Esmu strādājis produktu projektēšanas un ražošanas jomā apmēram 11 gadus, daudz strādāju ar plaša patēriņa elektronikas uzņēmumiem un dažiem automobiļu piegādātājiem, un iesmidzināšana ir tikai noklusējuma veids, kā izgatavot plastmasas detaļas jebkurā tilpumā. Ir arī citi procesi, piemēram, 3D drukāšana vai plastmasas CNC apstrāde, taču, ja jums ir nepieciešams vairāk nekā 500–1000 vienību, iesmidzināšana kļūst par vienīgo lietu, kas ir ekonomiski saprātīga lielākajai daļai lietojumu.
Kāpēc iesmidzināšana pārņēma visu
Pats process ir diezgan vienkāršs-izkausējiet plastmasas granulas, iesmidziniet zem augsta spiediena veidnē, ļaujiet tai atdzist, izstumiet daļu. Atkārtojiet. Mūsdienu mašīnas var veikt šo ciklu 15-30 sekundēs mazām detaļām, varbūt 60-90 sekundēs lielākām lietām. Es noskatījos, kā Haiti Marsa iesmidzināšanas formēšanas mašīna Šeņdžeņas rūpnīcā izsūknē viedtālruņu korpusus aptuveni 40 sekundes ciklā, un tas bija diezgan sarežģītai daļai ar vairākām iekšējām funkcijām. Instrumentu izmaksas bija aptuveni USD 12 000 (rūpnīcas vadītājs man to teica 2018. gadā, kopš tā laika cenas noteikti ir pieaugušas).
Tas, kas padara to tik dominējošu, ir ātruma, atkārtojamības un materiālu iespēju kombinācija. Kad veidne ir izgatavota, katra daļa maksā santīmus materiāla un mašīnas laikā. 50 gramu ABS detaļai var tikt izmantots materiāls 0,15 USD vērtībā, un, ja cikla laiks ir 30 sekundes, tas ir 120 daļas stundā. Pat ņemot vērā mašīnas laika izmaksas un darbaspēku, jūs domājat par 0,30–0,50 USD par detaļu 10 000+ vienību ražošanas ciklā.
Salīdziniet to ar CNC apstrādi, kur jūs maksājat par instrumentu nodilumu, ilgāku cikla laiku, materiālu atkritumiem un kvalificēta operatora laiku. Es noteicu cenu par vienkāršu korpusa dizainu, kad -iesmidzināšanas formēšana bija USD 0,82 par daļu par 5000 vienībām, ieskaitot amortizētos instrumentus. Tās pašas daļas CNC apstrāde tika kotēta USD 6,40 par detaļu. Pat ne tuvu.
Medicīniskās ierīces par to ir kļuvušas dīvainas
Medicīniskās injekcijas formas detaļas ir pavisam cita pasaule FDA noteikumu un sterilizācijas prasību dēļ. Materiāliem ir jābūt bioloģiski saderīgiem, kas ievērojami ierobežo jūsu iespējas. Lielākā daļa medicīnas ražotāju izmanto tādas lietas kā polikarbonāts, polipropilēns vai specializētas polietilēna kategorijas. PEEK ir populārs ķirurģijas instrumentiem, jo tas var apstrādāt atkārtotu autoklāvēšanu bez degradācijas, bet PEEK instrumenti ir dārgi, jo apstrādes temperatūra ir tik augsta (aptuveni 370–400 grādi saskaņā ar Victrex datu lapas specifikācijām, victrex.com).
Pirms dažiem gadiem es strādāju pie vienreizējās lietošanas medicīnas ierīču projekta, kas bija tikai vienkārša iesmidzināšanas paplāte zobārstniecības procedūrām. Materiāla validācija vien prasīja 4 mēnešus, jo mums bija jāpierāda bioloģiskās saderības pārbaude saskaņā ar ISO 10993 standartiem. Faktiskais daļas dizains tika veikts 3 nedēļu laikā. Normatīvā dokumentācija bija vēl 6 nedēļas. Tāpēc medicīniskās iesmidzināšanas formas detaļas maksā 3–5 reizes vairāk nekā līdzvērtīgas patēriņa daļas, pat ja tās ir vienkāršākas konstrukcijas.
Sterilizācijas savietojamība ir daudz svarīgāka, nekā domā vairums inženieru. Gamma starojuma sterilizācija var izraisīt dažu plastmasu dzeltēšanu vai trauslumu. Sterilizācija ar EtO (etilēna oksīdu) ir maigāka, taču tai ir absorbcijas problēmas ar noteiktiem materiāliem. Sterilizācijai autoklāvā ir nepieciešami materiāli, kas ir stabili 121–134 grādu temperatūrā ar tvaiku. Jūsu materiāla izvēli nosaka tas, kā klients plāno sterilizēt produktu, nevis tikai mehāniskās prasības.
Automobiļu daļas, kuras neviens neredz
Zem-motora pārsega automobiļu detaļas ir nežēlīgas pret plastmasas materiāliem. Jums ir jāievēro temperatūras cikliskums no -40 grādiem līdz 120 °+, eļļas un degvielas iedarbība, vibrācija un ilgs kalpošanas laiks (parasti 15+ gadi). Tāpēc automobiļu iesmidzināšanas liešanā tiek izmantots daudz ar stiklu{8}}pildītu neilonu un īpašiem augstas temperatūras materiāliem.
Ieplūdes kolektori agrāk bija alumīnija lējumi, bet tagad tie galvenokārt ir ar iesmidzināšanu veidotu stiklu{0}}pildīta neilona. BMW sāka to darīt deviņdesmito gadu beigās, un visi tam sekoja. Svara ietaupījums ir ievērojams-plastmasas ieplūdes kolektors var būt par 40–50% vieglāks nekā alumīnija ekvivalents. Saskaņā ar kādu Plastmasas inženieru biedrības konferences dokumenta analīzi (spe.org, 2015. gada automobiļu nodaļas konference), pāreja uz plastmasas ieplūdes kolektoriem samazināja transportlīdzekļa svaru vidēji par 3–4 kg uz vienu transportlīdzekli, kas nozīmē aptuveni 0,1–0,15 mpg degvielas ekonomijas uzlabošanos. Tas neizklausās daudz, bet pavairot to miljoniem transportlīdzekļu.
Savienotāji un sensoru korpusi ir vēl viena milzīga kategorija. Katram modernās automašīnas-temperatūras, spiediena, stāvokļa, ātruma un cita sensoram{2}}ir iesmidzināšanas korpuss. Tiem ir jābūt noslēgtiem pret ūdeni un putekļiem (parasti IP67 minimālais vērtējums), tiem jābūt izturētiem pret vibrācijām un jāsaglabā izmēru stabilitāte visā temperatūras diapazonā. Pielaides var būt arī stingras, piemēram, ±0,05 mm elektrisko savienotāju savienojuma elementiem.
Esmu redzējis automobiļu savienotāju veidnes, kas maksā 80 000 $-120 000, jo tās ir ģimenes veidnes, no kurām tiek izgatavotas vairākas detaļas, ar sānu iegriezumiem un rūdīta tērauda konstrukciju, kas nodrošina vairāk nekā miljonu detaļu dzīves ciklu. Izmaksas par daļu ir mazākas par 0,20 ASV dolāriem, ja izmantojat šādu apjomu.
Sadzīves elektronika ir vieta, kur ir nauda
Viedtālruņu korpusi, klēpjdatoru korpusi, planšetdatoru rāmji{0}}visi iesmidzināti. Virsmas apdares prasības ir ārprātīgas salīdzinājumā ar citām nozarēm. Nepieciešama A1 vai A2 veidņu virsmas apdare (SPI standarti), kas nozīmē plašu veidnes dobuma pulēšanu. Labs veidņu pulētājs var aizņemt nedēļas, lai-nopulētu lielu dobumu līdz spoguļa apdarei.
Apple plaši izmanto iesmidzināšanas liešanu, ko citiem uzņēmumiem ir grūti atkārtot. Unibody polikarbonāta MacBook no 2009. līdz 2010. gadam tika izliets vienā gabalā, un tam bija nepieciešamas lielas veidņu izgatavošanas zināšanas un procesa kontrole. Lielākā daļa ražotāju to sadalītu vairākās daļās, jo ir grūti iegūt vienmērīgu sienu biezumu un izvairīties no izlietnes pēdām uz liela izmēra.
Materiālu izvēle plaša patēriņa elektronikas jomā pēdējo desmit gadu laikā ir ļoti mainījusies. ABS agrāk bija noklusējums visam, tagad jūs redzat daudz vairāk polikarbonāta, PC/ABS maisījumu un modificētu PPO materiālu. Daļa no tiem ir liesmas slāpēšanas prasības{2}}UL94 vērtējums ir svarīgs visam, kurā ir elektronika. Lielākajai daļai lietu ir nepieciešams vismaz V-1 vērtējums, daudzām lietojumprogrammām ir nepieciešams V-0. Tas ierobežo izmantotos materiālus un piedevas.
Tekstūras un krāsu saskaņošana ir murgs plaša patēriņa elektronikā. Es strādāju ar uzņēmumu, kas ražoja perifērijas ierīces (tastatūras, peles un tamlīdzīgas lietas), un viņiem bija 23 pārskati par viena produkta tekstūru, jo mārketings nemitīgi mainīja viņu domas par to, kā tam vajadzētu justies. Katra tekstūras pārskatīšana nozīmēja veidnes dobuma atkārtotu pulēšanu ar dažādiem EDM elektrodiem vai ķīmiskās kodināšanas procesiem. Veidņu ražotājs iekasēja apmēram 2000 USD par tekstūras pārskatīšanu.
Krāsu saskaņošana starp dažādām plastmasām ir arī grūtāka, nekā vajadzētu. Ja jums ir produkts ar datora augšējo vāku un ABS apakšējo korpusu, ir sarežģīti panākt, lai tie pēc formas būtu vienādās krāsās, jo dažādi materiāli krāsvielas uzņem atšķirīgi. Jūs saņemat pielāgotas krāsu pamatsavienojumus un daudzas izmēģinājuma formas, lai to ievadītu.
Iepakojums ir slēptais gigants
Neviens nedomā par iesmidzināmu iepakojumu, taču tas ir milzīgs apjoma ziņā. Pudeļu vāciņi vien{1}}kaut kur ir statistika, kas liecina, ka katru dienu pasaulē tiek izgatavoti aptuveni 2 miljardi plastmasas pudeļu korķu (šobrīd nevaru atrast precīzu avotu, bet tas bija rakstā Plastics News pirms dažiem gadiem). Katrai ūdens pudelei, sodas pudelei, piena krūzei, šampūna pudelei ir iesmidzināms vāciņš.
Pārtikas trauki, kosmētikas iepakojumi, zāļu pudeles{0}}visas iesmidzināšanas formas. Prasības atšķiras no citām lietojumprogrammām, jo jums ir nepieciešami -pārtikai droši materiāli (atkal FDA noteikumi) un laba ķīmiskā izturība. Šajā telpā dominē polipropilēns, jo tas ir lēts,{4}}nekaitīgs pārtikai un ķīmiski inerts. Arī HDPE ir izplatīts, īpaši pudelēm un traukiem, kam nepieciešama zināma elastība.
Plānās{0}}sienu veidnes pārtikas tvertnēm ir sava specifika. Jūs runājat par sienu biezumu 0,5-0,8 mm, kam nepieciešams liels iesmidzināšanas ātrums un specializētas iekārtas ar labu kadru kontroli. Cikla laiki ir ātri, piemēram, 4-8 sekundes jogurta traukam. Es apmeklēju iepakojuma ražotāju Itālijā, kas izmantoja 48 dobumu veidnes maziem pārtikas traukiem, izgatavojot tūkstošiem detaļu stundā ar vienu mašīnu.
Iepakošanas veidņu aprīkojuma izmaksas ir interesantas, jo tās bieži vien ir ģimenes veidnes (vairāki dobumu izmēri) vai vairāku{0}}dobumu veidnes ar neprātīgu dobumu skaitu. 96{5}}dobuma pudeles vāciņa veidne varētu maksāt 150 $,000+ taču, izgatavojot desmitiem miljonu detaļu, katras daļas instrumentu izmaksas kļūst niecīgas.
Rūpniecības un celtniecības pielietojumi, kas kalpo mūžīgi
Elektriskie korpusi, sadales kārbas, slēdžu korpusi{0}}tonnas iesmidzināšanas veidņu detaļu ēkās un rūpnieciskajās iekārtās. Materiālu prasības šeit ir atšķirīgas, jo jums ir nepieciešama UV izturība (ja atrodas ārpus telpām), liesmas slāpēšana un triecienizturība. ABS nedarbosies izmantošanai ārpus telpām, jo tas noārdās UV iedarbības rezultātā. ASA ir labāks, bet dārgāks. Polikarbonāts darbojas, bet laika gaitā kļūst dzeltens. Vienmēr ir kompromisi.
Kabeļu vadības daļas, piemēram, vadu rokturi, spriedzes samazināšanas ierīces un dziedzeri, lielākoties ir iesmidzinātas. Neilons ir populārs ar to tā stingrības un ķīmiskās izturības dēļ. Esmu strādājis ar M20 un M25 auklas rokturiem, kuriem pēc vairākkārtējas uzstādīšanas un noņemšanas ir jāsaglabā IP68 blīvējums-dimensiju pielaidēm uz vītnēm un blīvējuma virsmām ir jābūt stingrām (±0,1 mm vai labākām kritiskajām funkcijām).
Arī cauruļu veidgabali un santehnikas komponenti ir liela kategorija. PVC un PP veidgabali ir iesmidzināti, lai gan liela diametra izstrādājumus bieži izgatavo citos procesos. Spiediena novērtējumam ir nozīme-armatūrai ar nominālo spiedienu 150 PSI ir nepieciešamas biezākas sienas un labākas materiāla īpašības nekā armatūrai, kas paredzēta 50 PSI. Materiālu kategorijas ir noteiktas atbilstoši ASTM standartiem, un testēšanas prasības ir noteiktas tādās lietās kā ASTM D2846 PVC veidgabaliem.
Rotaļlietas un atpūtas preces
Acīmredzot rotaļlietas galvenokārt ir iesmidzinātas plastmasas. LEGO klucīši ir klasisks piemērs-, kas ražoti ar neticami stingrām pielaidēm (±0,01 mm vai kaut kas tamlīdzīgs), tāpēc tie lieliski sader kopā katru reizi. Es domāju, ka LEGO izmanto tikai ABS, un viņi ir nodarbojušies ar iesmidzināšanu kopš 1940. vai 50. gadiem, tāpēc viņiem šis process ir pilnībā iedarbināts.
Darbības figūriņas, lelles, rotaļu transportlīdzekļi-visas iesmidzināšanas formas, parasti vairāku-kadru vai vairāku veidņu sastāvdaļu montāža. Materiālu izvēli rotaļlietām ierobežo drošības noteikumi. ASV ir CPSIA prasības, Eiropā ir EN 71 rotaļlietu drošības standarti. Atsevišķi plastifikatori un piedevas ir aizliegti bērnu izstrādājumiem, kas izslēdz dažas materiālu iespējas.
Sporta aprīkojumam ir arī daudz formētu detaļu. Slēpošanas zābaku apvalki, skrituļslidu rāmji, velosipēdu sastāvdaļas, aizsargaprīkojums. Mehāniskās prasības var būt augstas,-slēpošanas zābakiem ir jābūt pietiekami stīviem, lai efektīvi pārnestu spēku, bet ne tik trausliem, ka aukstā laikā tie plaisāt. Tas parasti nozīmē poliuretāna vai poliamīda materiālus, un sienu biezums kļūst smags (dažās vietās 3-6 mm).
Kas nedarbojas labi ar iesmidzināšanas formēšanu
Ļoti lielas detaļas kļūst sarežģītas, jo jums ir vajadzīgas masīvas mašīnas, un instrumentu izmaksas eksplodē. Automobiļu buferu fasādes ir gandrīz saprātīgas,-tam ir vajadzīgas 1000+ tonnas saspiešanas spēka iekārtas un veidnes, kas sver vairākas tonnas. Kapitāla ieguldījums šajā iekārtā ir miljoniem dolāru, tāpēc to var izdarīt tikai lielie ražotāji.
Īpaši mazas detaļas ar stingrām pielaidēm arī ir sarežģītas. Medicīniskās mikro-formētās daļas, piemēram, katetra komponenti vai mikrofluidiskās ierīces, pārsniedz iespējamo. Jums ir darīšana ar vārtu izmēriem, kas mazāki par 0,3 mm, dobuma izmēriem, kas mērīti milimetru desmitdaļās, un procesa vadību, kam nepieciešamas aktīvas atgriezeniskās saites sistēmas. Noraidīšanas līmenis var būt augsts pat ar perfektām veidnēm, jo neliels piesārņojuma daudzums vai procesa izmaiņas rada problēmas.
Detaļas ar ļoti biezām sekcijām slikti pelē atdzišanas laika un izlietnes pēdu dēļ. Viss, kas pārsniedz 6-8 mm sienas biezumu, sāk radīt problēmas. Ārpuse atdziest un sacietē, kamēr iekšpuse joprojām ir izkususi, un, atdziestot, tā saraujas, velkot ārējo virsmu uz iekšu un radot izlietnes pēdas vai tukšumus. Dažreiz to var kompensēt ar iepakošanas spiedienu un ilgāku dzesēšanas laiku, taču tā vienmēr ir cīņa. Ja iespējams, labāk pārveidot daļu ar ribām vai dobām sekcijām.
Materiāli, kas nav termoplastiski, vispār nedarbojas. Termoreaktīvajiem elementiem, piemēram, epoksīda vai fenola sveķiem, ir nepieciešami dažādi procesi (presijas formēšana vai pārneses formēšana). Acīmredzot metālus nevar formēt ar iesmidzināšanu, lai gan metāla iesmidzināšana (MIM) pastāv kā saistīts process pulverveida metāliem.
Ekonomika, kad jūs mēģināt pieņemt lēmumu
Nelieliem daudzumiem (mazāk nekā 1000 daļām) iesmidzināšanas formēšanai parasti nav jēgas, ja vien jums nav nepieciešamas īpašas materiāla īpašības vai virsmas apdare, kuru nevar iegūt citos veidos. Instrumentu izmaksas dominē pār -detaļu izmaksām mazos apjomos. Vienkārša veidnes prototipa cena varētu būt 3000–5000 USD, taču jūs sadalāt šīs izmaksas uz nelielu daļu detaļu.
Šķērsošanas punkts, kurā iesmidzināšana kļūst lētāka nekā citi procesi, ir atkarīgs no daļas sarežģītības un izmēra, bet parasti tas ir kaut kur no 500 līdz 2000 vienībām. Zem tā 3D drukāšana vai CNC apstrāde mēdz būt ekonomiskāka. Virs tam uzvar iesmidzināšana.
Es parasti saku cilvēkiem domāt par to šādi: ja instrumenti maksā 10 000 ASV dolāru un katras daļas formēšana maksā 0,50 ASV dolāru, jums ir jāizgatavo 20 000 detaļu, lai vienas daļas izmaksas nokristu zem 1,00 ASV dolāriem (10 000 ASV dolāru/20,{10}} 0,50 $). Ja jums ir nepieciešamas tikai 1000 detaļu, maksa par vienu daļu ir 10,50 ASV dolāri (10 000 ASV dolāru/1,000 + 0,50 ASV dolāru). Tas pilnībā maina aprēķinu.
Ražošanas apjomi miljonos ir vieta, kur iesmidzināšana patiešām spīd. Maksa par vienu-daļu var samazināties līdz smieklīgam līmenim,-piemēram, 0,10 USD-0,20 par vienkāršām detaļām. Instrumentu izmaksas tiek amortizētas par tik daudzām detaļām, ka tām tik tikko nav nozīmes. Tāpēc vienreizējās lietošanas patēriņa preces ir gandrīz visi injekcijas formas skuvekļi, pildspalvas, pudeles, konteineri un citi. Rezerves darbojas, ja katras daļas izgatavošana maksā santīmus.
Ir daudz vairāk lietojumu, nekā es šeit aplūkoju (mēbeļu sastāvdaļas, ierīču daļas, optiskās lēcas, mūzikas instrumentu detaļas, iespējams, simts citas kategorijas), taču tās ir galvenās nozares, ar kurām esmu nodarbojies. Procesa daudzpusība padara to tik dominējošu-, ka varat izgatavot 1 grama precizitātes komponentu vai 5 kilogramus smagu automobiļu paneli, izmantojot būtībā to pašu pamattehnoloģiju, tikai palielinot vai samazinot.
Ir daudz vairāk lietojumu, nekā es šeit aplūkoju (mēbeļu sastāvdaļas, ierīču daļas, optiskās lēcas, mūzikas instrumentu detaļas, iespējams, simts citas kategorijas), taču tās ir galvenās nozares, ar kurām esmu nodarbojies. Procesa daudzpusība padara to tik dominējošu-, ka varat izgatavot 1 grama precizitātes komponentu vai 5 kilogramus smagu automobiļu paneli, izmantojot būtībā to pašu pamattehnoloģiju, tikai palielinot vai samazinot.
Ja jūs sākat strādāt šajā jomā, veltiet laiku, lai saprastu, kā pareizi projektēt iesmidzināšanas formas detaļas, jo atdalīšanas līnijas iesmidzināšanas liešanas stratēģija ietekmē visu, kas atrodas lejup pa straumi. Esmu redzējis, ka pārāk daudz inženieru pasūta iesmidzināšanas formas detaļas, neņemot vērā iesmidzināšanas veidņu detaļu kosmētiskās specifikācijas, un pēc tam sūdzas par iesmidzināšanas veidņu detaļu izmaksām, kad ir nepieciešamas pārskatīšanas. Biežākie iesmidzināšanas lējuma detaļu defekti parasti ir saistīti ar dizaina problēmām,{2}}piemēram, biezu detaļu iesmidzināšana bez atbilstošiem dzesēšanas kanāliem vai lielas daļas iesmidzināšanas liešanas mēģinājums, nesaprotot, kā materiāla plūsma darbojas lielākos dobumos. Arī nepieciešamās zināšanas ir ļoti atšķirīgas: automašīnu detaļu plastmasas iesmidzināšana prasa citas zināšanas nekā aviācijas detaļu iesmidzināšana, un specializēti procesi, piemēram, reakcijas iesmidzināšanas formēšanas daļas vai metāla iesmidzināšanas formēšanas daļas, ir pilnīgi atšķirīgas prasmju kopas. Pat pēc-apstrādes-iesmidzināšanas plastmasas detaļu atkausēšana var samazināt atlikušo spriegumu, kas izraisa deformācijas problēmas mēnešus pēc ražošanas. Neatkarīgi no tā, vai strādājat ar pamataiesmidzināšanas veidņu daļasiestatot vai novērtējot plastmasas daļas, kas ražotas ar iesmidzināšanas liešanas operāciju, izpratne par pamatiem novērš dārgas kļūdas vēlāk. Tehnoloģija nekur nenovirzīs-iesmidzināšanas veidnes daļas un plastmasas iesmidzināšanas veidņu daļas joprojām dominēs ražošanā, jo nekas cits neveidosies tāpat kā tas.