Я працював у розробці та виробництві продуктів близько 11 років, багато працював з компаніями споживчої електроніки та деякими постачальниками автомобілів, а лиття під тиском — це лише стандартний спосіб виготовлення пластикових деталей будь-якого обсягу. Існують інші процеси, такі як 3D-друк або обробка пластику з ЧПУ, але коли вам знадобиться більше, ніж, можливо, 500-1000 одиниць, лиття під тиском стає єдиним, що має економічний сенс для більшості застосувань.
Чому лиття під тиском захопило все
Сам процес досить простий-розплавте пластикові гранули, введіть під високим тиском у форму, дайте їй охолонути, витягніть деталь. Повторіть. Сучасні машини можуть виконати цей цикл приблизно за 15-30 секунд для дрібних деталей, можливо, за 60-90 секунд для більших речей. Я спостерігав, як машина для лиття під тиском Haitian Mars на заводі в Шеньчжені викачує корпуси для смартфонів приблизно за 40 секунд за цикл, і це було для досить складної частини з кількома внутрішніми функціями. Вартість інструменту становила десь близько 12 000 доларів США (менеджер фабрики сказав мені про це в 2018 році, відтоді ціни точно зросли).
Що робить його таким домінуючим, так це поєднання швидкості, повторюваності та варіантів матеріалів. Після виготовлення форми кожна частина коштує копійки в матеріалах і машинному часі. Для 50-грамової деталі з АБС-пластику може знадобитися 0,15 доларів США матеріалу, і якщо час циклу становить 30 секунд, це 120 деталей на годину. Навіть враховуючи витрати на машинний час і робочу силу, ви очікуєте, можливо, 0,30-0,50 доларів США за деталь при виробничій серії з 10000+ одиниць.
Порівняйте це з обробкою з ЧПК, де ви платите за знос інструменту, довший час циклу, відходи матеріалу та час кваліфікованого оператора. Одного разу я оцінив просту конструкцію корпусу-для лиття під тиском у 0,82 долара за деталь за 5000 одиниць, включаючи амортизоване обладнання. Обробка тієї самої деталі з ЧПУ коштувала 6,40 дол. США за деталь. Навіть близько.
Медичні пристрої стали дивними з цього приводу
Літні медичні деталі – це зовсім інший світ через правила FDA та вимоги до стерилізації. Матеріали мають бути біосумісними, що значно обмежує ваші можливості. Більшість виробників медичних виробів використовують такі матеріали, як полікарбонат, поліпропілен або спеціальні сорти поліетилену. PEEK популярний для хірургічних інструментів, оскільки він може витримувати багаторазове автоклавування без погіршення якості, але інструменти PEEK є дорогими, оскільки температури обробки дуже високі (близько 370-400 градусів згідно зі специфікаціями Victrex, victrex.com).
Кілька років тому я працював над проектом одноразових медичних пристроїв, простим литим під тиском лотком для стоматологічних процедур. Лише валідація матеріалу зайняла 4 місяці, тому що ми повинні були підтвердити випробування біосумісності відповідно до стандартів ISO 10993. Фактичний дизайн деталі був зроблений за 3 тижні. На нормативну документацію було ще 6 тижнів. Ось чому медичні деталі, виготовлені під тиском, коштують у 3-5 разів дорожче, ніж еквівалентні споживчі деталі, навіть якщо вони мають простіші конструкції.
Сумісність зі стерилізацією має набагато більше значення, ніж думають більшість інженерів. Стерилізація гамма-випромінюванням може спричинити пожовтіння або крихкість деяких пластмас. Стерилізація EtO (етиленоксидом) є більш м’якою, але має проблеми з поглинанням певних матеріалів. Для стерилізації в автоклаві потрібні матеріали, стабільні при температурі 121-134 градусів з дією пари. Ваш вибір матеріалу залежить від того, як клієнт планує стерилізувати продукт, а не лише від механічних вимог.
Автозапчастини, яких ніхто не бачить
Підкапотні автомобільні компоненти жорстоко впливають на пластикові матеріали. У вас є зміна температури від -40 градусів до +120 градусів, вплив масел і палива, вібрації та вимоги до тривалого терміну служби (зазвичай 15+ років). Ось чому для лиття автомобілів під тиском використовується багато нейлону зі скло-наповнювачем і спеціальних високотемпературних матеріалів.
Раніше впускні колектори виготовлялися з алюмінієвого лиття, але тепер це здебільшого литий під тиском скло-нейлон. BMW почав робити це наприкінці 1990-х, я думаю, і всі пішли за ним. Значна економія ваги-пластиковий впускний колектор може бути на 40-50% легшим за алюмінієвий еквівалент. Згідно з деяким аналізом конференції Товариства інженерів із пластмас (spe.org, конференція автомобільного підрозділу 2015 р.), перехід на пластикові впускні колектори зменшив вагу транспортного засобу в середньому на 3-4 кг на транспортний засіб, що означає приблизно 0,1-0,15 миль на галон економії палива. Звучить небагато, але помножте це на мільйони автомобілів.
Роз’єми та корпуси датчиків – ще одна величезна категорія. Кожен датчик у сучасному автомобілі-температури, тиску, положення, швидкості тощо-має корпус, виготовлений під тиском. Вони мають бути захищені від води та пилу (як правило, мінімальний рейтинг IP67), витримувати вібрацію та підтримувати стабільність розмірів у всьому діапазоні температур. Допуски також можуть бути жорсткими, наприклад ±0,05 мм для елементів сполучення на електричних роз’ємах.
Я бачив прес-форми для автомобільних з’єднувачів, які коштують 80 000-120 000 доларів США, тому що це сімейні форми, які виготовляють кілька деталей, мають бічні дії для підрізів і конструкцію із загартованої сталі для понад мільйонів життєвих циклів деталей. Однак, коли ви працюєте з таким обсягом, вартість кожної частини в кінцевому підсумку становить менше 0,20 доларів США.
Побутова електроніка – це місце, де гроші
Корпуси для смартфонів, корпуси для ноутбуків, рамки для планшетів-усе виготовлено литтям під тиском. Вимоги до обробки поверхні божевільні порівняно з іншими галузями промисловості. Вам потрібна обробка поверхні форми A1 або A2 (стандарти SPI), що означає широке полірування порожнини форми. Хороший полірувальник форм може зайняти тижні, щоб вручну-відполірувати велику порожнину до дзеркального покриття.
Відомо, що Apple робить такі речі з литтям під тиском, які інші компанії намагаються повторити. Цілісний полікарбонатний MacBook зразка 2009-2010 рр. був відлитий під тиском у єдину деталь, що вимагало великого досвіду виготовлення форм і контролю процесу. Більшість виробників розділили б це на кілька частин, тому що отримати однакову товщину стінок і уникнути слідів раковини на чомусь великому важко.
За останнє десятиліття вибір матеріалів для побутової електроніки сильно змінився. Раніше ABS використовувався за замовчуванням для всього, тепер ви бачите набагато більше полікарбонату, суміші PC/ABS і модифікованих матеріалів PPO. Частково це вимоги до вогнестійкості-рейтинг UL94 важливий для всього, що містить електроніку. Для більшості речей потрібен принаймні рейтинг V-1, для багатьох програм потрібен рейтинг V-0. Це обмежує, які матеріали та добавки можна використовувати.
Зіставлення текстур і кольорів – це кошмар споживчої електроніки. Я працював з компанією, яка виробляла периферійні пристрої (клавіатури, миші тощо), і вони мали 23 перегляди текстури для одного продукту, тому що маркетинг постійно змінював свою думку щодо того, як це має виглядати. Кожен перегляд текстури означав повторне полірування порожнини прес-форми різними електроерозійними електродами або процесами хімічного травлення. Виробник прес-форм стягував приблизно 2000 доларів США за перегляд текстури.
Підібрати колір між різними пластиками також складніше, ніж повинно бути. Якщо у вас є виріб із верхньою кришкою для ПК та нижнім корпусом із АБС-пластику, зробити так, щоб вони були точно однакового кольору під час формування, складно, оскільки різні матеріали сприймають барвники по-різному. У кінцевому підсумку ви отримуєте спеціальні кольорові маткові суміші та багато пробного формування, щоб набрати його.
Упаковка — це прихований гігант
Ніхто не думає про упаковку, виготовлену під тиском, але вона величезна з точки зору обсягу. Лише пляшкові кришки-є статистичні дані, згідно з якими щодня у світі виготовляється приблизно 2 мільярди пластикових кришок від пляшок (наразі я не можу знайти точне джерело, але це було в статті Plastics News кілька років тому). Кожна пляшка з водою, пляшка з газованою водою, глечик для молока, пляшка з шампунем має кришку, відлиту під тиском.
Харчові контейнери, косметична упаковка, пляшки для ліків-усе виготовлено литтям під тиском. Вимоги відрізняються від інших застосувань, тому що вам потрібні -безпечні для харчових продуктів матеріали (знову ж правила FDA) і хороша хімічна стійкість. У цьому просторі домінує поліпропілен, оскільки він дешевий,-безпечний для харчових продуктів і хімічно інертний. HDPE також поширений, особливо для пляшок і контейнерів, які потребують певної гнучкості.
Формування тонких стінок для харчових контейнерів — це окрема особливість. Ви говорите про товщину стінок 0,5-0,8 мм, що вимагає високої швидкості вприскування та спеціалізованих машин із хорошим контролем удару. Час циклу швидкий, наприклад, 4-8 секунд для контейнера для йогурту. Я відвідав виробника упаковки в Італії, який використовував форми з 48 порожнинами для невеликих харчових контейнерів, виготовляючи тисячі деталей на годину на одній машині.
Витрати на інструменти для пакувальних форм є цікавими, оскільки це часто сімейні прес-форми (кілька розмірів порожнин) або багато-порожнинні форми з шаленою кількістю порожнин. Форма для кришки пляшки з 96-порожнинами може коштувати 150 доларів США,000+ але коли ви виготовляєте десятки мільйонів деталей, вартість інструменту для кожної деталі стає незначною.
Промислові та будівельні програми, які тривають вічно
Електричні корпуси, розподільні коробки, корпуси перемикачів-тонни деталей, виготовлених під тиском, у будівлях і промисловому обладнанні. Вимоги до матеріалів тут інші, тому що вам потрібна стійкість до ультрафіолету (якщо на вулиці), вогнестійкість і стійкість до ударів. ABS не працюватиме для використання на вулиці, оскільки він руйнується під впливом УФ-променів. ASA краще, але дорожче. Полікарбонат працює, але з часом жовтіє. Завжди є компроміси.
Деталі кабельної системи, як-от затискачі для кабелів, пристрої для зняття натягу та сальники, здебільшого виготовлені під тиском. Нейлон популярний для цього через його міцність і хімічну стійкість. Я працював із затискачами для шнурів M20 і M25, які потребують захисту IP68 після багаторазового встановлення та демонтажу-допуски на розміри різьби та ущільнювальних поверхонь мають бути жорсткими (±0,1 мм або більше для критичних елементів).
Трубопровідна арматура та сантехнічні компоненти також є великою категорією. Фітинги з ПВХ і ПП формуються під тиском, хоча матеріали великого діаметру часто виготовляються іншими процесами. Номінальний тиск має значення-для фітинга з номінальним тиском 150 PSI потрібні товщі стінки та кращі властивості матеріалу, ніж для фітинга з номінальним тиском 50 PSI. Класи матеріалів визначені стандартами ASTM, а вимоги до тестування викладені в таких речах, як ASTM D2846 для фітингів з ПВХ.
Іграшки та товари для відпочинку
Очевидно, що іграшки в основному виготовлені з пластмаси, виготовленої під тиском. Цеглинки LEGO є класичним прикладом-вироблених із неймовірно жорсткими допусками (±0,01 мм або щось таке божевільне), тому вони щоразу ідеально підходять один до одного. Гадаю, LEGO використовує виключно ABS, і вони займаються литтям під тиском з 1940-х чи 50-х років, тому вони повністю задіяли процес.
Фігурки, ляльки, іграшкові транспортні засоби-все виготовлено литтям під тиском, як правило, кілька-зйомок або збірка з кількох формованих компонентів. Вибір матеріалу для іграшок обмежений правилами безпеки. У США є вимоги CPSIA, в Європі є стандарти безпеки іграшок EN 71. Для дитячих товарів заборонені деякі пластифікатори та добавки, що виключає деякі варіанти матеріалів.
Спортивне обладнання також має багато формованих деталей. Раковини для лижних черевиків, рами для роликових ковзанів, компоненти для велосипедів, захисне спорядження. Механічні вимоги можуть бути високими-лижні черевики мають бути достатньо жорсткими, щоб ефективно передавати зусилля, але не настільки крихкими, щоб тріскатися в холодну погоду. Зазвичай це поліуретанові або поліамідні матеріали, і товщина стінок стає великою (3-6 мм у деяких областях).
Що погано працює з литтям під тиском
Дуже великі деталі стають складними, оскільки вам потрібні масивні машини, а витрати на інструменти вибухають. Автомобільні бампери майже на межі того, що має сенс-вони потребують 1000+ тонн затискних машин і форм, які важать кілька тонн. Капітальні інвестиції в це обладнання складають мільйони доларів, тому це під силу лише великим виробникам.
Наддрібні деталі з жорсткими допусками також складні. Медичні мікро-формовані деталі, як-от компоненти катетерів або мікрорідинні пристрої, розширюють межі можливого. Ви маєте справу з розмірами воріт менше 0,3 мм, розмірами порожнини, виміряними в десятих частках міліметра, і керуванням процесом, яке вимагає систем активного зворотного зв’язку. Рівень браку може бути високим навіть із ідеальними прес-формами, оскільки крихітні кількості забруднень або зміни процесу спричиняють проблеми.
Деталі з дуже товстими частинами погано формуються через час охолодження та сліди раковини. Усе, що має товщину стінки понад 6-8 мм, починає мати проблеми. Зовнішня частина охолоджується і твердне, поки внутрішня частина ще розплавлена, і коли центр охолоджується, вона стискається, втягуючи зовнішню поверхню всередину та створюючи сліди раковини або порожнечі. Іноді це можна компенсувати тиском у упаковці та довшим часом охолодження, але це завжди проблема. Якщо це можливо, краще змінити дизайн частини з ребрами або порожнистими ділянками.
Матеріали, які не є термопластичними, взагалі не працюють. Реактопласти, такі як епоксидні або фенольні смоли, потребують різних процесів (пресове формування або трансферне формування). Очевидно, що метали не можна формувати під тиском, хоча лиття під тиском (MIM) існує як споріднений процес для порошкових металів.
Економіка, коли ви намагаєтеся прийняти рішення
Для малих кількостей (менше 1000 деталей) лиття під тиском зазвичай не має сенсу, якщо тільки вам не потрібні певні властивості матеріалу або обробка поверхні, яку ви не можете отримати іншими способами. Вартість інструменту домінує над-вартістю за деталь за малих обсягів. Простий прототип форми може коштувати 3000-5000 доларів США, але ви розподіляєте цю вартість на невелику кількість деталей.
Точка переходу, коли лиття під тиском стає дешевшим, ніж інші процеси, залежить від складності та розміру деталей, але зазвичай це десь між 500-2000 одиницями. Нижче 3D-друк або обробка з ЧПУ, як правило, більш економічні. Крім того, виграє лиття під тиском.
Я зазвичай кажу людям думати про це так: якщо інструменти коштують 10 000 доларів США, а формування кожної деталі коштує 0,50 доларів США, вам потрібно виготовити 20 000 деталей, перш ніж вартість-деталі впаде нижче 1,00 доларів США (10 000/20 доларів США,000 + 0,50 доларів США). Якщо вам потрібна лише 1000 частин, ваша-вартість за деталь фактично становитиме 10,50 доларів США (10 000 доларів США/1,000 + 0,50 доларів США). Це повністю змінює розрахунок.
Мільйонні обсяги виробництва - це те, де лиття під тиском справді сяє. Вартість-деталі може впасти до смішного рівня-наприклад, 0,10 дол. США-0,20 дол. США для простих деталей. Вартість інструментів амортизується на стільки деталей, що це майже не має значення. Ось чому одноразові споживчі товари – це майже всі литі під тиском бритви, ручки, пляшки, контейнери тощо. Маржа працює, коли виготовлення кожної деталі коштує копійки.
Існує значно більше застосувань, ніж я розглянув тут (компоненти меблів, деталі приладів, оптичні лінзи, музичні інструменти, можливо, сотня інших категорій), але це основні галузі, з якими я мав справу. Універсальність процесу — це те, що робить його таким домінуючим-ви можете зробити точний компонент вагою 1 грам або автомобільну панель вагою 5 кілограмів, використовуючи в основному ту саму фундаментальну технологію, лише збільшивши або зменшивши масштаб.
Існує значно більше застосувань, ніж я розглянув тут (компоненти меблів, деталі приладів, оптичні лінзи, музичні інструменти, можливо, сотня інших категорій), але це основні галузі, з якими я мав справу. Універсальність процесу — це те, що робить його таким домінуючим-ви можете зробити точний компонент вагою 1 грам або автомобільну панель вагою 5 кілограмів, використовуючи в основному ту саму фундаментальну технологію, лише збільшивши або зменшивши масштаб.
Якщо ви починаєте займатися цією сферою, приділіть час розумінню того, як правильно проектувати деталі, виготовлені литтям під тиском, оскільки стратегія лиття під тиском лінії розділення впливає на все, що йде далі. Я бачив, як багато інженерів замовляли литі під тиском деталі, не враховуючи косметичних характеристик деталей, виготовлених під тиском, а потім скаржилися на вартість деталей, вироблених під тиском, коли потрібні зміни. Поширені дефекти деталей, виготовлених для лиття під тиском, зазвичай пов’язані з проблемами дизайну-, як-от лиття під тиском товстих деталей без відповідних каналів охолодження або спроба лиття під тиском великих деталей без розуміння того, як потік матеріалу працює у великих порожнинах. Потрібний досвід також дуже різний: пластикові лиття під тиском автомобільних деталей потребує інших знань, ніж лиття під тиском для авіаційних деталей, а спеціалізовані процеси, як-от реакційне лиття деталей або металеві деталі під тиском, мають зовсім інші набори навичок. Навіть після-обробки має значення-відпал відлитих під тиском пластикових деталей може зменшити залишкові напруги, які викликають проблеми з деформацією через кілька місяців після виробництва. Незалежно від того, чи працюєте ви з основнимдеталі лиття під тискомналаштування або оцінювання пластикових деталей, виготовлених за допомогою операції лиття під тиском, розуміння основ запобігає дорогим помилкам пізніше. Ця технологія нікуди не подінеться-деталі, виготовлені під тиском, і пластикові деталі, виготовлені під тиском, продовжуватимуть домінувати у виробництві, тому що ніщо інше не масштабується так, як воно.