Vstřikování plastů není jeden proces, ale celá rodina procesů. Každý člen rodiny sdílí stejný základní krok – vstupní materiál je plastifikován, vtlačen do uzavřené dutiny a ztuhnut do tvaru této dutiny – avšak chemické složení vstupní suroviny, konfigurace stroje, nástroje a počet materiálů nebo fází se mohou lišit natolik, že dva projekty označované jako „vstřikování plastů“ nemusí mít na výrobní ploše téměř nic společného. Proto musí užitečný průvodce typy procesů vstřikování plastů uspořádat tyto procesy podél více než jedné osy.
Tato příručka používá dva. Prvním je materiál: to, co se vstřikuje, určuje, jak se to taví, jak to tuhne, co to dělá se šroubem a válcem a co se děje po opuštění formy. Druhým je technika: některé typy procesů vstřikování plastů nejsou definovány vstupním materiálem, ale počtem materiálů, vložek nebo fází, které jeden díl vyžaduje. Tyto dvě osy společně pokrývají oblast, kterou vývojář produktu, konstruktér nebo tým pro zajišťování zdrojů potřebuje k zúžení projektu na užší seznam kandidátských procesů předtím, než je vypracována cenová nabídka na nástroje.
Jaké jsou typy Vstřikování plastů Proces?
Každý typ procesu vstřikování plastů začíná stejným způsobem. Pelety, granule nebo kapalná složka se přivádějí do vyhřívaného válce, kde vratný šnek nebo píst plastifikují materiál a vytvoří dávku. Dávka se vstřikuje pod tlakem do uzavřené, chlazené nebo vyhřívané dutiny, kde se drží, dokud se materiál nespojí a netuhne, a poté se forma otevře a díl se vyhodí. Co se u jednotlivých typů procesu vstřikování plastů mění, je vše kolem jádra: teplota nástroje, chemie tuhnutí, počet vstřikovacích jednotek a kroky po vstřikování, které díl ještě potřebuje.
Klasifikace je důležitá, protože volba je zřídka volná. Chemie materiálu určuje okno zpracování a nástrojovou ocel. Geometrie dílu – průřez stěny, délka toku, velikost prvku – určuje rychlost vstřikování a upínací sílu, kterou musí stroj dodat. Objem výroby určuje, kolik investic do nástrojů lze amortizovat. A potřeba více materiálů nebo zabudovaných komponent tlačí projekt směrem ke speciální technice spíše než k jiné pryskyřici. Proces, který je ideální pro jeden milion dílů ročně, může být neekonomický pro pět tisíc a proces, který zpracovává prvek v mikronovém měřítku, může být špatným nástrojem pro velké pouzdro.
Následující části se postupně zabývají oběma oblastmi. Klasifikace založená na materiálech zahrnuje termoplasty, termosety, elastomery a tekutý silikonový kaučuk, kovové a keramické prášky a kompozity. Klasifikace podle speciálních procesů zahrnuje techniky definované vícemateriálovou nebo vícestupňovou konstrukcí, od dvounásobného vstřikování až po reaktivní vstřikování. Další části se zabývají tím, jak objem, nástroje, automatizace a požadavky na díly dále zužují výběr.
Jak jsou typy vstřikovacích procesů klasifikovány podle materiálu
Materiál je rozhodnutím prvního řádu, protože omezuje všechny následné procesy. Chemické složení vstupních surovin určuje konfiguraci stroje (geometrii šneku, teploty válce a trysky, požadavky na sušení), metalurgii nástrojů a povrchovou úpravu, profil cyklu a kroky následného zpracování. Stejný lis může v principu zpracovávat velmi odlišné vstupní materiály, ale zřídka bez změn šneku, válce, teplotních zón a oceli formy – a někdy vůbec ne, jako u tekutého silikonového kaučuku, který vyžaduje dávkovací a míchací zařízení, které standardní lis na termoplasty nemá.
Níže uvedených pět materiálových skupin pokrývá škálu vstupních surovin pro různé typy procesů vstřikování plastů. V rámci každé skupiny se třídy liší zpracovatelským oknem a vlastnostmi, ale základní mechanismus tváření dílu zůstává stejný.
Termoplastické vstřikování
Termoplasty jsou dominantní kategorií a většina lidí má na mysli, když se řekne vstřikování plastů. Vstupní surovinou je polokrystalický nebo amorfní polymer, který se při zahřátí taví a při ochlazení reverzibilně tuhne. Cyklus je tavení, vstřikování, balení, chlazení, vyhazování a díl lze v principu znovu brousit a znovu formovat, ačkoli vlastnosti se s opakovanou tepelnou historií zhoršují a počet bezpečných cyklů se liší v závislosti na materiálu.
Smršťování a deformace jsou praktické problémy, které dominují konstrukci termoplastických dílů a nástrojů. Diferenciální smrštění – kde se smrštění ve směru proudění liší od smrštění napříč tímto směrem – je primární příčinou vestavěného napětí a deformace a je dáno volbou materiálu, konstrukcí dílu, umístěním vtoku a zpracováním. Amorfní pryskyřice se obecně smršťují méně a izotropněji než polokrystalické, a proto jsou často upřednostňovány, když jsou tolerance přísné. Komoditní, technické a vysoce výkonné jakosti se liší v rozsahu zpracování, teplotní odolnosti a nákladech, nikoli v základním procesu.
Vstřikování termosetem
Termosety se nevratně zesíťují. Vstupní materiál při ochlazování nemrzne; vytvrzuje se, obvykle v zahřáté formě, a jakmile ztuhne, nelze jej znovu roztavit ani přetvarovat. Tento jediný rozdíl mění proces několika způsoby. Nástroj se zahřívá, nikoli chladí, doby cyklů jsou řízeny kinetikou vytvrzování, nikoli odvodem tepla, a šrot nelze znovu brousit zpět do vstupního materiálu – vytvrzený vtok nebo vyřazený díl je odpad.
Výhodou je výkon. Zesítěné sítě dodávají termoplastům odolnost vůči vysokým teplotám a agresivním chemikáliím, a proto se objevují v elektrických součástkách, pouzdrech odolných vůči vysokým teplotám a chemicky exponovaných dílech. Rozdíl od termoplastů stojí za to výslovně zmínit, protože ovlivňuje ekonomiku výroby nástrojů a zmetků: projekt s termoplastem může často absorbovat špatný počáteční vstřik přebroušením, zatímco projekt s termoplastem to ne.
Vstřikování elastomerů a tekutého silikonového kaučuku
Kaučuk a tekutý silikonový kaučuk tvoří samostatnou skupinu materiálů s vlastním vybavením. Tekutý silikonový kaučuk je vysoce čistý, platinou vytvrzený silikon s nízkou deformací v tlaku a stabilitou při extrémních teplotách. Protože je termosetový, vyžaduje speciální zacházení: intenzivní distribuční míchání, zatímco je materiál udržován v chladu, a poté vstřikování do vyhřáté dutiny, kde vulkanizuje.
Typické uspořádání pro tekutý silikonový kaučuk využívá dávkovací jednotky, které pumpují dvě složky – bázi a katalyzátor – v konstantním poměru, statický míchací přístroj, který je homogenně mísí, a chlazenou dávkovací sekci na vstřikovací jednotce. V uspořádání se studenou deskou prochází smíchaná směs chlazenými vtokovými a vtokovými systémy do vyhřívané dutiny, což minimalizuje ztráty materiálu a umožňuje výrobu dílů s téměř nulovým odpadem z ventilů, ačkoli nástroj pro studený vtok je ve srovnání s konvenčními nástroji pro horký vtok drahý. Kombinace čistoty, biokompatibility a odolnosti proti růstu bakterií je důvodem, proč je tekutý silikonový kaučuk vhodný pro lékařské, těsnicí a další vysoce čisté aplikace.
Vstřikování kovových a keramických práškových forem
Práškové vstřikování plastů využívá vstupní surovinu v podobě kovového nebo keramického prášku smíchaného s vícesložkovým pojivem. Vstupní surovina se vstřikuje do formy, čímž se vyrobí „zelený“ díl, pojivo se odstraní v kroku odstraňování pojiva, čímž vznikne „hnědý“ díl, a díl se poté spéká, aby se dosáhlo jeho konečné hustoty a mechanických vlastností. Krok vstřikování vypadá povědomě; kroky odstraňování pojiva a spékání nikoli, a právě ony dělají z práškového vstřikování plastů jinou nabídku z hlediska výroby nástrojů, dodacích lhůt a kontroly smrštění.
Proces se rozděluje podle vstřikovacího tlaku. Vysokotlaké vstřikování prášku používá vstupní suroviny s viskozitou v rozmezí 100 až 1 000 Pa·s a vstřikovacím tlakem zhruba 20 až 200 MPa a historicky je vázáno na hromadnou výrobu. Nízkotlaké vstřikování prášku používá vstupní suroviny s nízkou viskozitou vyrobené z polymerů s nízkou molekulovou hmotností; výzkum to prokázal na kovech, keramice a karbidech – včetně nerezové oceli 316-L, Inconelu 718, oxidu hlinitého a slinutého karbidu wolframu – a na keramických dílech téměř čistého tvaru v rozmezí 100 až 10 000 kusů. Nízkotlaké vstřikování prášku proto může sloužit pro nízké nebo velké dávkové výrobní rychlosti, nejen pro hromadnou výrobu, a přináší menší vstřikovací stroj, méně kroků odstraňování pojiva a nižší výrobní náklady, a to za cenu jemnějšího systému pojiva a náročnější kontroly odstraňování pojiva.
Vstřikování kompozitů a vlákny vyztužených materiálů
Kompozity s krátkými vlákny a částicemi se zpracovávají na standardních lisech s vratným šnekovým pohybem, ale plnivo mění proces důležitými způsoby. Zatížení vláken zvyšuje viskozitu, zvyšuje opotřebení šneku, válce, zpětného kroužku a nástrojů a zavádí anizotropii: smrštění a mechanické vlastnosti se liší podél směru proudění a napříč ním, což komplikuje kontrolu tolerancí. Konstrukce šneku, protitlak a rychlost zotavení šneku ovlivňují, jak velká délka vláken přežije cestu do dutiny, a otěr vláken zase ovlivňuje vlastnosti výlisku.
Vyztužené reakční vstřikování plastů je příbuzná, ale odlišná metoda: do reaktivní směsi se přidávají skleněné nebo slídové plniva a výsledek se používá pro tuhé panely, obvykle v automobilovém průmyslu. Strategie vyztužování, stroj a chemie se liší od smíchávání vláken do termoplastické pelety, takže by tyto dva pojmy neměly být považovány za zaměnitelné.
Speciální typy vstřikovacích procesů pro vícemateriálové a vícestupňové díly
Druhá osa není definována tím, co se vstřikuje, ale tím, kolik materiálů, vložek nebo fází díl zahrnuje. Tyto techniky existují, protože jednorázové vstřikování jednoho materiálu nemůže vždy poskytnout to, co návrh potřebuje: měkký úchop na pevném pouzdře, kovový závit zapouzdřený v plastu, broušené jádro skryté pod panenským povrchem nebo mikronový prvek, který zamrzne před naplněním. Každý speciální typ procesu vstřikování řeší jeden z těchto konfliktů a každý zvyšuje náklady na nástroje, složitost procesu nebo obojí.
Dvounásobné a vícemateriálové lisování
Dvounásobné a vícemateriálové vstřikování vstřikuje dva materiály postupně na jednom stroji, přičemž se forma mezi vstřiky otevírá, indexuje nebo otáčí, takže druhý materiál je vstřikován proti prvnímu. Výsledkem je vícemateriálový díl s chemickou nebo mechanickou vazbou na rozhraní, vyrobený bez samostatného kroku montáže.
O volbě rozhoduje ekonomika. Dvouvrstvé vstřikování upřednostňuje velké objemy výroby – obvykle přes 10 000 dílů – a jistotu ohledně konstrukce a materiálů pro celou sérii, protože nástroje jsou nákladné a změny jsou nákladné. Při malých objemech nebo v případech, kdy se konstrukce stále může měnit, je obvykle rozumnější cestou vstřikování metodou „pick-and-place“ na samostatném lisu. Pevnost spoje není zaručena samotným procesem: u některých materiálů pro vstřikování může být významný rozdíl v pevnosti spoje mezi vícenásobným vstřikováním a vstřikováním s vloženými díly, takže párování materiálů a procesní postup je třeba vyhodnotit společně.
Vložit výlisek
Vstřikování vložek vstřikuje pryskyřici kolem předem umístěné vložky, obvykle kovové, takže vložka je zapouzdřena ve vylisovaném dílu. Tento přístup eliminuje sekundární kroky vkládání, jako je tepelné spojovací tmelení nebo ultrazvukové svařování, a je obecně lépe ovladatelný a poskytuje lepší zapouzdření než tyto metody. Vstřikované vložky také odstraňují sekundární proces instalace z trasování, což šetří čas a náklady.
Háček spočívá v požadavku na nástroje: forma musí umístit a držet vložku proti vstřikovacímu tlaku, aby pryskyřice kolem ní proudila, aniž by se posunula nebo poškodila. Umístění vložky je v cyklu dalším krokem a automatizace snižuje její dopad ve srovnání s ručním vkládáním. Kromě kovu lze do vstřikování vložek vložit i keramické vložky pro tepelnou odolnost a elektrickou izolaci, magnetické součástky a elektronické moduly, jako jsou senzory a desky plošných spojů.
Přetvarování
Přestřikování spojuje druhou plastovou vrstvu s lisovaným substrátem, čímž se dodává měkký úchop, těsnění nebo estetické akcenty. Liší se od vstřikování vložek tím, že substrát je obvykle plastový, nikoli předtvarovaná vložka, a samotné přestřikování lze provádět jako dvounásobné vstřikování v jednom stroji nebo postupně na samostatném lisu s manipulací typu „pick-and-place“.
Pevnost spoje je ústředním problémem návrhu. Přijatelné vazby se dosahuje kombinací návrhu dílu, výběru materiálu, návrhu formy a procesu lisování, přičemž obě vrstvy se mohou chemicky spojit na rozhraní, mechanicky prostřednictvím geometrie rozhraní nebo obojím. Vlhkost je tichým způsobem selhání: úroveň vlhkosti jak vstřikovaného materiálu, tak i substrátu může nepříznivě ovlivnit adhezi, takže hygroskopické materiály je třeba před lisováním vysušit. Důležitá jsou i barviva, protože nekompatibilní nosič v barevném koncentrátu může vážně zhoršit adhezi.
Společné vstřikování
Společné vstřikování, někdy nazývané sendvičové vstřikování, vstřikuje dva odlišné materiály postupně přes dva válce a jednu trysku. Nejprve vstupuje plastová vrstva, poté plastová vrstva jádra, která ji vytlačuje z horkého jádra, a závěrečné vstřikování plastové vrstvy vytlačuje jádro z vtokového kanálu. Zbytek obstará fontánový tok: jak se dutina plní, plastová vrstva v přední části taveniny se pohybuje od středové linie ke stěnám dutiny a tam mrzne, takže materiál jádra zůstává uprostřed sendvičové struktury.
Důvodem je výkon na jednotku nákladů. Přebroušený materiál lze použít jako jádro pod panenskou vrstvou, která zachovává povrchovou úpravu; tepelně stabilnější jádro může zvýšit tepelnou odolnost dílu; jádro s vysokou tavitelností může snížit celkovou upínací sílu. Problémem v řízení procesu je zabránit proražení jádra skrz vrstvu, a proto se k optimalizaci procesní strategie před řezáním nástroje používá analýza společného vstřikování.
Mikro vstřikování
Mikrovstřikování plastů se vyrábí pro díly o rozměrech měřených v miligramech a prvky o rozměrech měřených v mikronech – mikrojehlové záplaty, mikro ozubená kola, optické konektory, mikrofluidní čipy s kanály širokými desítky až stovky mikronů. Existují stroje založené na plunžrových, vratných šroubových a vícestupňových konstrukcích a proces se od konvenčního vstřikování liší více než jen měřítkem: teploty taveniny a formy jsou vyšší a rychlost vstřikování a tlak jsou vyšší.
Problém spočívá v regulaci při velmi malých hmotnostech dávek. Dávka o hmotnosti 1 mg potřebuje zdvih zhruba 0.0056 mm na šneku o průměru 14 mm a šneky s menším průměrem mohou mít potíže s udržením vstřikovacího tlaku a podáváním pelet. Konvenční stroje jsou někdy upraveny tak, že systém vtokových kanálů a žhavicích kanálů je přibližně 100krát větší než mikrosoučást, takže lze regulovat velikost dávkování, ale to sice plýtvá pryskyřicí, prodlužuje cyklus a skrývá vliv parametrů stroje na součást. Ohřev formy Variotherm je standardním řešením pro předčasné zamrznutí: snižuje viskozitu a umožňuje plnění s vysokým poměrem stran, s poměry stran až 10 při tloušťce prvku 40 µm, jak bylo prokázáno pomocí systému Variotherm.
Vstřikování plastů s asistencí plynu a vody
Plynové i vodní tváření vstřikuje do taveniny kapalinu, která vydlabává silné části, zhutňuje díl a snižuje deformaci a hmotnost. Plynové tváření umožňuje kontrolované plnění a rovnoměrnější rozložení plastu, což snižuje deformaci, napětí a smrštění a poskytuje dílům vyšší rozměrovou přesnost a lepší tvarovou stabilitu.
Tváření s pomocí vody posouvá stejnou myšlenku dále. Voda má zhruba 40krát větší tepelnou vodivost než plyn a asi čtyřnásobek své tepelné kapacity a ve srovnání s plynovou asistencí zkrátila dobu ochlazovacího cyklu až o 70 % a zároveň vytvořila hladší vnitřní stěny – což je cenné u dílů určených k přepravě tekutin nebo plynů. Nevýhodou je, že rychlé ochlazování při udržovaném tlaku může ve stěně dílu vytvořit dutiny nebo prorazit povrchovou vrstvu. Materiály, jako je nylon s rychlou rychlostí krystalizace, se při setkání studené vody s horkou taveninou rychle aktivují, takže tavenina se stává méně tekutou a hůře schopnou pojmout přicházející nestlačitelnou vodu; výsledkem mohou být propíchnuté stěny, studené kusy nebo poškozený vnitřní povrch. Pro tváření s pomocí vody byly vyvinuty jakosti s pomalejší krystalizací a vyšší odolností vůči hydrolýze a kompromis je jasný: zisky v době cyklu a kvalitě oproti zvýšeným složitostem procesu a řídicímu zařízení.
Pěna a mikrobuněčné vstřikování plastů
Pěna a mikrobuněčné lití vmíchají do taveniny fyzikální nadouvadlo – obvykle superkritickou kapalinu. Rozpuštěný plyn snižuje viskozitu taveniny a při vstřikování tlakový pokles vyvolá nukleaci velkého množství malých buněk. Mikrobuněčný proces údajně umožňuje 30 % až 40% redukci materiálu a zároveň poskytuje díly s vyšší rázovou houževnatostí a vnitřní strukturou malých bublin o velikosti 2 až 10 µm.
Lisovaný díl má typicky sendvičovou strukturu z pevného pláště a pěnového jádra. Teplota formy a tlak v dutině jsou klíčovými faktory ovlivňujícími kvalitu povrchu: nízká teplota formy potlačuje růst buněk v blízkosti stěny a vytváří pevný plášť a tloušťka pláště je také ovlivněna průtokem a hloubkou dutiny. Protože obvyklou slabinou pěnových dílů je povrchová úprava, používá se k jejímu zlepšení protitlak plynu a dynamická regulace teploty formy a senzory teploty a tlaku v dutině podporují monitorování přímo v lince. Proces je citlivý na objem vstřikované látky, teplotu formy, dávkování plynu a rychlost vstřikování a velikost buněk se může v rámci jednoho dílu měnit oblast od oblasti, takže se s ní mohou měnit i mechanické vlastnosti.
Tenkostěnné vstřikování
Tenkostěnné lisování není spíše samostatný stroj než režim. Díl se obecně klasifikuje jako tenkostěnný, pokud je jeho nominální tloušťka stěny menší než 1.0 mm (0.040 palce), nebo pokud poměr délky průtoku k tloušťce stěny přesahuje 150:1, a to i při tloušťce stěny 1.0 až 1.2 mm u velkého pouzdra. Vyplnění takové dutiny před ztuhnutím taveniny vyžaduje vysokorychlostní vstřikování – řádově 300 až 1 000 mm/s – specifické vstřikovací tlaky okolo 180 až 280 MPa a upínací sílu v rozmezí 1.0 až 1.5 tuny/cm².
Nástroje musí být dostatečně robustní pro tento tlak a konstrukce vtoku musí být zvolena tak, aby tavenina dosáhla konců dříve, než je zmrazená vrstva uzavře. Tenkostěnné lití také interaguje s mikroprvky: pokud má dutina silné i tenké oblasti, tavenina váhá na vstupu do mikroprvků, dokud se silnější substrát nezaplní, a pokud doba váhání překročí kritickou dobu chlazení prvku, polymer tuhne v bodě stagnace dříve, než se prvek naplní.
In-Mold značení
In-mold etiketování umisťuje do formy – často roboticky – potištěný štítek nebo dekorativní fólii, plochý nebo předem tvarovaný, takže vstřikovaná pryskyřice ji během vstřikování podpoří a přitaví k povrchu dílu. Štítek se stává nedílnou součástí dílu, nikoli pouze aplikovanou nálepkou, což poskytuje odolnou a integrovanou grafiku bez nutnosti sekundárního zdobení.
Tato technika má dlouhou historii ve standardním vstřikování plastů, počínaje dřevěnými obloženími interiérů automobilů a rozšiřující se do předtištěných fólií a filmů nanášených suchým lakem pro interiérové a exteriérové díly, ruční elektroniku a velké spotřebiče. Praktickým omezením jsou požadavky na nástroje a manipulaci: štítek musí být umístěn a zaregistrován přesně a manipulační systém musí držet krok s cyklem vstřikování.
Reakční vstřikování
Reakční vstřikování plastů je spíše samostatná chemie než samostatná pevná látka. Dvě reaktivní složky s nízkou viskozitou se nanášejí a smíchají a poté se vstříknou do formy, kde polymerují. Nejběžnějším systémem je polyuretan, ale tímto způsobem lze zpracovávat i polymočoviny, polyisokyanuráty, polyestery, polyfenoly, polyepoxidy a nylon 6.
Protože směs je mnohem méně viskózní než roztavený termoplast, lze z ní tvářet velké, lehké a tenkostěnné díly a nižší viskozita vyžaduje menší upínací sílu – což znamená menší zařízení a nižší kapitálové výdaje. Pěna RIM také tvoří vrstvu s vysokou hustotou nad jádrem s nízkou hustotou. Zesílené reakční vstřikování přidává skleněná vlákna nebo slídu k výrobě tuhých pěnových panelů, obvykle pro automobilové použití. Nástroje mohou být z obráběné oceli nebo hliníku, litého hliníku, silikonové pryže, epoxidové pryskyřice nebo niklu a velikost stroje se měří spolu s dílem.
Jak objem výroby a nástroje ovlivňují výběr mezi typy vstřikovacích procesů
Výběr procesu je také ekonomickým rozhodnutím a projevuje se v nástrojích. Asociace plastikářského průmyslu – dříve Společnost plastikářského průmyslu – definuje pět tříd forem, které poskytují společný jazyk pro životnost nástrojů. Třída 101 je vyrobena pro více než jeden milion cyklů; třída 102 pro 500 000 až jeden milion; třída 103 pro méně než 500 000; třída 104 pro méně než 100 000; a třída 105 pro prototypovou práci s méně než 500 cykly. Třídy se liší materiály a tvrdostí, stejně jako životností: třída 101 používá vysoce kvalitní ocel s dutinami a jádry kalenými na minimálně 48 R/C, zatímco třída 105 je často z lité oceli a je nejlevnější z pěti. Tyto klasifikace slouží jako vodítko pro cenové nabídky a objednávání a samy o sobě nezaručují kvalitu zpracování.
Druhým ukazatelem je počet dutin. Pod zhruba 50 000 dílů ročně je obvyklým výchozím bodem výroba jednodutinových nebo dvoudutinových nástrojů, protože vyšší počet dutin se v krátkodobém horizontu jen zřídka vrátí. Bod zlomu, ve kterém se vícedutinové formě vrátí investice oproti jednodutinovému nástroji, se obvykle pohybuje mezi 50 000 a 200 000 díly, v závislosti na velikosti dílu, nákladech na materiál a rychlosti stroje. Tato čísla jsou typickým vodítkem, nikoli univerzálními pravidly: velký díl s drahou pryskyřicí a vysokým rychlostí stroje může ospravedlnit výrobu vícedutinových nástrojů v jiném objemu než u malého komoditního dílu.
Objem také interaguje s výše uvedenými volbami materiálu a speciálního procesu. Projekt s termosety nemůže přebrousit počáteční odpad, takže nízkoobjemové série mají jinou strukturu nákladů než série s termoplasty stejné velikosti. Dvounásobný nástroj s sebou nese vyšší počáteční náklady, které dokáže absorbovat pouze velký program se stabilní konstrukcí. A prototypový nástroj třídy 105 je přirozeným způsobem, jak ověřit návrh předtím, než se zaváže k výrobnímu nástroji třídy 103.
Jak se automatizace a řízení procesů liší v různých typech vstřikovacích procesů
Řídicí a automatizační vrstva se liší stejně jako samotný proces. Konvenční lisování se spoléhá na uzavřenou smyčku vstřikování a řízení upínání, snímání tlaku v dutině a řízení teploty formy; speciální procesy k tomu přidávají řídicí osy. Systémy Variotherm ohřívají a chladí formu v řízeném cyklu pro řízení plnění a kvality povrchu. Vstřikování plynu a vody vyžaduje specializované řídicí jednotky, které časují vstřikování kapaliny, udržování a odlehčování. Tekutý silikonový kaučuk potřebuje dávkování a řízení míchání, aby se udržel poměr dvou složek. Vstřikování vložek a označování ve formě vyžaduje robotické umisťování a registraci, které drží krok s cyklem.
Společným rysem je, že data ze senzorů podporují monitorování a validaci simulace přímo v lince. Snímače tlaku a teploty v dutině formy poskytují data pro kontrolu, zda proces probíhá podle modelu, a simulační nástroje se používají k optimalizaci návrhu formy a nastavení procesu před řezáním nástroje. Je dobré znát omezení: současné nástroje pro mikrobuněčnou simulaci nemohou přesně zachytit celý proces vstřikování kvůli velkým kolísáním tlaku, vysokým rychlostem chlazení a komplexní nukleaci a předpokládají rovnoměrnou nukleaci buněk, takže tvar buněk a jejich vliv na anizotropii nejsou zachyceny. Simulace zužuje hledání; nenahrazuje zkušební verzi.
Jak vybrat správný typ procesu vstřikování plastů pro váš díl
Praktická sekvence výběru se pohybuje od požadavků na díly k procesu v pevném pořadí, protože každý krok omezuje ten následující.
Odhad screeningu upínací síly pro díl třídy ABS: projektovaná plocha 80 in² (díly, vtoky a vtokové kanály) × 3.0 tuny/in² empirický faktor = 240 tun plus 15% rezerva = 276 tun, což ukazuje na lisování zhruba 280–300 tun. Tento faktor je screeningová hodnota pro běžnou technickou pryskyřici a musí být validován pomocí údajů o tlaku v dutině nebo analýzy toku ve formě.
Začněte s materiálovou skupinou. Termoplast, termoset, elastomer nebo tekutý silikonový kaučuk, kovový nebo keramický prášek a kompozit vyžadují jiný stroj a nástrojovou sadu a volba je obvykle řízena teplotou, chemickou expozicí, čistotou nebo mechanickými požadavky, spíše než samotným procesem lisování.
Pak se podívejte na geometrii a řez stěnou. Tenké stěny, dlouhé délky proudění a mikroprvky směřují k vysokorychlostním, vysokotlakým režimům a variothermickým nástrojům; tlusté řezy mohou ukazovat na procesy s asistencí tekutin nebo pěny, které vytvářejí jádro z vnitřku.
Pak se zeptejte, zda součástka potřebuje více než jeden materiál nebo zabudovanou součástku. Měkký úchop na pevném pouzdře, zapouzdřený kovový závit nebo skryté broušené jádro ukazují na jinou speciální techniku a objem a jistota designu rozhodují mezi dvoustupňovou a metodou „pick-and-place“.
Poté použijte rozpočet na objem a nástroje. Třída formy a počet dutin vyplývají z ročního objemu a očekávané životnosti programu a náklady na nástroje je třeba zvážit oproti ceně za kus.
Nakonec zkontrolujte požadavky na povrch a tolerance. Amorfní termoplasty se obecně volí před krystalickými pryskyřicemi, pokud jsou vyžadovány přesné tolerance, a to kvůli jejich nižšímu a izotropnějšímu smrštění; pěnové díly potřebují protitlak nebo dynamickou regulaci teploty formy, aby dosáhly dobrého povrchu; a texturované povrchy vyžadují dodatečný tah.
Níže uvedená tabulka shrnuje hlavní typy podle materiálu, typického objemového režimu, složitosti nástrojů a klíčových kompromisů. Jedná se o kvalitativní tabulku, kde zdroje neuvádějí čísla a objemové údaje jsou spíše typickým vodítkem než pravidly.
| Typ procesu vstřikování plastů | Materiál | Typický objemový režim | Složitost nástrojů | Klíčový kompromis |
| Termoplast | Semikrystalické a amorfní polymery | Nízká až velmi vysoká | Střední až vysoká, v závislosti na třídě | Kontrola smrštění a deformace |
| Termoset | Zesíťující pryskyřice | Nízká až vysoká | Zahřátý nástroj; šrot nelze přebrousit | Tepelná a chemická odolnost versus náklady na šrot |
| Elastomer / tekutý silikonový kaučuk | Platinově vytvrzovaný silikon, pryž | Nízká až vysoká | Dávkování a míchání plus nástroje pro studenou desku | Čistota a těsnicí výkon versus náklady na zařízení |
| Kovový / keramický prášek | Prášek plus pojivo | Nízká (LPIM) až hromadná výroba (HPIM) | Forma plus odstraňování pojiva a spékání | Síťový tvar kovu nebo keramiky versus dodatečné kroky procesu |
| Kompozit / vyztužený vlákny | Směsi s krátkými vlákny a částicemi | Nízká až vysoká | Šroub, válec a nástroje odolné proti opotřebení | Tuhost versus anizotropie a opotřebení vláken |
| Dvouvrstvý / vícemateriálový | Dva polymery | Obvykle přes 10 000 dílů | Jeden stroj s indexovací nebo rotační formou; nákladný nástroj | Lepený vícemateriálový díl versus investice do nástrojů |
| Vložte lištu | Pryskyřice plus kovová nebo jiná vložka | Nízká až vysoká | Vložit umístění a úchytné prvky | Eliminace montáže oproti prodlužování doby cyklu |
| Přetvarování | Substrát plus pryskyřice pro zalití | Mírné až vysoké | Samostatný lis a manipulace | Měkký dotek nebo těsnění versus kontrola vazby |
| Souběžná injekce | Polymery pro povrchovou a jádrovou vrstvu | Střední až vysoká | Dva válce, jedna tryska; řízení procesu | Základní riziko nákladů nebo výkonu versus riziko průlomu |
| Mikro vstřikování | Technické polymery | Střední až vysoká | Malé šrouby, přesné ovládání úderu, variotherm | Funkce Micron versus kontrola hmotnosti vstřiku |
| S plynovou / vodní asistencí | Termoplasty | Střední až vysoká | Řídicí jednotky vstřikování kapalin | Snížení hmotnosti a deformace versus složitost procesu |
| Pěna / mikrobuněčná | Termoplasty plus superkritická kapalina | Střední až vysoká | Dávkování plynu a regulace teploty formy | 30–40% úspora materiálu v porovnání s kvalitou povrchu |
| Tenkostěnné | Termoplasty | Vysoký | Robustní nástroje, vysokorychlostní lis | Redukce stěny v závislosti na tlaku a zamrznutí |
| Označování ve formě | Termoplasty plus etiketa nebo fólie | Střední až vysoká | Robotické umístění a registrace | Integrovaná grafika versus složitost ovládání |
| Reakční vstřikování | Polyuretan a další reaktivní systémy | Nízké až střední | Ocelové, hliníkové, silikonové, epoxidové nebo niklové nástroje | Velké tenké díly s nízkou upínací silou v porovnání s kontrolou chemie |
Zvolte NOBLE pro podporu vašeho projektu vstřikování plastů
NOBLE je přední výrobní společnost v Číně a čínsko-britský společný podnik, který vláda uznává jako národní high-tech podnik. S více než 10 lety zkušeností s profesionální výrobou a rychlým prototypováním se NOBLE specializuje na projekty podporující služby, včetně obrábění a výroby dílů v rámci svého obchodního směru „Inteligentní výroba“.
U projektu vstřikování plastů jsou zkušenosti důležité na obou koncích programu. Servisní schopnosti a profesionální procesní schopnosti společnosti NOBLE pomáhají zákazníkům efektivně přejít od prototypování k hromadné výrobě – ověření návrhu, validace materiálu a následné realizace dílu do hromadné výroby, aniž by se projekt předával mezi oddělenými dodavateli. Tým pracuje na plné realizaci požadavků zákazníků pomocí standardizovaného řízení pro přísnou kontrolu kvality dílů a výrobků a rozumného pracovního postupu, který udržuje nízké náklady při stejné kvalitě.
Systém kvality je certifikován dle norem ISO 9001:2015 a ISO 13485:2016, takže projekty s očekáváními ohledně kvality zdravotnických prostředků mohou být podporovány v rámci dokumentovaného systému řízení. Společnost NOBLE nabízí kompletní sadu služeb od návrhu až po montáž – nejen výrobu – a provádí efektivní, přesný a nákladově efektivní proces interně, což znamená, že rychlé prototypování a rychlá výroba nezávisí na outsourcingu. Komplexní CNC software a zkušení inženýři podporují rychlé dodací lhůty, profesionální cenovou nabídku s potřebnými informacemi lze vypracovat do 24 hodin od poptávky a kompletní sada kontrolního vybavení a celkový systém kontroly kvality pomáhají zajistit, aby prototypy a komponenty byly vytvářeny s vysokou přesností.
Posláním společnosti NOBLE je proměňovat koncepty ve skutečnost poskytováním vynikajících výrobních služeb na vyžádání, výrobou jednoduchých i složitých prototypů a koncových dílů, které splňují přísná kritéria tolerance a standardy kvality. Chcete-li prodiskutovat projekt vstřikování plastů, odešlete poptávku s potřebnými informacemi o dílu a tým vám odpoví cenovou nabídkou a doporučeným postupem od prototypu až po výrobu.
Nejčastější dotazy k typům vstřikování plastů
Který proces vstřikování plastů je vhodný pro materiál a geometrii mého dílu?
Začněte s materiálovou skupinou, protože ta omezuje stroj a nástroje ještě předtím, než se vezme v úvahu geometrie. Poté se podívejte na velikost stěny a prvku: tenké stěny, dlouhé délky proudění a mikroprvky vedou k vysokorychlostním režimům s vysokým tlakem a variotermnímu obrábění, zatímco silné části mohou upřednostňovat procesy s asistencí kapaliny nebo pěny. Nakonec se zeptejte, zda díl potřebuje více než jeden materiál nebo zapuštěnou vložku; pokud ano, je třeba začít výše uvedenou částí o speciálních procesech.
Jak si mám vybrat mezi dvoufázovým vstřikováním, vstřikováním se zálisky a přestřikováním u vícemateriálového dílu?
Dvouvrstvé vstřikování vstřikuje dva materiály postupně v jednom stroji a je vhodné pro velké výrobní objemy – obvykle přes 10 000 dílů – kde je design a materiály pevně stanoveny pro danou sérii. Vstřikování vložek zapouzdří předem umístěnou vložku, obvykle kovovou, do pryskyřice a eliminuje sekundární kroky vkládání, jako je tepelné spojovací prostředek nebo ultrazvukové svařování. Přestřikování spojuje druhou plastovou vrstvu s plastovým substrátem pro měkký úchop, utěsnění nebo estetický vzhled a může probíhat buď jako dvouvrstvé vstřikování v jednom stroji, nebo postupně na samostatném lisu. Tyto tři metody jsou sice příbuzné, ale nejsou zaměnitelné, a pevnost spoje se může u jednotlivých postupů lišit pro stejný pár materiálů, takže volbu by měl ověřit dodavatel materiálu a výrobce vstřikovacího materiálu.
Při jakém objemu výroby se specializované nástroje pro vstřikování plastů vyplatí?
Neexistuje žádná univerzální prahová hodnota, protože ekonomika nástrojů závisí na velikosti dílu, nákladech na materiál a rychlosti stroje. Typicky se výroba nástrojů s jednou nebo dvěma dutinami obvykle provádí pod zhruba 50 000 dílů ročně a bod zlomu, ve kterém se vícedutinová forma vrátí ke své dodatečné investici oproti nástroji s jednou dutinou, se obvykle pohybuje mezi 50 000 a 200 000 díly. Pro velmi nízké objemy je přirozenou volbou pro ověření návrhu před zahájením výroby nástrojů prototypová výroba nástrojů v rozsahu třídy 105 – méně než 500 cyklů.
Jak se liší vstřikování kovových a keramických prášků od vstřikování plastů, pokud jde o nástroje a následné zpracování?
Práškové vstřikování plastů přidává dva kroky po vstřikování, které vstřikování plastů nemá: odstranění pojiva, které odstraňuje pojivo ze zeleného dílu, a spékání, které zhušťuje hnědý díl a rozvíjí jeho vlastnosti. Příprava vstupních surovin je také složitější, protože prášek a pojivo musí být smíchány do homogenní suroviny. V rámci práškového vstřikování bylo vysokotlaké vstřikování historicky spojeno s hromadnou výrobou, zatímco nízkotlaké vstřikování s nízkoviskózními vstupními surovinami bylo prokázáno pro nízké a velké dávkové výrobní rychlosti, včetně keramických dílů s téměř čistým tvarem v rozmezí 100 až 10 000 kusů.
Jaké rozdíly mezi nástroji a stroji mohu očekávat u mikrovstřikování oproti konvenčnímu vstřikování?
Mikrovstřikování plastů využívá šneky s menším průměrem, přesné řízení dávky a vyšší teploty taveniny a formy. Často se k nim přidává ohřev formy variotherm, aby se zabránilo předčasnému zamrznutí mikroprvků. Hlavním problémem je regulace hmotnosti velmi malých dávek: dávka o hmotnosti 1 mg potřebuje zdvih zhruba 0.0056 mm na šneku o průměru 14 mm a malé šneky mohou mít potíže s udržením vstřikovacího tlaku a podáváním pelet. Konvenční stroje jsou někdy vybaveny systémy vtoků a kanálů, které jsou přibližně 100krát větší než mikrodíl, ale to vede k plýtvání pryskyřicí, prodlužuje cyklus a skrývá vliv parametrů stroje na díl.
Jak snižují plynové a vodní lisování a lisování z pěny deformace nebo hmotnost a kolik mě to stojí z hlediska složitosti procesu?
Plynové tváření vstřikuje plyn do taveniny, aby se vydlabaly silné profily, zhutnil díl a snížila se deformace, napětí a smrštění, což vede k lepší rozměrové přesnosti a tvarové stabilitě. Vodní tváření dělá totéž s vodou, která má zhruba 40krát větší tepelnou vodivost než plyn a asi čtyřnásobek své tepelné kapacity; ve srovnání s plynovou asistencí zkrátilo dobu chladicího cyklu až o 70 % a poskytuje hladší vnitřní stěny, ale rychlé ochlazování proti vysokému tlaku může vytvářet dutiny nebo prorážet povrch, zejména u rychle krystalizujících materiálů, jako je nylon. Pěnové a mikrobuněčné tváření používají superkritickou tekutinu k vytvoření jemné buněčné struktury, přičemž mikrobuněčný proces uvádí 30% až 40% redukci materiálu, ale kvalita povrchu závisí na teplotě formy a tlaku v dutině a často vyžaduje protitlak plynu nebo dynamickou regulaci teploty formy. Všechny tři metody obchodují s jednoduchostí procesu za účelem snížení hmotnosti, deformace nebo doby cyklu.
Co nabízí NOBLE v oblasti prototypování a hromadné výroby a jaké certifikace platí?
Společnost NOBLE poskytuje komplexní zakázkovou výrobu od návrhu až po montáž – nejen samotnou výrobu – a podporuje zákazníky od prototypování až po hromadnou výrobu. NOBLE je čínsko-britský společný podnik uznávaný jako národní high-tech podnik s více než 10 lety zkušeností s profesionální výrobou a rychlým prototypováním a jehož systém kvality je certifikován dle norem ISO 9001:2015 a ISO 13485:2016. Vlastní kapacity, kontrolní zařízení a profesionální proces cenových nabídek podporují rychlé dodací lhůty a přesné díly.
