Design guide

การใช้ SOFTWARE CAE ช่วยในการผลิตชิ้นส่วนพลาสติก เช่น 3DTIMON , MOLDFLOW , MOLDEX3D

เพื่อป้องกันปัญหาที่เกิดจากการออกแบบชิ้นงานและออกแบบแม่พิมพ์ ควรมีความรู้พื้นฐาน 5 เรื่องตามภาพ

ลำดับการนำ CAE มาช่วยในการผลิตชิ้นส่วนพลาสติก

1.Part design ช่วยการออกแบบชิ้นงานให้มีคุณภาพและลดปัญหาในการสร้างแม่พิมพ์เพื่อฉีดชิ้นงานให้มีคุณภาพ

2.Mold design ช่วยการออกแบบแม่พิมพ์ การออกแบบgate และ cooling

3.Production แนะนำconditionเบื้องต้น เพื่อลดปัญหาในการการฉีด

ต้องแก้ไขที่ต้นเหตุจึงเหมาะสม ปัญหาที่เกิดขึ้นจากการออกแบบชิ้นงานไม่สามารถแก้ไขได้ด้วย Mold design หรือ Production และปัญหาที่เกิดขึ้นจากการออกแบบแม่พิมพ์ไม่สามารถแก้ไขได้ด้วย part design หรือ Production เช่นกัน เพียงแต่ปรับปรุงให้ดีขึ้นให้สามารถยอมรับจากลูกค้าได้เท่านั้น

Basic mold design

7 ชนิดส่วนหลักของแม่พิมพ์

Under cut ของชิ้นงาน ขวางการปลดชิ้นงานจากแม่พิมพ์ ต้องออกแบบระบบปลด under cut เช่น การใช้ slide และ lifter เพื่อปลดชิ้นงาน

Mold open direction and parting line

ก่อนใช้ CAE เพื่อหาตำแหน่งเกจต้องศึกษาข้อมูลของชิ้นงาน

อันดับแรกเมื่อได้ 3D CAD part ต้องกำหนดทิศทางเปิดแม่พิมพ์ พิจารณาเพื่อให้สามารถปลดชิ้นงานได้ ไม่เกิด under cut rib หรือเกิดunder cut แล้ว สามารถทำระบบปลดได้เหมาะสม และกำหนดตำแหน่งชิ้นงานในแม่พิมพ์เบื้องต้น (Lay-out mold)

กรณีใช้edge gateเข้าขอบชิ้นงาน ให้กำหนดตำแหน่งเกจบริเวณ parting line เส้นแนวขอบ โดยมอง Top view (mold)

การกำหนดตำแหน่งgate พิจารณาบริเวณที่มีความเป็นไปได้ที่ลูกค้าอนุญาติหรือตามข้อกำหนดในการสร้างแม่พิมพ์ และใช้CAEทำการหาจุดที่สมดุลย์การไหล

Lifter and slide core

Slide cavity

Mold lay-out

ใช้อ้างอิงเบื้องต้น กรณีมี Slide core หรือชิ้นส่วนอื่น เพิ่มระยะตามความเหมาะสม

สูตรคำนวณแรงปิดแม่พิมพ์ Clamp force

เป็นสูตรโดยประมาณใช้ทำข้อมูลเบื้องต้น ถ้าใช้ทำแม่พิมพ์ใช้กับชิ้นงานที่หนา 2-3 มม. แต่สำหรับชิ้นงานที่หนาน้อยกว่า2มม.อาจจะได้ค่าแรงน้อยเกินไปได้ ส่วนชิ้นงานที่หนาเกิน 3 มม.อาจจะได้แรงมากเกินไป เช่น งาน Bottom plate ที่คำนวณได้เกิน 1,000 ton แต่ฉีดจริงที่เครื่อง 650 ton เนื่องจากชิ้นงานหนาช่องการไหลกว้างแรงต้านการไหลต่ำกว่าชิ้นงานบาง

Air vent

Basic part design and plastic

เทอร์โมพลาสติก (Thermoplastic) หรือเรซิน ได้รับความร้อนจะอ่อนตัวและไหลด้วยความดัน และเมื่อเย็นลงจะแข็งตัว สามารถขึ้นรูปได้ด้วยการฉีด สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ พลาสติกที่ผ่านกระบวนการที่มีความร้อนหลายครั้งสามารถเสื่อมสภาพ หรือทางเทคนิคเรียกว่า Degradation ดังนั้นการนำพลาสติกกลับมาใช้ใหม่ควรใช้ผสมในอัตราส่วนที่พอเหมาะเท่านั้น และควรระวังเรื่องความสะอาดของวัตถุดิบและสิ่งเจือปน

ตัวอย่างพลาสติกแต่ละเกรดที่ใช้ในชิ้นงานแต่ละประเภท

Polypropylenes (PP)

สำหรับ pp ที่ใช้ปกติมีค่าหด ประมาณ 14-16/1000 ซึ่งหดตัวสูง ทำให้ขนาดหลังการหดตัวเปลี่ยนแปลงมาก ไม่เหมาะกับชิ้นงานที่ต้องการขนาดเที่ยงตตรง และถ้าหดตัวสูงเป็นสาเหตุที่ทำให้โก่งงอได้ง่าย ดังนั้นเพื่อลดค่าหดตัว,ลดต้นทุนและปรับปรุงคุณสมบัติทางกล เช่น ทนแรงกระแทกดียืดหยุนไม่แตกง่าย บางเกรดได้เพิ่มสารเติมแต่งหรือ filler เช่น Talc ,EPDM ,Mineral ,Fiber แต่อาจเกิดปัญหา เช่น ถ้าผสม EPDM รอยผสานเห็นชัดขึ้น ผสม Fiber มักเกิดปัญหาโก่งงอจากค่าหดตัว MD TD ต่างกันมาก

ส่วนใหญ่PPใช้แรงดันฉีดไม่สูงมาก ไหลง่ายกว่า ABS และ HDPE จำนวน gate ใช้น้อยกว่า ABS แต่ PPบางเกรดมีความหนืดสูง เช่นกัน ดูอ้างอิงจากค่า Melt flow rate ปัญหาที่พบบ่อยในการฉีด เช่น รอยวาว หรือ รอยเงา บนผิวงาน เกิดจากแรงดันสูง over pack หรือบริเวณที่มีความร้อนสูง , หดตัวสูงทำให้พบ Sink mark ,warp ได้ง่ายกว่า ABS

Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS)

ค่าหดตัวน้อยส่วนใหญ่ 5/1000 ทำให้ไม่ค่อยพบปัญหาโก่งงอ ถ้าโก่งงอมักเกิดจาก Orientation หรือทิศทางหดตัว ซึ่งขึ้นอยู่กับทำแหน่ง gate และ ทิศทางการไหลในแม่พิมพ์

มีความหืดสูง แต่ละเกรดความหนืดไม่เท่ากันอ้างอิงได้จากข้อมูลเม็ดพลาสติกค่า Melt flow rate

ปัญหางานฉีด รอยดูดสี หลังพ่นสี ลักษณะรอยด่าง บริเวณที่ไหลเร็ว เช่น gate หรือ พื้นที่แคบทำให้การไหลมีความเร็วสูง ปรับปรุงได้โดยฉีดช้าลงแต่ก็ส่งผลทำให้เกิด pressure สูง ดังนั้นควรใช้เม็ด ABS ที่ Melt flow สูงๆ และจำนวนเกจเพิ่มขึ้น สำหรับงานพ่นสี

ปัญหา flashing เนื่องจากเป็นเม็ดที่หนืด ต้องใช้แรงดันฉีดสูง ปรับปรุงโดยการเพิ่มเกจเพื่อลดแรงดัน ส่วนชิ้นงานที่ต้องการความเงาให้ฉีดร้อน คือใช้น้ำร้อนหล่อเย็นแม่พิมพ์

อบเม็ด 4 hours at 80°C

Melt temperature: 200-280°C

Mold temperature: of 25-80°C

Material Injection Pressure: 50 - 100 MPa

Injection Speed: Moderate - High

HDPE (High Density Polyethylene)

มีความต้านทานแรงดึง อุณหภูมิทนความร้อน มีความหนืดกว่าPP และทนต่อสารเคมีมากกว่า LDPE แต่ทนแรงกระแทกต่ำกว่า

LDPE (Low Density Polyethylene)

ทนแรงกระแทกสูงกว่า HDPE มีความต้านทานแรงดึง ความหนืด และความทนทานต่อสารเคมีต่ำกว่า

Polyamide 6, Nylon 6 หรือ polycaprolactam (PA6)

เป็นพลาสติกทางวิศวกรรม มีความเหนียว ทนทานต่อการเสียดสีได้ดีเยี่ยม ทนต่อสารเคมีได้ดี ทนทานต่อการล้า การหล่อลื่น ทนต่อแรงกระแทก ความแข็งแรงสูง และความแข็งแกร่ง

PVT : PP

แสดงระยะไหลขอพลาสติกโดยประมาณต่อความหนา 1 มม.

ความหนาที่เหมาะสมในการออกแบบชิ้นงาน

กรณีบางเกินไปจะฉีดเต็มยาก หนาเกินไปจะเกิด sink mark ที่ผิวได้

ABS = 1.2-3.5 mm.

PP = 0.65-3.8 mm.

PE = 0.8-5 mm.

PS = 0.9-3.8 mm.

PA = 0.8-2.9 mm.

การออกแบบชิ้นควรออกแบบให้หนาเท่ากันทั้งชิ้นงาน

เพื่อความเร็วไหลและการหดตัวที่เท่ากันทำให้ชิ้นงานโก่งงอน้อย

Flow leader การนำการไหล

พลาสติกที่ไหลในแม่พิมพ์ หากชิ้นงานถูกออกแบบให้มีความหนาไม่เท่ากันทั้งชิ้นงาน บริเวณหนามากกว่าจะไหลเร็วกว่าบรืเวณที่หนาน้อยกว่า

ตัวอย่างปัญหาที่เกิดจากความหนาต่างกัน พบว่าผิว ชิ้นงาน ด้าน cavity เห็นรอยเงาตามภาพ

ความหนา Ribs

Rib thickness / General thickness

กรณีชิ้นงานมีผิวหยาบจะช่วยกลบรอยยุบได้ เช่น กัดลายหยาบ ความหนา rib ใช้ไม่เกิน40-50%

หากผิวชิ้นงานเรียบมีขัดเงาปานกลางใช้ไม่เกิน 30% กรณีribs บางน้อยกว่า 30% จะฉีดเต็มยาก

หากเงามากๆ เช่น high gloss ไม่ควรมีribs เพราะสามารถ มองเห็นได้เป็นบางมุมแสงกระทบ

rib เอียง

ให้วัดความหนาribตามแนวทะแยง

ระยะ B

ชิ้นงานส่วนใหญ่มี rib บาง เพื่อลดรอย sink mark แต่ปัญหาที่ตามมาคือ โก่งงอ เนื่องจาก ความแตกต่างของค่าหดตัวมีค่าต่างกันมากเกินไป ตัวอย่างตามภาพ rib บางแข็งเร็วและหดตัวน้อยตามความหนา ส่วนบริเวณฐานหนาแข็งช้าและหดตัวมากกว่า ทำให้โกงงอเข้าให้ด้านที่หดตัวสูง

การหดตัวที่แตกต่างกันเชิงปริมาตร ribบางที่ติดอยู่กับส่วนที่หนา โดยทั่วไปอัตราการระบายความร้อนของส่วนหนาจะต่ำกว่าส่วนที่บาง ส่วนหนาหดตัวมากกว่าและทำให้เกิดการบิดเบี้ยว