Design for produksjon i sprøytestøpeverktøy

En del kan være funksjonelt korrekt og likevel vanskelig å produsere. Dette skjer når designet utvikles med fokus på sluttfunksjonen, men uten tilstrekkelig hensyn til hvordan den skal produseres i et sprøytestøpeverktøy.

Design for Manufacturing, ofte forkortet DfM, er fagfeltet som bygger bro mellom produktdesign og produksjon. Det handler om å tilpasse geometrien, veggtykkelsene og overflatene til delen slik at den kan produseres stabilt, effektivt og innenfor spesifiserte toleranser.

Innen sprøytestøping er DfM spesielt kritisk fordi feil i designfasen ikke bare forårsaker produksjonsproblemer. De manifesterer seg i stålet, og endringer etter at produksjonen har startet er kostbare og tidkrevende. Les mer her: Fra idé til ferdig sprøytestøpeverktøy

Hva DfM betyr i sprøytestøping

Sprøytestøping er en prosess med klare fysiske begrensninger. Plasten sprøytes inn i et lukket formhulrom under trykk, avkjøles og må deretter kastes ut uten å skade verken delen eller verktøyet.

For å oppnå dette konsekvent og feilfritt, må deldesignet ta hensyn til hvordan materialet oppfører seg under fylling og avkjøling, og hvordan delen fysisk kan frigjøres fra formen. Disse kravene er oversatt til en rekke spesifikke designprinsipper.

Eksosvinkler

En av de mest grunnleggende forutsetningene for vellykket sprøytestøping er tilstedeværelsen av trekkvinkler på alle overflater som er parallelle med utkastningsretningen.

Uten utkastningsvinkler vil delen feste seg til formhulrommet under utkasting. Dette forårsaker overflateskader, deformasjoner og i verste fall skade på verktøyet. Selv en vinkel på 1 til 2 grader er i mange tilfeller tilstrekkelig for å sikre ren utkasting.

Kravene til klaringsvinkler varierer avhengig av overflatefinish og materialkrymping. Deler med en matt eller teksturert overflate krever vanligvis større klaringsvinkler enn polerte overflater fordi overflateteksturen øker friksjonen mot ståloverflaten.

Veggtykkelser og ensartethet

Varierende veggtykkelser er en av de vanligste årsakene til kvalitetsproblemer i sprøytestøpte deler. Når en tykkere seksjon størkner saktere enn den omkringliggende geometrien, oppstår det synkemerker på utsiden og indre spenninger i materialet oppstår.

Grunnprinsippet er jevn veggtykkelse gjennom hele delen. Overgangene mellom tynne og tykke seksjoner bør være gradvise og avrundede snarere enn brå, slik at plastsmelten kan fordeles jevnt og avkjølingen skjer på en kontrollert måte.

Anbefalte veggtykkelser varierer fra materiale til materiale. Tekniske termoplaster som polyamid og polykarbonat har andre optimale områder enn polypropylen og polyetylen. Valg av materiale og veggtykkelser er derfor avgjørelser som er uløselig knyttet sammen. Les mer her: Ståltyper for sprøytestøpeverktøy – valg av verktøystål.

Plasseringen av delelinjen

Skillelinjen er linjen der de to formhalvdelene møtes og lukkes. Plasseringen påvirker delens utseende, funksjonalitet og produksjonskostnader.

En riktig plassert skillelinje er ikke synlig på delens kritiske overflater og gir effektiv ventilasjon av formhulrommet. En upassende plassering krever komplekse kjerne- og kjeveløsninger, noe som øker kompleksiteten og kostnaden for verktøyet. Les mer her: Hvor mye koster et sprøytestøpeverktøy?

I praksis bør skillelinjen plasseres tidlig i designprosessen og ikke behandles som en konsekvens av geometrien, men som en aktiv konstruktiv beslutning.

Underkutt og løsninger

Underskjæringer er geometriske elementer som forhindrer direkte avgass i én retning. Disse kan være innvendige spor, utvendige krok- og sneppforbindelser, eller gjennomgående hull vinkelrett på avgassretningen.

Underskjæringer krever glidere eller løftere i verktøyet, dvs. beveger mekaniske elementer som trekkes til siden før delen kastes ut. Dette øker kompleksiteten, kostnadene og vedlikeholdskravene til verktøyet.

DfM-arbeidet handler ikke om å eliminere alle underskjæringer, men om å bevisst vurdere hvilke som er funksjonelt nødvendige og hvilke som kan elimineres ved å redesigne geometrien uten å gå på kompromiss med delens funksjon.

Ribber, forsterkninger og ledd

Ribber brukes til å øke stivheten uten å øke veggtykkelsen. Det er en effektiv metode, men ribber introduserer risikoen for synkemerker på motsatt side av delen hvis de dimensjoneres feil.

Tommelfingerregelen er at en ribbe bør ha en tykkelse på 50 til 70 prosent av den tilstøtende veggtykkelsen. For tykke ribber kan føre til de samme problemene som generelt overdimensjonerte veggtykkelser.

Monteringsnoder brukes til skruehull og monteringspunkter. De bør utformes med en kjernehulldiameter som samsvarer med den valgte skruetypen og med tilstrekkelig støttegeometri for å unngå deformasjon under montering.

Portplassering og injeksjon

Porten er punktet der plasten sprøytes inn i formhulrommet. Plasseringen påvirker fyllingsmønsteret, plasseringen av eventuelle sveiser og overflatekvaliteten til den ferdige delen.

En port plassert i midten av arbeidsstykket gir vanligvis den mest ensartede fyllingen. En port plassert i kanten kan gi en orientert fylling som etterlater sveisesømmer på kritiske steder eller skaper uønsket fiberorientering i forsterkede materialer.

Typen port, enten det er punktport, tunnelport eller filmport, påvirker også delens utseende og behovet for etterbehandling. Portmerket er synlig på delen og bør plasseres på ikke-synlige overflater der det er mulig.

DfM i praksis

DfM er ikke en enkeltstående gjennomgang av et CAD-design. Det er en iterativ prosess der designeren, verktøymakeren og produsenten samarbeider for å sikre at designet kan produseres som spesifisert.

I praksis identifiserer en DfM-gjennomgang vanligvis en håndfull justeringer som til sammen reduserer risikoen for produksjonsproblemer betydelig. Disse justeringene er nesten alltid billigere å implementere i designfasen enn å fikse når stålet er i maskinen.

En DfM-optimalisert del resulterer i kortere syklustider, færre kasseringer og lavere vedlikeholdskrav for verktøy over tid. Dette gjenspeiles direkte i de totale produksjonskostnadene. Les mer om forebyggende vedlikehold

Sammendrag

Design for Manufacturing i sprøytestøping handler om å sikre at delens geometri og de fysiske kravene i produksjonsprosessen er i samsvar med hverandre. Utkastvinkler, veggtykkelser, skillelinjer, underskjæringer og plassering av porten er alle parametere som må tas aktivt hensyn til i designfasen.

Deler som ikke er DfM-optimaliserte produseres ofte med kompromisser i kvalitet, syklustid eller vedlikeholdskrav. Deler som er gjennomtenkt fra starten av gir mer forutsigbar og stabil produksjon gjennom hele verktøyets levetid .