Körülbelül 11 éve dolgozom terméktervezésben és gyártásban, sokat dolgoztam fogyasztói elektronikai cégekkel és néhány autóipari beszállítóval, és a fröccsöntés csak az alapértelmezett módja a műanyag alkatrészek bármilyen térfogatú gyártásának. Vannak más eljárások is, mint például a 3D nyomtatás vagy a műanyag CNC megmunkálása, de ha esetleg 500-1000 egységnél többre van szükség, a fröccsöntés lesz az egyetlen olyan dolog, ami a legtöbb alkalmazásnál gazdaságos.
Miért vett át mindent a fröccsöntés
Maga a folyamat meglehetősen egyszerű,{0}}megolvasztjuk a műanyag pelleteket, nagy nyomáson fecskendezzük be egy formába, hagyjuk kihűlni, majd kilökjük az alkatrészt. Ismétlés. A modern gépek ezt a ciklust 15-30 másodperc alatt tudják elvégezni kis alkatrészeknél, esetleg 60-90 másodpercben nagyobb dolgoknál. Néztem egy haiti Mars fröccsöntő gépet egy shenzeni gyárban, amely ciklusonként körülbelül 40 másodperccel szivattyúzza ki az okostelefonok házait, és ez egy meglehetősen összetett, több belső funkcióval rendelkező alkatrészre vonatkozik. A szerszámköltség valahol 12 000 USD körül volt (a gyár vezetője ezt 2018-ban mondta nekem, az árak azóta határozottan emelkedtek).
Ami annyira dominánssá teszi, az a sebesség, az ismételhetőség és az anyaglehetőségek kombinációja. A forma elkészítése után minden alkatrész fillérekbe kerül anyag- és gépidőben. Egy 50 grammos ABS alkatrész 0,15 dollár értékű anyagot használhat fel, és ha a ciklusidő 30 másodperc, az óránként 120 alkatrészt jelent. Még ha a gépi időköltségeket és a munkaerőköltségeket is figyelembe vesszük, alkatrészenként 0,30-0,50 USD-t keres 10,000+ darabos gyártási sorozat esetén.
Hasonlítsa össze ezt a CNC megmunkálással, ahol a szerszámkopásért, a hosszabb ciklusidőkért, az anyagpazarlásért és a szakképzett kezelői időért kell fizetnie. Egy egyszerű tokozási konstrukciót áraztam be, amikor-a fröccsöntés 0,82 USD/alkatrész áron érkezett 5000 egységért, beleértve az amortizált szerszámokat is. Ugyanennek az alkatrésznek a CNC megmunkálását 6,40 USD/alkatrész áron jegyezték. Még csak közel sem.
Az orvosi eszközök furcsává váltak ezzel kapcsolatban
Az orvosi fröccsöntött alkatrészek teljesen más világot alkotnak az FDA előírásai és a sterilizálási követelmények miatt. Az anyagoknak biológiailag kompatibilisnek kell lenniük, ami jelentősen korlátozza a lehetőségeket. A legtöbb orvosi gyártó olyan anyagokat használ, mint a polikarbonát, polipropilén vagy speciális minőségű polietilén. A PEEK népszerű a sebészeti műszerek körében, mert képes kezelni az ismételt autoklávozást anélkül, hogy tönkremenne, de a PEEK szerszámozás drága, mert a feldolgozási hőmérséklet olyan magas (körülbelül 370-400 fok a Victrex adatlapjának specifikációi szerint, victrex.com).
Néhány évvel ezelőtt egy eldobható orvosi eszköz projekten dolgoztam, csak egy egyszerű fröccsöntött tálca fogászati eljárásokhoz. Az anyag validálása önmagában 4 hónapig tartott, mert igazolnunk kellett az ISO 10993 szabvány szerinti biokompatibilitási vizsgálatot. A tényleges alkatrésztervezés 3 hét alatt készült el. A hatósági dokumentáció további 6 hét volt. Ez az oka annak, hogy az orvosi fröccsöntött alkatrészek 3-5-ször drágábbak, mint a hasonló fogyasztói alkatrészek, még akkor is, ha egyszerűbb kialakításúak.
A sterilizálási kompatibilitás sokkal többet számít, mint a legtöbb mérnök gondolná. A gammasugárzással végzett sterilizálás egyes műanyagok sárgulását vagy törékennyé válását okozhatja. Az EtO (etilén-oxid) sterilizálás kíméletesebb, de bizonyos anyagoknál abszorpciós problémái vannak. Az autoklávban történő sterilizáláshoz olyan anyagokra van szükség, amelyek gőzhatás mellett 121-134 fokon stabilak. Anyagválasztását nem csak a mechanikai követelmények, hanem az is befolyásolja, hogy az ügyfél hogyan tervezi a termék sterilizálását.
Autóalkatrészek, amelyeket senki sem lát
A motorháztető alatti autóalkatrészek brutálisan bánnak a műanyagokkal. Hőmérséklet-ciklusa -40 foktól 120 + fokig, olajoknak és üzemanyagoknak való kitettség, vibráció és hosszú élettartam követelmény (általában 15+ év). Ez az oka annak, hogy az autóipari fröccsöntéshez sok üveggel töltött nejlont és speciális, magas hőmérsékletű anyagokat használnak{8}}.
A szívócsonkok korábban alumíniumöntvények voltak, most azonban többnyire fröccsöntött üveg{0}}töltött nylonból. Azt hiszem, a BMW az 1990-es évek végén kezdte ezt csinálni, és mindenki követte. A tömegmegtakarítás jelentős,-egy műanyag szívócső 40-50%-kal könnyebb lehet, mint az alumínium megfelelője. A Society of Plastics Engineers konferenciaanyaga (spe.org, 2015-ös autóipari divízió konferenciája) egyes elemzései szerint a műanyag szívócsonkra való átállás járművenként átlagosan 3-4 kg-mal csökkentette a jármű tömegét, ami körülbelül 0,1-0,15 mpg javulást jelent az üzemanyag-fogyasztásban. Nem hangzik soknak, de ezt meg kell szorozni több millió jármű között.
A csatlakozók és az érzékelőházak egy másik hatalmas kategória. A modern autók minden érzékelőjének-hőmérséklet, nyomás, pozíció, sebesség stb.-fröccsöntött háza van. Ezeket víz és por ellen szigetelni kell (általában legalább IP67 besorolású), kezelni kell a vibrációt, és meg kell őrizni a méretstabilitást a teljes hőmérsékleti tartományban. A tűréshatárok is szűkek lehetnek, például ±0,05 mm az elektromos csatlakozók illeszkedési jellemzőinél.
Láttam autóipari csatlakozóformákat, amelyek 80 000-120 000 dollárba kerültek, mivel családi öntőformák, amelyek több alkatrészt készítenek, oldalirányú bevágásokkal és edzett acélszerkezettel a több millió alkatrész életciklusára. Az alkatrészenkénti költség azonban 0,20 USD alá esik, ha ilyen mennyiséget futtat.
A szórakoztató elektronika az, ahol a pénz van
Az okostelefonok, laptoptokok, táblagépvázak{0}}mind fröccsöntött. A felületkezelési követelmények őrültek más iparágakhoz képest. A1-es vagy A2-es formafelületre van szüksége (SPI szabvány), ami a formaüreg kiterjedt polírozását jelenti. Egy jó formapolírozónak hetekig is eltarthat, mire{6}}egy nagy üreget kifényesít a tükörfényezésig.
Az Apple híres fröccsöntéssel olyan dolgokat csinál, amelyeket más cégek nehezen reprodukálnak. A 2009-2010-hez hasonló, egytestű polikarbonát MacBook-ot egyetlen darabban fröccsöntötték, amihez hatalmas szerszámkészítési szakértelem és folyamatirányítás kellett. A legtöbb gyártó ezt több részre bontja, mert nehéz egyenletes falvastagságot elérni és elkerülni a mosogatónyomokat egy ekkora tárgyon.
A fogyasztói elektronika anyagválasztása nagyot változott az elmúlt évtizedben. Korábban mindennél az ABS volt az alapértelmezett, most sokkal több polikarbonátot, PC/ABS keveréket és módosított PPO anyagokat látunk. Ennek része az égésgátlási követelmények is,{2}}az UL94 besorolás minden olyan esetben számít, ahol elektronika van. A legtöbb dologhoz legalább V-1 besorolás szükséges, sok alkalmazáshoz V-0. Ez korlátozza a használható anyagokat és adalékanyagokat.
A textúra és a színegyeztetés rémálom a fogyasztói elektronikában. Dolgoztam egy olyan céggel, amely perifériás eszközöket (billentyűzeteket, egereket, hasonlókat) gyártott, és 23 revíziót hajtottak végre az egyik termék textúráján, mert a marketing folyamatosan változtatta a véleményét, hogy milyen érzést kelt. Minden textúra-revízió az öntőforma üregének újrapolírozását jelentette különböző EDM elektródákkal vagy kémiai maratási eljárásokkal. A formagyártó 2000 dollárt számolt fel textúra-felülvizsgálatonként.
A különböző műanyagok színegyeztetése is nehezebb, mint kellene. Ha PC felső burkolattal és ABS alsó házzal rendelkező terméke van, trükkös, hogy öntött állapotban pontosan azonos színűek legyenek, mivel a különböző anyagok eltérően veszik fel a színezőanyagokat. Egyedi színű mesterkeverékeket és sok próbaformázást kap a tárcsázáshoz.
A csomagolás a rejtett óriás
Senki nem gondol a fröccsöntött csomagolásra, de a mennyiséget tekintve óriási. Csak a palackkupakokról{1}}van valahol egy statisztika, amely szerint körülbelül 2 milliárd műanyag palackkupak készül naponta világszerte (most nem találom a pontos forrást, de ez szerepelt a Plastics News néhány évvel ezelőtti cikkében). Minden kulacsnak, szódásüvegnek, tejeskancsónak, samponos üvegnek fröccsöntött kupakja van.
Élelmiszertárolók, kozmetikai csomagolások, gyógyszeres palackok{0}}mind fröccsöntött. A követelmények eltérnek a többi alkalmazástól, mivel élelmiszer--biztonságos anyagokra (ismét az FDA előírásai) és jó vegyszerállóságra van szükség. A polipropilén dominál ezen a téren, mert olcsó, élelmiszer--biztonságos és kémiailag semleges. A HDPE is elterjedt, különösen azoknál a palackoknál és tartályoknál, amelyeknek rugalmasságra van szükségük.
Az élelmiszer-tárolóedények vékony{0}}falú formázása saját specialitása. Ön 0,5-0,8 mm-es falvastagságról beszél, amihez nagy befecskendezési sebességre és speciális gépekre van szükség, jó lövésvezérléssel. A ciklusidők gyorsak, de egy joghurtos tartályhoz hasonló 4-8 másodperc. Meglátogattam egy olaszországi csomagolóanyag-gyártót, amely 48 üreges öntőformákat működtetett kis élelmiszer-tárolóedényekhez, és óránként több ezer alkatrészt gyártott egyetlen gépen.
A csomagolási formák szerszámköltségei azért érdekesek, mert gyakran családi formák (több üregméret) vagy több{0}}üreges öntőformák őrült üregszámmal. Egy 96-üreges palackkupak 150 dollárba kerülhet,000+ de ha több tízmillió alkatrészt készít, az alkatrészenkénti szerszámköltség elhanyagolhatóvá válik.
Ipari és építőipari alkalmazások, amelyek örökké tartanak
Elektromos házak, csatlakozódobozok, kapcsolóházak-tömeg tonna fröccsöntött alkatrész épületekben és ipari berendezésekben. Az anyagkövetelmények itt eltérőek, mert UV-állóságra (ha a szabadban van), lángállóságra és ütésállóságra van szükség. Az ABS nem működik kültéri alkalmazásoknál, mert UV-sugárzás hatására lebomlik. Az ASA jobb, de drágább. A polikarbonát működik, de idővel besárgul. Mindig vannak kompromisszumok.
A kábelkezelő részek, például a kábelfogantyúk, húzásmentesítők és tömszelencék többnyire fröccsöntöttek. A nylon szívóssága és vegyszerállósága miatt népszerű erre. M20-as és M25-ös zsinórmarkolatokkal dolgoztam, amelyeknek meg kell őrizniük az IP68-as tömítést a többszöri beszerelés és eltávolítás után{5}}a menetek és a tömítőfelületek mérettűrésének szorosnak kell lennie (±0,1 mm vagy jobb a kritikus jellemzők esetében).
A csőszerelvények és a vízvezeték-alkatrészek is nagy kategória. A PVC és PP szerelvények fröccsöntöttek, bár a nagy átmérőjű anyagokat gyakran más eljárással készítik. A nyomásértékek számítanak-egy 150 PSI-re tervezett szerelvénynek vastagabb falakra és jobb anyagtulajdonságra van szüksége, mint az 50 PSI-re névlegesnek. Az anyagminőségeket az ASTM szabványoknak megfelelően határozzák meg, és a vizsgálati követelményeket olyan dolgokban írják le, mint például az ASTM D2846 a PVC-szerelvényekre.
Játékok és szabadidős termékek
Nyilvánvaló, hogy a játékok többnyire fröccsöntött műanyagok. A LEGO kockák a klasszikus példák,{1}}amit hihetetlenül szűk tűréssel (±0,01 mm vagy valami hasonló) gyártottak, így minden alkalommal tökéletesen illeszkednek egymáshoz. A LEGO szerintem kizárólag ABS-t használ, és az 1940-es vagy 50-es évek óta fröccsöntéssel foglalkoznak, így teljesen be van kapcsolva a folyamat.
Akciófigurák, babák, játékjárművek-mind fröccsöntött, általában több-lövés vagy több öntött alkatrész összeállítása. A játékok anyagválasztását a biztonsági előírások korlátozzák. Az Egyesült Államokban CPSIA-követelmények, Európában EN 71-es játékok biztonsági szabványai vannak. Bizonyos lágyítók és adalékanyagok tilosak a gyermektermékekben, ami kizár bizonyos anyaglehetőségeket.
A sportfelszerelések is sok fröccsöntött alkatrészt tartalmaznak. Síbakancs kagylók, görkorcsolya vázak, kerékpár alkatrészek, védőfelszerelések. A mechanikai követelmények szigorúak lehetnek,-a sícipőnek elég merevnek kell lennie ahhoz, hogy hatékonyan közvetítse az erőt, de ne legyen olyan rideg, hogy megrepedjen hideg időben. Ez általában poliuretán vagy poliamid anyagokat jelent, és a falvastagság megnehezedik (néhol 3-6 mm).
Ami nem működik jól a fröccsöntéssel
A nagyon nagy alkatrészek nagy kihívást jelentenek, mert hatalmas gépekre van szükség, és a szerszámköltségek robbanásszerűen megnőnek. Az autóipari lökhárító homlokzata nagyjából az értelme határán van-ezekhez 1000+ tonna szorítóerő-gépre és több tonnás öntőformákra van szükség. Az ilyen berendezések tőkebefektetése több millió dollár, így csak a nagy gyártók tudják ezt megtenni.
A szűk tűréshatárokkal rendelkező szuper kis alkatrészek szintén nehézkesek. Az orvosi mikro{1}}öntött alkatrészek, például a katéter alkatrészek vagy a mikrofluidikus eszközök kitágítják a lehetőségek határait. Ön 0,3 mm alatti kapuméretekkel, tizedmilliméterben mért üregméretekkel és aktív visszacsatoló rendszereket igénylő folyamatvezérléssel foglalkozik. A selejtezési arány még tökéletes formák esetén is magas lehet, mivel a kis mennyiségű szennyeződés vagy a folyamat változása problémákat okoz.
A nagyon vastag részekkel rendelkező részek nem penészednek jól a hűlési idő és a süllyedésnyomok miatt. Bármi, ami 6-8 mm falvastagság felett van, problémákat okoz. A külseje lehűl és megszilárdul, miközben a belseje még megolvad, a közepe pedig zsugorodik, befelé húzva a külső felületet, és süllyedésnyomokat vagy üregeket hoz létre. Néha kompenzálható a tömítési nyomással és a hosszabb hűtési idővel, de ez mindig harc. Jobb, ha az alkatrészt bordákkal vagy üreges részekkel tervezi újra, ha lehetséges.
Azok az anyagok, amelyek nem hőre lágyulóak, egyáltalán nem működnek. A hőre keményedő anyagok, például az epoxi- vagy fenolgyanták különböző eljárásokat igényelnek (sajtolás vagy transzfer-öntés). A fémeket nyilvánvalóan nem lehet fröccsönteni, bár a fém fröccsöntés (MIM) a fémporokhoz kapcsolódó eljárásként létezik.
A közgazdaságtan, amikor döntést próbál hozni
Kis mennyiségben (1000 alkatrész alatt) a fröccsöntésnek általában nincs értelme, hacsak nincs szükség speciális anyagtulajdonságokra vagy felületkezelésre, amelyet más módon nem lehet elérni. A szerszámköltség uralja az alkatrészenkénti költséget-kis mennyiségek esetén. Egy egyszerű prototípus öntőforma 3000-5000 dollárba kerülhet, de ezt a költséget kis számú alkatrészre osztja.
Az a keresztezési pont, ahol a fröccsöntés olcsóbbá válik, mint más eljárások, az alkatrész összetettségétől és méretétől függ, de általában 500-2000 egység között van. Ez alatt a 3D nyomtatás vagy a CNC megmunkálás általában gazdaságosabb. Ezen felül a fröccsöntés nyer.
Általában azt mondom az embereknek, hogy gondolkodjanak el a témáról: ha a szerszámok 10 000 dollárba kerülnek, és az alkatrészek ára egyenként 0,50 dollárba kerül, akkor 20 000 alkatrészt kell készítenie, mielőtt az alkatrészenkénti költség 1,00 dollár alá csökken (10 000 USD/20,000 + 0,50 USD). Ha csak 1000 alkatrészre van szüksége, az alkatrészenkénti költsége valójában 10,50 USD (10 000 USD/1,000 + 0,50 USD). Ez teljesen megváltoztatja a számítást.
A milliós nagyságrendű gyártási mennyiségek azok, ahol a fröccsöntés valóban ragyog. Az alkatrészenkénti költség nevetséges szintre,-például 0,10 USD-0,20 USD-ra csökkenhet az egyszerű alkatrészek esetében. A szerszámköltség annyi alkatrészre amortizálódik, hogy alig számít. Ezért van az, hogy az eldobható fogyasztási cikkek szinte mindegyike fröccsöntött borotva, toll, palack, tartály, bármi. A margók akkor működnek, ha minden alkatrész előállítása fillérekbe kerül.
Sokkal több alkalmazás létezik, mint amennyit itt tárgyaltam (bútoralkatrészek, készülékalkatrészek, optikai lencsék, hangszerdarabok, valószínűleg száz egyéb kategória), de ezek a fő iparágak, amelyekkel foglalkoztam. Az eljárás sokoldalúsága az, ami annyira dominánssá teszi-, hogy egy 1 grammos precíziós alkatrészt vagy egy 5 kilogrammos autóipari panelt alapvetően ugyanazzal az alapvető technológiával készíthet, csak felfelé vagy lefelé méretezve.
Sokkal több alkalmazás létezik, mint amennyit itt tárgyaltam (bútoralkatrészek, készülékalkatrészek, optikai lencsék, hangszerdarabok, valószínűleg száz egyéb kategória), de ezek a fő iparágak, amelyekkel foglalkoztam. Az eljárás sokoldalúsága az, ami annyira dominánssá teszi-, hogy egy 1 grammos precíziós alkatrészt vagy egy 5 kilogrammos autóipari panelt alapvetően ugyanazzal az alapvető technológiával készíthet, csak felfelé vagy lefelé méretezve.
Ha erre a területre készül, szánjon időt a fröccsöntött alkatrészek megfelelő tervezésének megértésére, mert az elválasztási vonal fröccsöntési stratégiája mindenre hatással van az áramlás irányában. Túl sok mérnököt láttam, hogy fröccsöntött alkatrészeket rendelnek anélkül, hogy figyelembe vették volna a fröccsöntött alkatrészek kozmetikai specifikációit, majd panaszkodnak a fröccsöntött alkatrészek költségeire, amikor felülvizsgálatra van szükség. A fröccsöntött alkatrészek gyakori hibái általában olyan tervezési problémákra vezethetők vissza,{2}}mint például vastag alkatrészek fröccsöntése megfelelő hűtőcsatornák nélkül, vagy nagy részek fröccsöntésének kísérlete anélkül, hogy megértenék, hogyan működik az anyagáramlás a nagyobb üregekben. A szükséges szakértelem is vadul változó: az autóalkatrészek műanyag fröccsöntése más tudást igényel, mint a repülési alkatrészek fröccsöntése, és az olyan speciális eljárások, mint a reakciós fröccsöntés vagy a fém fröccsöntés teljesen más készségeket jelentenek. Még a fröccsöntött műanyag részek utó-feldolgozása is- csökkentheti a maradék feszültségeket, amelyek a gyártás után hónapokkal vetemedési problémákat okoznak. Függetlenül attól, hogy egy alapművelettel dolgozikfröccsöntő öntőforma alkatrészekA fröccsöntéssel előállított műanyag alkatrészek beüzemelésével vagy kiértékelésével az alapok megértése megelőzi a későbbi drága hibákat. A technológia nem tart sehova-a fröccsöntött alkatrészek és a műanyag fröccsöntött alkatrészek továbbra is uralják a gyártást, mivel semmi más nem méretezhet úgy, mint ez.