Průvodce designem DFM pro vytlačování plastů a vytlačované díly

Úvod do procesu

Vytlačovací lisováníje kontinuální výrobní proces, při kterém se termoplastický materiál taví uvnitř vyhřívaného sudu pomocí rotujícího šneku a poté se protlačuje skrz tvarovanou matrici, aby se vytvořil profil s konstantním průřezem-. Na rozdíl od vstřikování, které vyplňuje uzavřenou dutinu formy za účelem vytvoření diskrétních dílů, vytlačování poskytuje nepřerušovanou délku produktových-trubek, trubek, kanálů, pásů, plechů-, které jsou dimenzovány, chlazeny a řezány po proudu. Tento proces je ceněn pro svou vysokou propustnost, nízké náklady na-metr a schopnost zpracovat širokou škálu polymerů od komoditního PVC po technický-polykarbonát.

Extruzní lisování je způsob zpracování výlisků s mnoha změnami, vysokou produktivitou, silnou přizpůsobivostí, širokým uplatněním a největším zastoupením v oblasti zpracování plastů.

Vytlačovací lisování je kontinuální tvarování polymerní taveniny nebo viskózní kapaliny skrz určitou tvarovou formu vytlačováním šneku nebo plunžru vytlačovacího stroje. Výsledné díly jsou spojité profily s konstantním tvarem průřezu.

Proces vytlačování polymeru lze rozdělit do sledu přísně kontrolovaných stupňů, z nichž každý ovlivňuje kvalitu konečného dílu. Surové pryskyřičné-pelety, granule nebo prášek- se vloží do násypky s gravitačním-násypem namontovaným nad bubnem extrudéru. Odtud materiál vstupuje do podávacího hrdla a je dopravován dopředu rotujícím šnekem. Jak se pryskyřice pohybuje podél válce, vnější pásové ohřívače a vnitřní smykové tření postupně zvyšují teplotu, dokud materiál nedosáhne plně roztaveného stavu. Konstrukce šneku-jeho hloubka letu, kompresní poměr a poměr L/D- přímo ovlivňuje, jak stejnoměrně je tavenina plastifikována, a proto je konstrukce plastového extrudéru často považována za výchozí bod jakékoli revize DFM pro projekty vytlačování.

Jakmile tavenina opustí sud, je protlačena přes přerušovací desku vybavenou síty, které odfiltrují nečistoty a vytvoří zpět-tlak pro lepší promíchání. Filtrovaná tavenina pak vstupuje doprincipy konstrukce vytlačovacích hubic, kde geometrie průtokového kanálu jej tvaruje do cílového průřezu-. Po opuštění matrice prochází ještě -měkký extrudát přes kalibrační a chladicí stanici-typicky vakuovou kalibrační nádrž pro duté profily nebo chlazené válce pro ploché plechy-, než jej následný stahovák táhne řízenou rychlostí. Nakonec letmá-pila nebo rotační fréza rozřezávají souvislý profil na délku a dokončují kroky procesu vytlačování od surového materiálu po hotový díl.

Plastový extrudér je základním strojem každé vytlačovací linky. Skládá se z násypky pro podávání materiálu, vyhřívaného barelu a jednoho nebo více šneků, které dopravují, stlačují a plastifikují pryskyřici. Jednošnekové extrudéry jsou nejběžnější konfigurací pro výrobu profilů a trubek; nabízejí jednoduchou obsluhu, nenáročnou údržbu a konzistentní výkon pro většinu termoplastů. Dvoušnekové extrudéry poskytují vynikající míchání a jsou preferovány pro míchání, disperzi barevných předsměsí a zpracování materiálů citlivých na teplo, jako je tvrdé PVC. Průměr šroubu-v rozmezí od 20 mm na laboratorních-jednotkách do více než 200 mm na velkých potrubích-určuje maximální průchodnost. Při hodnocení plastového extrudéru pro nový projekt patří mezi klíčové specifikace k porovnání poměr L/D šneku, točivý moment motoru, počet zón válce a maximální provozní tlak.

Ne všechny termoplasty lze zpracovat vytlačováním.

Mezi běžné základní materiály patří tvrdé materiály a elastické materiály.

Tvrdé materiály: PVC, PC, PETG, ABS, PP, boky, PMMA, LDPE, HDPE, POM, ASA, PA, as, EVA, PC + ABS atd.

Elastické materiály: PVC, TPU, TPE, Poe, TPR, TPV, TPEE atd

Výběr správné pryskyřice přesahuje shodu zkratky materiálu s kategorií produktu. Každý polymer přináší své vlastní chování při tavení, rychlost smrštění a rozměrovou stabilitu po-vytlačování, které se všechny vrací do analýzy DFM pro extrudovaný plastový díl. Tuhý PVC například vyžaduje přesnou regulaci teploty a plně aerodynamickou formu, protože je vysoce citlivý na tepelnou degradaci; špatně navržený průtokový kanál může vést ke stagnaci materiálu a černým skvrnám na povrchu profilu. Thekompletní průvodce procesem vytlačování PVCtaké vyžaduje specifické geometrie šroubů-obvykle nízký-kompresní-poměr, bariérový-létací šroub-, aby nedošlo k přehřátí pryskyřice.

Naproti tomu polyolefiny jako HDPE a PP jsou mnohem shovívavější, pokud jde o okno zpracování, ale vykazují vyšší bobtnání v matrici a větší krystalizační smrštění, takže stejnoměrnost-tloušťky stěny a rychlost chlazení se stávají dominantními konstrukčními problémy. Technické pryskyřice, jako jsou PC a PMMA, poskytují optickou čistotu a rázovou houževnatost pro světelné difuzory a kryty displejů, ačkoli jejich vyšší viskozita taveniny vyžaduje silnější hnací systémy extruderů a tvrzenou ocel. Pro aplikace vyžadující jak tuhost, tak měkké těsnění v jednom profilu,ko{0}}extruzní PVC profilyspárováním konstrukčního substrátu (často tuhého PVC nebo ABS) s elastomerním zalisováním (TPE nebo TPV) vytvoříte v jednom průchodu vytlačovaný plastový díl s duálním{0}}durometrem.

Návrh matrice a nástrojů

Vytlačovací hubice převádí 2-profilový výkres do fyzického průtokového kanálu, který musí dodávat roztavený polymer stejnoměrnou rychlostí po celém průřezu-. Dosažení této rovnováhy je hlavní výzvou konstrukce vytlačovacích lisů na plasty. Nejdůležitější jsou dva parametry: délka země a hloubka-kanála. Plocha je konečnou paralelní částí otvoru matrice; dodává tavenině "paměť" a stabilizuje tvar extrudátu při jeho výstupu. Obecným výchozím pravidlem je poměr-délky-k-tloušťce stěny alespoň 10 : 1 – což znamená, že stěna o tloušťce 2 mm vyžaduje přibližně 20 mm země. Kratší délky plošek činí proces citlivějším na kolísání teploty a rychlosti, zatímco příliš dlouhé délky plošek mohou vytvářet nerovnoměrné chlazení a zbytkové napětí.

Na řadu přichází vyrovnávání toku. Tam, kde má profil jak tlusté, tak tenké části, se silnější oblasti přirozeně pohybují rychleji skrz matrici. Nástrojaři to kompenzují prodloužením plochy v oblastech s rychlým-průtokem nebo vložením omezovačů průtoku proti proudu. U kruhových nebo prstencových geometrií-, jako jsou ty, které se nacházejí v nástrojích pro vytlačování plastových trubek-, jsou trny umístěny uvnitř matrice, aby vytvořily dutý otvor, a pavoučí ramena nebo spirálové rozdělovací kanály udržují taveninu rovnoměrně rozmístěnou kolem čepu. Udržení plné komprese v celé matrici, adaptérech a přechodových deskách je zásadní; jakákoli mrtvá zóna, kde může materiál stagnovat, nakonec degraduje a kontaminuje extrudát, což je zvláště závažný problém při použití tuhého PVC nebo polykarbonátu.

Stejně jako u konstrukce vstřikovaných dílů a hliníkových extrudovaných dílů je velmi důležitá jednotná tloušťka stěny.

Pokud je tloušťka stěny plastové vytlačované části nerovnoměrná, některé části jsou tlusté a některé tenké, což způsobuje nerovnoměrnou rychlost proudění plastu vytlačovaného v matrici, což má za následek různé rychlosti ochlazování a případně deformaci součásti.

Pokud je třeba řídit deformaci, je třeba přidat další chladicí procesy, aby se snížila účinnost výrobní linky a zvýšila se výrobní cena.

Protože vytlačování plastu je kontinuální proces, pevnost vytlačené části je nízká, když je právě vytlačována, a je třeba ji podepřít tlakem vzduchu a trnem, aby si zachoval svůj tvar a zabránilo se deformaci, zatímco dutá část nemůže poskytnout podporu a složitou dutou strukturu lze realizovat pouze otevřením sekce.

Nástroje na trubky, trubky a vlnité trubky

Nástroje na vytlačování plastových trubeka trubky představují jednu z-nejobjemnějších aplikací vytlačování a jejich požadavky na nástroje se výrazně liší od plných nebo otevřených profilů. Pokyny pro návrh nástrojů pro vytlačování plastových trubek obvykle začínají sestavou prstencové matrice a trnu. Trn vytváří vnitřní otvor, zatímco soustředný vnější kroužek definuje vnější průměr; mezera mezi nimi určuje tloušťku stěny. Poté, co tavenina opustí matrici, stále -měkká trubice vstupuje do vakuové objímky, která drží vnější průměr podle specifikace, zatímco mírný vnitřní tlak vzduchu zabraňuje zhroucení trubky.

U hladkých-trubic ve stěně-lékařských vedení, pneumatické hadice, kabelového vedení-je primární metrikou kvality soustřednost stěny, takže trn musí být vystředěn v rámci mikronů a rozvod taveniny musí být spirálový nebo typ-závěsu, aby nedocházelo ke svarům. Vlnitá plastová trubka přidává další vrstvu složitosti: sada pohyblivých bloků formy (nebo zvlňovacího zařízení) po proudu od matrice se postupně otevírá a zavírá kolem extrudátu a vytváří střídající se vrcholy a prohlubně, které dodávají trubce její axiální pružnost a odolnost proti drcení. Konstrukční pokyny pro nástroje pro vytlačování vlnité lepenky musí zohledňovat rozteč bloku- formy, načasování vakua u každého zvlnění a schopnost pryskyřice protáhnout se do dutiny formy, aniž by se nadměrně ztenčila. Jak jednostěnná vlnitá trubka, tak dvoustěnná vlnitá odtoková trubka se spoléhají na tento koncept nástrojů, i když konstrukce stěny{10}}a výběr pryskyřice (typicky HDPE nebo PP) se mezi nimi liší.

Malý{0}}průměr plastové trubky-řekněme, vnější průměr menší než 10 mm-vyžaduje užší tolerance na mezeře matrice a citlivější chlazení, protože jakékoli kolísání teploty nebo tlaku představuje větší procento průřezu stěny-. Při specifikaci nástrojů pro tyto aplikace stojí za to nahlédnout do příručky s pokyny pro návrh dodavatele vytlačovacích lisů, abyste si ověřili jejich standardní schopnost ohledně excentricity stěny, oválnosti a přesnosti- délky řezu, než se pustíte do výroby.

Na průsečíku více stěn se obvykle generují oblasti se silnou tloušťkou stěny, takže je snadné vytvořit smrštění a špatný vzhled na vnějším povrchu výlisku, což je velmi podobné vstřikování.

Pokud je vytlačování vzhledovou součástí, lze se smrštění vyhnout nebo jej zakrýt optimalizačním návrhem znázorněným na obrázku níže.

Strategie DFM pro snížení nákladů na vytlačování

Použití principů DFM v rané fázi návrhového cyklu je jedním z nejúčinnějších způsobů, jak snížit náklady na extrudovaný plastový profil bez obětování výkonu. Některé praktické strategie jsou běžně přehlíženy.

Nejprve spojte díly. Pokud sestava v současnosti používá dva nebo tři samostatné profily spojené dohromady, vyhodnoťte, zda by je mohl nahradit jeden ko{1}}extrudovaný díl. Méně dílů znamená méně zápustek, méně sekundárních operací a sníženou pracnost při montáži-přímá výhra z pohledu inženýrství plastů DFM.

Za druhé, minimalizujte uzavřenou plochu dutých profilů. Každá uzavřená dutina vyžaduje trn a komplikuje vyvažování matrice. Tam, kde není konstrukčně nutný plně uzavřený kanál, zvažte jeho převedení na C-kanál se zaklapávacím-kanálem; to zjednodušuje obrábění a zkracuje dobu přípravy matrice.

Za třetí, design pro standardní následné zařízení. Pokud lze zamýšlenou délku řezu dosáhnout pomocí standardní létající pily namísto přesné servořezačky, -jednotkové náklady se sníží. Stejně tak navržení upínacích prvků a montážních otvorů, které lze děrovat inline-namísto CNC-obrábění offline-, udržuje proces nepřetržitý a pracnost na nízké úrovni.

Nakonec se před zmrazením návrhu podělte o návrhy se svým dodavatelem vytlačování. Zkušení nástrojoví inženýři mohou často navrhnout drobná vylepšení geometrie,-přidáním úhlu úkosu a posunutím poloměru tam-, které dramaticky zlepší vyvážení zápustky a výtěžnost prvního-průchodu. Tento druh počáteční{5}}kontroly DFM plastových dílů je tím, co odlišuje profil, který běží hladce, od profilu, který vyžaduje neustálý zásah operátora.

Pokud je to možné, je třeba se pokud možno vyhnout přísným tolerancím ve směru délky. Termoplasty se s teplotou smršťují a roztahují a řezání plastových výlisků na kritické délky může zbytečně zvyšovat náklady.

Obecně je tolerance + / - 5 mm na 1000 mm dlouhých výliscích. S délkou samozřejmě souvisí přesnost tolerance. Čím kratší je délka, tím vyšší přesnosti lze dosáhnout.

Pokud je to možné, je třeba se pokud možno vyhnout přísným tolerancím ve směru délky. Termoplasty se s teplotou smršťují a roztahují a řezání plastových výlisků na kritické délky může zbytečně zvyšovat náklady.

Obecně je tolerance + / - 5 mm na 1000 mm dlouhých výliscích. S délkou samozřejmě souvisí přesnost tolerance. Čím kratší je délka, tím vyšší přesnosti lze dosáhnout.

Běžné vady vytlačovaných plastových dílů

I při dobře{0}}konstruované matrici a optimalizovaném procesu vytlačování se mohou při odchylkách parametrů procesu objevit vady. Pochopení základních příčin šetří prostoje a zmetkovitost.

Zlomenina taveninyse na povrchu profilu jeví jako drsná textura podobná žraločí kůži-. Je způsobena nadměrným smykovým napětím na okraji lisovnice a je nejběžnější u pryskyřic s vysokou -viskozitou, jako je HDPE a lineární LLDPE. Snížení rychlosti linky, zvýšení teploty matrice nebo rozšíření mezery matrice může snížit smyk pod kritickou prahovou hodnotu. Linie matrice-tenké, souvislé pruhy běžící ve směru vytlačování-obvykle vedou zpět k škrábancům nebo nánosům na ploše matrice; pravidelné leštění břitů matrice je standardní opravou.

Deformace po řezání je často výsledkem asymetrického chlazení. Pokud je na jedné straně profilu větší proudění vzduchu nebo kontaktu s vodou než na druhé, zbytkové napětí narůstá nerovnoměrně a díl se po uvolnění prohne. Prvním krokem je kontrola vyrovnání chladicích trysek a vakuových portů kalibrátoru. U složitých profilů se silnými i tenkými stěnami může přidání lokalizovaných chladicích trysek na silnější straně vyrovnat rychlost smrštění.

Prázdné prostory a bubliny uvnitř části stěny typicky poukazují na vlhkost v pryskyřici nebo na nedostatečné odvětrávání ve válci extrudéru. Před krmením je nezbytné před-sušit hygroskopické materiály (PA, PC, PETG) na doporučený obsah vlhkosti-obvykle pod 0,02 %-. Pokud bubliny přetrvávají, odvzdušňovací otvor barelu může být ucpaný nebo rychlost šroubu může být příliš vysoká na to, aby se dekompresní zóna barelu účinně odplynila.

Operace po{0}}vytlačování a dokončování

Vytlačovací linka vytváří souvislou délku konstantního průřezu-, ale většina aplikací-pro konečné použití vyžaduje dodatečné zpracování, než je profil připraven k sestavení. Mezi běžné sekundární operace patří přesné řezání na délku, CNC frézování zářezů a drážek, vrtání nebo děrování montážních otvorů a lisování za tepla nebo tamponový tisk pro branding. Některé plastové extrudované díly také procházejí ohýbáním-buď za studena pro jemné křivky nebo za tepla pro úzké poloměry-, aby se přizpůsobily geometrii konečného produktu.

Možnosti povrchové úpravy závisí na polymeru. ABS a tuhé PVC dobře přijímají barvy a lepicí spoje, zatímco polyolefiny obvykle potřebují ošetření plamenem nebo korónou pro zlepšení povrchové energie před tiskem nebo lepením. Pro osvětlovací a zobrazovací aplikace,Kryty difuzoru světla PC a PMMAmohou získat matnou texturu prostřednictvím inline embossovacích válců spíše než post{0}}pískováním po procesu, které udrží provoz v rámci vytlačovací linky a zabrání poškození při manipulaci. Plánování těchto následných kroků během počátečního návrhu profilu -ponechání volného prostoru pro upínací přípravky a přidání lokačních vztažných bodů pro CNC operace- je přímočarý postup DFM, který zabraňuje pozdějším nákladným přepracováním.

Proces vytlačování plastů je pěti{0}}fázová operace: (1) surová pryskyřice je gravitačně- přiváděna z násypky do válce extrudéru; (2) rotující šnek dopravuje a taví materiál skrz postupně teplejší zóny válce; (3) roztavený polymer je filtrován a protlačován přes přesnou formu, která definuje tvar profilu; (4) extrudát se ochladí a rozměrově stabilizuje ve vakuové kalibrační nádrži nebo na chladicích válcích; a (5) stahovák táhne ztuhlý profil řízenou rychlostí před jeho řezáním na požadovanou délku. Procesní proměnné, jako je teplotní profil válce, otáčky šneku, tlak taveniny a rychlost vytahování-, musí být koordinovány, aby bylo zajištěno, že hotový výlisek splňuje rozměrové tolerance a normy kvality povrchu. Tento proces vytlačování polymeru se vztahuje stejně na jednoduché kulaté trubky, složité vícedutinové okenní rámy a tenké{11}}stěnné kryty difuzorů osvětlení.