Olen työskennellyt tuotesuunnittelussa ja valmistuksessa noin 11 vuotta, työskennellyt paljon kulutuselektroniikkayritysten ja joidenkin autotoimittajien kanssa, ja ruiskupuristus on vain oletustapa valmistaa muoviosia kaikenkokoisina. On muitakin prosesseja, kuten 3D-tulostus tai muovin CNC-työstö, mutta kun tarvitset enemmän kuin ehkä 500-1000 yksikköä, ruiskuvalusta tulee ainoa asia, joka on taloudellisesti järkevä useimmissa sovelluksissa.
Miksi ruiskupuristus otti kaiken
Itse prosessi on melko yksinkertaista,{0}}sulata muovipelletit, ruiskutetaan korkealla paineella muottiin, annetaan jäähtyä ja poistetaan osa. Toistaa. Nykyaikaiset koneet pystyvät suorittamaan tämän syklin noin 15-30 sekunnissa pienille osille, ehkä 60-90 sekunnissa isoille tavaroille. Katselin Shenzhenin tehtaalla toimivan Haitilaisen Marsin ruiskuvalukoneen pumppaavan älypuhelinkotelot noin 40 sekuntia sykliä kohden, ja se oli melko monimutkainen osa, jossa oli useita sisäisiä ominaisuuksia. Työkalukustannukset olivat noin 12 000 USD (tehtaan johtaja kertoi minulle tämän vuonna 2018, hinnat ovat ehdottomasti nousseet sen jälkeen).
Se mikä tekee siitä niin hallitsevan, on nopeuden, toistettavuuden ja materiaalivaihtoehtojen yhdistelmä. Kun muotti on valmistettu, jokainen osa maksaa penniä materiaalista ja koneajasta. 50 gramman ABS-osa saattaa käyttää 0,15 dollarin arvosta materiaalia, ja jos sykliaika on 30 sekuntia, se on 120 osaa tunnissa. Vaikka otettaisiin huomioon koneen aikakustannukset ja työvoima, saatat maksaa 0,30–0,50 dollaria per osa 10,000+ yksikön tuotantomäärällä.
Vertaa sitä CNC-koneistukseen, jossa maksat työkalujen kulumisesta, pidemmästä syklistä, materiaalihukasta ja ammattitaitoisen käyttäjän työajasta. Hinnoitin yksinkertaisen kotelorakenteen, kun-ruiskupuristus tuli hintaan 0,82 $/osa 5 000 yksiköllä, mukaan lukien poistetut työkalut. Saman osan CNC-koneistuksen hinta oli 6,40 dollaria/osa. Ei edes lähelle.
Lääketieteelliset laitteet ovat muuttuneet oudoksi tämän suhteen
Lääketieteelliset ruiskuvaletut osat ovat täysin eri maailma FDA:n määräysten ja sterilointivaatimusten vuoksi. Materiaalien on oltava bioyhteensopivia, mikä rajoittaa vaihtoehtojasi merkittävästi. Useimmat lääkevalmistajat käyttävät polykarbonaattia, polypropeenia tai erikoislaatuisia polyeteeniä. PEEK on suosittu kirurgisissa instrumenteissa, koska se pystyy käsittelemään toistuvaa autoklavointia huonontamatta, mutta PEEK-työkalut ovat kalliita, koska prosessointilämpötilat ovat niin korkeita (noin 370-400 astetta Victrex-tietolomakkeen teknisten tietojen mukaan, victrex.com).
Työskentelin muutama vuosi sitten kertakäyttöisten lääkinnällisten laitteiden projektin parissa, vain yksinkertaisen ruiskupuristetun lokeron parissa hammashoitoa varten. Pelkästään materiaalin validointi kesti 4 kuukautta, koska jouduimme todistamaan bioyhteensopivuustestauksen ISO 10993 -standardin mukaisesti. Varsinainen osasuunnittelu tehtiin 3 viikossa. Sääntelydokumentaatio oli vielä 6 viikkoa. Tästä syystä lääketieteelliset ruiskuvaletut osat maksavat 3–5 kertaa enemmän kuin vastaavat kuluttajaosat, vaikka ne olisivatkin yksinkertaisempia.
Steriloinnin yhteensopivuus on tärkeämpää kuin useimmat insinöörit ajattelevat. Gammasäteilysterilointi voi aiheuttaa joidenkin muovien kellastumista tai haurautta. EtO (etyleenioksidi) -sterilointi on hellävaraisempaa, mutta sillä on imeytymisongelmia tiettyjen materiaalien kanssa. Autoklaavisterilointi vaatii materiaaleja, jotka ovat stabiileja 121-134 asteessa höyryaltistuksella. Materiaalivalintasi määräytyy sen mukaan, kuinka asiakas aikoo steriloida tuotteen, ei pelkästään mekaanisten vaatimusten mukaan.
Auton osia, joita kukaan ei näe
Konepellin alaiset osat{0}} ovat julmia muovimateriaaleille. Sinulla on lämpötilan vaihtelu -40 asteesta 120 + asteeseen, altistuminen öljyille ja polttoaineille, tärinä ja pitkä käyttöikä (tyypillisesti 15+ vuotta). Tästä syystä autojen ruiskuvalussa käytetään paljon lasi{8}}täytteistä nailonia ja korkean lämpötilan erikoismateriaaleja.
Imusarjat olivat aiemmin alumiinivaluja, mutta nykyään ne ovat enimmäkseen ruiskupuristettua lasi-täyteistä nylonia. Luulen, että BMW aloitti tämän tekemisen 1990-luvun lopulla, ja kaikki seurasivat. Painon säästö on merkittävä-muovinen imusarja voi olla 40–50 % kevyempi kuin vastaava alumiini. Muoviinsinöörien yhdistyksen konferenssipaperin (spe.org, 2015 autoteollisuuden konferenssi) analyysin mukaan muovisiin imusarjaan siirtyminen vähensi ajoneuvon painoa keskimäärin 3–4 kg ajoneuvoa kohden, mikä tarkoittaa noin 0,1–0,15 mpg polttoainetalouden parannusta. Ei kuulosta paljolta, mutta kerro se miljoonille ajoneuvoille.
Liittimet ja anturikotelot ovat toinen valtava luokka. Jokaisessa nykyaikaisen auton anturissa-lämpötila, paine, sijainti, nopeus-on ruiskupuristettu kotelo. Ne on tiivistettävä vedeltä ja pölyltä (yleensä IP67-luokitus vähintään), kestettävä tärinää ja säilytettävä mittojen vakaus koko lämpötila-alueella. Toleranssit voivat myös olla tiukat, kuten ±0,05 mm sähköliittimien liitosominaisuuksien osalta.
Olen nähnyt autojen liitosmuotteja, jotka maksavat 80 000 -120 000 dollaria, koska ne ovat perhemuotteja, joista valmistetaan useita osia, joissa on sivuleikkaukset ja karkaistu teräsrakenne yli miljoonan osan elinkaaren aikana. Osakohtainen hinta jää kuitenkin alle 0,20 dollariin, kun käytät tällaista määrää.
Kulutuselektroniikassa raha on
Älypuhelinkotelot, kannettavan tietokoneen kotelot, tablettien kehykset-kaikki ruiskuvaletut. Pintakäsittelyvaatimukset ovat järjettömät muihin toimialoihin verrattuna. Tarvitset A1 tai A2 muotin pintakäsittelyn (SPI-standardit), mikä tarkoittaa laajaa muottiontelon kiillotusta. Hyvällä muotinkiillotuskoneella voi kestää viikkoja ennen kuin{6}}kiillotetaan suuri ontelo peilikuvaksi.
Apple tekee tunnetusti ruiskuvalulla asioita, joita muiden yritysten on vaikea jäljitellä. Yksirunkoinen polykarbonaattinen MacBook vuosilta 2009-2010 ruiskuvalettiin yhdeksi kappaleeksi, mikä vaati massiivista muotinvalmistusosaamista ja prosessin hallintaa. Useimmat valmistajat jakavat sen useisiin osiin, koska on vaikeaa saada tasainen seinäpaksuus ja välttää uppoamisjäljet niin suuressa.
Kulutuselektroniikan materiaalivalinnat ovat muuttuneet paljon viimeisen vuosikymmenen aikana. ABS oli aiemmin oletusarvo kaikessa, nyt näet paljon enemmän polykarbonaattia, PC/ABS-sekoituksia ja modifioituja PPO-materiaaleja. Osa tästä on palonestovaatimukset-UL94-luokitus on tärkeä kaikkeen, jossa on elektroniikkaa. Suurin osa tavaroista vaatii vähintään V-1 luokituksen, monet sovellukset vaativat V-0. Tämä rajoittaa, mitä materiaaleja ja lisäaineita voit käyttää.
Tekstuurien ja värien yhteensopivuus on painajainen kulutuselektroniikassa. Työskentelin yrityksen kanssa, joka valmisti oheislaitteita (näppäimistöjä, hiiriä jne.), ja he tekivät 23 versiota yhden tuotteen tekstuurista, koska markkinointi muutti heidän mieltään siitä, miltä sen pitäisi tuntua. Jokainen tekstuurin tarkistus merkitsi muotin onkalon uudelleenkiillottamista erilaisilla EDM-elektrodeilla tai kemiallisilla etsausprosesseilla. Muotinvalmistaja veloitti noin 2 000 dollaria rakenneuudistuksesta.
Myös eri muovien värien yhteensovittaminen on vaikeampaa kuin sen pitäisi olla. Jos sinulla on tuote, jossa on PC-kansi ja ABS-pohjakotelo, niiden saaminen täsmälleen samanvärisiksi valettuina on hankalaa, koska eri materiaalit ottavat väriaineita eri tavalla. Lopputuloksena on mukautettuja väriyhdistelmiä ja paljon koemuovausta.
Pakkaus on piilotettu jättiläinen
Kukaan ei ajattele ruiskupuristettua pakkausta, mutta se on valtava määrä. Pelkästään pullonkorkit-jossakin on tilasto, jonka mukaan maailmanlaajuisesti valmistetaan päivittäin noin 2 miljardia muovipullon korkkia (en löydä tarkkaa lähdettä juuri nyt, mutta se oli Plastics News -artikkelissa muutaman vuoden takaisesta). Jokaisessa vesipullossa, soodapullossa, maitokannussa ja shampoopullossa on ruiskupuristettu korkki.
Elintarvikeastiat, kosmetiikkapakkaukset, lääkepullot-kaikki ruiskupuristetut. Vaatimukset poikkeavat muista sovelluksista, koska tarvitset elintarviketurvallisia materiaaleja (taas FDA:n määräykset) ja hyvän kemikaalinkestävyyden. Polypropeeni hallitsee tätä tilaa, koska se on halpaa, -elintarviketurvallista ja kemiallisesti inerttiä. HDPE on myös yleinen, erityisesti pulloissa ja säiliöissä, jotka tarvitsevat joustavuutta.
Ohutseinämä-muovaus elintarvikepakkauksiin on oma erikoisuutensa. Puhutaan 0,5-0,8 mm:n seinämänpaksuudesta, mikä vaatii suuria ruiskutusnopeuksia ja erikoiskoneita, joilla on hyvä laukauksen hallinta. Jaksoajat ovat kuitenkin nopeita, kuten 4-8 sekuntia jogurttipurkille. Vierailin eräässä pakkausvalmistajassa Italiassa, joka käytti 48-onteloisia muotteja pienille elintarvikepakkauksille ja valmisti tuhansia osia tunnissa yhdellä koneella.
Pakkausmuottien työkalukustannukset ovat mielenkiintoisia, koska ne ovat usein perhemuotteja (useita ontelokokoja) tai moni{0}}ontelomuotteja, joissa on järjetön määrä. 96{5}}ontelopullon korkkimuotti saattaa maksaa 150 $,000+ mutta kun teet kymmeniä miljoonia osia, osakohtaisista työkalukustannuksista tulee mitätön.
Teollisuus- ja rakennussovellukset, jotka kestävät ikuisesti
Sähkökotelot, kytkentärasiat, kytkinkotelot-tonnia ruiskupuristettuja osia rakennuksissa ja teollisuuslaitteissa. Materiaalivaatimukset ovat erilaiset, koska tarvitset UV-kestävyyden (jos ulkona), palonestokyvyn ja iskunkestävyyden. ABS ei toimi ulkokäyttöön, koska se hajoaa UV-altistuksen vaikutuksesta. ASA on parempi, mutta kalliimpi. Polykarbonaatti toimii, mutta kellastuu ajan myötä. Aina on kompromisseja.
Kaapelin hallintaosat, kuten johtokahvat, vedonpoistajat ja tiivistysholkit, ovat enimmäkseen ruiskupuristettuja. Nailon on suosittu tässä sen sitkeyden ja kemiallisen kestävyyden vuoksi. Olen työskennellyt M20- ja M25-johtokahvoilla, joiden on säilytettävä IP68-tiivistys sen jälkeen, kun ne on asennettu ja poistettu useita kertoja-kierteiden ja tiivistyspintojen mittatoleranssien on oltava tiukat (±0,1 mm tai parempi kriittisissä ominaisuuksissa).
Myös putkiliittimet ja putkiosat ovat suuri luokka. PVC- ja PP-liittimet ruiskupuristetaan, vaikka halkaisijaltaan suuret tavarat valmistetaan usein muilla prosesseilla. Paineluokituksilla on merkitystä-150 PSI:lle mitoitettu liitin tarvitsee paksummat seinät ja paremmat materiaaliominaisuudet kuin 50 PSI:lle mitoitettu liitin. Materiaaliluokat on määritelty ASTM-standardien mukaisesti, ja testausvaatimukset on määritelty esimerkiksi ASTM D2846:ssa PVC-liittimille.
Lelut ja vapaa-ajan tuotteet
On selvää, että lelut ovat enimmäkseen ruiskupuristettua muovia. LEGO palikat ovat klassinen esimerkki-, jotka on valmistettu uskomattoman tiukoilla toleransseilla (±0,01 mm tai jotain sen kaltaista), joten ne sopivat täydellisesti yhteen joka kerta. LEGO käyttää mielestäni yksinomaan ABS:ää, ja he ovat tehneet ruiskupuristusta 1940- tai 50-luvulta lähtien, joten he ovat saaneet prosessin täysin käyttöön.
Toimintahahmot, nuket, leluajoneuvot-kaikki ruiskuvaletut, yleensä useat{1}}kuvat tai useiden valettujen osien kokoonpano. Lelujen materiaalivalintaa rajoittavat turvallisuusmääräykset. Yhdysvalloissa on CPSIA-vaatimukset, Euroopassa EN 71 -lelujen turvallisuusstandardit. Tietyt pehmittimet ja lisäaineet ovat kiellettyjä lastentuotteissa, mikä sulkee pois jotkin materiaalivaihtoehdot.
Urheiluvälineissä on myös paljon muovattuja osia. Kengänkuoret, rullaluistimet, pyörän komponentit, suojavarusteet. Mekaaniset vaatimukset voivat olla vaativia-hiihtokenkien on oltava riittävän jäykkiä siirtääkseen voimaa tehokkaasti, mutta eivät niin hauraita, että ne halkeilevat kylmällä säällä. Tämä tarkoittaa yleensä polyuretaania tai polyamidia, ja seinämän paksuudet tulevat raskaaksi (joillakin alueilla 3-6 mm).
Mikä ei toimi hyvin ruiskuvalussa
Erittäin suuret osat ovat haastavia, koska tarvitset massiivisia koneita ja työkalukustannukset nousevat räjähdysmäisesti. Autojen puskurien kehykset ovat suunnilleen järkevyyden rajoissa-ne vaativat 1000+ tonnin puristusvoimakoneita ja useita tonneja painavia muotteja. Laitteiston pääomasijoitus on miljoonia dollareita, joten vain suuret valmistajat voivat tehdä sen.
Erittäin pienet osat, joilla on tiukat toleranssit, ovat myös vaikeita. Lääketieteelliset mikro{1}}valetut osat, kuten katetrikomponentit tai mikrofluidilaitteet, ylittävät mahdollisuuksien rajoja. Käsittelet alle 0,3 mm:n porttien kokoja, onteloiden mittoja millimetrin kymmenesosissa ja prosessinohjausta, joka vaatii aktiivisia takaisinkytkentäjärjestelmiä. Hylkäämisasteet voivat olla korkeita jopa täydellisissä muoteissa, koska pienet kontaminaatiomäärät tai prosessin vaihtelut aiheuttavat ongelmia.
Erittäin paksut osat eivät homehdu hyvin jäähtymisajan ja uppoamisjälkien vuoksi. Kaikessa, joka on yli 6-8 mm seinäpaksuus, alkaa olla ongelmia. Ulkopuoli jäähtyy ja jähmettyy, kun sisäpuoli on vielä sulaa, ja keskustan jäähtyessä se kutistuu, vetäen ulkopintaa sisäänpäin ja luoden uppoamisjälkiä tai tyhjiä paikkoja. Voit joskus kompensoida pakkauspaineella ja pidemmillä jäähdytysajoilla, mutta se on aina taistelua. On parempi suunnitella osa uudelleen rivoilla tai ontoilla osilla, jos mahdollista.
Materiaalit, jotka eivät ole kestomuovia, eivät toimi ollenkaan. Epoksi- tai fenolihartsien kaltaiset termosetit tarvitsevat erilaisia prosesseja (puristusmuovaus tai siirtomuovaus). Metalleja ei tietenkään voida ruiskuvalaa, vaikka metalliruiskupuristus (MIM) on olemassa jauhemaisten metallien liittyvänä prosessina.
Taloustiede, kun yrität tehdä päätöstä
Pienille määrille (alle 1000 osaa) ruiskuvalu ei yleensä ole järkevää, ellei tarvitset erityisiä materiaaliominaisuuksia tai pintakäsittelyjä, joita et voi saada muilla tavoilla. Työkalukustannukset hallitsevat per-osakustannuksia pienillä määrillä. Yksinkertainen prototyyppimuotti voi maksaa 3 000–5 000 dollaria, mutta jaat tämän hinnan pienelle määrälle osia.
Jakopiste, jossa ruiskuvalu tulee halvemmaksi kuin muut prosessit, riippuu osien monimutkaisuudesta ja koosta, mutta se on yleensä jossain 500-2000 yksikön välillä. Sen alapuolella 3D-tulostus tai CNC-koneistus on yleensä taloudellisempaa. Sen yläpuolella ruiskuvalu voittaa.
Yleensä kehotan ihmisiä ajattelemaan asiaa näin: jos työkalut maksavat 10 000 dollaria ja osat 0,50 dollaria muotti, sinun on valmistettava 20 000 osaa, ennen kuin osahinta laskee alle 1,00 dollarin (10 000 $/20,000 + 0,50 $). Jos tarvitset vain 1 000 osaa, osahintasi on itse asiassa 10,50 $ (10 000 $/1,000 + 0,50 $). Tämä muuttaa laskelman täysin.
Miljoonat tuotantomäärät ovat siellä, missä ruiskuvalu todella loistaa. Osahinta-voi pudota naurettavalle tasolle-kuten 0,10 $-0,20 yksinkertaisten osien osalta. Työkalukustannukset poistuvat niin monesta osasta, että sillä tuskin on merkitystä. Tästä syystä kertakäyttöiset kuluttajatuotteet ovat lähes kaikki ruiskupuristetut parranajokoneet, kynät, pullot, astiat, mitä tahansa. Marginaalit toimivat, kun jokainen osa maksaa penniä valmistaa.
Sovelluksia on paljon enemmän kuin tässä käsittelin (huonekalujen komponentit, laitteiden osat, optiset linssit, soittimien kappaleet, luultavasti sata muuta luokkaa), mutta nämä ovat tärkeimmät teollisuudenalat, joita olen käsitellyt. Prosessin monipuolisuus tekee siitä niin hallitsevan-, että voit valmistaa 1 gramman tarkkuuskomponentin tai 5 kiloa painavan autopaneelin periaatteessa samalla perustekniikalla, vain skaalattuna ylös tai alas.
Sovelluksia on paljon enemmän kuin tässä käsittelin (huonekalujen komponentit, laitteiden osat, optiset linssit, soittimien kappaleet, luultavasti sata muuta luokkaa), mutta nämä ovat tärkeimmät teollisuudenalat, joita olen käsitellyt. Prosessin monipuolisuus tekee siitä niin hallitsevan-, että voit valmistaa 1 gramman tarkkuuskomponentin tai 5 kiloa painavan autopaneelin periaatteessa samalla perustekniikalla, vain skaalattuna ylös tai alas.
Jos olet tulossa tälle alalle, käytä aikaa sen ymmärtämiseen, kuinka ruiskuvaletut osat suunnitellaan oikein, koska jakolinjan ruiskuvalustrategia vaikuttaa kaikkeen loppupään. Olen nähnyt liian monien insinöörien tilaavan ruiskuvalettuja osia ottamatta huomioon ruiskuvalettujen osien kosmeettisia eritelmiä ja valittavan sitten ruiskupuristettujen osien kustannuksista, kun muutoksia tarvitaan. Ruiskuvaluosien yleiset viat juontavat yleensä suunnitteluongelmia-kuten paksujen osien ruiskupuristamisesta ilman asianmukaisia jäähdytyskanavia tai suuren osan ruiskupuristuksen yrittämisestä ymmärtämättä, miten materiaalivirtaus toimii suuremmissa onteloissa. Myös vaadittava asiantuntemus vaihtelee hurjasti: muovisten autonosien ruiskuvalu vaatii erilaista osaamista kuin lentokoneen osien ruiskuvalu, ja erikoisprosessit, kuten reaktioruiskuvaluosat tai metallin ruiskuvaluosat, ovat täysin erilaisia taitoja. Jopa jälkikäsittelyyn liittyvät asiat-ruiskuvalettujen muoviosien hehkutus voi vähentää jäännösjännitystä, joka aiheuttaa vääntymisongelmia kuukausia tuotannon jälkeen. Työskenteletpä sitten perusasioiden kanssaruiskuvalu muotin osatruiskupuristuksessa valmistettujen muoviosien asennus tai arviointi, perusasioiden ymmärtäminen estää kalliit virheet myöhemmin. Tekniikka ei etene mihinkään-ruiskupuristetut osat ja muoviset ruiskuvaluosat hallitsevat valmistusta, koska mikään muu ei skaalaudu samalla tavalla.