Які вимоги до дизайну товщини стінок ливарних форм?

Товщина стінки литої деталі визначає одночасно:

Поведінка при заповненні: тонкі стінки мають більший опір потоку. Матеріал повинен пройти крізь тонкі ділянки, перш ніж замерзнути, що обмежує те, наскільки далеко від воріт може простягнутися тонка стінка, перш ніж заповнити її.

Час охолодження: шкала часу охолодження з квадратом товщини стінки. Товщина стінки подвоюється, а час охолодження збільшується приблизно в чотири рази, що безпосередньо впливає на тривалість циклу та економіку виробництва.

Усадка та викривлення: пластик стискається під час охолодження. Більш товсті секції охолоджуються повільніше і стискаються більше, ніж тонкі секції. У місцях з’єднання товстих і тонких секцій диференціальна усадка створює внутрішню напругу -, яка проявляється як викривлення, сліди западини або те й інше.

Конструкційні характеристики: для несучих-навантажень мінімальна товщина стіни встановлюється структурними вимогами. Для суто косметичних функцій це встановлюється обмеженнями заповнення та охолодження.

Дослідження 2020 року, опубліковане вПолімерна техніка та наукавиявили, що варіація товщини стінки -, зокрема співвідношення максимальної до мінімальної товщини стінки в межах однієї деталі -, була найсильнішим єдиним предиктором величини викривлення у вибірці з 85 геометричних форм споживчого продукту, виготовленого під тиском. Деталі з відношенням товщини стінки нижче 1,5:1 показали середнє викривлення 0,12 мм; деталі зі співвідношенням понад 3:1 показали середнє викривлення 0,61 мм - п’ятикратне збільшення.

Рекомендації щодо товщини стінки відображають характеристики текучості, усадку та структурні властивості кожного класу матеріалу. Ці діапазони представляють типові виробничі-життєздатні цілі -, а не абсолютні фізичні обмеження.

ABS (акрилонітрил-бутадієн-стирол)

Типова товщина стінки: 1,2–3,5 мм, при цьому 1,5–2,5 мм є найпоширенішим виробничим діапазоном.

АБС має хороші характеристики текучості та відносно низьку усадку (0,4–0,8%), що робить його пробачливим для помірно складних геометрій. Це найпоширеніший матеріал для корпусів споживчої електроніки, включно з корпусами мишок. Стінки менше 1,2 мм можна отримати, але вимагають ретельного литування, високого тиску впорскування та точного регулювання температури. При товщині вище 3,5 мм час охолодження стає тривалим, а сліди раковини на протилежних поверхнях важко усунути.

Поліпропілен (PP)

Типова товщина стінки:0,8–3,8 мм, із 1,5–2,5 мм, загальним для конструкційних частин споживача.

ПП легко тече і стійкий до тонких стінок у простих геометричних формах, але його висока швидкість усадки (1,0–2,5% залежно від сорту та кристалічності) створює більшу абсолютну усадку, ніж АБС. дляпластикова форма для лиття під тиском іграшкового автомобілязастосування, ударостійкість і хімічна стійкість поліпропілену роблять його поширеним вибором, але висока усадка вимагає більш консервативної рівномірності товщини стінки, ніж ABS, щоб контролювати викривлення.

Нейлон (PA6 / PA66)

Типова товщина стінки: 0,8–3,0 мм для ненаповнених марок; 1,5–4,0 мм для скляних-варіантів.

Кристалічна природа нейлону означає, що він переходить з розплавленого стану в твердий більш різко, ніж аморфні матеріали, що впливає як на поведінку заповнення, так і на усадку. Армований скло-PA66 -, який є звичайним для конструктивних компонентів, таких як корпуси двигунів і редуктори -, має значно нижчу усадку, ніж ненаповнений нейлон (0,3–0,8% проти 1,0–2,0%), але більш чутливий до ефектів орієнтації від течії. Рівномірність товщини стінки особливо важлива для нейлонових деталей зі скло-наповнювачем, щоб уникнути градієнтів орієнтації волокон, які створюють анізотропну усадку.

Полікарбонат (PC) і суміші PC/ABS

Типова товщина стінки: 1,0–3,5 мм, з більш вузькими діапазонами для оптичних або точних застосувань.

PC має нижчу потік, ніж ABS, і вимагає вищого тиску впорскування та температури форми, що обмежує фактичну тонкість стінок при збереженні заповнення. Для корпусів миші або панелей дисплеїв, які вимагають оптичної чіткості ПК або стійкості до ударів, стінки товщиною менше 1,2 мм вимагають ретельного розміщення воріт і аналізу потоку. Суміші ПК/АБС забезпечують дещо кращу текучість, ніж чистий ПК із подібними ударними характеристиками, і широко використовуються для побутової електроніки при товщині стінки 1,5–3,0 мм.

POM (ацеталь/поліоксиметилен)

Типова товщина стінки:0,8–3,0 ммдля стандартних оцінок.

POM є матеріалом вибору для багатьох прецизійних механічних компонентів -, включаючи деякі типи передач -, завдяки його чудовій стабільності розмірів і низькому коефіцієнту тертя. Його кристалічна природа дає йому різку температуру затвердіння, що означає, що тонкі стінки швидко замерзають, але також означає, що час замерзання-затвору має бути ретельно визначений. POM має дуже низьку толерантність до зміни товщини стінки: диференціальна усадка в POM створює високу залишкову напругу, яка часто призводить до розтріскування під час експлуатації, а не до видимого викривлення під час виробництва.

Основне правило проектування товщини стінки полягає в підтримці максимально однакової товщини стінки по всій частині. Цей принцип існує тому, що:

Однорідні стіни всюди охолоджуються з однаковою швидкістю - немає різної усадки, немає градієнтів внутрішніх напруг

Рівномірні стіни скрізь заповнюють однаковий опір потоку - відсутність пріоритетних шляхів потоку, які спричиняють-відстеження чи повітряні пастки

Однорідні стіни мають передбачувану та постійну усадку -, яку виробник форми може компенсувати єдиним припуском на усадку, а не допусками,-залежними від положення

Практична мета полягає в тому, щоб товщина стінки коливалася в межах 1,5:1 (від максимальної до мінімальної товщини), де це можливо. Якщо функціональні вимоги частини вимагають більшої варіації, перехід має бути обережним.

Градуйовані переходи

Коли товщина стінки має змінюватися -, наприклад, перехід від конструктивного виступу на стіні 3,0 мм до тонкої зони покриття на 1,5 мм - зміна має бути поступовою на відстані, щонайменше в три рази перевищує різницю товщини, а не різко. Ступінчаста зміна товщини стінки створює концентрацію напруги на переході, яка стає переважним місцем для слідів раковини, ліній зварювання та розтріскування під напругою під час експлуатації.

Стандартним підходом є використання звуження над перехідною зоною: якщо переходити від 3,0 мм до 1,5 мм, звужуйте стіну лінійно принаймні на 4,5 мм (зміна 3 × 1,5 мм). Це розподіляє диференційовану усадку по перехідній зоні, а не концентрує її в одній точці.

Коли потрібні не-однорідні стіни

Деякі функціональні вимоги справді вимагають різної товщини стінок у різних областях. Корпус, який має протистояти ударним навантаженням у точках кріплення, але при цьому має малу вагу в зонах панелей, обов’язково матиме товщі стінки в структурних зонах. У цих випадках:

Розробляйте переходи настільки поступово, наскільки це дозволяє геометрія

Розташуйте товсті зрізи подалі від косметичних поверхонь, де можна було б побачити сліди раковини

Розглянемо внутрішнє вирізання серцевини (видалення товстих ділянок з не-косметичного обличчя), щоб перетворити суцільний товстий ділянку на одноріднішу тонку оболонку -, яка контролює сліди раковини та скорочує час охолодження без шкоди для структурних характеристик

Компоненти іграшкового автомобіля охоплюють широкий діапазон вимог до товщини стінок. Панелі корпусу та великі структурні елементи зазвичай мають товщину 1,5–2,5 мм ABS або PP -, достатньої для стійкості до ударів (ключовий аспект безпеки дитячих товарів відповідно до стандартів безпеки іграшок EN 71 і ASTM F963), достатньо тонких для прийнятного часу циклу та вартості матеріалів.

Невеликі декоративні елементи - вікна, решітки, деталі обробки - можуть мати товщину 0,8–1,0 мм у ABS із відповідним розміщенням воріт. Колісні арки та бампери, які мають поглинати удари, зазвичай знаходяться у верхній частині діапазону, 2,0–3,0 мм, тоді як панелі даху та капота часто можна зменшити до 1,5–2,0 мм за допомогою ребер жорсткості замість збільшення товщини обшивки.

Для aпластикова форма для лиття під тиском іграшкового автомобіля, проектування товщини стінок має враховувати вимоги щодо-випробувань на падіння та удар у відповідних стандартах безпеки як перше обмеження, а потім оптимізувати заповнення, охолодження та естетику в цих межах.

Форма для лиття під тиском оболонки миші

Корпуси споживчої електроніки, як-от оболонки для мишок, зазвичай використовують ABS або PC/ABS із номінальною товщиною стінки 1,5–2,0 мм. Вимоги до тонких-стінок обумовлені естетичними перевагами (витонченість, легкість) і конкурентним тиском на вартість деталей. Косметична вимога до - високого-глянцю або тонкої{7}}текстури поверхонь без слідів раковини - створює сильний тиск для однорідності, оскільки будь-яка зміна товщини стінок спричинить видиму зміну якості поверхні.

Для a форма для лиття під тиском оболонки миші,Проблема проектування полягає в тому, щоб інтегрувати монтажні виступи, елементи замикання та посилення ребер у стіну номінально товщиною 1,5 мм без створення товстих плям, які виглядають як сліди раковини на протилежній косметичній поверхні. Емпіричне правило для кріплення бобишок і ребер полягає в тому, що товщина елемента в корені не повинна перевищувати 60% від номінальної товщини стінки -, тому для стінки оболонки 1,8 мм ребра не повинні бути ширшими за 1,1 мм біля основи.

Прес-форма для лиття двигуна

Деталі зубчастих передач викликають іншу проблему щодо товщини стінок: структурні вимоги до поперечного-перерізу зуба, втулки та перетинки між ними визначаються механічним навантаженням, а не умовами лиття під тиском. Робота інженера прес-форм полягає в тому, щоб переконатися, що ці структурно-визначені геометрії можна виробляти в межах обмежень вибраного матеріалу та процесу формування.

Для aпрес-форма для лиття двигуна у POM або PA66GF (нейлон, наповнений скло-), зубці шестерні зазвичай мають товщину 1,5–3,0 мм на ділильному колі, а втулка потенційно товща. Критичною проблемою є співвідношення між товщиною втулки та товщиною перетинки: якщо втулка значно товща за перетинку, диференціальне охолодження створює внутрішню напругу, яка може спричинити розтріскування втулки під час експлуатації - режим відмови, який може з’явитися через місяці після виробництва, що ускладнює діагностику.

Одним із найважливіших принципів проектування деталей ливарних форм є використання геометричних особливостей, а не збільшення товщини стінок для додання структурної жорсткості. Частина з ребрами має набагато кращі співвідношення-до-ваги та жорсткості-до-циклу-часу, ніж еквівалентна плоска-деталь зі збільшеною товщиною.

Стандартні правила проектування ребер

Товщина ребра в основі: 40–60% від номінальної товщини стінки (щоб запобігти появі слідів на протилежній поверхні)

Висота ребра: максимум 3x номінальної товщини стінки

Відстань між ребрами: мінімум 2 × номінальної товщини стінки між сусідніми ребрами

Осадка з боків ребер: мінімум 0,5 градуса, краще 1 градус

Для секції стіни 2,0 мм це означає, що ребра мають бути товщиною 0,8–1,2 мм біля основи, не вищими за 6,0 мм і розташованими на відстані принаймні 4,0 мм.

Конструкція Boss для гвинтового кріплення

Бобишки - циліндричні деталі, які приймають гвинти або-вставки з пресовою посадкою -, є поширеним джерелом слідів раковин і зварних ліній, оскільки вони створюють локальні товсті ділянки. Стандартні рекомендації:

Зовнішній діаметр бобини: не більше 2× номінальної товщини стінки

Товщина стінки бобишки: 40–60% від номінальної стінки

Основу втулки, якщо це можливо, слід прикріпити до найближчої стіни - це розподіляє навантаження на кріплення втулки на більшу кількість матеріалу та зменшує ризик поглинання

Фасонні пластини для армування кутів

Там, де дві стіни стикаються на куті, і потрібна додаткова жорсткість, ластовиці забезпечують посилення без збільшення товщини стіни. Товщина косинок повинна відповідати такому ж правилу, як і ребра (40–60% від номінальної стінки), і мати відповідні радіуси скруглення біля основи, щоб запобігти концентрації напруги.

Економічний обґрунтування проектування відповідно до товщини стіни є простим. Оскільки шкала часу охолодження визначається квадратом товщини стінки, зменшення товщини стінки з 3,0 мм до 2,0 мм - скорочення на 33% - зменшує час охолодження приблизно на 56%. Для прес-форми, що працює цілодобово без вихідних у великих обсягах, це трансформаційна різниця в економіці виробництва.

Для практичного прикладу: форма для лиття пластику під тиском іграшкового автомобіля, яка виготовляє панелі кузова з товщиною стінки 3,0 мм, може мати час циклу 35 секунд, з яких 22 секунди припадає на охолодження. Зменшення до 2,0 мм скорочує охолодження приблизно до 10 секунд із загальним часом циклу приблизно 23 секунд - 34% покращення пропускної здатності завдяки зміні конструкції, впровадження якої на етапі проектування не коштує нічого, але потребує переробки інструментів, якщо її застосувати після створення інструменту.

Ось чому аналіз технологічності (DFM), який чітко враховує товщину стінки, є таким цінним: зміни безкоштовні на етапі проектування та дорогі після нарізки інструменту.

Полімерна техніка та наука(2020): Співвідношення товщини стінки (макс.:мін.) було найсильнішим показником викривлення у 85 споживчих деталей, виготовлених під тиском. Співвідношення нижче 1,5:1 в середньому становить 0,12 мм викривлення; вище 3:1 становило в середньому 0,61 мм - п’ятикратна різниця.

Журнал полімерної інженерії(2019): Зменшення відношення ребер-до -товщини стінки з 75% до 50% усунуло сліди раковини на протилежній косметичній поверхні в деталях із АБС-пластику в усіх перевірених геометріях, тоді як збільшення співвідношення з 50% до 80% створило видимі сліди раковини в усіх випадках.

Міжнародний журнал передових технологій виробництва(2021): Зменшення товщини стінки з 3,0 мм до 2,0 мм у частині корпусу споживчої електроніки зменшило витрати на матеріали на 29%, тривалість циклу на 38% і викривлення на 47% -, підтверджуючи, що конструкція з тонкими-стінками при правильному виконанні покращує всі три ключові виробничі показники одночасноl.

Виробник іграшок розробляв нову лінійку литих-автомобілів у масштабі 1:18 із деталізованим кузовом із АБС-пластику. Початкова конструкція деталі мала номінальну товщину стінки від 1,2 мм у областях панелей до 4,5 мм у точках структурного кріплення - співвідношення 3,75:1, що негайно було зазначено в огляді Sunhingstones DFM.

Точки кріплення товщиною 4,5 мм створювали великі сліди раковини на видимій протилежній поверхні, час циклу становив 58 секунд, щоб забезпечити належне охолодження товстих секцій, а викривлення панелі даху перевищувало специфікацію площинності 0,3 мм.

Програма оптимізації передбачала три зміни:

Товсті точки кріплення були внутрішня частина з нижньої сторони, що зменшило ефективну товщину стінки з 4,5 мм до 2,2 мм, зберігаючи при цьому висоту втулки та структурну функцію

Перехід від зони виступу 2,2 мм до зони панелі 1,5 мм був градуйований на 8 мм, а не початковий різкий крок

Два додаткових ребра жорсткості (товщина 0,8 мм, висота 4,5 мм) були додані до панелі даху, щоб відновити структурну жорсткість, втрачену внаслідок зменшення товщини панелі з 1,8 мм до 1,5 мм.

Результати: час циклу скорочено з 58 до 31 секунди, усунення слідів раковини на косметичних поверхнях, короблення панелі даху зменшено до 0,18 мм (у межах специфікації). Вага матеріалу на деталь зменшена на 14%, що ще більше покращує економіку одиниці. Форма тепер працює на повну потужність із нульовими розмірними не-відповідностями щодо дефектів,-пов’язаних-з товщиною стінки.

Вибір товщини стінки, зроблений на етапі проектування виробу, визначає тривалість циклу, вартість деталей, якість розмірів і косметичні характеристики для кожної деталі, яку коли-небудь виготовляє форма. Їх дешево оптимізувати на етапі проектування та дорого виправляти після того, як інструменти закріплені. Отримайте правильні основи - стабільна товщина стінки в межах матеріалу-відповідні діапазони, градуйовані переходи, ребра замість товстих секцій для жорсткості -, і форма працюватиме добре з самого початку.

У Sunhingstones кожен новий проект прес-форми починається з перевірки DFM, яка чітко оцінює співвідношення товщини стінок, пропорції ребер і бобишок, а також геометрію шляху заповнення. Наш досвід охоплює прес-форми для точних механізмів і механічних компонентів, корпуси споживчої електроніки та багато-інструменти для іграшок і споживчих товарів.

Зв'язатися зараз

Бралла, Дж.ГДовідник з дизайну для технологічності, 2-е видання. McGraw-Hill, 1998.

Маллой, Р.АКонструкція пластикових деталей для лиття під тиском: вступ. Hanser Publishers, 1994.

Beaumont, JP та ін.Успішне лиття під тиском: процес, проектування та моделювання. Hanser Publishers, 2002.

Kim, HS та ін. "Вплив співвідношення варіації товщини стінки на короблення споживчих виробів, виготовлених під тиском".Полімерна техніка та наука, 2020.

Xu, G. та ін. "Співвідношення товщини ребра-до-стінки та утворення слідів раковини в деталях, виготовлених під тиском з ABS."Журнал полімерної інженерії, 2019.