Мастер литья под давлением:основы, применение и советы по дизайну

ПОДЕЛИТЬСЯ ЭТОЙ СТАТЬЕЙ

В этом руководстве вы найдете все, что вам нужно знать о литье под давлением. Освойте основные принципы этой технологии и быстро изучите практические советы по дизайну, которые сэкономят вам время и расходы.

Часть 1

Основы литья под давлением

Что такое литье под давлением? Как это работает и для чего используется?

В этом разделе мы отвечаем на эти вопросы и покажем вам типичные примеры деталей, отлитых под давлением, чтобы помочь вам ознакомиться с базовой механикой и применением этой технологии.

Что такое литье под давлением?

Литье под давлением — это технология производства для массового производства. из одинаковых пластмассовых деталей с хорошими допусками. При литье под давлением полимерные гранулы сначала плавятся, а затем впрыскиваются под давлением в форму, где жидкий пластик охлаждается и затвердевает. Материалы, используемые при литье под давлением, представляют собой термопластичные полимеры, которые можно окрашивать или наполнять другими добавками.

Почти каждая пластиковая деталь вокруг вас производился методом литья под давлением:от автомобильных деталей до электронных корпусов и кухонной техники.

Литье под давлением настолько популярно из-за крайне низкой стоимости единицы. при производстве больших объемов . Литье под давлением обеспечивает высокую повторяемость. и хорошая гибкость дизайна . Основные ограничения в области литья под давлением обычно сводятся к экономическим соображениям, таким как высокие первоначальные инвестиции. для формы требуется. Кроме того, время выполнения от проектирования до производства идет медленно (минимум 4 недели).

Процесс литья под давлением

Сегодня литье под давлением широко используется как для потребительских товаров, так и для инженерных целей. Почти каждый пластиковый предмет вокруг вас был изготовлен методом литья под давлением. Это связано с тем, что эта технология позволяет производить идентичные детали в очень больших объемах. (обычно от 1000 до 100 000+ единиц) по очень низкой цене за деталь (обычно 1–5 долларов США за единицу).

Но по сравнению с другими технологиями начальные затраты литья под давлением относительно высоки, главным образом потому, что необходимы специальные инструменты. Пресс-форма может стоить от 3000 до 100 000 и более долларов, в зависимости от ее сложности, материала (алюминий или сталь) и точности (прототип, пилотная или полномасштабная производственная форма).

Все термопластические материалы могут быть отлиты под давлением. Некоторые типы силикона и других термореактивных смол также совместимы с процессом литья под давлением. Наиболее часто используемые материалы при литье под давлением:

• Полипропилен (ПП): ~38 % мирового производства.
• АБС: ~27 % мирового производства.
• Полиэтилен (ПЭ): ~15 % мирового производства.
• Полистирол (ПС): ~8 % мирового производства.

Даже если принять во внимание все остальные возможные технологии производства, на литье только с использованием этих четырех материалов приходится более 40%. всех пластиковых деталей, производимых в мире каждый год!

Краткая история литья под давлением

Пластик заменяет слоновую кость

В 1869 году Джон Уэсли Хаятт изобрел целлулоид, первый практичный искусственный пластик, призванный заменить слоновую кость при производстве… бильярдных шаров! Первые машины для литья под давлением использовали цилиндр для нагрева пластика и поршень для впрыска его в форму.

Революционное изобретение

В середине 1950-х годов изобретение возвратно-поступательного шнека произвело революцию в индустрии пластмасс. Возвратно-поступательный винт решил ключевые проблемы с неравномерным нагревом пластика, с которыми сталкивались предыдущие системы, и открыл новые горизонты массового производства пластиковых деталей.

Литье под давлением сегодня

Сегодня рынок литья под давлением составляет 300 миллиардов долларов. Ежегодно во всем мире методом литья под давлением производится более 5 миллионов метрических тонн пластиковых деталей. В последнее время спрос на биоразлагаемые материалы растет по экологическим причинам.

Машины для литья под давлением:как они работают?

Термопластавтомат состоит из трех основных частей:инжекционный блок. , форма - сердце всего процесса - и блок зажима/выталкивателя .

В этом разделе мы рассмотрим назначение каждой из этих систем и то, как их основные механизмы работы влияют на конечный результат процесса литья под давлением.

Посмотрите видео, как работает большая машина для литья под давлением и производит 72 пробки для бутылок каждые 3 секунды:

Инжекционный блок

Задача инжекционного блока – расплавить сырой пластик и направить его в форму. Он состоит из бункера. , бочка и поступательно-поступательный винт .

Вот как работает процесс литья под давлением:

1. Гранулы полимера сначала сушат и помещают в бункер, где они смешиваются с красящим пигментом или другими армирующими добавками.
2. Гранулы подаются в цилиндр, где они одновременно нагреваются, перемешиваются и перемещаются к форме с помощью шнека с переменным шагом. Геометрия шнека и цилиндра оптимизирована, чтобы помочь создать давление до нужного уровня и расплавить материал.
3. Затем плунжер движется вперед, и расплавленный пластик впрыскивается в форму через систему направляющих, где он заполняет всю полость. По мере остывания материал вновь затвердевает и принимает форму формы.
4. Наконец, форма открывается, и уже твердая деталь выталкивается выталкивающими штифтами. Затем форма закрывается, и процесс повторяется.

   Весь процесс можно повторить очень быстро:цикл занимает примерно от 30 до 90 секунд. в зависимости от размера детали.

   После извлечения детали она распределяется по конвейерной ленте или в контейнере для хранения. Обычно детали, отлитые под давлением, сразу готовы к использованию и практически не требуют последующей обработки.

Изготовление формы

Пресс-форма похожа на негатив фотографии:ее геометрия и текстура поверхности непосредственно передаются на отлитую деталь.

Обычно это составляет большую часть начальных затрат при литье под давлением:стоимость типичной формы начинается примерно с 2000–5000 долларов США для простой геометрии и относительно небольших производственных партий (1000–10 000 единиц) и может достигать 100 000 долларов США для форм, оптимизированных для полномасштабных производственных заказов (100 000 единиц и более).

Это связано с высоким уровнем знаний, необходимых для разработки и изготовления высококачественной пресс-формы, позволяющей точно производить тысячи (или сотни тысяч) деталей.

Формы обычно изготавливаются на станках с ЧПУ из алюминия или инструментальной стали, а затем доведена до требуемого стандарта. Помимо недостатков детали, у них есть и другие особенности, такие как система направляющих, которая облегчает подачу материала в форму, и внутренние каналы водяного охлаждения, которые помогают и ускоряют охлаждение детали.

Узнайте больше об обработке на станках с ЧПУ в руководстве по производству и проектированию →

Последние достижения в области материалов для 3D-печати позволили производить пресс-формы, подходящие для мелкосерийного литья под давлением (100 деталей или меньше), за небольшую часть стоимости. В прошлом такие небольшие объемы были экономически нецелесообразны из-за очень высокой стоимости изготовления традиционных форм.

*Промышленная конструкция пресс-формы для производства пластиковых деталей в количестве десятков тысяч деталей. Полость показана слева, а ядро справа.*

Анатомия плесени

Самая простая форма – это форма с прямым вытягиванием. Он состоит из двух половин:полости. (лицевая сторона) и сердцевина (задняя сторона).

В большинстве случаев используются формы с прямым вытягиванием. являются предпочтительными, поскольку их просто спроектировать и изготовить, а общая стоимость остается относительно низкой. Однако существуют некоторые ограничения при проектировании:деталь должна иметь двухмерную геометрию с каждой стороны и не иметь выступов (т. е. областей, которые не поддерживаются снизу).

Если требуется более сложная геометрия, используйте выдвижные сердечники бокового действия. или другие вставки.

Стержни бокового действия — это подвижные элементы, которые входят в форму сверху или снизу и используются для изготовления деталей со свесами (например, полости или отверстия). Однако побочные действия следует использовать с осторожностью, поскольку их стоимость быстро возрастает.

Интересный факт: Около 50% типичного цикла литья под давлением посвящено охлаждению и затвердеванию. Минимизация толщины конструкции — ключ к ускорению этого этапа и сокращению затрат.

Две стороны формы:сторона A и сторона B

Детали, отлитые под давлением, имеют две стороны:сторону A, обращенную к полости (передняя половина формы), и сторону B, обращенную к сердечнику (задняя половина формы). Эти две стороны обычно служат разным целям:

• Сторона А обычно имеет лучший внешний вид и часто называется косметической стороной. . Грани на стороне A будут гладкими или текстурированными в соответствии с вашими требованиями к дизайну.


• Сторона Б обычно содержит скрытые (но очень важные) конструктивные элементы детали (выступы, ребра, защелки и т.п.). По этой причине ее называют функциональной стороной. . Сторона B часто имеет более грубую поверхность и видимые следы от выталкивающих штифтов.

Впрыск материала в форму:направляющая система

Система бегунов Это канал, который направляет расплавленный пластик в полость формы. Он контролирует поток и давление. с помощью которого жидкий пластик впрыскивается в полость и после выброса удаляется (отщелкивается). Система направляющих обычно состоит из 3 основных секций:

• Литник — это основной канал, по которому первоначально протекает весь расплавленный пластик при попадании в форму.
• бегун распределяет расплавленный пластик вдоль поверхности, где встречаются две половинки формы, и соединяет отвод с воротами. Может быть один или несколько направляющих, направляющих материал к одной или нескольким частям. После выброса направляющая система отрезается от детали. Это единственный материал отходов при литье под давлением, 15-30% из которых можно переработать и использовать повторно.
• ворота (является точкой входа материала в полость формы. Ее геометрия и расположение важны, так как определяют течение пластика.

Различные типы ворот подходят для разных целей. При литье под давлением используются 4 типа литников:

• Крайовые ворота впрыскивают материал на линию разъема двух половин формы и являются наиболее распространенным типом ворот. Позже литниковую систему придется снимать вручную, в результате чего в точке впрыска остается небольшой дефект.
• Ворота туннеля введите материал ниже линии разъема. Система направляющих отщелкивается при извлечении детали из формы, что устраняет необходимость снятия детали вручную. Это делает этот тип ворот идеальным для очень больших объемов.
• Почтовые ворота впрыскивайте материал с обратной стороны полости, скрывая небольшие дефекты, оставшиеся после взлома других типов ворот. Эти ворота используются для деталей, требующих отличного внешнего вида.
• Полезные советы напрямую соединены с отводом и впрыскивают пластик с верхней стороны детали. При этом в системе направляющих материал не тратится зря, что делает их идеальными для крупномасштабного производства, но в точке впрыска будет видна ямочка.

Остаток

В месте соединения системы направляющих с деталью обычно виден небольшой дефект, называемый рудиментом.

Если наличие рудимента нежелательно в эстетических целях, то его можно «спрятать» и в функциональной Б-стороне детали.

Система зажима и выброса

На дальней стороне термопластавтомата находится система зажима. Зажимная система имеет двойное назначение:она удерживает две части формы плотно закрытыми во время впрыска и выталкивает деталь из формы после ее открытия.

После того, как деталь выброшена, она падает на конвейер или ведро для хранения, и цикл начинается заново.

Однако выравнивание различных движущихся частей формы никогда не бывает идеальным. Это приводит к появлению двух распространенных дефектов, которые видны почти на каждой детали, отлитой под давлением:

<ли>

Линии разделения которые видны на той стороне детали, где встречаются две половинки формы. Они вызваны небольшими перекосами и слегка закругленными краями формы.

<ли>

Знаки выталкивателя (или свидетеля) которые видны на скрытой стороне B детали. Они возникают из-за того, что штифты выталкивателей слегка выступают над поверхностью формы или вдавлены под нее.

 На изображении ниже показана форма, используемая для изготовления обеих сторон корпуса пульта дистанционного управления. Быстрый тест:попытайтесь найти *сердцевину* (сторона A), *полость* (сторона B), систему направляющих. , выталкиватели , ядро побочных действий и вентиляционные отверстия на этой форме.

Преимущества и ограничения литья под давлением

Литье под давлением – это устоявшаяся технология производства с давней историей, однако она постоянно совершенствуется и совершенствуется с помощью новых технологических достижений.

Ниже приводится краткое изложение основных преимуществ и недостатков литья под давлением, которое поможет вам понять, подходит ли это решение для вашего применения.

Преимущества литья под давлением

Крупносерийное производство пластмасс

Литье под давлением является наиболее экономически конкурентоспособной технологией производства одинаковых пластиковых деталей в больших объемах. После создания формы и настройки машины дополнительные детали можно изготовить очень быстро и с очень низкими затратами.

Рекомендуемый минимальный объем производства для литья под давлением составляет 500 единиц. На этом этапе начинает проявляться эффект масштаба, и относительно высокие первоначальные затраты на оснастку оказывают менее заметное влияние на цену единицы продукции.

Широкий выбор материалов

Почти любой термопластичный материал (а также некоторые реактопласты и силиконы) можно подвергать литью под давлением. Это дает очень широкий спектр доступных материалов с разнообразными физическими свойствами для проектирования.

Детали, изготовленные методом литья под давлением, имеют очень хорошие физические свойства. Их свойства можно регулировать, используя добавки (например, стекловолокно) или смешивая различные гранулы (например, смеси ПК/АБС) для достижения желаемого уровня прочности, жесткости или ударопрочности.

Очень высокая производительность

Типичный цикл литья под давлением длится от 15 до 60 секунд, в зависимости от размера детали и сложности формы. Для сравнения, обработка на станке с ЧПУ или 3D-печать могут потребовать от нескольких минут до часов, чтобы создать ту же геометрию. Кроме того, в одной форме можно разместить несколько деталей, что еще больше увеличивает производственные возможности этого производственного процесса.

Это означает, что каждый час можно производить сотни (или даже тысячи) одинаковых деталей.

Отличная повторяемость и допуски

Процесс литья под давлением имеет высокую повторяемость, а изготавливаемые детали практически идентичны. Конечно, со временем пресс-форма изнашивается, но типичная пилотная алюминиевая форма прослужит от 5000 до 10 000 циклов, тогда как полномасштабные производственные формы из инструментальной стали могут выдержать более 100 000 циклов.

Обычно методом литья под давлением производятся детали с допусками ± 0,500 мм (0,020 дюйма). В определенных обстоятельствах также возможны более жесткие допуски до ± 0,125 мм (0,005 дюйма). Такого уровня точности достаточно для большинства приложений и сравнимо как с обработкой на станке с ЧПУ, так и с 3D-печатью.

Отличный внешний вид

Ключевым преимуществом литья под давлением является то, что с его помощью можно производить готовые изделия, практически не нуждающиеся в дополнительной отделке. Поверхности формы можно очень сильно отполировать для создания зеркальных деталей. Или их можно подвергнуть дробеструйной очистке для создания текстурированных поверхностей. Стандарты SPI определяют уровень отделки, которого можно достичь.

Получить рекомендации по совместимости материалов и отделки →

Ограничения литья под давлением

Высокие начальные затраты на инструменты

Основным экономическим ограничением литья под давлением является высокая стоимость оснастки. Поскольку для каждой геометрии необходимо изготавливать специальную форму, начальные затраты очень высоки. В основном это связано с разработкой и изготовлением формы, стоимость которой обычно составляет от 5000 до 100 000 долларов. По этой причине литье под давлением экономически целесообразно только для производств объемом более 500 единиц.

Изменения конструкции обходятся дорого

После изготовления формы ее модификация обходится очень дорого. Изменения конструкции обычно требуют создания новой формы с нуля. По этой причине очень важно правильно спроектировать деталь для литья под давлением.

В части 2 мы перечисляем наиболее важные аспекты проектирования, которые следует учитывать при проектировании изделий для литья под давлением. В пятой части мы также увидим, как можно снизить риск, создавая физические прототипы своих деталей.

Более длительное время выполнения, чем у других технологий

Типичный срок выполнения работ по литью под давлением варьируется от 6 до 10 недель. 4-6 недель на изготовление формы плюс еще 2-4 недели на изготовление и доставку. Если требуются изменения в конструкции (что довольно распространено), время выполнения работ соответственно увеличивается.

Для сравнения, детали, изготовленные на настольном 3D-принтере, могут быть готовы к доставке в одночасье, тогда как для промышленных систем 3D-печати типичное время выполнения заказа составляет 3–5 дней. Детали, обработанные на станке с ЧПУ, обычно доставляются в течение 10 дней или в течение 5 дней.

Примеры изделий, изготовленных методом литья под давлением

Если вы посмотрите вокруг прямо сейчас, вы увидите как минимум несколько изделий, изготовленных методом литья под давлением. Вероятно, вы сейчас смотрите на одно из них:корпус устройства, которое вы используете для чтения этого руководства.

Чтобы распознать их, обратите внимание на эти три вещи:разделительная линия. , следы на скрытой стороне и относительно равномерной толщины стенок. по всей части.

Мы собрали несколько примеров продуктов, которые обычно производятся методом литья под давлением, чтобы лучше понять, чего можно достичь с помощью этого производственного процесса.

Игрушки

Упаковка

Миниатюры

Автомобильная промышленность

Электрика

Здравоохранение

Кирпичики Лего

Кирпичи Lego — один из самых узнаваемых примеров деталей, отлитых под давлением. Их изготавливают с использованием форм, подобных той, что на картинке, в которой было изготовлено 120 миллионов лего-кирпичиков (это 15 миллионов циклов), прежде чем его вывели из эксплуатации.

Материалом, используемым для изготовления кубиков Lego, является АБС-пластик из-за его высокой ударопрочности и отличной пластичности. Каждый кирпичик был спроектирован до совершенства, с точностью до 10 микрометров (или десятой части человеческого волоса).

Частично это достигается за счет использования лучших практик проектирования, которые мы рассмотрим в следующем разделе (равномерная толщина стенок, углы уклона, ребра, тисненый текст и т. д.).

Списанная форма для кирпичей Lego

Крышки для бутылок

Многие пластиковые упаковочные изделия изготавливаются методом литья под давлением. Фактически, упаковка — это крупнейший рынок литья под давлением.

Например, крышки для бутылок отливаются из полипропилена. Полипропилен (ПП) обладает превосходной химической стойкостью и пригоден для контакта с пищевыми продуктами.

На крышках бутылок также можно увидеть все типичные неизбежные дефекты литья под давлением (линии разъема, следы выталкивателя и т. д.) и общие конструктивные особенности (ребра, подрезы и т. д.).

Модели самолетов

Модели самолетов — еще один распространенный пример деталей, отлитых под давлением. Используемый здесь материал в основном представляет собой полистирол (ПС) из-за его низкой стоимости и простоты формования.

Что интересно в комплектах моделей самолетов, так это то, что они поставляются с прикрепленной системой направляющих. Итак, вы можете увидеть путь, по которому расплавленный пластик заполнил пустую форму.

Автомобильные детали

Почти каждая пластиковая деталь в салоне автомобиля была отлита под давлением. Тремя наиболее распространенными материалами для литья под давлением, используемыми в автомобильной промышленности, являются полипропилен (ПП) для некритических деталей, ПВХ из-за его хорошей атмосферостойкости и АБС-пластик из-за его высокой ударной прочности.

Более половины пластиковых деталей автомобиля изготовлены из одного из этих материалов, включая бамперы, внутренние части кузова и приборные панели.

Бытовая электроника

Корпуса почти всех массовых потребительских электронных устройств были отлиты под давлением. Здесь предпочтение отдается АБС и полистиролу (ПС) из-за их превосходной ударопрочности и хорошей электроизоляции.

Медицинские приборы

Для литья под давлением доступно множество стерилизуемых и биосовместимых материалов.

Медицинский силикон — один из наиболее популярных материалов в медицинской промышленности. Однако силикон является термореактивным материалом, поэтому требуется специальное оборудование и контроль процесса, что увеличивает стоимость.

Для применений с менее строгими требованиями чаще используются другие материалы, такие как АБС, полипропилен (ПП) и полиэтилен (ПЭ).

Подробнее о производстве медицинского оборудования →

Часть 2

Существует несколько факторов, которые могут повлиять на качество. конечного продукта и повторяемость процесса. Чтобы получить все преимущества от процесса, дизайнер должен следовать определенным правилам проектирования.

В этом разделе мы описываем распространенные дефекты литья под давлением, а также основные и расширенные рекомендации. которым следует следовать при проектировании деталей, включая рекомендации по минимизации затрат.

Распространенные дефекты литья под давлением

Большинство дефектов при литье под давлением связано либо с растеканием расплавленного материала, либо с неравномерной скоростью его охлаждения при затвердевании.

Вот список дефектов, которые следует учитывать при проектировании детали для литья под давлением. В следующем разделе мы увидим, как можно избежать каждого из них, следуя передовым практикам проектирования.

Деформация

Когда некоторые секции остывают (и, как следствие, сжимаются) быстрее, чем другие, деталь может постоянно изгибаться из-за внутренних напряжений.

Детали с непостоянной толщиной стенок наиболее склонны к короблению.

Знаки погружения

Когда внутренняя часть детали затвердевает раньше, чем ее поверхность, на плоской поверхности может появиться небольшая выемка, называемая впадиной.

Детали с толстыми стенками или плохо спроектированными ребрами наиболее подвержены проседанию.

Перетаскивание меток

Когда пластик сжимается, он оказывает давление на форму. Во время выталкивания стенки детали будут скользить и царапать форму, что может привести к образованию следов от перетаскивания.

Детали с вертикальными стенками (и без угла уклона) наиболее подвержены образованию следов от перетаскивания.

Вяжем линии

Когда встречаются два потока, могут появиться небольшие изменения цвета, похожие на волосы. Эти линии вязания влияют на эстетику детали, но также обычно снижают прочность детали.

Детали с резкими изменениями геометрии или отверстиями более склонны к сращиванию линий.

Короткие кадры

Захваченный воздух в форме может препятствовать потоку материала во время впрыска, что приводит к получению неполной детали. Хороший дизайн может улучшить текучесть расплавленного пластика.

Детали с очень тонкими стенками или плохо спроектированными ребрами более склонны к коротким ударам.

Устранение подрезов

Самая простая форма (прямая форма) состоит из двух половин. Однако детали с подрезами (например, зубцы резьбы или крючок защелкивающегося соединения) не могут быть изготовлены с помощью формы с прямым вытягиванием. Это происходит либо потому, что пресс-форму невозможно обработать на станке с ЧПУ, либо из-за того, что материал мешает выталкиванию детали.

Подрезы при литье под давлением — это элементы детали, которые невозможно изготовить с помощью простой двухдетальной формы, поскольку материал мешает во время открытия формы или во время выталкивания.

Зубцы резьбы или крючок защелкивающегося соединения являются примерами подрезов.

Вот несколько идей, которые помогут вам справиться с подрезами:

Избегайте подрезов с помощью запорных устройств

лучшим вариантом может быть полный отказ от подрезов. . Подрезы всегда увеличивают стоимость, сложность и требования к обслуживанию формы. Умный редизайн часто позволяет устранить недостатки.

Отсечки – это полезный прием для устранения поднутрений во внутренних областях детали (для защелкивания) или на боковых сторонах детали (для отверстий или ручек).

Ниже приведены несколько примеров того, как можно перепроектировать детали, отлитые под давлением, чтобы избежать подрезов:по сути, материал удаляется в области под подрезом, что полностью устраняет проблему.

Переместить линию разделения

Самый простой способ справиться с подрезом — переместить линию разъема формы так, чтобы она пересекалась с ней.

Такое решение подходит для многих конструкций с подрезами на внешней поверхности. Не забудьте соответствующим образом отрегулировать углы уклона.

Используйте подрезы (выступы)

Подрезы для зачистки (также известные как выступы) можно использовать, когда элемент достаточно гибкий, чтобы деформироваться по форме во время выталкивания. . Для изготовления резьбы в бутылочных крышках используются зачистные подрезы.

Подрезы можно использовать только при следующих условиях:

• Подрез для зачистки должен располагаться вдали от элементов жесткости , например углы и ребра.
• Подрез должен иметь угол захода от 30° до 45° градусов.
• Деталь, отлитая под давлением, должна иметь пространство и должен быть гибким достаточно, чтобы расширяться и деформироваться.

Рекомендуется избегать зачистки подрезов в деталях из армированного волокном пластика. Обычно гибкий пластик такие как ПП, ПЭВП или нейлон (ПА), допускают подрезы до 5 % их диаметра.

*Пример детали с зачистными подрезами. Деталь деформируется при выталкивании из формы.*

Скользящие побочные действия и основные элементы

Скользящие боковые элементы и стержни используются, когда невозможно перепроектировать отлитую под давлением деталь, чтобы избежать подрезов.

Сердечники бокового действия — это вставки. которые вставляются при закрытии формы и выдвигаются до ее открытия. Имейте в виду, что эти механизмы увеличивают стоимость и сложность. по форме.

Следуйте этим рекомендациям при разработке побочных действий:

• Необходимо пространство для перемещения ядра . Это означает, что элемент должен находиться на другой стороне детали.
• Побочные действия должны перемещаться перпендикулярно . Перемещение под углом, отличным от 90 °, является более сложным, что увеличивает стоимость и время выполнения заказа.
• Не забудьте добавить углы уклона в соответствии с вашим дизайном, как обычно, с учетом движения ядра бокового действия.

Общие особенности дизайна

Узнайте, как спроектировать наиболее распространенные элементы, встречающиеся в деталях, отлитых под давлением, с помощью этих практических рекомендаций. Используйте их, чтобы улучшить функциональность ваших проектов, сохраняя при этом основные правила дизайна.

Резьбовые крепления (бобышки и вставки)

Существует три способа добавления крепежа к отлитой под давлением детали:путем создания резьбы непосредственно на детали, добавления выступа, к которому можно прикрепить винт, или включения резьбовой вставки.

Моделирование резьбы непосредственно на детали возможно, но не рекомендуется, так как зубцы резьбы по сути представляют собой подрезы, что резко увеличивает сложность и стоимость формы (подробнее о подрезах мы поговорим в следующем разделе). Примером детали с резьбой, полученной литьем под давлением, являются крышки для бутылок.

Боссы

Бобышки очень распространены в деталях, отлитых под давлением, и используются в качестве точек для крепления или сборки. . Они состоят из цилиндрических выступов с отверстиями, предназначенными для установки винтов, резьбовых вставок или других крепежных и сборочных приспособлений. Лучше всего представить себе начальника как ребро, которое закрывается само по себе. по кругу.

Бобышки используются в качестве точек крепления или крепления (совместно с саморезами). крючки или резьбовые вставки).

*Рекомендуемый дизайн босса*

Когда бобышки используются в качестве __точек крепления__, внешний диаметр бобышки должен быть в два раза больше номинального диаметра винта или вставки, а его внутренний диаметр равен диаметру сердечника винта. Отверстие бобышки должно доходить до уровня основания и стены, даже если для сборки не требуется полная глубина, чтобы обеспечить __одинаковую толщину стенки__ по всему элементу. Добавьте фаску для облегчения установки винта или вставки.

__Для достижения наилучших результатов:__

Избегайте создания боссов, которые сливаются с основными стенами.

Поддержите выступы ребрами или соедините их с капитальной стеной

Для бобышек со вставками используйте внешний диаметр, равный 2 номинальным размерам вставки

Темы

Металлические резьбовые вставки Может быть добавлен к пластиковым деталям, отлитым под давлением, чтобы обеспечить прочное резьбовое отверстие для крепежных элементов, таких как крепежные винты. Преимущество использования вставок заключается в том, что они допускают много циклов сборки и разборки. .

Вставки устанавливаются в детали, отлитые под давлением, посредством термической, ультразвуковой или вплавленной вставки. Чтобы спроектировать бобышку, в которую будет вставлена резьбовая вставка, используйте те же рекомендации, что и выше, используя диаметр вставки в качестве ориентировочного размера.

*Резьбовая вставка, помещенная в бобышку*

__Для достижения наилучших результатов:__

Не добавляйте резьбу непосредственно на отлитую деталь

Спроектируйте бобышки с наружным диаметром, равным 2 номинальным диаметрам винта или вставки

Добавьте рельеф 0,8 мм по краям резьбы

Используйте резьбу с шагом более 0,8 мм (32 витка на дюйм)

Используйте трапециевидную или контрфорсную резьбу

Лучший способ справиться с образовавшимися подрезами:

Используйте резьбу с шагом более 0,8 мм (32 витка на дюйм)

Для внешней резьбы размещайте ее по линии разъема

Ребрышки

Когда даже максимальной рекомендуемой толщины стенки недостаточно для удовлетворения функциональных требований детали, можно использовать ребра для повышения ее жесткости.

При проектировании ребер:

● Используйте толщину, равную 0,5 × толщине основной стены.

● Определите высоту, меньшую, чем 3 × толщина ребра.

● Используйте базовое скругление с радиусом, превышающим ¼ × толщины ребра.

● Добавьте угол уклона не менее 0,25 – 0,5 °.

● Добавьте мин. расстояние между ребрами и стенками 4 × толщина ребра

Защелкивающиеся соединения

Защелкивающиеся соединения – это очень простой, экономичный и быстрый способ соединения двух деталей без крепежа и инструментов. . A wide range of design possibilities exists for snap-fit joints.

As a rule of thumb, the deflection of a snap-fit joint mainly depends on its length and the permissible force that can be applied on it on its width (since its thickness is more or less defined by the wall thickness of the part). Also, snap-fit joints are another example of undercuts.

*Example of an assembly with snap-fit joints*

In the example above, the most common snap-fit joint design (known as the __cantilever snap-fit joint__) is shown. As with ribs, add a draft angle to your snap-fit joints and use a minimum thickness of 0.5x the wall thickness.

Specific guidelines on designing snap-fit joints is a big subject that goes beyond the scope of this article. For more detailed information, please refer to this article from MIT.

For best results:

Add a draft angle to the vertical walls of your snap-fit joints

Design snap-fits with thickness greater than 0.5x the wall thickness

Adjust their width and length to control their deflection and permissible force

Living hinges

Living hinges are thin sections of plastic that connect 2 segments of a part and allow it to flex and bend . Typically these hinges are incorporated in mass-produced containers, such as plastic bottles. A well-designed living hinge can last for up to a million cycles without failure.

The material used to injection mold a living hinge must be flexible. Polypropylene (PP) and Polyethylene (PE) are good choices for consumer application and Nylon (PA) for engineering uses.

A well-designed hinge is shown below. The recommended minimum thickness  of the hinge ranges between 0.20 and 0.35 mm, with higher thicknesses resulting in more durable, but stiffer, parts.

{{img}}

*Example of a living hinge (left) and recommended design dimensions for PP or PE (right)*

Before going to full-scale production, prototype your living hinges using CNC machining or 3D printing to determine the geometry and stiffness that best fits your application. Add generous fillets and design shoulders with a uniform wall thickness as the main body of the part to improve the material flow in the mold and minimize the stresses. Divide hinges longer than 150 mm in two (or more) to improve lifetime.

For detailed guidelines, please refer to this MIT guide.

For best results :

<ли>

Design hinges with a thickness between 0.20 and 0.35 mm

<ли>

Select a flexible material (PP, PE or PA) for parts with living hinges

<ли>

Use shoulders with a thickness equal the thickness of the main wall

<ли>

Add fillets as large as possible

Crush ribs

Crush Ribs are small protruding features that deform to create friction when different components are pushed together, securing their possition.

Crush ribs can be an economical alternative for manufacturing high tolerance holes for tight fits . They are commonly used to house bearings or shafts and other press fit applications.

An example of a part with crush ribs is shown below. Using three crush ribs is recommended to ensure good alignment. The recommended height/radius for each rib is 2 mm . Add a minimum interference of 0.25 mm between the crush rib and the fitted part. Because of the small surface contact with the mold, crush ribs can be designed without a draft angle.

*Example of an crush rib (left) and recommended design dimensions (right)*

__For best results:__

Add a minimum interference of 0.25 mm between crush rib and the component

Do not add a draft angle on the vertical walls of a crush rib

Lettering and symbols

Text is a very common feature that can be useful for logos, labels, warnings, diagrams and instructions, saving the expense of stick-on or painted labels.

When adding text, choose embossed text over engraved text, as it’s easier to CNC machine on the mold and thus more economical.

Also raising the text 0.5 mm above the part surface will ensure that the letters are easy to read. We recommend selecting a bold, rounded font style with uniform line thickness, with a size of 20 points or larger. Some font examples include:Century Gothic Bold, Arial and Verdana.

Use embossed text (0.5 mm height) instead of engraved texted

Use a font with uniform thickness and a minimum font size of 20 points

Align the text perpendicular to the parting line

Use a height (or depth) greater than 0.5 mm

Tolerances

Injection molding typically produces parts with tolerances of ± 0.250 mm (0.010").

Tighter tolerances are feasible in certain circumstances (down to ± 0.125 mm - and even ± 0.025 mm), but they increase the cost drastically.

For small production runs (<10,000 units), consider using a secondary operation (such as drilling) to improve accuracy. This ensures the correct interference of the part with other components or inserts (for example, when using press fits).

Design rules for injection molding

One of the biggest benefits of injection molding is how easily complex geometries can be formed, allowing a single part to serve multiple functions.

Once the mold is manufactured, these complex parts can be reproduced at a very low cost. But changes to the mold design at later stages of development can be very expensive, so achieving the best results on the first time is essential. Follow the guidelines below to avoid the most common defects in injection molding.

Use a constant wall thickness

Use a uniform wall thickness throughout the part (if possible) and avoid thick sections . This is essential as non-uniform walls can lead to warping or the part as the melted material cools down.

If sections of different thickness are required, make the transition as smooth as possible using a chamfer or fillet. This way the material will flow more evenly inside the cavity, ensuring that the whole mold will be fully filled.

Industry Application Best material Why it’s a fit Aerospace Airframes, turbines, fasteners Titanium High strength-to-weight ratio, heat and corrosion resistance Medical Implants, surgical tools Titanium / copper Titanium is biocompatible; copper is antimicrobial (used externally only) Electronics Wiring, PCBs, motors Copper Excellent conductivity and ease of forming HVAC Heat exchangers, radiators Copper Superior thermal conductivity Marine Underwater fasteners, piping Titanium Outstanding corrosion resistance Automotive Exhausts, wiring harnesses Titanium / copper Lightweight strength or conductivity needs Construction Plumbing, cladding Copper Durable, corrosion-resistant, aesthetic

For best results:

Use a uniform wall thickness within the recommended values

When different thickness are required, smoothen the transition using a chamfer or fillet with length that is 3x the difference in thickness

Hollow out thick sections

Thick sections can lead to various defects, including warping and sinking. Limiting the maximum thickness of any section of your design to the recommended values by making them hollow is essential.

To improve the strength of hollow section, use ribs to design structures of equal strength and stiffness but reduced wall thickness. A well-designed part with hollow sections is shown below:

*Hollow thick sections and add ribs to improve stiffness*

Ribs can also be used to improve the stiffness of __horizontal sections__ without increasing their thickness. Remember though that the wall thickness limitations still apply. Exceeding the recommended rib thickness (see below) can result in sink marks.

*The wall thickness limitations still apply for ribs*

For best results:

Hollow out thick sections and use ribs to improve the strength and stiffness of the part

Design ribs with max. thickness equal to 0.5x the wall thickness

Design ribs with max. height equal to 3x the wall thickness

Add smooth transitions

Recommended: 3 × wall thickness difference

Sometimes sections with different wall thicknesses cannot be avoided. In these cases, use a chamfer or fillet to make the transition as smooth as possible.

Similarly, the base of vertical features (like ribs, bosses, snap-fits) must also always be rounded.

Round all edges

The uniform wall thickness limitation also applies to edges and corners:the transition must be as smooth as possible to ensure good material flow.

For interior edges , use a radius of at least 0.5 x the wall thickness . For exterior edges , add a radius equal to the interior radius plus the wall thickness . This way you ensure that the thickness of the walls is constant everywhere (even at the corners).

Adding to this, sharp corners result in stress concentrations which can result in weaker parts.

*Add wide radii to all edges to maintain uniform wall thickness and avoid defects*

For best results:

Add a fillet equal to 0.5x the wall thickness to internal corners

Add a fillet equal to 1.5x the wall thickness to external corners

Add draft angles

To make the ejection of the part from the mold easier, a draft angle must be added to all vertical walls. Walls without a draft angle will have drag marks on their surface, due to the high friction with the mold during ejection.

A minimum draft angle of 2° is recommended. Larger draft angles (up to 5o °) should be used on taller features.

Learn more about the importance of draft angles in this article →

A good rule of thumb is to increase the draft angle by one degree for every 25 mm . For example, add a draft angle of 3o degrees to a feature that is 75 mm tall. Larger draft angle should be used if the part has a textured surface finish . As a rule of thumb, add 1o to 2o extra degrees to the results of the above calculations.

Remember that draft angles are also necessary for ribs. Be aware though that adding an angle will reduce the thickness of the top of the rib, so make sure that your design complies with the recommended minimum wall thickness.

*Add a draft angle (minimum 2o)to all vertical walls*

__For best results:__

Add a minimum draft angle of 2o degrees to all vertical walls

For features taller than 50 mm, increase the draft angle by one degree every 25 mm

For parts with textured surface finish, increase the the draft angle by 1-2o extra degrees

Part 3

Injection molding materials

Injection molding is compatible with a wide range of plastics. In this section, you’ll learn more about the key characteristics of the most popular materials. We’ll also discuss the standard surface finishes that can be applied to injection molded parts.

Materials used for injection molding

All thermoplastics can be injection molded. Some thermosets and liquid silicones are also compatible with the injection molding process.

They can be also reinforced with fibers, rubber particles, minerals or flame retardant agents to modify their physical properties. For example fiberglass can be mixed with the pellets at ratios of 10%, 15% or 30% resulting in parts with higher stiffness.

Polypropylene (PP)

The most common Injection molding plastic. Excellent chemical resistance. Food-safe grades available. Not suitable for mechanical applications.

ABS

Common thermoplastic with high impact resistance, low-cost &low density. Vulnerable to solvents.

Polyethylene (PE)

Lightweight thermoplastic with good impact strength &weather resistance. Suitable for outdoor applications.

Polystyrene (PS)

The Injection molding plastic with the lowest cost. Food-safe grades available. Not suitable for mechanical applications.

Polyurethane (PU)

Thermoplastic with high impact strength and good mechanical properties &hardness. Suitable for molding parts with thick walls.

Nylon (PA 6)

Engineering thermoplastic with excellent mechanical properties and high chemical &abrasion resistance. Susceptible to moisture.

Polycarbonate (PC)

The plastic with the highest impact strength. High thermal resistance, weather resistance &toughness. Can be colored or transparent.

PC/ABS

Blend of two thermoplastics resulting in high impact strength, excellent thermal stability, and high stiffness. Vulnerable to solvents.

POM (Acetal/Delrin)

Engineering thermoplastic with high strength, stiffness &moisture resistance and self-lubricating properties. Relatively prone to warping.

PEEK

High-performance engineering thermoplastic with excellent strength and thermal &chemical resistance. Used to replace metal parts.

Silicone rubber

Thermoset with excellent heat &chemical resistance and customizable shore hardness. Food-safe and medical grade available.

An additive that is commonly used to improve the stiffness of the injection molded parts is fiberglass. The glass fibers can be mixed with the pellets at ratios of 10%, 15% or 30%, resulting in different mechanical properties.

Colorant can be added to the mixture (at a ratio of about 3%) to create a great variety of colored parts. Standard colors include red, green, yellow, blue, black and white and they can be mixed to create different shades.

Surface finishes and SPI standards

Surface finishes can be used to give an injection molded part a certain look or feel. Besides cosmetic purposes surface finishes can also serve technical needs . For example, the average surface roughness (Ra) can dramatically influence the lifetime of sliding parts such as plain bearings.

Injection molded parts are not usually post-processed, but the mold itself can be finished to various degrees.

Keep in mind that rough surfaces increase the friction between the part and the mold during ejection, therefore a larger draft angle is required.

The Society of Plastics Industry (SPI) explains several standard finishing procedures that result in different part surface finishes.

Finish Описание SPI standards* Applications Glossy finish The mold is first smoothed and then polished with a diamond buff, resulting in a mirror-like finish. A-1
A-2
A-3 Suitable for parts that require the smoothest surface finish for cosmetic or functional purposes (Ra less than 0.10 μm). The A-1 finish is suitable for parts with mirror-like finish and lenses. Semi-gloss finish The mold is smoothed with fine grit sandpaper, resulting in a fine surface finish. Б-1
Б-2
B-3 Suitable for parts that require a good visual appearance , but not a high glossy look. Matte finish The mold is smoothed using fine stone powder, removing all machining marks. С-1
С-2
C-3 Suitable for parts with low visual appearance requirements , but machining marks are not acceptable. Textured finish The mold is first smoothed with fine stone powder and then sandblasted, resulting in a textured surface. Д-1
Д-2
D-3 Suitable for parts that require a satin or dull textured surface finish. As-machined finish The mold is finished to the machinist's discretion. Tool marks will be visible. - Suitable for non-cosmetic parts , such industrial or hidden components.

When selecting a glossy surface finish, remember these useful tips:

• A high glossy mold finish is not equivalent to a high glossy finished product. It is significantly subject to other factors such as plastic resin used, molding condition and mold design. For example, ABS will produce parts with a higher glossy surface finish than PP. To find the recommended material and surface finish combination visit the appendix.
• Finer surface finishes require a higher grade material for the mold. To achieve a very fine polish, tool steels with the highest hardness are required. This has an impact on the overall cost (material cost, machining time and post-processing time).

Part 4

Cost reduction tips

Learn more about the main cost drivers in injection molding and actionable design tips that will help you reduce the costs of your project.

Cost drivers in injection molding

The biggest costs in injection molding are:

• Tooling costs determined by the total cost of designing and machining the mold
• Material costs determined by the volume of the material used and its price per kilogram
• Production costs determined by the total time the Injection molding machine is used

Tooling costs are constant (starting at $3,000 and up to $5,000). This cost is independent of the total number of manufactured parts, while the material and production costs are dependent on the production volume.

For smaller productions (1,000 to 10,000 units), the cost of tooling has the greatest impact on the overall cost (approximately 50-70%). So, it’s worthwhile altering your design accordingly to simplify the process of manufacturing of the mold (and its cost).

For larger volumes to full-scale production (10,000 to 100,000+ units), the contribution of the tooling costs to the overall cost is overshadowed by the material and production costs. So, your main design efforts should focus on minimizing both the volume part and the time of the molding cycle.

Here we collected some tips to help you minimize the cost of your Injection molded project.

Tip #1:Stick to the straight-pull mold

Side-action cores and the other in-mold mechanisms can increase the cost of tooling by 15% to 30%. This translates to a minimum additional cost for tooling of approximately $1,000 to $1,500.

In a previous section, we examined ways to deal with undercuts. To keep your production on-budget, avoid using side-action cores and other mechanisms unless absolutely necessary.

Tip #2:Redesign the injection molded part to avoid undercuts

Undercuts always add cost and complexity, as well as maintenance to the mold. A clever redesign can often eliminate undercuts.

Tip #3:Make the injection molded part smaller

Smaller parts can be molded faster resulting in a higher production output, making the cost per part lower. Smaller parts also result in lower material costs and reduce the price of the mold.

Tip #4:Fit multiple parts in one mold

As we saw in a previous section, fitting multiple parts in the same mold is common practice. Usually, 6 to 8 small identical parts can fit in the same mold, essentially reducing the total production time by about 80%.

Parts with different geometries can also fit in the same mold (remember, the model airplane example). This is a great solution for reducing the overall cost of assembly.

Here’s an advanced technique:

In some cases, the main body of 2 parts of an assembly is the same. With some creative design, you can create interlocks points or hinges at symmetrical locations, essentially mirroring the part. This way the same mold can be used to manufacture both halves, cutting the tooling costs in half.

Tip #5:Avoid small details

To manufacture a mold with small details require longer machining and finishing times. Text is an example of this and might even require specialized machining techniques such as electrical discharge machining (EDM) resulting in higher costs.

Tip #6:Use lower grade finishes

Finishes are usually applied to the mold by hand, which can be an expensive process, especially for high-grade finishes. If your part is not for cosmetic use, don’t apply a costly high-grade finish.

Tip #7:Minimize the part volume by reducing wall thickness

Reducing the wall thickness of your part is the best way to minimize the part volume. Not only does it mean less material is used, but also the injection molding cycle is greatly accelerated.

For example, reducing the wall thickness from 3 mm to 2 mm can reduce the cycle time by 50% to 75%.

Thinner walls mean that the mold can be filled quicker. More importantly, parts thinner parts cool and solidify much faster. Remember that about half the injection molding cycle is spent on the solidification of the part while the machine is kept idle.

Care must be taken through to not overly reduce the stiffness of the part which would downgrade its mechanical performance. Ribs in key locations can be used to increase stiffness.

Tip #8:Consider secondary operations

For lower volume productions (less than 1000 parts), it may be more cost effective to use a secondary operation to complete your injection molded parts. For example, you could drill a hole after molding rather than using an expensive mold with side-action cores.

Part 5

Start Injection molding

Once your design ready and optimized for injection molding, what’s next? In this section we’ll take you through the steps needed to start manufacturing with injection molding.

Step 1:Start small and prototype fast

Before you commit to any expensive injection molding tooling, first create and test a functional prototype of your design.

This step is essential for launching a successful product. This way design errors can be identified early, while the cost of change is still low.

There are 3 solutions for prototyping:

1. 3D printing (with SLS, SLA or Material Jetting)
2. CNC machining in plastic
3. Low-run injection molding with 3D printed moldsThese processes can create realistic prototypes for form and function that closely resemble the appearance of the final injection molding product.

Use the information below as a quick comparis on guide to decide which solution is best for your application.

Prototyping with 3D printing

Designs optimized for injection molding can be easily 3D printed

The prototyping solution with the lowest cost and fastest turnaround

Not every injection molding material is available for 3D printing

3D printed parts are 30-50% weaker than injection molded parts

Prototyping with CNC machining

Material properties identical to the injection molded parts

Excellent accuracy and finishing

Design modifications may be need, as different design restrictions apply

More expensive than 3D printing with longer lead time

Prototyping with low-run injection molding

The most realistic prototypes with accurate material properties

The actual process and mold design is simulated

The prototyping solution with the highest cost

Smaller availability than CNC or 3D printing

Step 2 :Make a “pilot run” (500 - 10,000 parts)

With the design finalized, it time to get started with Injection molding with a small pilot run.

The minimum order volume for injection molding is 500 units. For these quantities, the molds are usually CNC machined from aluminum. Aluminum molds are relatively easy to manufacture and low in cost (starting at about $3,000 to $5,000) but can withstand up to 5,000 - 10,000 injection cycles.

At this stage, the typical cost per part varies between $1 and $5, depending on the geometry of your design and the selected material. The typical lead time for such orders is 6-8 weeks.

Don’t get confused by the term “pilot run”. If you only require a few thousand parts, then this would be your final production step.

The parts manufactured with “pilot” aluminum molds have physical properties and accuracy identical to parts manufactured with “full-scale production” tool steel molds.

Step 3 :Scale up production (100,000+ parts)

When producing parts massive quantities of identical parts (from 10,000 to 100,000+ units) then special Injection molding tooling is required.

For these volumes, the molds are CNC machined from tool steel and can withstand millions of Injection molding cycles. They are also equipped with advanced features to maximize production speeds, such as hot-tip gates and intricate cooling channels.

The typical unit cost at this stage varies between a few cents to $1 and the typical lead time is 4 to 6 months, due to the complexity of designing and manufacturing the mold.

Part 6

Useful resources

In this guide we touched on everything you need to get started with injection molding - but there’s plenty more to learn.

Here are the most useful resources on injection molding and other digital manufacturing technologies if you want to delve deeper.

Other guides

Want to learn more about digital manufacturing? There are more technologies to explore:



Какова стоимость литья под давлением? Полное руководство Выбор между 3D-печатью и литьем под давлением:когда использовать каждый метод