Doświadczeni projektanci produktów posiadają głęboką wiedzę na temat procesu formowania wtryskowego i biorą pod uwagę wiele czynników podczas projektowania części z tworzyw sztucznych. W tym artykule skupiono się na kluczowych elementach projektowania części formowanych z tworzyw sztucznych, takich jak grubość ścianki, kąt pochylenia, żebra, otwory, występy,-pasowania zatrzaskowe, pasowania na wcisk i tolerancje.
Grubość ścianki w projektowaniu części z tworzywa sztucznego
Kluczowe jest określenie odpowiedniej grubości ścianki. Inne cechy, takie jak żebra i promienie, są związane z grubością ścianki. Grubość ścianki produktu z tworzywa sztucznego zależy od różnych czynników, w tym od sił zewnętrznych, które musi wytrzymać, podparcia innych komponentów, właściwości tworzywa sztucznego, wagi, parametrów elektrycznych, dokładności wymiarowej, stabilności i wymagań montażowych.
Zazwyczaj grubość ścianki materiałów termoplastycznych mieści się w zakresie od 1 do 6 mm, przy czym najczęstsza jest od 2 do 3 mm. W przypadku większych-części grubość ścianki może przekraczać 6 mm. W tabeli 1 zestawiono zalecane wartości grubości ścianek dla różnych materiałów termoplastycznych.
Jednolitość grubości ścianki
Jednolita grubość ścianki jest kluczową zasadą przy projektowaniu części z tworzyw sztucznych. Niejednorodna-grubość ścianek prowadzi do nierównomiernego płynięcia stopu i skurczu przy chłodzeniu, co skutkuje defektami, takimi jak zapadnięcia, puste przestrzenie, wypaczenia, a nawet pęknięcia. Ponadto może powodować ślady skurczu, naprężenia wewnętrzne, deformacje, różnice w kolorach lub zmiany przezroczystości. Zbyt cienkie ścianki mogą zmniejszyć wytrzymałość i sztywność części podczas użytkowania i montażu. Z ekonomicznego punktu widzenia zbyt grube części zwiększają koszty materiałów i czas produkcji. Grubsze obszary z tworzywa sztucznego stygną wolniej i są podatne na zatapianie się. Rysunek 1 ilustruje projekt o jednolitej grubości ścianki.
Jeżeli przejście od grubszego do cieńszego przekroju jest nieuniknione, powinno odbywać się stopniowo, zachowując maksymalny stosunek grubości ścianki 3:1, jak pokazano na rysunku 2.
W wielu przypadkach projektanci mogą wykorzystać żebra, aby zmienić grubość ściany. To nie tylko oszczędza materiał, zmniejsza koszty produkcji, ale także skraca czas chłodzenia. Czas chłodzenia jest w przybliżeniu proporcjonalny do grubości ścianki.
Ponadto projektanci muszą również wziąć pod uwagę długość ścieżki przepływu, czyli odległość, jaką pokonuje stopiony materiał od przewężki do różnych części wnęki. Zwykle długość ścieżki przepływu jest proporcjonalna do grubości ścianki. Im większa grubość ścianki, tym dłuższa droga przepływu. Jeżeli stosunek długości drogi przepływu do grubości ścianki będzie zbyt duży, w dużej odległości od zasuwy może wystąpić niewystarczająca ilość materiału lub niepełne wypełnienie. Dlatego w niektórych przypadkach może być konieczne zwiększenie grubości ścianki.
Ostre rogi
Ostre narożniki często prowadzą do defektów części i koncentracji naprężeń. Obszary te są podatne na gromadzenie się materiału podczas-obróbki końcowej, takiej jak galwanizacja lub malowanie. Koncentracja naprężeń może spowodować pęknięcie części pod obciążeniem lub uderzeniem. Dlatego w projektowaniu należy unikać ostrych narożników. Rysunek 3 pokazuje przykład konstrukcji z ostrym narożnikiem.
Rozważania dotyczące kąta natarcia i kierunku wyrzutu
Kierunek wyrzutu i linia podziału
Na początku projektowania produktu wtryskowego istotne jest określenie kierunku wyrzutu i linii podziału. Minimalizuje to potrzebę stosowania mechanizmów działania-bocznego i zmniejsza wpływ linii podziału na wygląd. Po określeniu kierunku wyrzucania struktury takie jak żebra, zatrzaski-i występy powinny być z nim dopasowane, aby uniknąć działań bocznych-, zmniejszyć liczbę splotów i wydłużyć żywotność formy. Następnie można wybrać odpowiednią linię podziału, aby poprawić wygląd i działanie produktu.
Po wyjęciu części z formy musi ona pokonać siłę wypychania i siłę otwierania. Siła otwierająca odnosi się do procesu oddzielania się części od wnęki. Gdy część ochładza się w formie, kurczy się, powodując ścisłe przyleganie ścianek otworu do rdzenia. Tarcie pomiędzy częścią a rdzeniem, przyczepność próżni na dnie otworów i inne czynniki sprawiają, że siła wyrzutu jest znacznie większa niż siła otwierania. Nadmierna siła wyrzutu może spowodować deformację części, wybielenie, marszczenie i zużycie powierzchni.
Kąt pochylenia
Kąt pochylenia ma kluczowe znaczenie przy określaniu wielkości siły wyrzutu. Ponieważ części formowane wtryskowo często przyklejają się do rdzenia (części męskiej) po ochłodzeniu i obkurczeniu, zastosowanie tego samego kąta pochylenia zarówno wnęki, jak i rdzenia zapewnia jednolitą grubość ścianki i zapobiega przyklejaniu się części do cieplejszej wnęki po wyrzuceniu. W szczególnych przypadkach, jeśli konieczne jest przyklejenie się części do wnęki po wyrzuceniu, można zmniejszyć kąt pochylenia na sąsiedniej wnęce lub wykonać celowe podcięcie we wnęce.
Nie ma ustalonej wartości kąta pochylenia; zwykle ustala się to empirycznie. W przypadku wysoce wypolerowanych ścian zewnętrznych można zastosować kąt pochylenia tak mały jak 1/8 lub 1/4 stopnia. W przypadku głębszych części lub części z teksturami należy odpowiednio zwiększyć kąt pochylenia. Zazwyczaj na każde 0,025 mm głębokości tekstury należy zwiększyć kąt pochylenia o 1 stopień.
Co więcej, chociaż większe kąty pochylenia generalnie ułatwiają rozformowanie części, najważniejsze jest zachowanie dokładności wymiarowej. Błędy wymiarowe spowodowane kątem pochylenia muszą mieścić się w tolerancji dokładności. W przypadku części o dużym skurczu lub skomplikowanych kształtach należy rozważyć większy kąt pochylenia.
Żebra w projekcie części z tworzywa sztucznego
Wytrzymałość części z tworzywa sztucznego nie zależy wyłącznie od rosnącej grubości ścianki. W rzeczywistości zwiększenie grubości ścianki prowadzi do większego skurczu, co skutkuje naprężeniami wewnętrznymi, które w rzeczywistości zmniejszają wytrzymałość. Kluczem do poprawy wytrzymałości części z tworzywa sztucznego jest jej sztywność. Często osiąga się to poprzez połączenie cienkiej-konstrukcji ściennej ze strategicznie rozmieszczonymi żebrami w celu zwiększenia współczynnika przekroju.
Rozważania dotyczące projektowania żeber
Jednakże dodanie żeber zwiększa grubość na styku ze ścianą główną. Grubość ta jest zwykle określana przez średnicę największego okręgu wpisanego, która z kolei jest określana przez grubość żebra i promień nasady. W przypadku ścianki podstawowej o grubości 4 mm zmiana grubości żebra i promienia nasady powoduje zmianę średnicy największego okręgu wpisanego. Rysunek 4 pokazuje, jak zwiększona lokalna grubość ścianki może prowadzić do zapadnięć na przeciwległej powierzchni, wpływając na wygląd. Racjonalny projekt może zmniejszyć prawdopodobieństwo zagłębienia się powierzchni, poprawiając w ten sposób jakość części.
Z analizy wynika, że grubość żebra powinna być możliwie minimalizowana w określonym zakresie. Jeśli żebro jest zbyt cienkie, należy zwiększyć jego wysokość, aby zachować sztywność. Jednakże zbyt cienkie żebra mogą powodować wyboczenie podczas wtrysku, trudności w wypełnianiu formy i przyklejanie się do formy. Promień u podstawy żebra nie powinien być zbyt mały, aby uniknąć koncentracji naprężeń.
Zwykle promień nasady żebra powinien wynosić co najmniej 40% grubości żebra. Grubość żebra powinna wynosić od 50% do 75% grubości ścianki podstawowej, przy czym wyższe wartości procentowe mają zastosowanie tylko do materiałów o niskim skurczu. Wysokość żebra powinna być mniejsza niż pięciokrotność grubości podstawy. Żebra muszą mieć kąt pochylenia, a ich orientacja powinna być zgodna z kierunkiem wyrzutu, w przeciwnym razie można zastosować ruchome elementy formy. Odstęp między żebrami powinien być większy niż dwukrotność grubości podstawy.
Aby uzyskać jednakową sztywność we wszystkich kierunkach, najprostszą metodą jest dodanie żeber zarówno wzdłużnie, jak i poprzecznie, przy czym żebra przecinają się prostopadle. Zwiększa to jednak grubość ścianki na przecięciu, co prowadzi do większego skurczu. Typowym rozwiązaniem jest dodanie okrągłego otworu na przecięciu, aby utworzyć ściankę o jednakowej grubości, jak pokazano na rysunku 5.
Rozważania projektowe dotyczące otworów w częściach z tworzyw sztucznych
1. Lokalizacja i siła dołka
Powszechną praktyką jest wykonywanie otworów w częściach z tworzyw sztucznych w celu ułatwienia montażu lub ze względów funkcjonalnych. W idealnym przypadku rozmiar i położenie tych otworów nie powinny pogarszać wytrzymałości produktu ani zwiększać złożoności produkcji. Kluczowe kwestie:
Odległość pomiędzy sąsiednimi otworami lub odległość od otworu do najbliższej krawędzi powinna być co najmniej równa średnicy otworu. Jest to szczególnie ważne w przypadku otworów w pobliżu krawędzi, aby zapobiec pęknięciom. W przypadku otworów gwintowanych odległość od otworu do krawędzi produktu jest zazwyczaj większa niż trzykrotność średnicy otworu.
2. Rodzaje otworów
Dostępne są różne typy otworów, takie jak otwory przelotowe, otwory ślepe i otwory schodkowe. Z punktu widzenia montażu otwory przelotowe są bardziej powszechne i łatwiejsze w obróbce niż otwory nieprzelotowe. Jeśli chodzi o konstrukcję formy, konstrukcja otworów przelotowych jest prostsza. Można je formować poprzez umieszczenie rdzeni zarówno na ruchomych, jak i nieruchomych częściach formy lub poprzez zastosowanie pojedynczego rdzenia tylko w jednej części. Ta pierwsza tworzy dwie belki wspornikowe pod działaniem stopionego tworzywa sztucznego, ale ze względu na krótkie długości belek odkształcenie jest minimalne. Ten ostatni typowo tworzy swobodnie podpartą belkę, również z minimalnym odkształceniem. W przypadku stosowania dwóch rdzeni ich średnice powinny się nieznacznie różnić, aby zapobiec niewspółosiowości i zapewnić gładką powierzchnię współpracującą. Ślepe otwory utworzone przez wspornikowe kołki rdzeniowe są bardziej podatne na zginanie pod wpływem stopionego tworzywa sztucznego, co prowadzi do nieregularnych kształtów otworów. Zazwyczaj głębokość ślepego otworu nie powinna przekraczać dwukrotności jego średnicy. W przypadku otworów nieprzelotowych o średnicy 1,5 mm lub mniejszej głębokość nie powinna przekraczać średnicy. Grubość ścianki na dnie ślepego otworu powinna wynosić co najmniej-jedną szóstą średnicy otworu, aby uniknąć skurczu.
3. Otwory boczne
Otwory boczne są zwykle formowane przy użyciu rdzeni bocznych, co zwiększa koszty formy i konserwację, zwłaszcza gdy rdzeń boczny jest długi i podatny na pękanie. Jeśli to możliwe, projekt można ulepszyć, jak pokazano na rysunku 6, aby złagodzić te problemy.
Szefowie w projektowaniu części z tworzyw sztucznych
Występy zazwyczaj wystają poza grubość głównej ściany i służą do montażu produktu, oddzielania obiektów i podtrzymywania innych komponentów. W pustych występach można umieścić wkładki lub śruby. Zastosowania te wymagają, aby występy miały wystarczającą wytrzymałość, aby wytrzymać ciśnienie bez pękania. Występy są zwykle cylindryczne, ponieważ taki kształt jest łatwiejszy do formowania i zapewnia lepsze właściwości mechaniczne.
Integracja ze strukturą
W idealnym przypadku piasta nie powinna być zaprojektowana jako izolowany cylinder, ale powinna być połączona ze ścianą zewnętrzną lub używana w połączeniu z żebrami. Takie podejście zwiększa wytrzymałość piasty i wspomaga płynny przepływ tworzywa sztucznego. Połączenie ze ścianą zewnętrzną powinno być cienkie-, aby uniknąć zapadnięć.
Promień zaokrąglenia u podstawy, w miejscu połączenia występu z podłożem, powinien wynosić od 0,4 do 0,6 grubości podłoża. Grubość ścianki występu powinna wynosić od 0,5 do 0,75 grubości podłoża. Górna część piasty powinna być fazowana, aby ułatwić montaż wkrętów. Bossy muszą mieć również kąt pochylenia. Te wymagania projektowe są podobne do wymagań dotyczących żeber, dlatego występ można uznać za odmianę żebra. Aby zapoznać się z tymi zależnościami, zobacz rysunki 7 i 8.
Gwintowane występy do-wkrętów samogwintujących
Do łączenia-wkrętów samogwintujących używa się wielu występów. Gwinty wewnętrzne tych występów są tworzone w procesie-formowania z przepływem na zimno, w ramach którego tworzywo sztuczne kształtuje się poprzez odkształcenie, a nie cięcie. Wymiary występów gwintowanych muszą być wystarczające, aby wytrzymać siły wkręcania wkrętu i przenoszone przez nie obciążenia. Średnica otworu w występie powinna zapewniać stabilność śruby w określonych warunkach momentu obrotowego i wibracji.
Zewnętrzna średnica piasty musi wytrzymywać siły obwodowe powstające podczas dokręcania śruby bez pękania. Aby ułatwić wprowadzenie wkrętu, w górnej części piasty zwykle znajduje się pogłębiacz o średnicy nieco większej niż nominalna średnica wkrętu. Obliczanie wymiarów piasty może być skomplikowane.
Zaleca się uproszczoną metodę szacowania, sugerowaną na zagranicznych stronach internetowych i opartą na nominalnej średnicy ślimaka. Najpierw określ materiał śruby, następnie na podstawie odpowiedniego współczynnika z tabeli podstaw współczynnik na nominalną średnicę śruby, aby określić odpowiedni rozmiar.
Połączenia zatrzaskowe-w projektowaniu części z tworzyw sztucznych
Montaż na zatrzask-to wygodna, ekonomiczna i przyjazna dla środowiska metoda łączenia. Elementy zatrzaskowe- są formowane jednocześnie z produktem, co eliminuje potrzebę stosowania dodatkowych elementów złącznych, takich jak śruby. Montaż polega po prostu na zatrzaskiwaniu odpowiednich części razem.
Zasada połączenia zatrzaskowego- polega na naciśnięciu wystającej części jednego elementu na przeszkodę znajdującą się na drugim. Proces ten obejmuje odkształcenie sprężyste; po usunięciu przeszkody część zatrzaskuje się z powrotem do swojego pierwotnego kształtu i blokuje się na miejscu, jak pokazano na rysunku 9. Połączenia zatrzaskowe mogą być trwałe lub odłączalne.
Pod względem konstrukcyjnym połączenia zatrzaskowe-można podzielić na wspornikowe, pierścieniowe i kuliste, jak pokazano na rysunku 10.
Kluczowe kąty i obliczenia
Kąty krytyczne
Dwa kluczowe kąty w konstrukcji zatrzaskowej-to kąt powrotu (lub kąt mocowania) i kąt-wyprowadzenia. Ogólnie rzecz biorąc, większy kąt powrotu sprzyja bezpieczniejszemu dopasowaniu. Kiedy kąt powrotu zbliża się do 90 stopni, połączenie zatrzaskowe staje się trwałe, jak pokazano na rysunku 11.
