16 grudnia 2017


W obecnych czasach udział elementów wykonywanych z tworzyw sztucznych w stosunku do innych technologii wytwarzania jest bardzo duży. Widać to w każdym produkcie, niezależnie czy jest to sprzęt AGD, czy samochód. Projektowanie elementów z tworzyw sztucznych nie jest rzeczą łatwą. O poprawność wypraski (czyli wytwarzanego obiektu) konstruktor powinien zadbać jeszcze na etapie koncepcji kształtu detali. Biorąc pod uwagę zarówno kształt jak i właściwości materiałowe, konieczne jest odpowiednie przemyślenie wielu aspektów budowy produktu. Po utworzeniu poprawnej geometrii modelu wyrobu przychodzi czas na wykonanie projektu formy (Rys. 1).

Bernard Pacula

formy wtryskowe
Rys. 1

Proces projektowania konstrukcji formy wtryskowej można podzielić na kilka etapów:

  • Konstrukcja modelu wypraski (jeśli jest on bezpośrednio projektowany przez konstruktora)
  • Import modelu wypraski (najczęstszy przypadek w narzędziowniach)
  • Naprawienie błędów w zaimportowanym modelu
  • Analiza modelu pod kątem wykonalności narzędzia (formy)
  • Utworzenie elementów formujących (matryca, stempel itp)
  • Utworzenie korpusu formy
  • Przeprowadzenie analizy kolizji
  • Zaprojektowanie narzędzi wykorzystywanych do drążenia
  • Stworzenie dokumentacji rysunkowej

Przy konstrukcji form wtryskowych, także już na etapie projektowania wypraski, bardzo ważne jest uwzględnienie kilku głównych zagadnień:

  • Reologia – wszystkie zjawiska związane z płynięciem tworzywa w formie oraz procesem jej wypełnienia
  • Termika – zjawiska wymiany ciepła podczas stygnięcia i chłodzenia formy
  • Kinematyka – praca formy oraz możliwość bezproblemowego usunięcia wypraski

Powyższe punkty są realizowane w aplikacjach CAD, które posiadają podstawowe narzędzia umożliwiające wykonanie zarówno geometrii jak i wszelkich potrzebnych analiz. Wsparciem dla samego procesu projektowego są również aplikacje CAE, umożliwiające przeprowadzanie analiz związanych z samym procesem wtrysku. W celu minimalizacji możliwych problemów, a co za tym idzie zmniejszenia ryzyka występowania błędów i zmniejszenia kosztów projektowania, stosuje się analizy wtrysku tworzywa od samego początku tego procesu. Konstruktor tworzący wypraskę może przeprowadzać analizy wykonalności danego detalu, stosując analizy wtrysku wraz z wyszukiwaniem optymalnych punktów wtrysku (Rys. 2).

projektowanie form wtryskowych rys2s
Rys. 2

Na tym etapie można wyeliminować problemy związane z brakiem wypełnienia matrycy np. przez zbyt wąskie kanały, którymi tworzywo ma się przedostać od wlewu do komory. Również na tym etapie możliwe są do wyłapania zbyt cienkie ścianki i użebrowania, które mogą stwarzać problemy zarówno z wypełnieniem formy, jak i zachowaniem kształtu geometrii. Analiza ta jest oczywiście bardzo uproszczona, jednakże wiele problemów może być wyłapanych już na tym etapie konstrukcji.

Kolejna symulacja (Rys. 3) jest przeprowadzana w sytuacji, gdy jest już gotowa część formująca i należy dokonać analizy zarówno punktów wtrysku, jak i kanałów dolotowych, zapewniających odpowiednie wypełnienie.

projektowanie form wtryskowych rys3s
Rys. 3

W przeciwieństwie do pierwszego typu symulacji, analiza ta umożliwia uwzględnienie krotności formy, czyli wykonywania wielu wyprasek podczas jednego taktu formowania, oraz – co bardzo ważne – ma możliwość uwzględnienia chłodzenia, czyli rozkładu kanałów chłodzących oraz czynnika przez nie przepływającego.
Pewne wersje systemów do analiz są dostępne z poziomu aplikacji projektowych, a inne,  szczególnie te rozbudowane, w większości przypadków są oddzielnymi systemami, mogącymi współpracować z CAD. Producenci oprogramowania projektowego widząc olbrzymie zainteresowanie rynku technologią przetwórstwa tworzyw sztucznych, opracowali szereg narzędzi wspomagających, a w niektórych przypadkach również automatyzujących proces projektowania i doboru typowych elementów formy. Przykładem mogą być tu moduły Mold Tooling wraz z Electrode Design w Solid Edge czy Mold Wizard w NX.
W tym artykule praktyczne przykłady będą przedstawione na przykładzie programu Solid Edge, jednakże tok postępowania jest dość podobny również w innych programach do projektowania 3D.
W celu ułatwienia pracy w projekcie warto zachować porządek w dokumentacji. W związku z tym, jeśli nie ma systemu zarządzania dokumentacją, można zbudować strukturę folderów, ułatwiających łatwe zorientowanie się w projekcie. Proponuję utworzyć foldery, zawierające odpowiednie dane:
Import – folder zawierający dostarczony model.
Part – folder zawierający poszczególne pliki części, utworzone podczas modelowania (wypraska, elementy formujące itp.).
Asm – folder zawierający pliki złożeń, wraz z konfiguracjami wyświetlania.
Normalia – tu znajdują się wszystkie pliki zaimportowane z różnego rodzaju bibliotek.
Tech – folder zawierający pliki elementów związanych z technologią – np. służące do wykonania elektrod.
Dft – folder zawierający kompletne dokumentacje rysunkowe.
Pilnowanie utworzenia takiej lub innej struktury folderów ułatwia panowanie nad plikami oraz umożliwia łatwe wyszukiwanie wykorzystywanych elementów.
Zaczynając pracę od zaimportowania pliku, wczytywany jest model z formatu, jaki jest dostarczany przez klienta. Może się okazać, iż będzie to któryś z formatów uniwersalnych, które dość często niosą ze sobą problemy z brakującymi licami lub nieciągłością geometrii.

projektowanie form wtryskowych rys4s
Rys. 4

Na rysunku 4 widać, że element nie został wczytany jako bryła, lecz jako zespół lic. Można z tego wnioskować, iż występuje tu problem związany z nieciągłością powierzchni, czyli z brakującymi ściankami.
Naprawa takich problemów w większości przypadków sprowadza się do utworzenia powierzchni opartej na krzywych tworzących daną nieciągłość (ewentualnie kilku powierzchni, jeśli jest ona obszerna) z wykorzystaniem zachowania styczności / ciągłości krzywizny z przylegającymi licami. Po utworzeniu i zszyciu element jest gotowy do dalszych działań. W tym momencie dostępna jest bryła, która jest obiektem docelowym procesu wtrysku. Jako że w tworzywach sztucznych podczas stygnięcia następuje skurcz, to model, na podstawie którego wykonywane są elementy formujące musi być powiększony o współczynnik skurczu. Najprościej wykonać to poprzez wstawienie bryły bazowej do nowego pliku części jako Kopia części. Wykorzystując opcje tej operacji można ustawić zarówno jednorodny współczynnik skurczu, jak również, po wcześniejszym wstawieniu układu współrzędnych, można osadzić model bazowy w innym układzie współrzędnych. Model ten będzie wykorzystywany przy tworzeniu kształtu elementów formujących. Każda zmiana, jaka miałaby być wprowadzona, wykonywana jest tylko w pliku bazowym, a reszta elementów jest aktualizowana automatycznie, poprzez zastosowanie tego mechanizmu kopii.