Dlaczego w pozornie dobrze skonstruowanej i zweryfikowanej pod kątem poprawności technologicznej wyprasce występują po próbach deformacje, błędy wymiarowe, zapadnięcia, niedolewy?

Zgodnie z definicją termin technologiczność konstrukcji określa zgodność budowy wypraski z uwarunkowaniami określonego procesu wytwarzania.
Czy rzeczywiście określa się technologiczność wypraski wtryskowej analizując rutynowo poprawność jej typowych fragmentów, takich jak żebra, obrzeża, grubość ścian? Przecież fragmenty te nie występują oddzielnie, lecz stanowią zintegrowaną całość, której cechy użytkowe są kształtowane wspólnie w czasie cyklu wtrysku. Nie można oddzielnie dla każdego z fragmentów analizować skutków orientacji i skurczu w warunkach, gdy w każdym miejscu wyrobu są one inne, a poza tym są funkcją wynikową zmiennych w czasie parametrów procesu i geometrii wcale nie wypraski, lecz gniazda formującego. Czyżby więc zalecenia podawane w literaturze krajowej i zagranicznej należało uznać za błędne? Nie, lecz należy je traktować jako zbiór zasad ogólnych, ograniczających swobodę projektowania wyrobu w fazie określania jego kształtu funkcjonalnego (rys. 1), który zawsze musi być sprawdzony pod kątem technologicznym z tym, że w odmienny od tradycyjnego sposób.



Rys. 1. Przebieg konstruowania wyrobu z uwzględnieniem kontroli technologiczności.

Faza technologiczna projektowania wymaga zmiany podmiotu analizy: ocenia się już nie wypraskę, lecz gniazdo formy wtryskowej, które scharakteryzowane jest przez:
– podaną w dokumentacji 2D/3D geometrię wyrobu,
– założony rodzaj i miejsce/miejsca doprowadzania tworzywa,
– wybrane główne i pomocnicze płaszczyzny podziału gniazda, a zarazem głównych stref termicznych,
– uwarunkowania dodatkowe, np. obecność zaprasek, łączenie komponentów, wymiary i ich tolerancje.
Gniazdo można traktować jako pewien układ o charakterze zamkniętym, w którym w poszczególnych fazach wtryskiwania zachodzą zmiany stanu tworzywa i kształtują się cechy wyrobu (rys. 2).



Rys. 2. Kształtowanie własności wypraski w kolejnych fazach cyklu wtrysku. Wykres przebiegu zmian ciśnienia w formie w funkcji czasu.

Każda zmiana geometrii gniazda, tworzywa i miejsca doprowadzania tworzywa zmienia ten układ. Jest rzeczą oczywistą, że możliwość tradycyjnego (tzn. na podstawie własnych doświadczeń i obserwacji) określania zachodzących w formie przemian oraz przewidywania zmian związanych z korektą tego układu ma swoje granice. Ocena wpływu zmiany tworzywa (np. na tworzywo o mniejszej lepkości) wymaga już przeprowadzenia prób, a zatem była dotychczas niemożliwa w fazie projektowania. Dopiero współczesne techniki symulacyjne stworzyły możliwość przeprowadzenia tej oceny.
W związku ze zmniejszeniem ryzyka przy projektowaniu kosztownych form oraz wzrostem wymagań stawianych wyrobom można spodziewać się, że w niedługim czasie stosowanie symulacji komputerowych jako narzędzia pomocniczego stanie się obligatoryjnym wymogiem stawianym narzędziowniom. Już w tej chwili od konstruktora form należy dodatkowo wymagać umiejętności interpretowania wyników symulacji. Na podstawie otrzymanych w wyniku symulacji charakterystyk graficznych, obrazujących stan tworzywa w formie w poszczególnych fazach procesu, można z bardzo dużym przybliżeniem sprawdzać kolejno:

1. Warunki wypełniania gniazda:
– realność wypełnienia począwszy od miejsca doprowadzenia tworzywa zależnie od grubości ścianki, i to zarówno w jednym gnieździe, jak i w całej formie; przy symulacji określa się położenie czół płynięcia w funkcji czasu lub objętości;
– równomierność wypełniania gniazda, zwłaszcza przy wielu punktach wtrysku (równomierność skurczu);
– kierunek płynięcia określający kierunek orientacji cząsteczek lub wypełniaczy włóknistych (anizotropia własności i skurczu);
– zmiany prędkości przepływu lub jego chwilowe zatrzymanie (efekt płynięcia na zimno, warstwowe zaburzenia struktury);
– miejsca przerwania strugi tworzywa (linie łączenia);
– ułatwienia przepływu: zaokrąglenia, promienie wewnętrzne;
– miejsca zamykania powietrza.

2. Warunki skuteczności uzupełniania strat skurczowych płynnego tworzywa w fazie docisku:
– utrzymanie drożności przepływu w płynnym rdzeniu (analiza zmian grubości warstwy zakrzepniętej, zmieniającej się w funkcji czasu trwania docisku);
– możliwość minimalizacji skutków miejscowych zgrubień przez np. zmianę konstrukcji wzmocnień, obrzeży, połączeń żeber lub nawet zmianę miejsca wlewu.

3. Warunki chłodzenia tworzywa w gnieździe:
– analiza równomierności odbioru ciepła z tworzywa w funkcji czasu;
– występowanie tzw. węzłów cieplnych, powstających ze względów konstrukcyjnych (zgrubienia ścianek, naroża itp.), ciepła tarcia oraz efektu sprężenia powietrza w gnieździe;
– zróżnicowanie skurczu w tworzywie ochłodzonym pod różnym ciśnieniem i z różną szybkością.
Jak widać, jedynie symulacja stanu tworzywa w gnieździe formy pozwala na określenie sumarycznej wartości skurczu i jego zróżnicowania oraz skutków w postaci zmian wymiarów, deformacji i naprężeń własnych w gotowym wyrobie (rys. 3). Wynika stąd następny element oceny technologiczności:



Rys. 3. Proces kształtowania się stanu zróżnicowania skurczu w czasie cyklu wtryskiwania i jego wpływ na cechy jakościowe wyrobu.

4. Racjonalność dokładności wymiarowej wyrobu:
– analiza realności każdego wymiaru tolerowanego przez określenie spodziewanych odchyleń od średniej wartości skurczu przetwórczego;
– realność zachowania zadanych wymiarów w razie deformacji wyrobu;
– realność spełnienia podanych w dokumentacji odchyleń współosiowości, równoległości i prostopadłości powierzchni.
Jeśli uwzględni się w tym miejscu wpływ położenia płaszczyzny podziału formy, to – gdy znajduje się ona wewnątrz wymiaru – należy sprawdzić, czy pole tolerancji zostało odpowiednio powiększone. Średnio, jak wynika z analizy normy DIN 16901, powinno ono zostać powiększone o 0,1 mm. Uwaga: Uzyskanie niewielkiego rozrzutu odchyłek wymiarowych i powtarzalnej jakości wyprasek wtryskiwanych w formach wielogniazdowych możliwe jest wyłącznie przy stosowaniu równoległego układu gniazd.
Zarówno budowa formy, jak i jej działanie zależą bezpośrednio od konstrukcji wyrobu. Dlatego też technologiczność konstrukcji wyrobu analizuje się również pod tym kątem i ewentualnie proponuje wykonanie odpowiednich korekt przez zamawiającego. Nawet drobne zmiany geometrii oraz ograniczenie podanych w dokumentacji wymogów specjalnych mogą spowodować zasadniczą zmianę koncepcji budowy formy bądź uprościć technologię jej wykonania. Wpłynie to przede wszystkim na obniżenie kosztów.

5. Elementy geometrii wypraski wpływające na działanie formy:
– obecność określonych zbieżności (pochyleń) ścianek lub żeber w kierunku otwierania formy;
– możliwość zastosowania zaczepów pomocniczych zabezpieczających wypraskę przy wykręcaniu lub podcięć ułatwiających pozostawanie na stemplu;
– zastosowanie soczewek rozpływowych pod miejscem wlewu w dnie wypraski;
– ukształtowanie geometrii dna tak, by możliwe było odsuwanie segmentu formującego podcięcia wewnętrzne.

6. Cechy kształtu wypraski wpływające na wybór rozwiązania formy:
– niedopuszczalna zbieżność otworów formowanych przez rdzenie boczne lub ścianek bocznych od strony wewnętrznej lub zewnętrznej;
– położenie powierzchni pierwszoplanowych;
– niedopuszczalna obecność w określonym miejscu wypraski linii łączenia, wlewka lub śladu po nim, śladów pomocniczych płaszczyzn podziału, śladów wypychaczy itp.;
– niedopuszczalna obecność linii podziału na gwintach;
– długie gwinty drobnozwojne;
– długie otwory o niekorzystnym stosunku długości do średnicy.
Spełnienie tych warunków wymaga zastosowania kosztownych form o skomplikowanej budowie. Dlatego też celowe jest przeanalizowanie konieczności ich wykorzystania i ewentualna zmiana geometrii wyrobu.

7. Zmiana geometrii wypraski w celu ułatwienia wykonawstwa formy:
– kształtowanie zaczepów (podcięć wewnętrznych) przez wpuszczane stemple – dopuszczenie otworu w dnie wypraski;
– umożliwienie kształtowania otworów bocznych metodą mijanych stempli – wymaga zmiany kształtu otworu i powierzchni ścianki;
– możliwość zastosowania spychania ze stempla zamiast wykręcania wymaga zmiany profilu gwintu;
– możliwość formowania gwintu wewnętrznego przez elementy wsuwane wymaga na ogół stosowania gwintu tylko na części obwodu;
– możliwość formowania gwintu zewnętrznego przez suwaki – wymaga zgody na pomocniczą linię podziału wzdłuż powierzchni gwintu.

8. Technologiczne uściślenie konstrukcji wypraski:
– określenie ostrych krawędzi i wartości promieni niezwymiarowanych;
– miejsce umieszczenia dodatkowych oznakowań – daty, logo firmy, znaku recyklingu, oznaczenia materiału, normy, numeru gniazda (z podaniem głębokości i kształtu liter);
– określenie stopnia gładkości powierzchni pierwszoplanowych, rodzaju i głębokości faktury;
– określenie dopuszczalnej wysokości pozostałości wlewka;
– określenie dopuszczalnej wielkości gratu w miejscach odpowietrzeń.

Jak wspomniano wcześniej, każda późniejsza zmiana kształtu wypraski (gniazda) wymaga powtórzenia procesu symulacji i powtórnej analizy zachowań tworzywa. Tak szczegółowa analiza jest pracochłonna i w razie zastosowania symulacji pociąga za sobą wzrost kosztów formy.
Nie wszyscy uważają, że warto te koszty ponieść. Można więc zapytać: kto powinien wykonywać analizę i komu na niej zależy? Wytwórcę wyprasek – jeśli jest kooperantem – interesuje tylko produkcja wyrobu zgodnego z dokumentacją. Narzędziownia wykona formę zgodnie z zamówieniem – jeśli wystąpią problemy jakościowe, koszt poprawek poniesie zamawiający, jeżeli oczywiście zatwierdził przedtem konstrukcję formy.
Decydującym argumentem może być jednak bilans strat i zysków, ponieważ:
– następuje ograniczenie ryzyka wykonania złej formy i dokonywania wielokrotnych poprawek i prób;
– uzyskuje się szybką amortyzację poniesionych kosztów, zwłaszcza przy produkcji masowej, przez możliwość skrócenia czasu cyklu i zmniejszenie zużycia materiału w przypadku nawet drobnej korekty grubości ścianki.
W skrajnym przypadku analiza technologiczności może wykazać, że nie uda się wykonać wypraski o założonym kształcie, w związku z czym trzeba albo zastosować inną technologię wtryskiwania, albo całkowicie zmienić konstrukcję wyrobu.

Podsumowanie
Analiza technologiczności wyrobu jest pierwszą czynnością, jaką musi wykonać wyspecjalizowany konstruktor przed rozpoczęciem procesu projektowego formy. Wynik oceny zależy od jego doświadczenia oraz kwalifikacji, z których podstawowe znaczenie dla konstrukcji formy ma znajomość zachodzących w niej procesów reologicznych i termicznych. Coraz częściej jednak okazuje się, że zarówno ocena technologiczności, jak i budowa formy muszą opierać się nie na intuicji, lecz na realnych wynikach analizy przeprowadzonej drogą symulacji komputerowej. Ze względu na wysokie koszty formy element ryzyka jest niedopuszczalny, a niepodważalne założenia wyjściowe są dokumentem niezbędnym.

Uwaga dodatkowa
Nawet najlepiej przeprowadzona analiza technologiczności nie wyeliminuje ewidentnych błędów, które może popełnić konstruktor wyrobu nie znający specyficznych własności użytkowych tworzyw sztucznych. Poniżej podano niektóre przyczyny wad ujawniających się podczas użytkowania:
– obecność w wyprasce naprężeń własnych nakładających się na naprężenia rozciągające powodowane obciążeniem,
– bardzo duży wpływ karbu na powstawanie pęknięć naprężeniowych (np. ostra krawędź dna zakrętki),
– płynięcie na zimno tworzyw nie wzmocnionych nawet pod niewielkim obciążeniem (np. nacisk uszczelki),
– samorzutne powstawanie rys naprężeniowych pod wpływem promieniowania UV,
– rozszerzalność cieplna ok. 10-krotnie większa niż metali (tolerowanie rozstawienia otworów mocujących osłon, listew itp.),
– niewielka odporność na działanie rozpuszczalników i smarów;
– zawsze występująca anizotropia wszystkich własności wytrzymałościowych, optycznych i skurczu – zależnie od kierunku płynięcia,
– fakt, iż podawane w poradnikach wartości liczbowe fizycznych własności tworzyw dotyczą wyłącznie próbek laboratoryjnych i mają charakter raczej orientacyjny.

Wiecej informacji www.plastech.tworzywa.com.pl

Komentarze

  • OK

    Uważam , że opis jest OK. Pracuję od niedawna w branży i podoba mi się