Технология литья пластика под давлением: просто о сложном

При разработке серийного продукта для рынка электроники вам понадобится корпус. И, скорее всего, он будет сделан из пластика. Для макетирования пластиковых деталей и создания прототипа корпуса используется 3D-печать, а для серийного производства — литье под давлением.

Технология литья под давлением — один из важнейших пунктов на пути продукта на рынок электроники. Поэтому независимо от наличия технического образования, вам стоит разобраться в сути этого процесса хотя бы на базовом уровне. Все знают, что при разработке нового устройства самая затратная задача — это проектирование электроники, но не все понимают, что при постановке на производство большую часть бюджета на себя перетянет пластиковый корпус.

Это связано прежде всего с высокой стоимостью оснастки или так называемых пресс-форм. На практике стоимость форм для отливки корпуса становится одной из главных статей затрат при выводе нового продукта на рынок.

Основы литья под давлением

Литье под давлением — это относительно старая технология, она используется с конца 1800-х годов. В инжекторно-литьевых машинах
установлен огромный винт (шнек), который направляет расплавленный пластик в пресс-форму под высоким давлением. Этот метод винтовой передачи был изобретен в 1946 году, и используется до сих пор.

Машины для литья под давлением — это, конечно, не то же самое, что современные высокотехнологичные аппараты для 3D-печати. В них нет ничего инновационного, но использование литья под давлением — это обязательное условие для создания большинства новых «железячных» продуктов.

Литьевая пресс-форма состоит из двух половинок (матрицы и пуансона

), которые при смыкании образуют полость в форме нужной детали. В нее под высоким давлением заливают горячий жидкий пластик.

Высокое давление необходимо для того, чтобы пластик в вязкотекучем состоянии заполнил каждый уголок в полости пресс-формы.

Когда пластик остывает, две половинки пресс-формы раздвигаются, и из них извлекают готовую деталь корпуса.

Разработка дизайна и конструкции корпуса для серийного производства — это довольно сложная задача, а стоимость самих пресс-форм исчисляется десятками тысяч долларов. При этом литье под давлением остается одной из самых востребованных технологий, потому что только оно позволяет производить миллионы идентичных деталей по невероятно низкой цене за штуку.

Соинжекционное литье

Метод основан на подаче жидких пластических составляющих из нескольких инжекционных машин. В отличие от многолитниковой системы здесь впрыск разных смесей производится через одну точку. В зависимости от поставленных задач можно получать отливки с различными характеристиками. Для реализации требуется сложное оборудование с комбинированием инжекторных головок.

Способ совместного инъектирования можно разделить на подвиды:

* Многослойное. Разновидность заключается во впрыскивании в зону будущего изделия нескольких различных спецсмесей из двух или более инъекционных машин. Существуют многочисленные варианты сочетаний сырья. Это могу быть различающиеся, как по цвету, так и по прочим свойствам пластмассы. Например, наружные слои выполняются из прочных высококачественных полимеров, а внутренние – из более мягкой пластической массы, пенополистирола (пенопласта) или более дешёвого вторичного сырья.

Конкретные ингредиенты и цвет определяются требованиями, предъявляемыми к готовой продукции.

* Сэндвич-литьё. Этот подвид отличается тем, что виден только наружный слой пластика. Техпроцесс производится в 3 стадии. Сначала в штамповочное пространство впрыскивается состав No 1. Затем внутрь первого инжектируется No 2. В конце снова добавляется порция первоначальной пластических компонентов. Она закрывает вход, через который вводился вторая составляющая и окончательно запечатывает его, формируя наружный слой.

Технология также позволяет получать детали из нескольких видов сырья, преследуя цели от достижения специальных механических характеристик до утилизации продуктов вторичной переработки полимеров.

Стоимость пресс-форм

Оснастка стоит дорого. А для производства большинства устройств требуется несколько пресс-форм, поэтому общая стоимость может оказаться весьма значительной. И чем больше деталей требуется произвести с помощью конкретной формы, тем дороже она будет стоить.
Это связано с тем, что «долгоживущая» пресс-форма должна работать в невероятно жестких условиях. Раз за разом она подвергается воздействию высоких температур и давления.

Эти две разрушительные силы работают на износ пресс-формы, пока в какой-то момент не появляются первые дефекты отливки.

Для создания стойких литьевых форм используются твердые металлы. Твердость металла зависит от того, сколько отливок нужно изготовить с использованием данной конкретной формы. Оснастку для изготовления 10 тыс. деталей, можно произвести ​​из более мягкого металла, по сравнению с той, что рассчитана на 1 млн деталей.

Например, для производства малых серий (до 10 тыс. шт.) широко используется алюминий. Для более крупных объемов производства переключаются на более твердый металл, например, сталь.

Однако чем тверже металл, тем сложнее сделать саму пресс-форму, и тем выше ее стоимость. Кроме того, для получения стальной оснастки потребуется намного больше времени. Это связано с тем, что литьевые формы создаются путем фрезерования, т.е. для твердой пресс-формы потребуется еще более твердый фрезерный инструмент.

Если компания или стартап без внешнего финансирования реализует проект с небольшим бюджетом, ей стоит попробовать найти производителя, который согласится амортизировать затраты на изготовление пресс-форм.

Например, если пресс-формы стоят 25.000 долларов, можно предложить заводу-изготовителю рассчитаться по следующей схеме: вы платите по доллару за каждую произведенную единицу из первых 25.000 изделий.

Конечно, такая схема сокращает прибыль на единицу продукции, но все же это весьма разумный метод финансирования, особенно по сравнению с банковским кредитом.

Дизайн для производства (Design for manufcturing, DFM)

Высокая стоимость пресс-форм — это лишь один из недостатков литья под давлением. Второй недостаток — это сложности и ограничения на этапе разработки дизайна и конструкции пластиковых деталей.
Получив идеальный рабочий прототип, изготовленный на 3D-принтере, приходится уделить значительно больше времени и средств, чтобы адаптировать его для литья под давлением.

Ограничения серийного производства стоит учитывать уже на первых этапах разработки. Одни требования к форме отливок, такие как литейные уклоны, можно отложить по крайней мере до создания второго прототипа.

Другие требования, такие как равномерная толщина стенок и поднутрения, нужно реализовать с самого начала.

Литьевой уклон

Главная задача в работе с деталями, изготовленными за счет литья под давлением — правильно изъять их из формы. Как только пластик остынет, две половинки формы открываются, и мы получаем новую отлитую пластиковую деталь.
Любой 3D-дизайн для литья под давлением должен включать литьевой или технологический уклон для заполнения пресс-формы и беспрепятственного извлечения готового изделия. Литьевой уклон — это по сути небольшой угол наклона, который добавляется к любым вертикальным поверхностям, совпадающих с направлением извлечения изделия из пресс-формы. В большинстве случаев достаточно 1–2 градусов.

Примеры верной реализации поднутрения. Изображение предоставлено ICO Mold.

Некоторые эксперты считают, что поднутрения нужно реализовать в 3D-модели с самого начала.

И хотя учет поднутрений на раннем этапе разработки важен, он создает ненужные осложнения при создании первых прототипов. Поэтому лучше добавлять их в проект, когда вы будете полностью уверены в своем прототипе. Т.е. в большинстве случаев поднутрения стоит добавлять после первой или второй версии прототипа.

Выталкивающие штифты

Выталкивающие штифты или толкатели
используются для удаления пластиковых деталей из пресс-формы. Как следует из названия, это небольшие цилиндрические штифты, которые выталкивают деталь из формы.

У толкателей нет стандартного положения, поэтому придется продумать, где они будут располагаться. В идеале они должны располагаться в самой прочной части отливки, чтобы предотвратить ее деформацию при извлечении из пресс-формы.

Стоит учитывать, что выталкивающие штифты, как правило, оставляют небольшие отметки на изделии. Если вы внимательно посмотрите на большинство пластиковых деталей, то сможете увидеть эти крошечные круглые метки, которые появляются в процессе выталкивания отлитой формы.

Это стоит учитывать при разработке продукта. Постарайтесь сделать так, чтобы толкатели соприкасались с отливкой в местах, которые не критичны для внешнего вида продукта. Можно даже попытаться скрыть метки толкателя под этикеткой или логотипом.

Двойной ход толкания

Некоторые пластиковые детали невозможно извлечь из простой двухкомпонентной формы в один прием, в таких случаях используют наклонные толкатели и механизм двойного выталкивания.
Наклонный толкатель — это составная часть пресс-формы, которая вставляется до начала отливки, а затем извлекается до раскрытия основных частей формы. Наклонный толкатель двигается перпендикулярно к направлению движения двух полуформ.

Стоит приложить все усилия, чтобы не использовать механизм двойного выталкивания, поскольку он значительно увеличивает сложность и стоимость пресс-формы.

Один из основных приемов, который позволяет отказаться от двойного выталкивания — отказ от использования поднутрений. Поднутрение — это выступ или углубление на поверхности отливки, препятствует выталкиванию изделия из пресс-формы за один ход толкания.

Ситуацию с поднутрениями зачастую можно исправить так: добавляем паз (прорезь) под выступом и используем единичное выталкивание вместо двойного.

В конструкции 1 из-за поднутрения потребуется двойной ход толкания. Паз в конструкции 2 позволяет отказаться от двойного выталкивания и снять деталь с пресс-формы за один ход. Изображение предоставлено Proto Labs.

Равномерная толщина стенки

Одна из важных особенностей литья под давлением, которая оказывает огромное влияние на дизайн устройства — это требование к равномерной толщине стенок отливки. Оно связано с тем, что залитый в форму пластик должен остывать с одинаковой скоростью по всей поверхности детали. При неравномерном охлаждении деталь может деформироваться.
Поэтому при разработке корпуса для литья под давлением вместо более толстых секций используются ребра. Корректное проектирование детали с равномерной толщиной стенок определенно требует опыта.

Использование двойного хода толкания и неравномерной толщины стенок отливки — это две самые распространенные ошибки 3D-дизайнеров, которые не знакомы с техническими ограничениями литья под давлением.

Стоит удостовериться в том, что 3D-моделирование вашего устройства выполняет специалист, который знаком с этой технологией.

Примеры конструкций с одинаковой толщиной стенки. Изображение предоставлено ICO Mold.

Радиус / закругление углов

Идеальные углы и края деталей непрактичны для литья под давлением. Расплавленный полимер не сможет равномерно и полностью заполнить всю форму с острыми краями даже в условиях высокого давления. По крайней мере, не стоит на это надеяться при больших объемах производства.

Пример правильной конструкции угла. Изображение предоставлено ICO Mold.

Все края и углы должны быть закруглены или скошены, чтобы полимер заполнил их равномерно и полностью.

Холодные каналы против горячих каналов

Холодноканальная / горячеканальная подача пластика
— это варианты литниковой системы, которая направляет расплавленный полимер в полости пресс-формы.

Широкий литниковый канал позволяет полимеру свободно течь при более низких давлениях. Однако широкие каналы требуют больше времени на охлаждение пластика и создают больше отходов производства, оба эти параметра влияют на себестоимость детали.

С другой стороны, узкий литниковый канал сокращает время охлаждения и уменьшает перерасход материала, и, в конечном счете, минимизируют стоимость отливки. Однако у него есть недостаток: для узкого канала требуется более высокое давление, чтобы протолкнуть расплавленный полимер в форму.

Существует решение, которое позволяет использовать узкие каналы при невысоком давлении — горячеканальная литниковая система.

Прямо в пресс-форму вдоль каналов устанавливают нагревательные элементы, которые поддерживают полимер в более жидком состоянии, благодаря им пластик заполняет пресс-форму при более низком давлении.

К сожалению, за все приходится платить, и у горячих каналов тоже есть свои недостатки: дополнительная сложность при изготовлении оснастки, которая всегда выливается в дополнительные затраты.

В большинстве случаев, по крайней мере, изначально, лучше использовать каналы без нагревательных элементов, т.е. холодноканальную литниковую систему. Всегда стоит начинать с самого простого и недорогого решения.

Линия разъема формы

Если вы внимательно рассмотрите любую пластиковую деталь, то увидите так называемую линию разъема. Она будет расположена в месте соединения двух частей пресс-формы.
Это место сопряжения двух полуформ никогда не бывает идеальным, по контуру всегда вытекает немного полимера. По мере старения и износа пресс-формы эта утечка становится все более заметной.

Очень важно выбрать оптимальное место для линии разъема. В идеале она должна размещаться на невидимой части устройства.

Работа на вертикальном термопластавтомате

Эта технология отличается от общеупотребляемой тем, что применяется ТПА вертикального типа, а форма открывается также в вертикальном направлении. Метод хорош для мелкосерийного производства, т.к. возможно применять более простые и недорогие в изготовлении прессформы. Также широко применяется вертикальное ЛпД при использовании закладных элементов (как правило металлических). Главным недостатком, присущим такому литью является сложная автоматизация процесса – изделия не могут выпадать из вертикальных прессформ и их приходится извлекать вручную либо роботом.

Одноместная и многоместная пресс-формы

На определенном этапе производства появляется возможность сокращения времени отливки за счет многоместных пресс-форм (их еще называют многогнездными). Они используются для увеличения скорости производства и снижения себестоимости заготовок.
Многоместные пресс-формы, как понятно из названия, позволяют создавать несколько копий одной детали за счет одной заливки полимера. Только не стоит использовать эти формы на старте, пока процесс не отлажен и еще не созданы идеальные отливки из одноместных форм. Целесообразно выпустить как минимум несколько тысяч единиц изделий до перехода на многоместные формы.

Как правило, предприниматели с ограниченным бюджетом по-максимуму используют свои одноместные формы, если только сам производитель не финансирует изготовление их пресс-форм.

Инжекционное прессование

Этот технологический процесс отличается от стандартного тем, что впрыск полимерного материала делают в слегка раскрытую прессформу (в этом случае уместно использовать именно такое название оснастки) за небольшое время до ее окончательного смыкания. Окончательное уплотнение полимера и формование готового продукта осуществляются при полном смыкании прессформы. Способом инжекционного прессования изготавливают различные изделия как из термопластов, так и реактопластов. Метод применим в случае недостаточных характеристик ТПА для данной отливки, в частности усилия смыкания. Также качество при таком прессовании на термопластавтомате в меньшей степени зависят от ориентации макромолекул при впрыске (анизотропии), что может повысить качество продукта в части меньшей усадки (если необходимо), лучших механических свойств и меньшего коробления.

Семейные пресс-формы

В большинстве случаев для каждой отдельной пластиковой детали в составе устройства используется отдельная форма. Для корпуса понадобится как минимум две части: верхняя и нижняя.
Но для большинства продуктов потребуется больше двух деталей из пластика. Пресс-формы очень дороги, а покупка нескольких пресс-форм сразу — это серьезное финансовое препятствие, поэтому нужно стремиться к минимальному количеству пластиковых деталей.

Альтернативный вариант минимизации необходимых пресс-форм — использование специального типа многоместных пресс-форм, так называемых семейных. Семейная пресс-форма позволяет объединить несколько различных деталей в одной отливке.

В то время как типичная многоместная (многознездовая) форма создает несколько копий одной и той же детали, семейная форма создает разные детали.

Звучит хорошо, правда? К сожалению, не всё так просто, за всё приходится платить. Основная проблема с семейными формами заключается в том, что каждая деталь в них должна быть примерно одинакового размера.

В противном случае одна из полостей пресс-формы заполнится расплавленным полимером раньше других. Семейные формы должны проектироваться таким образом, чтобы все полости заполнялись полимером с примерно одинаковой скоростью. Это явно ограничивает возможности их применения. Маловероятно, что все детали корпуса будут сходного размера.

Сферы применения

Литье пластика под давлением используется в массовом производстве уже более 50 лет. Благодаря этому стало возможно производство множества пластиковых изделий разного размера и веса, структуры и толщины. От самых маленьких, весом до нескольких миллиграммов, до крупных — весом в десятки килограммов.

Основные сферы использования пластмассовых изделий, произведенных литьевым способом:

1. Электроника (из пластика делают корпуса приборов).
2. Автомобильная промышленность. Для автомобилей пластиковые детали также изготавливают с помощью данной технологии.
3. Медицина (из полимеров производят корпуса медицинских аппаратов).
4. Строительство и ремонт (детали внутренней отделки, баки, ящики).

Выбор материалов

Сегодня в нашем распоряжении оказалось невероятное разнообразие полимеров в различными характеристиками. Два самых распространенных полимера в производстве электроники — поликарбонат (ПК / PC) и АБС-пластик (ABS /акрилонитрилбутадиенстирол).
Поликарбонат обладает гораздо более высокой устойчивостью к ударам и на вид кажется более качественным по сравнению с АБС. Однако ПК, конечно, дороже АБС.

Поликарбонат — самый популярный пластик в изделиях более высокого класса, его любят за прочность и эстетичный внешний вид.

Если качество поверхности имеет решающее значение для нового продукта, то лучше остановить свой выбор на ПК. Если же продукт рассчитан на низкую ценовую категорию, то лучше выбрать АБС.

Где работать с пресс-формами?

Где лучше производить пластиковые детали для своего устройства: на родине или в Китае? В большинстве случаев лучше начать работу с местным производителем в своей стране (если только вы не живете в стране, где промышленность развита очень слабо).
Затем, когда объемы превысят 10 тыс. штук, для снижения затрат можно переходить к китайскому производителю.

Китай — это просто идеальный выбор для крупносерийного производства. Только не стоит там затевать первичную разработку и отладку процесса. С местными производителями любые вопросы можно будет решить гораздо проще и быстрее.

Первый запуск и первые ошибки делать на местном уровне, а затем перемещать производство в Китай.

Примечание переводчика: важно учитывать, что перевозка пресс-формы из одной страны в другую (а тем более в Китай из Европы) — это сложная и дорогая затея. Поэтому мы выбираем для своих клиентов местных производителей прототипов, а серию — если она в сумме будет крупная — сразу размещаем в Китае с расчетом на амортизацию формы за несколько итераций производства. Ведь если запустить серийное производство у местных производителей, то и пресс-форма будет местная, а ее перевозка в Китай или создание второй формы в Китае себя не оправдает.

Горизонтальный термопластавтомат

Обычно горизонтальный ТПА используется со стандартной автоматической пресс-формой. Пресс-формы для литья пластмасс под давлением бывают нескольких видов:

1. Холодноканальными. Это простая и дешевая система, при которой вместе с изделием затвердевает литник.
2. Горячеканальными. В этом случае материал подается в форму нагретым и литник не образуется.

Такой тип литья пластика и ТПА используется в большинстве случаев и подходит для изготовления различных видов изделий.