Newsletter / TS Raport 
Zamów

Projektowanie i konstrukcja 

22 października 2014

Formy wypraski medyczne - Produkcja masowa

W poprzednim numerze, na przykładzie produkcji formy do czaszy krwistej sztucznego serca, omówiliśmy sposoby realizacji wymagań dla produkcji krótkoseryjnej wyprasek medycznych. W niniejszym opracowaniu, skupimy się na produkcji masowej detali medycznych.

PRZYKŁAD wypraski masowej - obudowa dozownika płynnego preparatu

Wypraska będzie produkowana z PP w ilości 12 mln sztuk w ciągu pół roku. W związku z tym wymagany jest możliwie krótki czas cyklu. Dodatkowo, klient ma bardzo duże wymagania dotyczące geometrii i jakości powierzchni. Ze względu na współpracę z innymi detalami, tolerancje wymiarów są bardzo małe. Tworzenie się mikronitek przy wlewku GK jest niedopuszczalne.

 

Zgodnie z metodologią przyjętą w Wadim Plast projektowanie formy zaczyna się od wstępnej koncepcji konstrukcyjnej a potem serii analiz. 

 

Rysunek przedstawia wybór wariantu koncepcji konstrukcyjnej formy uproszczoną metodą nadawania wartości poszczególnym kryteriom oceny. Na tej podstawie do realizacji został przyjęty wariant 4, który uzyskał najwięcej ocen pozytywnych.

Kolejny etap to konkretyzowanie wybranego wariantu do postaci konstrukcyjnej z jednoczesnym przeprowadzeniem wymaganych analiz. 

Zaczynamy analizy

Analizy wstępne
Jak zwykle zaczynamy od analizy grubości ścianek. Widzimy, że prawie cała wypraska posiada stałą grubość, równą 1,5 mm, poza małymi fragmentami o grubości 0,75 mm. Sprawdzimy, jaki to będzie miało wpływ na deformacje wypraski.

 

Przy analizie wstępnej ze względu na brak systemu chłodzenia (brak geometrii kanałów chłodzących) zakładamy, że temperatura formy jest jednakowa dla całej powierzchni formującej i stała przez cały czas cyklu.

Dla takich założeń zostały wykonane obliczenia, a wybrane wyniki przedstawione poniżej.

Slajd Sink Marks powyżej pokazuje, że na na powierzchni wypraski nie będzie zapadów. Białe stożki pokazują miejsca gromadzenia się powietrza. Powietrze gromadzi się przy podziale, a więc nie będzie problemów z jego usunięciem. Białe linie czyli miejsca łączenia frontów stopu nie występują na powierzcniach zewnętrznych, co gwarantuje wysoką estetykę wypraski.

 

Wyliczone wartości deformacji należy wyłącznie traktować jako tendencje, jako że ma się to nijak do rzeczywistych warunków formowania wypraski. Również z tego samego powodu należy z rezerwą podejść do wyliczonego czasu chłodzenia wypraski (ejection time). Przy uwzględnieniu w obliczeniach kanałów chłodzących, program wylicza rzeczywiste temperatury dla powierzchni formującej i pokazuje miejsca przegrzane (tzw. hot spots), które z reguły wymagają dużo dłuższych czasów chłodzenia. Oczywiście konstruktor musi stworzyć takie narzędzie, aby rzeczywisty czas chłodzenia możliwie mało odbiegał od czasu obliczeniowego. Na podstawie powyższych analiz powstaje wstępna postać konstrukcyjna formy. Przy planowanej półrocznej produkcji 12 mln sztuk i czasie cyklu 15 s (dla takiego czasu cyklu zostały policzone deformacje) potrzebna byłaby forma 12 gniazdowa.

Rys. Koncepcja konstrukcyjna formy

Rys. Moduł formy na 4 wypraski

Zależnie od rzeczywistego czasu chłodzenia forma będzie składała się z takich 3 lub 4 modułów. Zależnie od tego jak się zbliżymy do obliczeniowego czasu chłodzenia, forma może być 12 lub 16 gniazdowa.

Analizy szczegółowe
W koncepcji konstrukcyjnej konstruktor zawarł geometrię kanałów chłodzących dla 1 modułu (który w formie docelowej będzie odpowiednio powielony). Możemy więc wyliczyć rzeczywisty czas chłodzenia i rzeczywiste deformacje wypraski. Konstruktor ustalił, że elementy formujące będą wykonane ze stali narzędziowej nierdzewnej 1.2083, a obudowa (korpus) ze stali nierdzewnej 1.2085.

Konfiguracja kanałów chłodzących zaproponowana przez konstruktora. Temperatura wody zasilającej 15°C. Dla przejrzystości pokażemy interesujące nas wyniki bez kanałów i dla jednej wypraski.

Temperatura powierzchni formującej matrycy w chwili wyrzucania wpraski Max=90°C.

Temperatura powierzchni formującej stempla w chwili wyrzucania wypraski. Max=123°C.

Rzeczywisty czas chłodzenia w stosunku do obliczeniowego jest kilkakrotnie dłuższy, a co za tym idzie i czas cyklu odpowiednio wzrośnie.

Ze względu na nierównomierną i wysoką temperaturę powierzchni formującej znacznie wzrosły deformacje do niedopuszczalnego poziomu. 

Problem i rozwiązanie 

Rozbudowanie systemu kanałów, aby zwiększyć intensywność odbioru ciepła od wypraski, będzie drogie i kłopotliwe technicznie. Zastosowanie specjalnych technik chłodzenia jak Contura, CO2 itp. wywinduje koszty na poziom nieakceptowalny dla klienta. Ze względu na dużą produkcję musimy wykonać stemple i matryce stalowe hartowane. Spróbujemy pokonać problem stosującstal o wysokiej przewodności.

Hiszpańska huta ROVALMA produkuje stale z grupy HTCS (High Thermal Conductivity Steels) o bardzo wysokiej przewodności cieplnej do 70W/mK, czyli ponad dwukrotnie większej jak konwencjonalne stale narzędziowe (np. stal 1.2343 posiada przewodność 25W/mK, a zastosowana przez konstruktora 1.2083, 20W/mK).

Do dalszych obliczeń wybieramy stal HTCS 130 o przewodności 60W/mK i przystępujemy do kolejnej analizy.

Temperatura powierzchni formującej matrycy w chwili wyrzucania wypraski. Max=48°C.

Temperatura powierzchni formującej stempla w chwili wyrzucania wypraski. Max=66°C.

Rewelacja! Rzeczywisty czas chłodzenia jest porównywalny z obliczeniowym i wynosi 14 s. Czas cyklu przy zastosowaniu stali HTCS nie powinien przekroczyć 17 s (jeśli forma będzie pracować na szybkiej wtryskarce).

Niestety, deformacje pozostały na poprzednim poziomie, a wynika to z różnicy temperatur pomiędzy stemplem a matrycą. Stempel jest cieplejszy, a matryca chłodniejsza.

Różnicę temperatur po obu stronach ściany wypraski dokładni pokazuje powyższy wykres. Mniej więcej na środku ściany ta różnica wynosi 4,4°C i ona jest przyczyną deformacji. Wniosek jest oczywisty - aby zlikwidować deformację, musimy wyrównać temperaturę po obu stronach ściany wypraski. 

Możemy to zrobić na 3 sposoby:

  1. Podać cieplejszą wodę na obieg matryc – sposób nieco kłopotliwy, bo wymaga stosowania wielo-strefowych termostatów lub kilku    termostatów, i eksperymentów z doborem właściwej temperatury wody chłodzącej. Przy większych formach ten sposób jest często  niemożliwy do realizacji.
  2. Do budowy formy dobrać materiały o różnej przewodności tak, aby przy zasileniu wodą o jednakowej temperaturze wody uzyskać  jednorodną temperaturę dla całej wypraski.
  3. Tak zmienić geometrię układu chłodzenia, aby temperatury ściany wypraski po obu stronach były jednakowe przy zasileniu całej formy wodą o jednakowej temperaturze – tak powinny być budowane układy chłodzenia w formach wtryskowych.

Spróbujemy wyprostować wypraskę trzecim sposobem. Po kilku zmianach geometrii układu chłodzenia matryc i przeprowadzeniu kilku analiz okazało się, że ten sposób prowadzi do wzrostu czasu chłodzenia wypraski i został w tym przypadku uznany za niekorzystny. Dlatego musimy skorzystać ze sposobu 2.

Niebieski i czerwony kolor pokazuje obiegi, gdzie zastosowaliśmy stal HTSC130 (stemple). Matryca jest wykonana ze stali 1.2083. Tak jak poprzednio forma jest zasilana wodą o temperaturze 15°C.

Czas chłodzenia wzrósł do 16s czyli 2s więcej w porównaniu, kiedy całe gniazdo formujące zostało wykonane ze stali HTCS130.

Widać, że odwróciliśmy sytuację i wypraska od strony matrycy jest teraz cieplejsza.

W tym podejściu nie udało się całkowicie wyprostować wypraski, ale tendencje są właściwe. Po czwartej modyfikacji układu chłodzenia wypraska osiągnęła kształt mieszczący się w założonych tolerancjach.
Dla czasu chłodzenia 16s, czasu wtrysku 0,5s i pozostałych czasów cyklu 2,5s możemy przyjąć czas cyklu równy 19s. Jeśli Dla planowanej produkcji 12 mln sztuk w ciągu pół roku musimy zbudować formę 16 gniazdową.

Dopiero teraz, po uzyskaniu odpowiednich informacji z przeprowadzonych analiz, konstruktor może podjąć właściwe decyzje i rozpocząć prace nad docelową konstrukcją. Jak widzimy proces konstruowania jest procesem iteracyjnym: analiza – decyzja – synteza i tak w kółko aż do skutku.

Wszystkie analizy zostały przeprowadzone w programie Cadmould. Z tego programu korzystamy nieprzerwanie w Wadim Plast od 15 lat i dla naszych konstruktorów jest niewyobrażalne, że można zbudować dobrą formę bez ciągłego odwoływania się do analiz.

Po przeprowadzeniu analiz, kolejnym etapem jest wybór materiałów do budowy form pracujących w tzw. czystych pomieszczeniach. Formy muszą być tak zbudowane, aby podczas pracy nie wydzielały żadnych pyłów i drobinek smaru. Wszystkie elementy muszą być odporne na korozję i posiadać odpowiednie atesty medyczne, wszystkie prowadnice powinny pracować bezsmarowo, a wszystkie napędy powinny być hermetyczne i nie mogą wydzielać podczas pracy produktów ubocznych typu pyły, zawiesiny itp.

W następnym numerze ukaże się artykuł o materiałach dedykowanych do form medycznych.

 

Autor: Jerzy Dziewulski, Wadim Plast

Artykuł ukazał się w TS RAPORT nr 72/2014

Na górę