Литье под давлением относится к высокопроизводительным технологическим процессам и может быть использовано для изготовления пластмассовых изделий достаточно сложной геометрической формы. Таким способом могут перерабатываться как термореактивные, так и термопластичные материалы, из которых изготавливаются изделия, удовлетворяющие самым разнообразным требованиям.
При конструировании изделий из пластмасс следует учитывать большое количество эстетических, функциональных и технологических требований. Существует множество способов организации производственного процесса, которые могут быть применены в разработке новых изделий. Исторически сложилось так, что новые изделия проектируются с помощью последовательной технологической подготовки, которая схематически показана на рис. 3.1. Рис. 3.1. Проектирование изделия с помощью «последовательной технологической подготовки производства»
Процесс последовательной технологической подготовки производства начинается с идеи, которую формулируют в отделе маркетинга (1). Там и выдвигаются основные требования к новому продукту. Этот отдел передает проект на следующую стадию разработки в отдел инженерного проектирования (2). Инженеры определяют общую форму и внешний вид изделия, а также оргаполептические свойства его поверхности, и решают вопросы, связанные с эргономикой. Как только получены первые прототипы изделия, их передают в отдел конструирования (3). Здесь осуществляется выбор материалов и тот производственный процесс, который, в конечном счете, будет использоваться для производства. Технологи в своих выводах опираются как на теоретический анализ, так и тестирование прототипа. Следующий этап осуществляют инженеры по изготовлению формующего инструмента (4), которые отвечают одновременно как за се конструкцию, так и за ее изготовление.
Инженеры могут решить, что изделие предложенной геометрической формы трудно или даже невозможно отлить и его конструкция должна быть изменена. Изменения конструкции должны быть согласованы с другими проектными группами (на¬ пример, с технологами, конструкторами изделия и т. д.). Процесс согласования может занять массу времени, поскольку изменение па любой стадии разработки может повлечь цепочку изменений на остальных. Наконец, исправленное изделие достигает финальной стадии — производства (5).
Такой подход к разработке изделия достаточно продуктивен, но он проигрывает по времени и затратам более эффективному подходу «параллельного проектирования». К основным недостаткам последовательного подхода к проектированию относятся его высокая стоимость и большие затраты времени, вызванные изменениями конструкции на последних стадиях проектирования. Ввиду ограниченности контактов между конструкторами формующего инструмента и изделия разработчики на ранних стадиях производственного процесса могут не учитывать фактов, значимых на последующих эта¬ пах разработки, например, того, что «нулевой уклон» влияет на сложность оснастки.
Рис. 3.2. Стоимость и время, связанные с изменениями в конструкции возрастают много¬ кратно к моменту окончательной подготовки изделия к производству
В последние годы процесс последовательной технологической подготовки производства очень часто заменяют технологией параллельного проектирования [1–3]. Концепция параллельного проектирования может быть проиллюстрирована поворотом картинки на рис. 3.1 на 90° и удалением стенок (рис. 3.4). Возможно, наиболее важным аспектом этого метода является то, что процесс разработки становится ориентированным на команду и насыщается эффективными связями между отделами маркетинга, конструирования и производства. Очень часто все эти группы имеют доступ к проектированию на всех стадиях. Например, технолог, который отвечает за производство, может помочь принять оптимальное решение при выборе типа литниковой системы или выборе марки материала (с точки зрения процесса изготовления).
Рис. 3.3. Метод параллельного проектирования позволяет товару быстрее доходить до потребителя и значительно повышает качество товара
Это совершенно невозможно при использовании подхода последовательной технологической подготовки производства, где проблемы производства не принимаются во внимание до изготовления прототипа.
Другим преимуществом параллельного проектирования является возможность одновременной работы конструкторов и технологов. Существует большое количество работы по планированию и инженерной подготовке, которую можно выполнить одновременно. Благодаря технологии параллельной разработки, можно, например, заранее начать заказ стали и других компонентов, необходимых для изготовления формующего инструмента. В результате необходимое оборудование и материалы будут в наличии в тот момент, когда они понадобятся. На рис. 3.3 показано, что можно организовать несколько параллельных и взаимосвязанных производственных потоков [1]. Следовательно, достигается существенная экономия времени по сравнению с последовательным проектированием.
Рис. 3.4. Параллельное проектирование изделия сокращает время разработки, повышает его качество и минимизирует проблемы с эксплуатационными характеристиками
Параллельное проектирование изделия начинается с определения руководителя и подбора членов команды, которые регулярно общаются друг с другом в процессе разработки. Усовершенствованный обмен информацией и параллельные конструкторские потоки ускоряют процесс разработки и повышают общее качество изделия.

Процесс конструирования изделия из пластмассы

Процесс конструирования изделий из пластмассы лучше всего осуществлять по методу параллельного проектирования, но тем не менее этот процесс делится на логически связанные последовательные этапы. Для наглядности рассмотрим основные этапы проектирования изделий:
Этап 1: Определение конечных требований к изделию.
Этап 2: Создание предварительного эскиза.
Этап 3: Предварительный подбор материала.
Этап 4: Конструирование изделия в соответствии со свойствами материала.
Этап 5: Окончательный выбор материалов.
Этап 6: Изменение конструкции с учетом требований производства.
Этап 7: Прототипирование.
Этап 8: Конструирование и изготовление формующего инструмента.
Этап 9: Производство.
Большая часть работ, связанных с проектированием и разработкой изделий на каждом из этих этапов происходит параллельно, но для удобства мы будем рассматривать каждый из них отдельно.

Этап 1 — Определение конечных требований к изделию

Разработка изделия начинается с тщательного определения технических характеристик и требований, предъявляемых потребителем. Поскольку это первый этап раз¬ работки, он является самым важным, так как конструкторы и инженеры будут разрабатывать изделие на основе именно этих технических характеристик. Если заданы не все технические характеристики или они заданы неверно, изделие не будет соответствовать условиям эксплуатации. Технические характеристики — это фундамент конструкторских разработок. Очень важно, чтобы требования потребителя к изделию были бы описаны количественно, а не качественно. Такие определения, как «прочный» или «прозрачный», могут быть истолкованы слишком свободно. Намного лучше сказать, что изделие должно выдерживать удар при падении на бетонный пол с высоты одного метра при температуре окружающего воздуха −20 °С, а его прозрачность должна сохраняться на уровне более 88 % в течение 5 лет, чем просто указать, что изделие должно быть прочным и прозрачным. К сожалению, не всегда удается заранее определить и количественно выразить все требования к изделию, особенно, если существует возможность неправильной его эксплуатации. Когда пластмассовая деталь изготавливается для замены уже существующей, например, металлической, можно использовать опыт, накопленный при ее использовании, но это невозможно при разработке совершенно нового продукта. Обычно следует учитывать механические воздействия, условия окружающей среды, требования к размерам, соответствие стандартам и запросы рынка.
Предварительное рассмотрение факторов, связанных со строением
и с возможным нагружением
Виды нагрузки, их уровень, длительность пребывания в нагруженном состоянии,
частота механических воздействий и т. п. следует зафиксировать в технических требованиях. Необходимо учесть, что изделие может подвергаться нагрузке в процессе сборки, транспортировки, во время хранения и в процессе эксплуатации. Раз¬ работка упаковки для защиты изделия в процессе транспортировки и хранения обычно происходит параллельно с конструированием самого изделия. Конструкторы изделий должны предусмотреть различные случаи — от средних значений на¬ грузок до самых неблагоприятных условий. Возможно, к наиболее трудным решениям относятся те, которые должны соблюсти баланс между надежностью в случае наиболее неблагоприятного сценария и статистически средними нагрузками, при¬ чем с учетом последствий и потерь в случае аварий. Изделия, сконструированные с полной гарантией, что они не выйдут из строя в случае их неправильного исполь¬зования, по всей вероятности, будут очень дорогими; хотя те, которые разработаны без учета ошибок при эксплуатации, могут потребовать высоких затрат на обслуживание. Конструктор должен уделить значительную часть своего внимания надежности, особенно, когда выход изделия из строя может угрожать здоровью и жизни человека.
Предварительный учет факторов, связанных с воздействиями окружающей среды
Поскольку пластмасса очень чувствительна к условиям окружающей среды, важно определить все те условия, в которых будет находиться изделие в процессе эксплуатации: диапазон температур, относительную влажность, химическую агрессивность окружающей среды. Следует учитывать и те условия окружающей среды, которые присутствуют в процессе сборки и хранения. Высокие температуры при эксплуатации изделия могут стать причиной возникновения проблем, связанных с ползучестью и окислением, а низкие температуры могут привести к снижению противоударных свойств. Все требования к используемым реактивам (даже к очистителям бытового назначения и т. п.) должны быть четко определены вместе с возможным воздействием ультрафиолетового облучения (например, при использовании вне помещений). Проблема состоит в том, чтобы точно определить границы наиболее вероятных ошибок при эксплуатации.
Требования к размерам
Соблюдение размеров деталей из пластмасс имеет особенно большое значение, когда они используются в качестве компонентов при сборке изделия. Критические размеры, качество обработки поверхности, плоскостность и аналогичные им пара¬ метры должны быть указаны вместе с реальными значениями допусков.
Следует учитывать, что стоимость изготовления оснастки и затраты на производство изделия во многом зависят от требований к допускам па размеры.
Соответствие техническим условиям/стандартам
Изделия из пластмассы могут использоваться в устройствах, параметры которых строго регулируются. За качеством в этом случае следят специальные организации, которые могут быть созданы как торгово-промышленными ассоциациями, так и государством. Стандартами определяются совершенно разные параметры готового изделия: от свойств материала (марка, горючесть и т. п.) до размеров (фитинги, фиксаторы и т. п.) и эксплуатационных характеристик (например, способность ослаблять электромагнитное излучение). Прототипы изделий часто проходят испытания в соответствующей организации по стандартизации.
Ограничения, накладываемые требованиями рынка (маркетинг)
Существуют также требования, которые формируются потребностями рынка, а также возможностями производства. Все они должны быть сформулированы на начальном этапе разработки изделия. Должны быть указаны и такие параметры, как предполагаемое количество производимых изделий, срок службы (срок замены) и максимальная стоимость изделия. Получив всю информацию, команда разработчиков изделия должна создать конструкцию, которая бы обладала наилучшим соотношением цена/качество. К другим требованиям, которые диктует рынок, относятся эстетические: цвет, размер или форма. Они также должны быть четко определены, причем желательно в количественной форме. Для этой цели может быть полезным изготовление промежуточных моделей (нефункциональных прототипов) в качестве средства для обмена информацией между разработчиками, так как очень трудно количественно сформулировать требования к эстетическим параметрам изделия.

Этап 2 — Создание предварительного эскиза

Как только сформулированы требования к изделию, команда разработчиков изделия может начинать работать с конструкторами изделий по разработке эскизов, отражающих начальную концепцию изделия. Обычно эти эскизы представляют со¬ бой трехмерные виртуальные изображения (3D), получаемые с помощью CAD. Части изделия, которым следует уделить особое внимание, помечены, и имеют отдельные увеличенные изображения. На этом этапе проектирования следует определить, какие параметры и размеры изделия будут оставаться неизменными, а какие можно изменять. К фиксированным параметрам относятся те, которые нельзя изменить с точки зрения конструктора (например, размеры, которые определяются стандартами, и т. п.), а к переменным относятся те, которые не были определены на начальных этапах конструирования. В качестве примера рассмотрим насадки для садовых шлангов (рис. 3.5).
Задачей конструктора является изготовление насадки целиком из пластмассы. Если десяти конструкторам задать одинаковые характеристики изделия и попросить
Рис. 3.5. Пластмасса очень часто используется для замены какого- либо материала. Изделие в центре по своей форме очень близко к металлическому, которое по¬ казано слева от него, а насадка из пласт¬ массы (справа) бы¬ ла разработана при очень незначительном влиянии конструкции из металла их независимо друг от друга сконструировать насадки, то, вероятно, будут представ¬ лены 10 различных конструкций. Однако некоторые элементы у каждой из них будут одинаковыми. Например, внутренние размеры в области, где находится резьба для крепления садового шланга, будут одинаковыми у всех вариантов, поскольку они определяются стандартами. Но другие параметры, к которым относятся общая форма изделия или способ регулировки подачи воды, могут отличаться. Один из вариантов насадки из пластмассы, который показан на рис. 3.5, по виду очень похож на металлический образец (слева). Вероятно конструктор этого изделия из пластмассы находился под влиянием от существующей металлической насадки. С другой стороны, следующее изделие, представленное на рис. 3.5, выполняет ту же основную функцию, но в ней заложены другие принципы управления струей воды. Это изделие имеет совершенно иной внешний вид.
На практике для замены изделия из металла лучше ориентироваться только на технические характеристики изделия, а не копировать существующий аналог. Как только конструктор увидел и оценил функциональные возможности металлического изделия, ему будет сложно избежать искушения просто скопировать существующую конструкцию. Слишком большое внимание к уже существующей конструкции ограничивает творческий и инновационный потенциал разработчика. Кроме того, если перед началом проектирования изучаются конкурентоспособные изделия, возникает опасность нарушения патентов.

Этап 3 — Предварительный подбор материала

Как только были определены требования, предъявляемые к изделию потребителями, конструкторы могут начать поиск марок пластмасс, пригодных для производства. Выбор материала осуществляется путем сравнения свойств подбираемых мате¬ риалов с комплексом свойств конечного изделия. Поскольку существуют буквально тысячи промышленных марок материалов, найти подходящий вариант для конкретного изделия вполне возможно. На начальном этапе рекомендуется выбрать не¬ сколько потенциально пригодных вариантов (возможно от 3 до 6 марок/составов материалов).
Из-за того, что число доступных марок материалов огромно, процесс подбора материала может затянуться. При отборе рекомендуется начинать процесс выбора мате¬ риалов с тех его свойств, которые не могут быть улучшены за счет конструирования. К таким свойствам относятся: КТР, прозрачность, химическая стойкость и темпера¬ тура размягчения. Например, ПЭВП не может быть использован для производства прозрачных упаковок, поскольку он полупрозрачен или вообще светонепроницаем, а ПК не может использоваться для изготовления бензиновых канистр из-за его неустойчивости к гидрокарбонатам.
Использование для отбора материалов перечисленных выше характеристик позволяет относительно легко устранить целые группы материалов, и значительно сократить число потенциально возможных. Процесс выбора материалов можно ускорить, если для изделия не исключается возможность нанесения покрытия на поверхность. Покрытия используются для повышения химической стойкости, износостойкости, устойчивости к ультрафиолетовому облучению и улучшения внешнего вида изделия. При использовании покрытия становится возможным применять материал, который в другом случае был бы совершенно непригоден для данного изделия. Армирующие добавки также могут облегчить процесс выбора материала. Они позволяют изменять некоторые свойства пластмасс путем добавления их в расплав или при составлении смесей (компаундов).
В отличие от рассмотренных выше свойств большинство механических свойств изделий из полимерных материалов могут регулироваться при конструировании. При конструировании пластмассового аналога металлической детали упругость материала играет наиболее важную роль. Одна из проблем заключается в том, что сталь обладает высокой жесткостью и устойчивостью к ударам, а жесткие пластмассы весьма хрупки (армированные стеклопластики обладают высокой жесткостью, но являются хрупкими). Во многих случаях высокие эксплуатационные характеристики достигаются у мало армированных или неармированных марок промышленных полимеров. Такие материалы менее жесткие, некоторым присуща ползучесть. Но в ряде случаев они более ударостойки, и снижение жесткости может быть скомпенсировано за счет геометрии изделия (использование ребер и других элементов).

Этап 4 — Конструирование изделия

На этом этапе проектирования необходимо иметь несколько марок материалов, пригодных для изготовления конкретного изделия. Отличия в свойствах отдельных марок могут привести к различиям в предлагаемых геометрических формах изделия. Например, конструктор выбирает ПЭВП, ПП и ПА 6.6 для изделия, которое должно выдерживать статические нагрузки и воздействие органических растворителей.
Каждый из трех материалов имеет свои эксплуатационные характеристики. Не¬ возможно сделать окончательный выбор (на основе только экономических соображений) до тех пор, пока изделие из всех перечисленных материалов не будет сконструировано, поскольку расход материала и время производственного цикла будут отличаться в каждом отдельном случае. ПА 6.6 — более дорогой материал (из расчета стоимости единицы веса или объема), но уменьшение толщины стенок и сокращение времени производственного цикла могут снизить влияние высокой стоимости исходного сырья.
Изделия, показанные на рис. 3.6, имеют одинаковую жесткость, поскольку момент сопротивления или момент инерции сечения подобраны таким образом, чтобы компенсировать разные значений модуля упругости каждого материала.
Это простой пример того, как геометрические особенности изделия на практике влияют на его эксплуатационные характеристики.
Рис. 3.6. После выбора нескольких материалов, изделия могут быть сконструированы в соответствии со свойствами каждого из них. Толщина стенок будет влиять как на текучесть, так и жесткость изделия.

Этап 5 - Окончательный выбор материала

На этом этапе процесса конструирования следует определить один наиболее пред¬ почтительный материал для производства изделия, оставляя оставшиеся варианты в резерве на случай возникновения неожиданных проблем, которые могут появиться на следующих стадиях разработки (например, в ходе прототипирования или производства изделия). Найти «идеально» подходящий пластмассовый материал вряд ли возможно. Каждый выбор имеет свои преимущества и недостатки. Конструктор может выбрать материал, руководствуясь своим предыдущим опытом. Решения, принятые исключительно исходя из стоимости материала и затрат на производство, не учитывают преимуществ, которые могут возникнуть при переработке или в процессе эксплуатации. Оценив материалы с учетом всех этих характеристик, конструктор должен сделать беспристрастный выбор наилучшего из них. Свойствам или характеристикам, которые играют важную роль, может быть присвоен соответствующий рейтинг.
Рассмотрим три материала: ПП, ПЭВП и ПА 6.6, которые должны выдерживать статические нагружения и быть устойчивы к органическим растворителям.
Отдельные рейтинги, выраженные количественно и связанные с какими-либо свойствами материалов, могут быть в какой-то степени произвольными, но они все же основаны на реальных числовых данных. Эта методика предоставляет собой полу-количественный анализ для выбора наилучшего материала (рис. 3.7).
* 10 — максимальный рейтинг (наилучший), 0 — минимальный рейтинг (наихудший).
** Учитывается как потребление материала (с учетом объема изделия), так и время, необходимое для выполнения одного цикла.
Рис. 3.7. Полуколичественный анализ при выборе материала может привести к неточным результатам.

Этап 6 — Изменение конструкции изделия для производства

После выбора материала и определения начальной конструкции изделия, воз¬ можно некоторое ее изменение с учетом особенностей производства.
Геометрия изделия должна быть разработана с расчетом на изготовление литьем под давлением. Конструкторы должны учитывать то воздействие, какое могут оказывать различные этапы технологического процесса литья под давлением на конструкцию изделия.
Каждый этап литья под давлением, а именно: заполнение формы, уплотнение, выдержка под давлением, охлаждение и выталкивание «предъявляют» свои требования к конструкции (см. главу 2).
Рассмотрим изделие, которое показано па рис. 3.8. Оно было сконструировано с ребрами, предназначенными для «усиления» конструкции в процессе эксплуатации.
Текстура поверхности маскирует технологические дефекты, возникающие в процессе отвода газа
Рис. 3.8. Конструкция должна быть изменена из-за главных и второстепенных требований, выдвигаемых процессом производства (усадка, углы уклона, ускорители потока, и т. д.). Должно быть оценено воздействие этих изменений на эксплуатационные характеристики готового изделия
Изделие должно быть модифицировано за счет закругления углов, что улучшает течение расплава в форме (и уменьшает концентрацию напряжений). Кроме этого, изменение углов уклона облегчает извлечение изделия. Текстурная поверхность улучшит внешний вид изделия, маскируя дефекты, возникающие на противоположных сторонах ребер жесткости из-за усадки материала. Это только некоторые из возможных модификаций конструкции, которые необходимы с точки зрения техно¬ логии производства. После того как они сделаны, должно быть оценено воздействие этих изменений на эксплуатационные характеристики конечного изделия. Изменения в конструкции при изменении углов уклона ребер приводят к отклонениям изделия от начальной формы, к существенным изменениям прогибов и напряжений, возникающих из-за приложения внешних нагрузок в процессе эксплуатации.
Карты контроля конструкции, аналогичные той, которая приведена на рис. 3.9, могут применяться на этапах планирования или при окончательной проверке изделия, чтобы гарантировать, что все аспекты производства и сборки были учтены и проверены.
Эта карта имеет большое практическое значение при работе с изделиями из пластмассы, поскольку существуют проблемы, которые невозможно предсказать заранее (проявление линий спая и прочность в этих местах, коробление, возникновение утяжин и т. д.).

Этап 7 — Прототипирование

Для оценки возможности изготовления и эксплуатационных характеристик данного изделия изготавливается прототип. Прототипирование необходимо, поскольку все процессы по проектированию и оценке эксплуатационных характеристик (напри¬ мер, структурный анализ) до этого момента носили лишь теоретический характер.
Чтобы получить более реалистичные результаты, необходимо отлить прототип изделия из материала, который предполагается использовать. Для изготовления прототипа небольшого размера обычно используется одногнездная литьевая форма, а для больших прототипов — «мягкая» оснастка.
Процесс прототипирования может занять большой период времени и оказаться дорогостоящим, однако лучше заранее просчитать все возможные проблемы, связанные с изготовлением и соответствием заданным эксплуатационным характеристикам. Для минимизации затрат на переделку оснастки следует использовать технологии экономного расхода стали (одногнездные, а не сложные многогнездные формы, «мягкую» оснастку и т. п.). Изготовление прототипа литьем под давлением позволяет проверить инженерные функции и возможность производства изделия, но существуют и другие возможности быстрого прототипирования. Такие прототипы имеют ограниченные функциональные параметры, но пригодны для оценки определенной информации и могут быть получены задолго до изготовления формующего инструмента и более реальных прототипов (см. главу 5).

Этап 8 — Формующий инструмент

Как только прототипы формующего инструмента и изделий оценены и модифицированы, можно начинать предварительное изготовление производственной оснастки. Чтобы сэкономить время, работу по изготовлению формующего инструмента очень часто начинают задолго до этого момента. Далее приступают к начальной стадии производства изделий.

Этап 9 — Производство

Содержание