Влияние дизайна плесени на эффективность цикла трансфертного формования

Трансфертное формование является высокоэффективным производственным процессом для производства сложных пластиковых и резиновых компонентов, особенно с термореактивными материалами. Эффективность цикла - время, необходимое для завершения одного полного цикла формования - непосредственно влияет на пропускную способность производства, потребление энергии и стоимость части. В то время как многие факторы влияют на время цикла, конструкция трансформаторной формы играет наиболее решающую роль. Геометрия форм, вентиляция, охлаждение, измельчение и выбор материала - все взаимодействуют, чтобы определить, как быстро материал течет, лечит и затвердевает. Оптимизация каждого из этих элементов может сократить время цикла на 20-50% при сохранении или улучшении качества деталей.

Понимание формования трансфера и его цикла

При переливном формовании предварительно нагретый заряд материала (обычно термореактивное соединение, хотя используются некоторые термопласты) помещается в горшок или камеру. Плунжер или баран вынуждает размягченный материал через бегуны и ворота в закрытую полость формы. Материал отверждается под теплом и давлением, затем форма открывается для выталкивания готовой части. Цикл состоит из этапов зарядки, переноса, отверждения и охлаждения. Конструкция формы регулирует продолжительность каждой стадии:

• Время нагревания зарядки — под влиянием конструкции горшка и системы предварительного нагрева.
• Время передачи — определяется длиной бегуна, размером затвора и вязкостью материала.
• Время обработки — зависит от однородности температуры плесени и толщины детали.
• Время охлаждения — зависит от компоновки охлаждающего канала и теплопроводности материала пресс-формы.

В отличие от литья под давлением, материал при попадании в полость имеет более высокую вязкость, что делает поведение потока и распределение давления особенно чувствительными к геометрии плесени.Хорошо спроектированная плесень минимизирует давление переноса, уменьшает время отверждения и предотвращает дефекты.

Ключевые факторы дизайна плесени, которые контролируют эффективность цикла

1.Геометрия плесени и дизайн деталей для быстрого охлаждения

Единственным крупнейшим фактором, влияющим на время цикла в процессе формования, является фаза охлаждения или отверждения. Термореактивные материалы требуют достаточного тепла для перекрестного сшивания, но после завершения перекрестного сшивания деталь должна охлаждаться до температуры, при которой она может быть выброшена без искажений. Более толстые секции требуют больше времени для охлаждения, поэтому конструкция детали должна быть нацелена на однородную толщину стенки. Там, где изменения толщины неизбежны, форма должна включать локализованную компенсацию охлаждения или нагрева.

Геометрия плесени также влияет на длину потока. Длинные, извилистые пути потока увеличивают время и давление переноса, что может привести к преждевременному отверждению в бегуне (корч.) Сохранение полостей компактными и использование нескольких небольших ворот вместо одного большого ворот может уменьшить длину потока и улучшить равномерность заполнения. Например, плоская, тонкая часть с одним центральным воротом будет заполняться быстрее, чем одна с боковым воротом, что заставляет материал перемещаться по всей длине.

Стратегии проектирования для оптимизации геометрии

• Углы наклона 1-3° для легкого выброса, уменьшая потребность в штифтах-выталкивателях, которые усложняют конструкцию формы.
• Закругленные углы, чтобы минимизировать концентрацию стресса и улучшить поток.
• Тонкие ребра, где это возможно, сохраняют толщину ядра ниже 4 мм для большинства термореактивных систем.
• Использование программного обеспечения для моделирования потока (например, Moldex3D, Autodesk Moldflow) для прогнозирования шаблонов заполнения и оптимизации местоположения ворот.

2. Дизайн бегуна и ворот: балансировка потока и лечение

Трансферные формы используют бегуны для доставки материала из горшка в полость. Как холоднобегущие, так и горячие бегуны используются в зависимости от материала и объема производства. Для термореактивных двигателей конструкции холодного бегуна распространены, потому что они сохраняют материал бегуна холоднее, чтобы предотвратить отверждение, но сам бегун становится отходом. Системы горячего бегуна поддерживают бегуна при температуре, которая сохраняет жидкость материала без отверждения, уменьшая отходы, но добавляя сложность.

Конструкция затвора имеет решающее значение. Затворы, которые слишком малы, вызывают высокие скорости сдвига, которые могут ухудшать материал, в то время как затворы, которые слишком велики, увеличивают время переноса и затрудняют дегирование. Рекомендуемые размеры затворов для переливного формования варьируются от 0,5 мм до 2,0 мм по толщине, с шириной, равной толщине детали. Для незаполненных термосетов хорошо работает прямоугольный затвор с соотношением длины к толщине 3:1. Для заполненных соединений (стеклоукрепленных или минерально-наполненных) затворы должны быть толще, чтобы предотвратить разделение наполнителя и чрезмерный износ.

Поперечные сечения бегунов должны быть трапециевидными или полными, чтобы минимизировать потерю давления. Полнооборотные бегуны предпочтительнее для термореактивных, поскольку они обеспечивают наименьшее сопротивление потоку и снижают риск преждевременного излечения у бегуна. Правило большого пальца: диаметр бегуна должен быть не менее чем в три раза больше толщины детали.

3. Вентирование: ликвидация захваченного воздуха и газов

Неправильное вентиляционное отверстие является основной причиной задержек и дефектов цикла. Воздух, зажатый в полости, сжимает и нагревает, вызывая ожоги или неполное наполнение. Венты также позволяют эволюционировавшим газам от отверждения выходить. Хорошо спроектированная система вентиляции уменьшает обратное давление, обеспечивая более быструю скорость передачи и более короткое время цикла.

Глубина является критической: для материалов с низкой вязкостью достаточно вентиляционных отверстий толщиной 0,02 мм; для соединений с высокой вязкостью вентиляционные отверстия могут иметь глубину 0,05-0,15 мм. Земля вентиляционных отверстий (длина канала вентиляции) должна быть короткой (0,5-2,0 мм), чтобы обеспечить легкую очистку и уменьшить засорение. Более глубокие вентиляционные отверстия с небольшим поперечным сечением могут использоваться для выпуска газа без создания вспышки.

Автоматизированные системы очистки вентиляционных отверстий, такие как дегазаторы типа щетки или циклы выдувания сжатого воздуха, могут быть интегрированы в форму для сокращения простоев технического обслуживания. В крупносерийном производстве конструкции формы с несколькими вентиляционными канавками или пористыми стальными вставками (например, из SimulationTech ) могут улучшить как время цикла, так и качество.

4. Конструкция системы охлаждения для равномерной температуры

Охлаждение составляет 40—60% от общего времени цикла. Система охлаждения пресс-формы должна быстро и равномерно удалять тепло. Традиционные прямо-буровые охлаждающие каналы ограничены геометрией пресс-формы; они часто оставляют горячие точки в глубоких ядрах или ребрах. Конформные охлаждающие каналы, созданные посредством аддитивного производства (3D-печатные вставки пресс-формы), следуют за контуром поверхности полости, обеспечивая почти равномерное удаление тепла.

Для переливания термореактивных установок система охлаждения часто представляет собой комбинацию нагрева (во время отверждения) и охлаждения (после отверждения). Блок управления температурой (ТКУ) с отдельными зонами позволяет точно управлять.

• Диаметр канала: 8-12 мм для стандартных форм; большие диаметры для глубоких полостей.
• Расстояние от поверхности полости: в 1,5-2 раза больше диаметра канала для эффективного теплопередачи без ослабления формы.
• Скорость потока: Турбулентный поток (число Рейнольдса > 4000) необходим для максимальной теплопередачи. Используйте перегородки или вставки для пузырьков для глубоких отверстий.
• Материальный выбор: Медно-бериллийные или безбериллиевые медные сплавы для высокой теплопроводности в критических областях; сталь для долговечности в зонах высокой износостойкости.

Использование анализа конечных элементов (FEA) для моделирования распределения температуры перед обработкой может уменьшить корректировки проб и ошибок. Хорошо оптимизированная система охлаждения может сократить время охлаждения на 30% или более.

5.Горшок и дизайн плунжера

Горшок (передающая камера) влияет на нагрев и пластификацию заряда. Горшок, который слишком велик относительно заряда, приводит к плохой теплопроводности; тот, который слишком мал, увеличивает давление переноса. Идеальный диаметр горшка в 1,1-1,5 раза превышает диаметр заряда. Горшок должен иметь гладкую внутреннюю отделку для уменьшения трения и зависания материала. Клиренс от гнойника (обычно 0,05-0,15 мм) должен предотвращать утечку материала, позволяя свободное движение.

Для таких материалов, как фенольные смолы, которые требуют высокого давления впрыска (до 200 МПа), горшок и плунжер должны быть износостойкими. Нитрид-закаленная сталь или коррозионно-стойкие покрытия (например, безэлектронный никель) продлевают срок службы инструмента и поддерживают согласованное время цикла.

Выбор материала и его влияние на дизайн плесени

Выбор формовочного соединения напрямую влияет на параметры конструкции формы. Термореактивные материалы, такие как эпоксидная, фенольная, полиэфирная и силиконовая, имеют различные характеристики потока и отверждения:

• Фенолы: Высокая вязкость, быстрое излечение. Требуют высокого давления переноса и надежного вентиляции. Температура плесени 160–190°C. Время цикла может быть менее 30 секунд для тонких деталей с эффективным охлаждением.
• Эпокси: Более низкая вязкость, более длительный срок службы потока. Допускается более длительное время заполнения и более сложные полости. Вылечить температуры 130-180°С. Чувствительность к влаге; конструкция плесени должна предотвращать попадание влаги в ловушки.
• Силиконы: Очень низкая вязкость, требуют плотных зазоров на вентиляционных отверстиях для предотвращения вспышки. Температура плесени 150-250 ° C. Часто используется для медицинских и электронных деталей.
• Диаллилфталат (DAP): Отличная стабильность размеров, средняя вязкость. Требуется форма из нержавеющей стали для предотвращения коррозии от эволюционировавших газов.

При определении материала для новой части дизайнеры должны проконсультироваться с листом материальных данных (MDS) для рекомендуемой температуры формы, усадки и вязкости. Эти данные сообщают размер затвора, длину бегуна и компоновку охлаждения.

Материалы и конструкции для эффективности цикла

Материалы плесени влияют на теплопроводность, износостойкость и интервалы обслуживания. Инструментальная сталь (P20, H13) распространена для универсальных передающих форм, но ее теплопроводность (~30 Вт / мК) низкая. Вставки или ядра из бериллия могут повысить местную теплопередачу в 3-4 раза, уменьшая время охлаждения в горячих точках. Однако BeCu дорог и требует тщательной обработки, чтобы избежать пыли бериллия во время обработки.

Алюминиевые формы (проводимость ~ 200 Вт/мк) подходят для коротких пробегов и материалов с низкой степенью очистки, но они быстро изнашиваются абразивными наполнителями. Для производства больших объемов с армированными стеклом соединениями карбидные или нитридные стальные формы обеспечивают более длительный срок службы и согласованное время цикла.

Обслуживание пресс-формы также влияет на эффективность цикла. Накопление флэш-памяти на поверхностях вентиляционных отверстий, износ бегуна и нарушение работы охлаждающего канала при всех процессах деградации. В график профилактического обслуживания следует включать:

• Еженедельная уборка вентиляционных отверстий и разделительных линий.
• Ежемесячный осмотр скорости потока охлаждающих каналов и однородности температуры.
• Ежегодное тестирование твердости поверхности плесени и, при необходимости, повторное полировку.

Оптимизация процессов с помощью дизайна плесени: пример исследования

Производитель автомобильных соединительных корпусов (укрепленных стеклом фенольных) изначально использовал четырехполюсную передаточную форму с центральным горшком и системой холодного бега. Время цикла в среднем составляло 85 секунд. Анализ показал:

• Диаметры ворот 1,2 мм вызывали высокий сдвиг и требовали медленной скорости передачи (5 секунд заполнения).
• Венты не были расположены в конечных точках заполнения полости, что привело к ожогам воздуха на 12% частей.
• Каналы охлаждения были диаметром 8 мм, разнесенные на 30 мм друг от друга, что вызывало изменение на 20 ° C по полости.

Переделанная форма используется:

• Диаметр затвора увеличился до 1,8 мм, сократив время заполнения до 2 секунд.
• Расположение вентилятора оптимизировано с использованием моделирования наполнителя формы с отверстиями глубиной 0,12 мм на концах полости.
• Конформные охлаждающие каналы, производимые DMLS (прямое металлическое лазерное спекание), следуют контурам полости, при этом расстояние между каналами уменьшается до 12 мм.

Время цикла сократилось до 52 секунд (39% улучшения), скорость утилизации снизилась до 1%, а срок службы инструмента увеличился на 25% из-за снижения теплового напряжения. Этот пример демонстрирует мощь целостного дизайна формы.

Общие ошибки цикла и дизайнерские решения

Будущие тенденции в дизайне трансферных плесеней для эффективности цикла

Аддитивное производство позволяет создавать конструкции из пресс-формы, которые были невозможны при традиционной обработке. Конформное охлаждение с решетчатыми структурами может достигать коэффициентов теплопередачи в 3-5 раз выше, чем прямые каналы. Инструменты проектирования, основанные на моделировании, такие как Autodesk Moldflow и Sigmasoft, интегрируют дизайн пресс-формы с моделированием процесса для прогнозирования времени цикла и дефектов перед резкой стали.

Появляется автоматическая оптимизация формы с использованием машинного обучения: алгоритмы анализируют тысячи вариантов дизайна, чтобы рекомендовать геометрию ворот, бегунов и охлаждения, которые минимизируют время цикла, удовлетворяя ограничениям качества. Ранние пользователи сообщают о сокращении времени цикла до 40% в пилотных исследованиях.

Для переливания высокотемпературных термореактивных материалов (например, полиимида или цианата) тестируются материалы плесени со сверхвысокой теплопроводностью (композиты из меди с алмазным наполнителем или полимеры с углеродным волокнами). Эти материалы обещают более быстрое охлаждение и более длительный срок службы инструмента.

Заключение

Дизайн пресс-формы - это рычаг, который производители могут наиболее непосредственно контролировать для повышения эффективности цикла формования передачи. Сосредоточив внимание на упрощении геометрии, оптимизированных системах бегуна и затвора, эффективных вентиляционных и передовых методах охлаждения, время цикла может быть резко сокращено, не жертвуя качеством деталей. Инвестиции в моделирование, конформное охлаждение и современные инструментальные материалы окупаются за счет более высокой пропускной способности, более низких затрат на энергию и меньшего количества отвергнутых деталей. По мере того, как цифровое проектирование и аддитивное производство продолжают созревать, следующее поколение форм для передачи будет продвигать время цикла еще ниже, делая этот почтенный процесс более конкурентоспособным, чем когда-либо. Для компаний, стремящихся получить преимущество в производстве, тщательный обзор дизайна пресс-формы - начиная с этих принципов - является наиболее эффективным первым шагом.