Typowe wady formowania wtryskowego i sposoby ich naprawy

Ślady przepływu i niedopełnienie formy: przyczyny oraz optymalizacja procesu

Zrozumienie śladów przepływu oraz wywołujących je materiałów, form i parametrów procesu

Ślady przepływu to widoczne pręgi lub wzory na elementach formowanych, które powstają w wyniku niestabilnego przepływu materiału podczas proces formowania wtryskowego . Główne przyczyny to:

• Różnice lepkości materiału , szczególnie w polimerach półkryształicznych, które stygają nierównomiernie
• Nieoptymalny projekt formy , takie jak wąskie wlewy lub ostre narożniki zakłócające przepływ
• Wariancje procesu , w tym wahania prędkości wtrysku lub temperatury ciekłego tworzywa

Badanie przeprowadzone w 2023 roku przez Instytut Technologii Tworzyw Sztucznych wykazało, że 62% wad związanych z prążkami przepływu wynika z niewłaściwego dozowania bramki łącznie z niestabilnością temperatury w fazie ciekłej.

Główne przyczyny niedowypełnień: ciśnienie, wentylacja i opór przepływu

Niedowypełnienia występują, gdy ciekłe tworzywo sztuczne nie wypełnia całkowicie formy. Główne czynniki to:

1. Niewystarczające ciśnienie wtrysku , aby pokonać opór w cienkościennych sekcjach
2. Słaba wentylacja , która powoduje uwięzienie powietrza i powstawanie ciśnienia zwrotnego
3. Materiały o wysokiej lepkości mające trudności z nawigacją po złożonych geometriach

Nieprawidłowo rozmieszczone wlewy są przyczyną 34% przypadków niepełnego wypełnienia form w precyzyjnych formach (Raporty Inżynierii Polimerowej, 2022).

Optymalizacja parametrów wtrysku w celu zapobiegania wadom związanym z przepływem

Dorobienie kluczowych parametrów może znacząco zmniejszyć wady związane z przepływem:

*Zakresy różnią się w zależności od materiału i geometrii elementu
**Temperatura szklenia

Zwiększenie ciśnienia docisku o 20% przy buforze chłodzenia wynoszącym 2 sekundy zmniejsza nasilenie śladów przepływu o 45% w elementach z polipropylenu, według danych symulacyjnych z narzędzi analizy przepływu mas plastycznych . Zmiany należy zawsze weryfikować poprzez systematyczne próby DOE (projektowanie doświadczeń).

Ślady zapadania i odkształcenia: kontrola procesu chłodzenia i naprężeń szczątkowych

Wpływ grubych przekrojów i ciśnienia upakowania na powstawanie śladów zapadania

Te irytujące wgłębienia pojawiają się jako małe zagłębienia na powierzchniach, gdy elementy mają grube obszary, które stygają w różnej szybkości. Materiał wewnętrzny zazwyczaj potrzebuje dłużej na stwardnienie niż ten na zewnątrz, przez co podczas ochładzania jest jakby ściągany do wewnątrz, pozostawiając te puste miejsca. Gdy podczas produkcji nie ma wystarczającego ciśnienia w formie, te problemy się nasilają. Większość producentów stwierdza, że zmniejszenie głębokości tych wgłębień o około 25% do 40% zwykle wymaga zwiększenia ciśnienia dociskowego o ok. 10% do 15%, a także wydłużenia fazy utrzymywania o kilka dodatkowych sekund. Oczywiście dokładna wartość zależy w dużej mierze od rodzaju używanego materiału, ponieważ niektóre lepiej przepływają niż inne.

Nierównoważne tempo chłodzenia i niestabilne skurcze prowadzące do wyginania

Części często ulegają odkształceniom, gdy występuje nierównomierne chłodzenie pozostawiające naprężenia wewnętrzne. Nawet niewielkie różnice temperatur w różnych obszarach formy, około 15 do 20 stopni Celsjusza, mogą prowadzić do zmian skurczu w zakresie od 0,5 do 1,2 procenta, co powoduje skręcanie lub wyginanie się elementu. Niektóre tworzywa sztuczne, takie jak polipropylen i nylon 6/6, są szczególnie problematyczne, ponieważ tworzą kryształy podczas chłodzenia. Aby temu zapobiec, producenci muszą utrzymywać temperaturę na stałym poziomie, z dokładnością do około plus minus 3 stopnie w całej objętości formy. Można to osiągnąć poprzez staranne projektowanie kanałów chłodniczych lub stosowanie specjalnych technik konformalnego chłodzenia dla skomplikowanych elementów. Te metody zazwyczaj redukują problemy z odkształcaniem o około 30 do 50 procent, co czyni je wartymi dodatkowych starań w celu zapewnienia jakości.

Dostosowania projektu i procesu dla stabilności wymiarowej

• Modyfikacje projektowe : Zastąp grube sekcje żebrami lub wzmocnieniami, aby zminimalizować różnice mas
• Dostrojenie procesu : Ustaw temperaturę formy 10–15°C powyżej punktu szklistości materiału, aby spowolnić chłodzenie tam, gdzie jest to potrzebne
• Dobór materiału : Używaj dodatków o niskiej kurczeniu się (np. gatunki wypełnione minerałami), aby zmniejszyć różnicowe skurczenie

Dobór odpowiedniej wielkości i położenia wlewu w połączeniu z symulacją przepływu w formie zapobiega nieregularnemu wypełnianiu, które nasila naprężenia. Czujniki ciśnienia w czasie rzeczywistym umożliwiają teraz dynamiczne korekty podczas dociskania, co zmniejsza odchylenia wymiarowe o 18–22% w elementach samochodowych.

Liny spawania i wyrzut: wyzwania związane z czołem przepływu w elementach formowanych

Powstawanie i osłabienie lini spawania na zbiegających się czołach przepływu

Liny spawania powstają, gdy stopiony polimer rozdziela się wokół przeszkód, takich jak wkładki, i ponownie łączy bez pełnego zespolenia. To osłabia wytrzymałość mechaniczną nawet do 70% w porównaniu z otaczającym materiałem (IMS Tex). W przeciwieństwie do estetycznych śladów przepływu, liny spawania naruszają integralność konstrukcyjną w krytycznych zastosowaniach, takich jak urządzenia medyczne czy uchwyty samochodowe.

Strategie rozmieszczenia wlewów i temperatury stopu dla silniejszych linii zespolenia

Strategiczne rozmieszczenie wlewów minimalizuje rozdzielanie się ścieżek przepływu, idealnie umieszczając wlewy tak, aby strumienie łączyły się przed znaczącym ochłodzeniem. Podniesienie temperatury ciekłego tworzywa o 15–25°F (8–14°C) wydłuża czas fuzji w punktach spotkania się strumieni. Narzędzia takie jak te używane w badaniu Material Fusion Study z 2024 roku symulują czoła przepływu w celu optymalizacji układu wlewów i profili termicznych.

Wady typu jetting: problemy związane z wysoką prędkością przepływu i projektem dyszy

Wypływ strumieniowy pojawia się jako faliste linie na powierzchniach, gdy stopiony plastik wpada niekontrolowanie do wnęki formy zamiast tworzyć gładki front przepływu. Ten problem występuje dość często przy bramkach mniejszych niż 0,04 cala lub 1 milimetr, szczególnie gdy prędkość wtrysku przekracza około 4 cale sześcienne na sekundę. Aby rozwiązać ten problem, producenci zazwyczaj stosują zwężające się dysze lub systemy gorących kanałów. Te rozwiązania pomagają stworzyć gładki, warstwowy wzór przepływu zwany przepływem laminarnym, który jest bardzo ważny przy produkcji błyszczących, przezroczystych elementów, które konsumenci oczekują w produktach takich jak etui na telefon czy inne wyroby o połysku.

Światło, puste przestrzenie i wady powierzchniowe: integralność formy i obsługa materiału

Powstawanie światła spowodowane niewspółosiowością linii rozdzielczej i siłą zacisku

Flash powstaje, gdy gorący plastik wypływa przez drobne szczeliny w formie, zazwyczaj z powodu nieprawidłowego dopasowania linii rozdzielania formy lub niewystarczającego siły docisku utrzymującej całość razem. Zgodnie z badaniami przeprowadzonymi w zeszłym roku, około dwóch trzecich wszystkich problemów z flash wynika ze zużytego, starych narzędzi. A jeśli siła docisku spadnie poniżej około 3–5 ton na centymetr kwadratowy, plastik ma tendencję do przeciekania. Producenci zauważyli, że regularne ponowne wyjustowanie form co około pięćdziesiąt tysięcy cykli produkcji znacząco poprawia sytuację. Dodanie czujników ciśnienia, aby sprawdzić rzeczywisty stopień docisku, pozwoliło zakładom praktycznie zmniejszyć problemy z flash o blisko 90 procent.

Wewnętrzne wolne przestrzenie, pęcherzyki i ślady przypalenia spowodowane wilgocią lub przegrzaniem

Główne przyczyny powstawania pustek i bąbelków w naszych materiałach to zazwyczaj nadmiar wilgoci, która zamienia się w parę wodną, gdy zawartość wody przekracza około 0,02%, lub gdy elementy są przegrzewane podczas procesu powyżej ich temperatury dekompozycji. Stwierdziliśmy, że przejście na śruby o wysokim ścinaniu redukuje te irytujące bąbelki o około 70–75%, ponieważ mieszają stopiony materiał znacznie lepiej. Co do tych dokuczliwych śladów spalenia, które pojawiają się tak często? Powstają one zazwyczaj w wyniku zbyt długiego przebywania materiału w systemie gorących kanałów. Aby temu zapobiec, producenci muszą dokładnie monitorować czas przebywania materiału i upewnić się, że szybkość chłodzenia nie przekracza 25°C na sekundę dla wrażliwych tworzyw sztucznych. Poprawne ustawienie tych parametrów decyduje o jakości wyrobów i braku wad.

Wady powierzchni: smugi, przebarwienia i kontrola zanieczyszczeń

Ślady srebrne (splay) wynikają z zanieczyszczonej żywicy lub przegrzania spowodowanego ścinaniem przy prędkościach wtrysku powyżej 120 mm/s. Obniżenie temperatury dyszy o 8–12°C oraz zainstalowanie filtrów 10µm w zasypce zmniejsza występowanie śladów srebrnych o 68%. W celu zapobiegania przebarwieniom, stosowanie czyszczących mas poliwęglanowych podczas wymiany materiałów utrzymuje spójność koloru w granicach tolerancji ΔE<1,5.

Strategie zapobiegawcze i narzędzia symulacyjne dla formowania bez wad

Wykorzystanie analizy przepływu masy do przewidywania i unikania wad

Oprogramowanie do symulacji przepływu mas w formach, takie jak Autodesk Mold Flow i SolidWorks Plastics, pozwala inżynierom zobaczyć, co dzieje się wewnątrz podczas procesu formowania, jeszcze zanim zostaną wykonane jakiekolwiek rzeczywiste części. Zgodnie z najnowszym badaniem przeprowadzonym przez Modern Machine Tools w 2023 roku, około 8 na 10 producentów, którzy zaczęli korzystać z tych narzędzi predykcyjnych, odnotowało zmniejszenie wskaźnika odpadów o około jedną trzecią w porównaniu z tradycyjnymi metodami prób i błędów. Programy te potrafią również skutecznie wykrywać problemy – wychwytują takie zjawiska jak powstawanie śladów spoin, niewłaściwe otwieranie się bramek oraz dokuczliwe pęcherzyki powietrza powodujące wady. Osiągają to dzięki wykrywaniu zmian temperatury nawet o 5 stopni Celsjusza (około 41 stopni Fahrenheita). Weźmy na przykład cienkościenne obudowy elektroniczne. Dzięki odpowiedniej symulacji producenci mogą dokładnie określić, gdzie należy umieścić otwory wentylacyjne, aby żadne gazy nie zostały uwięzione podczas produkcji, co pozwala zaoszczędzić pieniądze i zmniejszyć ilość odpadów.

Najlepsze praktyki projektowe: jednolite ścianki, odpowiednie bramki i wentylacja

Utrzymanie stałej grubości ścianki (1–3 mm optymalne dla ABS i PP) pomaga zapobiegać odkształceniom spowodowanym nierównomiernym kurczeniem się. Studia przepływu polimerów z 2022 roku wykazały, że wloty promieniowe zmniejszają naprężenia ścinające o 40% w porównaniu do wlotów krawędziowych w nylonie wypełnionym szkłem. Zaleca się zasady projektowania pod kątem łatwości produkcji:

• Kąty pochylenia ≥1°C na stronę dla łatwego wyjmowania
• Głębokość rowków wentylacyjnych 0,015–0,03 mm, aby umożliwić ucieczkę powietrza bez powstawania natoku
• Stosunek grubości żeber do grubości ścianki poniżej 60%, aby uniknąć zagłębień

Monitorowanie procesu i konserwacja dla zapewnienia stałe jakości

Połączenie czujników ciśnienia w czasie rzeczywistym z inteligentnymi kontrolerami IoT pozwala utrzymać prędkość wtrysku bardzo bliską wartościom docelowym, zazwyczaj w granicach ±2%. Ma to duże znaczenie przy staraniu się uniknąć dokuczliwych niedolewów w formach wielo-gniazdowych. W celu regularnej konserwacji co miesięczne sprawdzanie za pomocą profilometrów pozwala wykryć moment, w którym powierzchnie form zaczynają się zużywać powyżej 5 mikrometrów – to właśnie wtedy zaczynają pojawiać się problemy z przelaniem. Analiza danych z ostatniego badania MMT z 2023 roku pokazuje również ciekawy fakt: okazało się, że niemal 8 na 10 przypadkowych przestojów produkcji miało miejsce z powodu zużycia się pierścieni zwrotnych śruby. To jeszcze raz podkreśla, dlaczego wymiana tych wrażliwych elementów co trzy miesiące ma sens dla bezproblemowego przebiegu procesu produkcyjnego.

łodygi, aby utworzyć gładki, warstwowy wzór przepływu nazywany przepływem laminarnym.