Радио сам у дизајну и производњи производа око 11 година, радио сам доста са компанијама за потрошачку електронику и неким добављачима аутомобила, а бризгање је само подразумевани начин за прављење пластичних делова било које запремине. Постоје и други процеси попут 3Д штампања или ЦНЦ обраде пластике, али када вам затреба више од можда 500-1000 јединица, бризгање постаје једина ствар која има економски смисла за већину апликација.
Зашто је бризгање преузело све
Сам процес је прилично једноставан - отопити пластичне пелете, убризгати под високим притиском у калуп, оставити да се охлади, избацити део. Понови. Модерне машине могу да ураде овај циклус за 15-30 секунди за мале делове, можда 60-90 секунди за веће ствари. Гледао сам машину за бризгање Хаитиан Марс у фабрици у Шенжену како испумпава кућишта за паметне телефоне при око 40 секунди по циклусу, а то је био прилично сложен део са више унутрашњих карактеристика. Цена алата је била негде око 12.000 УСД (менаџер фабрике ми је то рекао 2018. године, од тада су цене дефинитивно порасле).
Оно што га чини тако доминантним је комбинација брзине, поновљивости и опција материјала. Када је калуп направљен, сваки део кошта пени у материјалу и машинском времену. АБС део од 50 грама може да користи материјал у вредности од 0,15 долара, а ако је време циклуса 30 секунди, то је 120 делова на сат. Чак и ако узмете у обзир трошкове машинског времена и рада, гледате на можда 0,30-0,50 УСД по делу при производњи од 10,000+ јединица.
Упоредите то са ЦНЦ обрадом где плаћате за хабање алата, дуже време циклуса, губитак материјала и време вештог оператера. Једноставан дизајн кућишта, једнократно бризгање, коштао сам 0,82 долара по делу за 5.000 јединица укључујући амортизовани алат. ЦНЦ обрада истог дела је процењена на 6,40 долара по делу. Ни близу.
Медицински уређаји су постали чудни у вези са овим
Медицински бризгани делови су потпуно другачији свет због прописа ФДА и захтева за стерилизацију. Материјали морају бити биокомпатибилни, што значајно ограничава ваше могућности. Већина медицинских произвођача користи ствари попут поликарбоната, полипропилена или специјализованих врста полиетилена. ПЕЕК је популаран за хируршке инструменте јер може да издржи поновљено аутоклавирање без деградације, али ПЕЕК алати су скупи јер су температуре обраде тако високе (око 370-400 степени према спецификацијама Вицтрек листа, вицтрек.цом).
Радио сам на пројекту медицинског уређаја за једнократну употребу пре неколико година, само једноставну бризгану посуду за стоматолошке захвате. Само валидација материјала трајала је 4 месеца јер смо морали да докажемо тестирање биокомпатибилности према ИСО 10993 стандардима. Стварни дизајн дела је урађен за 3 недеље. Регулаторна документација је била још 6 недеља. Због тога су медицински делови ливени убризгавањем коштају 3-5 пута више од еквивалентних потрошачких делова чак и када су једноставнијег дизајна.
Компатибилност стерилизације је важнија него што већина инжењера мисли. Стерилизација гама зрачењем може узроковати да неке пластике пожуте или постану ломљиве. ЕтО (етилен оксид) стерилизација је нежнија, али има проблема са апсорпцијом код одређених материјала. Стерилизација у аутоклаву захтева материјале стабилне на 121-134 степена уз излагање пари. Ваш избор материјала зависи од тога како купац планира да стерилише производ, а не само од механичких захтева.
Ауто делови које нико не види
Аутомобилске компоненте испод хаубе су бруталне према пластичним материјалима. Имате циклус од -40 степени до 120 степени +, изложеност уљима и гориву, вибрације и дуг радни век (обично 15+ година). Због тога се за бризгање аутомобила користи много најлона пуњених стаклом и специјалних високотемпературних материјала.
Усисне гране су некада биле алуминијумски одливци, али сада су углавном од најлона пуњеног стаклом убризгавањем. Мислим да је БМВ почео ово да ради крајем 1990-их и сви су га пратили. Уштеда на тежини је значајна - пластични усисни разводник може бити 40-50% лакши од алуминијумског еквивалента. Према неким анализама из конференцијског документа Друштва инжењера пластике (спе.орг, конференција аутомобилске дивизије 2015.), прелазак на пластичне усисне гране је смањио тежину возила у просеку за 3-4 кг по возилу, што значи око 0,1-0,15 мпг побољшања уштеде горива. Не звучи много, али умножите то на милионе возила.
Конектори и кућишта сензора су још једна огромна категорија. Сваки сензор на модерном аутомобилу - температура, притисак, положај, брзина, шта год - има кућиште од ливеног убризгавања. Оне морају да буду заптивене од воде и прашине (обично минимална оцена ИП67), да се носе са вибрацијама и да одржавају стабилност димензија у температурном опсегу. Толеранције такође могу бити мале, на пример ±0,05 мм за карактеристике спајања на електричним конекторима.
Видео сам калупе за аутомобилске конекторе који коштају 80.000-120.000 долара јер су породични калупи који праве више делова, са бочним радњама за подрезивање и конструкцијом од каљеног челика за потребни животни циклус више од милион делова. Међутим, цена по делу је испод 0,20 УСД када користите ту врсту количине.
Потрошачка електроника је тамо где је новац
Кућишта за паметне телефоне, футроле за лаптоп, рамове за таблете - све убризгано. Захтеви за завршну обраду површине су сулуди у поређењу са другим индустријама. Потребне су вам А1 или А2 завршне обраде површине калупа (СПИ стандарди), што значи опсежно полирање шупљине калупа. Добром алату за полирање калупа може бити потребно неколико недеља да ручно полира велику шупљину до завршне обраде.
Аппле чувено ради ствари са бризгањем које се друге компаније боре да реплицирају. МацБоок од једноструког поликарбоната из 2009.-2010. био је бризган у једном комаду, што је захтевало велику стручност у изради калупа и контролу процеса. Већина произвођача би то поделила на више делова јер је тешко добити уједначену дебљину зида и избегавати трагове умиваоника на нечему великом.
Избор материјала у потрошачкој електроници се доста променио током последње деценије. АБС је некада био подразумевани за све, сада видите много више поликарбоната, ПЦ/АБС мешавина и модификованих ППО материјала. Део овога су захтеви за успоравање пламена - оцена УЛ94 је важна за све што има електронику унутра. За већину ствари је потребан најмање В-1 рејтинг, многе апликације захтевају В-0. Ово ограничава које материјале и адитиве можете користити.
Поклапање текстура и боја је ноћна мора у потрошачкој електроници. Радио сам са компанијом која је производила периферне уређаје (тастатуре, мишеви, такве ствари) и они су имали 23 ревизије текстуре за један производ јер је маркетинг стално мењао мишљење о томе како би требало да се осећа. Свака ревизија текстуре значила је поновно полирање шупљине калупа различитим ЕДМ електродама или процесима хемијског јеткања. Произвођач калупа је наплаћивао око 2.000 долара по ревизији текстуре.
Усклађивање боја између различитих пластика је такође теже него што би требало да буде. Ако имате производ са горњим поклопцем за ПЦ и АБС доњим кућиштем, тешко је постићи да буду исте боје када су обликовани јер различити материјали различито узимају боје. На крају добијате прилагођене боје и много пробног обликовања да бисте га укључили.
Паковање је скривени џин
Нико не размишља о бризганом паковању, али оно је огромно у смислу запремине. Сами чепови за флаше – негде постоји статистика која каже да се дневно широм света производи око 2 милијарде пластичних чепова за флаше (тренутно не могу да пронађем тачан извор, али то је било у чланку Пластицс Невс од пре неколико година). Свака боца воде, боца соде, боца за млеко, боца са шампоном има бризгани поклопац.
Контејнери за храну, козметичка амбалажа, бочице за лекове - све бризгано. Захтеви се разликују од других апликација јер су вам потребни материјали безбедни за храну (опет прописи ФДА) и добра хемијска отпорност. Полипропилен доминира овим простором јер је јефтин, безбедан за храну и хемијски инертан. ХДПЕ је такође уобичајен, посебно за боце и контејнере којима је потребна одређена флексибилност.
Танкозидне калупе за посуде за храну су посебна специјалност. Говорите о дебљини зида од 0,5-0,8 мм, што захтева велике брзине убризгавања и специјализоване машине са добром контролом ударца. Времена циклуса су ипак брза - као 4-8 секунди за посуду за јогурт. Посетио сам произвођача амбалаже у Италији који је користио калупе са 48 шупљина за мале посуде за храну, правећи хиљаде делова на сат на једној машини.
Трошкови алата за калупе за паковање су занимљиви јер су то често породични калупи (вишеструке величине шупљина) или калупи са више шупљина са лудим бројем шупљина. Калуп за затварање флаше са 96 шупљина може коштати 150 УСД,000+ али када правите десетине милиона делова, цена алата по делу постаје занемарљива.
Индустријске и грађевинске апликације које трају заувек
Електрична кућишта, разводне кутије, кућишта прекидача - тоне бризганих делова у зградама и индустријској опреми. Захтеви за материјал су овде другачији јер вам је потребна УВ отпорност (ако је на отвореном), отпорност на пламен и отпорност на удар. АБС неће радити за спољне апликације јер се разграђује под УВ излагањем. АСА је бољи, али скупљи. Поликарбонат ради, али временом жути. Увек постоје компромиси.
Делови за управљање кабловима као што су хватаљке за каблове, растерећења затезања и завојнице су углавном ливени убризгавањем. Најлон је популаран за ово због своје жилавости и хемијске отпорности. Радио сам са држачима за каблове М20 и М25 који морају да одрже заптивање ИП68 након што су више пута инсталирани и уклоњени - толеранције димензија на навојима и површинама за заптивање морају бити чврсте (±0,1 мм или боље за критичне карактеристике).
Фитинги за цеви и водоводне компоненте такође су велика категорија. ПВЦ и ПП фитинзи су ливени убризгавањем, иако се материјал великог пречника често прави другим процесима. Оцене притиска су битне - фитингу оцењеном за 150 ПСИ су потребни дебљи зидови и боља својства материјала од оног који је оцењен за 50 ПСИ. Класе материјала су специфициране у складу са АСТМ стандардима, а захтеви за тестирање су наведени у стварима као што је АСТМ Д2846 за ПВЦ спојеве.
Играчке и производи за рекреацију
Очигледно је да су играчке углавном пластика бризгана. ЛЕГО коцке су класичан пример – произведене са невероватно уским толеранцијама (±0,01 мм или нешто тако лудо) тако да се савршено уклапају сваки пут. Мислим да ЛЕГО користи искључиво АБС, а бризгањем се баве од 1940-их или 50-их, тако да су процес потпуно укључен.
Акционе фигуре, лутке, возила играчке - све бризгано, обично вишеструко или састављено од више обликованих компоненти. Избор материјала за играчке је ограничен сигурносним прописима. У САД постоје ЦПСИА захтеви, у Европи постоје ЕН 71 стандарди безбедности играчака. Одређени пластификатори и адитиви су забрањени за дечије производе, што искључује неке могућности материјала.
Спортска опрема такође има много ливених делова. Шкољке за скијашке ципеле, рамови за ролере, компоненте за бицикле, заштитна опрема. Механички захтеви могу бити захтевни - ски чизме морају бити довољно чврсте да ефикасно преносе силу, али не толико крте да пуцају на хладном времену. То обично значи полиуретанске или полиамидне материјале, а дебљине зидова постају тешке (3-6 мм у неким областима).
Оно што не функционише добро са бризгањем
Веома велики делови постају изазовни јер су вам потребне огромне машине, а трошкови алата експлодирају. Фасцикле аутомобилских браника су на граници онога што има смисла – за њих је потребно 1000+ тона машина за стезање и калупа који теже неколико тона. Капитална инвестиција за ту опрему је милионска долара, тако да то могу да ураде само велики произвођачи.
Супер мали делови са уским толеранцијама су такође тешки. Медицински микро обликовани делови као што су компоненте катетера или микрофлуидни уређаји померају границе онога што је могуће. Имате посла са величинама капије испод 0,3 мм, димензијама шупљине мереним у десетинкама милиметара и контролом процеса која захтева активне системе повратне спреге. Стопе одбијања могу бити високе чак и са савршеним калупима јер мале количине контаминације или варијације процеса узрокују проблеме.
Делови са веома дебелим деловима се не формирају добро због времена хлађења и трагова тонућа. Све што је преко можда 6-8 мм дебљине зида почиње да има проблема. Споља се хлади и учвршћује док је унутрашњост још растопљена, а како се средина хлади, она се скупља, повлачећи спољну површину ка унутра и стварајући трагове судопера или празнине. Понекад можете компензовати притиском на паковање и дужим временом хлађења, али то је увек борба. Боље је редизајнирати део са ребрима или шупљим деловима ако је могуће.
Материјали који нису термопластични уопште не раде. Термосетима као што су епоксидне или фенолне смоле су потребни различити процеси (компресионо пресовање или преношење). Метали се очигледно не могу бризгати, иако бризгање метала (МИМ) постоји као сродни процес за метале у праху.
Економија када покушавате да донесете одлуку
За мале количине (испод 1000 делова) бризгање обично нема смисла осим ако су вам потребна специфична својства материјала или завршне обраде површине које не можете добити на друге начине. Цена алата доминира ценом по делу при малим количинама. Једноставан прототип калупа може коштати 3.000-5.000 долара, али тај трошак ширите на мали број делова.
Прелазна тачка у којој бризгање постаје јефтиније од других процеса зависи од сложености и величине дела, али обично је негде између 500-2000 јединица. Испод тога, 3Д штампање или ЦНЦ обрада обично су економичнији. Изнад тога, бризгање побеђује.
Обично кажем људима да размишљају о томе на следећи начин: ако алат кошта 10.000 долара, а делови коштају 0,50 долара сваки за калупљење, потребно је да направите 20.000 делова пре него што цена по делу падне испод 1,00 долара (10.000 долара/20,000 + 0,50 долара). Ако вам треба само 1000 делова, ваша цена по делу је заправо 10,50 УСД (10 000 УСД/1,000 + 0,50 УСД). То потпуно мења рачуницу.
Обим производње у милионима је место где бризгање заиста блиста. Цена по делу може пасти на смешне нивое попут 0,10-0,20 долара за једноставне делове. Трошак алата се амортизује на толико делова да је једва битан. Због тога су потрошачки производи за једнократну употребу скоро сви бризгани бритве, оловке, боце, контејнери, било шта. Марже раде када сваки део кошта пени.
Постоји много више апликација него што сам овде покрио (компоненте намештаја, делови уређаја, оптичка сочива, делови музичких инструмената, вероватно стотину других категорија), али то су главне индустрије којима сам се бавио. Свестраност процеса је оно што га чини тако доминантним – можете направити прецизну компоненту од 1 грама или аутомобилску плочу од 5 килограма са у основи истом основном технологијом, само увећаном или смањеном.
Постоји много више апликација него што сам овде покрио (компоненте намештаја, делови уређаја, оптичка сочива, делови музичких инструмената, вероватно стотину других категорија), али то су главне индустрије којима сам се бавио. Свестраност процеса је оно што га чини тако доминантним – можете направити прецизну компоненту од 1 грама или аутомобилску плочу од 5 килограма са у основи истом основном технологијом, само увећаном или смањеном.
Ако улазите у ову област, посветите време разумевању како да правилно дизајнирате делове одливене убризгавањем јер стратегија бризгања на линији раздвајања утиче на све низводно. Видео сам превише инжењера да наручују делове бризгане без узимања у обзир козметичке спецификације бризганих делова, а затим се жале на цену бризганих делова када су потребне ревизије. Уобичајени дефекти у деловима за бризгање обично потичу до проблема са дизајном - ствари као што су бризгање дебелих делова без одговарајућих канала за хлађење, или покушај бризгања великих делова без разумевања како проток материјала функционише у већим шупљинама. Потребна стручност такође варира: делови за бризгање пластике за аутомобиле захтевају другачија знања од бризгања за делове за ваздухопловство, а специјализовани процеси као што су делови за реакцијско бризгање или делови за бризгање метала су потпуно различити скупови вештина. Чак и накнадна обрада - жарење бризганих пластичних делова може смањити заостала напрезања која изазивају проблеме са савијањем месецима након производње. Било да радите са основнимделови калупа за бризгањеподешавање или процена пластичних делова произведених операцијом бризгања, разумевање основа спречава касније скупе грешке. Технологија не иде никуда - делови од ливеног убризгавања и делови за бризгање пластике ће и даље доминирати у производњи јер ништа друго не расте као она.