Основы прототипного литья под давлением

Представляем вашему вниманию краткое руководство по настройке толщины стенок, обработке поверхности, выбору материала и другим важным критериям, отличающим прототипное литье под давлением от обычного.

Моделирование изделий из пластмассы, которые могут быть отлиты, всегда имело большое значение для процесса традиционного литья под давлением. Однако для прототипного литья (rapid injection molded, RIM) это становится первостепенной задачей из-за необходимости поддержания постоянной скорости и качества во время производства. Ниже представлен анализ некоторых важных моментов в проектировании для прототипного литья.

Прототипное литье под давлением

В технологии RIM модели CAD отправляются непосредственно в производственный цех, где начинается фрезеровка пресс-формы. В большинстве случаев пресс-формы изготавливаются из алюминия, а не из стали. Алюминиевая оснастка изготавливается быстрее и экономически более выгодна по сравнению с традиционной оснасткой из стали.

RIM объединяет в себе литье с использованием боковых вставок и вставок, вводимых вручную, а также многослойное литье и литье со вставками. Выборочное использование электроэрозионной обработки может улучшить вид углов и кромок. Доступны разные варианты конечной обработки поверхности. Все это позволяет приступить к производству изделий спустя несколько недель, а не месяцев как при традиционном методе литья под давлением.

Слева направо, компоненты пресса для RIM включают: гидравлический пресс (1), шнек (2), загрузочный бункер (3), материальный цилиндр (4), нагреватели (5), материал (6), сопло (7), пресс-форма (8) и изделие (9).

Ниже перечислены наиболее типичные случаи использования RIM технологии:

• Короткий цикл с быстро сделанными прототипами
• Тестирование с готовыми к эксплуатации деталями на этапе разработки изделия
• Тестирование нескольких материалов
• Тестирование нескольких моделей CAD
• Использование прототипной оснастки
• Мелкосерийное производство изделий на заказ
• Нестабильность спроса
• Получение нескольких тысяч изделий за несколько дней

Особенности изделий в технологии RIM

Далее представлен краткий обзор основных факторов, от толщины стенок до радиуса уклона, которые должен учитывать конструктор и инженер при моделировании изделий для литья под давлением.

Толщина стенки: самый важный критерий для получения отливок хорошего качества – это равномерная толщина стенок. Таким образом вероятность получения деформированных или коробленых изделий сводится к минимуму.

Примечание: это общие данные, которые могут меняться в зависимости от геометрии изделия. Большие изделия не должны иметь минимальную толщину стенок. Лаборатории, занимающиеся, разработкой прототипов, за стандарт берут толщину стенки 0,040-0,140 дюймов.   

Геометрия знака: уменьшайте центральную часть изделия для исключения формирования толстых стенок. Функции знака остаются такими же, как и в традиционном процессе литья под давлением. Излишняя толщина может изменить размеры изделия, уменьшить прочность и сделать последующую механическую обработку обязательной.  

Слева изначальная модель изделия. Справа модель изделия, у которого была уменьшена толщина, при этом оно сохраняет свою функциональность.  

Уклоны: убирайте резкие переходы, которые вызывают остаточное напряжение.

Закругление: закладывайте в конструкцию детали, которые сами себя поддерживают.

Скругление: острые углы ослабляют части и создают остаточное напряжение от движения потока пластика. Необходимо закруглять острые углы.

Ребра: во избежание появления утяжек ребра должны составлять не более 60% от толщины стенки.

Втулки: не создавайте втулки с толстыми стенками, они могут привести к образованию утяжин и пустот в изделии.

Втулки слева имеют слишком толстые стенки, которые не заполнятся, будут образовываться пустоты. Втулки справа дают достаточно прочности и без толстых стенок.

Конусность: конусность (покатость вертикальных стенок) позволяет легче извлекать изделия без образования на них следов вытягивания или следов толкателя. Конусность также дает возможность увеличивать глубину, уменьшает вибрацию инструмента и снижает риск появления косметических дефектов при фрезеровании стенок. По возможности используйте уклон хотя бы в 1 градус. При конструировании матрицы и пуансона – минимум 2 градуса, ползунов – 1 градус на каждые 2 дюйма глубины. При глубине 2-4 дюйма потребуются 3 градуса или толщина как минимум 1/8 дюйма.

Матрица-пуансон: при конструировании используйте матрицу и пуансон вместо ребер. Это обеспечит равномерную толщину стенок вместо утолщений в районе основания. Также это улучшает внешний вид поверхности и увеличивает скорость изготовления.

Поднутрения: поднутрение – часть изделия, которая перекрывает его другую часть, создавая препятствие между изделием и одной или двумя половинами пресс-формы. На рисунке внизу слева (1) показан замок с поднутрением. На рисунке справа (2) отверстие под поднутрение позволяет пресс-форме для литья пластика пройти сквозь изделие и сохранить изделию форму защелки.

Боковые вставки: боковые вставки формируют поднутрения на внешней части изделия. Поднутрения должны быть на линии разъема или соединены с ней. Они также должны быть в плоскости линии разъема, соединены и перпендикулярны направлению раскрытия пресс-формы.

Синяя деталь – это боковая А-вставка.

Упругая деформация: это небольшое поднутрение в конструкции изделия, которое позволяет извлекать изделие из обычной пресс-формы, не используя боковые вставки. Упругая деформация может стать решением проблемы для маленьких поднутрений, однако надо брать во внимание геометрию изделия и используемый материал.  

Зеленая деталь – это деталь с упругой деформацией.

Закладные: это отдельный кусок металла, вставляемый в пресс-форму для создания поднутрения. Он выталкивается вместе с изделием, а затем отделяется оператором вручную и снова вставляется в пресс-форму. Использование закладных позволяет дизайнерам обойти ограничения по форме и расположению, но его применение дороже, чем применение боковых вставок.

Стальные знаки: отверстия могут быть сделаны с помощью стальных знаков в пресс-форме. Стальной знак достаточно прочен, чтобы выдержать напряжение выталкивания и имеет достаточно гладкую поверхность, чтобы быть извлеченным, не оставив следов вытягивания. На конечном изделии не будет косметических дефектов, а если будут, то они появятся на внутренней части отверстия, где их не видно.

Логотипы и текст: поверхности с текстурой, пронумерованные части, логотипы компаний – все это выглядит хорошо, но надо быть готовыми заплатить за эти и другие, не связанные с основной функцией, характеристики. Однако нумерация изделий – это обязательное требование, например, в аэрокосмической и военной сферах. Что касается текста, дизайнеры рекомендуют следующее:

• Используйте простое для фрезеровки шрифты (гротесковые шрифты), такие как Century Gothic Bold, Arial илиVerdana.
• Размер шрифта должен быть не менее 20.
• Глубина не должна превышать 0,010-0,015 дюймов.
• Будьте готовыми к увеличению углов уклона, когда вопрос коснется выталкивания.

Щелевые литники: тонкая кромка ограничивает поток расплава и может сломаться во время отрыва литника. Щелевой литник позволяет сделать место примыкания к изделию толще.

Сопрягаемые части: одинаковые части, которые разъединяются и соединяются, позволяют сэкономить на второй пресс-форме. Сопрягаемые элементы могут включать в себя штифты, и отверстия, соединяющиеся края, крючки и защелки.

Допуски: обычно конструкторы придерживаются точности ±0,003 дюйма. Допуски в усадке зависят, прежде всего, от конструктива изделия и выбора пластика. Они могут варьироваться от 0,002 дюйма для таких стабильных пластиков, как АБС и поликарбонат, до 0,025 дюйма для такого нестойкого пластика, как ТЭП. Есть разные технологии, позволяющие добиться максимальной точности.  

Выбор материала

При выборе материала для изделия необходимо учитывать механические, физические характеристики, химическую устойчивость, термостойкость, электрическое сопротивление, горючесть и стойкость к УФ-излучению.  Производители пластика, технологи и независимые системы поиска пластика выкладывают характеристики на своих сайтах. Ниже представлены описание видов пластика, чаще всего используемых для товаров массового потребления, а также инженерного пластика.

Пластик для товаров массового потребления

Полипропилен

• Мягкий
• Вязкий
• Дешевый
• Химически устойчивый
• Из него получаются хорошие гибкие шарниры

Полиэтилен

• Мягкий
• Вязкий
• Дешевый
• Химически устойчивый
• Высокая плотность
• Низкая плотность

Полистирол

• Твердый
• Прозрачный
• Дешевый
• Хрупкий, но можно придать жесткость

Инженерный пластик

АБС

• Недорогой
• Ударопрочный
• Используется для изготовления корпусов оборудования и бытовых приборов
• Подвержен усадке

Ацеталь

• Более дорогой
• Прочный
• Хорошая износостойкость и обрабатываемость
• Очень чувствителен к избыточной толщине стенки

Жидкокристаллические полимеры

• Очень дорогие
• Очень прочные
• Проливаются очень тонкие части
• Слабые линии стыка

Нейлон

• Умеренная стоимость
• Очень прочный
• Подвержен усадке и короблению, частично стеклонаполненный
• Впитывает воду, что ведет к изменениям размеров и свойств

Поликарбонат

• Умеренная стоимость
• Очень вязкий
• Хорошая точность размеров
• Чувствителен к растрескиванию под химическим воздействием, образованию раковин

К прочим видам инженерного пластика относятся полибутилентерефталат (ПБТ), ПЭТ, полифениленсульфид, полисульфон, полиэфирсульфон (ПЭС) и полиэтиленимин.

Выбор красителя: обычные цвета пластика при оптовой закупке – черный и неокрашенный. Неокрашенный пластик может быть белым, бежевым, янтарным или другим цветом. Прочие цвета создаются путем добавления красителя к неокрашенному пластику.

Добавки к пластику

Короткое стекловолокно добавляется в пластик для придания прочности и уменьшения деформации, особенно при высоких температурах. Они делают пластик более жестким и ломким. Добавление короткого стекловолокна часто приводит к короблению из-за разницы в усадке у пластика и волокон.  

Длинное стекловолокно используется для придания прочности и уменьшения деформации, делает пластик более жестким и ломким. Отрицательным эффектом является плохая проливаемость тонкостенных изделий.

Арамидное волокно (кевлар) менее абразивно, но и менее прочное.

Углеродное волокно укрепляет пластик и/или делает более прочным, а также способствует снижению количества электростатических помех. Имеет те же недостатки, что и стекловолокно. Углеродное волокно делает пластик очень твердым.

Волокно из нержавеющей стали используется обычно в корпусах для электротехнических приборов для контроля электростатических помех и радиочастотных. У него проводимость лучше, чем у углеродного волокна.

Минералы, такие как тальк и глина применяются в качестве наполнителей для снижения стоимости или увеличения твердости конечных изделий. Из-за меньшего процента усадки могут уменьшить коробление.

Фторопласт (тефлон) и дисульфид молибдена используются в производстве самосмазывающихся подшипников.

Стеклянная дробь и хлопья слюды делают материал более прочным и снижают коробление и усадку. При повышенной нагрузке могут быть сложности с извлечением.

Ингибиторы ультрафиолета используются в предметах, находящихся на улице, предотвращают разложение под воздействием солнечного света.

Статическая закалка способствует снижению количества электростатических помех.