Projeto de moldes ISBM — Engenharia da pré-forma, cavidade de sopro e pino central

Um design bem elaborado Molde ISBM É isso que diferencia uma garrafa que sopra perfeitamente na primeira tentativa, sempre, de uma que apresenta manchas brancas devido à tensão, perolagem na base, variação na espessura da parede ou rebarbas no gargalo. O processo de moldagem por injeção e sopro integra a injeção da pré-forma e o sopro da garrafa em um único ciclo da máquina — o que significa que o molde da pré-forma e a cavidade de sopro não são decisões de ferramental independentes. Eles devem ser projetados em conjunto, com as mesmas metas de taxa de estiramento e compatíveis com as dimensões da interface da mesma máquina desde o início.

Este guia abrange tudo Projeto de molde ISBM Processo: geometria da pré-forma e distribuição da espessura da parede, tolerâncias do pino do núcleo e projeto do ponto de injeção, acabamento da superfície da cavidade de sopro e layout do canal de resfriamento, como calcular e ajustar as taxas de estiramento entre a pré-forma e a cavidade, os padrões de interface do molde Aoki 100 e ASB-12M e o que eles significam para a compatibilidade da máquina, o que impulsiona o processo. custo do molde ISBMe as informações que seu fornecedor precisa para realizar uma análise de viabilidade do molde antes do corte do aço.

Por que o projeto de moldes ISBM é diferente da moldagem por injeção padrão?

Na moldagem por injeção convencional, o molde produz a peça final. O projetista otimiza a espessura da parede, a localização do ponto de injeção, o sistema de refrigeração e os ângulos de saída para preencher a cavidade uniformemente e ejetar uma peça que atenda às dimensões do desenho. O sucesso é medido pela correspondência da peça com as dimensões do desenho.

Em Projeto de molde ISBMO molde de pré-forma não produz a peça final — ele produz uma geometria precursora que será posteriormente esticada e soprada em uma forma completamente diferente na estação de sopro. Isso altera todas as decisões de design:

• A espessura da parede da pré-forma não é uniforme. — é propositadamente afilada para compensar as taxas de estiramento não uniformes que ocorrem em diferentes alturas da garrafa soprada. Uma parede da pré-forma mais espessa na base e mais fina em direção ao ombro produzirá uma garrafa soprada com uma distribuição de espessura de parede mais uniforme do que uma pré-forma com espessura de parede igual em toda a sua extensão.
• O acabamento do braço é a única dimensão da pré-forma que permanece inalterada. na garrafa final. Todas as outras dimensões são transformadas pelo ciclo de estiramento e sopro. O gargalo é formado por injeção e fixado por resfriamento antes que a pré-forma chegue à estação de sopro — tornando o acabamento do gargalo o elemento de maior precisão em todo o conjunto de moldes.
• O molde de pré-forma e a cavidade de sopro devem ser compatíveis como um sistema.Uma pré-forma projetada para uma relação de aspecto de 3,0 não pode ser soprada em uma cavidade projetada para uma relação de aspecto de 3,8 sem produzir subestiramento (orientação inadequada, paredes espessas, perolagem na base) ou sobreestiramento (branqueamento por tensão, rachaduras nos ombros). Os dois moldes não são intercambiáveis ​​entre máquinas ou configurações de cavidade sem reengenharia.

Essas restrições significam que A criação de ferramentas ISBM é uma tarefa de engenharia de sistemas.Não se trata simplesmente de dois trabalhos de moldagem independentes. A abordagem mais confiável é ter o molde da pré-forma e a cavidade de sopro projetados e fabricados pelo mesmo fornecedor — ou, no mínimo, ter ambos os projetos revisados ​​em conjunto antes de qualquer compromisso com o aço.

Parte 1 — Projeto do Molde de Pré-forma

Geometria da pré-forma — Distribuição da espessura da parede

O perfil de espessura da parede da pré-forma é a variável de projeto mais importante nas ferramentas ISBM. O objetivo é produzir uma garrafa soprada com variação de espessura da parede inferior a ±0,05 mm — mas a taxa de estiramento varia consideravelmente ao longo da altura da pré-forma durante o sopro. A base se estica menos que o corpo (a haste de estiramento exerce força máxima no ponto de entrada); o ombro se estica mais que o corpo (a transição do corpo da pré-forma para o acabamento do gargalo fixo concentra a tensão de estiramento); e o corpo entre o ponto de entrada e o ombro se estica a uma taxa proporcional à geometria da cavidade.

O designer deve, portanto, pré-compensar Isso é feito tornando a parede da pré-forma mais espessa onde a taxa de alongamento é menor (base e parte inferior do corpo) e mais fina onde a taxa de alongamento é maior (ombro e parte superior do corpo). Uma distribuição inicial comum para uma garrafa PET cilíndrica padrão é:

O erro mais comum no projeto de pré-formas é especificar uma espessura de parede uniforme para simplificar a fabricação das ferramentas. Uma pré-forma com parede uniforme, soprada em uma cavidade ISBM padrão, produz uma garrafa com uma base espessa, potencialmente perolada, um ombro fino e estruturalmente frágil, e um corpo com espessura de parede variável ao longo de sua altura — todas consequências da aplicação de uma parede constante a um campo de estiramento não uniforme. Corrigir esse defeito em uma ferramenta acabada exige operações dispendiosas de adição ou remoção de aço; é muito mais barato projetar o perfil da parede corretamente antes de cortar o aço.

O pino central — Precisão dimensional e resfriamento

O pino central define a superfície interna da pré-forma, desde o ponto de injeção até o gargalo. Seu diâmetro externo define o diâmetro interno da pré-forma, e o espaço anular entre o diâmetro externo do pino central e o diâmetro interno da cavidade define a espessura da parede da pré-forma em cada altura. A precisão dimensional do pino central determina diretamente a uniformidade da parede da pré-forma — um pino central com excentricidade de 0,02 mm em relação ao furo da cavidade produzirá uma pré-forma com uma excentricidade correspondente na espessura da parede, que se amplificará em uma assimetria da parede do corpo de 0,06 a 0,12 mm na garrafa soprada.

Os pinos de núcleo são fabricados em aço ferramenta H13 ou P20 temperado em toda a sua extensão, retificados com tolerâncias de ±0,005 mm em diâmetro e retilineidade. A interface crítica é o mecanismo de alinhamento pino de núcleo/cavidade: os moldes de pré-formas da ISBM utilizam pinos guia com furos de precisão e sistemas de buchas para manter a concentricidade sob os ciclos térmicos da produção — um pino de núcleo que se alinha corretamente à temperatura ambiente, mas sofre deriva devido às diferenças de temperatura entre o pino (resfriado) e a cavidade (aquecida), produzirá excentricidade progressiva da parede ao longo de um ciclo.

O resfriamento do pino macho é tipicamente interno: um circuito de água percorre um furo central no pino, proporcionando contato de água gelada com a superfície interna da cúpula do canal de injeção da pré-forma. A cúpula do canal de injeção é a zona mais espessa e quente da pré-forma; um resfriamento adequado do canal de injeção é essencial para atingir um tempo de ciclo que permita a solidificação do canal antes da abertura do molde. O resfriamento insuficiente do canal de injeção é uma causa comum de rasgos no canal de injeção durante a ejeção — quando a pré-forma se desprende do pino macho com um canal de injeção parcialmente fundido que se rasga e deixa material retido na cavidade.

Projeto de entrada — Canal quente para pré-formas ISBM

A moldagem por injeção padrão utiliza sistemas de canais frios com pontos de injeção ou pontos de injeção laterais em muitas aplicações. Os moldes de pré-formas da ISBM utilizam quase universalmente esse tipo de sistema. Sistemas de canais quentes com injeção precisa ou com válvulas de controle. na base da pré-forma, por dois motivos específicos do ISBM:

• eliminação de corredor frioOs moldes de pré-formas ISBM operam em ciclos curtos (10 a 20 segundos); um sistema de canais frios exigiria um tempo de resfriamento adicional para solidificar antes da ejeção e produziria um desperdício significativo de material em um programa com uma única resina. Os sistemas de canais quentes permitem o fechamento da válvula de injeção ao final da injeção, não deixando nenhum canal de alimentação para resfriar ou aparar.
• controle de vestígios de portãoO resquício do ponto de injeção da pré-forma — a pequena saliência deixada na base pelo ponto de injeção — deve ser minimizado e centralizado precisamente no eixo da pré-forma. Um resquício de ponto de injeção descentralizado ou superdimensionado torna-se o ponto de contato da haste de estiramento na estação de sopro, e qualquer excentricidade nesse contato inicia um estiramento axial assimétrico que produz uma base oval ou descentralizada na garrafa. Os sistemas de canais quentes com válvula produzem o resquício de ponto de injeção menor e mais consistente de qualquer projeto de sistema de injeção.

Ferramentas de acabamento do braço — O elemento de mais alta precisão

O acabamento do gargalo é a única dimensão que permanece inalterada da moldagem por injeção para a garrafa final. Todas as outras características da garrafa são moldadas pelo ciclo de sopro; o gargalo é moldado inteiramente na estação de injeção e deve ter uma precisão dimensional de ±0,05 mm desde o momento da abertura do molde. Isso faz com que a ferramenta de rosca do gargalo — normalmente um conjunto de insertos bipartidos que forma o perfil externo da rosca, o cordão de segurança e a borda de apoio — seja o elemento de maior precisão e manutenção mais crítica no conjunto de moldes ISBM.

As ferramentas para roscar o gargalo são feitas de aço temperado (normalmente S136 ou equivalente, HRC 50–54) com revestimento de cromo nas superfícies de formação da rosca para reduzir o desgaste em produções de longo prazo. A linha de junção entre as duas metades do inserto do gargalo deve ser posicionada e polida para evitar uma marca visível na rosca que impeça a instalação da tampa ou da bomba. As ferramentas para roscar o gargalo devem ser substituídas antes que o desgaste do perfil da rosca atinja os limites de tolerância para a especificação de encaixe da tampa ou da bomba — uma rosca de gargalo desgastada que passe no teste de inspeção da garrafa ainda pode não atingir a especificação de torque na tampadora da linha de envase.

Parte 2 — Projeto da Cavidade de Sopro

Superfície da cavidade — Polimento, textura e ventilação

O acabamento da superfície da cavidade de sopro é transferido diretamente para a superfície externa da garrafa soprada. Como a parede quente e plastificada da garrafa é pressionada contra a superfície da cavidade com uma pressão de sopro de até 3,5 MPa, ela se adapta a cada detalhe da superfície — tanto intencional quanto acidental. Isso torna a seleção da superfície da cavidade e a qualidade do seu acabamento cruciais para alcançar a aparência desejada da garrafa.

Ventilação A qualidade da superfície também é crucial. À medida que a garrafa se expande contra a parede da cavidade, o ar aprisionado entre a superfície da garrafa e a cavidade deve escapar — caso contrário, cria um defeito na superfície chamado "retorno de ar": uma pequena depressão ou área opaca localizada onde a garrafa entrou em contato com o ar aprisionado em vez da superfície da cavidade. As ranhuras de ventilação são usinadas na linha de junção da cavidade (0,01–0,02 mm de profundidade, 1–2 mm de largura) e na junção da base. A ventilação insuficiente é uma das causas mais comuns de defeitos estéticos na superfície das garrafas ISBM, principalmente em cavidades com acabamento liso para cosméticos, onde até mesmo um pequeno defeito relacionado à ventilação é visível.

Projeto do canal de resfriamento — Tempo de ciclo e qualidade

O resfriamento da cavidade de sopro tem um efeito direto e quantificável tanto no tempo de ciclo quanto na qualidade da garrafa. A parede da cavidade deve extrair calor suficiente da garrafa soprada durante a fase de sopro-repouso para que a temperatura da parede da garrafa caia abaixo da temperatura de transição vítrea (Tg) do PET._g (~80 °C) antes da abertura da cavidade — se a parede ainda estiver acima de T_g Quando o molde se abre, a garrafa se deforma e "encolhe" à medida que as cadeias moleculares relaxam de seu estado orientado. O resfriamento inadequado, portanto, não é apenas um problema de eficiência; ele degrada diretamente a qualidade da orientação biaxial na garrafa finalizada.

Melhores práticas de projeto de canais de resfriamento para cavidades de sopro ISBM:

• Diâmetro do canal: Com dimensões de 8 a 12 mm, são dimensionados para fluxo turbulento (número de Reynolds acima de 10.000) para maximizar o coeficiente de transferência de calor. O fluxo turbulento em canais de resfriamento transfere calor de 3 a 5 vezes mais eficientemente do que o fluxo laminar na mesma seção transversal do canal.
• Espaçamento entre canais: Normalmente, os canais são dispostos de centro a centro com 20 a 30 mm de distância, seguindo o contorno da superfície da cavidade a uma distância de 8 a 15 mm. Canais a menos de 8 mm da superfície apresentam risco de fissuração por tensão na parede da cavidade; canais a mais de 20 mm da superfície criam pontos quentes entre os canais.
• Resfriamento conformal — Canais que seguem o contorno 3D da superfície da cavidade, em vez de serem perfurados em linha reta — podem reduzir o tempo de ciclo em 15–25% em formatos de garrafa complexos (seções transversais ovais, perfis de ombro assimétricos) ao eliminar os pontos quentes que surgem nos cantos e transições em layouts de canal reto perfurados convencionalmente.
• Resfriamento da base: A base da garrafa requer um resfriamento mais intenso do que o corpo, pois a área do vestígio do ponto de injeção é a última a resfriar e a região de temperatura mais alta no início da fase de sopro e pausa. Um inserto de base resfriado separadamente, com seu próprio circuito, é padrão nos conjuntos de cavidade ISBM de nível de produção.

Ângulos de inclinação, rebaixos e material do molde

Os ângulos de saída nas cavidades de sopro ISBM são tipicamente de 0,5 a 2° por lado em seções de corpo com paredes retas, aumentando para 3 a 5° no afunilamento do ombro. Uma saída insuficiente faz com que a garrafa fique presa na cavidade ao ser aberta, rasgando a área do rótulo ou distorcendo o acabamento do gargalo. Recortes — características que travariam a garrafa na cavidade — exigem inserções bipartidas ou mecanismos de núcleo retrátil; sempre que possível, os designs das garrafas devem evitar recortes abaixo da borda de suporte do gargalo.

A seleção do material do molde determina a vida útil da ferramenta e a capacidade de acabamento da superfície:

O cobre-berílio é usado seletivamente em insertos críticos para refrigeração — particularmente no inserto da base da cavidade de sopro e, às vezes, na ponta do pino central — porque sua condutividade térmica (105–120 W/m·K) é aproximadamente 5 vezes maior que a do aço ferramenta (15–25 W/m·K), permitindo um resfriamento local agressivo em zonas onde o tempo de ciclo é limitado pela taxa de extração de calor, e não por requisitos estruturais.

Parte 3 — Ajuste da pré-forma à cavidade de sopro

A correspondência entre a geometria da pré-forma e as dimensões da cavidade de sopro é o cálculo mais crítico em projeto de ferramentas ISBMOs dois parâmetros que devem ser calculados e verificados são a taxa de alongamento axial (ASR) e a taxa de alongamento do aro (HSR), cada um dos quais deve estar dentro da faixa alvo para a resina que está sendo processada.

Problemas comuns de incompatibilidade entre pré-forma e cavidade e suas soluções

Padrões de moldes Aoki 100 e ASB-12M — O que eles significam

A compatibilidade de moldes ISBM não se resume simplesmente ao encaixe do molde na área de fixação da máquina — ela é definida por um conjunto preciso de dimensões de interface que determinam como o conjunto de moldes se posiciona, fixa e transfere as pré-formas dentro do sistema rotativo da máquina. Dois padrões dominam o mercado de máquinas ISBM de 3 estações utilizadas na produção de cosméticos, produtos farmacêuticos e bebidas especiais.

O que definem as normas

As normas para moldes ASB-12M e Aoki 100 especificam um conjunto de dimensões de interface, incluindo:

• Largura, altura e padrão de parafusos do bloco da cavidade — definindo onde as metades da cavidade de sopro são montadas na estação de sopro da máquina e como elas são fixadas
• Passo e diâmetro do pino central — definindo o espaçamento entre as cavidades e o diâmetro da interface do pino central, que deve corresponder aos suportes do pino central da máquina.
• interface de montagem do anel de acabamento do pescoço — definindo como a ferramenta de rosca do gargalo se posiciona em relação à cavidade da pré-forma e ao mecanismo de transferência do anel do gargalo da máquina
• Posições de conexão da água de refrigeração — especificar as posições de entrada e saída dos circuitos de refrigeração da cavidade para que correspondam ao coletor de refrigeração da máquina

Um molde construído segundo a norma ASB-12M pode ser instalado fisicamente em qualquer máquina construída segundo essa norma — incluindo máquinas de outros fabricantes que tenham adotado a interface. A norma não rege a geometria da cavidade, o design da garrafa ou os parâmetros do processo, apenas a interface física entre o molde e a máquina.

Por que a compatibilidade de moldes é o fator mais negligenciado na decisão de compra de máquinas?

As operações que acumularam ferramentas de moldagem ISBM ao longo de anos de produção — construindo uma biblioteca de conjuntos de pré-formas e cavidades de sopro para sua linha de produtos — possuem um ativo significativo em ferramentas que deve ser considerado na compra de uma nova máquina. Um conjunto típico de moldes ISBM custa uma fração considerável do preço da máquina; uma operação com 10 a 15 conjuntos de moldes possui uma biblioteca de ferramentas que pode representar de 40 a 601 TP3T do valor da própria máquina.

Se uma nova máquina utiliza um padrão de molde diferente das ferramentas existentes, toda a biblioteca de ferramentas precisa ser reconstruída ou adaptada — a um custo que pode ser igual ou superior à diferença de preço entre as duas máquinas. Por esse motivo, a compatibilidade com o padrão de molde deve ser identificada como um requisito essencial, e não uma preferência, ao especificar a compra de uma máquina ISBM.

Qual padrão para qual máquina Ever-Power da Coreia

A Korea Ever-Power oferece ambos os padrões de interface na linha HGY. HGY50-V3 e HGY50-V3-EV usam o ASB-12M Interface de molde — o padrão usado pelas máquinas Nissei ASB, amplamente utilizadas em fábricas de cosméticos e produtos farmacêuticos na Coreia. HGY150-V3 usa o Aoki 100 Interface de molde — o padrão usado pelas máquinas Aoki Seiko, outra plataforma com uma biblioteca de moldes significativa instalada nas operações ISBM da Coreia e do Sudeste Asiático. Operações com bibliotecas de moldes existentes em qualquer um dos padrões podem transferir suas ferramentas para a máquina Korea Ever-Power correspondente com modificações mínimas — confirmado na fase de revisão do desenho do molde antes da emissão do pedido.

Custo dos moldes ISBM — O que influencia o preço

O custo dos moldes ISBM é consistentemente subestimado por compradores que se concentram apenas no preço da máquina. Para um projeto completo, o conjunto de moldes normalmente representa 20–40% do investimento total — e essa proporção aumenta em direção a 40% quando o design da garrafa é complexo (seção transversal não circular, ombro assimétrico, superfície texturizada) ou quando são necessárias múltiplas configurações de cavidades.

Os principais fatores de custo, em ordem de influência:

Submissão de um projeto de garrafa para análise de viabilidade de moldes da ISBM

Uma análise de viabilidade de molde — também chamada de análise de projeto para fabricação (DFM, na sigla em inglês) — é o processo pelo qual o fabricante do molde avalia o projeto proposto para a garrafa antes de iniciar a produção das ferramentas. Ela identifica elementos de projeto que poderiam causar problemas de fabricação, defeitos de orientação ou falhas estruturais na produção e recomenda modificações que resolvam esses problemas antes que qualquer corte de aço seja iniciado.

Informações necessárias para uma revisão completa do ISBM DFM:

A equipe de moldes da Korea Ever-Power geralmente entrega um relatório de DFM (Design for Manufacturing) em 3 a 5 dias úteis após o recebimento do pacote completo de documentação. O relatório inclui: confirmação da distribuição proposta para a espessura da parede da pré-forma, cálculos da taxa de estiramento, recomendação de material para o molde, validação da contagem de cavidades em relação ao tempo de ciclo da máquina e à meta de garrafas por hora (BPH), além de quaisquer modificações recomendadas no projeto da garrafa necessárias para uma produção sem problemas. As modificações identificadas na fase de DFM não têm custo de implementação; a mesma modificação, identificada após o corte do aço, geralmente custa de 15 a 251 TP3T (Tenentes por Cento e Trinta Centavos) do preço original da ferramenta para ser corrigida.

Conclusão

O conjunto de moldes ISBM é a ferramenta que transforma o design de uma garrafa em um produto manufaturado. A geometria da pré-forma determina se a orientação biaxial será alcançada de forma consistente. A superfície da cavidade de sopro e o sistema de resfriamento determinam a aparência, a transparência e o tempo de ciclo da garrafa. A correspondência da taxa de estiramento determina o desempenho estrutural. E a compatibilidade com os padrões de moldes garante que o investimento na ferramenta esteja protegido quando a máquina for eventualmente atualizada ou substituída.

Para operações novas no ISBM ou para o desenvolvimento de um novo formato de contêiner, o investimento mais importante está no processo de DFM (Design for Manufacturing - Projeto para Manufatura) — obtendo a confirmação do projeto da pré-forma, dos cálculos da taxa de estiramento e do padrão do molde antes do corte do aço. A Korea Ever-Power oferece projeto completo de molde, revisão de DFM, prototipagem 3D e fabricação de moldes como parte de sua oferta de projeto ISBM completo em toda a Coreia do Sul. Série HGY de 3 estações ISBM.

Editor: Cxm