Ghid de proiectare DFM pentru piese de extrudare și extrudare din plastic

Introducerea procesului

Turnare prin extrudareeste un proces de fabricație continuu în care materialul termoplastic este topit în interiorul unui butoi încălzit printr-un șurub rotativ și apoi forțat printr-o matriță modelată pentru a produce un profil cu o secțiune transversală constantă{0}. Spre deosebire de turnarea prin injecție, care umple o cavitate închisă a matriței pentru a crea piese distincte, turnarea prin extrudare oferă o lungime neîntreruptă de țevi, tuburi, canale, benzi, foi-de produs, care este dimensionată, răcită și tăiată în aval. Procesul este apreciat pentru randamentul său ridicat, costul pe-metru scăzut și capacitatea de a gestiona o gamă largă de polimeri, de la PVC de bază până la policarbonat-de inginerie.

Turnarea prin extrudare este o metodă de prelucrare a turnării cu multe schimbări, productivitate ridicată, adaptabilitate puternică, aplicare largă și cea mai mare proporție în domeniul prelucrării materialelor plastice.

Turnarea prin extrudare este de a modela continuu topitura polimerului sau fluidul vâscos printr-o anumită matriță de formă sub acțiunea de extrudare a șurubului sau pistonului extruderului. Piesele rezultate sunt profile continue cu formă de secțiune constantă.

Procesul de extrudare a polimerului poate fi împărțit într-o succesiune de etape strict controlate, fiecare dintre acestea afectând calitatea finală a piesei. Peleții, granulele sau pulberea-de rășină brută-se încarcă într-un buncăr alimentat-gravitațional montat deasupra cilindrului extruderului. De acolo, materialul intră în gâtul de alimentare și este transportat înainte de un șurub rotativ. Pe măsură ce rășina se deplasează de-a lungul cilindrului, încălzitoarele de bandă externe și frecarea internă de forfecare ridică temperatura progresiv până când materialul ajunge la o stare complet topit. Designul șurubului-adâncimea de zbor, raportul de compresie și raportul L/D-influențează direct cât de uniform este plastifiată topitura, motiv pentru care proiectarea extruderului din plastic este adesea considerat punctul de plecare al oricărei revizuiri DFM pentru proiectele de extrudare.

Odată ce topitura iese din butoi, aceasta este împinsă printr-o placă de rupere prevăzută cu pachete de sită care filtrează contaminanții și redau-presiunea pentru o amestecare mai bună. Topitura filtrată intră apoi înprincipii de proiectare a matrițelor de extrudare, unde geometria canalului de curgere îl modelează în secțiunea transversală-țintă. După ce părăsește matrița, extrudatul încă-moale trece printr-o stație de dimensionare și răcire-de obicei, un rezervor de calibrare în vid pentru profile goale sau role răcite pentru tabla plată-înainte ca un extractor din aval să îl tragă cu o viteză controlată. În cele din urmă, un ferăstrău-zburător sau un tăietor rotativ secţionează profilul continuu până la lungime, completând etapele procesului de extrudare de la materia primă la piesa finită.

Un extruder de plastic este mașina de bază în orice linie de extrudare. Este alcătuit dintr-un buncăr pentru alimentarea cu material, un butoi încălzit și unul sau mai multe șuruburi care transportă, comprimă și plastifiază rășina. Extruderele cu un singur -șurub sunt cea mai comună configurație pentru producția de profile și țevi; oferă funcționare simplă, întreținere redusă și producție constantă pentru majoritatea materialelor termoplastice. Extruderele cu două-șuruburi asigură o amestecare superioară și sunt preferate pentru amestecare, dispersie de masterbatch de culoare și prelucrarea materialelor-sensibile la căldură, cum ar fi PVC-ul rigid. Diametrul șurubului-variind de la 20 mm la unitățile-la scară de laborator până la peste 200 mm la conductele mari-determină debitul maxim. Când se evaluează un extruder de plastic pentru un nou proiect, specificațiile cheie de comparat includ raportul L/D șurubului, cuplul motorului, numărul zonelor butoiului și presiunea maximă de funcționare.

Nu toate materialele termoplastice pot fi prelucrate prin extrudare.

Materialele de bază comune includ materiale dure și materiale elastice.

Materiale dure: PVC, PC, PETG, ABS, PP, șolduri, PMMA, LDPE, HDPE, POM, ASA, PA, ca, EVA, PC + ABS, etc.

Materiale elastice: PVC, TPU, TPE, Poe, TPR, TPV, TPEE, etc

Alegerea rășinii potrivite depășește potrivirea unei abrevieri de material cu o categorie de produse. Fiecare polimer aduce propriul său comportament la topire, rata de contracție și stabilitate dimensională post-extrudare, toate acestea fiind reintroduse în analiza DFM pentru piesa de plastic extrudată. PVC-ul rigid, de exemplu, necesită un control precis al temperaturii și o matriță complet optimizată, deoarece este foarte sensibil la degradarea termică; un canal de curgere prost proiectat poate duce la stagnarea materialului și pete negre pe suprafața profilului. Theghid complet al procesului de extrudare PVCnecesită, de asemenea, geometrii specifice ale șuruburilor-de obicei, un raport de-compresie-scăzut, șurub de barieră-surub-pentru a evita supraîncălzirea rășinii.

În schimb, poliolefinele precum HDPE și PP sunt mult mai îngăduitoare în ceea ce privește fereastra de procesare, dar prezintă o umflare mai mare a matriței și o contracție mai mare de cristalizare, astfel încât uniformitatea-grosimii peretelui și viteza de răcire devin preocupările dominante de proiectare. Rășinile de inginerie precum PC și PMMA oferă claritate optică și rezistență la impact pentru difuzoarele de iluminat și capacele de afișare, deși vâscozitatea lor mai mare de topire necesită sisteme de antrenare a extruderului mai puternice și oțel matriță întărit. Pentru aplicații care necesită atât rigiditate, cât și o etanșare moale într-un singur profil,profile PVC de co-extrudareîmperecheați un substrat structural (adesea PVC rigid sau ABS) cu o supramatriță elastomerică (TPE sau TPV) pentru a crea o piesă din plastic extrudat cu dublu-durometru într-o singură trecere.

Design matriță și scule

Matrița de extrudare transpune un desen de profil 2-D într-un canal de curgere fizic care trebuie să livreze polimerul topit la o viteză uniformă pe toată secțiunea-transversală. Atingerea acestui echilibru este provocarea centrală a designului matrițelor de extrudare din plastic. Doi parametri contează cel mai mult: lungimea terenului și adâncimea-canalului. Terenul este secțiunea paralelă finală a deschiderii matriței; conferă „memorie” topiturii, stabilizând forma extrudatului pe măsură ce acesta iese. O regulă generală de pornire este un raport teren-lungime{-la-grosimea peretelui de cel puțin 10: 1 - adică un perete de 2 mm necesită aproximativ 20 mm de teren. Lungimile mai scurte ale terenului fac procesul mai sensibil la fluctuațiile de temperatură și viteză, în timp ce lungimile excesiv de mari ale terenului pot genera răcire neuniformă și stres rezidual.

Urmează echilibrarea fluxului. Acolo unde un profil are atât secțiuni groase, cât și secțiuni subțiri, zonele mai groase se vor deplasa în mod natural mai repede prin matriță. Inginerii de scule compensează prin prelungirea terenului în regiuni cu curgere rapidă-sau prin inserarea restrictoarelor de debit în amonte. Pentru geometriile rotunde sau inelare-cum ar fi cele găsite în sculele de extrudare a țevilor de plastic-, știfturile dornului sunt plasate în interiorul matriței pentru a forma gaura goală, iar picioarele de păianjen sau canalele distribuitoare în spirală mențin topitura distribuită uniform în jurul știftului. Menținerea compresiei complete în matriță, adaptoare și plăci de tranziție este critică; orice zonă moartă în care materialul poate stagna în cele din urmă se va degrada și contamina extrudatul, o problemă deosebit de gravă atunci când rulează PVC rigid sau policarbonat.

Ca și în cazul designului pieselor turnate prin injecție și al pieselor extrudate din aluminiu, grosimea uniformă a peretelui este foarte importantă.

Dacă grosimea peretelui piesei de extrudare din plastic este neuniformă, unele părți sunt groase, iar unele părți sunt subțiri, ceea ce face ca viteza de curgere a materialului plastic extrudat în matriță să fie neuniformă, ducând la viteze de răcire diferite și, în cele din urmă, la deformarea piesei.

Dacă deformarea trebuie controlată, trebuie adăugate procese suplimentare de răcire pentru a reduce eficiența liniei de producție și a crește costul de producție.

Deoarece extrudarea plasticului este un proces continuu, rezistența piesei extrudate este scăzută atunci când este doar extrudată și trebuie susținută de presiunea aerului și dorn pentru a-și menține forma și a evita deformarea, în timp ce partea goală nu poate oferi suport, iar structura goală complexă poate fi realizată doar prin deschiderea secțiunii.

Instrumente pentru țevi, țevi și tuburi ondulate

Scule de extrudare a țevilor din plasticși țevile reprezintă una dintre aplicațiile cu cel mai mare{0}}volum de extrudare, iar cerințele lor de scule diferă semnificativ de profilele solide sau deschise. Un ghid de proiectare a sculelor de extrudare a țevilor din plastic începe de obicei cu ansamblul matriței inelare și al dornului. Mandrinul creează orificiul interior în timp ce un inel exterior concentric definește diametrul exterior; decalajul dintre ele stabilește grosimea peretelui. După ce topitura părăsește matrița, tubul încă-moale intră într-un manșon de dimensionare cu vid care menține diametrul exterior conform specificațiilor, în timp ce o ușoară presiune internă a aerului împiedică prăbușirea tubului.

Pentru liniile medicale-tuburilor de perete-netede, furtunul pneumatic, conducta de cablu-concentricitatea peretelui este metricul de calitate primară, astfel încât dornul trebuie să fie centrat în microni, iar distribuția topiturii trebuie să fie de tip spirală sau de tip colat-pentru a evita liniile de sudură. Tubul ondulat din plastic adaugă un alt strat de complexitate: un set de blocuri de matriță mobile (sau ondulator) în aval de matriță se deschide și se închide în jurul extrudatului în secvență, formând vârfurile și văile alternative care conferă tubului flexibilitatea axială și rezistența la strivire. Ghidul de proiectare pentru sculele de extrudare din carton ondulat trebuie să țină cont de pasul-blocului de matriță, de sincronizarea vacuumului la fiecare ondulare și de capacitatea rășinii de a se întinde în cavitatea matriței fără a se subția excesiv. Atât conducta ondulată cu perete simplu-, cât și conducta de scurgere ondulată-perete dublu se bazează pe acest concept de scule, deși designul-structurii peretelui și selecția rășinii (de obicei HDPE sau PP) diferă între cele două.

Extrudarea cu tuburi de plastic cu diametru mic--să zicem, sub 10 mm OD-necesită toleranțe mai strânse asupra spațiului matriței și o răcire mai receptivă, deoarece orice fluctuație de temperatură sau presiune reprezintă un procent mai mare din secțiunea transversală-peretelui. Când specificați sculele pentru aceste aplicații, merită să consultați manualul ghidului de proiectare al furnizorului de extrudare pentru a confirma capacitatea standard a acestora privind excentricitatea peretelui, ovalitatea și precizia-lungimii de tăiere înainte de a începe producția.

La intersecția mai multor pereți, se generează de obicei zone cu grosimea peretelui groase, astfel încât este ușor să se producă contracție și aspect slab pe suprafața exterioară a extrudarii, care este foarte asemănătoare cu turnarea prin injecție.

Dacă extrudarea este o parte a aspectului, contracția poate fi evitată sau acoperită prin proiectarea de optimizare prezentată în figura de mai jos.

Strategii DFM pentru reducerea costurilor de extrudare

Aplicarea principiilor DFM la începutul ciclului de proiectare este una dintre cele mai eficiente modalități de a reduce costurile unui profil din plastic extrudat fără a sacrifica performanța. Câteva strategii practice sunt de obicei trecute cu vederea.

În primul rând, consolidați părțile. Dacă un ansamblu utilizează în prezent două sau trei profile separate fixate împreună, evaluați dacă o singură secțiune co-extrudată le poate înlocui. Mai puține piese înseamnă mai puține matrițe, mai puține operațiuni secundare și o muncă redusă de asamblare-un câștig direct din perspectiva ingineriei DFM a materialelor plastice.

În al doilea rând, minimizați zona închisă a secțiunilor goale. Fiecare gol închis necesită un dorn și complică echilibrarea matriței. Acolo unde un canal complet închis nu este necesar din punct de vedere structural, luați în considerare conversia acestuia într-un canal C-cu capac-; acest lucru simplifică sculele și scurtează timpul de livrare al matriței.

În al treilea rând, proiectarea pentru echipamente standard din aval. Dacă lungimea de tăiere intenționată poate fi atinsă cu un ferăstrău zburător standard, mai degrabă decât cu o freză servo de precizie, costul pe-unitate scade. De asemenea, proiectarea caracteristicilor de fixare și a găurilor de montare care pot fi perforate inline-nu de prelucrate CNC-offline-menține procesul continuu și conținutul de forță redus.

În cele din urmă, împărtășiți schițele cu furnizorul dvs. de extrudare înainte de a îngheța designul. Inginerii de scule cu experiență pot sugera adesea mici ajustări ale geometriei-adăugând un unghi de tragere aici, deplasând o rază acolo-care îmbunătățesc dramatic echilibrarea matriței și randamentul la prima-pasare. Acest tip de revizuire DFM în faza incipientă-pentru piesele din plastic este ceea ce separă un profil care rulează fără probleme de unul care necesită intervenția constantă a operatorului.

Acolo unde este posibil, toleranțele stricte în direcția lungimii trebuie evitate pe cât posibil. Materialele termoplastice se micșorează și se extind odată cu temperatura, iar tăierea extrudărilor din plastic la lungimi critice poate crește inutil costurile.

În general, toleranța este de + / - 5 mm pe extrudere de 1000 mm lungime. Desigur, precizia toleranței este legată de lungime. Cu cât lungimea este mai mică, cu atât se poate obține o precizie mai mare.

Acolo unde este posibil, toleranțele stricte în direcția lungimii trebuie evitate pe cât posibil. Materialele termoplastice se micșorează și se extind odată cu temperatura, iar tăierea extrudărilor din plastic la lungimi critice poate crește inutil costurile.

În general, toleranța este de + / - 5 mm pe extrudere de 1000 mm lungime. Desigur, precizia toleranței este legată de lungime. Cu cât lungimea este mai mică, cu atât se poate obține o precizie mai mare.

Defecte comune la piesele din plastic extrudat

Chiar și cu o matriță bine concepută-și un proces de turnare prin extrudare optimizat, defectele pot apărea dacă parametrii procesului variază. Înțelegerea cauzelor fundamentale economisește timpi de nefuncționare și deșeuri.

Fractură de topireapare ca o textură aspră, asemănătoare pielii de rechin-pe suprafața profilului. Este cauzată de efortul de forfecare excesiv la nivelul buzei matriței și este cel mai frecvent în rășinile cu vâscozitate-înaltă, cum ar fi HDPE și LLDPE liniar. Reducerea vitezei liniei, creșterea temperaturii matriței sau lărgirea decalajului matriței poate aduce forfecarea sub pragul critic. Liniile matriței-sârbii subțiri și continue care se desfășoară în direcția de extrudare-de obicei se urmăresc până la zgârieturi sau acumulare pe terenul matriței; lustruirea periodică a buzelor matriței este soluția standard.

Deformarea după tăiere este adesea rezultatul răcirii asimetrice. Dacă o parte a profilului vede mai mult flux de aer sau contact cu apa decât cealaltă, stresul rezidual se acumulează neuniform și piesa se înclină odată ce se relaxează. Verificarea alinierii duzelor de pulverizare de răcire și a porturilor de vid ale calibratorului este primul pas. Pentru profile complexe cu pereți groși și subțiri, adăugarea de jeturi de răcire localizate pe partea mai groasă poate egala rata de contracție.

Golurile și bulele din interiorul secțiunii de perete indică de obicei umiditate în rășină sau ventilație inadecvată în cilindrul extruderului. Pre-uscarea materialelor higroscopice (PA, PC, PETG) la conținutul de umiditate recomandat-de obicei sub 0,02 %-înainte de hrănire este esențială. Dacă bulele persistă, orificiul de aerisire al butoiului poate fi astupat sau viteza șurubului poate fi prea mare pentru ca zona de decompresie a butoiului să degazeze eficient.

Post-Operațiuni de extrudare și finisare

Linia de extrudare produce o lungime continuă de secțiune transversală-constantă, dar majoritatea aplicațiilor de-utilizare finală necesită procesare suplimentară înainte ca profilul să fie gata pentru asamblare. Operațiunile secundare obișnuite includ tăierea de precizie la lungime, direcționarea CNC a crestăturilor și fantelor, găurirea sau perforarea găurilor de montare și ștanțarea la cald sau tampografia pentru branding. Unele piese extrudate din plastic suferă, de asemenea, îndoire-fie îndoire la rece pentru curbe ușoare, fie îndoire la căldură pentru raze strânse-pentru a se conforma geometriei produsului final.

Opțiunile de finisare a suprafeței depind de polimer. ABS și PVC rigid acceptă bine vopseaua și adeziv, în timp ce poliolefinele au nevoie de obicei de tratament cu flacără sau corona pentru a îmbunătăți energia de suprafață înainte de imprimare sau lipire. Pentru aplicații de iluminat și afișare,Huse pentru difuzor de lumină din PC și PMMApoate primi o textură mată prin rulouri de gofrare în linie, mai degrabă decât prin sablare post-proces, ceea ce menține operațiunea în linia de extrudare și evită deteriorarea manipulării. Planificarea acestor pași în aval în timpul proiectării inițiale a profilului-lăsând spațiu liber pentru dispozitivele de prindere, adăugarea datelor de localizare pentru operațiuni CNC-este o practică DFM simplă care previne relucrarea costisitoare ulterioară.

Procesul de extrudare a plasticului este o operație în cinci-etape: (1) rășina brută este introdusă prin gravitație-de la un buncăr în butoiul extruderului; (2) șurubul rotativ transportă și topește materialul prin zone de butoi progresiv mai fierbinți; (3) polimerul topit este filtrat și forțat printr-o matriță de precizie care definește forma profilului; (4) extrudatul este răcit și stabilizat dimensional într-un rezervor de calibrare în vid sau pe role de răcire; și (5) un extractor trage profilul solidificat la o viteză controlată înainte de a fi tăiat la lungimea necesară. Variabilele de proces, cum ar fi profilul de temperatură a cilindrului, turația șurubului, presiunea de topire și viteza-de retragere trebuie să fie coordonate pentru a se asigura că extrudarea finită îndeplinește toleranțele dimensionale și standardele de calitate a suprafeței. Acest proces de extrudare a polimerului se aplică în mod egal tuburilor rotunde simple, cadrelor complexe de ferestre cu mai multe-cavități și capacelor difuzoarelor de iluminat-perete subțiri.