Яка різниця між формуванням вставок і накладенням?

Два процеси, схожі назви, абсолютно різна інженерна логіка. Нам задають це запитання досить часто, тому воно вимагає належного технічного опису, а не звичайних маркетингових пустощів, які можна знайти в інших місцях.

 

Формування вставки поміщає заздалегідь виготовлений компонент (метал, кераміку, іноді попередньо-формований пластик) у форму перед ін’єкцією. Формування накладає другий пластиковий шар на наявну пластикову частину. Це версія з одним-реченням. Усе інше-рішення щодо інструментів, матеріальні головні болі, режими відмов-випливають із цієї фундаментальної різниці.

Звідки плутанина

Обидва процеси створюють багато{0}}частини. Обидва використовують обладнання для лиття під тиском. Обидва об’єднуються в списки можливостей постачальників. Але інженерні міркування розходяться майже відразу.

Формування вставок стосується сполучень метал-–-пластик. Хімічного зв'язку не існує. Ви повністю покладаєтеся на геометрію-накатки, отвори, виточення-для механічної фіксації вставки на місці. Пластик стискається навколо металу, коли він охолоджується, що створює зчеплення, але також створює проблеми, про які ми поговоримо пізніше.

Формування має справу зі з’єднаннями пластик-–-пластик. Коли існує сумісність матеріалів, ви отримуєте фактичну молекулярну взаємодифузію на межі. Ланцюги TPE і ланцюги підкладки змішуються, коли обидві поверхні знаходяться над склуванням. Якщо зробити правильно, міцність з’єднання перевищує міцність матеріалу-ви розриваєте TPE перед тим, як відклеїти його.

Термічна реальність полімерних форм

Перш ніж приступати до специфіки процесу, варто зрозуміти передумови теплопередачі в цих програмах.

Дослідження Білефельдського університету прикладних наук продемонструвало те, що дивує людей, які не знайомі з полімерним інструментом: коли ви впорскуєте ABS у порожнину форми ABS, контактна температура досягає приблизно 145 градусів. Те ж саме впорскування в сталевий інструмент? Контактна температура залишається близько 62-70 градусів.

Чому це важливо: час охолодження різко залежить від матеріалу порожнини. Охолодження сталевої форми займає приблизно 12 секунд для типових секцій стіни. Полімерна порожнина? 680 секунд. Теплу просто нікуди йти-теплопровідність надто низька, щоб звичайні канали охолодження працювали.

Це дослідження призвело до підходу зовнішнього охолодження із використанням занурення у водяну баню після викиду, що скоротило час циклу приблизно до 62 секунд із досяжним падінням температури на 16-39 градусів. Технологія SPM (Space Puzzle Mold) дозволяє викидати багатокомпонентні порожнинні вставки разом із заготівлею, охолоджувати зовні, а потім повертати назад. Виробничі цикли 165 деталей із 80 циклами на партію не показали зовнішніх пошкоджень інструменту.

Ми згадуємо про це, тому що термічна поведінка інструменту впливає як на результати формування вставок, так і на накладення, а більшість технічних обговорень повністю пропускають базову фізику.

Вставний молдинг: що відбувається насправді

Металеві вставки йдуть у форму. Навколо них тече пластик. Частина викидається. Досить простий за концепцією.

Розбивка на шість-етапів:

Підготовка.Вставки перевіряються, очищаються, іноді поверхня-обробляється. Латунь домінує для різьбових застосувань-хороша оброблюваність, гідна стійкість до корозії, передбачувана поведінка. Нержавіюча сталь для важких умов. Алюміній, коли вага має значення. Поверхневі елементи (накатка, кругові канавки, наскрізні-отвори) створені для максимального механічного утримання.

Завантаження. Ручне розміщення працює для невеликих обсягів. Вертикальний прес полегшує це, оскільки гравітація допомагає, а не бореться. Більші об’єми виправдовують автоматичні завантажувальні-роботи, годівниці для мисок, системи-підбирання та-розміщення. Фіксація повинна утримувати положення проти тиску впорскування, який стає значним.

Попередній нагрів. Часто пропускають, часто шкодують. Метал агресивно проводить тепло. Латунь кімнатної-температури, опущена у форму, діє як тепловідвід, місцево охолоджуючи розплав, збільшуючи в’язкість, створюючи слабкі лінії зварювання. Це вирішує попередній нагрів до ~100 градусів. Але є ще одна причина, яку люди пропускають: теплове розширення. Нагріта вставка розширюється. Коли збірка охолоджується, вставка та пластик стискаються разом, зменшуючи різницю залишкових напруг.

Ін'єкційний.Стандартні параметри лиття під тиском включають-температуру розплаву, швидкість уприскування, тиск у упаковці, час охолодження. Розташування воріт має більше значення, ніж зазвичай, оскільки ви спрямовуєте потік навколо перешкоди.

Охолодження. Нерівний від природи. Метал остигає швидше, ніж пластик. Інтерфейс бачить температурні градієнти, яких немає в одно-формованому матеріалі.

Викид і огляд.Перевірка позиції,-тестування витягування, якщо вказано, перевірка розмірів. Візуальний огляд виявляє очевидні проблеми; тонкі з’являються пізніше.

Проблема напруги обруча

Це заслуговує на окремий розділ, оскільки це режим невдач, який ловить людей.

Пластик дає усадку, коли застигає. Типові показники усадки: ABS 0,4-0,7%, PP 1,0-2,5%, POM 1,8-2,5%. Коли пластик стискається навколо металевої вставки, яка не стискається з такою ж швидкістю, у пластику виникає окружна напруга розтягування. Цей стрес не розслабляє. Він вбудований в деталь постійно.

Розрахунок простий:

Для ацеталю (POM) з усадкою 2,5% і модулем пружності ~2600 МПа ви дивитесь на кільцеву напругу близько 52 МПа. Це приблизно 75% граничної міцності POM на розрив. Не комфортний запас. (kaysun.com/blog/material-поведінка-обруч-стрес-і-повзання)

Це пояснює явище відстроченого розтріскування-частини проходять початкову перевірку, відправляються клієнтам, а потім тріскаються через тижні чи місяці, коли матеріал повзає під постійним навантаженням.

Конструкція пом’якшення: адекватна товщина стінки навколо вставок (зовнішній діаметр бобини має становити 1,5-2 × зовнішній діаметр вставки), вибір матеріалу, що сприяє меншій усадці та модулю, геометрія зняття напруги та етап попереднього нагрівання, згаданий раніше.

Невідповідність КТР і термоциклічність

Пов’язане, але відмінне від кільцевої напруги: відмінності коефіцієнта теплового розширення.

Типові значення:

• Пластмаси: 50-80 ppm/градус
• Латунь: ~19 ppm/градус
• Алюміній: ~24 ppm/градус
• Сталь: 10-13 ppm/градус

Різниця в 40+ ppm/градус означає, що пластик розширюється та стискається значно більше, ніж метал, із кожним температурним циклом. У додатках, які бачать теплові цикли-підкапот автомобіля, вуличне обладнання, будь-що з увімкненим/вимкненим обігрівом-цей диференціал створює циклічне навантаження на поверхню.

Задокументований випадок з інженерних форумів (eng-tips.com): латунні вставки з 30% скляного-нейлону, пройшли початкове випробування під тиском 120 фунтів на квадратний дюйм, витік після зміни температури до 80 градусів. Невідповідність теплового розширення відкрила інтерфейс. Аналіз після-випробувань показав виникнення тріщин при концентрації напруги на поверхні вставки.

Виправленням у цьому випадку було не коригування процесу-а зміна дизайну. Вторинне ущільнення (-кільце, еластомерна прокладка) або перероблена геометрія інтерфейсу. Формування лише вставок не може гарантувати газо{4}}непроникні ущільнення, коли бере участь термічний цикл, незалежно від того, наскільки ідеальним є процес формування.

Формування: варіанти процесу

Існує три підходи, кожен з яких має різні економічні та якісні наслідки.

Вставка накладного формування (трансферного формування).Попередньо-формовану підкладку поміщають у другу форму. TPE або інший формований матеріал наноситься на нього. Використовує стандартне спорядження-пострілу. Трудомісткість-через ручне завантаження підкладки. Економічність нижче ~250 000 одиниць на рік залежно від витрат на оплату праці. Якість з’єднання значною мірою залежить від температури підкладки під час ін’єкції поверх форми-холодна підкладка означає слабше міжфазне з’єднання.

Дво-формування (багато-).Спеціалізоване багатоствольне обладнання. Перший матеріал впорскується, форма обертається або ковзає, другий матеріал впорскується в тому ж циклі. Підкладка залишається теплою між ударами, максимізуючи молекулярну взаємодифузію на межі розділу. Найкраща якість скріплення. Висока вартість інструменту та обладнання. Економічний понад ~250 000 одиниць на рік.

Су-вприскування.Одночасне введення обох матеріалів. Обмежені додатки. Зазвичай не використовується для лиття в традиційному розумінні.

Поріг у 250 000 одиниць є приблизним. Норма праці істотно впливає на розрахунок. При ціні 4 долари США за годину, формування вставок залишається економічним при великих обсягах. При ціні 30 доларів США на годину дво-укол стає привабливим швидше.

Сумісність матеріалів-деталь, яка спричиняє збої

Хімічний зв’язок між формою та субстратом вимагає молекулярної сумісності. Таблиці сумісності існують, але не розповідають всю історію.

Параметри обробки суттєво впливають на якість з’єднання. Рекомендації щодо температури плавлення TPE від постачальників матеріалів (teknorapex.com):

• Над підкладкою PP: 170-190 градусів
• Над підкладкою з АБС: 220 градусів
• Над підкладкою PA: 240 градусів

Більш висока температура розплаву сприяє передачі тепла між поверхнями та молекулярній рухливості. Швидкість впорскування має бути високою, щоб підтримувати температуру під час наповнення. Товщина верхньої форми менше 1,5 мм створює проблеми-матеріал замерзає до того, як утвориться належне з’єднання.

Діагностика режиму відмови:Випробовуючи адгезію (випробування на відрив, випробування на зсув), огляньте поверхню пошкодження. Чисте відокремлення на межі=порушення адгезії=з’єднання є слабким місцем=проблема процесу або матеріалу. TPE розривається всередині себе, залишаючи залишки на обох поверхнях=когезійне руйнування=з’єднання перевищує міцність матеріалу=прийнятно.

Випадок забруднення

PlasticsToday задокументував аналіз несправностей, про які варто знати. Ручки виготовлені з 30% скло-заповненої поліпропіленової підкладки з еластомерним покриттям. Виробництво йшло нормально, потім партія показала нульову адгезію-TPE повністю відшаровувався.

Аналіз DSC показав, що субстрат "PP" містить 40-60% забруднення найлону 6. Матеріал змішався в якийсь момент вище за течією. Еластомер, розроблений для PP, не мав хімічної спорідненості з нейлоном.

Показник: часткова вага. 30% щільності GF нейлону становить 1,35 г/см³. 30% щільності GF PP становить 1,13 г/см³. Перевірка ваги виявила б це перед переливанням.

Перевірка вхідних матеріалів має значення. Особливо з переробленим вмістом або кількома постачальниками.

Правила дизайну, які ігноруються

З різних галузевих джерел і досвіду виробництва:

Для вставки:

• Внутрішній діаметр бобини Більше або дорівнює 1,5× діаметра пластини (2× бажано для застосування з високим-напруженням)
• Вставте виступ у порожнину більше або дорівнює 0,4 мм (0,016 дюйма)
• Формована глибина під вставкою Більша або дорівнює 1/6 діаметра вставки (запобігає слідам раковини)
• Уникайте гострих кутів на вставках-концентратори напруги прискорюють розтріскування
• Розглядайте попереднє нагрівання вставки як стандартну практику, а не за бажанням

Для лиття:

• TPE мінімальна товщина 1,5 мм для надійного склеювання
• Радіуси внутрішніх кутів Більші або дорівнюють 0,5 × товщини стінки
• Уникайте тонких секцій, які замерзають перед наповненням
• Текстуровані поверхні основи покращують механічну адгезію
• Розташування воріт для мінімізації повторного нагріву субстрату в чутливих зонах

Вони документуються, включаються в інструкції з проектування, а потім ігноруються, коли настає тиск на графік. Проблеми виявляються на виробництві або, що ще гірше, на полі.

Питання щодо кваліфікації постачальника

Під час оцінювання постачальників для цих процесів загальна перевірка сертифікації ISO мало що скаже. Конкретні питання важливіші.

Для вставки:

• Якого позиційного допуску Cpk ви досягаєте на місці вставки? (Все, що нижче 1,33, викликає занепокоєння)
• Опишіть процес попереднього нагріву вставки. Яка температура? Як перевірено?
• Чи були у вас проблеми із затримкою злому? Що було першопричиною та рішенням?
• Як ви обробляєте різні матеріали CTE?

Для лиття:

• Як ви кваліфікуєте нові комбінації підкладка/поверхня?
• Який у вас протокол перевірки міцності з’єднання? Показати дані.
• Як ви контролюєте температуру підкладки під час ін’єкції поверх форми?
• Яка ваша процедура запобігання забрудненню поверхні?

Для обох:

• Розкажіть мені про огляд DFM, який ви відклали. Що ти зловив?
• Опишіть виробничу проблему, яку ви вирішили. Що змінилося?
• Який ваш підхід, коли цитований дизайн не працює?