Вдавливание и деформация при проектировании пресс-форм для пластмасс.

Что такое усадочные раковины (Sink Mark) и деформация (Warpage) в деталях, изготовленных методом литья под давлением?

В пластиковых корпусах с эстетичными поверхностями, элементах внутренней отделки автомобилей и панелях бытовой техники, поставляемых на B2B-рынки, одними из наиболее распространенных дефектов поверхности, снижающих уровень приемки продукции, являются усадочные раковины (sink mark) и деформация размеров (warpage). Усадочная раковина представляет собой видимое углубление на внешней поверхности пластиковой детали, которое обычно возникает непосредственно напротив участков с увеличенной толщиной материала, таких как ребра жесткости, монтажные стойки или внутренние элементы конструкции.

Деформация (warpage) возникает, когда деталь после выхода из пресс-формы теряет свою первоначальную плоскостность и изгибается. Оба этих дефекта приводят к проблемам при сборке, отказам при контроле эстетического качества и нарушению стабильности B2B-цепочек поставок. Профессиональное проектирование пластиковых пресс-форм должно включать инженерную возможность выявления и предотвращения подобных проблем еще на этапе цифрового моделирования, до начала обработки стали.

Физические и термические причины образования усадочных раковин

Основная причина возникновения усадочных раковин и деформаций связана с изменением теплового состояния полимеров во время процесса формования. Расплавленный пластик 200C - 280C  после подачи под давлением в полость пресс-формы быстро охлаждается при контакте со стальной поверхностью формы, образуя твердую наружную оболочку.

Однако внутренние области детали или участки с большой толщиной стенки охлаждаются значительно медленнее. По мере продолжения охлаждения пластик внутри детали подвергается объемной усадке (shrinkage). Если внешняя затвердевшая оболочка недостаточно жесткая или внутренние силы усадки, возникающие в толстых участках, слишком велики, наружная поверхность втягивается внутрь, формируя видимую усадочную раковину.

Стратегии предотвращения усадочных раковин с помощью конструкции пресс-формы и правил DFM

Применение правил DFM (Design for Manufacturing — проектирование с учетом технологичности производства) до изготовления пресс-формы позволяет устранить до 90% риска появления усадочных раковин непосредственно на стадии проектирования.

1. Управление равномерной толщиной стенок и технология облегчения конструкции (Core-Out)

Главное правило проектирования пластиковых деталей заключается в обеспечении максимально равномерной толщины стенок по всей геометрии изделия. Резкие изменения толщины вызывают локальные различия скорости охлаждения и становятся причиной образования усадочных раковин.

Участки с чрезмерной толщиной материала должны быть уменьшены методом Core-Out (облегчение внутреннего объема), а необходимая механическая прочность должна обеспечиваться за счет правильно рассчитанных внутренних ребер жесткости.

2. Соотношение размеров ребер жесткости (Rib) и монтажных стоек (Boss)

Ребра жесткости (Ribs), добавляемые для увеличения механической прочности детали, могут стать причиной появления заметных следов усадки на наружной поверхности, если их толщина рассчитана неправильно.

Для предотвращения образования усадочных раковин толщина основания ребра (T_feder ) не должна превышать 50% - 60% толщины основной стенки детали (T_ana) .

Толщина основания ребра (T_feder) ≤ 0,50 × T_ana

То же правило применяется к монтажным стойкам для винтов (Bosses). Основание стойки не должно соединяться с основной стенкой детали в виде массивного утолщения. Внутренняя часть должна быть облегчена с помощью сердечника (Core), а прочность должна обеспечиваться тонкими периферийными ребрами.

3. Расположение литникового входа (Gate Location) и термическая балансировка

Литниковый вход представляет собой точку, через которую расплавленный пластик поступает в полость пресс-формы. Его расположение должно быть максимально близко к наиболее толстому участку детали. Благодаря этому объемная усадка, возникающая во время охлаждения, может компенсироваться за счет дополнительной подачи расплавленного материала на стадии выдержки давления (Holding Pressure).

Если литник расположен на тонком участке детали, эта зона затвердевает слишком рано (Gate Freeze), и давление выдержки не может передаваться к толстому участку. В результате компенсация усадки становится невозможной, что приводит к образованию усадочных раковин.

Взаимосвязь геометрии охлаждающих каналов и коробления детали (Warpage)

Помимо усадочных раковин, деформация детали после извлечения из пресс-формы, когда изделие изгибается подобно «банану», в основном возникает из-за разницы температур между подвижной частью пресс-формы (Core) и неподвижной частью (Cavity).

Например, если температура стороны матрицы составляет 30C , а температура стороны пуансона составляет 60C , пластик на более горячей стороне будет иметь более высокую степень усадки. В результате деталь будет изгибаться в направлении более горячей поверхности.

Для предотвращения подобных деформаций охлаждающие каналы внутри пресс-формы должны проектироваться таким образом, чтобы они трехмерно повторяли геометрию толщины детали. По возможности рекомендуется применять конформные охлаждающие каналы (Conformal Cooling), изготовленные с использованием технологий 3D-металлического спекания.

Распределение температуры внутри пресс-формы должно поддерживаться в пределах ±2C , что обеспечивает стабильность размеров и повторяемость процесса серийного производства.

Предотвращение усадочных раковин с помощью параметров процесса: этап выдержки давления (Holding Phase)

Даже при правильной конструкции детали и пресс-формы параметры процесса литья под давлением напрямую влияют на образование усадочных раковин:

• Давление и время выдержки: После заполнения пресс-формы давление выдержки компенсирует объемную усадку пластика во время охлаждения. Недостаточное давление выдержки или слишком раннее прекращение подачи давления до замерзания литника приводит к появлению постоянных усадочных дефектов.

• Температура пресс-формы: Слишком высокая температура пресс-формы увеличивает время охлаждения детали и повышает вероятность образования усадочных раковин.

• Время охлаждения: Увеличение времени выдержки детали внутри пресс-формы позволяет наружному слою полностью затвердеть. Благодаря этому внутренние напряжения усадки не вызывают деформацию внешней поверхности после извлечения детали.

Финансовые преимущества анализа усадочных раковин в B2B-процессах утверждения деталей

В рамках B2B-проектов компании kaucukplastikkalip.com выполняют анализ глубины усадочных раковин (Sink Mark Depth Analysis) с использованием современных программных решений для моделирования литья под давлением (Moldflow) еще до этапа обработки стали.

Контроль глубины усадочных следов ниже критического значения 0.02 mm  обеспечивается уже на стадии проектирования пресс-формы.

Такой инженерный подход позволяет исключить дорогостоящие операции по доработке стальной оснастки после изготовления пресс-формы, сократить сроки утверждения первых образцов T1 и обеспечить своевременную поставку серийных деталей высокого качества для B2B клиентов.