Литье под давлением – это самый распространенный, давно известный и вместе с тем вечно молодой метод производства самых разнообразных по форме, размерам и назначению изделий из пластмасс. «Вечно молодой» – потому что каждое новое изделие из пластика всегда ставит перед «молдмейкерами» новые задачи. При этом зачастую разработка литьевых форм и процессов литья под давлением основываются на прошлом опыте или связаны с поиском «чего-то подобного». Основные исходные данные для проектирования, такие как желаемое время цикла литья, типоразмер выбираемого термопластавтомата (ТПА), тип литьевой формы (горяче- или холодноканальная), ее гнездность и пр., обычно оцениваются до начала работы над конструкцией формы и задают курс на успех проекта – часто в правильном, хотя и не всегда оптимальном направлении. И как только готовая форма устанавливается на ТПА для запуска серийного производства, часто возникает острая необходимость в дальнейшей оптимизации ее конструкции, поскольку коммерческий расчет не может быть реализован в реальном технологическом процессе или не может быть достигнута требуемая размерная точность изделия. Избежать этих проблем во многих случаях помогает программное обеспечение (ПО) Sigmasoft Virtual Molding, разработанное фирмой Sigma Engineering специально для моделирования и оптимизации процессов литья под давлением (рис. 1).
Это ПО позволяет среди прочего правильно решить пять основных проблем или, иначе, ответить на пять главных вопросов, возникающих при проектировании литьевых форм, еще до того, как будут сделаны инвестиции в оборудование и литьевую форму:
- как будет выглядеть распределение температуры внутри формы во время процесса литья;
- правильно ли выбран ТПА;
- можно ли достичь требуемой точности литьевых изделий в пределах указанных допусков;
- оптимален ли процесс литья в разработанную форму.
Проблема № 1. Позиционирование точек впрыска
Старт в мир компьютерного моделирования начинается с импорта в ПО геометрической модели пластикового изделия в виде 3D-файла, которая сначала встраивается в виртуальный «стальной блок» с оформляющим гнездом с идеальной однородной температурой. При этом данные выбранного пластика наряду с альтернативными вариантами обычно доступны для поиска в базе данных. Теперь можно быстро «нарисовать» различные положения точек впрыска и оценить их влияние на характер заполнения формы, возможные включения воздуха, линии спая, ориентацию волокон и даже последующую геометрическую точность изделий. В качестве примера на рис. 2 (а) показаны три варианта расположения впускных литников в шестерне массой около 5 г и диаметром 30 мм, изготавливаемой из полифениленсульфида (ПФС) марки PPS GF 40, наполненного 40 % мас. стеклянных волокон. Это прецизионное изделие требует жестких допусков на зубья. Поскольку шестерня усаживается в основном в осевом направлении, здесь относительно легко сохранить форму. Эффекты коробления преобладают в основном в радиальном направлении, и достичь требуемой точности в этом направлении значительно труднее, что, собственно, и подтвердил опыт компании MS-Schramberg, на заводе которой отливались эти изделия. Как показали результаты моделирования, в зависимости от количества точек впрыска и их расположения возникают разные варианты ориентации волокон (см. рис. 2, б), и каждый из этих сценариев приводит к различным величинам усадки и коробления изделия. Так, более равномерное распределение волокон и, соответственно, более гомогенная структура материала наблюдаются при четырех и пяти впускных литниках, но ненамного по сравнению с тремя. Поэтому в данном случае из соображений более простой конструкции формы и экономии материала за счет меньшего количества литников было рекомендовано MS-Schramberg выбрать все-таки литниковую систему с тремя точками впрыска (более подробно см. ПМ № 1, 2024 г., с. 26–28. – Прим. ред.).
Проблема № 2. Распределение температуры
Все больше и больше горячеканальных систем (ГКС) при переработке термопластов используется для повышения эффективности процесса литья и экономии материала. Эти преимущества трудно оценить неопытным пользователям. С одной стороны, ГКС обеспечивают существенную экономию сырья за счет устранения потерь литников и положительно влияют на время цикла. Однако, с другой стороны, они стоят денег, которые приходится снова экономить в процессе производства. Коварный момент заключается в том, что горячеканальные элементы влияют на температурный баланс в форме, и часто приходится регулировать положение и диаметр каналов охлаждения. Использование теплоизоляционных плит со стороны внешней поверхности формы является хорошим способом экономии энергии и снижения температурных градиентов. Но опять же, было бы целесообразно заранее количественно оценить эффект от применения ГКС, прежде чем затрачивать усилия и средства, в том числе на дополнительные этапы сборки-разборки при замене форм или их очистке. Компания Elmet продемонстрировала пример такого подхода в работе над проектом «Бабочка» (держатель мобильного телефона), когда задача оптимизации температурного поля была успешно решена на основе моделирования двухкомпонентной формы для литья поликарбоната (ПК) (горячеканальная полуформа) и жидкого силикона (холодноканальная полуформа) (см. рис. 3 и титульное фото). Сложность здесь заключалась не только в обеспечении термическом баланса двух полуформ (горячей для LRS и холодной для ПК), но и в термическом разделении холодных и горячих литников и соответствующих оформляющих гнезд. Кроме того, моделирование с помощью ПО Sigmasoft Virtual Molding позволило точно прогнозировать параметры процесса и оптимизировать температурное поле в форме вплоть до его максимальной гомогенизации по объему отливки.
Проблема № 3. Выбор ТПА
Успех проекта часто зависит от правильного выбора ТПА для крупносерийного производства. При высокой загруженности парка оборудования и дефиците производственной площади чрезвычайно полезно определиться с возможными альтернативами, например в виде ТПА меньшего типоразмера. При покупке нового литьевого оборудования необходимо принять верное решение в отношении усилия смыкания, давления впрыска, размеров ТПА и его зоны формы и пр. С точки зрения бизнеса, лучше всего, чтобы машина была компактной, с небольшой занимаемой площадью, низким энергопотреблением и требовала прежде всего минимально возможных инвестиций. В этом случае моделирование процесса литья дает возможность прогнозировать некоторые желаемые машинные параметры ТПА с достаточной точностью для успеха проекта. Также интересен анализ сценариев типа «что, если…», т.е., например, что станет лучшей заменой существующего ТПА, если тот вдруг выйдет из строя. Возможность предвидения и заблаговременного предупреждения проблем, без последующего их решения методом «проб и ошибок», повышает надежность и безопасность производства. Даже если выбор подходящего ТПА не всегда зависит непосредственно от производителя литьевых форм, моделирование на данном этапе помогает оценить проблему до того, как на карту будут поставлены время и деньги. Поэтому именно на этапе выбора литьевого оборудования бывает полезно оценить возможности и параметры литьевой формы еще до ее создания и приобретения ТПА.
Проблема 4. Усадка и коробление
В целях оптимизации конструкции литьевой формы необходимо полагаться не только на моделирование заполнения с использованием идеализированного «стального блока». Хотя эта оценка и создает первое впечатление, виртуальное проектирование (Virtual Moulding) идет гораздо дальше: учитываются все детали формы, вплоть до каждого отдельного винта, а также расположение горячих или холодных каналов и другие факторы теплового воздействия. Возможность многофакторного анализа очень помогает в точном проектировании формы, проблемные места которой, такие как, например, «горячие точки» (hotspots), вызывающие усадку и коробление отливки, могут быть выявлены заранее. Для этого реальные параметры процесса и данные о материалах могут быть перенесены в модель, и эти проблемные места сразу становятся видны, потому что форма становится практически «прозрачной». При этом оптимизация режима литья с помощью моделирования может быть проведена и для существующей литьевой формы.
Так, пример декоративной пластиковой настенной плитки индивидуального стиля (tailoredtile) показывает, как моделирование помогает уменьшить ее усадку и коробление, а также сократить время цикла при одновременной оптимизации процесса литья. Дело в том, что коробление этого изделия ухудшает его плоскостность вплоть до выхода из поля допуска и приводит к тому, что плитка не будет полностью прилегать к стене. В ходе моделирования стало очевидно, что исполнение горячего канала не является оптимальным. Были сопоставлены друг с другом три варианта решения, и оказалось, что при существующем производстве отливка все еще слишком нагрета незадолго до ее выталкивания из формы, что требует ее длительного последующего охлаждения на воздухе. Кроме того, на той же тепловой модели, представленной слева на рис. 4, можно увидеть слишком теплые места контакта со штифтами выталкивателей. Оптимальный вариант, отображенный справа на рис. 4, показывает более равномерное распределение более низкой температуры по площади плитки в момент ее выталкивания из формы, что снижает вероятность ее недопустимого коробления. Эти изменения в режиме литья, продиктованные тепловой моделью, были реализованы на практике с достижением заданных целей: усадка и коробление теперь находятся в пределах допуска, а время цикла сокращено.
Проблема № 5. Оптимизация
Оптимизация конструкции литьевой формы неразрывно связана с оптимизацией литьевого изделия и производства в целом, целью которой обычно является минимизация себестоимости продукции при соблюдении требований к ее качеству.
В практике применения ПО Sigmasoft Virtual Moulding был особенно сложный случай оптимизации композитной педали легкового автомобиля, к которой предъявляются высокие требования по функциональности, точности размеров, сроку службы, весу и цене. Для обеспечения необходимой механической стабильности этого изделия потребовалось целенаправленно выбрать содержание армирующих волокон в материале и спланировать их ориентацию в направлении действия нагрузки при минимальном короблении. Ориентация волокон зависит от месторасположения точки впрыска, которое было выбрано различным при моделировании и оптимизации конструкции литьевой формы. Кроме того, были назначены два давления подпитки и рассмотрены три материала с разной степенью армирования. В результате виртуального многофакторного эксперимента, проведенного с помощью ПО Sigmasoft Virtual Moulding, удалось получить оптимальное компромиссное решение, которое наилучшим образом отвечало всем заданным требованиям.
A Virtual Injection Mould for Real Solution to Five Major Problems
K. Aschhoff
Determining the optimal injection mould design from a variety of options in the traditional way can be time-consuming, tedious and costly, often involving its refinement. Modeling is an effective and inexpensive solution to this problem.
Опубликовано в журнале «Полимерные материалы» № 3 (310) 2025 г., с. 36-39.
