Wat zijn de vereisten voor het ontwerp van de wanddikte van spuitgietmatrijzen?

De wanddikte van een spuitgietonderdeel bepaalt tegelijkertijd:

Vulgedrag: Dunne wanden hebben een hogere stromingsweerstand. Materiaal moet door dunne delen reizen voordat het bevriest, wat beperkt hoe ver een dunne wand zich van de poort kan uitstrekken voordat deze te kort wordt gevuld.

Koeltijd: De koeltijd schaalt met het kwadraat van de wanddikte. De dubbele wanddikte en de koeltijd worden ongeveer verviervoudigd, wat een directe invloed heeft op de cyclustijd en de productie-economie.

Krimp en kromtrekken: Plastic krimpt als het afkoelt. Dikkere secties koelen langzamer af en krimpen meer dan dunnere secties. Waar dikke en dunne delen op elkaar aansluiten, creëert differentiële krimp interne spanning - die tot uiting komt in de vorm van kromtrekken, zinksporen of beide.

Structurele prestaties: voor dragende kenmerken wordt de minimale wanddikte bepaald door structurele vereisten. Voor puur cosmetische kenmerken wordt dit bepaald door vul- en koelingsbeperkingen.

Een onderzoek uit 2020 gepubliceerd inPolymeertechniek en wetenschapontdekte dat variatie in wanddikte -, met name de verhouding tussen maximale en minimale wanddikte binnen een enkel onderdeel -, de sterkste voorspeller was van de omvang van de kromming in een steekproef van 85 spuitgegoten geometrieën van consumentenproducten. Onderdelen met een wanddikteverhouding van minder dan 1,5:1 vertoonden een gemiddelde kromtrekking van 0,12 mm; Onderdelen met verhoudingen boven 3:1 vertoonden een gemiddelde kromming van 0,61 mm -, een vervijfvoudiging.

De aanbevelingen voor wanddikte weerspiegelen de vloei-eigenschappen, het krimpgedrag en de structurele eigenschappen van elke materiaalklasse. Deze bereiken vertegenwoordigen typische productie-haalbare doelen - en niet absolute fysieke grenzen.

ABS (acrylonitril-butadieen-styreen)

Typische wanddikte: 1,2–3,5 mm, waarbij 1,5–2,5 mm het meest voorkomende productiebereik is.

ABS heeft goede vloei-eigenschappen en een relatief lage krimp (0,4–0,8%), waardoor het vergevingsgezind is voor gematigd complexe geometrieën. Het is het meest voorkomende materiaal voor behuizingen voor consumentenelektronica, inclusief muisschalen. Muren onder 1,2 mm zijn haalbaar, maar vereisen een zorgvuldige afsluiting, hoge injectiedruk en nauwkeurig temperatuurbeheer. Boven 3,5 mm worden de koeltijden lang en worden zinksporen op tegenoverliggende oppervlakken moeilijk te verwijderen.

Polypropyleen (PP)

Typische wanddikte:0,8–3,8 mm, waarbij 1,5–2,5 mm gebruikelijk is voor structurele consumentenonderdelen.

PP vloeit gemakkelijk en is tolerant ten opzichte van dunne wanden in eenvoudige geometrieën, maar de hoge krimpsnelheid (1,0–2,5% afhankelijk van de kwaliteit en kristalliniteit) zorgt voor een grotere absolute krimp dan ABS. Voorspeelgoedauto kunststof spuitgietmatrijstoepassingen maken de slagvastheid en chemische bestendigheid van PP het een gebruikelijke keuze, maar de hoge krimp vereist een meer conservatieve wanddikte-uniformiteit dan ABS om kromtrekken te beheersen.

Nylon (PA6 / PA66)

Typische wanddikte: 0,8–3,0 mm voor ongevulde soorten; 1,5–4,0 mm voor met glas-gevulde varianten.

De kristallijne aard van nylon betekent dat het abrupter overgaat van gesmolten naar vast dan amorfe materialen, wat zowel het vulgedrag als de krimp beïnvloedt. Glas-versterkt PA66 - dat gebruikelijk is voor structurele componenten zoals behuizingen en behuizingen van motortandwielen - heeft een aanzienlijk lagere krimp dan ongevuld nylon (0,3–0,8% versus 1,0–2,0%), maar is gevoeliger voor oriëntatie-effecten door stroming. Uniformiteit van de wanddikte is vooral belangrijk bij met glas-gevulde nylononderdelen om vezeloriëntatiegradiënten te voorkomen die anisotrope krimp veroorzaken.

Mengsels van polycarbonaat (PC) en PC/ABS

Typische wanddikte: 1,0–3,5 mm, met kleinere bereiken voor optische of precisietoepassingen.

PC heeft een lagere stroming dan ABS en vereist hogere injectiedrukken en matrijstemperaturen, wat beperkt hoe dun de wanden praktisch kunnen zijn terwijl de vulling behouden blijft. Voor muisbehuizingen of beeldschermranden die de optische helderheid of slagvastheid van een pc vereisen, vereisen wanden onder 1,2 mm een ​​zorgvuldige plaatsing van de poort en stroomanalyse. PC/ABS-mengsels bieden een iets betere stroming dan pure PC met vergelijkbare impactprestaties, en worden veel gebruikt voor consumentenelektronica met een wanddikte van 1,5–3,0 mm.

POM (acetaal / polyoxymethyleen)

Typische wanddikte:0,8–3,0 mmvoor standaardkwaliteiten.

POM is het materiaal bij uitstek voor veel mechanische precisiecomponenten - inclusief sommige tandwieltypen - vanwege de uitstekende maatvastheid en lage wrijvingscoëfficiënt. Door zijn kristallijne aard heeft het een scherpe stollingstemperatuur, wat betekent dat dunne wanden snel bevriezen, maar ook dat het bevriezen van de poorten- zorgvuldig moet worden getimed. POM heeft een zeer lage tolerantie voor variaties in de wanddikte: differentiële krimp in POM creëert hoge restspanningen die vaak resulteren in scheuren tijdens gebruik in plaats van zichtbare kromtrekking tijdens de productie.

De meest fundamentele ontwerpregel voor de wanddikte is het handhaven van een zo uniform mogelijke wanddikte door het hele onderdeel. Dit principe bestaat omdat:

Uniforme wanden koelen overal even snel af - geen differentiële krimp, geen interne spanningsgradiënten

Uniforme wanden vullen zich overal met vergelijkbare stromingsweerstand - geen voorkeursstromingspaden die race-tracking of luchtbellen veroorzaken

Uniforme wanden hebben een voorspelbare en consistente krimp - die door de matrijzenmaker kan worden gecompenseerd met een enkele krimpmarge in plaats van positie-afhankelijke marges

Het praktische doel is om de variatie in wanddikte waar mogelijk binnen een verhouding van 1,5:1 (maximale tot minimale dikte) te houden. Waar de functionele eisen van het onderdeel een grotere variatie vereisen, moet de transitie zorgvuldig worden gemanaged.

Afgestudeerde transities

Wanneer de wanddikte moet veranderen -, bijvoorbeeld bij de overgang van een structurele verdikking op een wand van 3,0 mm naar een dun dekkingsgebied op 1,5 mm -, moet de verandering worden gegradueerd over een afstand van ten minste drie keer het dikteverschil, en niet abrupt. Een stapsgewijze verandering in de wanddikte creëert een spanningsconcentratie bij de overgang die een voorkeurslocatie wordt voor zinksporen, laslijnen en spanningsscheuren tijdens gebruik.

De standaardbenadering is het gebruik van een tapsheid over de overgangszone: als u van 3,0 mm naar 1,5 mm gaat, laat de muur dan lineair taps toelopen over minimaal 4,5 mm (verandering van 3 x 1,5 mm). Hierdoor wordt de differentiële krimp over de overgangszone verdeeld in plaats van deze op één punt te concentreren.

Wanneer niet-uniforme muren nodig zijn

Sommige functionele eisen vereisen echt verschillende wanddiktes op verschillende gebieden. Een behuizing die schokbelastingen op montagepunten moet weerstaan ​​en tegelijkertijd licht moet zijn in de paneelgebieden, zal noodzakelijkerwijs dikkere wanden hebben op de structurele zones. In deze gevallen:

Ontwerp de overgangen zo geleidelijk als de geometrie toelaat

Plaats de dikke delen uit de buurt van cosmetische oppervlakken waar zinksporen zichtbaar zouden zijn

Overweeg interne kernboringen (het uithollen van dikke gedeelten van het niet-cosmetische oppervlak) om een ​​stevig dik gedeelte om te zetten in een meer uniforme dunne schaal - die zinksporen onder controle houdt en de koeltijd verkort zonder dat dit ten koste gaat van de structurele prestaties

Onderdelen van speelgoedauto's omvatten een breed scala aan vereisten voor wanddikte. Carrosseriepanelen en grote structurele elementen zijn doorgaans 1,5-2,5 mm ABS of PP - dik genoeg voor slagvastheid (een belangrijke veiligheidsoverweging bij kinderproducten onder EN 71 en ASTM F963 speelgoedveiligheidsnormen), dun genoeg voor acceptabele cyclustijd en materiaalkosten.

Kleine decoratieve elementen - ramen, roosters, sierdetails - kunnen in ABS zo dun worden als 0,8–1,0 mm met de juiste plaatsing van de poort. Wielkasten en bumpers die schokken moeten absorberen, bevinden zich doorgaans aan de bovenkant van het bereik, 2,0–3,0 mm, terwijl dak- en motorkappanelen vaak kunnen worden verkleind tot 1,5–2,0 mm met verstevigingsribben in plaats van de huiddikte te vergroten.

Voor eenspeelgoedauto kunststof spuitgietmatrijs, moet bij het ontwerp van de wanddikte rekening worden gehouden met de valtest- en impactvereisten in de toepasselijke veiligheidsnormen als eerste beperking, en vervolgens optimaliseren voor vulling, koeling en esthetiek binnen deze grenzen.

Muisschelp spuitgietmatrijs

Behuizingen voor consumentenelektronica, zoals muisschalen, gebruiken doorgaans ABS of PC/ABS met een nominale wanddikte van 1,5–2,0 mm. De behoefte aan dunne- wanden wordt gedreven door esthetische voorkeuren (slank, lichtgewicht gevoel) en door de concurrentiedruk op de kosten van onderdelen. De cosmetische vereiste voor - oppervlakken met een hoge-glanzende of fijne- textuur zonder zinksporen - creëert een sterke druk op uniformiteit, omdat elke variatie in wanddikte een zichtbare variatie in de oppervlaktekwaliteit zal veroorzaken.

Voor een muis schaal spuitgietmatrijs,De ontwerpuitdaging is het integreren van montagenokken, klikfuncties en ribversterkingen in een muur van nominaal 1,5 mm zonder dikke plekken te creëren die als zinksporen zichtbaar zijn op het tegenoverliggende cosmetische oppervlak. De vuistregel voor de bevestiging van de nok en de ribben is dat de dikte van het kenmerk aan de basis niet groter mag zijn dan 60% van de nominale wanddikte -, dus voor een schaalwand van 1,8 mm mogen de ribben niet breder zijn dan 1,1 mm aan de basis.

Motortandwiel spuitgietmatrijs

Tandwielonderdelen vormen een andere uitdaging op het gebied van wanddikte: de structurele vereisten van de tanddoorsnede, de naaf en het lijf ertussen worden bepaald door de mechanische belasting, niet door spuitgietconventies. Het is de taak van de matrijsingenieur om ervoor te zorgen dat deze structureel-bepaalde geometrieën produceerbaar zijn binnen de beperkingen van het gekozen materiaal en het gekozen gietproces.

Voor eenspuitgietmatrijs voor motorversnellingen bij POM of PA66GF (met glas-gevuld nylon) zijn de tandwieltanden doorgaans 1,5–3,0 mm dik bij de steekcirkel, terwijl de naaf mogelijk dikker is. Het cruciale punt van zorg is de verhouding tussen de dikte van de naaf en de dikte van het web: als de naaf aanzienlijk dikker is dan het web, creëert differentiële koeling interne spanning die scheuren in de naaf kan veroorzaken tijdens gebruik - een storingsmodus die maanden kan duren voordat deze na productie optreedt, waardoor het moeilijk wordt om een ​​diagnose te stellen.

Een van de belangrijkste principes bij het ontwerpen van spuitgietonderdelen is het gebruik van geometrische kenmerken in plaats van een grotere wanddikte om structurele stijfheid toe te voegen. Een onderdeel met ribben heeft een veel betere verhouding tussen stijfheid-tot-gewicht en stijfheid-tot-cyclus-tijd dan een gelijkwaardig vlak-onderdeel met grotere dikte.

Standaard ribontwerpregels

Ribdikte aan de basis: 40-60% van de nominale wanddikte (om zinksporen op het tegenoverliggende oppervlak te voorkomen)

Ribhoogte: maximaal 3× de nominale wanddikte

Ribbenafstand: minimaal 2× de nominale wanddikte tussen aangrenzende ribben

Diepgang aan ribzijden: minimaal 0,5 graad, bij voorkeur 1 graad

Voor een wandgedeelte van 2,0 mm betekent dit dat de ribben aan de basis 0,8-1,2 mm dik moeten zijn, niet hoger dan 6,0 mm en op een onderlinge afstand van minimaal 4,0 mm.

Boss-ontwerp voor schroefmontage

Bazen - cilindrische elementen die schroeven of pers- perspassing-inzetstukken - accepteren, zijn een veelvoorkomende bron van verzinksporen en laslijnen omdat ze plaatselijke dikke delen creëren. Standaard richtlijnen:

Buitendiameter baas: niet meer dan 2× de nominale wanddikte

Wanddikte van de naaf: 40–60% van de nominale wand

De basis van de naaf moet indien mogelijk tot aan de dichtstbijzijnde muur worden vastgemaakt - dit verdeelt de bevestigingslast van de naaf over meer materiaal en vermindert het risico op zinksporen

Knoopplaten voor hoekversterking

Waar twee wanden elkaar in een hoek ontmoeten en extra stijfheid nodig is, zorgen schetsplaten voor versteviging zonder de wanddikte te vergroten. Hoekplaten moeten dezelfde dikteregel volgen als ribben (40-60% van de nominale wand) en moeten aan de basis geschikte afrondingsradii hebben om spanningsconcentratie te voorkomen.

De economische argumenten voor het ontwerpen van de juiste wanddikte zijn eenvoudig. Omdat de koeltijd schaalt met de wanddikte in het kwadraat, vermindert het verminderen van de wanddikte van 3,0 mm naar 2,0 mm - een reductie van 33% - de koeltijd met ongeveer 56%. Voor een matrijs die 24/7 op hoog volume draait, is dit een transformerend verschil in productie-economie.

Een praktisch voorbeeld: een kunststof spuitgietmatrijs voor speelgoedauto's die carrosseriepanelen produceert met een wanddikte van 3,0 mm kan een cyclustijd hebben van 35 seconden, waarvan 22 seconden voor koeling. Door te verkleinen tot 2,0 mm wordt de koeling teruggebracht tot ongeveer 10 seconden, voor een totale cyclustijd van ongeveer 23 seconden - een verbetering van 34% in de doorvoer ten opzichte van een ontwerpwijziging die niets kost om te implementeren tijdens de ontwerpfase, maar waarvoor herbewerking van het gereedschap nodig is als het wordt toegepast nadat het gereedschap is gebouwd.

Dit is de reden waarom een ​​Design for Manufacturability (DFM)-beoordeling die expliciet de wanddikte behandelt zo waardevol is: de veranderingen zijn gratis in de ontwerpfase en duur nadat het gereedschap is gesneden.

Polymeertechniek en wetenschap(2020): De wanddikteverhouding (max:min) was de sterkste voorspeller van kromtrekken in 85 spuitgietonderdelen voor consumenten. Een verhouding van minder dan 1,5:1 zorgde voor een gemiddelde kromming van 0,12 mm; boven 3:1 gemiddeld 0,61 mm - een vijfvoudig verschil.

Tijdschrift voor Polymeertechniek(2019): Door de verhouding van de rib{1}}tot- wanddikte te verlagen van 75% naar 50% werden zinksporen op het tegenoverliggende cosmetische oppervlak in ABS-onderdelen in alle geteste geometrieën geëlimineerd, terwijl het verhogen van de verhouding van 50% naar 80% in alle gevallen zichtbare zinksporen opleverde.

Internationaal tijdschrift voor geavanceerde productietechnologie(2021): Verkleining van de wanddikte van 3,0 mm naar 2,0 mm in een behuizingsonderdeel voor consumentenelektronica verminderde de materiaalkosten met 29%, de cyclustijd met 38% en het kromtrekken met 47% -, wat bevestigt dat het dunne- wandontwerp, wanneer het op de juiste manier wordt uitgevoerd, alle drie de belangrijkste productiestatistieken tegelijkertijd verbetert.

Een speelgoedfabrikant was bezig met de ontwikkeling van een nieuwe lijn gegoten replica's op schaal 1:18 met gedetailleerde ABS-carrosserieën. Het oorspronkelijke onderdeelontwerp had een nominale wanddikte variërend van 1,2 mm in paneelgebieden tot 4,5 mm op structurele montagepunten - een verhouding van 3,75:1 die de Sunhstones DFM-beoordeling onmiddellijk markeerde.

De 4,5 mm montagepunten veroorzaakten grote putsporen op het zichtbare tegenoverliggende oppervlak, de cyclustijd bedroeg 58 seconden om voldoende koeling van de dikke delen mogelijk te maken, en de kromming in het dakpaneel overschreed de vlakheidsspecificatie van 0,3 mm.

Het optimalisatieprogramma omvatte drie wijzigingen:

Dikke montagepunten werden inwendig vanaf de onderkant voorzien van een kern, waardoor de effectieve wanddikte werd teruggebracht van 4,5 mm naar 2,2 mm, terwijl de naafhoogte en structurele functie behouden bleven

De overgang van een naafzone van 2,2 mm naar een paneelzone van 1,5 mm verliep over 8 mm in plaats van de oorspronkelijke abrupte stap

Er zijn twee extra verstijvingsribben (0,8 mm dik, 4,5 mm hoog) aan het dakpaneel toegevoegd om de structurele stijfheid te herstellen die verloren is gegaan door de paneeldikte te verminderen van 1,8 mm naar 1,5 mm

Resultaten: cyclustijd teruggebracht van 58 naar 31 seconden, zinksporen op cosmetische oppervlakken geëlimineerd, kromtrekken van dakpanelen teruggebracht tot 0,18 mm (binnen specificatie). Het materiaalgewicht per onderdeel is met 14% verminderd, waardoor de economie per eenheid verder is verbeterd. De mal draait nu op vol volume, met nuldimensionale non--afwijkingen wat betreft wand-dikte-gerelateerde defecten.

De keuzes voor de wanddikte die in de productontwerpfase worden gemaakt, bepalen de cyclustijd, de onderdeelkosten, de maatkwaliteit en de cosmetische prestaties voor elk onderdeel dat de matrijs ooit produceert. Ze zijn goedkoop om te optimaliseren in de ontwerpfase en duur om te repareren nadat het gereedschap is aangebracht. Zorg voor de juiste basisprincipes - consistente wanddikte binnen materiaal-geschikte bereiken, geleidelijke overgangen, ribben in plaats van dikke secties voor stijfheid - en de mal loopt vanaf het begin goed.

Bij Sunhingstones begint elk nieuw matrijsproject met een DFM-beoordeling die expliciet de wanddikteverhoudingen, rib- en naafverhoudingen en de geometrie van het vulpad evalueert. Onze ervaring omvat precisieuitrusting en mallen voor mechanische componenten, behuizingen voor consumentenelektronica en grote- speelgoed- en consumentenproducten.

Neem nu contact op

Bralla, JGHandboek Ontwerp voor maakbaarheid, 2e editie. McGraw-Hill, 1998.

Malloy, RAOntwerp van kunststof onderdelen voor spuitgieten: een inleiding. Hanser-uitgevers, 1994.

Beaumont, JP et al.Succesvol spuitgieten: proces, ontwerp en simulatie. Hanser Uitgevers, 2002.

Kim, HS et al. "Effect van de wanddiktevariatieverhouding op kromtrekken in spuitgegoten consumentenproducten."Polymeertechniek en wetenschap, 2020.

Xu, G. et al. "Rib-tot- wanddikteverhouding en vorming van putmarkeringen in ABS-spuitgietonderdelen."Tijdschrift voor Polymeertechniek, 2019.