Gamybai pritaikyto projektavimo (DFM) principai injekcinės formos inžinerijoje

Pagrindiniai DFM principai efektyviam injekcinio formavimo konstravimui

Injekcinio formavimo gamybai pritaikyto projektavimo (DFM) principų supratimas

Gamybai pritaikytas projektavimas, arba DFM, kaip jis dažnai vadinamas, padeda sujungti tai, ką dizaineriai kuria popieriuje, su tuo, kas iš tikrųjų veikia gaminant dalis injekciniu formavimu. Kai gamintojai nuo pat pradžių galvoja apie tai, kaip lengva bus pagaminti detalę, vėliau jie išvengia daugybės problemų. Formos įrankiams nereikia nuolatinių taisymų, o kokybės problemų ateityje kyla mažiau. Keli paprasti, bet veiksmingi metodai čia daro didelį skirtumą. Ten, kur įmanoma, supaprastinkite sudėtingas formas, išlaikykite vientisas sienelių storio reikšmes visoje dalyje ir nepamirškite slėgio kampų, kurie leidžia detales ištraukti iš formų sklandžiai. Tai nėra tik teoriniai pasiūlymai. Naujausi tyrimai, susiję su polimerų apdorojimu, parodė, kad šie metodai gali sumažinti įrankių sąnaudas nuo 18 % iki 22 %, o tai dideliuose gamybos mastuose greitai kaupiasi.

Sienelių storio vientisumo vaidmuo liejime į formą

Vienodas sienelių storis (paprastai 1,5–4,0 mm) neleidžia nelygiam aušimui, kuris sukelia išlinkimą ir įdubimus. Kaimyninių sienelių pokyčiai, viršijantys 25 %, padidina ciklo trukmę 15–30 % dėl ilgesnio aušinimo. Pramonės geriausios praktikos rekomenduoja palaipsniui perėjimus, kad būtų išlaikytas subalansuotas medžiagos srautas.

Ištraukos kampai ir jų poveikis formavimui bei detalės išstūmimui

Mažiausiai 1° ištraukos kampas kiekvienai pusei užtikrina patikimą išstūmimą iš plieninių formų; reljefinėms paviršiaus tekstūroms reikia 3–5°, kad būtų išvengta vilkimo žymių. Nepakankamas ištraukos kampas padidina išstūmimo jėgą 40–60 %, greitinant įrankių dėvėjimąsi – ypač svarbu giliems detalėms, kurių aukštis viršija 100 mm.

Detalės geometrijos supaprastinimas, siekiant sumažinti gamybos sudėtingumą

Neveikiančių poslinkių ir sudėtingų kontūrų pašalinimas gali sumažinti formos kainą 30–50 %. Apvalūs kampai (∅ 0,5 mm spindulys) gerina medžiagos tekėjimą ir mažina įtempimo koncentraciją, palyginti su aštriais 90° kraštais, efektyviai užkirsti kelią tekėjimo stabtelėjimui stiklu pripildytuose polimeruose.

Medžiagų parinkimas pagal formavimo galimybes ir našumo reikalavimus

Didelio tekėjimo medžiagos, tokios kaip polipropilenas (MFI ∅ 20 g/10 min), yra idealios plonoms sienelėms iki 1 mm, tuo tarpu inžinerinės dervos, pvz., PEEK, reikalauja tikslaus temperatūros valdymo ir kietintų įrankių plienų. Tiksli šiluminio traukimosi normos patvirtinimas (įprastai 0,4–2,0 % termoplastams) yra būtinas medžiagos parinkimo metu, kad būtų įvykdyti tikslumo reikalavimai.

Liejimo formos projektavimo optimizavimas taikant DFM strategijas

Liejimo formų projektavimo strategijos, kurios padidina gamybos efektyvumą

Per daug sudėtinga geometrija sukelia 85 % gamybos vėlavimų (SPE baltosios knygos dokumentas, 2023 m.). Taikant DFM principus – tokius kaip strateginė sienelių storio optimizacija ir supaprastintos išstūmimo sistemos – įrankių nusidėvėjimas sumažėja 30–40 % ir pasiekiamos greitesnės ciklo trukmės, neprarandant konstrukcinio vientisumo.

Tikslumo tolerancijų projektavimas ir medžiagos susitraukimo įvertinimas tikslaus formavimo formose

Tikslios formos turi atsižvelgti į medžiagai būdingus susitraukimo rodiklius: nilonas susitraukia 1,5–2,5 %, o ABS svyruoja nuo 0,4–0,8 %. Šių verčių įtraukimas į CAD modelius iš anksto neleidžia pertvarkyti darbų ir užtikrina ISO 286 standarto laikymąsi matmenų tikslumo klausimais.

Užapvalinimai ir spinduliai įtempimo mažinimui bei pagerintam medžiagos tekėjimui

Vidiniai spinduliai bent 0,5 mm dydžio sienelių sankirtose sumažina įtempimo koncentraciją 40–60 %, kaip patvirtino medžiagos tekėjimo simuliacijos. Šie užapvalinimai skatina sluoksnių tekėjimą, mažina suvirinimo linijas ir gerina smūgio atsparumą – tai pagrindiniai privalumai ilgaamžiams, aukštos našos komponentams.

Strategiškai naudojami įbrėžimai ir atsparos taškai konstrukciniam vientisumui užtikrinti, nesumažinant formavimo galimybės

Įbrėžimai, suprojektuoti 50–60 % nominalios sienelės storio aplink varžtų atramas, suteikia stiprinimą, išvengiant įdubų. Šis metodas leidžia 15–25 % sumažinti konstrukcinių detalių svorį, nepailginant aušinimo ciklų arba nesumažinant stiprumo.

Simuliavimo įrankių panaudojimas moksliniam liejimui ir DFM patvirtinimui

Mokslinio liejimo ir simuliacijos įrankių (pvz., liejimo eigos analizė) naudojimas

Šiandienos injekcinių formų konstrukcijos remiasi mokslinio liejimo metodais kartu su sudėtinga simuliacine programine įranga, tokia kaip liejimo srauto analizė. Šios programos gali prognozuoti medžiagų elgesį visame procese – nuo pildymo iki supakavimo ir galiausiai aušinimo – remdamasi išsamiomis 3D CAD modelėmis, derinamomis su šilumos skaičiavimais. Dauguma įmonių dabar pasikliauja standartinėmis pramonės programinės įrangos paketais, kad tiksliai nustatytų, kur turi būti įrengiami lietiniai kanalai ir kaip turi eiti aušinimo kanalai per formas. Toks požiūris sumažina varginančius bandymo ciklus apie 30–40 procentų, teigia praeitos savaitės SPE tyrimas. Turint virtualius prototipus, inžinieriai gali iš anksto patikrinti savo konstrukciją dėl gamybos problemų dar prieš pradedant gaminti faktinį įrankį, todėl tiek laiko, tiek pinigų gamintojams sutaupoma žymiai daugiau.

Kaip liejimo srauto analizė prognozuoja defektus ir gerina lietinių kanalų bei ruošinių konstrukciją

Liejimo srauto analizė suteikia veiksmingų žinių apie defektų atsiradimą ir proceso efektyvumą:

Vertindami šlyties įtampą ir aušinimo gradientus, inžinieriai gali optimaliai išdėstyti liejimo angas, kad išlygintų pripildymo slėgį ir sumažintų likutines įtampas, dėl ko pirmojo bandymo sėkmingumo rodiklis pagerėja iki 65 % lyginant su tradiciniais metodais.

Atvejo analizė: Įdubų mažinimas naudojant modeliavimu paremtą sienelių storio optimizavimą

Projektas, kuriame buvo naudojami aukštos kokybės polimeriniai komponentai, taikant liejimo formoje srauto analizę buvo išspręsta rimta įdubų problema tvirtinimo bumbulo srityje, kurią sukėlė 35 °C temperatūros skirtumas. Po trijų modeliavimo iteracijų komanda pasiekė:

• Padidino apvalinančių kampų spindulius nuo 0,5 mm iki 1,2 mm
• Sienelių storio svyravimai sumažinti nuo ±18 % iki ±4 %
• 22 % didžesnis ciklo trukmės pagerėjimas

Galutinis dizainas pašalino įdubimus, kartu atitinkdamas konstrukcinius reikalavimus, kas rodo, kaip prognozuojamasis modeliavimas leidžia gaminti teisingai iš pirmo karto.

Defektų prevencija ir ciklų trumpinimas integruojant ankstyvąją DFM

Gamybinių klaidų ir defektų mažinimas per ankstyvąją dizaino optimizaciją

DFM integravimas pradinėje projekto stadijoje sumažina perdarbus 40–60 %. Proaktyvi formos srauto dinamikos ir medžiagos elgsenos vertinimas nustato apkrovos taškus ir išstūmimo problemas dar nepradėjus formos gamybos. Vienos pirmaujančios automatizacijos tiekėjos 2024 m. atlikta analizė parodė, kad 78 % išlinkimo defektų kyla dėl šiluminių disbalansų, kurie buvo nepastebėti konceptualiojo dizaino metu.

Dažni defektai, tokie kaip išlinkimas ir nepilnas užpildymas, susiję su prasta DFM praktika

Sienelių storio svyravimai, viršijantys ±8 %, koreliuoja su 65 % didesniu išlinkimo dažniu pusiau kristaliniams polimerams. Nepilnai užpildytos formos dažnai atsiranda dėl per mažų lietvų ar nepakankamo išleidimo — šios problemos gali būti aptiktos ir ištaisytos kartojamais moksliniais formavimo modeliavimais. Ištraukimo kampai, mažesni nei 1° kiekvienai pusei, triskart padidina išstūmimo jėgas, žymiai padidindami paviršiaus įbrėžimų riziką.

Prieštaringumo analizė: Per didelis inžinerinis apdorojimas kontražinčiai su nepakankamu konstrukcija plastikinio liejimo forma

Kai kurie teikia pirmenybę minimalistiškoms konstrukcijoms, siekdami supaprastinti įrankių gamybą, o kiti pabrėžia našumo funkcijas, kurios sudėtingina gamybą. Abudu kraštutinumai turi riziką:

• Per daug techniškai sudėtinga konstrukcija prideda 18–22 % prie ciklo trukmės dėl per didelio ribų skaičiaus ar tekstūrų
• Nepakankama konstrukcija 32 % atvejų reikalauja antrinių operacijų (SPE, 2023)

Funkcionalumo ir formuojamumo subalansavimas CAD modeliavimo metu 41 % sumažina šiuos kompromisus, palyginti su DFM peržiūromis po konstravimo.

Ciklo trukmės ir įrankių reguliavimų sumažinimas naudojant DFM

Jau ankstyvame etape taikant gamybos projektavimo principus, pagal 2022 m. SPE tyrimą, galima sumažinti įprastus gamybos ciklus apie 15–20 procentų. Tai vyksta daugiausia todėl, kad pagerintos aušinimo sistemų konstrukcijos sumažina detalių aušinimo trukmę beveik 30 procentų, o standartinio dydžio išstūmimo kuoliukų naudojimas reiškia mažiau įrankių reguliavimų montavimo metu, sutaupant gamintojams apie trečdalį jų reguliavimo laiko. Pažiūrėjus į faktines imitacijas, taip pat aiškėja situacija. Vienas konkretus testas parodė, kad padarant ABS dalių sienas šiek tiek plonesnes – nuo 3,2 milimetrų iki 2,8 mm – kiekviename cikle buvo sutaupyta beveik 20 sekundžių. Gana įspūdingai, atsižvelgiant, kad šis pokytis visiškai nesumažino galutinio produkto stiprumo.

Duomenų taškas: DFM įgyvendinimas sumažina vidutinį ciklo laiką 15–20 % (Šaltinis: SPE, 2022)

127 injekcinio formavimo projektų analizė patvirtino nuolatines ciklo trukmės mažėjimą 15–20 %, kai dizaino etape buvo taikoma DFM orientuota angos optimizacija ir susitraukimo kompensavimas. Didelės apimties gamybos linijoms tai atitinka 740 000 USD sutaupymą per metus.