Проектная жизнь проектируется, а не измеряется — уроки разработки пресс-форм

Момент, когда большинство инженеров осознают, что «жизнь» существует

Во многих проектах инженеры впервые сталкиваются со словом «жизнь» слишком поздно.

Не во время рассмотрения концепции.
Не во время структурного проектирования.
Не во время выбора материала.
Не раньше открытия формы.

Это появляется в тестовых случаях. В спецификациях. В руководстве пользователя, на стадии доработки.

Где-то строчка гласит:

Расчетный срок службы: 3 года.
Проверка надежности: Протестировано в течение 5 лет при эквивалентном использовании.

Именно тогда вас осенило: каждая структура, которую вы нарисовали, каждый выбранный вами материал, каждый определенный вами допуск, каждая полость, которую вы вырезали в форме, должны были быть связаны с этой жизненной целью.

Но дизайн готов. Форма разрезается. Образцы сделаны. Тестирование вот-вот начнется.

Требования к сроку службы часто прописываются в спецификациях испытаний, но никогда не учитываются в процессе проектирования или шаблоне.

Многие инженеры думают, что они занимаются проектированием продуктов. На самом деле они занимаются проектированием на основе эталонов — копируя предыдущие конструкции, материалы, толщину стенок и радиусы из старых форм.

Эти ссылки имеют ценность. Но они не могут заменить инженерию жизни.

Инженерия жизни не спрашивает: «Дело ли это раньше?»

Он спрашивает: «После 3 или 5 лет реального использования, что может привести к выходу этого продукта из строя? И мой дизайн – и моя форма – уже решили эту проблему?»

Почему жизнь можно спроектировать?

Продукты выходят из строя не потому, что «время истекает».

Они терпят неудачу, потому что запас производительности постепенно поглощается повреждениями, пока не пересекает границу отказа.

Отвратительный босс не решается на свой третий день рождения. Каждая вибрация, падение и термический цикл накапливают повреждения в корне — повреждения, которые начались с расположения литника формы, положения линии сварки и остаточного напряжения из-за заполнения полости.

Защелка не ослабнет внезапно через 2 года. Длительное напряжение и тепло постепенно ослабляют предварительную нагрузку — предварительную нагрузку, которая определяется размерами формы, равномерностью охлаждения и напряжением выталкивания.

Срок службы = Начальный расчетный запас — Урон, потребляемый с течением времени, пока не будет преодолен порог отказа.

Три вещи определяют жизнь:

1. Что считается провалом — порог отказа.

2. Какая маржа существует изначально.

3. Как быстро расходуется эта маржа.

И это почти полностью решается во время проектирования и разработки пресс-формы.

Вот почему срок службы продукта проектируется, а не измеряется.

Форма не создает жизнь — она реализует ту жизнь, которая была (или не была) заложена в деталь.

Тестирование не создает жизнь. Тестирование сжимает годы повреждений в лаборатории, чтобы проверить, достаточен ли запас вашего дизайна — и способность вашей формы постоянно производить этот запас .

Если во время проектирования жизнь никогда не предполагалась, тестирование может сказать вам только, что «оно сломалось».
Если механизмы отказа были идентифицированы во время проектирования и заложены в нем , тестирование может сказать вам, «сколько еще осталось запаса».

Прохождение тестов не означает, что жизнь была спроектирована

Рассмотрим распространенный случай:

Пластиковая втулка винта проходит статический FEA. Прототипы собираются нормально. Первые тесты пройдены.

Но после вибрации, падения и термоциклирования — появляются трещины в корне.

Заходим в производство: одни партии трескаются, другие нет. Из некоторых полостей в многоместной пресс-форме получаются качественные детали, из других наблюдается более высокий процент отказов. На некоторых сборочных линиях есть проблемы, на других нет.

Вы проверили мгновенную силу.

Но продукту грозят годы накопительного повреждения , и плесень определяет многие переменные:

• Расположение ворот влияет на ориентацию потока и остаточное напряжение.

• Положение линии сварного шва создает локальную слабость.

• Равномерность охлаждения влияет на усадку и внутреннее напряжение.

• Размещение выталкивающего штифта может привести к концентрации напряжений.

• Баланс бегунка определяет постоянство качества от полости к полости.

• Качество вентиляции влияет на давление наполнения и деградацию материала.

Пресс-форма не просто формирует деталь. Пресс-форма формирует жизнь детали.

Статическая прочность спрашивает: «Разрушится ли он в этот момент?»
Лайф-инжиниринг спрашивает: «Через 3 года, при реальных нагрузках и вариациях производства, включая вариации от полости к полости, какой запас останется?»

Это не один и тот же вопрос.

Прохождение испытаний только подтверждает, что протестированные образцы прошли испытания в условиях испытаний. Это не доказывает, что вы понимаете жизнь. Это не доказывает, что из каждой полости вашей формы будут изготавливаться выживающие детали.

Если вы никогда не задавались вопросом : «Какой механизм отказа нацелен на этот тест и как на него влияет моя плесень?» — тогда прохождение — это просто «проблемы еще не выявлены».

Сначала переведите «Жизнь» на инженерный язык.

Во многих проектах отсутствуют не жизненные требования, а требования, полезные для инженеров.

«Срок службы продукта: 3 года» не является параметром проектирования. Это также не входные данные для проектирования пресс-формы.

Инженерам не нужны «годы» — им нужно «то, что происходит за эти годы».

Не пишите просто: «Срок эксплуатации: 3 года».

Объяснить:

• Какая среда? Температура? Влажность? Химикаты?

• Сколько циклов в день?

• Какие нагрузки?

• Что считается провалом – переломом? Ослабление? Погремушка? Чувствуете деградацию?

• Насколько допустимы потери при удержании?

• Соответствуют ли условия испытаний реальному использованию?

И для формы:

• Какое расположение ворот сводит к минимуму напряжение, вызванное потоком, в критических областях?

• Какая конструкция охлаждения обеспечивает равномерную усадку и минимальное остаточное напряжение?

• Какая стратегия извлечения позволяет избежать стресса на чувствительных элементах после формования?

• Какая конструкция вентиляции предотвращает образование ожогов или деградацию, которые могут стать местами возникновения трещин?

Пример: «Срок службы: 3 года» недостаточен.

Лучше: «При комнатной и повышенных температурах, примерно 20 циклов в день (всего около 20 000), защелкивающаяся посадка должна сохранять достаточную фиксацию — без трещин, без расшатывания, без дребезжания, без заметного ухудшения. Форма должна закрывать корень защелкивающейся посадки, чтобы минимизировать ориентацию потока, перпендикулярную направлению нагрузки, и выталкивать ее, не повреждая геометрию защелкивающейся посадки».

Когда жизнь интерпретируется таким образом и связана с шаблоном , инженеры знают, что проектировать.

Три столпа: порог, маржа, уровень ущерба

1. Определите порог отказа

Что на самом деле означает «конец жизни»?

• Перелом? Ослабление? Погремушка?

• Удерживающая сила ниже X?

• Зазор превышает Y?

• Снижение крутящего момента за пределами Z?

Без порога отказа жизнь невозможно спроектировать, а форму невозможно спроектировать так, чтобы он постоянно достигал этого порога.

2. Создайте начальную маржу

Новые продукты должны работать выше порога отказа. Гэп — это первоначальная маржа.

• Запас прочности.

• Удерживающая маржа.

• Уплотнение запаса сжатия.

• Запас прочности.

Форма определяет, насколько последовательно обеспечивается эта маржа:

• Вариации от полости к полости уменьшают запас для некоторых деталей.

• Варианты уплотнения ворот влияют на упаковку и плотность.

• Изменение охлаждения влияет на кристалличность и свойства.

• Стресс выброса может привести к повреждению деталей еще до их использования.

Слишком маленькая маржа → недостаточный срок службы.
Слишком большая прибыль → растраты, сложность сборки, вмятины.

Форма должна быть спроектирована таким образом, чтобы обеспечить запас прочности — каждый выстрел, каждую полость.

3. Контролируйте уровень ущерба

При использовании маржа потребляется постоянно:

• Усталость отнимает силы.

• Ползучесть потребляет предварительную нагрузку.

• Износ съедает зазор.

• Старение поглощает выносливость.

• Вариации производства сразу поглощают маржу.

Плесень влияет почти на все:

• Расположение ворот → ориентация потока → сопротивление анизотропной усталости.

• Скорость охлаждения → кристалличность → сопротивление ползучести.

• Конструкция выброса → поверхностное напряжение → чувствительность к ESC.

• Вентиляция → деградация материала → долгосрочное сохранение свойств.

Радиус может изменить жизнь — и форма должна это сделать

Самая дешевая инвестиция в жизнь — это зачастую радиус.

Радиусы уменьшают концентрацию напряжений , что снижает вероятность повреждения ..

Острый угол увеличивает местное напряжение. Более высокое напряжение облегчает возникновение трещин. Трещины быстро поглощают жизнь.

Но радиус эффективен только в том случае, если форма может его создать:

• EDM может создавать острые внутренние углы, если не указано иное.

• Полировка пресс-формы может скруглить критические радиусы, если ее не контролировать.

• Линии сварки могут приходить прямо на радиус, если расположение ворот не оптимизировано.

• Если охлаждение недостаточно, на толстых радиусах могут образовываться вмятины .

При одинаковом материале и толщине стенок разные радиусы корней — и разные возможности форм для их изготовления — приводят к разным жизненным результатам.

Радиусы замедляют накопление локальных повреждений — но только в том случае, если плесень наносит их последовательно.

Два долговременных отказа пластика: плесень влияет на оба

Ползучесть/релаксация стресса

Пластмассы вязкоупругие. При постоянной нагрузке стресс со временем снижается.

Тесные колготки сегодня могут ослабнуть через год.

Факторы плесени, влияющие на ползучесть:

• Скорость охлаждения влияет на кристалличность: более медленное охлаждение дает более высокую кристалличность и лучшее сопротивление ползучести.

• Расположение затвора влияет на ориентацию молекул — ориентация, перпендикулярная направлению нагрузки, снижает сопротивление ползучести.

• Давление уплотнения влияет на плотность: более высокая плотность улучшает характеристики ползучести.

• Напряжение выброса может создать предварительное повреждение, которое ускоряет ползучесть.

Вопросы по дизайну:

• Каковы данные о ползучести/релаксации этого материала?

• Контролируется ли напряжение корней?

• Есть ли запас для долгосрочного хранения?

• Ускоряет ли распад температура или повторяющиеся циклические циклы?

• Обеспечивает ли форма равномерное охлаждение, упаковку и выталкивание во все полости?

Хорошая защелка сегодня не является той, которая обеспечивает самое плотное прилегание. Это тот, который все еще имеет достаточную удерживающую способность в течение заданного срока службы - и форма должна обеспечивать это постоянно.

Растрескивание под воздействием окружающей среды (ESC)

ЭСК возникает при сочетании растягивающего напряжения и химического воздействия .

Напряжение может возникать из-за помех при сборке, крутящего момента винта, прессования вставки или остаточного напряжения, вызванного формованием.

Факторы плесени, влияющие на ЭКУ:

• Расположение ворот определяет распределение остаточных напряжений, вызванных потоком.

• Равномерность охлаждения влияет на дифференциальную усадку и внутреннее напряжение.

• Конструкция выброса может вызвать поверхностное напряжение в чувствительных местах.

• Вентиляция влияет на деградацию материала, что может снизить сопротивление ESC.

• Балансировка бегунков обеспечивает постоянное остаточное напряжение во всех полостях.

Проектные действия:

• Уменьшите напряжение при сборке.

• Избегайте острых углов у вставок и корней.

• Добавьте функции снятия стресса.

• Оптимизируйте формование, чтобы снизить остаточное напряжение — за счет размещения литников, конструкции охлаждения и стратегии выброса.

• Проверьте совместимость материала с потенциальными химическими веществами.

Многие пластиковые детали выходят из строя не из-за недостаточной прочности — они выходят из строя потому, что всегда присутствовало напряжение (часто из-за формования), а химические вещества ускоряли растрескивание.

Тестовые примеры должны быть введены в проектирование и разработку пресс-форм как можно раньше

Многие инженеры думают: «Я проектирую, вы тестируете. Если что-то не получается, я меняю».

Для инженерии жизни уже слишком поздно.

Если тесты терпят неудачу, материалы устанавливаются, формы вырезаются , а графики фиксируются.

Тестовые случаи должны стать картой рисков до начала проектирования и до того, как будет нарезана стальная форма.

Каждое жизненное испытание подразумевает реальный риск, а также последствия для конструкции пресс-формы:

Если вы поймете это до проектирования формы , тесты станут навигацией. .
Если вы увидите их только после того, как форма будет вырезана , тесты станут вердиктом..

Вариации производства определяют распределение жизни: плесень является основным источником

Общий шаблон:

Дизайн выглядит хорошо. Образцы проходят. Опытно-промышленное производство.

Массовое производство — появляются проблемы.

Срок службы продукта — это не одно число. Это распространение.

Плесень является крупнейшим источником распространения:

• Изменение от полости к полости.

• Изменение от цикла к циклу.

• Запуск по сравнению с установившимся изменением.

• Линия охлаждения со временем засоряется.

• Износ ворот в течение срока службы.

• Износ выталкивающего штифта влияет на поверхностное напряжение.

У некоторых образцов запас больше, у некоторых меньше. Некоторые партии материалов более жесткие, некоторые хрупкие. Некоторые полости постоянно производят более слабые детали.

Проблемы возникают при наихудшем сочетании , а не при среднем.

Четыре действия:

1. Анализ набора допусков — проверьте сборку наихудшего случая, а не номинального.

2. Технологические окна, а не только оптимальные — посмотрите, как производительность меняется в зависимости от температуры формы, скорости впрыска и давления упаковки.

3. Контролируйте критические характеристики — устанавливайте требования к возможностям для каждой полости, а не только в целом.

4. Граничные образцы — тестовые образцы из всех полостей, а не только из одной «репрезентативной» полости.

5. План технического обслуживания пресс-формы — износ литников, очистка линии охлаждения и замена выталкивающего штифта — все это влияет на стабильность срока службы.

Пресс-форма, спроектированная с учетом условий жизни, — это форма, в которой каждая полость последовательно обеспечивает проектный запас.

Минимальное снижение затрат — это жизненная цель + фактор безопасности, но пресс-форма все равно должна обеспечить результат

Опасность снижения затрат: многие функции, влияющие на жизнь, незаметны.

Внутренние радиусы. Покрытия. Устойчивые к ползучести материалы. Винтовой фиксатор. Край уплотнения. Сопротивление ЭСК.

Пользователи их не видят. Но послепродажное обслуживание будет.

Сокращение затрат не должно опускаться ниже целевого срока службы плюс коэффициент запаса прочности, но оно может оптимизировать чрезмерную прибыль.

Запас жизни состоит из трех слоев:

1. Базовый запас на целевой срок службы — сократить нельзя.

2. Запас прочности для вариаций и неопределенности — нельзя легко сократить. Это включает в себя вариации от полости к полости.

3. Чрезмерная прибыль от исторического чрезмерного проектирования — вот где сокращение затрат.

Многие сбои случаются, когда слой 2 принимают за слой 3 и разрезают.

Зрелое снижение затрат на пресс-форму требует:

• Можем ли мы использовать семейную форму вместо отдельных инструментов?

• Можем ли мы использовать горячеканальные каналы , чтобы уменьшить количество отходов и улучшить консистенцию?

• Можем ли мы использовать алюминий для прототипирования перед резкой стали?

• Можем ли мы сократить время цикла без ущерба для равномерности охлаждения?

• Можем ли мы использовать стандартизированные компоненты вместо нестандартных?

Но каждое снижение затрат на пресс-форму должно предусматривать:

• Влияет ли это на согласованность между полостей?

• Влияет ли это на равномерность охлаждения?

• Влияет ли это на качество ворот или нагрузку на выброс?

• Влияет ли это на способность пресс-формы обеспечивать расчетный запас в течение всего производственного срока?

Проектирование жизненного цикла является предпосылкой разумного снижения затрат — как при проектировании деталей, так и при проектировании пресс-форм.

Начните с этих вопросов — включая плесень

При следующем обзоре дизайна спросите:

1. Четко ли сформулирована жизненная цель?
Какая среда? Какие циклы? Какие нагрузки? Что считается неудачей?

2. Были ли определены пороги отказа?
Удержание ниже X? Зазор выше Y? Снижение крутящего момента за пределами Z?

3. Были ли выявлены основные механизмы отказа и связаны ли они с конструкцией пресс-формы?
Усталость? Слизняк? Носить? ЭСК? Повреждение сборки?

4. Соответствуют ли проектные действия механизмам отказа и может ли форма их реализовать?
Радиусы усталости — может ли форма изготовить их без вмятин?
Материал для ползучести — может ли форма охлаждаться равномерно, чтобы максимизировать кристалличность?
Снятие напряжения для ESC — может ли литник формы минимизировать остаточное напряжение?

5. Использовались ли тестовые примеры для проектирования пресс-формы?
Какой сценарий моделирует каждый тест? Где следует размещать задвижку, линию сварки и выталкивающие штифты, чтобы минимизировать риск неудачного испытания?

6. Учитываются ли производственные вариации, особенно от полости к полости?
Толерантность складывается? Окна процесса? Граничные образцы из всех полостей?

7. Пересекло ли сокращение затрат на пресс-форму срок службы?
Это сокращение отходов или сокращение возможностей доставки?

Опытные инженеры определяют, как стареют продукты — начиная с плесени

Младшие инженеры спрашивают: «Сможет ли он собраться? Достаточно ли он прочный?»

Инженеры среднего звена спрашивают: «А концентрация напряжения есть? Пройдёт ли испытания?»

Зрелые инженеры спрашивают:

• Где это потерпит неудачу через 3 года?

• Охватывает ли это наше тестирование?

• Как плесень влияет на этот механизм разрушения?

• Где мне следует разместить ворота, чтобы минимизировать нагрузку в этом месте?

• Как следует спроектировать охлаждение, чтобы уменьшить остаточное напряжение?

• Куда должны располагаться выталкиватели, чтобы избежать нагрузки на чувствительные элементы?

• Приведут ли различия в производстве – особенно в зависимости от полости – к раннему выходу из строя?

• Если он должен стареть — как я хочу, чтобы он старел, и как плесень контролирует скорость старения?

Продукты не начинают жить после того, как они отлиты в форму.

Жизнь начинается, когда определены требования. Когда выбраны материалы. Когда нарисована первая структура. Когда определено расположение ворот формы. При прокладке линий охлаждения. Когда установлены выталкивающие штифты. В каждом радиусе, каждом ребре, каждом допуске, каждой полости — жизнь уже началась.

Жизнь — это не число в конце отчета об испытаниях.

Жизнь — это систематическая организация — во время проектирования и разработки пресс-форм — порогов отказа, начальных пределов, степени повреждения, производственных отклонений и коэффициентов безопасности — все это реализуется с помощью пресс-формы, которая обеспечивает их последовательно, выстрел за выстрелом, полость за полостью.