Углубленный анализ распространенных дефектов вакуумной формовки и методов их улучшения

Вакуумная формовка (термоформовка) — это экономичная и эффективная технология переработки пластмасс. Он занимает важное место во многих областях, таких как упаковка, автомобилестроение и бытовая техника, благодаря своей способности быстро нагревать и размягчать пластиковые листы, а затем помещать их в формы посредством вакуумной адсорбции. Однако в реальном производстве все равно будет возникать ряд распространенных дефектов, обусловленных множеством факторов, таких как свойства материала, конструкция пресс-формы и параметры процесса. Эти дефекты не только влияют на качество продукции, но и могут привести к увеличению издержек производства. Ниже приводится подробное описание основных дефектов и методов их устранения:

1. Неравномерная толщина стенки

 

Анализ причин

 

Неравномерная толщина стенок — очень распространенная проблема при вакуумной формовке, и ее основной причиной является неравномерность процесса растяжения материала. С одной стороны, необоснованная конструкция формы, например, форма, размер и структура формы, не учитывающие в полной мере закон течения материала, приведет к неравномерному усилию, действующему на материал во время растяжения; С другой стороны, неправильный контроль температуры в процессе нагрева приведет к разной степени нагрева в разных частях листа и неравномерной степени размягчения, что также вызовет локальное перерастяжение или недорастяжение материала в процессе растяжения, что приведет к неравномерной толщине стенки.

Методы улучшения

 

Оптимизируйте конструкцию пресс-формы:

эффективным способом решения этой проблемы является пресс-форма с функцией предварительного растяжения (предварительного образования пузырьков). Перед формованием в нагретый и размягченный лист нагнетается определенное количество газа, чтобы лист заранее раздулся и образовал пузырьки. Это позволяет более равномерно растягивать лист по поверхности формы во время последующего процесса вакуумной адсорбции, эффективно избегая явления тонкой стенки, вызванного локальным чрезмерным растяжением.

Регулировка температуры нагрева:

Чтобы обеспечить равномерный нагрев листа, необходимо тщательно отладить нагревательное оборудование. Многоточечные датчики температуры могут использоваться для мониторинга температуры поверхности листа в режиме реального времени, а распределение мощности нагревательного элемента может динамически регулироваться в соответствии с данными мониторинга для устранения локальных областей перегрева или переохлаждения, благодаря чему общая степень размягчения листа является постоянной, что создает хорошие условия для равномерного растяжения.

Формовка давлением:

на основе вакуумной формовки применяется поддержка давления воздуха. После того, как лист нагрет и размягчен, его сначала подгоняют под форму с помощью вакуумной адсорбции, а затем сжатый воздух используется для приложения давления сверху листа, чтобы протолкнуть лист и заполнить полость формы более плотно и равномерно, улучшить распределение материала в форме и значительно повысить однородность толщины стенок.

 

2. Углы или края слишком тонкие.

 

Анализ причин

 

Когда материал растягивается до угла матрицы, из-за длинного пути растяжения и резкого изменения формы в этом месте материал будет подвергаться большему растягивающему усилию, что приведет к чрезмерному истончению. С механической точки зрения материал в углах подвергается большей концентрации напряжений в процессе растяжения, что приводит к быстрому уменьшению толщины материала. Кроме того, если конструкция углов формы необоснованна, например, радиус скругления слишком мал, это еще больше усугубит деформацию растяжения материала и сделает проблему тонких кромок более серьезной.

 

Методы улучшения

 

Увеличьте начальную толщину материала:

в зависимости от формы и размера изделия выбирайте более толстый лист, чтобы компенсировать истончение после растяжения. На этапе проектирования скорость истончения материала в процессе формования прогнозируется путем расчета и моделирования для определения соответствующей начальной толщины. Например, для изделий с глубокими полостями или сложными угловыми структурами соответствующее увеличение толщины листа может эффективно предотвратить проблему слишком тонких углов. Однако следует отметить, что увеличение толщины листа соответственно увеличит стоимость, поэтому необходимо найти комплексный компромисс, обеспечив при этом качество продукции.

Оптимизация скругления формы:

увеличение радиуса скругления углов формы может рассредоточить напряжение материала в процессе растяжения и уменьшить чрезмерную деформацию материала. В общем случае, чем больше радиус скругления, тем равномернее растягивается материал на углах и тем меньше вероятность, что он будет слишком тонким. Благодаря обработке формы на станке с ЧПУ и точному контролю размера и формы галтели качество углов изделия может быть значительно улучшено. В реальном производстве радиус скругления углов формы может быть увеличен до соответствующего значения в соответствии с конкретными требованиями к продукту, например, с исходных 1 мм до 3 мм или больше.

Сегментированный нагрев:

используйте передовую технологию нагрева, чтобы по-разному нагревать разные области листа. Перед формованием для угловой зоны листа с помощью датчика температуры и системы управления устанавливается более низкая температура нагрева, благодаря чему степень его размягчения относительно низкая, что позволяет снизить чрезмерное истончение в процессе растяжения. В то же время другие области нагреваются в обычном режиме, чтобы обеспечить плавное формование материала. Этот метод сегментированного нагрева можно гибко настраивать в соответствии с формой изделия и структурой пресс-формы, обеспечивая точный контроль температуры.

3. Дефекты поверхности (пузыри, царапины, апельсиновая корка)

 

Анализ причин

 

Неравномерный нагрев материала приведет к тому, что газ внутри листа не сможет вовремя выйти, что приведет к образованию пузырьков после формования. Шероховатая поверхность формы непосредственно оставит царапины на поверхности изделия, а также повлияет на текучесть и посадку материала, что приведет к появлению неровностей, таких как текстура «апельсиновой корки» на поверхности. Кроме того, если скорость вакуумной адсорбции слишком велика, материал будет быстро растягиваться. В ходе этого процесса молекулярная структура внутри материала не успевает адаптироваться, что может легко привести к появлению дефектов на поверхности. При этом пыль или примеси загрязняют поверхность листа и формы, а также могут внедряться в поверхность изделия в процессе формования, образуя различные дефекты.

 

Методы улучшения

 

Улучшите качество поверхности формы:

используйте высокоточную технологию полировки или технологию нанесения покрытия на поверхность для обработки поверхности формы. Например, алмазные полировальные инструменты используются для тонкой полировки поверхности формы до крайне низкого уровня шероховатости поверхности. Или нанесение слоя твердого хрома или никеля на поверхность формы может не только улучшить гладкость поверхности формы, но и повысить износостойкость и коррозионную стойкость формы, а также продлить срок ее службы. Обработанная форма позволяет производить изделия с более высоким качеством поверхности и эффективно избегать таких дефектов, как царапины и «апельсиновая корка».

Контролируйте скорость вакуумной адсорбции:

уменьшите скорость вакуумирования, отрегулировав клапан вакуумного насоса или используя технологию управления преобразованием частоты. В процессе формования медленное создание вакуума позволяет материалу более равномерно облегать поверхность формы, избегая дефектов поверхности, вызванных быстрым растяжением. Скорость и время вакуумной адсорбции можно точно установить в зависимости от требований к различным материалам и продуктам. Например, для более тонких листов или изделий с более высокими требованиями к качеству поверхности скорость вакуумной адсорбции можно уменьшить до 50–70 % от исходной, а время адсорбции можно соответствующим образом увеличить.

Очистка листов и форм:

Перед формованием листы и формы должны быть тщательно очищены. Для удаления пыли, масла и других загрязнений с поверхности листа можно использовать ткань без пыли и специальное чистящее средство. Для пресс-форм можно использовать продувку воздухом под высоким давлением, ультразвуковую очистку и другие методы, чтобы гарантировать чистоту и порядок поверхности пресс-формы. В то же время поддерживайте в производственном цехе хорошую чистую среду и установите оборудование для очистки воздуха, чтобы уменьшить количество частиц пыли в воздухе и предотвратить загрязнение ими листов и форм.

4. Деформация после распалубки

 

Анализ причин

 

Недостаточное охлаждение приведет к тому, что внутренняя структура изделия не будет полностью сформирована при извлечении из формы, и оно легко деформируется под действием силы извлечения. Неравномерная усадка материала обусловлена ​​тем, что в процессе охлаждения температура в разных частях листа падает с разной скоростью, что приводит к разной степени усадки материала и, следовательно, к его деформации. Еще одной важной причиной является слишком раннее извлечение из формы. Если температура изделия слишком высокая, а прочность недостаточная, оно не может выдерживать собственный вес и усилие извлечения из формы, что приводит к деформации. С точки зрения материаловедения, пластмассы будут подвергаться кристаллизации и изменению ориентации в процессе охлаждения. Если процесс охлаждения будет необоснованным, это приведет к дисбалансу внутренних напряжений и вызовет деформацию.

 

Методы улучшения

 

Увеличьте время охлаждения:

в зависимости от размера, формы и характеристик материала изделия разумно увеличьте время охлаждения, чтобы обеспечить полное охлаждение и придание изделию формы перед извлечением из формы. Оптимальное время охлаждения можно определить с помощью экспериментов или имитационного анализа. Например, для крупных пластиковых изделий время охлаждения может потребоваться увеличить до нескольких минут или даже дольше. В процессе охлаждения можно отслеживать изменения температуры продукта в режиме реального времени, а операцию извлечения из формы можно выполнять, когда температура продукта опустится до соответствующего диапазона.

Оптимизируйте систему охлаждения:

спроектируйте разумный контур охлаждающей воды в форме, чтобы гарантировать, что охлаждающая жидкость сможет равномерно отводить тепло от формы и изделия. Могут использоваться различные формы каналов охлаждающей воды, такие как спиральные и прямоточные, а их компоновка может быть оптимизирована в соответствии со структурой формы и формой изделия. Кроме того, использование вспомогательного оборудования, такого как вентиляторы, для ускорения охлаждения может повысить эффективность охлаждения и сократить время охлаждения. Например, охлаждающий вентилятор устанавливается сверху или сбоку формы, чтобы принудительно охлаждать поверхность формы воздухом и ускорять отвод тепла.

Проектирование угла уклона:

 

при проектировании формы добавление угла уклона в 1°–5° может эффективно снизить сопротивление извлечения из формы и облегчить извлечение изделия из формы. Разумный угол наклона может предотвратить повреждение изделия во время извлечения из формы и предотвратить деформацию изделия из-за чрезмерного усилия при извлечении из формы. В реальном производстве необходимо выбирать соответствующий угол наклона в соответствии с конкретными требованиями к изделию и свойствами материала, чтобы обеспечить плавное извлечение из формы.

5. Детали нечеткие (например, текстуры, текст)

 

Анализ причин

 

Если материал плохо подходит к форме, такие детали, как текстура и текст на поверхности формы, не могут быть полностью воспроизведены на изделии. Недостаточный вакуум приведет к образованию зазора между материалом и формой, что повлияет на эффект заполнения материалом. Если температура нагрева слишком низкая, текучесть материала будет плохой, и он не сможет полностью заполнить тонкую структуру формы, что приведет к нечетким деталям. С точки зрения молекулярного движения, когда температура слишком низкая, активность молекул материала слаба и им трудно войти в мельчайшие канавки формы, что делает невозможным точное формование деталей.

 

Методы улучшения

 

Улучшите степень вакуума:

проверьте герметичность вакуумной системы, чтобы убедиться в отсутствии утечек. Вакуумные трубы, клапаны и другие компоненты можно регулярно проверять и обслуживать, а старые или поврежденные уплотнения можно заменять. При необходимости используйте вакуумный насос высокого давления для повышения степени вакуума и усиления силы адсорбции между материалом и формой, чтобы материал мог лучше прилегать к поверхности формы. Установив датчик вакуума, можно отслеживать изменения давления в вакуумной системе в режиме реального времени, чтобы гарантировать, что степень вакуума соответствует требованиям к формованию изделий.

Увеличьте температуру формования:

соответствующим образом увеличьте время нагрева или увеличьте мощность нагрева, чтобы материал достиг более идеального состояния размягчения и улучшил его текучесть. При регулировке температуры нагрева необходим точный контроль с учетом характеристик материала и требований к продукту, чтобы избежать разложения или деформации материала из-за чрезмерной температуры. Оптимальное сочетание температуры и времени нагрева можно определить экспериментальным путем. Например, для определенного пластикового материала температуру нагрева можно увеличить на 5–10 ℃, а время нагрева можно увеличить на 10–20 секунд. Можно наблюдать эффект формования деталей изделия и вносить коррективы в зависимости от реальной ситуации.

Используйте локальное нагнетание давления:

используйте вспомогательные блоки давления или воздушные иглы в детализированных зонах формы, чтобы приложить дополнительное давление к материалу и улучшить прилегание между материалом и детализированными частями формы. Вспомогательный прессующий блок может быть настроен в соответствии с формой и детальным положением пресс-формы. В процессе формования пресс-блок аккуратно прижимается к материалу с помощью механического устройства, благодаря чему материал лучше заполняет тонкую структуру формы. Воздушная игла распыляет газ под высоким давлением на поверхность материала, создавая давление в определенной области и заставляя материал облегать форму. Этот метод локального давления позволяет эффективно улучшить четкость и качество деталей изделия.