В чем разница между формованием со вставками и формованием с наложением?

Два процесса, похожие названия, совершенно разная инженерная логика. Нам задают этот вопрос достаточно часто, поэтому он требует правильного технического описания, а не обычной маркетинговой чепухи, которую вы можете найти где-либо еще.

 

При формовании вставкой предварительно-изготовленный компонент (металл, керамика, иногда предварительно отформованный пластик) помещается в форму перед литьем. При формовании поверх существующей пластиковой детали наносится второй пластиковый слой. Это версия из одного-предложения. Все остальное-инструментальные решения, материальные проблемы, виды отказов-вытекает из этого фундаментального различия.

Откуда берется путаница

Оба процесса создают детали из нескольких-материалов. Оба используют оборудование для литья под давлением. Оба они объединены в списках возможностей поставщиков. Но инженерные соображения почти сразу расходятся.

Вставные молдинги связаны с соединениями металла-с-пластиком. Никакой химической связи не существует. Вы полностью полагаетесь на геометрию-накаток, отверстий, поднутрений-для механической фиксации пластины на месте. Пластик сжимается вокруг металла по мере охлаждения, что создает сцепление, но также создает проблемы, о которых мы поговорим позже.

Формование связано с взаимодействием пластика-с-пластиком. Когда существует совместимость материалов, на границе происходит реальная молекулярная взаимодиффузия. Цепи ТПЭ и цепи подложки смешиваются, пока обе поверхности находятся выше стеклования. Если все сделано правильно, прочность соединения превышает прочность материала,-когда вы порвете TPE, прежде чем отклеить его.

Термическая реальность полимерных форм

Прежде чем углубляться в особенности процесса, стоит разобраться в вопросах теплопередачи в этих приложениях.

Исследования Университета прикладных наук Билефельда продемонстрировали нечто, удивляющее людей, незнакомых с полимерными инструментами: когда вы впрыскиваете АБС-пластик в полость формы АБС-пластика, температура контакта достигает примерно 145 градусов. Та же инъекция в стальную оснастку? Контактная температура остается около 62-70 градусов.

Почему это важно: время охлаждения резко увеличивается в зависимости от материала полости. Охлаждение стальной формы для типичных секций стенок занимает примерно 12 секунд. Полимерная полость? 680 секунд. Теплу просто некуда деваться-теплопроводность слишком мала для работы обычных каналов охлаждения.

В результате этого исследования был разработан подход к внешнему охлаждению с использованием погружения в водяную баню после выброса, что позволило сократить время цикла примерно до 62 секунд с достижимым падением температуры на 16-39 градусов. Технология SPM (Space Puzzle Mold) позволяет выталкивать многодетальные вставки из полости вместе с заготовкой, охлаждать их снаружи, а затем снова вставлять в цикл. Производственные циклы из 165 деталей с 80 циклами на комплект партии не выявили внешних повреждений инструмента.

Мы упоминаем об этом, потому что термическое поведение инструмента влияет как на результаты формования вставкой, так и на наплавление, а большинство технических обсуждений полностью игнорируют основную физику.

Вставной молдинг: что происходит на самом деле

Металлические вставки входят в форму. Пластик течет вокруг них. Часть выбрасывается. Достаточно простой по концепции.

Разбивка на шесть-этапов:

Подготовка.Вставки осматриваются, очищаются, иногда-обрабатываются поверхности. В резьбовых соединениях преобладает латунь.-хорошая обрабатываемость, достойная коррозионная стойкость, предсказуемое поведение. Нержавеющая сталь для суровых условий. Алюминий, когда вес имеет значение. Элементы поверхности (накатка, окружные канавки, сквозные-отверстия) разработаны для максимального механического удержания.

Загрузка. Ручное размещение работает при небольших объемах. Вертикальные жимы облегчают задачу, поскольку гравитация помогает, а не борется. Более высокие объемы оправдывают использование автоматизированных загрузочных-роботов, устройств подачи чаш, систем захвата-и-размещения. Крепеж должен удерживать положение, несмотря на давление впрыска, которое становится значительным.

Предварительный нагрев. Часто пропускали, часто сожалели. Металл агрессивно проводит тепло. Латунь комнатной-температуры, брошенная в форму, действует как теплоотвод, локально охлаждая расплав, увеличивая вязкость и создавая слабые линии сварки. Предварительный нагрев до ~100 градусов решает эту проблему. Но есть вторая причина, по которой люди упускают из виду: тепловое расширение. Нагретая вставка расширяется. По мере остывания сборки вставка и пластик сжимаются вместе, уменьшая разницу остаточных напряжений.

Инъекция.К стандартным параметрам литья под давлением относятся-температура расплава, скорость впрыска, давление упаковки, время охлаждения. Расположение ворот имеет большее значение, чем обычно, поскольку вы направляете поток вокруг препятствия.

Охлаждение. Неровный по своей природе. Металл остывает быстрее пластика. Интерфейс видит температурные градиенты, которых нет при формовании из одного-материала.

Выброс и осмотр.Проверка положения, проверка-вытягивания, если указано, проверка размеров. Визуальный осмотр выявляет очевидные проблемы; тонкие появляются позже.

Проблема напряжения обруча

Это заслуживает отдельного раздела, потому что людей цепляет именно режим отказа.

Пластик сжимается при затвердевании. Типичные степени усадки: АБС 0,4-0,7%, ПП 1,0-2,5%, ПОМ 1,8-2,5%. Когда пластик сжимается вокруг металлической вставки, которая сжимается с другой скоростью, в пластике возникает окружное растягивающее напряжение. Этот стресс не дает расслабиться. Он встроен в деталь навсегда.

Расчет прост:

Для ацеталя (ПОМ) с усадкой 2,5% и модулем упругости ~ 2600 МПа окружное напряжение составляет около 52 МПа. Это примерно 75% от предельной прочности ПОМ. Не комфортная маржа. (kaysun.com/blog/material-поведение-обруч-стресс-и-ползучесть)

Это объясняет феномен отсроченного растрескивания.-Детали проходят первоначальный осмотр, отправляются клиентам, а затем через несколько недель или месяцев трескаются, поскольку материал расползается под постоянным напряжением.

Уменьшение риска при проектировании: адекватная толщина стенки вокруг пластин (наружный диаметр бобышки должен составлять 1,5-2× наружный диаметр пластины), выбор материала, благоприятствующий более низкой усадке и модулю, геометрия для снятия напряжений и этап предварительного нагрева, упомянутый ранее.

Несоответствие КТР и термоциклирование

Связано с кольцевым напряжением, но отличается от него: разница в коэффициенте теплового расширения.

Типичные значения:

• Пластмассы: 50-80 частей на миллион/градус.
• Латунь: ~19 ppm/градус
• Алюминий: ~24 ppm/градус
• Сталь: 10-13 частей на миллион/градус

Разница 40+ ppm/градус означает, что пластик расширяется и сжимается значительно сильнее, чем металл, при каждом температурном цикле. В приложениях, требующих термоциклирования,-подкапотное пространство автомобиля, наружное оборудование и все, что имеет функцию включения/выключения обогрева-, этот дифференциал создает циклическую нагрузку на интерфейс.

Задокументированный случай с инженерных форумов (eng-tips.com): латунные вставки из нейлона, на 30 %-наполненного стеклом, прошли первоначальные испытания под давлением 120 фунтов на квадратный дюйм, протекли после циклического изменения температуры до 80 градусов. Несоответствие теплового расширения открыло интерфейс. Анализ после-испытаний показал возникновение трещин при концентрациях напряжений на поверхности вставки.

В данном случае исправлением была не корректировка процесса,-а изменение конструкции. Вторичное уплотнение (уплотнительное кольцо, эластомерная прокладка) или измененная геометрия интерфейса. Формование со вставкой само по себе не может гарантировать газонепроницаемое уплотнение-при термоциклировании, независимо от того, насколько совершенен процесс формования.

Формование: варианты процесса

Существует три подхода, каждый из которых имеет разные экономические и качественные последствия.

Вставное формование (трансферное формование).Предварительно-сформованная подложка помещается во вторую форму. Поверх него наносится ТПЭ или другой формованный материал. Использует стандартное однозарядное-оборудование. Трудоемкий-из-за ручной загрузки носителя для печати. Экономичность ниже ~250 000 единиц в год в зависимости от затрат на рабочую силу. Качество склеивания сильно зависит от температуры подложки во время впрыска в форму.-Холодная подложка означает более слабое межфазное соединение.

Двух-формование (многократное-закачивание).Специализированное оборудование с несколькими стволами. Первый материал впрыскивается, форма вращается или скользит, второй материал впрыскивается в том же цикле. Субстрат остается теплым между выстрелами, что максимизирует молекулярную взаимную диффузию на границе раздела. Лучшее качество облигаций. Высокая стоимость инструмента и оборудования. Экономично более ~ 250 000 единиц в год.

Ко-инъекция.Одновременная инъекция обоих материалов. Ограниченное применение. Обычно не используется для формования в обычном смысле этого слова.

Порог в 250 000 единиц является приблизительным. Ставка труда существенно влияет на расчет. При стоимости рабочей силы 4 доллара в час наплавка вставок остается экономичной при больших объемах. При цене 30 долларов в час два-захода становятся привлекательными раньше.

Совместимость материалов-деталь, вызывающая неисправности

Химическая связь между формой и подложкой требует молекулярной совместимости. Таблицы совместимости существуют, но не отражают всей истории.

Параметры обработки существенно влияют на качество связки. Рекомендации по температуре плавления ТПЭ от поставщиков материалов (teknorapex.com):

• Над подложкой из ПП: 170-190 градусов
• Над подложкой ABS: 220 градусов
• Над подложкой PA: 240 градусов

Более высокая температура плавления способствует межфазному теплообмену и молекулярной подвижности. Скорость впрыска должна быть высокой, чтобы поддерживать температуру во время заполнения. Толщина формовки менее 1,5 мм создает проблемы-замерзания материала до того, как образуется адекватное соединение.

Диагностика режима отказа:При проверке адгезии (испытание на отслаивание, испытание на сдвиг) осмотрите поверхность разрушения. Четкое разделение на границе раздела=нарушение адгезии=соединение является слабым местом=процесса или проблемы с материалом. ТПЭ разрывается внутри себя, оставляя остатки на обеих поверхностях=нарушение сцепления=прочность связи превышает допустимую =.

Тематическое исследование загрязнения

PlasticsToday задокументировал анализ отказов, о котором стоит знать. Ручки изготовлены из полипропиленовой подложки, -на 30 % заполненной стеклом, с эластомерной накладкой. Производство шло нормально, затем партия показала нулевую адгезию.-TPE полностью отслоился.

Анализ ДСК показал, что подложка «ПП» содержала 40-60% загрязнений нейлоном 6. В какой-то момент вверх по течению материал смешался. Эластомер, разработанный для ПП, не имел химического сродства к нейлону.

Подсказка: вес детали. 30% плотность нейлона GF составляет 1,35 г/см³. 30% плотность GF PP составляет 1,13 г/см³. Проверка веса выявила бы это перед формованием.

Проверка входного материала имеет значение. Особенно с переработанным контентом или несколькими поставщиками.

Правила дизайна, которые игнорируются

Из различных отраслевых источников и производственного опыта:

Для вставного молдинга:

• Внешний диаметр бобышки Больше или равен 1,5 диаметру пластины (2 раза предпочтительнее для применений с высокими-нагрузками)
• Вставьте выступ в полость размером больше или равным 0,4 мм (0,016 дюйма).
• Глубина формования под пластиной Больше или равна 1/6 диаметра пластины (предотвращает впадины)
• Избегайте острых углов пластин.-концентраторы напряжений ускоряют растрескивание.
• Рассмотрите предварительный нагрев пластины как стандартную практику, а не как опцию.

Для формования:

• Минимальная толщина TPE 1,5 мм для надежного склеивания.
• Внутренние угловые радиусы Больше или равны 0,5× толщины стены
• Избегайте тонких срезов, которые замерзают перед заполнением.
• Текстурированные поверхности подложки улучшают механическую адгезию.
• Расположение ворот для минимизации повторного нагрева подложки в чувствительных зонах.

Они документируются, включаются в рекомендации по проектированию, а затем игнорируются, когда график оказывается под давлением. Проблемы проявляются на производстве или, что еще хуже, на местах.

Вопросы квалификации поставщика

При оценке поставщиков для этих процессов стандартная проверка сертификации ISO мало что вам скажет. Конкретные вопросы имеют большее значение.

Для вставного молдинга:

• Какого позиционного допуска Cpk вы достигаете в месте вставки? (Все, что ниже 1,33, вызывает беспокойство)
• Опишите процесс предварительного нагрева пластины. Какая температура? Как проверено?
• Были ли у вас проблемы с отложенным взломом? Какова была основная причина и решение?
• Как вы обращаетесь с различными материалами CTE?

Для формования:

• Как вы квалифицируете новые комбинации подложки и формовки?
• Какой у вас протокол тестирования прочности соединения? Показать данные.
• Как вы контролируете температуру подложки при впрыске в форму?
• Какова ваша процедура предотвращения загрязнения поверхности?

Для обоих:

• Расскажите мне об обзоре DFM, который вы отклонили. Что ты поймал?
• Опишите производственную проблему, которую вы решили. Что изменилось?
• Каков ваш подход, когда указанный дизайн не работает?