Если вам нужно исправить только одну вещь в конструкции литой детали, исправьте толщину стенок. Большинство проблем при литье связано именно с этим, а не с каким-либо другим конструктивным решением, и, в отличие от большинства производственных ограничений, правильная настройка этого параметра ничего не стоит.
Причина проста. Пластик дает усадку при охлаждении, а более толстые участки охлаждаются медленнее и дают большую усадку. Поэтому любые колебания толщины приводят к различиям в усадке, что вызывает внутреннее напряжение, проявляющееся в виде впадин, коробления, пустот и нестабильности размеров.
Однородные стены позволяют сразу избежать всех этих проблем. В данном руководстве рассказывается, что означает «однородность» на практике, как работать с элементами, которые неизбежно нарушают однородность, и какие диапазоны значений применимы к распространенным материалам.
Основной принцип
Следует стремиться к обеспечению одинаковой толщины стенок по всей детали.
Не примерно равномерно в тех местах, о которых вы думали, а равномерно повсюду, включая углы, вокруг выступов, в местах пересечения ребер и там, где элементы соприкасаются со стенкой.
Если изменение неизбежно, осуществляйте его постепенно, а не резко, и делайте его настолько незначительным, насколько это позволяет конструкция.
Именно этот единственный принцип позволяет предотвратить большинство распространенных дефектов литья. Остальная часть данного руководства посвящена в основном тому, как соблюдать этот принцип в условиях, когда существуют факторы, которые могут его нарушить.
Типичные диапазоны по материалам
Диапазоны толщины стенок зависят от материала, поскольку характеристики течения и усадка у разных материалов различаются. Общие рекомендации:
| Материал | Типичный диапазон толщины стенок |
| Полипропилен (PP) | от 0,9 до 3,8 мм |
| Полиэтилен (ПЭ) | от 0,8 до 3,0 мм |
| ABS | от 1,1 до 3,5 мм |
| Поликарбонат (PC) | от 1,0 до 3,8 мм |
| Нейлон (PA) | от 0,8 до 3,0 мм |
| POM (ацеталь) | от 0,8 до 3,0 мм |
| PC-ABS | от 1,1 до 3,5 мм |
| Термопластичные эластомеры | от 0,6 до 3,0 мм |
Рассматривайте эти данные скорее как ориентировочные, а не как технические требования. Фактические пределы зависят от длины потока, расположения затвора, геометрии и конкретного сорта материала. Длинный и узкий канал потока может не заполниться на толщину, которая была бы вполне достаточной на коротком расстоянии.
Для всех материалов справедливы два общих замечания. Более тонкие стенки остывают быстрее, что сокращает продолжительность цикла и снижает риск образования углублений и коробления. Более толстые стенки легче заполняются на больших расстояниях, но при этом возникают проблемы с усадкой и увеличивается продолжительность циклов.
На практике это означает, что, если позволяют конструктивные требования детали, следует проектировать детали с толщиной, близкой к минимальному пределу допустимого диапазона, и для обеспечения жесткости использовать ребра, а не толщину.
Ребрышки
Ребра жесткости укрепляют деталь, не увеличивая толщину стенок. Они являются основным средством, позволяющим сохранять тонкость стенок при соблюдении конструктивных требований, а также часто становятся причиной появления вмятин при неправильном расчете их размеров.
Толщина. Ребро должно составлять примерно 50–60 процентов толщины стенки, к которой оно примыкает. Если оно будет толще, основание ребра превратится в утолщенный участок, который прогибается на противоположной поверхности.
Для материалов, на которых легко заметны впадины, или на видимых поверхностях следует выбирать значения ближе к нижней границе. Для несущих ребер на скрытых поверхностях допустимы значения, близкие к верхней границе.
Высота. Как правило, до примерно трёхкратной толщины стенки. Возможны и более высокие ребра, однако их заполнение и выталкивание становится затруднительным, а их вклад в прочность конструкции постепенно снижается.
Черновик. Ребра должны иметь скос с обеих сторон, а это означает, что высокое ребро заметно сужается к концам. В сочетании с ограничением по толщине основания это ограничивает практическую максимальную высоту ребра.
Радиус основания. Небольшой радиус в месте соединения ребра со стенкой снижает концентрацию напряжений и улучшает заполнение; как правило, он составляет около 25 процентов от толщины стенки. Слишком большой радиус приводит к образованию толстого участка, что противоречит поставленной цели.
Интервал. Расстояние между ребрами должно составлять не менее двойной толщины стенки. При меньшем расстоянии между ними в прессе образуется участок с тонкой сталью, который отличается хрупкостью и плохо охлаждается.
Лучше несколько тонких ребер, чем одно толстое. Несколько ребер подходящего размера обеспечивают большую жесткость, чем одно ребро увеличенного размера, при этом не вызывая прогиба.
Боссы
Крепежные элементы служат для фиксации винтов, размещения деталей или обеспечения точек крепления. По своей сути они представляют собой толстый элемент, прикреплённый к тонкой стенке, что делает их вторым по частоте источником вмятин при литье.
Не крепите цельную опору непосредственно к стене. В месте соединения толщина увеличивается, и на противоположной стороне видно заметное углубление.
Стандартный подход: Установите опору немного в стороне от стены и соедини с ней ребрами жесткости или усилительными вставками. Это обеспечит опору, не создавая при этом скопления материала в месте соединения.
Толщина стенки выступления должны соответствовать той же норме в 50–60 процентов от номинальной толщины стенки.
Бурение. Боссы должны иметь полое сечение, а не сплошное — как для того, чтобы избежать большого толщины, так и потому, что полость образует отверстие, необходимое для винта.
Проект применяется как к внутренней, так и к внешней стороне выступов.
Радиус основания На стыке с выступом снижается концентрация напряжений, что имеет важное значение, поскольку выступы принимают на себя нагрузку.
Если втулка должна выдерживать значительную нагрузку, рекомендуется использовать впрессованную резьбовую вставку вместо самореза, ввинчиваемого в пластик. Подробнее об этом можно прочитать в нашем руководстве по формовка вкладышей.
Углы и переходы
Острые внутренние углы представляют собой проблему по трем отдельным причинам. Они создают концентрацию напряжений, в результате чего возникают трещины в деталях. Они ограничивают поток. Кроме того, сам угол фактически представляет собой участок с большей толщиной, поскольку в остром углу содержится больше материала, чем в углу с закругленным переходом при одинаковой номинальной толщине стенки.
На внутренних углах следует применять скругление, как правило, не менее 0,5 толщины стенки, при этом внешний радиус должен равняться внутреннему радиусу плюс толщина стенки. Это позволяет сохранить равномерную толщину по всему углу, что и является целью.
Переходы между толщинами должно происходить постепенно. В тех случаях, когда толщина стены должна изменяться, переход должен осуществляться плавно на протяжении расстояния, равного как минимум тройной разнице толщин, а не резко.
Скачкообразное изменение приводит к появлению разрыва усадки, который является зоной концентрации напряжений и источником коробления.
Вырезание толстых участков
Если конструкция действительно требует увеличения объёма, лучше сделать в ней полое ядро, а не оставлять её сплошной.
Цельный пластиковый блок остывает снаружи внутрь, при этом происходит его усадка внутри, что приводит либо к образованию глубокой впадины на поверхности, либо к появлению пустоты внутри. Ни то, ни другое недопустимо в большинстве случаев применения.
Пробивка позволяет превратить толстостенную заготовку в стенки нужной толщины. Кроме того, это снижает затраты на материал и сокращает время цикла, поскольку объём материала, подлежащего охлаждению, уменьшается.
Это касается ручек, оснований, массивных конструктивных элементов и всех тех мест, где конструктор начертил объёмное тело, не учтя, как оно будет охлаждаться.
Длина потока и наполнение
Толщина стенки зависит от расстояния, на которое материал должен течь.
Тонкая стенка на небольшом расстоянии заполняется легко. Стенка той же толщины на длинном участке потока может не заполниться, поскольку расплав охлаждается и его вязкость повышается по мере продвижения.
Если деталь имеет длинные пути течения, необходимо либо увеличить толщину стенки, либо изменить расположение литника, либо использовать несколько литников. Этот вопрос следует обсудить с вашим производителем литьевых изделий, а не пытаться решить на основе приблизительных расчётов, поскольку всё зависит от совокупности таких факторов, как материал, температура и геометрия.
Если деталь имеет как толстые, так и тонкие участки, расплав в первую очередь заполняет толстые участки, что может привести к недостаточному заполнению тонких участков. Равномерная толщина позволяет избежать этой проблемы, что является ещё одной причиной, по которой она имеет значение.
Наполнители
Марки, армированные стекловолокном и минеральными наполнителями, меняют общую картину.
Усадка приобретает направленный характер. Волокна ориентируются вдоль направления потока, при этом усадка различается вдоль и поперек этой ориентации. Это затрудняет прогнозирование коробления и делает его более чувствительным к расположению литника.
Жесткость выше, поэтому более тонкие стены могут быть достаточными с конструктивной точки зрения.
Пропускная способность, как правило, ниже, что может потребовать немного более толстых стенок по сравнению с аналогом без наполнителя, несмотря на преимущество в жесткости.
Для материалов с наполнителем моделирование течения имеет большее значение, чем для материалов без наполнителя, поскольку ориентационные эффекты трудно понять интуитивно.
Проверка проекта
Перед выпуском детали, изготовленной методом литья:
- Убедитесь, что номинальная толщина стенки находится в пределах допустимого диапазона для данного материала
- Обратите внимание на участки, которые заметно толще или тоньше номинального размера
- Сравните толщину ребер со стеной, к которой они примыкают
- Проверьте соединения босса на наличие участков с увеличенной толщиной
- Скруглить все внутренние углы
- Сгладьте все необходимые переходы толщины
- Вырежьте любой сплошной объём
- Проверить расстояние между ребрами жесткости
- Сравните длину траектории потока с толщиной стенки
- Убедитесь, что применён черновой вариант, поскольку толщина стен в черновом варианте меняется по высоте
Большинство проектов при первом рассмотрении не соответствуют как минимум трем из этих требований. Выявление таких несоответствий на этапе CAD занимает полдня. Выявление их на этапе T1 требует модификации инструмента.
Почему это важнее, чем кажется
Рассмотрим причины наиболее распространенных дефектов литья. Впадины возникают в местах с большой толщиной. Деформации возникают из-за неравномерной усадки, которая, как правило, обусловлена неравномерной толщиной или неравномерным охлаждением. Пустоты возникают в местах с большой толщиной. Недолив часто возникает в тонких участках, которые конкурируют с толстыми за пространство для течения материала.
Четыре наиболее распространённых дефекта имеют одну и ту же первопричину. Правильный подбор толщины стенки позволяет устранить большинство из них ещё до изготовления инструмента, поэтому уделение этому вопросу внимания окупается с лихвой, несмотря на значительные затраты усилий. Наше руководство по дефекты литья под давлением описывает, как выглядит каждый из них при появлении.
Прохождение экспертизы проекта
Проблемы с толщиной стенок дешево устранять в САПР, но дорого — в реальной конструкции из стали, при этом их легко упустить из виду в модели, которая выглядит вполне приемлемо.
Компания Elite Mold Tech проводит анализ технологичности (DFM) до составления коммерческого предложения производство пластмассовых деталей, в котором одновременно рассматриваются толщина стенок, ребра, выступы, уклон и литниковые каналы, поскольку эти параметры взаимодействуют друг с другом, а не являются независимыми. При отправке файла детали с указанием предполагаемого материала генерируются конкретные комментарии о местах изменения толщины и о том, как их исправить.
Часто задаваемые вопросы
Вопрос: Какова оптимальная толщина стенки детали, изготовленной методом литья под давлением?
A: Это зависит от материала; толщина обычных инженерных пластиков, как правило, колеблется в пределах от 0,8 до 3,8 мм. Более важным, чем абсолютное значение, является однородность, поскольку именно неравномерность является причиной большинства распространенных дефектов.
Вопрос: Какой толщины должны быть ребра на формованной детали?
A: Примерно 50–60 процентов толщины стенки, с которой они соединяются. Более толстые ребра образуют утолщение в основании, что приводит к появлению вмятин на противоположной поверхности.
Вопрос: Почему боссы оставляют вмятины?
A: Массивный выступ, прикреплённый непосредственно к стене, образует в месте соединения участок большой толщины, который усаживается сильнее, чем окружающий материал. Этого можно избежать, если отвести выступ от стены и укрепить его ребрами жесткости.
Вопрос: Можно ли повысить прочность пластиковой детали за счёт увеличения толщины стенок?
A: Как правило, это неправильный подход. Более толстые стенки приводят к прогибам, короблению, образованию пустот и увеличению продолжительности циклов. Ребра обеспечивают жесткость гораздо более эффективно, при этом толщина стенок остается равномерной.
Вопрос: Что произойдет, если толщина стенки детали будет изменяться? A: Более толстые участки остывают и сжимаются медленнее, что приводит к возникновению внутренних напряжений, вызывающих вмятины, коробление и полые места. Кроме того, более толстые участки заполняются в первую очередь, что может привести к появлению
