castingdesign drafts fi - valuatlasvaluatlas.fi/tietomat/docs/castingdesign_drafts_fi.pdf · −...
TRANSCRIPT
CAE DS – Ruiskuvalukappaleen suunnittelu
Päästöt ‐ 1
Päästöt Tampereen teknillinen yliopisto – Sanna Nykänen
Ruiskuvalettavissa kappaleissa on lähes aina tarpeellista käyttää päästöjä. Päästökulmat helpottavat kappaleen ulostyöntöä muotista. Jos ruiskuvalukappale valmistetaan käyttäen normaalia muotti‐pesää ja keernoja, on muottipesä yleensä kiinteässä muottipuoliskossa ja keerna liittyneenä liikkuvaan muottipuoliskoon. Yleensä muovikappale jää muotin keernapuolelle muottia avatessa. Tähän on kaksi pääasiallista syytä:
− Muovimateriaali kutistuu ja aiheuttaa painetta sekä kitkavoimia keernan ja kappaleen välil‐le.
− Kappale työntyy ulos muottipesästä, johtuen seinämänpaksuuden kutistumisesta. Muotin päästökulmat lisätään yleensä muottipuoliskoon, jossa muottipesä on, koska näin ne helpot‐tavat kappaleen ulostyöntöä muottipesästä muotin avautuessa.
Käyttämällä päästökulmia muotissa muottipesän puolella saavutetaan monia etuja. Ne vähentävät vastapäästöjen ja liukukitkan vaikutusta sekä helpottavat ilman liikkumista, joka tasapainottaa tyhjiöilmiötä avattaessa muottia. Päästökulmien suuruus vaihtelee tyypillisesti asteen murto‐ osista useisiin asteisiin. Päästökulmat ovat riippuvaisia kappaleen syvyydestä, käytetyn muovimateriaalin jäykkyydestä, pinnan liukkaudesta sekä muotin pinnan karheudesta. Kuvassa 1. on esitetty, mitä muottipesän päästökulmalla tarkoitetaan.
Kuva 1: Muottipesän puolella käytettävät päästökulmat helpottavat kappaleen ulostyöntöä muotista. Perustuu Malloy: Plastic part design for injection moulding, s. 89.
On myös mahdollista valmistaa ruiskuvalettuja kappaleita ilman päästöä, mutta tällöin yleensä tarvitaan jonkinlaista erityistä muottitoimintoa, joka vetää muottipesän irti muovikappaleesta muotin auetessa. Esimerkiksi jaetturakenteinen muottipesä on yksi vaihtoehto tähän.
Kun muotti avataan ja kappale työnnetään muottipesästä pois, on se tämän jälkeen irrotettava keernasta. Muovimateriaaleille on tyypillistä kutistua ja puristua keernan ympärille. Tämän vuoksi kappaleen ulostyöntämiseen tarvittavat voimat voivat olla hyvinkin suuret. Suurimmat ulostyöntö‐voimat ovat alkuperäiseen irrotusvastukseen tarvittavat voimat, joihin vaikuttaa mm. materiaalin kutistuma ja moduuli, kitkakerroin, pinnan karheus, kosketuspinnan suuruus sekä käytetty päästö‐kulma.
Keernoissa käytettävät päästökulmat vaihtelevat tyypillisesti 0,25 – 2 ° välillä. Jos käytetyt päästö‐kulmat ovat edellisessä mainittua suuremmat, ne helpottavat vielä enemmän kappaleen ulostyöntöä, mutta niiden vaikutus ruiskuvalettavan kappaleen muotoon on tällöin huomattava. Syy päästökulmien käyttöön keernoissa on sama kuin niiden käyttöön muottipesän puolella Keer‐napuolella käytettävät päästökulmat helpottavat kappaleen ulostyöntöä sekä vähentävät tarvittavia ulostyöntövoimia ja näin helpottavat ulostyöntösysteemin suunnittelua. Usein keernapuolella
CAE DS – Ruiskuvalukappaleen suunnittelu
Päästöt ‐ 2
käytettyjen päästökulmien suuruus on sama kuin muottipesän puolella käytettyjen päästöjen. Onkin suositeltavaa käyttää rinnakkaisia päästöjä, sillä silloin saavutetaan yhtenäiset seinämänpak‐suudet. Kuvassa 2. on esimerkki keernapuolen päästökulmasta.
Kuva 2: Keernapuolen päästökulmia tarvitaan kappaleen irrottamiseen keernasta muotin aukaisemi‐sen jälkeen. Perustuu Malloy: Plastic part design for injection molding, s.89.
Päästökulman johdosta kappale irtoaa keernasta muotin aukaisun jälkeen ja työntövoimien suuruus pienenee nopeasti. Tällainen yhtäkkinen kosketuspinta‐alan pienentyminen helpottaa ilman vir‐tausta keernan ympärille. Se puolestaan tasapainottaa muodostunutta tyhjiöilmiötä. Tämä voi johtaa ruiskuvalukappaleen vahingoittumiseen. Ilmanpoistotappeja ja ilmaläppiä voidaan käyttää suurien ja syvien kappaleiden tapauksessa rikkomaan tyhjiö ja puhaltamaan kappale irti keernasta muotin avauksen jälkeen.
Esimerkki 1. Kuvassa 3. on esimerkki ulkoisesta päästökulmasta. Se on hyvä esimerkki päästökulman käyttökoh‐teesta. Kun käytetään pientä päästökulman arvoa, ulkopinta (muottipinta, jossa kappale muodostuu) vaatii mittatarkkaa viimeistelyä, jotta kappaleen poisto muotista helpottuu.
Kuva 3: Ulkoinen päästökulma. Perustuu Rosato: Injection mol‐ding handbook, s. 602.
Esimerkki 2. Kuvassa 4. on esitetty sisäinen päästökulma. Kuvassa 4. on erottava sisäseinämä, jonka olisi oltava pohjaa vastaan kohtisuora. Tässä tapauksessa päästökulma muodostuisi matalammalle puolelle. Näin lisämateriaalin tarve on vähäistä, huokoisuudet tyven lähellä vähentyvät ja kappaleen sykliai‐ka ei kasva. Myös tässä tapauksessa pystysuorat muottipinnat tarvitsevat hyvän pinnan viimeistelyn.
Kuva 4: Sisäinen päästö. Perustuu Rosato: Injection molding handbook, s. 602.
CAE DS – Ruiskuvalukappaleen suunnittelu
Päästöt ‐ 3
Esimerkit 3. ja 4. Kuvassa 5. on esitetty useiden päästökulmien käyttöä ja kuvassa 6. rinnakkaisten päästöjen käyttöä paksuseinämäisten kappaleiden tapauksessa. Päästökulmia käytettäessä ongelmaksi saattaa muo‐dostua paksujen seinämien syntyminen, jota voidaan helpottaa käyttämällä rinnakkaisia päästökulmia.
Kuva 5: Useiden päästökulmien käyttö kappaleen ulostyönnön helpottami‐seksi. Perustuu Rosato: Injection molding handbook, s. 603.
Kuva 6: Rinnakkaisten päästökulmien käyttäminen paksu‐seinämäisen kappaleen tapauksessa. Perustuu Rosato: Injection molding handbook, s. 603.
Taulukko 1. Päästökulmien suuruksia eri muoveille.
Muovi Päästökulma (°)
Polykarbonaatti (PC) 1 – 2
Polystyreeni (PS) > 0,5
Polysulfoni (PSU) 1 ‐ 2
Polyeetterisulfoni (PES) 1 – 2
Nestekidemuovit (LCP) > 0,5
Polybuteenitereftelaatti (PBT) 1 – 1,5
Polyeteenitereftelaatti (PET) 1 – 1,5
Akryylinitriilibutadieenistyreeni (ABS) > 0,5
Polymetyylimetakrylaatti (PMMA) > 1 – 2
Polyeteeni (PE) > 0,7 – 0,8
Polypropeeni (PP) > 0,7
CAE DS – Ruiskuvalukappaleen suunnittelu
Päästöt ‐ 4
Päästökulmilla on melko suuri vaikutus muovituotteen muotoon. Jokaisessa yksittäisessä ulokkees‐sa, kuten rivoissa, ruuvitorneissa ja reiässä, on käytettävä päästökulmaa. Esimerkkinä rivoissa, päästökulma pitäisi olla molemmin puolin pesää. Hyvänä puolena näissä päästökulmissa on se, että ne helpottavat kappaleen ulostyöntöä. Päästökulmia käytettäessä rivan täyttyminen sulalla on kuitenkin vaikeampaa ja niiden lujittava vaikutus pienenee. Tämän vuoksi käytettyjen päästökul‐mien suuruuden olisi oltava kompromissi kappaleen helpottuneen ulostyönnön ja lujuuden säilymisen välillä.
Jos ruiskuvalettava kappale valmistetaan käyttäen kuvioitua pintaa, tarvitsee se lisää päästöä kap‐paleen ulostyönnön helpottamiseksi. Muottipesät, joissa on satunnainen kuviointi, tarvitsevat 1 – 1,5 ° päästöä/ sivu jokaista 0,025 mm kuvioinnin syvyyttä kohden. Säännölliset muodot, kuten puun syitä jäljittelevä muoto, joka kulkee kohtisuoraan kappaleen ulostyöntösuuntaa vasten, tarvitsevat vielä suurempia päästökulmia. Pintakuvioinnit tehdään yleensä muottipesän puolelle, kappaleen ulkopintaan. Kuvioiduilla keernoilla voidaan tehdä sisäisiä kuviointeja, mutta niiden ulostyöntö on erittäin vaikeaa, sillä muovimateriaali kutistuu tiukasti keernan ympärille. Tässä tapauksessa vielä‐kin suurempien päästökulmien käyttäminen on välttämätöntä.
Vastapäästöllä tarkoitetaan päästöä ”väärään suuntaan” eli suuntaan joka estää ruiskuvaletun kappaleen ulostyöntämistä muotista. Vastapäästö voi olla myös reikä tai syvennys, joka on ainakin osittain yhdensuuntainen muotin jakotason kanssa. Vastapäästöjen käyttöä tulisi harkita tarkkaan ruiskuvalettavissa kappaleissa, sillä niiden käyttäminen on melko vaikeaa. Kappaleet, jotka on valmistettu muovimateriaalista, jonka joustavuus helpottaa suuresti kappaleen ulostyöntöä, ovat vastapäästöjen käytön suhteen poikkeuksia. Vastapäästöjen käyttö nostaa muotin hintaa n. 15 – 30 %.
Vastapäästöjä suunniteltaessa on olemassa muutama perussääntö. Vastapäästön ulkoneva syvyys tulisi olla 2/3 kappaleen seinämän paksuudesta tai vähemmän. Muotin reuna, joka on kappaleessa kiinni, kun kappale työnnetään ulos muotista, on pyöristettävä. Se vähentää leikkausta. Kappaletta ulostyönnettäessä on sen oltava riittävän kuuma, jotta sillä on riittävä venyvyys sekä sen on palau‐duttava sen alkuperäiseen muotoon sen muotista poistamisen jälkeen.
Periaatteessa on mahdotonta vetää ulos kappaleita, joissa on käytetty vastapäästöjä, muottionkalos‐ta muotin auetessa. Tällöin on käytettävä sivuittaissuuntaisia liikkeitä tai jaetturakenteisia pesiä. Kappaleen poistaminen keernan päältä on mahdollista muutaman asteen sisäisellä vastapäästöllä. Tässä vaiheessa muottipesä on sulkeutunut ja kappale voi vääristyä ulospäin sisäisen vastapäästön liukuessa keernan päälle. Sopivan vastapäästön suuruus on riippuvainen mm. vastapäästön muo‐dosta, muovimateriaalin ominaisuuksista ulostyöntölämpötilassa sekä vaadittavista mittatoleransseista. Termoplastiset elastomeerit ovat materiaaliryhmä, joita voidaan ruiskuvalaa käyttäen melko suuriakin vastapäästöjä. Toisaalta jäykistä, lasimaisista polymeereistä valmistetta‐vissa kappaleissa ei voida käyttää suuria vastapäästöjä.
Joissain tapauksissa sisäisiä vastapäästöjä tehdään keernaan, jotta varmistetaan ruiskuvaletun kappaleen jääminen keernan päälle muotin avautuessa. Kappaleet, joissa käytetään sisäisiä vasta‐päästöjä, voidaan valmistaa mittatarkemmiksi. Vastapäästön muoto ja koko eivät rajoitu käytetyn materiaalin elastisuuteen, kun käytetään joitain erikoistoimintoja muotissa vastapäästön irrottami‐seksi. Tällaisia ovat mm. kierremekanismit, irrotettavat insertit, nostimet ja luhistuvat keernat. Kappaleet eivät siis aina irtoa muotista normaalilla ulostyönnöllä. Tämän vuoksi on tarpeellista tehdä muottiin osia, jotka mahdollistavat vastapäästettyjen alueiden sivuttaisliikkumisen. Tämä vaikuttaa seuraavilla tavoilla kappaleen ulkonäköön:
− Muottipuoliskojen välinen raja tulee näkyväksi ruiskuvaletussa kappaleessa − Kappaleeseen syntyy purseita − Muotin lämmönsäätely on vaikeaa johtuen liikkuvien osien tarvitsemista erillisistä jäähdy‐
tysjärjestelmistä.
CAE DS – Ruiskuvalukappaleen suunnittelu
Päästöt ‐ 5
Lähteet
− Järvelä P. et al., Ruiskuvalu, Plastdata, Tampere, 2000. − Rosato et al., Injection Molding Handbook, 3rd ed., Kluwer, 2000. − Malloy, Plastic Part Design for Injection Molding, Hanser Publishers, 1994.