Успех литья под давлением во многом зависит от конструкции самой пластиковой детали. В этой статье представлено подробное руководство по проектированию пластиковых деталей для литья под давлением, в котором рассматриваются основные соображения, принципы проектирования и передовой опыт.
Литье под давлением подразумевает впрыскивание расплавленного пластикового материала в полость формы под высоким давлением. Материал охлаждается и затвердевает, принимая форму полости. Этот процесс идеально подходит для производства больших объемов деталей с постоянным качеством. Ключевые элементы включают:
- Инъекционный блок: Расплавляет и впрыскивает пластиковый материал.
- Плесень: Состоит из двух половин (полости и сердечника), образующих форму детали.
- Зажимной блок: Удерживает половины формы вместе во время впрыска.
Руководство по проектированию пластиковых деталей для литья под давлением
Толщина стенки
Надлежащий толщина стенки является основополагающим требованием при проектировании пластиковых деталей для литья под давлением. Неравномерная толщина стенок может привести к дефектам, таким как утяжины, пустоты, напряжения и коробление. По мере охлаждения пластик сжимается, заставляя более толстые секции втягиваться внутрь, создавая напряжения и дефекты.
- Материальные соображения: Для термопластиков толщина стенки обычно составляет от 1 до 6 мм, наиболее распространенной является толщина от 2 до 3 мм. Для более крупных деталей могут потребоваться более толстые стенки. Для получения дополнительной информации о толщине стенки материала см. таблицу ниже.
- Однородность: Постоянная толщина стенки помогает избежать дефектов, таких как утяжины и коробление. При переходе от более толстых к более тонким участкам сохраняйте постепенное соотношение, в идеале до 3:1.
- Ребра: Использование ребер позволяет усилить детали и сократить расход материала без увеличения толщины стенок, что также сокращает время охлаждения.
- Линия тока: Расстояние, которое расплавленный материал проходит от литника до детали, влияет на эффективность заполнения. Более длинный путь потока относительно толщины стенки может потребовать корректировки толщины.
- Более тонкие секции: Более тонкие секции остывают быстрее, что снижает напряжение и деформацию между секциями разной толщины.
| Пластмасса | Рекомендуемый диапазон толщины стенки (мм) |
|---|---|
| АБС (акрилонитрил-бутадиен-стирол) | 1.5 – 4.0 |
| Поликарбонат (PC) | 2.0 – 4.0 (Более толстые стенки для более крупных деталей, чтобы уменьшить коробление) |
| Полипропилен (ПП) | 1.5 – 3.5 |
| Полиэтилен (ПЭ) | 1.0 – 3.0 (зависит от марки, ПЭНП, ПЭВП и т.д.) |
| Нейлон (полиамид) | 2.0 – 4.0 (Более прочные сорта могут позволить сделать стенки тоньше) |
| Поливинилхлорид (ПВХ) | 1.5 – 3.5 (Гибкий ПВХ может позволить сделать стенки тоньше) |
| Акриловая (ПММА) | 2.0 – 4.0 (требуется поддержка для более толстых стенок, чтобы предотвратить провисание) |
| Полистирол (ПС) | 1.5 – 3.0 (стенки HIPS обычно немного толще) |
| ПЭТ (полиэтилентерефталат) | 1.0 – 3.0 (обычно используется для бутылок и контейнеров) |
| PBT (полибутилентерефталат) | 2.0 – 4.0 (Высокая прочность и термостойкость) |
Углы уклона
Углы уклона необходимы для облегчения извлечения детали из формы. Эти углы применяются к поверхностям детали, которые соприкасаются с полостью формы, в частности, в направлении открытия формы. Это позволяет детали легко отделиться от формы, не повреждая деталь или саму форму в процессе выталкивания.
Минимальные требования к углам уклона могут варьироваться в зависимости от нескольких факторов, но диапазон от 0.5° до 1° обычно считается абсолютным минимумом. Однако в большинстве случаев угол уклона от 1.5° до 2° широко принят в качестве нормы, обеспечивая хороший баланс между извлекаемостью детали и эффективностью производства. Этот диапазон обеспечивает достаточный зазор для того, чтобы деталь могла выскользнуть из формы без сопротивления, сводя к минимуму риск царапин, деформации или даже поломки во время выталкивания.
Острые углы
Острые углы могут увеличить риск концентрации напряжений в пластиковом материале по мере его охлаждения и затвердевания. Эти концентрации напряжений могут привести к растрескиванию, деформации или даже выходу детали из строя при нормальных условиях эксплуатации. Кроме того, острые углы могут создавать утяжины или пустоты, которые являются дефектами поверхности, которые могут ухудшить эстетику детали и поставить под угрозу ее структурную целостность.
Более того, острые углы могут затруднить равномерное течение пластика во время процесса литья под давлением. Это может привести к неравномерной толщине стенок, что может еще больше усугубить концентрацию напряжений и увеличить вероятность дефектов. В экстремальных случаях острые углы могут даже привести к преждевременному застыванию пластика, блокируя течение материала и не давая форме полностью заполниться.
Чтобы смягчить эти проблемы, конструкторы часто включают радиусы или галтели в острые углы. Эти скругленные переходы распределяют напряжение более равномерно и снижают вероятность растрескивания или деформации. Они также улучшают поток пластика в процессе формования, помогая обеспечить постоянную толщину стенок и снижая риск дефектов. Кроме того, радиусы и галтели могут улучшить общий вид детали и облегчить ее обработку и сборку.
Направление «верх-выход» и линия разъема при литье под давлением
- Направление сверху вниз: Установление направления top-out на ранней стадии процесса проектирования имеет важное значение. Это помогает минимизировать необходимость в сложных тягах сердечника и уменьшает визуальное воздействие линий разъема. Выровняйте такие элементы, как ребра, защелки и выступы, с направлением top-out, чтобы избежать тяг сердечника, уменьшить линии швов и продлить срок службы формы.
- Линия разъема: Выбор правильного линия разъема имеет решающее значение как для эстетики, так и для функциональности. Линия разъема должна улучшать внешний вид детали и облегчать извлечение из формы. Правильно расположенная линия разъема помогает уменьшить видимые швы и улучшает общее качество детали.
- Силы выброса: Во время выталкивания детали должны преодолеть как силу выталкивания, так и силу открытия. Сила выталкивания обычно намного выше из-за усадки при охлаждении и трения между деталью и сердечником. Чрезмерное усилие выталкивания может привести к деформации детали, побелению, образованию складок и износу поверхности.
Соображения относительно конструкции ребер
Добавление ребер увеличивает толщину в месте их соединения с основной стенкой. На эту толщину влияет максимальный радиус скругления, определяемый толщиной ребра и радиусом корня. Например, при толщине основного материала 4 мм изменение толщины ребра и радиуса скругления изменяет диаметр максимального радиуса скругления. Правильная конструкция ребра может уменьшить вмятину поверхности и улучшить качество детали.
Зоны усадки ребер:
- Толщина ребра: Для поддержания жесткости толщина ребер должна быть сбалансирована. Тонкие ребра требуют увеличенной высоты для жесткости, но могут привести к таким проблемам, как деформация под давлением и трудности с заполнением. Основания ребер не должны иметь слишком маленький радиус, чтобы избежать концентрации напряжений. Обычно радиус основания ребра должен составлять не менее 40% толщины ребра. Толщина ребра должна составлять от 50% до 75% толщины основного материала, более высокие соотношения ограничиваются материалами с более низкими показателями усадки. Высота ребра должна быть меньше пятикратной толщины основного материала.
- Углы уклона и интервалы: Ребра должны иметь углы наклона и быть выровнены с направлением сверху вниз или использовать подвижные части формы. Расстояние между ребрами должно быть больше, чем удвоенная толщина основного материала.
Повышение жесткости: Для равномерной жесткости во всех направлениях эффективно добавление ребер как продольно, так и поперечно под прямым углом. Однако это может увеличить толщину стенки на пересечениях, что приведет к большей усадке. Распространенным решением является добавление круглого отверстия на пересечении для создания равномерной толщины стенки.
Отверстия в конструкции пластиковых деталей
Отверстия в пластиковых деталях обычно используются для сборки или функциональности. Для поддержания прочности и упрощения производства ключевыми факторами являются:
- Разнос: Расстояние между соседними отверстиями или от отверстия до ближайшего края должно быть как минимум равно диаметру отверстия. Это имеет решающее значение для отверстий вблизи краев, чтобы предотвратить растрескивание. Для резьбовых отверстий это расстояние обычно должно быть больше трех диаметров отверстия.
Типы отверстий:
- Сквозные отверстия: Они более распространены и их легче производить по сравнению с глухими отверстиями. Конструктивно сквозные отверстия проще и могут быть сформированы с помощью штифтов в подвижных или неподвижных частях формы. Первое создает две короткие консольные балки, а второе — простую опорную балку, и то и другое с минимальной деформацией.
- Слепые отверстия: Обычно изготавливаются с использованием консольных балок, которые могут изгибаться под воздействием расплавленного пластика, что приводит к образованию отверстий неправильной формы. Глухие отверстия не должна превышать глубину в два раза больше их диаметра, а для диаметров 1.5 мм или меньше глубина не должна превышать диаметр. Толщина нижней стенки должна быть не менее одной шестой диаметра отверстия, чтобы избежать проблем с усадкой.
Боковые отверстия: Боковые отверстия часто создаются с использованием боковых стержней, что может увеличить стоимость пресс-формы и обслуживания, особенно если стержни длинные и склонны к поломке. Где это возможно, можно внести улучшения в конструкцию, чтобы смягчить эти проблемы.
Босс Дизайн
Бобышки — это выступы из толщины стенки пластиковых деталей, используемые для сборки, разделения объектов и поддержки других компонентов. Полые бобышки могут вмещать вставки или резьбовые винты. Чтобы выдерживать давление без трещин, бобышки обычно имеют цилиндрическую форму, которую легче формовать и которая обеспечивает лучшие механические характеристики.
Структурная интеграция:
- Связь: В идеале, выступы не должны быть спроектированы как изолированные цилиндры. Они должны соединяться с внешней стенкой или использоваться с ребрами для повышения прочности и улучшения потока пластикового материала. Соединение с внешней стенкой должно быть тонкостенным, чтобы предотвратить проблемы с усадкой.
- Радиус и толщина: Радиус у основания бобышки должен составлять от 0.4 до 0.6 толщины основного материала. Толщина стенки бобышки должна составлять от 0.5 до 0.75 толщины основного материала. Верх бобышки должен быть скошенным для облегчения установки шурупов и должен включать угол наклона для облегчения извлечения из формы. Эти требования аналогичны требованиям для конструкции ребра.
Резьбовые втулки для саморезов:
Резьбовые бобышки часто соединяются с саморезами. Внутренняя резьба в этих бобышках формируется с помощью холодной текучести, которая деформирует, но не режет пластик. Размер резьбовой бобышки должен быть достаточным, чтобы выдерживать силу вставки и нагрузку, переносимую винтом.
Размеры и вставки: Диаметр бобышки должен выдерживать окружные силы, возникающие при затягивании винта. Обычно верхняя часть бобышки проектируется с выемкой, немного большей, чем номинальный диаметр винта, для легкой вставки. Расчет правильных размеров может быть сложным, но доступны упрощенные методы оценки, основанные на номинальном диаметре винта и типе материала.
Защелкивающиеся соединения
Соединения Snap-fit предлагают удобный, экономичный и экологичный метод сборки пластиковых деталей. Эти соединения формируются в процессе формования, что исключает необходимость в дополнительных крепежах, таких как винты. Сборка достигается путем защелкивания деталей, что упрощает процесс.
Механизм защелкивания: Механизм защелкивания подразумевает проталкивание выступающей части одного компонента через препятствие на другом компоненте. Этот процесс требует упругой деформации; как только препятствие преодолено, деталь возвращается к своей первоначальной форме, фиксируя компоненты вместе.
Углы и расчеты:
- Критические углы: Два важных угла в конструкции защелкивающегося соединения — это угол отвода и угол входа. Больший угол отвода, как правило, обеспечивает более прочное соединение. Когда угол отвода приближается к 90 градусам, защелкивающееся соединение становится постоянным.
Расчеты по защелкивающемуся креплению:
- Максимальный прогиб: Для защелкивающегося соединения с равномерным поперечным сечением максимально допустимый прогиб (Y) можно рассчитать по формуле:
Эта формула предполагает, что деформация происходит только внутри крючка-защелки. Некоторая деформация вблизи защелки может рассматриваться как фактор безопасности.
- Сила, необходимая для прогиба: Сила (P), необходимая для создания прогиба Y, равна:
- Сила сборки: Силу сборки (W) можно оценить с помощью:
Для разъемных защелкивающихся соединений используется та же формула, заменяя угол b на угол a.
В следующей таблице приведены коэффициенты, рассчитанные для различных материалов.
| Материалы | (д)(%) | ГПа | Коэффициент(ы) трения |
|---|---|---|---|
| PS | 2 | 3.0 | 0.3 |
| ABS | 2 | 2.1 | 0.2 |
| SAN | 2 | 3.6 | 0.3 |
| ПММА | 2 | 2.9 | 0.4 |
| ПВД | 5 | 0.2 | 0.3 |
| HDPE | 4 | 1.2 | 0.3 |
| PP | 4 | 1.3 | 0.3 |
| PA | 3 | 1.2 | 0.1 |
| ПОМ | 4 | 2.6 | 0.4 |
| PC | 2 | 2.8 | 0.4 |
Кольцевые защелкивающиеся соединения: Кольцевые защелки используют внутренний выступ на кольце для зацепления с канавкой на валу. Они могут быть как разъединяемыми, так и неразъемными, в зависимости от угла разъединения. Кольцо эластично расширяется во время вставки и извлечения, обычно изготавливается из материалов с хорошей эластичностью.
- Максимальный размер проекции: Максимальный размер проекции кольца можно рассчитать по формуле:
в котором S это проектное напряжение, v это коэффициент Пуассона, E - модуль упругости, а K геометрический коэффициент, определяемый по формуле:
- Сила расширения: Силу (P), необходимую для расширения втулки, можно рассчитать по формуле:
в котором μ это коэффициент трения.
Помехи
Посадки с натягом обычно используются для соединения отверстий и валов, эффективно передавая крутящий момент и другие силы. Этот метод обеспечивает прямое и надежное соединение. Однако достижение правильной посадки с натягом имеет решающее значение, поскольку недостаточное натяг может привести к ненадежным соединениям, а чрезмерное натяг может затруднить сборку и повысить риск образования трещин.
Ключевые соображения: При проектировании посадок с натягом необходимо учитывать допуски как отверстия, так и вала, а также рабочую температуру, поскольку колебания температуры могут существенно повлиять на посадку с натягом.
Общие практики:
- Улучшения поверхности: Для обеспечения надежного соединения, особенно с металлическими валами, на сопряженный вал часто добавляются такие элементы, как накатка или канавки.
- Общая формула для посадки с натягом:
в котором S это проектное напряжение, v это коэффициент Пуассона, E - модуль упругости, а K геометрический коэффициент, рассчитываемый как:
- Расчет усилия сборки:
где μ — коэффициент трения, l — длина зацепления.
- Материалы и коэффициент Пуассона:
| Материалы | Коэффициент Пуассона |
|---|---|
| ABS | 0.38 |
| ПММА (акрил) | 0.4 |
| LDPE (полиэтилен низкой плотности) | 0.49 |
| HDPE (полиэтилен высокой плотности) | 0.47 |
| Полипропилен (ПП) | 0.43 |
| Поликарбонат (PC) | 0.45 |
| ПВХ | 0.42 |
| ПОМ (полиоксиметилен) | 0.42 |
| ПФС (полифениленсульфид) | 0.41 |
| Сталь | 0.38 |
Альтернативные методы соединения: Помимо посадки с натягом, для соединения пластиковых деталей используются такие методы, как термоклей, сварка и ультразвуковая сварка.
Радиусы в конструкции пластиковых деталей
Если деталь имеет внутренний радиус, но острый внешний угол, область вокруг изгиба будет толще, чем другие секции, что приведет к проблемам с усадкой. Чтобы решить эту проблему, следует скруглить как внутренние, так и внешние углы, чтобы добиться равномерной толщины стенки. В этом случае внешний радиус должен быть суммой внутреннего радиуса и толщины базовой стенки.
Для защелкивающихся соединений консоль должна сгибаться и вставать на место. Если радиус (R) слишком мал, это приведет к чрезмерной концентрации напряжений, что сделает деталь склонной к поломке во время изгиба. И наоборот, если R слишком велик, это может привести к появлению следов усадки и зазоров. Поэтому соотношение между радиусом и толщиной стенки должно поддерживаться в пределах от 0.2 до 0.6, а идеальное значение — около 0.5.
Затворы и выталкивающие штифты в конструкции пластиковых деталей
Литники и выталкивающие штифты являются важнейшими компонентами в процессе формования, обеспечивая стратегический ввод пластиковой смолы в форму и эффективное извлечение готовой детали из формы. Понимание различных типов литников и их расположения имеет важное значение перед подготовкой к обработке.
Типы ворот:
- Штифтовые ворота: Обычно используется, сужается от литника к поверхности детали, обеспечивая рассеивание тепла и минимизируя деформацию. Требует ручного удаления, оставляя небольшой след.
- Дополнительные ворота: Включает туннельные и задние ворота, которые уменьшают видимые следы. Туннельные ворота входят из середины детали, тогда как задние ворота используют штифты около периметра детали, что потенциально оставляет декоративные тени.
- Горячие советы Гейтс: Идеально подходит для сбалансированного наполнения и минимальных отходов. Эстетичный вид, можно спрятать в углублениях или вокруг логотипов.
- Прямые ворота: Более крупные и менее привлекательные, используются для материалов с высоким содержанием стекла или деталей, требующих вторичной обработки. Трудно удалить вручную.
Лучшие практики для успешного проектирования литья под давлением
- Сотрудничать с Изготовители пресс-форм: Тесное сотрудничество с проектировщиками и производителями пресс-форм для обеспечения осуществимости и экономической эффективности конструкции.
- Оптимизируйте дизайн для повышения эффективности: Сосредоточьтесь на сокращении отходов материала, минимизации времени цикла и обеспечении простоты извлечения деталей.
- Непрерывное улучшение: Используйте отзывы, полученные при испытании прототипов и первых серийных партий, для доработки конструкции с целью повышения производительности и экономической эффективности.
Получите экспертную помощь в дизайне от BOYI!
Упростите свой путь от небольших партий к крупномасштабным литье под давлением с BOYI. Просто отправьте нам ваши требования, и в течение 2 часов наши инженеры предоставят вам бесплатную смету DFM. Не ждите — испытайте бесшовную и эффективную разработку пластиковых деталей уже сегодня. Свяжитесь с нами сейчас, чтобы начать! Пожалуйста, свяжитесь с одним из наших опытных инженеров по применению по адресу [электронная почта защищена]
Готовы к своему проекту?
Попробуйте BOYI TECHNOLOGY прямо сейчас!
Загрузите свои 3D-модели или 2D-чертежи, чтобы получить индивидуальную поддержку
Вывод
Проектирование пластиковых деталей для литья под давлением требует глубокого понимания как принципов проектирования, так и производственного процесса. Учитывая свойства материалов, толщину стенок, углы наклона и другие ключевые факторы, конструкторы могут создавать детали, которые не только функциональны и эстетичны, но и экономически эффективны в производстве. Следование передовым методам и избежание распространенных ошибок приведут к успешным литьевым деталям и эффективным производственным процессам.
FAQ
Литье под давлением обеспечивает ряд преимуществ, включая высокую эффективность производства, возможность производить сложные и детализированные детали, отличную повторяемость и последовательность, минимальные отходы и экономическую эффективность для крупносерийного производства. Оно также позволяет использовать широкий спектр пластиковых материалов с различными свойствами.
Выберите пластиковый материал на основе желаемых механических свойств (например, прочности, гибкости), термостойкости, химической совместимости и соображений стоимости. Распространенные варианты включают ABS для ударопрочности, поликарбонат для высокой прочности и прозрачности и полипропилен для химической стойкости и гибкости.
Включайте такие функции, как ребра для дополнительной прочности, выступы для монтажа компонентов и защелки для легкой сборки. Проектирование с учетом функциональных областей гарантирует, что деталь эффективно выполняет свою предполагаемую функцию и легко интегрируется с другими компонентами.
Литники — это точки входа, через которые расплавленный пластик поступает в полость формы. Их размещение влияет на заполнение детали и может повлиять на качество конечного продукта. Правильная конструкция литника помогает обеспечить равномерное заполнение, минимизировать дефекты и избежать таких проблем, как линии сварки и воздушные ловушки.
Прототипирование — это ключевой шаг для проверки и подтверждения вашего дизайна. Для создания прототипов можно использовать такие методы, как 3D-печать или мелкосерийное литье под давлением. Эти прототипы позволяют проводить тестирование и корректировку перед началом полномасштабного производства.
Статья написана инженерами из команды BOYI TECHNOLOGY. Фуцюань Чен — профессиональный инженер и технический эксперт с 20-летним опытом работы в сфере быстрого прототипирования, производства металлических и пластиковых деталей.
