Gamybai pritaikyto projektavimo (DFM) principai injekcinės formos inžinerijoje

Supratimas dėl gamybos patogumo projektavimo (DFM) injekcinio formavimo formų projektavime

Gamybai palankaus projektavimo (DFM) pagrindiniai principai plastikinio liejimo injekcijomis srityje

Gamybai palankus projektavimas (DFM) užtikrina sąsają tarp teorinių detalių projektų ir praktinės gamybos tikrovės. Efektyviam DFM taikymui vadovauja trys pagrindiniai principai:

• Medžiaga nulemtas projektavimas : Derinimas polimerų parinkimo su šilumine stabilumu ir tekėjimo savybėmis, kad būtų išvengta iškraipymų
• Geometrinis paprastumas : Vengti įdubų ir sudėtingų kontūrų, kurie padidina įrankių gamybos kaštus 18–35 % (Keyway, 2024)
• Procesą atsižvelgiantis detalizavimas : Nustatant ištraukos kampus ±1° ir sienelių storio pokyčius <20 %, siekiant užtikrinti nuoseklų formos pripildymą

Praktikos tyrimai rodo, kad šių principų taikymas pradiniame etape sumažina defektus 70 % (TechNH 2024), tuo pačiu pagerinant medžiagų naudojimo efektyvumą 30–50 % (Apollo Technical 2023).

DFM integravimas ankstyvoje injekcinio formavimo formos projektavimo stadijoje

Aktyvi DFM bendradarbiavimo praktika tarp dizaino ir inžinerijos komandų pašalina 83 % vėlyvųjų etapų įrankių modifikacijų. Kryžminės funkcijos peržiūros konceptinio etapo metu padeda:

1. Nustatyti problemiškus elementus prieš užfiksuojant CAD
2. Optimizuoti liejimo angas subalansuotam polimero srautui
3. Standartizuoti tarpinius dydžius remiantis medžiagos traukimosi duomenimis

Šis derinimas 40 % sutrumpina pirmojo modelio patvirtinimo laiką, lyginant su DFM auditais po projektavimo.

DFM poveikis gamybos masteliamumui ir detalės vientisumui

Kai injekcinio formavimo formos projektavimą vadovauja DFM, gamintojai pasiekia:

Šie patobulinimai leidžia be trukdžių didinti gamybą, išlaikant CpK reikšmes >1,67 didelėse serijose.

Kodėl DFM dažnai ignoruojama, nepaisant didelių sąnaudų naudos

Tik 29 % gamintojų sistemingai taiko DFM, daugiausia dėl:

• Neteisingo įsitikinimo, kad DFM sulėtina rinkos pasiekimo laiką (iš tikrųjų pagreitina 22 % pagal Ponemon tyrimą)
• Atskirti konstravimo procesai, kuriuose nėra formavimo inžinerijos įsitraukimo
• Per didelis dėmesys estetiniams reikalavimams prototipuojant

Tačiau kiekvienas 1 $, investuotas į DFM, sutaupo 8–12 $ vengiant įrankių pertvarkymų ir gamybos delsimų.

Pagrindiniai DFM nurodymai liejimo formų konstrukcijos optimizavimui ir sąnaudų mažinimui

Medžiagų atliekų mažinimas ir ciklo trukmės sutrumpinimas per DFM

Medžiagų pasiskirstymas ir įliejimo vietų išdėstymas turi didelę reikšmę tiek atsižvelgiant į darnumą, tiek į galutinį pelną. Daugeliui plastikų sienelių storį laikant tolygiu – apie 1,5–3 mm – pavyksta išvengti karštų taškų, kurie aušinimo metu sukelia problemas, o tai iš tiesų sudaro apie ketvirtadalį viso prarasto laiko gamybos cikluose. Atsižvelgiant į pastaruosius tyrimus apie termoplastikų apdorojimą, kompanijos, kurios perprojektuoja savo liejimo kanalų sistemas ir keičia įliejimo vietų pozicijas, paprastai sumažina medžiagų švaistymą nuo 12 % iki beveik 20 %, palyginti su senesniais metodais. Kitas svarbus dalykas yra tas, kad detalės su sklandžiais pereinamaisiais tarp skirtingų storio zonų užpildymo metu sukuria mažesnį pasipriešinimą, todėl kiekviena detalė gali būti pagaminta apie 15–30 sekundžių greičiau nei anksčiau.

Detalių geometrijos supaprastinimas siekiant sumažinti gamybos sudėtingumą

Kai detalės turi sudėtingą formą, įrankių gamyba pasidaro žymiai brangesnė, paprastai kainos padidėja apie 40–60 procentų. Be to, tokios sudėtingos formos dažnai sukelia daugiau defektų gaminant, kaip rodo liejimo formomis srauto modeliavimo tyrimai. Gamybai pritaikyto dizaino metodai paprastai šią problemą sprendžia suapvalinant aštrius kampus, naudojant nuo pusės milimetro iki vieno milimetro spindulį. Tai palengvina medžiagos tekėjimą per formą ir pašalina įtempio koncentracijos vietas, kurios gali sugadinti detalis. Remiantis 2023 m. pramonės duomenimis, apie 78 procentai gamintojų dabar reikalauja bent 1 laipsnio ištraukimo kampo branduolių ir ertmių komponentuose. Kodėl? Nes be to kyla įvairių problemų bandant išstumti pagamintus gaminį iš formų. Supaprastinta detalės geometrija taip pat palengvina gyvenimą, nes leidžia standartiškai išdėstyti mažus išstūmimo strypelius visoje formoje. Laikui bėgant, tokia standartizacija žymiai sumažina techninės priežiūros išlaidas, per penkerius metus tolydamos gamybos laikotarpį sutaupant apie 25 procentus.

Strateginė tiksliųjų matmenų paskirstymo alokacija naudojant DFM geriausias praktikas

Tiksliųjų matmenų ribų taikymas tik ten, kur tai būtina funkcijai, padeda išvengti nereikalingų apdirbimo sąnaudų. Taikant ±0,1 mm tiksliąsias ribas 70 % nekritinių savybių, detales gamintoje vieno gaminio papildomos apdorojimo sąnaudos sumažėja 1,20–1,80 USD didelės apimties gamyboje. Šis metodas 2022 m. atliktame automobilių komponentų atvejo tyrime sumažino kokybės kontrolės nesėkmes 34 %, išlaikant ISO 9001 atitiktį.

Liejamų formų detalių konstrukcinė optimizacija naudojant DFM

Vienodo sienelių storio palaikymas defektams prevencijai

Vienodas sienelių storis (1–4 mm priklausomai nuo medžiagos) neleidžia atsirasti įspaudams, išlinkimams ir nepilnai užpildytoms vietoms. Virš 15 % kintantys storio skirtumai sukelia nevienodą aušimą – pagrindinę dimensinės nestabilumo priežastį. Tarp storesnių ir plonesnių sekcijų perėjimo zonose turėtų būti taikomi laipsniški nuolydžiai (3:1 nuolydžio santykis), kad būtų išlaikyta konstrukcinė vientisumas ir sumažintų tekėjimo disbalansas.

Optimalūs ištraukimo kampai ir sienelių storis sklandžiam išstūmimui

Standartiniai ištraukimo kampai 1–3° kiekviena puse leidžia patikimą išstūmimą, tuo pačiu mažinant vilkimo žymes. Storesnės sienelės (>3 mm) dažnai reikalauja didesnių ištraukimo kampų (iki 5°), kad būtų kompensuotos didesnės traukos jėgos. Kaip nurodo DfM analizė, kritinės savybės, tokios kaip reljefinės paviršiaus tekstūros, gali reikalauti papildomo 0,5° ištraukimo kampo kiekvienam 0,001 colių tekstūros gyliui, kad būtų išvengta strigimo.

Ribsų ir atsparų projektavimas nekenkiant formos vientisumui

Norint užtikrinti tinkamą struktūrinį vientisumą be tų erzinančių įdubimų, ribos paprastai turi būti apie pusę iki trys penktadalius sienelės storio. Projektuojant šias savybes, inžinieriai dažnai pastebi, kad suteikiant pagrindo spinduliui apie ketvirtadalį rėbės aukščio, geriau paskirstomas apkrovos poveikis per visą detalę. Taip pat nepamirškite ir atstumo – laikymasis atstumo, kuris yra dvigubai didesnis nei jų aukštis, paprastai neleidžia kliūčių medžiagai tekėti liejimo metu. Kalbant apie kitus aspektus, dirbant su atramomis apie įterpimo brokas, gamintojai paprastai išlaiko sienelės storį apie tris ketvirtadalius nuo aplink jas esančio. Ši papildoma stiprinimo priemonė yra labai svarbi, nes kitaip detalės gali sugesti dėl išstūmimo mechanizmų sukeliamo slėgio gaminant.

Išvengimas požambų proaktyviomis DFM strategijomis

Proaktyvus DFM pakeičia nuolatines griovelius į užraktus, lankstinius sąnarius arba surinkimą po formavimo. Kai to išvengti negalima, susidėmės šerdys ar kampiniai ištraukikliai sumažina įrankių sudėtingumą, palyginti su tradiciniais šoniniais veiksmais. Lankstiems medžiagoms esant sekliems grioveliams (<0,5 mm), išstūmimo nuvalymas gali visiškai pašalinti pagalbinius mechanizmus.

Defektų ir gamybos klaidų mažinimas ankstyvu DFM taikymu

Dažniausi liejimo formavimo defektai ir kaip DFM juos prevencijuoja

"Dizainas gamybai" sprendžia tuos erzinančius klausimus, kuriuos nuolat matome įpurškimo formos dalims, tokias kaip krantų žymės, iškraipymo problemos ir neišsami užpildai, užtikrindamas, kad dalimų geometrija gerai atitiktų medžiagų elgesį perdirbimo metu. Kai sienos yra nevienodos storumos, o tai dažnai sukelia tuos erzinančius kriauklių ženklus, gamintojai paprastai standartizuoja sienos storį iki maždaug plus arba minus 0,25 milimetro. Inžinieriai, kurie nori padaryti ištraukimą iš formos, turi arba 1 iki 3 laipsnių kampą, arba į įrankių konstrukciją įtraukti specialius šalutinį veikimo mechanizmus. Neseniai atliktos studijos, nagrinėjusios medžiagų srautą iki 2023 m., parodė, kad kai įmonės nuo pat pradžių taiko tinkamus DFM principus, jos susiduria su maždaug puse užpildymo disbalansuotų problemų, palyginti su bandymu viską ištaisyti jau pradėjus gamybą.

Atitikties tyrimas: išnaikinimas nuo krantų per ribų dizaino optimizavimą

Vienas gamintojas, gaminantis medicinos prietaisus, nuolat susidurdavo su problemomis dėl įdubimų, susidarančių aplink konstrukcinius rėmus savo produktuose. Dėl šios problemos jie privalėjo išmesti apie 12 % kiekvienos gamybos partijos. Kai jie išanalizavo situaciją per DFM (gamybai tinkamo dizaino) prizmę, rezultatas buvo akivaizdus. Rėmai buvo per stori lyginant su gretimomis sienelėmis, viršydami rekomenduojamą 40–60 % diapazoną, kuris yra standartinė injekcinio formavimo praktika. Šis nesuderinamumas sukeldavo įvairias aušinimo problemas gamybos metu. Taigi jie atliko keletą pakeitimų. Pirma, jie sumažino tų rėmų pagrindo storį iki apie 45 % gretimos sienelės storio. Tada jie pridėjo mažus 0,5 mm apvalinimus ten, kur susitiko skirtingos detalės. Šie pakeitimai davė puikių rezultatų. Išstūmimo jėgos sumažėjo beveik ketvirtadaliu, o erzinantys įdubimai praktiškai išnyko – jų pasitaikymo dažnis sumažėjo iki 0,7 %. Be to, ciklo trukmė taip pat pagerėjo apie 18 %, kadangi optimizuotos vietos aušo žymiai greičiau nei anksčiau.

Statistiniai įrodymai: iki 70 % trūkumų sumažėjimo naudojant ankstyvąją DFM

Ponemon Institute duomenys (2023) rodo, kad gamintojai, taikantys DFM koncepcijos projektavimo etapuose, pasiekia:

Ankstyvas DFM taikymas neleidžia 68–72 % trūkumų, susijusių su geometrine netinkamumu injekcinio formavimo apribojimams.

Simuliacijos ir skaitmeninių įrankių naudojimas DFM injekciniam formavimui

Formos srauto analizės ir simuliacijos naudojimas DFM darbo eigose

Įliejimo formavimo simuliacijos programinė įranga tapo gan būtina inžinieriams, norintiems ištirti medžiagų tekėjimą, jų aušimą ir aptikti galimas klaidas dar prieš pradedant gaminti tikrą formą. Gera žinia ta, kad šios programos jau nuo pat pradžių gali aptikti problemas, tokias kaip užspęstas oras, nevienodas pripildymas ir temperatūros skirtumai. Tai reiškia, kad įmonės sudėtingų detalių kūrimo metu turi daryti mažiau prototipų. Kai kurie gamintojai teigia, kad papildomų iteracijų skaičius sumažėja apie 40 %, nors tai labai priklauso nuo projekto sudėtingumo. Kalbant apie įtekėjimo angų išdėstymą daugiakamerose formose, skaitmeniniai modeliai padeda rasti geriausias pozicijas, kad slėgis būtų tolygiai pasiskirstęs. Rezultatas? Tolygesnė produkto kokybė ir trumpesnis bendras gamybos ciklas.

Deformacijų ir pildymo disbalanso numatymas naudojant skaitmeninį prototipavimą

Formos liejimo analizė šiuolaikinėse sąlygose yra beveik būtina, norint išspręsti tas vargančias problemas, kurios atsiranda po aušinimo – pavyzdžiui, susitraukimo klausimai ir tie nepageidaujami liktiniai įtempimai, kurių niekas nenori. Pagal praėjusiais metais atliktus tyrimus, kai gamintojai savo projektavime naudoja iškrypimo modeliavimo priemones, jie gamindami dalis atlieka apie 65 % mažiau detalių geometrijos pakeitimų. Tai labai svarbu bet kam, kas bandydamas sutaupyti laiko ir pinigų gamyklos grindyse. Skaitmeninio prototipavimo procesas nagrinėja, kaip medžiagos skirtingai elgiasi aušdamos, ypač svarbu sudėtingoms plonosioms sienelėms. Inžinieriai gali koreguoti sienelių storį gerokai anksčiau, nei brangios formos patenka į mechaninių apdirbimo dirbtuves, taip išvengiant visų galvų skausmų ateityje.

Kylanti tendencija: dirbtinio intelekto valdomos modeliavimo priemonės, didinančios DFM tikslumą

Šiuolaikinės mašininio mokymosi platformos gali peržiūrėti begalę dizaino variantų, kad tiksliai sureguliuotų vartų tinklus ir aušinimo kanalus geresniems rezultatams. Paimkime vieną debesiją sistemą, kuri automobilių dalių gamyboje sumažino niūkis žymes beveik tris kartus, išanalizavusi ankstesnių formų naudojimo duomenis. Tai daro šias priemones ypač naudingomis – jos dabar veikia tiesiogiai CAD programose, todėl konstruktoriams kūrimo pradžioje, kol jie dar tebėra brėžia savo idėjas, iš karto pateikiamas atsiliepimas apie gamybos sunkumus. Toks integravimas sutaupo laiko ir pinigų, nes problemos nustatomos kur kas anksčiau procese.