 2,2 mm při zachování výšky výstupku a konstrukční funkce

Přechod z 2,2 mm výstupkové zóny na 1,5 mm panelovou zónu byl odstupňován přes 8 mm spíše než původní náhlý krok

Ke střešnímu panelu byla přidána dvě další výztužná žebra (tloušťka 0,8 mm, výška 4,5 mm), aby se obnovila ztráta strukturální tuhosti snížením tloušťky panelu z 1,8 mm na 1,5 mm.

Výsledky: doba cyklu snížena z 58 na 31 sekund, eliminovány stopy po propadnutí na kosmetických površích, deformace střešního panelu snížena na 0,18 mm (v rámci specifikace). Hmotnost materiálu na díl snížena o 14 %, což dále zlepšuje ekonomiku jednotky. Forma nyní běží na plný objem s nulovými rozměrovými nesrovnalostmi-na vadách souvisejících s-tloušťkou stěny-.

Volby tloušťky stěny provedené ve fázi návrhu produktu určují dobu cyklu, cenu dílu, rozměrovou kvalitu a kosmetický výkon pro každý díl, který kdy forma vyrobí. Jejich optimalizace ve fázi návrhu je levná a oprava nákladná po nasazení nástrojů. Získejte správné základy - konzistentní tloušťka stěny v rámci materiálu-odpovídající rozsahy, odstupňované přechody, žebra místo tlustých částí pro tuhost - a forma funguje dobře od začátku.

Ve společnosti Sunhingstones každý nový projekt formy začíná revizí DFM, která explicitně hodnotí poměry tloušťky stěny, proporce žeber a výstupků a geometrii výplně. Naše zkušenosti zahrnují přesné formy ozubených kol a mechanických součástí, skříně spotřební elektroniky a velkoobjemové-nástroje na hračky a spotřební výrobky.

Kontaktujte nyní

Bralla, JGPříručka Design for Manufacturability, 2. vydání. McGraw-Hill, 1998.

Malloy, RADesign plastových dílů pro vstřikování: Úvod. Hanser Publishers, 1994.

Beaumont, JP a kol.Úspěšné vstřikování: Proces, design a simulace. Nakladatelství Hanser, 2002.

Kim, HS a kol. "Vliv variačního poměru tloušťky stěny na deformaci ve vstřikovaných spotřebních výrobcích."Polymerové inženýrství a věda, 2020.

Xu, G. a kol. "Poměr tloušťky žebra-k-stěně a tvorba propadů u dílů vyrobených vstřikováním ABS."Journal of Polymer Engineering, 2019.