Proces konstruowania narzędzi produkcyjnych (w szczególności form wtryskowych) wymaga nie tylko znajomości wielu zagadnień związanych z samym modelowaniem narzędzia, ale przede wszystkim – praktycznej znajomości procesu jego wytwarzania.
Marek Fryda, Aleksander Chabura
Niezwykle cenna staje się wiedza z zakresu chemii polimerów oraz ich przetwórstwa. Łącząc te dziedziny inżynierii, możliwe staje się takie zaprojektowanie narzędzia, aby spełnione zostały wymogi:
- niskiego kosztu wytworzenia formy,
- umożliwienia wykonywania zmian w konstrukcji na etapie uruchomienia narzędzia oraz podczas jego eksploatacji,
- zapewnienia możliwie najlepszych warunków samego przetwórstwa tworzywa, skutkujących wypraską o dobrej jakości
- zapewnienia niskiego kosztu produkcji wypraski.
Do najważniejszych elementów procesu tworzenia formy wtryskowej należy jej projektowanie.
Jednym z systemów ułatwiających prace konstrukcyjne jest program CATIA V6, wspomagający proces projektowania wyrobu, konstrukcję oraz proces tworzenia technologii obróbki CAM, który oferuje w pełni parametryczne i asocjatywne środowisko projektowe wraz bibliotekami elementów znormalizowanych. Użytkownik ma do dyspozycji gotowe biblioteki części (m.in.: HASCO, DME, Meusburger) oraz możliwość tworzenia własnych bibliotek, o czym pokrótce – w poniższym artykule.
Rys. 1
Proces projektowania formy wtryskowej możemy podzielić na trzy etapy:
1. przygotowanie geometrii wyrobu pod kątem technologiczności wypraski wraz z analizą procesu wtrysku,
2. przygotowanie części formujących formy,
3. przygotowanie formy wtryskowej ze wszystkimi elementami funkcjonalnymi, począwszy od skrzynki, poprzez układ wypychania, dostarczenia tworzywa do gniazda/gniazd, a kończąc na elementach typu złącza elektryczne systemów gorących kanałów czy układy chłodzenia.
Użytkownik ma do dyspozycji dwa moduły związane bezpośrednio z punktem 2 i 3 procesu projektowego: Core & Cavity Design oraz Mold Tooling Design.
Poniżej opiszemy proces tworzenia narzędzia na przykładzie słupa prowadzącego (HASCO Z00 – Rys. 1). Pierwszym etapem jest stworzenie dowolnego elementu z danej rodziny narzędzi. Najczęściej wykorzystujemy do tego celu narzędzia z modułu Part Design. Tworzymy szkic, parametryzujemy poszczególne wymiary, dodajemy również parametry niezwiązane bezpośrednio z geometrią modelu, takie jak materiał, dostawcę oraz inne parametry opisujące nasz element. Wykonujemy bryłę dodatnią oraz ujemną, która w późniejszych etapach będzie potrzebna do usuwania materiału po wstawieniu narzędzia do skrzynki. Ostatnim krokiem jest stworzenie szablonu konstrukcyjnego (Design Table) dla poszczególnych wariantów narzędzia zawierającego parametry, o których była mowa powyżej.
W ten sposób otrzymaliśmy model parametryczny dla całej rodziny elementów typu słup prowadzący Z00. Następnym krokiem jest zdefiniowanie naszej części jako narzędzia. W tym celu należy wybrać moduł Tooling Design. Używając funkcji Define Tooling Component (Rys. 2) możemy zdefiniować większość narzędzi dostarczanych przez producentów (Rys. 3). Typy narzędzi są podzielone na grupy oraz podgrupy. Jako przykład może posłużyć grupa Guiding Component, w której znajdują się słupy prowadzące (Leader Pin). Niezbędnym elementem jest definicja układu współrzędnych, względem którego będzie pozycjonowany element w skrzynce.
Definiując narzędzie użytkownik ma możliwość w prosty i intuicyjny sposób zmiany typu narzędzia. Jako przykład może posłużyć zmiana cechy konstrukcyjnej jaką jest otwór wykonany w skrzynce. Definiując narzędzie jako element gwintowany (np. śruba) w sposób automatyczny zostanie on nadany na otwór. Na tym etapie definicji narzędzia użytkownik ma także możliwość zmiany tej cechy konstrukcyjnej (Rys. 2).
Rys. 2
Ostatnim krokiem procesu definiowania narzędzi jest stworzenie modeli zapisanych parametrycznie za pomocą szablonu konstrukcyjnego Design Table. W tym celu używamy funkcji Family Component (Rys. 4), która tworzy części powiązane z modelem narzędzia oraz umieszcza je w odpowiednim katalogu. Każda część zdefiniowana w katalogu poprzez funkcję Family Component jest opisywana przez parametry zawarte w modelu bazowym narzędzia, co umożliwia łatwiejsze wyszukanie i wstawienie elementu podczas prac projektowych.
Rys. 3
Narzędzie Family Component może również zmienić status naszych elementów na zatwierdzone (RELEASED), co pozwala zapobiec ich niechcianym modyfikacjom przez użytkowników, niezależnie od posiadanych przez nich uprawnień.
Rys. 4
W ten sposób definiujemy wszystkie narzędzia wykorzystywane podczas konstruowania form wtryskowych w systemie CATIA V6. Proces definiowania elementów standardowych jest dość długi i żmudny, ale pozwala on na znaczne skrócenie czasu pracy w późniejszych etapach konstrukcji formy, co w czasach ciągłego obniżania kosztów w każdym obszarze działalności firmy jest elementem poprawiającym rentowność projektów.
W sposób analogiczny definiujemy skrzynki form wtryskowych danego producenta. Proces ten zostanie opisany na przykładzie produktów firmy HASCO. W CATII V6 są zapisane szablony standardowe, które umożliwiają szybkie definiowanie elementów składowych formy poprzez odpowiednią definicję parametrów (Rys. 5). Sprowadza się to do uzupełnienia szablonu konstrukcyjnego odpowiednimi wartościami parametrów lub ewentualne dodanie dodatkowych parametrów potrzebnych do opisu skrzynek.
Rys. 5
W kolejnym etapie należy zapisać poszczególne pliki z parametrami do odpowiednich katalogów uwzględniając typ elementu (CavityPlate, ClampingPlate, CorePlate…). Ponieważ każdy z elementów opisany jest poprzez charakteryzujące go parametry takie jak wymiar i materiał, system automatycznie analizuje zawartość folderu i wstawia żądaną formę. Dla ułatwienia pracy należy jeszcze skonfigurować model MoldBaseDescription, który określa jakie narzędzia maja być wstawione do określonej formy. Narzędzia, które zostały zdefiniowane powyżej będą się odnosić do fizycznych elementów zapisanych w katalogach i wyszukiwane po parametrach opisujących katalog. Teraz w łatwy sposób można wstawić skrzynkę narzędziem Mold Base. Proces wstawiania skrzynki przedstawiono na rysunku 6.
Rys. 6
W ten sposób zakończyliśmy właśnie jeden z najbardziej wymagających etapów procesu projektowego tj. definiowanie środowiska, które umożliwia pracę konstruktorowi. Teraz omówimy wspomniane wcześniej moduły Core & Cavity Design oraz Mold Tooling Design.
Pierwszy z nich służy do tworzenia części formujących typu stempel/matryca oraz umożliwia definiowanie alternatywnych kierunków formowania wypraski, np. dla suwaków, czy wkładów skośnych.
Mold Tooling Design to narzędzia do tworzenia elementów funkcjonalnych formy.
Do dyspozycji mamy elementy znormalizowane typu skrzynka oraz kompletne normalia jak słupy i tuleje prowadzące, wypychacze okrągłe, odsadzone, płaskie, tulejowe, zespoły centrujące, pierścienie centrujące, tuleje wtryskowe itp. Użytkownik może także stworzyć własny kompletny zespół suwaka, który zostanie zapisany w bazie, co umożliwi jego wielokrotne wykorzystywanie w kolejnych projektach. Innym przykładem może być stworzenie zespołu wypychacza tulejowego składającego się z dwóch elementów – wypychacza hartowanego okrągłego oraz wypychacza tulejowego.
Pierwszym krokiem podczas tworzenia formy jest przygotowanie naszego elementu wtryskiwanego tak, aby spełniał on wymagania elementu typu MoldedPart, który będzie można wczytać do formy. Zaczynając pracę z programem możemy przeprowadzić kilka rodzajów analiz: odformowania, zaokrągleń oraz analizę grubości ścianek elementu (Rys. 7), które są niezbędne do określenia technologiczności naszej części.
Rys. 7
Po przeanalizowaniu modelu można przejść do wyznaczania poszczególnych elementów potrzebnych do stworzenia modelu typu MoldedPart. Są to między innymi linie podziału formy (wewnętrzne i zewnętrzne) oraz powierzchnie podziału. Używając narzędzi z grupy Pulling Direction oraz Curves dokonujemy podziału naszej części na tzw. Core i Cavity. Po wykonaniu tej operacji system automatycznie dokonuje podziału informując użytkownika poprzez nadanie odpowiednich kolorów na poszczególne elementy. Kolejnym krokiem jest wyznaczenie powierzchni podziału formy przy użyciu narzędzia Parting Surface.
Tak przygotowaną geometrię należy w odpowiedni sposób udostępnić do kolejnych kroków projektowych poprzez ich publikację. Ostatnim etapem jest wspomniana wcześniej zamiana modelu typu Part na element typu MoldedPart za pomocą narzędzia Define Molded Part (Rys. 8).
Rys. 8
Po zdefiniowaniu elementu typu MoldedPart kolejnym ważnym elementem naszej formy jest zdefiniowanie punktów wtrysku. Wykorzystujemy do tego dedykowane narzędzie Injection Point, które w odpowiedni sposób wstawia określony typ przewężki. Przykładowy proces przedstawiono na rysunku 9.
Rys. 9
Po przygotowania elementu, przechodzimy do wstawienia go do predefiniowanego szablonu skrzynki. W tym celu używamy modelu MoldProjectUnit dostarczanego przez producenta oprogramowania. Jest on przystosowany do pobrania opublikowanych elementów z modelu MoldedPart (model MoldProjectUnit można zmodyfikować do własnych potrzeb lub stworzyć go od podstaw). Praca na MoldProjectUnit polega na podmianie istniejącego modelu MoldedPart na stworzony przez użytkownika (Rys. 10).
Rys. 10
System automatycznie dobierze wszystkie niezbędne parametry definiujące wielkość skrzynki. Dopasowanie automatyczne jest możliwe w momencie gdy użytkownik znajduje się w trybie tzw. automatycznym (Adaptative). Nie wyklucza to możliwości ręcznej modyfikacji parametrów skrzynki, należy tylko przełączyć się w tryb ręcznej modyfikacji (Declarative) i dokonać zmiany odpowiednich wymiarów. Po dopasowaniu szablonu skrzynki przechodzimy do wstawienia ostatecznej wersji formy; należy tu wspomnieć o możliwości wykonania formy wielogniazdowej narzędziem Layout Unit. Do tego celu wykorzystujemy szablon wcześniej przygotowanej skrzynki, co zostało przedstawione na rysunku 11.
Rys. 11
Tak przygotowana geometria pozwala nam na wykonanie jednego z ostatnich etapów tworzenia formy, jakim jest wstawienie skrzynki. Za pomocą narzędzia Mold Base wstawiamy skrzynkę dopasowaną do modelu koncepcyjnego. Program automatycznie ogranicza nam dostępność poszczególnych wariantów oznaczając je kolorem czerwonym w zależności od wielkości modelu skrzynki tymczasowej. Należy również zaznaczyć opcję With Components oraz With Impact, które powodują wstawienie skrzynki wraz z narzędziami oraz usunięcie materiału w skrzynkach za pomocą brył ujemnych zdefiniowanych podczas tworzenia narzędzi. Wyniki tej operacji są przedstawione na rysunku 12.
Rys. 12
Wstawienie skrzynki nie zamyka nam drogi do edycji tego elementu; dzięki zastosowaniu narzędzia Design Table wystarczy odnaleźć odpowiednie tabele dla poszczególnych części składowych formy, wybrać wiersz z listy, a następnie przeliczyć reguły zarządzające wstawianiem poszczególnych płyt w formie (Rys. 13).
Rys. 13
Po operacji wstawienia skrzynki możemy przejść do definiowania narzędzi, o doborze których decyduje konstruktor np. wypychacze, tuleje wtryskowe czy też kanały doprowadzające wraz z kanałami chłodzącymi itp.
Najpierw zdefiniujemy wypychacze (Rys. 14), model MoldProjectUnit oferuje nam taką możliwość poprzez edycje odpowiedniego szkicu, wstawiając punkty, w których mają się znajdować nasze elementy. Edytując produkt ConceptMoldSkeleton, jednocześnie zdefiniujemy położenie wszystkich wypychaczy dla czterech gniazd.
Rys. 14
Ostatnim krokiem podczas definiowania wypychaczy jest wstawienie odpowiednich elementów w miejscach, które wcześniej zdefiniowaliśmy. Używając narzędzia Ejector Anchor Pattern (Rys. 15) definiujemy szyk oraz rodzaj wypychaczy np. Core Pin, Ejector Pin, Ejector, Flat Ejector. Jest to ważny element, ponieważ późniejsza zmiana typu nie jest możliwa podczas wstawiania wypychaczy.
Rys. 15
Narzędzie Ejector Wizard (Rys. 16), automatycznie wykrywa ConceptMoldSkeleton, w którym znajduje się pozycja wypychaczy, zaznaczając opcje wycięcia naszych elementów w formie, a jednocześnie przycięcia ich do powierzchni podziału.
Rys. 16
Po wstawieniu wypychaczy możemy przejść do tworzenia kanałów doprowadzających tworzywo do gniazd formy z pomocą narzędzia Runner (Rys. 17). W oparciu o szkice tworzymy kanał, wybierając jego kształt oraz rodzaj zakończeń. Używając narzędzia Tooling Impact (Rys. 18) wycinamy kanały w formie.
Rys. 17
Podobnie postępujemy przy wstawianiu kanałów chłodzących. Najpierw wybieramy narzędzie Cooling Circuit, a następnie pozycjonując kompas w odpowiednim miejscu tworząc punkt początkowy dla linii, która jest osią kanału. Jej długość wyznaczamy poprzez przesunięcie kompasu po kierunku osi x, y, z. Ostatnim krokiem jest określenie wartości średnicy dla kanału (Rys. 19).
Rys. 19
Tak samo jak przy kanałach doprowadzających tworzywo, tutaj też wykorzystujemy do wycięcia kanałów chłodzących narzędzie Tooling Impact (Rys. 20), wskazując powstałe kanały. System automatycznie wykrywa elementy formy, przez które przechodzą.
Rys. 20
Teraz pozostaje spozycjonowanie narzędzi standardowych, które nie są wstawiane automatycznie podczas generowania skrzynki. Opierając się na punktach 3D lub punktach w szkicowniku, tworzymy elementy typu Anchors (Rys. 21) przypisując im odpowiednie grupy narzędzi. W ten sposób tworzymy wszystkie punkty zaczepienia dla kolejnych narzędzi.
Rys. 21
Rys. 22
Po zdefiniowaniu punktów możemy wstawić pozostałe elementy formy narzędziem Insert Tooling Products. Do wycięcia wstawionych elementów w formie, używamy narzędzia Tooling Impact (Rys. 23).
Rys. 23
Tak pokrótce (i z konieczności szablonowo) przedstawia się proces tworzenia formy wtryskowej w CATII V6, który to system pozwala stworzyć kompletną formę zarówno na bazie standardów znanych producentów, jak i w oparciu o własny standard zapisany w bazie.
Marek Fryda
Aleksander Chabura
IBS Poland
artykuł pochodzi z wydania 11 (74) listopad 2013
