Выбор полимера, анализ процесса и особенностей конструкции: в данной статье представлен список вопросов, полезных при разработке оптимального дизайна изделий, получаемых методом литья под давлением.
Литье под давлением - это высокотехнологичный процесс, который требует тщательного планирования и внимания к деталям, чтобы готовый продукт полностью раскрыл свой потенциал. Coветы, приведенные в этой статье, должны помочь дизайнерам и инженерам понять некоторые основы процесса литья под давлением, что даст возможность лучше взаимодействовать с производителями оборудования и принимать верные решения в процессе проектирования и разработки детали.
С чего начать?
Перед началом проектирования любой детали, производимой методом литья под давлением, необходимо ответить на следующие вопросы:
- Какую функцию будет выполнять деталь?
- Где она будет применяться (в автомобиле, в промышленности, медицине, в домашнем обиходе, с пищевыми продуктами и т.д.)?
- Разрабатываете ли вы новый продукт или модифицируете уже существующий?
- Кто является «заинтересованными сторонами» в это проекте? В эту группу следует включить всех поставщиков производственной цепи, производителей оборудования, специалистов по продажам и маркетингу, а также иных заинтересованных лиц. Каждое звено в этой цепочке как правило имеет свой набор требований к изделию, и чем раньше все требования будут определены, тем лучше, так как это позволит сохранить время и деньги.
Всегда следует уточнять, является ли целью процесса уменьшение стоимости производства за счет комбинирования нескольких деталей в одну, то есть исключение сборочных работ.
Моменты, которые нужно учитывать дизайнеру и производителю
На первом этапе определяются цели и приоритеты дизайна. Разработка любого изделия начинается с уточнения всех целей, расстановки их по приоритету и дальнейших попыток достигнуть оптимального баланса, удовлетворяющего эти цели.
Для любого изделия безопасность имеет первостепенное значение, но следует обратить внимание и на другие моменты: является ли целью процесса уменьшение стоимости производства за счет комбинирования нескольких деталей в одну, то есть исключение сборочных работ? Либо же целью является уменьшение веса детали, улучшение функциональности, упрощение конструкции, увеличение прочности/жесткости? Важна ли эстетическая сторона (цвет, текстура, конфигурация)? Или прочность изделия в приоритете?
Также на этом этапе необходимо рассмотреть следующие вопросы:
Кто является владельцем конечного продукта и инструментов производства? Многие клиенты обращаются к нам с уже существующим дизайном, зачастую спроектированным предыдущим производственником, собственным дизайнером или аутсорсером. Однако по завершении проекта клиент всегда должен владеть всей информацией о конструкции детали и необходимым оборудованием.
Имеет ли рассматриваемый вами поставщик опыт работы в вашей области? Например, автомобильные, медицинские и бытовые изделия имеют совершенно разные требования и характеристики.
Каковы промежуточные этапы проекта и конечный срок выполнения? Не откладывайте вовлечение производителя в процесс разработки, делайте это уже на этапе создания концепции. Именно на ранних этапах могут быть определены нюансы, позволяющие экономить средства. Кроме того, в зависимости от свойств конечного продукта может меняться и выбираемый полимер. Например, если важна ударопрочность, то следует применить специальные добавки. Первоначальное знание используемого пластика позволяет правильно сконструировать пресс-форму и избежать дальнейших доработок и переделок.
Подбор правильного технологического процесса литья
За некоторым исключением, опытные литейщики пластмасс могут настроить технологический процесс для практически любого термопластика и любого изделия. Но, например, некоторые полимеры требуют высокой температуры, что в свою очередь требует специализированного оборудования. «Микролитье» очень мелких изделий и производство очень больших отливок также порой могут вызывать затруднения.
В большинстве же случаев описанные ниже технологии литья под давлением подходят для широкого спектра применения.
Традиционное литье под давлением. Обычно выполняется в два этапа: сначала расплав впрыскивается в пресс-форму и под действием температуры и давления растекается по всей полости пресс-формы, а затем деталь охлаждается и выталкивается. Таким способом могут быть отлиты детали весом от нескольких граммов и до 8 кг.
Литье под давлением конструкционной пены. Конструкционные вспененные пластмассы могут заменить многие типы материалов, в том числе металл, дерево, бетон и стекловолокно, но при этом изделие весит на 10–30% легче, без потери долговечности.
Литье под давлением с газом. Процесс подразумевает впрыскивание инертного газа в полость формы на этапе уплотнения, что обеспечивает стабильность размеров, особенно в отношении толстостенных изделий. Позволяет минимизировать деформацию и появление следов утяжин. Данная технология также дает возможность использования станка с меньшим усилием смыкания, что в свою очередь уменьшает энергозатраты.
Многослойное литье. Данный процесс позволяет комбинировать две и более пластиковые или металлические детали, а также детали из эластомеров в одно итоговое изделие.
Предварительные технические требования к конструкции
Чтобы помочь всем заинтересованным сторонам разработать максимально эффективный дизайн изделия, необходимо на начальном этапе обсудить некоторые ключевые аспекты, которых мы коснемся далее.
Геометрия детали
Конструкция некоторых изделий может вызывать сложности с проливанием. Размер, форма и толщина стенки продукта могут стать причиной возникновения деформации, коробления, и других дефектов. Такие элементы, как защелки, подрезы, выступы, ребра и окна, могут усложнить процесс литья и увеличить затраты.
Для определения потенциальных дефектов детали некоторые производители используют специальные программы CAD для моделирования и анализа проливаемости изделия еще до момента утверждения проекта. Такой анализ крайне важен, вне зависимости от того, кто его производит.
Когда речь заходит об оптимальной стоимости единицы изделия, производители определяют порог рентабельности, объем производства, продолжительность работ, а также стоимость изготовления оборудования, транспортные расходы и затраты на вторичные операции.
Выбор материала
Первый шаг на этапе выбора полимера – определение ключевых физических свойств, требуемых от конечного продукта, таких как прочность, электрические свойства, устойчивость к химическим веществам и температурам, механическому воздействию. Термопластические полимеры разделяются на 2 основных класса: промышленные и бытовые. Далее кратко разберем ключевые особенности этих двух классов пластмасс.
Промышленные марки:
- Нейлон – жесткий, высоко устойчив к термическому и химическому воздействию.
- Поликарбонат – прочный, прозрачный, выдерживает хороший диапазон температур.
- АБС – ударопрочный, жесткий, отличное качество поверхности и окрашиваемость.
- ПС/АБС – стабилен в процессе переработки, ударопрочен при низкой температуре, минимальная усадка.
- Термопластичный эластомер (ТЭП) – «мягкий» на ощупь и используется в качестве замены резине, высокая прочность на разрыв, гибкость.
- Акрил – прозрачный, хорошо подходит для изделий, используемых на открытом воздухе.
- Ацетил – превосходная износостойкость, отлично подходит для изготовления шестеренок.
- Конструкционная пена – хорошее соотношение веса и жесткости, подходит для замены металла.
Бытовые марки:
- Полипропилен (ПП) – хорошая усталостная прочность, устойчивость к химическому воздействию, низкая стоимость.
- Полиэтилен (ПЭ) – универсальный, недорогой, прочный, устойчив к атмосферным явлениям, легко обрабатывается.
- Полистирол (ПС) – низкая стоимость, устойчив к широкому спектру воздействий, хорошая жесткость и прозрачность.
- Поливинилхлорид (ПВХ) – низкая стоимость, устойчив к химическому воздействию и воздействию атмосферных явлений, может быть окрашен, огнестойкий.
Требования к прочности
Охарактеризуйте степень прочности, требуемую от детали. От одних требуется способность выдерживать постоянные удары и нагрузки (как, например, выключатель), а другие должны выдерживать вес внутренних компонентов.
Если это несущая деталь, то нужно учесть вес нагрузки, продолжительность, площадь приложения силы, какая нужна прочность на разрыв (наибольшая продольная нагрузка на поверхность, которую деталь может выдержать не разорвавшись), а также необходимый коэффициент запаса прочности.
Требования к ударной прочности
Вопрос, на котором следует сконцентрировать внимание, – это ожидаемая ударная нагрузка (например, падение изделия на твердую поверхность с высоты 5 м или падение груза на саму деталь). Такие ударные испытания позволяют получить ценную информацию. Используя пресс-формы для схожих изделий, производитель может изготовить прототипы из разных видом полимеров, а затем сравнить их свойства.
Температурное воздействие
При проработке данной характеристики необходимо учитывать:
- минимальную/максимальную температуру, которой будет подвергаться изделие;
- тип источника тепла (пламя, воздействие солнце, нагревательные элементы и др.);
- деформационную теплостойкость материала (HDT), то есть температуру, при которой полимер начинает деформироваться при определенной нагрузке.
Условия эксплуатации
Будет изделие использоваться в помещении или на открытом воздухе? Крайне важно учесть все факторы, которые могут влиять на внешний вид изделия и его работу, такие как бактерии, пламя и химическая и влагостойкость.
Цвет
Наряду с различными техническими требованиями, предъявляемыми к отливке, внешний вид также имеет немаловажное значение. Дизайнер, инженер или непосредственный производитель должны совместно рассмотреть следующие моменты:
- требования к цветовой палитре (должен ли цвет соответствовать каким-то стандартам корпоративного стиля?);
- насыщенность цвета;
- цветовая согласованность отливок разных циклов;
- стабильность цвета в процессе литья;
- стойкость цвета (начальная и долговременная);
- глубина цвета.
За некоторым исключением, опытные производители могут настроить литье практически любого вида термопластика и изделия любой конструкции. Технологии традиционного литья под давлением, литья конструкционной пены, литья с газом и многослойного литья способны удовлетворить требования широкого спектра.
Безопасность и соответствие нормативным требованиям
В случае поломки изделия может возникнуть ответственность за возможные травмы физических лиц, повреждения имущества или воздействие на окружающую среду. В нашей статье мы не рассматриваем юридические аспекты подобных ситуаций, но всегда следует помнить, что ответственность есть во всех сферах производства, особенно если речь идет о медицинских изделиях и медицинском оборудовании.
В зависимости от области применения изделия, могут быть необходимы различные испытания и получение сертификатов от государственных и/или частных организаций, как национальных, так и международных.
Стоимость
Какова оптимальная себестоимость изделия, чтобы проект был рентабельным? Ответить на данный вопрос может непосредственно производитель, включив в сумму следующие нюансы:
- рентабельность, объем партии и срок изготовления;
- производственный план (оправдывает ли объем производства изготовление более одной формы для параллельного литья одного изделия?);
- оптимизация (транспортировка, вторичные операции и эффективность).
Жизненный цикл изделия
Будет деталь использоваться непрерывно или периодически? Важно понимать, будет ли продукт подвергаться воздействию один раз в день или один раз в час? Каков эксплуатационный износ? Стоит ли учитывать при расчете прочности такие нюансы, как, например, возможное падение изделия, находящегося на стенде?
Предполагаемое годовое использование, объемы производства и срок службы изделия могут влиять на требования к продукту, а именно на его конструкцию, выбор материала и методы заключительной обработки.
Держите контрольный список под рукой.
Таковы основные вопросы и моменты, которые следует рассмотреть и обсудить всем заинтересованным в проекте сторонам перед началом работ.
Подобные рассуждения могут показаться излишними и утомительными, но опытные специалисты рекомендуют не пренебрегать этим. Лучше всего составить список всех требований и вопросов на бумаге и предварительно согласовать их с дизайнерами и производителем.
В контрольный список следует включить следующие вопросы:
- Что из себя представляет изделие и его описание?
- Каков размер и форма изделия?
- Для кого и для чего нужен этот продукт?
- Как деталь должна выглядеть? Каковы требования к внешнему виду и имеются ли стандарты корпоративного стиля?
- Каковы требования к твердости и прочности детали?
- Каковы, если они имеются, методы сборки?
- Какова оптимальная себестоимость за одно изделие?
- Какое количество изделий необходимо?
- Каков ожидаемый срок службы изделия?
Ответы на эти вопросы послужат отправной точкой для инженера-конструктора и позволят правильно, в срок и без лишних затрат разработать дизайн проекта, который удовлетворит и непосредственного производителя, и потенциального конечного пользователя, и все заинтересованные стороны.
