Przewodnik projektowy DFM dotyczący wytłaczania tworzyw sztucznych i części wytłaczanych

Wprowadzenie do procesu

Formowanie wytłaczaneto ciągły proces produkcyjny, podczas którego materiał termoplastyczny topi się w podgrzewanej beczce za pomocą obracającej się śruby, a następnie przepuszcza przez ukształtowaną matrycę w celu wytworzenia profilu o stałym- przekroju poprzecznym. W przeciwieństwie do formowania wtryskowego, które wypełnia zamkniętą wnękę formy w celu utworzenia oddzielnych części, formowanie przez wytłaczanie zapewnia nieprzerwaną długość produktu-rury, rurki, kanały, paski, arkusze-, które są wymiarowane, chłodzone i cięte na dalszym etapie. Proces ten jest ceniony ze względu na wysoką wydajność, niski koszt-metru i możliwość obróbki szerokiej gamy polimerów, od standardowego PCW po poliwęglan-techniczny.

Formowanie wytłaczane to metoda przetwarzania formowania z wieloma zmianami, wysoką produktywnością, dużymi możliwościami adaptacji, szerokim zastosowaniem i największym udziałem w dziedzinie przetwarzania tworzyw sztucznych.

Formowanie przez wytłaczanie polega na ciągłym kształtowaniu stopionego polimeru lub lepkiego płynu przez matrycę o określonym kształcie pod działaniem wytłaczającym ślimaka lub tłoka wytłaczarki. Powstałe części są profilami ciągłymi o stałym kształcie przekroju.

Proces wytłaczania polimeru można podzielić na sekwencję ściśle kontrolowanych etapów, z których każdy wpływa na końcową jakość części. Surową żywicę-granulki, granulki lub proszek-ładowuje się do leja-zasilanego grawitacyjnie, zamontowanego nad cylindrem wytłaczarki. Stamtąd materiał wchodzi do gardzieli zasilającej i jest transportowany do przodu za pomocą obracającej się śruby. W miarę przemieszczania się żywicy wzdłuż cylindra zewnętrzne grzejniki taśmowe i wewnętrzne tarcie ścinające stopniowo podnoszą temperaturę, aż materiał osiągnie stan całkowicie stopiony. Konstrukcja ślimaka-jego głębokość lotu, stopień sprężania i stosunek L/D-bezpośrednio wpływa na równomierność plastyfikowania stopu, dlatego projekt wytłaczarki do tworzyw sztucznych jest często uważany za punkt wyjścia każdej oceny DFM pod kątem projektów wytłaczania.

Po opuszczeniu beczki stop jest przepychany przez płytę kruszącą wyposażoną w sita, które odfiltrowują zanieczyszczenia i wytwarzają-powrotne ciśnienie w celu lepszego mieszania. Przefiltrowany stop następnie trafia dozasady projektowania matryc do wytłaczania, gdzie geometria kanału przepływowego kształtuje go w docelowy-przekrój poprzeczny. Po opuszczeniu matrycy wciąż-miękki ekstrudat przechodzi przez stację kalibrującą i chłodzącą-zazwyczaj próżniowy zbiornik kalibracyjny w przypadku profili pustych lub chłodzone walce w przypadku płaskich arkuszy-zanim dalszy ściągacz przeciągnie go z kontrolowaną prędkością. Na koniec latająca-piła lub przecinak obrotowy tnie ciągły profil na odpowiednią długość, kończąc etapy procesu wytłaczania od surowca do gotowej części.

Wytłaczarka do tworzyw sztucznych jest podstawową maszyną w każdej linii do wytłaczania. Składa się z leja zasypowego do podawania materiału, podgrzewanej beczki i jednego lub więcej ślimaków, które transportują, ściskają i uplastyczniają żywicę. Wytłaczarki jednoślimakowe to najczęstsza konfiguracja do produkcji profili i rur; oferują prostą obsługę, niskie koszty utrzymania i stałą wydajność dla większości tworzyw termoplastycznych. Wytłaczarki dwuślimakowe zapewniają doskonałe mieszanie i są preferowane do mieszania składników, dyspersji kolorowych przedmieszek i przetwarzania-materiałów wrażliwych na ciepło, takich jak sztywne PCV. Średnica ślimaka-w zakresie od 20 mm w- skali laboratoryjnej do ponad 200 mm w przypadku dużych rurociągów-określa maksymalną przepustowość. Podczas oceny wytłaczarki do tworzyw sztucznych pod kątem nowego projektu kluczowe dane techniczne do porównania obejmują stosunek L/D ślimaka, moment obrotowy silnika, liczbę stref w bębnie i maksymalne ciśnienie robocze.

Nie wszystkie tworzywa termoplastyczne można przetwarzać metodą wytłaczania.

Typowe materiały podstawowe obejmują materiały twarde i materiały elastyczne.

Twarde materiały: PVC, PC, PETG, ABS, PP, biodra, PMMA, LDPE, HDPE, POM, ASA, PA, as, EVA, PC + ABS itp.

Materiały elastyczne: PVC, TPU, TPE, Poe, TPR, TPV, TPEE itp

Wybór odpowiedniej żywicy wykracza poza dopasowanie skrótu materiału do kategorii produktu. Każdy polimer charakteryzuje się własnym zachowaniem w stanie stopionym, szybkością skurczu i stabilnością wymiarową-po wytłaczaniu, a wszystko to jest uwzględniane w analizie DFM wytłaczanej części z tworzywa sztucznego. Na przykład sztywny PVC wymaga precyzyjnej kontroli temperatury i w pełni opływowej matrycy, ponieważ jest bardzo wrażliwy na degradację termiczną; źle zaprojektowany kanał przepływowy może doprowadzić do zastoju materiału i pojawienia się czarnych plam na powierzchni profilu. Thekompletny przewodnik po procesie wytłaczania PVCwymaga również określonej geometrii śrub,-zazwyczaj niskiego-współczynnika ściskania-, bariery-ślimaka-, aby uniknąć przegrzania żywicy.

Z kolei poliolefiny, takie jak HDPE i PP, są znacznie bardziej tolerancyjne pod względem okna przetwarzania, ale wykazują większe pęcznienie matrycy i większy skurcz krystalizacyjny, dlatego dominującymi problemami projektowymi stają się równomierność-grubości ścianek i szybkość chłodzenia. Żywice konstrukcyjne, takie jak PC i PMMA, zapewniają przejrzystość optyczną i udarność dyfuzorów oświetleniowych i osłon wyświetlaczy, chociaż ich wyższa lepkość stopu wymaga silniejszych układów napędowych wytłaczarek i hartowanej stali matrycowej. Do zastosowań wymagających zarówno sztywności, jak i miękkiego uszczelnienia w jednym profilu,profile PCV współwytłaczane-połącz podłoże strukturalne (często sztywne PCV lub ABS) z elastomerową formą obtryskową (TPE lub TPV), aby w jednym przejściu utworzyć część z wytłaczanego tworzywa sztucznego o podwójnej-twardościomierzu.

Projekt matrycy i oprzyrządowania

Matryca wytłaczająca przekształca rysunek profilu 2-D w fizyczny kanał przepływowy, który musi dostarczać stopiony polimer z jednakową prędkością w całym- przekroju poprzecznym. Osiągnięcie tej równowagi jest głównym wyzwaniem przy projektowaniu matryc do wytłaczania tworzyw sztucznych. Największe znaczenie mają dwa parametry: długość lądu i-głębokość kanału przepływu. Ląd stanowi ostatnią równoległą sekcję otworu matrycy; nadaje „pamięć” stopowi, stabilizując kształt wytłoczki na wyjściu. Ogólną zasadą wyjściową jest stosunek-długości-gruntu do-grubości ściany co najmniej 10:1, co oznacza, że ​​ściana o grubości 2 mm wymaga około 20 mm gruntu. Krótsze odcinki sprawiają, że proces jest bardziej wrażliwy na wahania temperatury i prędkości, natomiast zbyt duże odcinki mogą powodować nierównomierne chłodzenie i naprężenia szczątkowe.

Następnie następuje równoważenie przepływu. Tam, gdzie profil ma zarówno grube, jak i cienkie sekcje, grubsze obszary będą naturalnie poruszać się szybciej przez matrycę. Inżynierowie zajmujący się narzędziami kompensują to poprzez wydłużanie terenu w obszarach-szybkiego przepływu lub umieszczanie ograniczników przepływu powyżej. W przypadku geometrii okrągłych lub pierścieniowych,-takich jak te stosowane w narzędziach do wytłaczania rur z tworzyw sztucznych,-kołki trzpieniowe są umieszczane wewnątrz matrycy w celu utworzenia wydrążonego otworu, a odgałęzienia pająka lub spiralne kanały rozprowadzające zapewniają równomierne rozprowadzenie stopu wokół trzpienia. Utrzymanie pełnej kompresji w matrycy, adapterach i płytach przejściowych ma kluczowe znaczenie; każda martwa strefa, w której materiał może stagnować, ostatecznie ulegnie degradacji i zanieczyszczeniu ekstrudatu, co jest szczególnie poważnym problemem w przypadku sztywnego PCV lub poliwęglanu.

Podobnie jak w przypadku projektowania części formowanych wtryskowo i części wytłaczanych z aluminium, bardzo ważna jest jednolita grubość ścianki.

Jeśli grubość ścianki wytłaczanej części z tworzywa sztucznego jest nierówna, niektóre części są grube, a inne cienkie, co powoduje, że prędkość przepływu tworzywa sztucznego wytłaczanego w matrycy jest nierówna, co skutkuje różnymi szybkościami chłodzenia i ostatecznie deformacją części.

Jeśli konieczne jest kontrolowanie odkształcenia, należy zastosować dodatkowe procesy chłodzenia, aby zmniejszyć wydajność linii produkcyjnej i zwiększyć koszty produkcji.

Ponieważ wytłaczanie tworzyw sztucznych jest procesem ciągłym, wytrzymałość wytłaczanej części jest niska, gdy jest ona właśnie wytłaczana i musi być wspierana ciśnieniem powietrza i trzpieniem, aby zachować swój kształt i uniknąć deformacji, podczas gdy pusta część nie może zapewnić podparcia, a złożoną pustą strukturę można zrealizować jedynie poprzez otwarcie sekcji.

Oprzyrządowanie do rur, rurek i rurek falistych

Narzędzia do wytłaczania rur z tworzyw sztucznychi rury stanowią jedno z-największych zastosowań wytłaczania, a wymagania dotyczące oprzyrządowania znacznie różnią się od profili pełnych lub otwartych. Wytyczne dotyczące projektowania narzędzi do wytłaczania rur z tworzyw sztucznych zazwyczaj rozpoczynają się od zespołu pierścieniowej matrycy i trzpienia. Trzpień tworzy otwór wewnętrzny, podczas gdy koncentryczny pierścień zewnętrzny określa średnicę zewnętrzną; szczelina między nimi określa grubość ściany. Gdy stop opuszcza matrycę, wciąż-miękka rurka wchodzi do próżniowej tulei kalibrującej, która utrzymuje średnicę zewnętrzną zgodnie ze specyfikacją, podczas gdy niewielkie wewnętrzne ciśnienie powietrza zapobiega zapadnięciu się rurki.

W przypadku gładkich-rurek-medycznych, węży pneumatycznych, kanałów kablowych-koncentryczność ścianek jest podstawową miarą jakości, dlatego trzpień musi być wyśrodkowany z dokładnością do mikronów, a rozkład stopu musi być spiralny lub-na wieszaku, aby uniknąć linii spawania. Faliste rurki z tworzywa sztucznego dodają kolejną warstwę złożoności: zestaw przemieszczających się bloków formy (lub tekturnicy) za matrycą otwiera się i zamyka po kolei wokół wytłoczki, tworząc naprzemienne wierzchołki i doliny, które nadają rurce elastyczność osiową i odporność na zgniatanie. Wytyczne projektowe dotyczące narzędzi do wytłaczania tektury falistej muszą uwzględniać podziałkę-bloku formy, czas podciśnienia na każdym fałdzie oraz zdolność żywicy do rozciągania się do gniazda formy bez nadmiernego rozcieńczania. Zarówno jedno-karbowany przewód rurowy, jak i dwuścienny falisty przewód spustowy opierają się na tej koncepcji oprzyrządowania, chociaż konstrukcja-ściany i dobór żywicy (zwykle HDPE lub PP) różnią się w obu przypadkach.

Wytłaczanie rur z tworzywa sztucznego o małej-średnicy-powiedzmy poniżej 10 mm średnicy zewnętrznej-wymaga mniejszych tolerancji szczeliny matrycy i bardziej elastycznego chłodzenia, ponieważ wszelkie wahania temperatury lub ciśnienia stanowią większy procent przekroju poprzecznego ściany. Określając oprzyrządowanie do tych zastosowań, przed przystąpieniem do produkcji warto zapoznać się z podręcznikiem wytycznych projektowych dostawcy elementów wytłaczanych, aby potwierdzić jego standardowe możliwości w zakresie mimośrodu, owalności ścian i dokładności-długości cięcia.

Na przecięciu wielu ścianek zwykle powstają obszary o grubej ściance, dlatego łatwo jest spowodować skurcz i zły wygląd zewnętrznej powierzchni wytłoczki, co jest bardzo podobne do formowania wtryskowego.

Jeśli wytłoczenie jest częścią wyglądu, skurczu można uniknąć lub zakryć poprzez projekt optymalizacji pokazany na poniższym rysunku.

Strategie DFM mające na celu obniżenie kosztów wytłaczania

Stosowanie zasad DFM na wczesnym etapie cyklu projektowania jest jednym z najskuteczniejszych sposobów obniżenia kosztów wytłaczanego profilu z tworzywa sztucznego bez utraty wydajności. Często pomija się kilka praktycznych strategii.

Najpierw skonsoliduj części. Jeśli w zespole obecnie stosowane są dwa lub trzy oddzielne, połączone ze sobą profile, oceń, czy pojedyncza-sekcja współwytłaczana mogłaby je zastąpić. Mniej części oznacza mniej matryc, mniej operacji dodatkowych i mniej prac montażowych-, co jest bezpośrednią korzyścią z punktu widzenia inżynierii tworzyw sztucznych firmy DFM.

Po drugie, zminimalizować zamknięty obszar profili zamkniętych. Każda zamknięta pustka wymaga trzpienia i komplikuje wyważanie matrycy. Jeśli całkowicie zamknięty kanał nie jest konstrukcyjnie konieczny, rozważ jego przekształcenie w kanał C-z zatrzaskiem-; upraszcza to oprzyrządowanie i skraca czas realizacji matrycy.

Po trzecie, projekt standardowego wyposażenia dalszego. Jeśli zamierzoną długość cięcia można osiągnąć za pomocą standardowej latającej piły, a nie precyzyjnego serwonapędu, koszt jednostkowy spada. Podobnie projektowanie elementów zatrzaskowych i otworów montażowych, które można wycinać na bieżąco,-a nie-obróbką CNC w trybie offline-, zapewnia ciągłość procesu i niskie nakłady pracy.

Na koniec udostępnij wersje robocze swojemu dostawcy profili przed zamrożeniem projektu. Doświadczeni inżynierowie zajmujący się narzędziami często mogą zasugerować drobne poprawki w geometrii,-dodając tutaj kąt pochylenia, a tam przesuwając promień,-co radykalnie poprawia wyważenie matrycy i wydajność-pierwszego przejścia. Tego rodzaju wczesna-weryfikacja DFM części z tworzyw sztucznych odróżnia profil, który działa płynnie, od profilu wymagającego ciągłej interwencji operatora.

Tam, gdzie to możliwe, należy w miarę możliwości unikać ścisłych tolerancji w kierunku długości. Tworzywa termoplastyczne kurczą się i rozszerzają pod wpływem temperatury, a przycinanie profili z tworzyw sztucznych na krytyczne długości może niepotrzebnie zwiększać koszty.

Ogólnie tolerancja wynosi + / - 5 mm dla profili o długości 1000 mm. Oczywiście dokładność tolerancji jest powiązana z długością. Im krótsza długość, tym większą dokładność można osiągnąć.

Tam, gdzie to możliwe, należy w miarę możliwości unikać ścisłych tolerancji w kierunku długości. Tworzywa termoplastyczne kurczą się i rozszerzają pod wpływem temperatury, a przycinanie profili z tworzyw sztucznych na krytyczne długości może niepotrzebnie zwiększać koszty.

Ogólnie tolerancja wynosi + / - 5 mm dla profili o długości 1000 mm. Oczywiście dokładność tolerancji jest powiązana z długością. Im krótsza długość, tym większą dokładność można osiągnąć.

Typowe wady wytłaczanych części z tworzyw sztucznych

Nawet w przypadku dobrze-zaprojektowanej matrycy i zoptymalizowanego procesu formowania przez wytłaczanie defekty mogą ujawnić się w przypadku zmiany parametrów procesu. Zrozumienie przyczyn źródłowych oszczędza przestoje i odpady.

Pęknięcie stopuna powierzchni profilu ma postać szorstkiej tekstury-skóry rekina. Jest to spowodowane nadmiernym naprężeniem ścinającym na krawędzi matrycy i występuje najczęściej w przypadku żywic-o wysokiej lepkości, takich jak HDPE i liniowy LLDPE. Zmniejszenie prędkości linii, podniesienie temperatury matrycy lub poszerzenie szczeliny matrycy może spowodować, że ścinanie spadnie poniżej progu krytycznego. Linie matrycy-cienkie, ciągłe smugi biegnące w kierunku wytłaczania-zwykle prowadzą do zadrapań lub osadów na powierzchni matrycy; okresowe polerowanie krawędzi matrycy jest standardem.

Wypaczenia po cięciu są często wynikiem asymetrycznego chłodzenia. Jeśli jedna strona profilu ma większy kontakt z powietrzem lub wodą niż druga, naprężenia własne narastają nierównomiernie, a część po rozluźnieniu wygina się. Pierwszym krokiem jest sprawdzenie ustawienia dysz chłodzących i portów podciśnieniowych kalibratora. W przypadku złożonych profili o grubych i cienkich ściankach dodanie zlokalizowanych strumieni chłodzących po grubszej stronie może wyrównać stopień skurczu.

Pustki i pęcherzyki wewnątrz sekcji ścianki zazwyczaj wskazują na wilgoć w żywicy lub niewystarczającą wentylację w cylindrze wytłaczarki. Niezbędne jest wstępne-wysuszenie materiałów higroskopijnych (PA, PC, PETG) do zalecanej zawartości wilgoci-zwykle poniżej 0,02%-przed podaniem. Jeśli pęcherzyki się utrzymują, może to oznaczać zatkanie otworu odpowietrzającego lufy lub prędkość ślimaka może być zbyt duża, aby strefa dekompresyjna lufy mogła skutecznie odgazować.

Po-operacjach wytłaczania i wykańczaniu

Linia do wytłaczania wytwarza ciągłą długość o stałym przekroju-, ale większość-zastosowań końcowych wymaga dodatkowej obróbki, zanim profil będzie gotowy do montażu. Typowe operacje dodatkowe obejmują precyzyjne przycinanie na długość, frezowanie CNC nacięć i szczelin, wiercenie lub wykrawanie otworów montażowych oraz tłoczenie na gorąco lub tampodruk w celu oznakowania marki. Niektóre wytłaczane części z tworzyw sztucznych są również poddawane gięciu-na zimno w celu uzyskania delikatnych krzywizn lub gięciu na gorąco w celu uzyskania małych promieni-w celu dostosowania się do geometrii produktu końcowego.

Opcje wykończenia powierzchni zależą od polimeru. ABS i sztywne PCV dobrze akceptują wiązanie farb i klejów, podczas gdy poliolefiny zazwyczaj wymagają obróbki płomieniowej lub koronowej, aby poprawić energię powierzchniową przed drukowaniem lub klejeniem. Do zastosowań oświetleniowych i wystawowych,Osłony dyfuzorów światła z PC i PMMAmogą uzyskać matową teksturę za pomocą wbudowanych rolek wytłaczających, a nie-piaskowania po procesie, co pozwala utrzymać operację w obrębie linii wytłaczania i uniknąć uszkodzeń podczas manipulacji. Planowanie tych dalszych etapów podczas wstępnego projektowania profilu-pozostawienie wolnego miejsca na uchwyty zaciskowe, dodanie punktów odniesienia do operacji CNC-jest prostą praktyką DFM, która zapobiega późniejszym kosztownym przeróbkom.

Proces wytłaczania tworzyw sztucznych składa się z pięciu-etapów: (1) surowa żywica jest-podawana grawitacyjnie ze zbiornika do cylindra wytłaczarki; (2) obracająca się śruba transportuje i topi materiał przez coraz cieplejsze strefy bębna; (3) stopiony polimer jest filtrowany i przepuszczany przez precyzyjną matrycę, która określa kształt profilu; (4) ekstrudat schładza się i stabilizuje wymiarowo w próżniowym zbiorniku kalibracyjnym lub na walcach chłodzących; oraz (5) ściągacz ciągnie zestalony profil z kontrolowaną prędkością, zanim zostanie on przycięty na wymaganą długość. Zmienne procesowe, takie jak profil temperatury bębna, prędkość obrotowa ślimaka, ciśnienie stopu i prędkość wyciągania, muszą być skoordynowane, aby mieć pewność, że gotowy wytłoczony produkt spełnia tolerancje wymiarowe i standardy jakości powierzchni. Ten proces wytłaczania polimerów można zastosować w równym stopniu do prostych rur okrągłych, złożonych-ram okiennych z wieloma wnękami i cienkich-osłon dyfuzorów oświetlenia ściennego.