Care sunt cerințele pentru proiectarea grosimii peretelui matrițelor de injecție?

Grosimea peretelui unei piese turnate prin injecție determină, simultan:

Comportament de umplere: Pereții subțiri au o rezistență mai mare la curgere. Materialul trebuie să treacă prin secțiuni subțiri înainte de a îngheța, ceea ce limitează cât de departe de poartă se poate extinde un perete subțire înainte de a umple scurt.

Timp de răcire: Timpul de răcire este calculat cu pătratul grosimii peretelui. Dubla grosimea peretelui și timpul de răcire crește de aproximativ patru ori, influențând direct timpul ciclului și economia producției.

Contracție și deformare: plasticul se micșorează pe măsură ce se răcește. Secțiunile mai groase se răcesc mai lent și se micșorează mai mult decât secțiunile mai subțiri. Acolo unde secțiunile groase și subțiri se învecinează, contracția diferențială creează tensiuni interne - care se manifestă ca deformare, urme de scufundare sau ambele.

Performanță structurală: pentru caracteristicile portante-sarcină, grosimea minimă a peretelui este stabilită de cerințele structurale. Pentru caracteristicile pur cosmetice, este stabilit de constrângerile de umplere și răcire.

Un studiu din 2020 publicat înIngineria și știința polimerilora constatat că variația grosimii peretelui -, în special raportul dintre grosimea maximă și cea minimă a peretelui într-o singură piesă -, a fost cel mai puternic predictor al mărimii deformarii într-un eșantion de 85 de geometrii de produse de consum turnate prin injecție. Piesele cu rapoarte de grosime a peretelui sub 1,5:1 au prezentat o deformare medie de 0,12 mm; piesele cu rapoarte de peste 3:1 au prezentat o deformare medie de 0,61 mm - o creștere de cinci ori.

Recomandările privind grosimea peretelui reflectă caracteristicile curgerii, comportamentul la contracție și proprietățile structurale ale fiecărei clase de material. Aceste intervale reprezintă producția tipică-ținte viabile - nu limite fizice absolute.

ABS (acrilonitril butadien stiren)

Grosimea tipică a peretelui: 1,2–3,5 mm, 1,5–2,5 mm fiind cea mai comună gamă de producție.

ABS are caracteristici bune de curgere și o contracție relativ scăzută (0,4–0,8%), ceea ce îl face tolerant pentru geometriile moderat complexe. Este cel mai comun material pentru carcasele electronice de larg consum, inclusiv carcasele mouse-ului. Pereții sub 1,2 mm sunt realizabili, dar necesită o închidere atentă, presiune mare de injecție și un management precis al temperaturii. Peste 3,5 mm, timpii de răcire devin lungi, iar urmele de scufundare de pe suprafețele opuse devin greu de eliminat.

Polipropilenă (PP)

Grosimea tipică a peretelui:0,8–3,8 mm, cu 1,5–2,5 mm comun pentru piesele structurale de consum.

PP curge ușor și este tolerant la pereții subțiri în geometriile simple, dar rata sa mare de contracție (1,0–2,5% în funcție de grad și cristalinitate) creează o contracție absolută mai mare decât ABS. PentruMașină de jucărie matriță de injecție din plasticaplicații, rezistența la impact și rezistența chimică a PP îl fac o alegere comună, dar contracția mare necesită o uniformitate mai conservatoare a grosimii peretelui decât ABS pentru a controla deformarea.

Nailon (PA6 / PA66)

Grosimea tipică a peretelui: 0,8–3,0 mm pentru tipurile neumplute; 1,5–4,0 mm pentru variantele-umplute cu sticlă.

Natura cristalină a nailonului înseamnă că trece de la topit la solid mai brusc decât materialele amorfe, ceea ce afectează atât comportamentul de umplere, cât și contracția. PA-armat cu sticlă66 - obișnuit pentru componentele structurale precum corpurile și carcasele angrenajului motorului - are o contracție semnificativ mai mică decât nailonul neumplut (0,3–0,8% față de 1,0–2,0%), dar este mai sensibil la efectele de orientare ale fluxului. Uniformitatea grosimii peretelui este deosebit de importantă în piesele de nailon-umplute cu sticlă pentru a evita gradienții de orientare a fibrelor care creează contracție anizotropă.

Policarbonat (PC) și amestecuri PC/ABS

Grosimea tipică a peretelui: 1,0–3,5 mm, cu intervale mai strânse pentru aplicații optice sau de precizie.

PC-ul are un debit mai mic decât ABS și necesită presiuni de injecție și temperaturi de matriță mai mari, ceea ce limitează cât de subțiri pot fi practic pereții menținând umplerea. Pentru carcasele mouse-ului sau cadrele de afișare care necesită claritatea optică a PC-ului sau rezistența la impact, pereții sub 1,2 mm necesită o plasare atentă a porții și o analiză a fluxului. Amestecurile PC/ABS oferă un flux oarecum mai bun decât PC-ul pur, cu performanțe similare la impact și sunt utilizate pe scară largă pentru electronice de larg consum, la o grosime a peretelui de 1,5-3,0 mm.

POM (acetal/polioximetilenă)

Grosimea tipică a peretelui:0,8–3,0 mmpentru clasele standard.

POM este materialul ales pentru multe componente mecanice de precizie -, inclusiv unele tipuri de angrenaje -, datorită stabilității dimensionale excelente și a coeficientului de frecare scăzut. Natura sa cristalină îi conferă o temperatură de solidificare ascuțită, ceea ce înseamnă că pereții subțiri îngheață rapid, dar înseamnă, de asemenea, că înghețarea-porții trebuie programată cu atenție. POM are o toleranță foarte scăzută la variația grosimii peretelui: contracția diferențială în POM creează tensiuni reziduale ridicate, care deseori duce la fisurare în funcțiune, mai degrabă decât la deformare vizibilă în timpul producției.

Cea mai fundamentală regulă de proiectare a grosimii peretelui este menținerea cât mai uniformă a grosimii peretelui în întreaga piesă. Acest principiu există deoarece:

Pereții uniformi se răcesc în aceeași viteză peste tot - fără contracție diferențială, fără gradienți interni de tensiune

Pereții uniformi se umplu cu rezistență similară la curgere peste tot - fără căi de curgere preferențiale care provoacă curse-urmărire sau capcane de aer

Pereții uniformi au o contracție previzibilă și consecventă - care poate fi compensată de către producătorul matriței cu un singur aport de contracție, mai degrabă decât alocații dependente de poziție-

Scopul practic este de a menține variația grosimii peretelui într-un raport de 1,5:1 (grosimea maximă până la minimă) ori de câte ori este posibil. Acolo unde cerințele funcționale ale piesei necesită o variație mai mare, tranziția trebuie gestionată cu atenție.

Tranziții gradate

Atunci când grosimea peretelui trebuie să se modifice -, de exemplu, trecerea de la o suprafață structurală la un perete de 3,0 mm la o zonă de acoperire subțire la 1,5 mm -, modificarea trebuie să fie gradată pe o distanță de cel puțin trei ori diferența de grosime, nu bruscă. O modificare treptată a grosimii peretelui creează o concentrare a tensiunii la tranziție, care devine un loc preferențial pentru urmele de scufundare, liniile de sudură și fisurarea tensiunii în funcțiune.

Abordarea standard este de a folosi o conicitate peste zona de tranziție: dacă treceți de la 3,0 mm la 1,5 mm, înclinați peretele liniar pe cel puțin 4,5 mm (schimbarea de 3 × 1,5 mm). Aceasta distribuie contracția diferențială în zona de tranziție, mai degrabă decât să o concentreze într-un singur punct.

Când sunt necesari pereți ne-uniformi

Unele cerințe funcționale necesită cu adevărat grosimi de perete diferite în zone diferite. O carcasă care trebuie să reziste la sarcinile de impact în punctele de montare, în timp ce este ușoară în zonele panourilor, va avea în mod necesar pereți mai groși în zonele structurale. În aceste cazuri:

Proiectați tranzițiile la fel de gradat pe cât permite geometria

Poziționați secțiunile groase departe de suprafețele cosmetice unde ar fi vizibile urme de chiuvetă

Luați în considerare miezarea internă (golirea secțiunilor groase de pe fața ne-cosmetică) pentru a transforma o secțiune groasă solidă într-o carcasă subțire mai uniformă - care controlează urmele chiuvetei și reduce timpul de răcire fără a sacrifica performanța structurală

Componentele mașinilor de jucărie acoperă o gamă largă de cerințe de grosime a pereților. Panourile caroseriei și elementele structurale mari au, de obicei, 1,5–2,5 mm ABS sau PP - suficient de groase pentru rezistența la impact (un aspect cheie de siguranță în produsele pentru copii conform standardelor de siguranță pentru jucării EN 71 și ASTM F963), suficient de subțiri pentru durata de ciclu acceptabilă și costul materialului.

Elementele decorative mici - ferestre, grile, detalii de ornament - pot fi subțiri până la 0,8–1,0 mm în ABS cu o poziție adecvată a porții. Arcurile de roată și barele de protecție care trebuie să absoarbă impactul sunt de obicei la capătul superior al intervalului, 2,0–3,0 mm, în timp ce panourile de acoperiș și capotă pot fi adesea reduse la 1,5–2,0 mm cu nervuri de rigidizare, mai degrabă decât creșterea grosimii pielii.

Pentru aMașină de jucărie matriță de injecție din plastic, proiectarea grosimii peretelui trebuie să țină seama de cerințele de testare-cădere și de impact în standardele de siguranță aplicabile ca primă constrângere și apoi să optimizeze pentru umplere, răcire și estetică în limitele respective.

Mold pentru injecție pentru șoarece

Carcasele electronice de consum, cum ar fi carcasele mouse-ului, folosesc de obicei ABS sau PC/ABS la o grosime nominală a peretelui de 1,5–2,0 mm. Cerința-peretelui subțire este determinată de preferințele estetice (simț elegant, ușor) și de presiunea competitivă asupra costului pieselor. Cerința cosmetică - suprafețe cu textură înaltă{-lucioasă sau fină- fără urme de scufundare - creează o presiune puternică pentru uniformitate, deoarece orice variație a grosimii peretelui va produce variații vizibile ale calității suprafeței.

Pentru a matriță de injecție cu coajă de șoarece,Provocarea de proiectare este integrarea boșfurilor de montare, a elementelor de fixare și a întăririlor nervurilor într-un perete nominal de 1,5 mm, fără a crea pete groase care să apară sub formă de urme de chiuvetă pe suprafața cosmetică opusă. Regula generală pentru atașarea bofului și nervurilor este că grosimea caracteristicii la rădăcină nu trebuie să depășească 60% din grosimea nominală a peretelui -, astfel încât pentru un perete de 1,8 mm, nervurile nu trebuie să fie mai largi de 1,1 mm la bază.

Matriță de injecție a angrenajului motor

Piesele angrenajului prezintă o problemă diferită de grosime a peretelui: cerințele structurale ale secțiunii transversale-dinților, ale butucului și ale benzii dintre ele sunt determinate de încărcarea mecanică, nu de convențiile de turnare prin injecție. Sarcina inginerului de matriță este să se asigure că aceste geometrii-determinate structural sunt producibile în limitele constrângerilor materialului și procesului de turnare alese.

Pentru amatriță de injecție a angrenajului motor în POM sau PA66GF (nailon umplut cu sticlă-), dinții angrenajului au de obicei o grosime de 1,5–3,0 mm la cercul de pas, cu butucul potențial mai gros. Preocuparea critică este raportul dintre grosimea butucului și grosimea benzii: dacă butucul este semnificativ mai gros decât banda, răcirea diferențială creează stres intern care poate cauza fisurarea butucului în funcționare - un mod de defecțiune care poate dura luni să apară după producție, ceea ce face dificilă diagnosticarea.

Unul dintre cele mai importante principii în proiectarea pieselor de matriță prin injecție este utilizarea caracteristicilor geometrice, mai degrabă decât a grosimii crescute a peretelui, pentru a adăuga rigiditate structurală. O piesă cu nervuri are o rigiditate-la-greutate și rigiditate-la-ciclu-mult mai bune decât o parte echivalentă cu pereți plat-la grosime crescută.

Reguli standard de proiectare a nervurilor

Grosimea nervurii la bază: 40–60% din grosimea nominală a peretelui (pentru a preveni urmele de scufundare pe suprafața opusă)

Înălțimea nervurii: maxim 3× grosimea nominală a peretelui

Distanța nervurilor: minim 2× grosimea nominală a peretelui dintre nervurile adiacente

Pescaj pe părțile coaste: minim 0,5 grade, de preferință 1 grad

Pentru o secțiune de perete de 2,0 mm, aceasta înseamnă că nervurile trebuie să aibă o grosime de 0,8-1,2 mm la bază, să nu depășească 6,0 mm și să fie distanțate la cel puțin 4,0 mm.

Boss Design pentru montare cu șuruburi

Bosurile - caracteristicile cilindrice care acceptă șuruburi sau inserții prin presa-fișare - sunt o sursă obișnuită de semne de scufundare și linii de sudură, deoarece creează secțiuni groase locale. Ghid standard:

Diametrul exterior boss: nu mai mult de 2× grosimea nominală a peretelui

Grosimea peretelui boss: 40–60% din peretele nominal

Baza bofului ar trebui să fie fixată pe cel mai apropiat perete, dacă este posibil - acest lucru distribuie sarcina de atașare a boșajului pe mai mult material și reduce riscul de urme de scufundare

Plăci de gusset pentru armarea colțurilor

Acolo unde doi pereți se întâlnesc la un colț și este nevoie de o rigiditate suplimentară, plăcile de gusset oferă armare fără a adăuga grosimea peretelui. Garniturile trebuie să urmeze aceeași regulă de grosime ca și nervurile (40–60% din peretele nominal) și ar trebui să aibă raze de filet adecvate la bază pentru a preveni concentrarea tensiunilor.

Cazul economic pentru proiectarea la grosimea adecvată a peretelui este simplu. Deoarece timpul de răcire crește cu grosimea peretelui pătrat, reducerea grosimii peretelui de la 3,0 mm la 2,0 mm - o reducere de 33% - reduce timpul de răcire cu aproximativ 56%. Pentru o matriță care funcționează 24/7 la volum mare, aceasta este o diferență transformatoare în economia producției.

Pentru un exemplu practic: o matriță de injecție din plastic de mașină de jucărie care produce panouri de caroserie la o grosime de perete de 3,0 mm ar putea avea un timp de ciclu de 35 de secunde, din care 22 de secunde se răcește. Reducerea la 2,0 mm reduce răcirea la aproximativ 10 secunde, pentru un timp total de ciclu de aproximativ 23 de secunde - o îmbunătățire cu 34% a debitului de la o modificare a designului care nu costă nimic de implementat în timpul fazei de proiectare, dar ar necesita repararea sculelor dacă este aplicată după construirea sculei.

Acesta este motivul pentru care revizuirea design for manufacturability (DFM) care abordează în mod explicit grosimea peretelui este atât de valoroasă: modificările sunt gratuite în etapa de proiectare și sunt costisitoare după tăierea sculelor.

Ingineria și știința polimerilor(2020): Raportul grosimii peretelui (max:min) a fost cel mai puternic predictor al deformarii în 85 de piese turnate prin injecție pentru consumatori. Un raport sub 1,5:1 a însemnat o deformare medie de 0,12 mm; peste 3:1 a avut o medie de 0,61 mm - o diferență de cinci ori.

Journal of Polymer Engineering(2019): Reducerea raportului dintre nervuri-la-grosimea peretelui de la 75% la 50% a eliminat urmele de chiuvetă pe suprafața cosmetică opusă în piesele ABS în toate geometriile testate, în timp ce creșterea raportului de la 50% la 80% a produs urme vizibile de chiuvetă în toate cazurile.

Jurnalul Internațional de Tehnologie Avansată de Fabricare(2021): Reducerea grosimii peretelui de la 3,0 mm la 2,0 mm într-o componentă a carcasei electronice de larg consum a redus costul materialului cu 29%, timpul ciclului cu 38% și deformarea cu 47% - confirmând că designul-peretelui subțire, atunci când este executat corect, îmbunătățește simultan toate cele trei valori cheie de producție.

Un producător de jucării dezvolta o nouă linie de vehicule replici turnate la scară 1:18, cu caroserii ABS detaliate. Designul inițial al piesei avea o grosime nominală a peretelui care varia de la 1,2 mm în zonele panoului până la 4,5 mm la punctele de montare structurală - un raport de 3,75:1 pe care revizuirea Sunhingstones DFM a semnalat imediat.

Punctele de montare de 4,5 mm generau urme mari de chiuvetă pe suprafața opusă vizibilă, timpul ciclului rula la 58 de secunde pentru a permite răcirea adecvată a secțiunilor groase, iar deformarea panoului acoperișului a depășit specificația de planeitate de 0,3 mm.

Programul de optimizare a implicat trei modificări:

Punctele groase de montare au fost miez interne din partea inferioară, reducând grosimea efectivă a peretelui de la 4,5 mm la 2,2 mm, menținând în același timp înălțimea boșajului și funcția structurală.

Tranziția de la zona boss de 2,2 mm la zona panou de 1,5 mm a fost gradată peste 8 mm, mai degrabă decât pasul abrupt inițial

Două nervuri suplimentare de rigidizare (0,8 mm grosime, 4,5 mm înălțime) au fost adăugate la panoul de acoperiș pentru a restabili rigiditatea structurală pierdută prin reducerea grosimii panoului de la 1,8 mm la 1,5 mm.

Rezultate: durata ciclului redus de la 58 la 31 de secunde, semnele de scufundare pe suprafețele cosmetice eliminate, deformarea panoului acoperișului redusă la 0,18 mm (în cadrul specificațiilor). Greutatea materialului pe parte a scăzut cu 14%, îmbunătățind și mai mult economia unității. Acum matrița funcționează la volum maxim, cu neconformități zero dimensionale la defectele legate de-grosimea-peretelui.

Alegerea grosimii peretelui făcută în faza de proiectare a produsului determină timpul ciclului, costul piesei, calitatea dimensională și performanța cosmetică pentru fiecare piesă produsă vreodată de matriță. Ele sunt ieftine de optimizat în faza de proiectare și costisitoare de reparat după ce sculele sunt angajate. Obțineți elementele de bază corecte - grosime constantă a peretelui în intervalele adecvate de material-, tranziții gradate, nervuri în loc de secțiuni groase pentru rigiditate - și matrița funcționează bine de la început.

La Sunhingstones, fiecare proiect nou de matriță începe cu o revizuire DFM care evaluează în mod explicit rapoartele de grosime a peretelui, proporțiile nervurilor și bofurilor și geometria traseului de umplere. Experiența noastră cuprinde echipamente de precizie și matrițe pentru componente mecanice, carcase pentru electronice de larg consum și unelte pentru jucării și produse de larg{1}}de larg consum.

Contactați acum

Bralla, JGManual de proiectare pentru fabricabilitate, Ediția a II-a. McGraw-Hill, 1998.

Malloy, RAProiectarea pieselor din plastic pentru turnarea prin injecție: o introducere. Editura Hanser, 1994.

Beaumont, JP şi colab.Turnare prin injecție de succes: proces, proiectare și simulare. Editura Hanser, 2002.

Kim, HS şi colab. „Efectul raportului de variație a grosimii peretelui asupra deformarii în produsele de consum turnate prin injecție.”Ingineria și știința polimerilor, 2020.

Xu, G. şi colab. „Raportul-la-grosimea peretelui și formarea semnelor de chiuvetă în piesele turnate prin injecție ABS.”Journal of Polymer Engineering, 2019.