Formowanie wtryskowe topliwego rdzenia

Formowanie wtryskowe topliwego rdzenia , znane również jako formowanie wtryskowe z rdzeniem traconym , jest wyspecjalizowanym procesem formowania wtryskowego tworzyw sztucznych stosowanym do formowania wewnętrznych wnęk lub podcięć , których nie można formować za pomocą rdzeni rozbieralnych . Ściśle mówiąc, termin „formowanie wtryskowe topliwego rdzenia” odnosi się do zastosowania topliwego stopu jako materiału rdzenia; gdy materiał rdzenia jest wykonany z rozpuszczalnego tworzywa sztucznego, proces ten jest znany jako formowanie wtryskowe rozpuszczalnego rdzenia . Ten proces jest często stosowany w przypadku samochodowych , takich jak kolektory dolotowe i obudowy hamulców , ale jest również stosowany w przypadku części lotniczych , części hydraulicznych , kół rowerowych i obuwia .

Najpopularniejszymi materiałami do formowania są nylon wypełniony szkłem 6 i nylon 66 . Inne materiały obejmują niewypełnione nylony, polisiarczek fenylenu , poliaryloeteroketon wypełniony szkłem (PAEK), polipropylen wypełniony szkłem (PP), sztywny termoplastyczny uretan i elastomerowy termoplastyczny poliuretan .

Historia

Pierwszy patent na ten rodzaj procesu formowania uzyskano w 1968 roku, jednak do lat 80-tych był on rzadko stosowany. To wtedy przemysł motoryzacyjny zainteresował się opracowaniem kolektorów dolotowych.

Proces

Proces składa się z trzech głównych etapów: odlewania lub formowania rdzenia, wkładania rdzenia do formy i strzelania do formy, a na koniec usuwania formy i topienia rdzenia.

Rdzeń

Najpierw rdzeń jest formowany lub odlewany ciśnieniowo w kształcie wnęki określonej dla formowanego elementu. Może być wykonany z metalu o niskiej temperaturze topnienia , takiego jak stop cyny z bizmutem lub polimeru , takiego jak rozpuszczalny akrylan . Polimer ma w przybliżeniu taką samą temperaturę topnienia jak stop, 275 ° F (135 ° C), jednak proporcje stopu można modyfikować, aby zmienić temperaturę topnienia. Kolejną zaletą stosowania rdzenia metalowego jest to, że można odlać wiele mniejszych rdzeni z dopasowanymi zaślepkami i otworami, dzięki czemu można je złożyć w finalny duży rdzeń.

Jednym z kluczy do odlewania rdzeni metalowych jest upewnienie się, że nie zawierają one żadnej porowatości , ponieważ spowoduje to wady formowanej części. W celu zminimalizowania porowatości metal może być odlewany grawitacyjnie lub wnęka formująca może być pod ciśnieniem. Inny system powoli kołysze matrycami odlewniczymi, gdy wnęka formująca wypełnia się, aby „wytrząsnąć” pęcherzyki powietrza.

Metalowe rdzenie mogą być wykonane z wielu stopów o niskiej temperaturze topnienia, z których najczęstszym jest mieszanka 58% bizmutu i 42% cyny, która jest używana do formowania nylonu 66. Jednym z głównych powodów, dla których jest używany, jest to, że rozszerza się podczas stygnięcia, co dobrze upakowuje formę. Inne stopy obejmują stopy cyny, ołowiu i srebra oraz stopy cyny, ołowiu i antymonu. Pomiędzy tymi trzema grupami stopów można osiągnąć temperaturę topnienia między 98 a 800 ° F (37–425 ° C).

Rdzenie polimerowe nie są tak powszechne jak rdzenie metalowe i są zwykle używane tylko do listew, które wymagają prostych szczegółów powierzchni wewnętrznej. Zwykle są to wydrążone przekroje o grubości od 0,125 do 0,25 cala (3,2 do 6,4 mm), które są formowane w dwóch połówkach i zgrzewane ze sobą ultradźwiękami. Ich największą zaletą jest to, że można je formować na tradycyjnych wtryskarkach, które firma już posiada, zamiast inwestować w nowy sprzęt do odlewania ciśnieniowego i uczyć się, jak go używać. Z tego powodu materiały rdzeni polimerowych są najbardziej przydatne w przypadku małych serii produkcyjnych, które nie mogą uzasadniać dodatkowego kosztu rdzeni metalowych. Niestety nie nadaje się do recyklingu tak jak stopy metali stosowane w rdzeniach, ponieważ do materiału pochodzącego z recyklingu trzeba dodać 10% nowego materiału.

Odlewanie

W drugim etapie rdzeń jest następnie wkładany do formy. W przypadku prostych form jest to tak proste, jak włożenie rdzenia i zamknięcie matryc. Jednak bardziej złożone narzędzia wymagają wielu kroków od zaprogramowanego robota. Na przykład niektóre złożone narzędzia mogą mieć wiele konwencjonalnych naciągów bocznych, które łączą się z rdzeniem, aby zwiększyć sztywność rdzenia i zmniejszyć masę rdzenia. Po załadowaniu rdzenia i zamknięciu prasy następuje śrutowanie tworzywa sztucznego.

Roztapianie

Na ostatnim etapie formowany element i rdzeń są wyjmowane z formy, a rdzeń jest wytapiany z formy. Odbywa się to w gorącej kąpieli , poprzez ogrzewanie indukcyjne lub poprzez połączenie tych dwóch. Do gorących kąpieli zwykle wykorzystuje się wannę wypełnioną glikolem lub Lutronem , który jest płynem na bazie fenolu . Temperatura kąpieli jest nieco wyższa niż temperatura topnienia stopu rdzenia, ale nie na tyle wysoka, aby uszkodzić wypraskę. W typowych zastosowaniach komercyjnych części są zanurzane w gorącej kąpieli za pomocą przenośnika podwieszonego. Zaletą korzystania z gorącej kąpieli jest to, że jest prostsza niż ogrzewanie indukcyjne i pomaga utwardzać kształtki termoutwardzalne. Wadą jest to, że jest nieekonomicznie powolny przy czasie cyklu od 60 do 90 minut i stwarza problemy z oczyszczaniem środowiska. Zazwyczaj roztwór do gorącej kąpieli wymaga czyszczenia lub wymiany co rok lub co pół roku, gdy jest używany w połączeniu z ogrzewaniem indukcyjnym.

W przypadku wyprasek termoplastycznych wymagane jest nagrzewanie indukcyjne metalu rdzenia, w przeciwnym razie długotrwałe ciepło z gorącej kąpieli może go wypaczyć. Ogrzewanie indukcyjne skraca czas topnienia do jednej do trzech minut. Wadą jest to, że ogrzewanie indukcyjne nie usuwa całego materiału rdzenia, dlatego należy go następnie wykończyć w gorącej kąpieli lub wyszczotkować. Inną wadą jest to, że cewki indukcyjne muszą być budowane na zamówienie dla każdej listwy, ponieważ cewki muszą znajdować się w odległości od 1 do 4 cali (25 do 102 mm) od części. Wreszcie systemy ogrzewania indukcyjnego nie mogą być używane z wypraskami, które mają wkładki mosiężne lub stalowe, ponieważ proces nagrzewania indukcyjnego może zniszczyć lub utlenić wkładkę.

W przypadku skomplikowanych części usunięcie całej cieczy rdzenia w obu procesach wytapiania może być trudne. Aby temu zaradzić, części można obracać nawet przez godzinę. Ciekły metal rdzenia zbiera się na dnie podgrzewanej kąpieli i nadaje się do nowego rdzenia.

Sprzęt

Tradycyjne poziome wtryskarki są używane od połowy lat 80. XX wieku, jednak ładowanie i rozładowywanie rdzeni o masie od 100 do 200 funtów (45 do 91 kg) jest trudne, dlatego potrzebne są dwa roboty . Ponadto czas cyklu jest dość długi, około 28 sekund. Problemy te można przezwyciężyć, stosując wtryskarki rotacyjne lub wahadłowe. Tego typu maszyny wymagają tylko jednego robota do załadunku i rozładunku rdzeni i mają o 30% krótszy czas cyklu. Jednak tego typu maszyny kosztują około 35% więcej niż maszyny poziome, wymagają więcej miejsca i wymagają dwóch form dolnych (ponieważ jedna znajduje się w maszynie podczas cyklu, a druga jest rozładowywana i ładowana nową rdzenią), co dodaje około 40% kosztów narzędzi. W przypadku małych części nadal stosuje się wtryskarki poziome, ponieważ rdzeń nie waży wystarczająco dużo, aby uzasadnić użycie maszyny rotacyjnej.

W przypadku kolektorów czterocylindrowych wymagana jest prasa o nacisku 500 ton; w przypadku kolektora z sześcioma do ośmiu cylindrów wymagana jest prasa o masie od 600 do 800 ton.

Zalety i wady

Największą zaletą tego procesu jest możliwość wytwarzania jednoczęściowych wyprasek wtryskowych o bardzo złożonej geometrii wnętrza bez dodatkowych operacji. Przedmioty o podobnych kształtach są zwykle wykonane z odlewów aluminiowych, które mogą ważyć od 45% do 75% więcej niż porównywalne wypraski. Oprzyrządowanie trwa również dłużej niż oprzyrządowanie do odlewania metali ze względu na brak korozji chemicznej i zużycia. Inne zalety to:

• Bardzo dobra jakość powierzchni bez słabych miejsc z powodu połączeń lub spawów
• Wysoka dokładność wymiarowa i integralność strukturalna
• Nie jest pracochłonny ze względu na kilka wymaganych dodatkowych operacji
• Małe straty
• Wkładki mogą być włączone

Dwie główne wady tego procesu to wysoki koszt i długi czas opracowywania. Opracowanie części samochodowej może zająć cztery lata; dwa lata na etapie prototypu i dwa lata na dojście do produkcji. Nie wszystkie produkty potrzebują tak dużo czasu, na przykład zawór dwudrożny wyprodukowany przez Johnson Controls trwał tylko 18 miesięcy. Początkowy koszt wyprodukowania czterocylindrowego kolektora silnika może sięgać nawet 8 milionów USD. Jednak komputerowa analiza przepływu pomogła zredukować czas realizacji i koszty.

Jedną z trudności wynikających z długiego czasu opracowywania i wysokich kosztów jest powtarzalne wykonywanie dokładnych rdzeni. Jest to niezwykle ważne, ponieważ rdzeń jest integralną częścią formy, więc zasadniczo każdy strzał trafia do nowego gniazda formy. Inną trudnością jest zapobieganie stopieniu się rdzenia, gdy tworzywo sztuczne jest wstrzykiwane do formy, ponieważ tworzywo sztuczne ma około dwukrotnie wyższą temperaturę topnienia niż materiał rdzenia. Trzecią trudnością jest niska wytrzymałość rdzenia. Puste plastikowe rdzenie mogą się zapaść, jeśli w śrutowanym plastiku zostanie zastosowany zbyt duży nacisk. Rdzenie metalowe (o niskich temperaturach topnienia) są solidne, więc nie mogą się zapaść, ale są tylko o 10% tak wytrzymałe jak rdzenie stalowe, więc mogą się odkształcać. Jest to szczególnie problem podczas formowania rur rozgałęźnych, ponieważ falistość rdzenia może być szkodliwa dla przepływu powietrza w kanałach.

Inną wadą jest potrzeba dużej przestrzeni do umieszczenia wtryskarek, maszyn odlewniczych, urządzeń do topienia i robotów.

Z powodu tych wad niektóre wypraski, które można by wykonać w tym procesie, są zamiast tego wytwarzane przez formowanie wtryskowe dwóch lub więcej części w tradycyjnej wtryskarce, a następnie spawanie ich razem. Ten proces jest tańszy i wymaga znacznie mniej kapitału, jednak wiąże się z większymi ograniczeniami projektowymi. Ze względu na ograniczenia projektowe czasami części są wytwarzane za pomocą obu procesów, aby uzyskać zalety obu.

Aplikacja

Zastosowanie procesu topliwego rdzenia nie ogranicza się tylko do wtryskiwania tworzyw termoplastycznych , ale wraz z odpowiednimi stopami rdzeni również do termoutwardzalnych tworzyw sztucznych do formowania ( duroplast ). Proces topliwego rdzenia znajduje zastosowanie na przykład w formowanych wtryskowo kolektorach dolotowych silników samochodów osobowych. Modyfikując sprzęt, można wytwarzać małe formowane części, takie jak zawory lub obudowy pomp , ponieważ wytwarzanie topliwych rdzeni i części wtryskowych można wykonywać na wtryskarce.

Zobacz też

• Odlewanie metodą traconego wosku

Bibliografia

•   Erhard, G. (2006), Projektowanie z tworzywami sztucznymi , Hanser Verlag, ISBN 978-1-56990-386-5 .
•   Osswald, Tim ; Turng, Lih-Sheng; Gramann, Paul J. (2007), Podręcznik formowania wtryskowego (wyd. 2), Hanser Verlag, ISBN 978-1-56990-420-6 .
• Schut, Jan H. (1 grudnia 1991), „Zbliżenie na„ utracony rdzeń ”: układanka z wieloma elementami” , Technologia tworzyw sztucznych .

Linki zewnętrzne

• Materiały do ​​formowania do formowania wtryskowego topliwego rdzenia Zarchiwizowane 21 lipca 2011 r. W Wayback Machine