L'errore dimensionale dei prodotti in plastica deriva principalmente dal restringimento della plastica durante il processo di stampaggio e dall'instabilità di vari fattori che influenzano. In poche parole, si tratta di iniettare la plastica riscaldata e fusa in uno stampo e, dopo il raffreddamento e la modellatura, il suo volume sarà inferiore alla cavità dello stampo. La quantità di riduzione e la fluttuazione del processo determinano insieme la precisione della dimensione finale.
Nello specifico gli errori derivano principalmente dai seguenti aspetti:
La causa principale degli errori dimensionali della plastica risiede innanzitutto nelle proprietà fisiche dei suoi materiali polimerici. Dal riempimento degli stampi ad alta-temperatura alla solidificazione a temperatura ambiente, il volume della plastica fusa inevitabilmente si ridurrà, fenomeno chiamato restringimento dello stampaggio. Non è un valore fisso, ma una variabile influenzata da molteplici fattori.
Comportamento di cristallizzazione ed effetto di orientamento della resina: per le plastiche cristalline come PA66 e POM, le catene molecolari saranno disposte in modo regolare per formare un reticolo durante il raffreddamento e il volume specifico cambierà drasticamente. Il tasso di contrazione è solitamente compreso tra 1,5% e 3,0% e l'ampiezza della fluttuazione è ampia; Le plastiche non cristalline (come ABS e PC) presentano un congelamento disordinato della catena molecolare, un tasso di ritiro inferiore (circa 0,4% ~ 0,8%) e una più semplice garanzia delle dimensioni. Inoltre, durante il riempimento dello stampo fuso, le catene molecolari vengono allungate lungo la direzione del flusso e questo orientamento congelato causerà il rilassamento dello stress dopo la sformatura, con conseguente restringimento incoerente tra la direzione del flusso e la direzione verticale del prodotto, ovvero anisotropia. Questa è la profonda causa interna della deformazione della deformazione del prodotto.
L'influenza dello stato delle materie prime e dei materiali riciclati: il contenuto di umidità delle materie prime può modificare la viscosità del fuso, in particolare per i materiali che assorbono umidità come il PA, dove l'umidità agisce come plastificante e aumenta il tasso di ritiro dallo stampaggio. Allo stesso tempo, l’aggiunta di materiali riciclati modificherà l’indice di fusione a causa della rottura della catena molecolare. Se miscelati in modo non uniforme, le tolleranze dimensionali dello stesso lotto di prodotti risulteranno notevolmente disperse.
2, Produzione e struttura dello stampo: "soffitto fisico" di precisione
La cavità dello stampo è il "master" del prodotto, ma la precisione di fabbricazione e lo stato meccanico del master stesso determinano il limite superiore della dimensione del prodotto.
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Tolleranza e compensazione di lavorazione insufficienti
Ci sono inevitabilmente delle tolleranze di lavorazione meccanica nella produzione degli stampi e, cosa più importante, se il tasso di ritiro non viene preso in considerazione durante la progettazione (ad esempio non si considera l'orientamento delle fibre di vetro o il ritiro post-estrusione), anche se lo stampo viene lavorato a livello micrometrico, il prodotto finale sarà comunque uno scarto con un'enorme deviazione.
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Deformazione rigida e usura
La pressione di iniezione raggiunge spesso decine di megapascal. Se la rigidità dello stampo è insufficiente, la cavità dello stampo subirà un'espansione elastica sotto alta pressione, con conseguente aumento dello spessore della parete del prodotto. Allo stesso tempo, per le plastiche con aggiunta di fibra di vetro (GF), la superficie della cavità dello stampo verrà erosa dalla fusione, con conseguente usura abrasiva. Dopo una produzione a lungo termine-, la dimensione della cavità dello stampo aumenterà e anche lo spessore della parete del prodotto aumenterà di conseguenza. Inoltre, l'usura del meccanismo di guida può causare il disallineamento dello stampo, con conseguenti deviazioni dimensionali geometriche irreversibili.
variabili transitorie del processo
I parametri di processo sono le variabili più attive e che cambiano frequentemente nel processo di stampaggio a iniezione, che determinano direttamente il comportamento del flusso, la velocità di raffreddamento e lo stato di ritiro del materiale fuso nella cavità dello stampo. Tra questi, la sinergia e il gioco di temperatura, pressione e tempo costituiscono le fonti dinamiche degli errori dimensionali.
Il controllo della temperatura attraversa l'intero processo di stampaggio a iniezione, compresa la temperatura del cilindro, la temperatura dell'ugello e la temperatura dello stampo. La temperatura dello stampo è il parametro di temperatura che ha il maggiore impatto sulla precisione dimensionale del prodotto. La temperatura dello stampo controlla direttamente il processo di raffreddamento e modellatura del prodotto. Nel periodo che va dal congelamento del canale di colata alla sformatura del prodotto, la temperatura dello stampo determina la cristallinità della plastica cristallina. All'aumentare della temperatura dello stampo, la cristallinità aumenta e il ritiro si intensifica. Ma se la temperatura dello stampo è troppo bassa o irregolare, anche un raffreddamento insufficiente del prodotto può portare ad instabilità dimensionale. Per lo stampaggio a iniezione di precisione, la temperatura dello stampo deve essere controllata con precisione entro un intervallo specifico (ad esempio 35-45 gradi C) per controllare il ritiro dimensionale entro indicatori qualificati.
La temperatura del cilindro del materiale è un'altra variabile chiave. Se la temperatura è troppo elevata (superando l'intervallo di lavorazione consigliato di 5-10 gradi C), la viscosità della plastica fusa diminuirà e la scorrevolezza sarà troppo elevata. Durante la fase di raffreddamento, lo spazio libero per il movimento della catena molecolare aumenterà, il tasso di restringimento aumenterà e la deviazione dimensionale può raggiungere lo 0,1% -0,3%; Se la temperatura è troppo bassa, la fluidità del fuso è scarsa, il riempimento è insufficiente e la dimensione del prodotto tende ad essere più piccola.
Tra i numerosi parametri di processo, la pressione di mantenimento ha il maggiore impatto sulla dimensione del prodotto. Durante la fase di pressione di mantenimento, viene utilizzato il rifornimento continuo di materiale nella cavità dello stampo per compensare il ritiro da raffreddamento. - Una pressione di mantenimento insufficiente può causare un restringimento eccessivo e dimensioni più piccole; Un mantenimento eccessivo della pressione può causare prodotti sovradimensionati o addirittura bordi infiammati. I dati pratici mostrano che per ogni fluttuazione di 10 MPa nella pressione di tenuta, la deviazione dimensionale di alcune parti in plastica di precisione può aumentare di oltre 0,02 mm. Lo studio mostra inoltre che quanto più sottile è la parete del pezzo stampato, tanto maggiore è l'impatto della pressione di tenuta sulle dimensioni. Anche il tempo di attesa non può essere ignorato. Se il tempo è troppo breve, non sarà possibile compensare efficacemente il restringimento, mentre se il tempo è troppo lungo potrebbe causare un riempimento eccessivo.
La pressione e la velocità di iniezione influiscono principalmente sulla fase di riempimento. La pressione di iniezione è troppo bassa, rendendo difficile per il materiale fuso riempire completamente la cavità dello stampo, soprattutto per strutture complesse a pareti sottili- soggette a stampaggi brevi; Velocità e pressione di iniezione più elevate, combinate con tempi di riempimento e mantenimento opportunamente prolungati, sono utili per superare i problemi di instabilità dimensionale.
L’impatto della velocità di iniezione è più sottile. L'iniezione ad alta velocità causerà un forte flusso di taglio del fuso nel canale e nella cavità, con conseguente aumento della temperatura locale e diminuzione della viscosità a causa del riscaldamento di taglio. Tuttavia, allo stesso tempo, il campo di flusso di taglio induce l’orientamento delle catene polimeriche lungo la direzione del flusso. Questo orientamento congelato porta al rilassamento dello stress dopo la sformatura, con conseguente diversa quantità di ritiro del prodotto nella direzione del flusso e nella direzione perpendicolare - cioè ritiro anisotropo. Questa è una delle cause alla base della deformazione e della deformazione del prodotto.
Tutti i parametri di processo devono essere rigorosamente controllati in base ai requisiti del processo, in particolare il ciclo di stampaggio di ciascun tipo di parte in plastica deve essere coerente e non può essere modificato arbitrariamente. Eventuali piccole fluttuazioni di temperatura, pressione e tempo si rifletteranno nella tolleranza dimensionale finale attraverso effetti cumulativi.
il "tetto hardware" degli errori dimensionali
La precisione stessa della macchina per lo stampaggio a iniezione determina se le istruzioni di processo possono essere eseguite fedelmente ed è la base fisica della precisione dimensionale. Se la precisione dell'attrezzatura stessa è insufficiente, anche i parametri di processo più precisi non possono essere convertiti in prodotti qualificati.
Lo stampaggio a iniezione di precisione richiede che il sistema di controllo della macchina per lo stampaggio a iniezione garantisca una buona ripetibilità di vari parametri di processo. Ciò richiede un controllo feedback multi-fase dei parametri di processo quali volume di iniezione, pressione di iniezione, velocità di iniezione, pressione di mantenimento, contropressione e velocità della vite, mentre i controller PID vengono utilizzati per il controllo preciso della temperatura del cilindro e dell'ugello.
Le moderne-macchine per stampaggio a iniezione servoassistite di fascia alta possono raggiungere una precisione di ripetibilità del peso inferiore al 3 ‰ e una precisione di apertura dello stampo entro ± 0,2 mm attraverso il controllo-a circuito chiuso. Il controllo-a circuito chiuso del sistema di iniezione può raggiungere anche una precisione di posizionamento ripetuta entro 0,01 mm. A titolo di confronto, il tempo di risposta alla commutazione dell'azione di iniezione di una normale macchina per lo stampaggio a iniezione è di circa 300 ms, mentre una macchina per lo stampaggio a iniezione ultraprecisa-a circuito completamente chiuso è molto migliore di questo livello.
Il sistema idraulico è il cuore pulsante della macchina per lo stampaggio a iniezione. Le macchine per lo stampaggio a iniezione di precisione generalmente richiedono il controllo a circuito chiuso- del riscaldamento e del raffreddamento dell'olio idraulico per stabilizzare la temperatura dell'olio a circa 50-55 gradi C, al fine di prevenire fluttuazioni di viscosità e portata causate da cambiamenti nella temperatura dell'olio, che possono portare all'instabilità dei parametri di processo. L'avanzato sistema servoidraulico può raggiungere il controllo della fluttuazione della pressione inferiore a ± 0,5 bar e la precisione di ripetibilità dell'asse di movimento principale raggiunge ± 0,05%. La precisione del sensore di spostamento deve essere di almeno 0,1 mm per controllare rigorosamente la corsa di misurazione, la corsa di iniezione e lo spessore del cuscinetto del materiale residuo, garantendo ogni volta un volume di iniezione accurato.
La pressione di iniezione richiesta per lo stampaggio a iniezione di precisione è molto più elevata di quella del normale stampaggio a iniezione - il normale stampaggio a iniezione richiede 40-120 MPa, mentre lo stampaggio a iniezione di precisione richiede un aumento a 180-250 MPa e in alcuni casi anche fino a 415 MPa. Con una pressione di stampaggio così elevata, se la rigidità del sistema di bloccaggio della macchina per lo stampaggio a iniezione è insufficiente, la sagoma subirà una deformazione elastica, provocando l'apertura della superficie di divisione dello stampo e la produzione di bave nel prodotto, con conseguente diminuzione della precisione. Pertanto, il design della dima ad alta rigidità e la distribuzione uniforme della forza di bloccaggio sono prerequisiti per garantire la precisione.
L'usura di viti e cilindri è una causa comune di degrado della precisione delle apparecchiature. Soprattutto l'anello anti-inversione (noto anche come anello di gomma), si usura gravemente dopo la produzione a lungo termine-di materiali di riempimento rinforzati (come la fibra di vetro). Una scarsa tenuta dell'anello anti-inversione può causare il reflusso del materiale fuso durante l'iniezione, determinando misurazioni instabili e fluttuazioni nel punto finale dell'iniezione. Ciò si riflette direttamente nella dispersione del peso di ciascun prodotto stampato e nelle differenze di dimensioni tra i lotti
5, Interferenze ambientali: “variabili esterne” nascoste e persistenti
I fattori ambientali sono le variabili più facilmente trascurate ma che influiscono costantemente nel processo di stampaggio a iniezione.
1. Fluttuazioni stagionali della temperatura ambientale
Le variazioni di temperatura nell'ambiente dell'officina influiscono direttamente sull'efficienza di raffreddamento dello stampo e sul controllo della temperatura del materiale fuso. La differenza di temperatura tra il giorno e la notte può causare l'espansione e la contrazione ripetuta dello stampo e il controllo della temperatura del termoregolatore dello stampo è influenzato da interferenze ambientali, con conseguente restringimento instabile e fluttuazioni nelle dimensioni dei prodotti nello stesso lotto. I dati di misurazione effettivi mostrano che per ogni aumento di 5 gradi C della temperatura ambiente, il tasso di deviazione delle dimensioni dei prodotti in materiale PP aumenta del 12% -15%. Prendendo come esempio i materiali in PC, per ogni variazione di temperatura di 5 gradi C, la deviazione dimensionale può raggiungere lo 0,05% -0,1%. Le parti stampate a iniezione prodotte in ambienti a bassa temperatura generalmente presentano fenomeni quali dimensioni ridotte e maggiore deformazione. Ciò richiede ai produttori di regolare tempestivamente la temperatura di processo delle apparecchiature e degli stampi in base ai cambiamenti dell’ambiente esterno.
2. Espansione dei materiali dovuta all'umidità e all'assorbimento di umidità
The influence of humidity on plastic size is also significant. Polyamide materials, represented by nylon (PA), contain polar amide groups in their molecular chains and are easily bound to water molecules. The equilibrium moisture content of non reinforced PA6 or PA66 can reach 3% under standard atmospheric conditions (23 ° C, 50% RH). In high humidity environments (relative humidity>60%), l'espansione dimensionale può raggiungere lo 0,2% -0,5%. Quando l'umidità cambia del 10%, la variazione dimensionale dei materiali in nylon può raggiungere lo 0,1% -0,3%.
Ciò che è ancora più complicato è che l'assorbimento di umidità e l'espansione di alcuni materiali presentano caratteristiche anisotrope - maggiore è l'umidità ambientale e più lungo il tempo, maggiore diventa la dimensione del materiale PA66 rinforzato con fibra di vetro e la variazione di dimensione nella direzione del flusso verticale è maggiore di quella nella direzione del flusso. Ciò significa che anche con lo stesso materiale e prodotto, la risposta di diverse dimensioni all’umidità varia in direzioni diverse, ponendo ulteriori sfide alla progettazione di raccordi di precisione.
3. Deformazione termica delle apparecchiature
Anche la deformazione termica causata dal funzionamento a lungo-termine dell'apparecchiatura può portare a deviazioni dimensionali. I vari componenti della macchina per lo stampaggio a iniezione si espandono a causa del calore da attrito durante il funzionamento continuo, che può modificare parametri chiave come la precisione di bloccaggio dello stampo e la corsa di iniezione. Questa deriva lenta e continua è spesso difficile da rilevare immediatamente per gli operatori.
6, Logica di controllo del sistema
In sintesi, i parametri del processo di stampaggio a iniezione, la precisione delle apparecchiature e le interferenze ambientali non sono effetti isolati, ma piuttosto un sistema dinamico che viene accoppiato e trasmesso strato dopo strato. I parametri del processo sono "regolatori in tempo reale-", la precisione dell'apparecchiatura è la "garanzia di esecuzione" e l'ambiente è il "rumore di fondo". Per garantire l'accuratezza dimensionale, è necessario stabilire una mentalità di controllo sistematico: selezionando macchine per lo stampaggio a iniezione a ciclo chiuso ad alta precisione-a circuito chiuso-e effettuandone la regolare manutenzione; Adottare la macchina per la temperatura dello stampo e il sistema di controllo della temperatura dell'officina per isolare le interferenze ambientali; Implementare un rigoroso trattamento di essiccazione e controllo dell'umidità per materiali sensibili (come PA); E monitorare continuamente la stabilità dei parametri di processo attraverso il controllo statistico del processo (SPC). Solo controllando queste tre dimensioni come un tutto organico è possibile comprimere continuamente e stabilmente gli errori oggettivi all'interno della zona di tolleranza del progetto.
