Я работал в сфере проектирования и производства продукции около 11 лет, много работал с компаниями, производящими бытовую электронику, и некоторыми поставщиками автомобилей, а литье под давлением — это всего лишь стандартный способ изготовления пластиковых деталей в любых объемах. Существуют и другие процессы, такие как 3D-печать или обработка пластика на станке с ЧПУ, но как только вам понадобится более 500-1000 единиц, литье под давлением становится единственным, что имеет экономический смысл для большинства применений.
Почему литье под давлением взяло верх над всем
Сам процесс довольно прост:-расплавьте пластиковые гранулы, впрысните их под высоким давлением в форму, дайте ей остыть и извлеките деталь. Повторить. Современные машины могут выполнить этот цикл примерно за 15–30 секунд для мелких деталей и, возможно, за 60–90 секунд для более крупных деталей. Я наблюдал, как машина для литья под давлением Haitian Mars на заводе в Шэньчжэне откачивала корпуса для смартфонов примерно за 40 секунд за цикл, и это была довольно сложная деталь с множеством внутренних функций. Стоимость оснастки составила где-то около 12 000 долларов США (менеджер завода сказал мне это в 2018 году, с тех пор цены определенно выросли).
Что делает его таким доминирующим, так это сочетание скорости, повторяемости и выбора материалов. После изготовления формы каждая деталь стоит копейки в плане материала и машинного времени. Для изготовления 50-граммовой детали из АБС-пластика может потребоваться материала на сумму 0,15 доллара, а если время цикла составляет 30 секунд, это составляет 120 деталей в час. Даже с учетом затрат машинного времени и рабочей силы вы получите примерно 0,30–0,50 доллара США за деталь при производственном цикле в 10 000+ единиц.
Сравните это с обработкой на станках с ЧПУ, где вы платите за износ инструмента, увеличенное время цикла, отходы материала и время квалифицированного оператора. Я оценил простую конструкцию корпуса, когда-литье под давлением стало стоить 0,82 доллара США за деталь за 5000 единиц, включая амортизируемые инструменты. Обработка той же детали на станке с ЧПУ стоила 6,40 доллара за деталь. Даже близко.
Медицинские устройства стали странными по этому поводу
Медицинские детали, отлитые под давлением, — это совершенно другой мир из-за правил FDA и требований к стерилизации. Материалы должны быть биосовместимыми, что существенно ограничивает ваши возможности. Большинство производителей медицинского оборудования используют такие материалы, как поликарбонат, полипропилен или специальные сорта полиэтилена. PEEK популярен для изготовления хирургических инструментов, поскольку он может выдерживать многократное автоклавирование без разрушения, но инструменты из PEEK дороги, поскольку температура обработки очень высока (около 370-400 градусов согласно спецификациям Victrex, victrex.com).
Несколько лет назад я работал над проектом одноразового медицинского устройства — простого лотка для стоматологических процедур, отлитого под давлением. Одна только проверка материала заняла 4 месяца, поскольку нам нужно было подтвердить тестирование на биосовместимость в соответствии со стандартами ISO 10993. Фактический дизайн детали был выполнен за 3 недели. Нормативная документация составила еще 6 недель. Вот почему медицинские детали, отлитые под давлением, стоят в 3–5 раз дороже, чем эквивалентные потребительские детали, даже если они имеют более простую конструкцию.
Совместимость с стерилизацией имеет гораздо большее значение, чем думает большинство инженеров. Стерилизация гамма-излучением может привести к пожелтению или хрупкости некоторых пластиков. Стерилизация EtO (оксидом этилена) более щадящая, но имеет проблемы с абсорбцией некоторых материалов. Для автоклавной стерилизации необходимы материалы, стабильные при температуре 121-134 градуса под воздействием пара. Выбор материала зависит от того, как клиент планирует стерилизовать продукт, а не только от механических требований.
Автомобильные детали, которые никто не видит
Автомобильные компоненты-под капотом агрессивно относятся к пластиковым материалам. У вас есть циклическое изменение температуры от -40 до 120 градусов +, воздействие масел и топлива, вибрация и требования к длительному сроку службы (обычно 15+ лет). Вот почему при литье под давлением в автомобилях используется много стеклонаполненных нейлонов и специальных жаропрочных материалов.
Раньше впускные коллекторы были отлиты из алюминия, но теперь они в основном изготавливаются из отлитого под давлением нейлона,-наполненного стеклом. Думаю, BMW начала делать это в конце 1990-х, и все последовали ее примеру. Экономия веса значительна.-Пластмассовый впускной коллектор может быть на 40–50 % легче алюминиевого эквивалента. Согласно анализу, проведенному на конференции Общества инженеров по пластмассам (spe.org, конференция автомобильного подразделения 2015 г.), переход на пластиковые впускные коллекторы снизил вес транспортного средства в среднем на 3–4 кг на транспортное средство, что означает улучшение экономии топлива примерно на 0,1–0,15 миль на галлон. Звучит не так уж и много, но умножьте это на миллионы автомобилей.
Разъемы и корпуса датчиков — еще одна огромная категория. Каждый датчик в современном автомобиле-температуры, давления, положения, скорости и т. д.-имеет корпус, отлитый под давлением. Они должны быть защищены от воды и пыли (обычно не менее IP67), выдерживать вибрацию и сохранять стабильность размеров во всем температурном диапазоне. Допуски также могут быть жесткими, например, ±0,05 мм для сопрягаемых элементов электрических разъемов.
Я видел формы для автомобильных разъемов, которые стоили 80 000 долларов-120 000 долларов, потому что это семейные формы, из которых изготавливаются несколько деталей, с боковыми выступами для поднутрений и конструкцией из закаленной стали, рассчитанной на более чем миллион жизненных циклов деталей. Стоимость одной детали в конечном итоге составляет менее 0,20 доллара США, когда вы работаете с таким объемом.
Бытовая электроника – там, где деньги
Корпуса для смартфонов, ноутбуков, рамки для планшетов-все отлиты под давлением. Требования к качеству поверхности безумны по сравнению с другими отраслями промышленности. Вам необходима обработка поверхности формы A1 или A2 (стандарты SPI), что означает тщательную полировку полости формы. Хорошему полировщику пресс-форм могут потребоваться недели, чтобы-полировать большую полость вручную до зеркального блеска.
Apple, как известно, делает вещи с помощью литья под давлением, которые другие компании с трудом могут повторить. Цельный поликарбонатный MacBook, выпущенный примерно в 2009–2010 годах, был отлит под давлением в виде одной детали, что требовало огромного опыта изготовления пресс-форм и контроля процесса. Большинство производителей разделили бы его на несколько частей, потому что добиться одинаковой толщины стенок и избежать вмятин на чем-то таком большом сложно.
За последнее десятилетие выбор материалов в бытовой электронике сильно изменился. Раньше ABS использовался по умолчанию для всего, теперь вы видите гораздо больше поликарбоната, смесей ПК / АБС и модифицированных материалов PPO. Частично это связано с требованиями к огнестойкости.-Рейтинг UL94 важен для всего, что содержит электронику внутри. Для большинства вещей требуется рейтинг не ниже V-1, для многих приложений требуется V-0. Это ограничивает количество материалов и добавок, которые вы можете использовать.
Соответствие текстур и цветов — это кошмар в бытовой электронике. Я работал с компанией, которая производила периферийные устройства (клавиатуры, мыши и тому подобное), и у них было 23 версии текстуры для одного продукта, потому что маркетологи постоянно меняли мнение о том, как она должна себя чувствовать. Каждая доработка текстуры подразумевала повторную полировку полости формы с использованием различных электродов EDM или процессов химического травления. Производитель пресс-форм взял около 2000 долларов за доработку текстуры.
Сопоставление цветов между различными пластиками также сложнее, чем должно быть. Если у вас есть продукт с верхней крышкой из ПК и нижним корпусом из АБС-пластика, добиться того, чтобы при формовании они были одинакового цвета, сложно, поскольку разные материалы по-разному воспринимают красители. В конечном итоге вы получаете маточные смеси нестандартных цветов и проводите множество пробных формований для их отладки.
Упаковка – скрытый гигант
Никто не думает об упаковке, полученной методом литья под давлением, но она огромна по объему. Одни только крышки для бутылок-где-то есть статистика, согласно которой ежедневно во всем мире производится около 2 миллиардов пластиковых крышек для бутылок (сейчас я не могу найти точный источник, но это было в статье в журнале Plastics News, опубликованной несколько лет назад). Каждая бутылка с водой, бутылка содовой, молочник, бутылка шампуня имеют крышку, отлитую под давлением.
Контейнеры для пищевых продуктов, косметическая упаковка, флаконы с лекарствами-все отлиты под давлением. Требования отличаются от других применений, поскольку вам нужны пищевые-безопасные материалы (опять же правила FDA) и хорошая химическая стойкость. Полипропилен доминирует в этой сфере, потому что он дешев, безопасен для пищевых продуктов и химически инертен. ПЭВП также широко распространен, особенно для бутылок и контейнеров, которым требуется определенная гибкость.
Тонкостенное-профилирование пищевых контейнеров – это отдельная специальность. Вы говорите о толщине стенок 0,5-0,8 мм, что требует высоких скоростей впрыска и специализированных машин с хорошим контролем впрыска. Однако время цикла быстрое — примерно 4–8 секунд для контейнера для йогурта. Я посетил производителя упаковки в Италии, который использовал формы с 48 гнездами для небольших пищевых контейнеров, производя тысячи деталей в час на одной машине.
Стоимость оснастки для упаковочных форм интересна тем, что зачастую это семейные формы (с несколькими размерами полостей) или много-формы с огромным количеством полостей. Пресс-форма для крышек для бутылок с 96-полостями может стоить 150 долларов,000+ но когда вы изготавливаете десятки миллионов деталей, стоимость оснастки на каждую деталь становится незначительной.
Промышленные и строительные применения, которые служат вечно
Электрические шкафы, распределительные коробки, корпуса переключателей-тонны литых деталей для зданий и промышленного оборудования. Требования к материалам здесь другие, поскольку вам нужна устойчивость к ультрафиолетовому излучению (если используется на открытом воздухе), огнестойкость и ударопрочность. ABS не подходит для наружного применения, поскольку он разрушается под воздействием ультрафиолета. ASA лучше, но дороже. Поликарбонат работает, но со временем желтеет. Всегда есть компромиссы.
Детали прокладки кабелей, такие как зажимы для шнуров, устройства защиты от натяжения и сальники, в основном отливаются методом литья под давлением. Нейлон популярен благодаря своей прочности и химической стойкости. Я работал с кабельными зажимами M20 и M25, которые должны сохранять герметичность IP68 после многократной установки и снятия.-Допуски на размеры резьбы и уплотняющих поверхностей должны быть жесткими (±0,1 мм или лучше для критически важных элементов).
Трубопроводная арматура и компоненты сантехники также представляют собой большую категорию. Фитинги из ПВХ и ПП изготавливаются методом литья под давлением, хотя детали большого диаметра часто изготавливаются другими способами. Номинальное давление имеет значение.-Фитинг, рассчитанный на давление 150 фунтов на квадратный дюйм, требует более толстых стенок и лучших свойств материала, чем фитинг, рассчитанный на давление 50 фунтов на квадратный дюйм. Марки материалов указаны в соответствии со стандартами ASTM, а требования к испытаниям изложены в таких документах, как ASTM D2846 для фитингов из ПВХ.
Игрушки и товары для отдыха
Очевидно, что игрушки в основном изготавливаются из пластика, отлитого под давлением. Кубики LEGO – классический пример-, изготовленные с невероятно жесткими допусками (±0,01 мм или что-то в этом роде), поэтому они всегда идеально подходят друг к другу. Я думаю, что LEGO использует исключительно ABS, и они занимаются литьем под давлением с 1940-х или 50-х годов, поэтому у них полностью отлажен процесс.
Фигурки, куклы, игрушечные транспортные средства-все отлиты под давлением, обычно это многократная-съёмка или сборка из нескольких отлитых компонентов. Выбор материала для игрушек ограничен правилами техники безопасности. В США действуют требования CPSIA, в Европе — стандарты безопасности игрушек EN 71. В детских товарах запрещены некоторые пластификаторы и добавки, что исключает некоторые варианты материалов.
Спортивное оборудование также имеет множество формованных деталей. Корпуса лыжных ботинок, рамы роликовых коньков, компоненты велосипедов, защитное снаряжение. Механические требования могут быть требовательными-лыжные ботинки должны быть достаточно жесткими, чтобы эффективно передавать усилие, но не настолько хрупкими, чтобы они не треснули в холодную погоду. Обычно это означает полиуретановые или полиамидные материалы, а толщина стенок становится большой (3-6 мм в некоторых местах).
Что не работает при литье под давлением
Изготовление очень больших деталей становится сложной задачей, потому что вам нужны массивные машины, а стоимость инструментов резко возрастает. Облицовки автомобильных бамперов находятся на пределе разумного,-для них требуются машины с зажимным усилием 1000+ тонны и пресс-формы весом в несколько тонн. Капитальные вложения в это оборудование составляют миллионы долларов, поэтому только крупные производители могут это сделать.
Сверхмаленькие детали с жесткими допусками также сложны. Медицинские микро-формованные детали, такие как компоненты катетеров или микрофлюидные устройства, расширяют границы возможного. Вы имеете дело с размерами затворов менее 0,3 мм, размерами полостей, измеряемыми десятыми долями миллиметра, и управлением процессом, требующим активных систем обратной связи. Процент брака может быть высоким даже при использовании идеальных форм, поскольку незначительное количество загрязнений или отклонения в процессе вызывают проблемы.
Детали с очень толстыми секциями плохо поддаются формованию из-за времени охлаждения и образования вмятин. Все, что имеет толщину стенок более 6-8 мм, начинает вызывать проблемы. Внешняя часть остывает и затвердевает, в то время как внутренняя часть все еще расплавлена, а по мере охлаждения центр сжимается, втягивая внешнюю поверхность внутрь и создавая раковины или пустоты. Иногда вы можете компенсировать это давлением упаковки и более длительным временем охлаждения, но это всегда борьба. Лучше перепроектировать деталь с ребрами или полыми секциями, если это возможно.
Материалы, которые не являются термопластичными, вообще не работают. Термореактивные смолы, такие как эпоксидные или фенольные смолы, требуют разных процессов (компрессионное формование или трансферное формование). Металлы, очевидно, не могут подвергаться литью под давлением, хотя литье под давлением металлов (MIM) существует как родственный процесс для порошковых металлов.
Экономика, когда вы пытаетесь принять решение
Для небольших партий (менее 1000 деталей) литье под давлением обычно не имеет смысла, если только вам не нужны определенные свойства материала или обработка поверхности, которую невозможно получить другими способами. Стоимость оснастки преобладает над стоимостью детали-при небольших объемах. Простая форма-прототип может стоить 3000–5000 долларов, но вы распределяете эту стоимость на небольшое количество деталей.
Точка пересечения, когда литье под давлением становится дешевле, чем другие процессы, зависит от сложности и размера детали, но обычно это где-то между 500-2000 единицами. Ниже этого уровня 3D-печать или обработка на станке с ЧПУ, как правило, более экономичны. В этом отношении побеждает литье под давлением.
Обычно я советую людям думать об этом следующим образом: если инструменты стоят 10 000 долларов, а формовка каждой детали стоит 0,50 доллара, вам нужно изготовить 20 000 деталей, прежде чем стоимость каждой-детали упадет ниже 1,00 доллара (10 000/20,000 + 0,50 доллара). Если вам нужно всего 1000 деталей, ваша-стоимость каждой детали фактически составит 10,50 долларов США (10 000 долларов США за 1,000 + 0,50 доллара США). Это полностью меняет расчет.
Объемы производства, исчисляемые миллионами, — это то, где литье под давлением действительно сияет. Стоимость одной-детали может упасть до смехотворного уровня,-например, 0,10 доллара США-0,20 доллара за простые детали. Стоимость оснастки амортизируется по такому количеству деталей, что это практически не имеет значения. Вот почему почти все одноразовые потребительские товары представляют собой отлитые под давлением бритвы, ручки, бутылки, контейнеры и т. д. Прибыль работает, когда изготовление каждой детали стоит копейки.
Существует гораздо больше применений, чем я описал здесь (компоненты мебели, детали бытовой техники, оптические линзы, детали музыкальных инструментов и, возможно, сотня других категорий), но это основные отрасли, с которыми я имел дело. Универсальность этого процесса делает его настолько доминирующим-, что вы можете изготовить прецизионную деталь весом 1 грамм или автомобильную панель весом 5 килограммов, используя практически одну и ту же фундаментальную технологию, только в увеличенном или уменьшенном масштабе.
Существует гораздо больше применений, чем я описал здесь (компоненты мебели, детали бытовой техники, оптические линзы, детали музыкальных инструментов и, возможно, сотня других категорий), но это основные отрасли, с которыми я имел дело. Универсальность этого процесса делает его настолько доминирующим-, что вы можете изготовить прецизионную деталь весом 1 грамм или автомобильную панель весом 5 килограммов, используя практически одну и ту же фундаментальную технологию, только в увеличенном или уменьшенном масштабе.
Если вы начинаете работать в этой области, потратьте время на то, чтобы понять, как правильно проектировать детали, отлитые под давлением, потому что стратегия литья под давлением с линией разъема влияет на все последующие этапы процесса. Я видел, как слишком много инженеров заказывали детали, отлитые под давлением, не принимая во внимание косметические характеристики деталей, отлитых под давлением, а затем жаловались на стоимость деталей, отлитых под давлением, когда требовалась доработка. Распространенные дефекты деталей, отлитых под давлением, обычно возникают из-за конструктивных проблем,-таких как литье под давлением толстых деталей без надлежащих каналов охлаждения или попытка литья под давлением крупных деталей без понимания того, как работает поток материала в больших полостях. Требуемый опыт также сильно различается: литье пластиковых автомобильных деталей под давлением требует иных знаний, чем литье под давлением авиационных деталей, а специализированные процессы, такие как реакционное литье деталей под давлением или металлические детали для литья под давлением, представляют собой совершенно разные наборы навыков. Даже после-обработки-отжиг пластиковых деталей, отлитых под давлением, может снизить остаточные напряжения, которые вызывают проблемы с короблением через несколько месяцев после производства. Независимо от того, работаете ли вы с базовымдетали пресс-формы для литья под давлениемнастройка или оценка пластиковых деталей, изготовленных методом литья под давлением, понимание основ предотвращает дорогостоящие ошибки в дальнейшем. Технология никуда не денется.-Детали, отлитые под давлением, и детали, отлитые из пластика, будут продолжать доминировать в производстве, потому что ничто другое не масштабируется так, как оно.