Введение
Усадочные впадины — один из самых распространённых дефектов литьевых деталей из пластика. Они проявляются в виде небольших углублений на поверхности, обычно располагающихся напротив толстых ребёр, выступов, шпилек, монтажных площадок или других участков с локальным скоплением материала.
Основная причина — неравномерная объёмная усадка. Когда толстый участок охлаждается и сжимается после того, как внешняя поверхность уже затвердела, внутренний материал может недополучить необходимую компенсацию за усадку. В результате поверхность втягивается внутрь, образуя заметную усадочную впадину.
Для зарубежных заказчиков и инженеров усадочные впадины — это не только косметический дефект. Они могут свидетельствовать о рисках, связанных с проектом толщины стенок, конструкцией ребёр и выступов, расположением литников, давлением подачи, схемой охлаждения или выбором материала. Если эти риски не будут учтены до изготовления пресс-формы, возможны повторные испытания, изменения конструкции или доработка оснастки.
В компании Сюй Фэн перед запуском производства мы проверяем чертежи и 3D‑модели пластиковых деталей на соответствие требованиям по толщине стенок, конструкции ребёр, форме выступов, величине усадки материала, расположению литников, риску охлаждения и внешним эстетическим требованиям. Цель — выявить потенциальные риски возникновения усадочных впадин ещё до начала изготовления пресс-формы.
Проблема
Усадочные впадины обычно появляются, когда одна часть детали значительно толще окружающих стенок. Более толстая область охлаждается дольше, поэтому продолжает сжиматься даже после формирования поверхностной корки. Если давление подачи не способно эффективно обеспечить дополнительное поступление материала в эту зону, на противоположной стороне может образоваться впадина.
К типичным конструктивным особенностям чертежей, способным вызывать усадочные впадины, относятся:
- Толстые ребра, соединённые с видимыми наружными стенками
- Сплошные выступы, шпильки или монтажные стойки
- Толстые монтажные площадки или усиливающие блоки
- Резкие переходы от тонких стенок к толстым участкам
- Локальное скопление материала вблизи углов, пересечений или ребёр
- Внутренние конструкции, размещённые за декоративными поверхностями
- Неравномерная толщина стенок в зонах функциональных или сборочных узлов
Во многих проектах внешняя часть детали может выглядеть простой, однако внутренняя структура часто образует локальные участки с повышенной толщиной. Именно эти зоны нередко становятся настоящим источником образования впадин.
Риск производства
Если риски появления впадин не будут проанализированы до изготовления пресс-формы, проект может столкнуться с рядом производственных проблем.
- Видимые поверхности могут не соответствовать косметическим требованиям, особенно в случае корпусов, крышек, панелей и пластиковых деталей, обращённых к потребителю.
- Впадины вблизи шурупных посадочных мест, защёлок, ребёр жёсткости или сборочных поверхностей могут повлиять на приёмлемость изделия для заказчика либо на прочность соответствующих участков детали.
- Участки с большой толщиной требуют более длительного охлаждения, что увеличивает цикл производства и стоимость детали.
- Для корректировки давления заполнения, времени выдержки, температуры расплава, температуры формы, размера литников или условий охлаждения могут потребоваться многократные испытания пресс-формы.
- Если первопричина связана с геометрией детали, то лишь корректировка технологического процесса может оказаться недостаточной; в таком случае потребуется изменение конструкции или модификация пресс-формы.
Основные моменты анализа DFM
1. Равномерная толщина стенок
Равномерная толщина стенок — это первое правило конструирования, направленное на снижение образования впадин. Резкие изменения толщины приводят к неравномерному охлаждению и неравномерной усадке. При проведении анализа для проектирования с учётом производственных факторов (DFM) следует заранее выявлять участки с большой толщиной, резкие переходы между толщинами и излишние скопления материала.
Если для выполнения определённой функции требуется участок большой толщины, можно применить метод кернования, чтобы удалить лишний материал и обеспечить более равномерную толщину стенки. Компания Protolabs также рекомендует предотвращать значительные колебания толщины стенок и выполнять кернование наиболее толстых участков, чтобы снизить риск появления впадин. [1]
2. Толщина ребер
Ребра жёсткости повышают жёсткость без увеличения общей толщины стенки, однако слишком толстые ребра могут вызывать образование впадин на противоположной стороне детали.
Общепринятое правило DFM заключается в том, чтобы толщина ребер составляла примерно 40–60% от толщины примыкающей стенки, в зависимости от материала, косметических требований и конструкции детали. Для высокоглянцевых или сильно видимых поверхностей обычно безопаснее использовать более низкое соотношение. Компания Protolabs отмечает, что выступы должны соответствовать правилу 40–60% относительно толщины окружающей стенки, чтобы избежать образования впадин, тогда как компания Xometry утверждает, что толщина ребер, как правило, не должна превышать 60% от номинальной толщины стенки. [2][3]
3. Конструкция выступов и резьбовых штифтов
Бобышки и винтовые стойки являются распространёнными источниками впадин, поскольку они часто образуют толстые круглые участки у основания. При проведении анализа DFM следует проверять бобышки на наличие чрезмерной толщины, расположения за косметическими поверхностями, недостаточного угла вытяжки, плохого кернирования или избыточного количества материала у корня.
Более предпочтительной конструкцией обычно является бобышка с керном, поддерживаемая более тонкими ребрами или распорками, вместо сплошного массива. Хабс также рекомендует полость в толстых участках и использование ребер для повышения жесткости, одновременно предупреждая, что чрезмерная толщина ребер может привести к появлению впадин. [4]
4. Плавные переходы толщины стенок
Резкие переходы от тонких к толстым участкам увеличивают разницу в усадке и концентрацию напряжений. Плавные переходы, радиусы и фаски способствуют более равномерному протеканию материала и снижают локальные различия в охлаждении.
Для практического DFM переходы от толстого к тонкому должны быть плавными. Точный угол перехода зависит от функционального назначения детали, материала, конструкции формы и требований к внешнему виду, однако главный принцип — избегать резкого накопления материала.
5. Расположение декоративной поверхности
Если ребра, бобышки или монтажные площадки находятся непосредственно за видимой поверхностью, риск появления заметных впадин значительно возрастает. Косметические поверхности следует чётко обозначить на 2D‑чертеже ещё до начала проектирования формы.
Это помогает поставщику определить, требуется ли особое внимание к толщине ребер, положению бобышек, расположению литников, текстуре, системе охлаждения или параметрам технологического процесса.
6. Расположение литников и путь уплотнения
Расположение литника влияет на то, как расплав заполняет полость и как давление уплотнения достигает толстых участков. Если литник расположен слишком далеко от толстого участка или застывает слишком рано, давление уплотнения может оказаться недостаточным для эффективной компенсации усадки.
В ходе анализа DFM и проектирования формы толстые участки следует рассматривать совместно с положением литника, его размером, длиной потока, потерей давления и ожидаемым временем затвердевания литника.
7. Конструкция системы охлаждения
Неравномерное охлаждение может сделать контроль впадин гораздо сложнее. Толстые участки могут потребовать усиленной системы охлаждения — например, оптимизированных охладительных каналов, локальных вставок с повышенной теплопроводностью или улучшенного баланса температур в форме.
Компания Autodesk отмечает, что результаты анализа впадин в Moldflow помогают выявить потенциальные проблемы дизайна или технологического процесса, связанные с такими элементами, как ребра, а также оценить вероятность и глубину образования впадин. [5]
8. Поведение материала при усадке
Различные пластмассы усаживаются по‑разному. ПП, ПЭ, ПА, ПОМ, АБС, ПК, ПММА и модифицированные композиты с добавлением стекловолокна могут вести себя при формовании весьма по‑разному. Материалы, армированные волокнами, могут снижать общую усадку, но при этом создавать направленную усадку в зависимости от ориентации волокон.
Выбор материала следует рассматривать совместно с толщиной стенок, размером детали, конструкцией ребер, расположением литников и требованиями к внешнему виду.
Практические рекомендации
Для реальных проектов устранение дефектов усадочных вмятин должно осуществляться в следующей практической последовательности: сначала — корректировка технологического процесса, затем — оптимизация оснастки и, при необходимости, изменение материала или конструкции. Такая последовательность позволяет минимизировать ненужные доработки формы, одновременно устраняя первопричину проблемы.
| Уровень устранения неполадок | Типичные действия | Когда применять | Примечания |
| 1. Корректировка технологического процесса | Увеличить давление/время уплотнения, отрегулировать температуру расплава и температуру формы, оптимизировать скорость впрыска, продлить время охлаждения | Наиболее быстрый метод испытаний при слабо выраженных усадочных вмятинах или при их связанных с технологическим процессом причинах | Проверить по массе детали, внешнему виду и стабильности размеров |
| 2. Оптимизация оснастки | Отрегулировать размер/расположение литников, улучшить локальное охлаждение, изменить толстые участки, добавить выталкивающие элементы или оптимизировать вставки | Когда корректировка технологического процесса не позволяет устранить усадочные вмятины | Более эффективно для устранения первопричин, но требует работы над формой |
| 3. Изменение материала или конструкции | Использовать смолу с меньшей усадкой, марку со стекловолокном, оптимизировать толщину стенок или переработать конструкцию | Когда риск усадки связан с материалом или геометрией изделия | По возможности следует оценивать эти факторы ещё до изготовления оснастки |
1. Оптимизация давления уплотнения и времени выдержки
Поскольку усадочные вмятины часто образуются на этапе уплотнения и охлаждения, первыми параметрами технологического процесса, подлежащими проверке, обычно являются давление уплотнения и время выдержки. Согласно рекомендациям Autodesk Moldflow, наиболее эффективным способом снижения или устранения усадочных вмятин является правильный контроль давления уплотнения. [6]
При испытании формы давление уплотнения можно постепенно повышать в пределах безопасного технологического окна. Время выдержки должно быть достаточным для того, чтобы литник замёрз и масса детали стабилизировалась. Практический способ определения времени выдержки — метод измерения массы детали: поэтапно увеличивайте время выдержки до тех пор, пока масса отлитой детали больше не будет существенно расти.
Некоторые заводы могут начинать испытания с давлением уплотнения примерно на 80–90% от давления заполнения, однако это не следует рассматривать как универсальное правило. Окончательная настройка зависит от типа смолы, толщины детали, конструкции литника, мощности машины, структуры формы и риска образования заусенцев.
2. Тщательно регулируйте температуру расплава и температуру формы
Более высокая температура расплава может снизить вязкость и улучшить подачу материала в толстостенные участки, что способствует компенсации уплотнения. Однако слишком высокая температура расплава может увеличить цикл, повысить риск деградации или вызвать проблемы с усадкой.
Температура формы также влияет на поверхностное затвердевание и окно уплотнения. Для некоторых толстостенных участков немного более высокая локальная температура формы может задержать образование поверхностной корки и обеспечить лучшую компенсацию уплотнения. Однако это необходимо сбалансировать с временем охлаждения, циклом и стабильностью размеров.
3. Оптимизация скорости впрыска
Скорость впрыска влияет на баланс заполнения, ориентацию молекул, локальную плотность и передачу давления. Для толстых участков более плавная стратегия заполнения может уменьшить колебания плотности и облегчить последующую передачу давления уплотнения. Однако скорость впрыска также должна исключать недозаполнение, следы потока, струйность или чрезмерный сдвиг.
4. При необходимости увеличивать время охлаждения
Если деталь извлекается до того, как толстые участки достаточно затвердеют, послеизвлечённая усадка может продолжаться, а впадины становятся более заметными. Увеличение времени охлаждения улучшает стабильность размеров, особенно для деталей с толстыми выступами, ребрами или монтажными площадками. Недостатком является удлинение цикла, поэтому изменения в системе охлаждения следует оценивать с учётом их финансовых последствий.
5. Улучшение расположения и размера литника
Если толстый участок не получает достаточного давления уплотнения, возможно, потребуется пересмотреть расположение или размер литника. Как правило, толстые зоны следует размещать поближе к эффективным путям уплотнения, где это возможно. Более крупные или лучше расположенные литники снижают потери давления и задерживают затвердевание литника, позволяя лучше компенсировать объёмную усадку.
Для новых форм стратегию расположения литников следует пересматривать ещё до изготовления оснастки. Для существующих форм модификация литников может помочь, но при этом могут измениться внешний вид, линии сварки, баланс потока и требования к обрезке.
6. Усиление локального охлаждения
В случае серьёзных впадин, вызванных локальной концентрацией тепла, проектирование системы охлаждения часто оказывается важнее простой настройки параметров. Возможные улучшения оснастки включают добавление охладителей рядом с толстыми участками, использование вставок с высокой теплопроводностью, например бериллиевой меди, там, где это целесообразно, либо улучшение конфигурации охлаждающих каналов.
Для сложных деталей конформное охлаждение или оптимизированные охлаждающие контуры помогают уменьшить горячие точки и улучшить равномерность усадки. Точный выбор расстояния охлаждения и конструкции каналов необходимо определять с учётом структуры формы, материала, марки стали, прочности вставок и требований к обслуживанию.
7. Снижайте локальные скопления материала в оснастке или конструкции детали
Если причиной является толстая пластиковая секция, наиболее эффективным решением станет уменьшение накопления материала. Это может включать вырезание внутренних полостей в толстых участках, уменьшение толщины ребер, утончение оснований выступов, добавление полых структур или изменение конфигурации элементов усиления.
Для ребер обычно применяется рекомендация по толщине стенки 40–60%, однако для высокоглянцевых декоративных поверхностей могут потребоваться более тонкие ребра. Что касается выступов, то полый выступ, поддерживаемый тонкими ребрами, как правило, безопаснее, чем сплошной цилиндрический столбик.
8. Рассмотрите материалы с низкой усадкой или наполненные компонентами
Если выбранный пластик обладает высокой усадкой, можно рассмотреть замену материала. Стеклонаполненные материалы обычно дают меньшую общую усадку по сравнению с незаполненной смолой, однако они могут вызывать анизотропную усадку и влиять на прочность, внешний вид, линии сварки, износ инструмента и качество поверхности.
Выбор материала следует согласовывать с требованиями к эксплуатационным характеристикам изделия, допусками размеров, внешним видом, сертификационными требованиями и стоимостью.
9. Используйте анализ потока расплава для деталей с высоким риском
Для деталей с толстыми участками, высокими эстетическими требованиями, сложными ребрами или дорогой оснасткой анализ потока расплава помогает выявить зоны с высоким риском усадки еще до изготовления пресс-формы. Как объясняет Autodesk, результаты анализа впадин могут предсказать возможное поведение усадки в противоположных областях, например, у ребер. [5]
Анализ потока расплава не должен заменять инженерное суждение, но он полезен для оценки расположения литников, баланса потока, давления заполнения, схемы охлаждения, объемной усадки и возможных «горячих точек» перед фрезерованием стали.
Когда следует запросить у поставщика проверку
Перед изготовлением оснастки следует запросить у поставщика проверку DFM, если ваша пластиковая деталь имеет:
- Видимые декоративные поверхности
- Ребра за наружными стенками
- Выступы, резьбовые штифты или вставные элементы
- Неравномерную толщину стенок или локальные толстые участки
- Толстые монтажные площадки или усиливающие блоки
- Большие плоские поверхности
- Строгие требования к сборке
- Требования к высокоглянцевому или текстурированному внешнему виду
- Планирование прототипной или производственной пресс-формы
Ранний анализ DFM помогает определить, вызван ли риск образования впадин преимущественно конструкцией детали, параметрами литья, конструкцией пресс-формы, системой охлаждения или выбором материала. Как правило, предотвратить образование впадин до изготовления пресс-формы проще и экономически выгоднее, чем устранять их после проведения пробного отливки.
Заключение
Впадины в пластиковых деталях, полученных методом литья под давлением, в основном обусловлены неравномерной объёмной усадкой и недостаточной компенсацией заполнения в толстых участках. Риск возрастает при наличии неравномерной толщины стенок, толстых ребёр, сплошных выступов, локальных скоплений материала, неудачного расположения литников, недостаточного заполнения или неравномерного охлаждения.
Наилучший способ предотвращения — провести анализ конструкции ещё на этапе подготовки оснастки: максимально равномерно распределить толщину стенок, выполнить выемки в толстых участках, правильно спроектировать ребра и выступы, использовать плавные переходы, чётко маркировать декоративные поверхности и изучить поведение материала при усадке.
Во время пробной отливки прежде всего следует проверить настройки технологического процесса, особенно давление заполнения, время выдержки, температуру расплава, температуру пресс-формы, скорость впрыска и продолжительность охлаждения. Если корректировка технологических параметров не позволяет решить проблему, может потребоваться оптимизация оснастки, улучшение системы охлаждения, модификация литников, замена материала или переработка конструкции детали.
Призыв к действию
У вас есть проект пластиковой детали с ребрами, выступами, резьбовыми штифтами или требованиями к декоративным поверхностям?
Загрузите ваш 2D‑чертёж и 3D‑файл САПР для анализа DFM. Наша команда поможет оценить риски образования впадин, толщину стенок, техническую осуществимость пресс-формы, риски, связанные с литниками и системой охлаждения, а также предложит возможные улучшения конструкции ещё до составления коммерческого предложения.
Список литературы
[1] Protolabs, Дефекты литья под давлением и способы их предотвращения. https://www.protolabs.com/en-gb/resources/blog/injection-moulding-defects-and-how-to-prevent-them/
[2] Protolabs, Рекомендации по толщине стенок при литье под давлением. https://www.protolabs.com/resources/design-tips/improving-part-design-with-uniform-wall-thickness/
[3] Xometry, Пластиковые ребра в конструкции для литья под давлением. https://www.xometry.com/resources/injection-molding/plastic-ribs-for-injection-molding-design/
[4] Hubs, Руководство по проектированию методом литья под давлением. https://www.hubs.com/guides/injection-molding/
[5] Autodesk, Устранение визуальных дефектов. https://www.autodesk.com/blogs/design-and-manufacturing/resolving-visual-defects/
[6] Справка Autodesk Moldflow, Устранение дефектов в виде впадин и пустот. https://help.autodesk.com/view/MOLDFLOW/2013/ENU/caas.html?url=caas%2Fvhelp%2Fhelp-dev-autodesk-com%2Fv%2FSimulation-Moldflow%2Fenu%2F2013%2FHelp%2F3Insight-360%2F5146-Troubles5146%2F5159-Molding-5159%2F5173-Troubles5173.html
