Типы литников литьевых форм: практическое сравнение для инженеров и закупщиков

Какие существуют типы впусков пресс-форм для литья под давлением?

Литник литьевой формы — узкий канал, по которому расплавленный пластик поступает из литниковой системы в полость формы. Тип, размер и расположение литника — решения по конструкции оснастки, влияющие на равномерность заполнения, качество поверхности, напряжения в детали, след литника и выталкивание. Правильно выбрать литник на этапе DFM дешевле, чем исправлять ошибку после обработки стали. В этом руководстве основные типы литников рассмотрены с точки зрения инженера-инструментальщика; общий контекст процесса приведён в нашем полном руководстве по литью под давлением, а основы проектирования форм — в полном руководстве по литьевым формам.

Неправильный выбор типа литника — одна из самых дорогих ошибок при проектировании литьевой формы: часто приходится дорабатывать сталь, добавлять новую вставку или полностью браковать первые образцы. Тем не менее многие инженеры по привычке выбирают боковой литник, не оценивая его соответствие геометрии детали, смоле и объёму производства. Это руководство даёт структурированный подход к выбору правильного литника до начала резки стали.

Литники в целом делятся на две группы: холодноканальные (канал затвердевает и извлекается вместе с деталью) и горячеканальные (канал остаётся расплавленным на протяжении цикла). В каждой группе есть несколько геометрических вариантов. Правильный выбор зависит от геометрии детали, смолы, требований к внешнему виду и объёма производства.

Что такое кромочный литник?

Кромочный литник (также называемый боковым) — самый распространённый тип литника при литье под давлением. Он расположен на линии разъёма¹ формы и подаёт материал непосредственно в боковую часть детали. Сечение литника обычно прямоугольное: шириной 1–5 мм и глубиной 0,5–2 мм в зависимости от толщины стенки детали. После литья литниковый канал и литник удаляют вручную; на кромке детали остаётся видимый след размером 0,5–2 мм.

Кромочные литники популярны не случайно: их легко добавлять, регулировать и обрабатывать. Если первый образец показывает недоливы или несбалансированное заполнение, инструментальщик может расширить литник за один день. Они подходят почти для любого термопластичного полимера и особенно хорошо работают с прямоугольными или плоскими деталями. Главное ограничение — видимый след литника: если на этой стороне детали находится декоративная кромка или прецизионная сопрягаемая поверхность, нужен другой тип литника.

При объемах производства примерно до 100,000 впрысков в год краевой литник часто является вариантом с наименьшим риском и стоимостью. При более высоких объемах накапливаются затраты на последующую обрезку. Практическое правило нашей команды: если ожидается более 500,000 деталей в год и к внешнему виду детали предъявляются какие-либо требования, с самого начала переходите на подводный литник или горячеканальную систему.

Как работает туннельный литник?

Подводящий туннельный литник представляет собой конический канал, расположенный под углом 30–45 градусов ниже линии разъёма. При раскрытии формы и извлечении детали литник автоматически срезается в самом узком месте, устраняя ручную обрезку и оставляя след менее 0.1 mm. Эта конструкция, также называемая туннельным или долотообразным литником, подаёт материал по изогнутому каналу, входящему в деталь сбоку или снизу.

Обработка туннельных литников стоит дороже, чем кромочных: наклонный туннель требует EDM или аккуратной обработки CNC, но они экономят труд при каждом впрыске. При производственной партии в 1 миллион впрысков устранение 2 секунд обрезки на деталь экономит более 500 часов труда. Они особенно полезны, когда литник нужно скрыть снизу или на внутренней поверхности детали.

Туннельные литники обычно применяют с ABS, PP, HIPS и другими материалами, которые чисто срезаются. Хрупкие или стеклонаполненные материалы могут треснуть у литника при выталкивании, поэтому туннельные литники плохо подходят для таких смол. Расположение литника необходимо выбирать тщательно: туннель должен обходить штифты выталкивателя и другие элементы пресс-формы. В ходе анализа DFM мы всегда проверяем возможность применения туннельного литника уже на первом сеансе проверки — его перенос после обработки стали означает повторную обработку значительного участка вставки полости.

Что такое точечные литники и литники с горячим наконечником?

Точечные литники — небольшие круглые литники диаметром обычно 0,5–1,5 мм, применяемые в трёхплитных формах с холодноканальной системой². Трёхплитная конструкция обеспечивает автоматическое отделение литникового канала от детали при раскрытии формы, поэтому литник удаляется сам. Такие литники часто используют для небольших деталей и многогнёздных форм, когда материал нужно подавать в центр или верхнюю часть детали, а не с края.

Литники с горячим наконечником являются горячеканальным аналогом точечных литников. Нагретый наконечник сопла прилегает непосредственно к полости и впрыскивает пластик через отверстие 0.5–1.5 mm без канала или холодного спая. При отводе сопла на поверхности детали почти не остаётся следа — часто лишь небольшая выемка, учтённая в геометрии. Горячие наконечники добавляют от $800 до $2,500 за точку впуска к стоимости оснастки, но полностью устраняют отходы каналов и сокращают цикл, исключая охлаждение литниковой системы. Для деталей с объёмом 500,000+ впрысков в год экономика почти всегда благоприятствует горячеканальной системе с горячими наконечниками.

Когда следует использовать веерные и пленочные литники?

Веерные литники расширяются вдоль значительной части кромки детали — иногда до 30–100 мм — и создают широкий тонкий фронт потока. Это снижает линейную скорость потока и напряжение сдвига³ на входе, что важно для хрупких материалов, таких как поликарбонат и акрил, а также для очень тонкостенных деталей. Плавно сужающиеся боковые поверхности обеспечивают переход от ширины канала к более широкому литнику без концентрации напряжений.

Пленочные литники (в некоторых источниках также называемые плоскими) — крайний вариант веерных литников: они проходят по всей ширине края детали с равномерной малой глубиной (0.2–0.5 mm). Они обеспечивают наиболее равномерный фронт заполнения больших плоских деталей, но оставляют крупный след, требующий обрезки. Диафрагменные литники — их осесимметричный аналог: они равномерно подают материал по окружности цилиндрической детали, предотвращая линию спая, которая возникла бы при подаче с одной стороны. Диафрагменные литники обязательны для круглых компонентов, таких как втулки, трубки и рабочие колеса, где линия спая на внутреннем или наружном диаметре снизила бы прочность детали.

Многоточечный впуск с двумя и более литниками полезен для крупных плоских деталей. Он снижает давление, длину потока и концентрацию напряжений одного крупного литника. Компромисс — линии спая при встрече фронтов. Для выбора обязательно моделирование Moldflow или Moldex3D, показывающее линии до обработки стали.

Какой тип литника подходит для вашего проекта?

В таблице ниже приведены основные компромиссы между семью главными типами литников. Используйте её как первичный фильтр, а затем подтвердите выбор с помощью анализа DFM и, для сложных деталей, моделирования течения расплава.

Несколько правил выбора, применимых в большинстве случаев. Если к детали нет требований по внешнему виду и годовой объём составляет менее 200,000 циклов, начните с кромочного литника и оптимизируйте позже. Если литник расположен на поверхности B, то есть скрытой стороне, а смола чисто срезается (ABS, PP, HIPS), используйте туннельный литник. Если внешний вид поверхности критичен где-либо рядом с литником, используйте горячеканальную систему с горячим наконечником или клапанным литником. Если деталь большая, плоская и тонкостенная, используйте веерный литник или несколько литников с горячими наконечниками по результатам анализа течения расплава. Эти правила охватывают примерно 80% реальных решений по выбору литника.

Размер литника — ещё одна область, где в ежедневном производстве мы видим дорогостоящие ошибки. Слишком малый литник вызывает недолив и высокое давление заполнения; слишком большой увеличивает время охлаждения и создаёт проблемный след. В нашей мастерской в Шанхае инструментальщики задают глубину литника 50–80% толщины стенки детали для большинства аморфных полимеров. Эта отправная точка подходит примерно для 70% проектов, после чего мы уточняем размер по результатам испытания T1.

Каковы распространённые проблемы с впусками и как их предотвратить?

Наиболее распространённые проблемы, связанные с литниками, — струйное течение, ореолы, прижоги, чрезмерный след и преждевременное застывание литника; каждая вызвана конкретными недостатками геометрии литника, температуры расплава, скорости впрыска или расположения литника. Для их предотвращения требуется точная корректировка размера и положения литника.

Струйное течение возникает, когда литник слишком мал относительно полости: пластик с высокой скоростью проходит через литник и ударяется о дальнюю стенку до заполнения полости с боков, оставляя на поверхности детали змеевидный след или волнистый рисунок. Решение: расширить литник или перенести его так, чтобы струя сразу ударялась о стенку или стержень. Другой вариант — снизить скорость впрыска в начале заполнения; многие производители применяют двухступенчатую скорость, медленно заполняя область литника, а затем ускоряя впрыск.

Матовый ореол (тусклая, заиндевевшая зона вокруг литника) возникает, когда литник слишком велик или температура расплава слишком высока: пластик охлаждается на поверхности пресс-формы до начала правильного течения. Решение: уменьшите длину калибрующей части литника или немного повысьте температуру пресс-формы. Прижоги у литника указывают на нагрев захваченного воздуха при сжатии либо на слишком высокую скорость сдвига пластика. Проверьте, что сечение литника обеспечивает скорость сдвига ниже 50,000 s⁻¹ для стандартных смол.

Время затвердевания литника определяет стабильность массы детали: слишком раннее затвердевание допускает обратный поток и недолив. Литник должен оставаться открытым достаточно долго, чтобы давление выдержки компенсировало объемную усадку при охлаждении детали. Если литник затвердевает до завершения выдержки, гнездо недозаполняется и масса детали меняется от цикла к циклу. Решение — увеличить сечение литника, температуру расплава или время выдержки.

Побеление у литника на текстурированных поверхностях возникает, когда пластик сдвигается о поясок литника с неправильной скоростью: слишком высокая скорость создаёт матовый ореол. Решение — двухступенчатая скорость впрыска: медленно через литник, затем быстро после выхода из пояска литника. Для текстурированных поверхностей длина пояска литника 0.5–1mm уменьшает площадь контакта при сдвиге. С самого начала зафиксируйте геометрию пояска литника в спецификации оснастки: после T1 этот размер изменить сложнее всего.

Часто задаваемые вопросы

Какой тип литника в литьевой форме является наиболее распространенным?

Боковой впуск — наиболее распространенный тип впуска при литье под давлением. Он расположен на линии разъема пресс-формы и прост в обработке, регулировке и ремонте. Он подходит почти для всех термопластичных смол и геометрий деталей. Основное ограничение — видимый след на кромке детали, обычно 0.5–2 mm, который необходимо удалять вручную. Для крупносерийного производства или деталей с требованиями к внешнему виду кромки инженеры после первоначальных испытаний часто переходят на туннельные или горячеканальные впуски.

В чем разница между подводящим каналом подводного типа и краевым каналом?

И краевые, и туннельные литники относятся к литникам холодноканальных систем, но различаются расположением, внешним видом и способом отделения. Краевой литник расположен на линии разъёма и после выталкивания требует ручной обрезки, оставляя след размером 0.5–2 mm. Туннельный литник обрабатывается как наклонный канал ниже линии разъёма; при выталкивании детали литник автоматически срезается, оставляя след менее 0.1 mm. Изготовление туннельных литников дороже, но они устраняют вторичную операцию обрезки, поэтому лучше подходят для крупносерийного производства 100,000 деталей и более в год.

Когда следует использовать горячеканальный литник вместо холодноканального?

Горячеканальные литники становятся экономически оправданными, когда объем производства превышает приблизительно 200,000–500,000 впрысков в год или когда к внешнему виду детали рядом с литником предъявляются особые требования. Горячеканальные системы устраняют отходы литников (экономя материал), сокращают время цикла (нет фазы охлаждения литника) и позволяют размещать литники на поверхностях вне линии разъема. Дополнительная стоимость оснастки — обычно $3,000–$15,000 в зависимости от количества точек впрыска и сложности коллектора — окупается за счет экономии материала и времени цикла в течение одного-двух лет крупносерийного производства.

Как выбрать между горячеканальным затвором с горячим наконечником и клапанным затвором в горячеканальной системе?

Оба варианта относятся к горячеканальным, но клапанные литники дают более чистый внешний результат. Литник с горячим наконечником оставляет небольшое углубление 0.3–0.5 mm. В клапанном литнике механический штифт закрывается до застывания пластика, оставляя ещё более плоский след. Клапанные литники стоят на $700–$2,000 дороже за каждую точку и требуют обслуживания привода клапанного штифта. Выбирайте горячий наконечник, когда небольшое углубление допустимо; клапанный литник — когда поверхность должна быть идеально плоской.

Могу ли я изменить тип затвора после изготовления формы?

Стоимость изменения впуска после изготовления пресс-формы варьируется от небольшой до очень высокой в зависимости от типа изменения. Расширение или углубление краевого впуска — простая операция по удалению стали, обычно занимающая один-два часа машинного времени. Переход с холодноканальной системы на горячеканальную требует изготовления нового коллектора и сверления новых каналов — это серьёзная перестройка стоимостью 40–80% от исходной оснастки. Перенос туннельного впуска требует заполнить старый туннель стальной вставкой и обработать новое место. Всегда окончательно определяйте тип и расположение впуска на этапе DFM до T1, чтобы избежать дорогих доработок.

Какой тип ворот лучше всего подходит для нейлона, наполненного стеклом, или других смол, наполненных стеклом?

Стеклонаполненные смолы абразивны и хрупки в точке среза литника, поэтому туннельные литники не подходят: стекловолокно разрушается в точке автоматического отделения при выталкивании. Стандартным решением служат кромочные литники с закаленной инструментальной сталью (H13 или S136) в зоне литниковой площадки. Размер литника должен обеспечивать более низкие скорости сдвига, чтобы свести к минимуму разрушение волокон и износ. Клапанные литники горячеканальной системы отлично подходят для крупносерийного производства, поскольку игла клапана обеспечивает надежное закрытие. Веерные литники хорошо подходят для крупных плоских деталей из стеклонаполненного нейлона, распределяя сдвиговую нагрузку и уменьшая ориентацию волокон.

За более чем 20 лет работы с литьём под давлением мы убедились: самое дорогое решение по литнику — то, которое приходится пересматривать после получения образцов T1. На нашем предприятии в Шанхае работают 45 машин (90–1850 т), а восемь старших инженеров по формам обязательно проверяют расположение литников при каждом анализе DFM. Если вам нужна помощь в выборе типа литника, наша инженерная команда готова помочь. Запросите бесплатный анализ DFM и расположения литников — восемь наших старших инженеров проверят вашу 3D CAD-модель и в течение 24 часов предложат оптимальную конструкцию литника.