Dwa różne podejścia do projektowania części formowanych wtryskowo

W globalnej gospodarce szybkie i oszczędne wytwarzanie wysokiej jakości części z tworzyw sztucznych formowanych wtryskowo stało się decydującym czynnikiem sukcesu produkcyjnego. Dzięki oprogramowaniu do symulacji wypełniania form projektanci, twórcy form i specjaliści od produkcji nie muszą już angażować zasobów w czasochłonne i kosztowne przygotowywanie kolejnych prototypów oraz cykle badań testujące poziom spełnienia wymogów produkcyjnych. Oprogramowanie CAD/CAE umożliwia optymalizowanie części pod kątem możliwości wytworzenia, dopracowywanie oprzyrządowania w celu poprawienia jakości, a także skracanie czasu trwania cykli z myślą o ograniczeniu kosztów produkcji.

Potrzeba poprawy jakości i efektywności formowania wtryskowego

Od wielu lat stale rośnie wykorzystanie tworzyw sztucznych w niemal wszystkich rodzajach produktów — od elektroniki użytkowej i motoryzacji po zabawki dla dzieci i urządzenia medyczne. Istnieje wiele powodów tego stanu rzeczy. Części z tworzyw sztucznych są zasadniczo tańsze w produkcji i w przeciwieństwie do metalu nie rdzewieją. Tworzywa sztuczne są też lżejsze niż tradycyjne materiały, a ponieważ są plastyczne, można je formować w skomplikowane wzory i kształty z bardziej dopracowanymi detalami powierzchni. Krótko mówiąc, tworzywa sztuczne lepiej spełniają potrzeby coraz większej liczby współczesnych producentów.

Jednak każdy zaangażowany w produkcję elementów z tworzyw sztucznych wie, że wytwarzanie części z tego materiału jest bardziej wymagające i skomplikowane niż w przypadku metalu. Ponad 80 procent części z tworzyw sztucznych wykorzystywanych obecnie w produktach musi być formowanych wtryskowo — w procesie wtryskiwania płynnego materiału z tworzywa sztucznego do formy, stygnięcia/krzepnięcia materiału i opróżniania form z gotowych elementów. Można to uznać za połączenie nauki i sztuki.

Wytwarzanie formowanych wtryskowo części wolnych od wad produkcyjnych wymaga idealnego połączenia takich zmiennych, jak czas, temperatura, ciśnienie czy materiał, a także dobrania właściwych wariantów oprzyrządowania i perfekcyjnego projektu. Projektanci, twórcy form i specjaliści od produkcji muszą tak zestawić wszystkie te zmienne, aby zapewnić wysoką jakość części.

• Czy geometria części spełnia wymagania w zakresie kąta pochylenia i grubości ścian?
• Jak długo powinien trwać cykl wtryskiwania/chłodzenia/wyrzutu? Jaka jest optymalna temperatura dla materiału, kanałów chłodzących oraz formy?
• Jakie jest odpowiednie ciśnienie napełniania/wypełniania i jaki jest najlepszy materiał do wykorzystania przy produkcji danej części?
• Poza tym, czy zastosowanie specjalnych wstawek, boczników, dodatkowych zasuw, specjalnych operacji dodatkowych albo nietypowej konstrukcji kanałów chłodzących poprawi jakość części lub skróci czas trwania cykli?

Wady tradycyjnego podejścia do projektowania

Tradycyjne podejście jest nieskuteczne oraz kosztowne i skutkuje koniecznością żmudnego powtarzania raz już zakończonych prac i cykli badań, a tym samym stawia pod znakiem zapytania opłacalność korzystania z tworzyw sztucznych i naraża producenta na straty. Ewaluacja możliwości wytworzenia części z reguły polega na ocenie kolejnych prototypów przygotowywanych przez twórcę form i na jego doświadczeniu, a znalezienie kompromisu między wymogami projektowania przemysłowego i produkcji wymaga czasu. Chociaż twórcy form korzystają ze swojego doświadczenia i wiedzy, i tak muszą tworzyć prototypy w celu zweryfikowania jakości i efektywności formy, najczęściej po wykonaniu wielu powtórzeń metodą prób i błędów, co wydłuża czas i zwiększa koszty procesu. Specjaliści od produkcji, przed którymi stoi zadanie optymalizacji cyklów produkcyjnych, często muszą powtarzać daną operację wraz z projektantami i twórcami form. Niestety poprawa jakości części na tym etapie jest często trudna i zazwyczaj osiągalna tylko w drodze przeróbki formy. Ponieważ koszty tworzenia form mieszczą się w przedziale od 10 tys. do ponad 1 mln €, ich przeróbki to sprawa kosztowna i czasochłonna.

Proces dodatkowo komplikuje fakt, że w dzisiejszej globalnej gospodarce projektanci, twórcy form i specjaliści od produkcji często pracują w różnych częściach świata i posługują się różnymi językami. W branży często spotyka się firmy z oddziałami rozproszonymi po całym świecie, w których na przykład projektant pracuje w USA, twórca form w Chinach, a producent w Meksyku. Bariery czasowe i językowe nierozerwalnie związane z taką organizacją pracy sprawiają, że sprostanie wyzwaniom dotyczącym formowania wtryskowego jest jeszcze trudniejsze. Dlatego potrzebna jest wspólna, niezawodna platforma symulacji formowania wtryskowego pozwalająca projektantom, twórcom form i specjalistom od produkcji pokonać bariery i współpracować wydajniej i efektywniej w wirtualnym środowisku symulacji, bez konieczności kosztownych cykli tworzenia prototypów form.

Projektowanie części i opracowanie oprzyrządowania oparte na symulacji

Dzięki szybkim i dokładnym symulacjom produktów formowanych wtryskowo projektowanie takich produktów, opracowywanie form wtryskowych i wytwarzanie części odbywa się na zasadzie szerzej zakrojonej współpracy, jest dokładniejsze i bardziej efektywne, zapewnia oszczędność czasu i sprzyja ograniczaniu kosztów.

Wyzwania związane z formowaniem wtryskowym

Każdy profesjonalista zaangażowany w opracowywanie i wytwarzanie części formowanych wtryskowo i oprzyrządowania — od autora pierwotnego projektu poprzez twórcę formy, aż po pracowników działu produkcji — staje przed wyjątkowymi wyzwaniami. Każdy ma własny punkt widzenia i napotyka specyficzne problemy. Projektantom zależy na estetyce części, jej wyglądzie i postrzeganiu przez użytkownika. Twórcy form koncentrują się na kwestii jakości i chcą mieć pewność, że ich oprzyrządowanie posłuży do wykonania dobrych części. Z kolei pracownicy działu produkcji dbają głównie o to, aby proces produkcji przebiegał możliwie najbardziej płynnie i sprawnie. Bez względu na różne perspektywy i role, wszystkie osoby zaangażowane w proces formowania wtryskowego odniosą korzyści z dostępu do środowiska symulacji i analiz w zakresie tworzenia części z tworzyw sztucznych.

Kiedyś projektant koncentrował się na wymogach projektowych — dotyczących formy, dopasowania i funkcji — a dziś coraz częściej musi oceniać, czy daną część da się wyprodukować. Nawet najpiękniejsze i najbardziej eleganckie projekty nie mają wartości biznesowej, jeśli nie można ich wytworzyć w odpowiedniej ilości, a następnie sprzedać z zyskiem.

Na jakie problemy natrafiają projektanci?

Ryzyko napotkania problemów związanych z jakością części formowanych wtryskowo jest ogromne, a ponieważ te problemy trzeba rozwiązać przed przejściem do etapu produkcji, równie duże jest prawdopodobieństwo nieplanowanych powtórzeń i modyfikacji projektów części oraz oprzyrządowania. Wady produkcyjne występują z wielu różnych powodów związanych z szeregiem zmiennych, które wpływają na jakość i efektywność formowania wtryskowego. Na przykład do wypaczeń części skutkujących ich pofałdowaniem dochodzi, gdy część odkształca się po wyrzuceniu z formy. Jeśli forma nie zostanie wypełniona całkowicie, na części mogą być widoczne pułapki powietrzne, wtopienia i smugi. Czy projektant przewidział kurczenie się części? Czy linie rozdzielające lub linie łączenia (w których stykają się różne części formy) znajdują się w preferowanych lokalizacjach?

Współpraca wszystkich osób zaangażowanych w proces formowania wtryskowego wymaga komunikacji

Ponieważ projektanci muszą eliminować szereg wad produkcyjnych z części formowanych wtryskowo, jak również współpracować z partnerami produkcyjnymi w celu zoptymalizowania produkcji, konieczna jest ich efektywna komunikacja z osobami odpowiedzialnymi za oprzyrządowanie i produkcję. Pozwala to wprowadzać niezbędne zmiany bez nadmiernego modyfikowania przemysłowej konstrukcji części. Bariery językowe i czasowe komplikują to zadanie, a projektanci muszą uzgadniać koszty i opóźnienia związane z wieloma powtórzeniami projektów zarówno z twórcami form, jak i pracownikami działu produkcji. Wielu projektantów polega w zbyt dużym stopniu na fachowej wiedzy partnerów zajmujących się tworzeniem form i produkcją, co skutkuje niespodziewanymi powtórzeniami, które prowadzą do dodatkowych opóźnień i nieprzewidzianych kosztów.

Twórcy form pod presją cięcia kosztów

Twórcy form są poddawani coraz silniejszej presji, aby opracowywać oprzyrządowanie pozwalające wytwarzać wysokiej jakości części formowane wtryskowo możliwie najszybciej i najtaniej. Oczywiście doświadczeni twórcy form mają szeroką wiedzę dotyczącą możliwości wytworzenia części oraz wpływu zmiennych związanych z wytwarzaniem części formowanych wtryskowo, zwłaszcza w przypadku prostych geometrii części. Niemniej jednak — ponieważ projektanci przykładają dużą wagę do innowacyjności i zaawansowania produktu — nawet najbardziej doświadczeni twórcy form muszą budować szereg prototypów i wytwarzać wiele form, aż znajdą taką kombinację zmiennych, która zapewni wymaganą jakość części.

Czy jesteśmy w stanie przewidzieć niezbędną liczbę prototypów form?

Choć doświadczeni twórcy form chlubią się zdolnością oceny możliwości wytworzenia określonych geometrii części i znają się na rzeczach takich, jak optymalny system wypychania z formy, przewidywanie dokładnej liczby prototypów formy potrzebnych do przygotowania procesu formowania wtryskowego czy szacowanie czasu i kosztów, sprawa wcale nie jest taka prosta. Oprócz konieczności potwierdzenia, że ostateczny projekt formy się sprawdzi — poprzez wytworzenie wysokiej jakości prototypów przed zastosowaniem formy w produkcji na pełną skalę — twórcy form zwykle muszą przeprowadzać inne badania prototypu metodą prób i błędów w celu uzyskania ostatecznego projektu formy i określonej formuły wtrysku. Na przykład optymalizacja średnic zasuw, umiejscowienie zasuw w najbardziej korzystnych miejscach, poprawa wydajności kanału chłodzącego czy zastosowanie specjalnych boczników zwykle wymaga dodatkowego czasu i powtórzeń.

Konieczność pogodzenia oczekiwań projektantów i wymagań w zakresie jakości

Twórcy form stają przed takimi samymi wyzwaniami dotyczącymi komunikacji i współpracy jak projektanci części formowanych wtryskowo. Muszą potrafić wyjaśnić, dlaczego wystąpiły problemy z możliwością wytworzenia i pierwotna geometria projektu części wymaga zmiany. To właśnie możliwość wykazania wad i problemów jakościowych związanych ze ścisłym trzymaniem się pierwotnego projektu sprawia, że metoda pracy oparta na tworzeniu kolejnych prototypów form jest tak głęboko zakorzeniona w branży. Projektanci chcą znać powody, dla których projekt części, nad którym pracowali, wymaga zmian, zwłaszcza gdy zmiany te negatywnie wpływają na estetykę projektu. Twórcy form pragną tworzyć części wysokiej jakości, projektanci chcą realizować swoje projekty, a cykle przygotowywania kolejnych prototypów są często jedynym sposobem na pogodzenie obu stron.

Dział produkcji pod presją konieczności skracania czasu trwania poszczególnych cykli

Kiedy pracownicy działu produkcji otrzymują ostateczną formę od jej twórcy, muszą ocenić oprzyrządowanie z punktu widzenia produkcji w celu określenia, czy można wprowadzić inne modyfikacje, aby skrócić czas trwania cykli, a jednocześnie nie spowodować dodatkowych problemów produkcyjnych. W przypadku wytwarzania 500 000 czy miliona części zaoszczędzenie jednej, dwóch czy trzech sekund czasu potrzebnego do schłodzenia jednej części może przynieść znaczne oszczędności czasu i kosztów. Jednak, podobnie jak twórcy form, pracownicy działu produkcji nie widzą tego, co faktycznie dzieje się wewnątrz formy, i muszą polegać na metodzie prób i błędów w celu potwierdzenia, że możliwe będzie wyprodukowanie wysokiej jakości części lub uznania, że forma wymaga dodatkowych przeróbek.

Czy w celu przyspieszenia produkcji trzeba przerabiać formę?

Pierwsze pytanie, na jakie muszą odpowiedzieć specjaliści od produkcji, to: czy ta forma, ten materiał i ta formuła wtrysku pozwolą na wyprodukowanie wysokiej jakości części? Zasadnicze znaczenie dla pracowników działu produkcji ma sprawdzenie jakości i efektywności formy, bo jeśli tego nie zrobią, mogą wyprodukować milion nieudanych części. Podobnie jak twórcy form konstruują prototypy, pracownicy działu produkcji muszą tworzyć próbki w celu potwierdzenia, że nie ma żadnych słabych punktów konstrukcyjnych w częściach, niepożądanych odkształceń w dużych częściach oraz źle odtwarzanych obszarów części pod wpływem operacji o dużym współczynniku kształtu. Mogą korzystać z tej samej metody prób i błędów, próbując przyspieszyć produkcję, ale ostatecznie muszą ustalić, czy przyspieszenie produkcji przyniesie większe korzyści, niż wynosi koszt przeróbki formy.

Optymalizacja oprzyrządowania formy wtryskowej

W swoich próbach optymalizowania czasu cykli produkcyjnych dla określonych form wtryskowych pracownicy działu produkcji mogą stosować różne formuły, zmieniając długość czasu chłodzenia w formie albo zwiększając i zmniejszając ciśnienie wtrysku podczas napełniania i wypełniania. Mogą również regulować temperaturę w układzie chłodzenia formy w ramach starań o skrócenie czasu trwania poszczególnych cykli. Jednak, podobnie jak projektanci, twórcy form tak naprawdę potrzebują dostępu do wspólnego środowiska symulacji wypełniania form, które da im wgląd w to, co dzieje się wewnątrz formy, oraz w efekty modyfikacji zmiennych bez konieczności wytwarzania fizycznych prototypów. Taka wspólna platforma może również usprawnić współpracę z projektantami i twórcami form niezależnie od barier językowych i czasowych.

Na temat oprogramowania potrzebnego do optymalizacji prac nad oprzyrządowaniem form pisaliśmy w artykule „Optymalizacja prac nad oprzyrządowaniem do form – symulacja i analiza w SOLIDWORKS Plastics”

Podsumowanie – przykład zastosowania oprogramowania w firmie ECCO

Firma Electronic Controls Company (ECCO), największy na świecie producent systemów ostrzegania i alarmowania, stosuje wiele wysokiej jakości części z tworzyw sztucznych formowanych wtryskowo. Alarmy cofania i oświetlenie ostrzegawcze tej firmy przeznaczone dla pojazdów użytkowych — jak również czerwone i niebieskie światła ostrzegawcze dla pojazdów uprzywilejowanych — działają zazwyczaj na zewnątrz, gdzie są narażone na wszystkie możliwe warunki pogodowe. W takim środowisku firma ECCO często woli stosować części z tworzyw sztucznych, ponieważ nie rdzewieją. W przypadku lekkich kloszy stosowanie tworzyw sztucznych do produkcji komponentów optycznych jest koniecznością.

Po przeanalizowaniu korzyści w zakresie produktywności zapewnianych przez oprogramowanie do projektowania SOLIDWORKS Professional i SOLIDWORKS Premium, jak również przez system zarządzania danymi produktowymi SOLIDWORKS PDM Professional, firma ECCO nabyła oprogramowanie do symulacji formowania wtryskowego SOLIDWORKS Plastics Professional, aby zmaksymalizować swoje możliwości w dziedzinie wytwarzania części z tworzyw sztucznych.

„Przed rokiem 2012 polegaliśmy na producencie oprzyrządowania, który identyfikował i rozwiązywał problemy dotyczące formowania wtryskowego” — wspomina inżynier projektowania mechanicznego John Aldape. „Jednak kiedy otrzymaliśmy obudowy alarmów wykonane z włókna szklanego, na których było widać defekty łączenia powierzchni, postanowiliśmy przetestować technologię symulacji wypełniania form. Chcieliśmy móc samodzielnie ocenić, w jaki sposób forma będzie się wypełniać i gdzie będą znajdować się linie łączenia, zamiast czekać na wprowadzenie modyfkacji przez twórcę oprzyrządowania”.

Firma ECCO postawiła na rozwiązanie SOLIDWORKS Plastics, ponieważ jest ono łatwe w użyciu i generuje symulacje wypełnienia formy tworzywem sztucznym, pomagając uniknąć problemów z produkcją. Dzięki wdrożeniu oprogramowania SOLIDWORKS Plastics Professional frma ECCO zminimalizowała liczbę prototypów form, wyeliminowała liczne problemy związane z wytwarzaniem produktów formowanych wtryskowo, zoptymalizowała części pod kątem formowania wtryskowego i poprawiła optykę kloszy oraz estetykę produktów.

Jeżeli chcesz, tak jak firma ECCO przetestować technologię symulacji wypełnienia formy, poznać oprogramowanie CAD/CAE to skontaktuj się z nami. Poniżej znajduje się formularz kontaktowy. Prześlij nam wiadomość. Skontaktujemy się z Tobą.