למה משמשים חלקי הזרקה?

עבדתי בעיצוב וייצור מוצרים במשך כ-11 שנים, עבדתי הרבה עם חברות אלקטרוניקה לצרכן וכמה ספקי רכב, והזרקה היא רק דרך ברירת המחדל לייצור חלקי פלסטיק בכל סוג של נפח. ישנם תהליכים אחרים כמו הדפסה תלת מימדית או פלסטיק בעיבוד CNC, אבל ברגע שאתה צריך יותר מ-500-1000 יחידות, הזרקה הופכת לדבר היחיד הגיוני עבור רוב היישומים.

למה הזרקה השתלטה על הכל

התהליך עצמו די פשוט-להמיס כדורי פלסטיק, להזריק בלחץ גבוה לתבנית, לתת לה להתקרר, להוציא את החלק. לַחֲזוֹר עַל. מכונות מודרניות יכולות לעשות את המחזור הזה ב-15-30 שניות עבור חלקים קטנים, אולי 60-90 שניות עבור דברים גדולים יותר. צפיתי במכונת הזרקה של מאדים האיטי במפעל בשנג'ן שואבת מארזים לסמארטפונים במהירות של בערך 40 שניות למחזור, וזה היה עבור חלק די מורכב עם תכונות פנימיות מרובות. עלות הכלים הייתה בסביבות $12,000 דולר (מנהל המפעל אמר לי את זה ב-2018, המחירים בהחלט עלו מאז).

מה שהופך אותו לכל כך דומיננטי הוא השילוב של מהירות, חזרתיות ואפשרויות חומר. לאחר יצירת התבנית, כל חלק עולה פרוטות בחומר ובזמן המכונה. חלק ABS של 50 גרם עשוי להשתמש בחומר בשווי 0.15 דולר, ואם זמן המחזור הוא 30 שניות זה 120 חלקים לשעה. אפילו בהתחשב בעלויות זמן מכונה ועבודה, אתה מסתכל על אולי $0.30-0.50 לחלק ברצף ייצור של 10,000+ יחידות.

השווה את זה לעיבוד CNC שבו אתה משלם עבור שחיקת כלי עבודה, זמני מחזור ארוכים יותר, בזבוז חומרים וזמן מפעיל מיומן. תמחרתי עיצוב מארז פשוט ברגע ש-הזרקה הגיעה ב-$0.82 לחלק עבור 5,000 יחידות כולל כלי עבודה מופחתים. עיבוד CNC של אותו חלק נמכר ב-$6.40 לחלק. אפילו לא קרוב.

מכשור רפואי נהיה מוזר בקשר לזה

חלקים יצוקים בהזרקה רפואית הם עולם אחר לגמרי בגלל תקנות ה-FDA ודרישות עיקור. החומרים צריכים להיות תואמים ביולוגיים, מה שמגביל את האפשרויות שלך באופן משמעותי. רוב היצרנים הרפואיים משתמשים בדברים כמו פוליקרבונט, פוליפרופילן או דרגות מיוחדות של פוליאתילן. PEEK פופולרי עבור מכשירים כירורגיים מכיוון שהוא יכול להתמודד עם חיטוי חוזר ונשנה מבלי להשפיל, אך כלי PEEK יקר מכיוון שטמפרטורות העיבוד כה גבוהות (בסביבות 370-400 מעלות לפי מפרט גיליון הנתונים של Victrex, victrex.com).

עבדתי על פרויקט של מכשור רפואי חד פעמי לפני כמה שנים, רק מגש פשוט יצוק בהזרקה לטיפולי שיניים. אימות החומר לבדו ארך 4 חודשים מכיוון שהיינו צריכים להוכיח בדיקות תאימות ביולוגיות תחת תקני ISO 10993. עיצוב החלק בפועל נעשה תוך 3 שבועות. התיעוד הרגולטורי היה עוד 6 שבועות. זו הסיבה שחלקים יצוקים בהזרקה רפואית עולים פי 3-5 מחלקי צריכה מקבילים גם כשהם עיצובים פשוטים יותר.

תאימות עיקור חשובה הרבה יותר ממה שרוב המהנדסים חושבים עליו. עיקור קרינת גמא יכול לגרום לחלק מהפלסטיקים להצהיב או להפוך לשבירים. עיקור EtO (אתילן אוקסיד) עדין יותר אך יש לו בעיות ספיגה עם חומרים מסוימים. עיקור החיטוי דורש חומרים יציבים ב-121-134 מעלות עם חשיפה לאדים. בחירת החומר שלך מוכתבת על ידי האופן שבו הלקוח מתכנן לעקר את המוצר, לא רק על ידי דרישות מכניות.

חלקי רכב שאף אחד לא רואה

רכיבי רכב תחת-מכסה אכזריים בחומרים פלסטיים. יש לך מחזורי טמפרטורה מ--40 מעלות עד 120 מעלות +, חשיפה לשמנים ודלקים, רטט ודרישות חיי שירות ארוכים (15+ שנים בדרך כלל). זו הסיבה שהזרקת רכב משתמשת בהרבה בניילונים מלאים בזכוכית- וחומרים מיוחדים בטמפ' גבוהה.

סעפות היניקה היו בעבר יציקות אלומיניום, אך כעת הן לרוב עשויות זכוכית-מילויה בניילון בהזרקה. ב.מ.וו התחילה לעשות את זה בסוף שנות התשעים, אני חושב, וכולם עקבו. החיסכון במשקל הוא משמעותי-סעפת צריכת פלסטיק יכולה להיות קלה ב-40-50% מהמקבילה מאלומיניום. על פי ניתוח מסוים ממאמר כנס של Society of Plastics Engineers (spe.org, כנס חטיבת הרכב משנת 2015), המעבר לסעפות צריכת פלסטיק הפחית את משקל הרכב בממוצע של 3-4 ק"ג לרכב, מה שמתורגם לכ-0.1-0.15 ק"ג בצריכת הדלק. לא נשמע הרבה אבל תכפיל את זה על פני מיליוני כלי רכב.

מחברים ובתי חיישנים הם קטגוריה ענקית נוספת. לכל חיישן במכונית מודרנית-טמפרטורה, לחץ, מיקום, מהירות, מה שלא יהיה-יש בית מעוצב בהזרקה. אלה צריכים להיות אטומים מפני מים ואבק (בדרך כלל דירוג IP67 מינימום), לטפל ברטט ולשמור על יציבות ממדית על פני טווח הטמפרטורות. גם הסבולות יכולות להיות הדוקות, כמו ±0.05 מ"מ עבור תכונות הזדווגות במחברים חשמליים.

ראיתי תבניות מחברים לרכב שעלותן 80,000$-120,000$ כי הן תבניות משפחתיות המייצרות חלקים מרובים, עם פעולות צד לחתכים תחתונות וקונסטרוקציית פלדה מוקשחת למיליון+ מחזורי החיים הנדרשים. העלות לחלק בסופו של דבר היא מתחת ל-$0.20 אם כי כאשר אתה מפעיל נפח כזה.

אלקטרוניקה לצרכן היא המקום שבו נמצא הכסף

מארזי סמארטפונים, כיסויים למחשב נייד, מסגרות לטאבלטים-כולם יצוקים בהזרקה. דרישות הגימור של פני השטח מטורפות בהשוואה לתעשיות אחרות. אתה צריך גימורי משטח של תבנית A1 או A2 (תקני SPI), כלומר ליטוש נרחב של חלל התבנית. ליטוש עובש טוב יכול לקחת שבועות עד -ללטש חלל גדול לגימור במראה.

אפל מפורסמת עושה דברים עם הזרקה שחברות אחרות מתקשות לשחזר. MacBook פוליקרבונט unibody מ-2009-2010 היה יצוק בהזרקה בחתיכה אחת, מה שדרש מומחיות מסיבית בייצור תבניות ובקרת תהליכים. רוב היצרנים יחלקו את זה למספר חלקים מכיוון שקשה לקבל עובי דופן אחיד ולהימנע מסימני כיור על משהו גדול.

בחירת החומרים באלקטרוניקה השתנתה מאוד בעשור האחרון. פעם ABS היה ברירת המחדל לכל דבר, עכשיו אתה רואה הרבה יותר פוליקרבונט, תערובות PC/ABS וחומרי PPO שונה. חלק מזה הוא דרישות לעיכוב בעירה-דירוג UL94 חשוב עבור כל דבר שיש בו אלקטרוניקה בפנים. רוב הדברים צריכים לפחות דירוג V-1, יישומים רבים דורשים V-0. זה מגביל באילו חומרים ותוספים אתה יכול להשתמש.

התאמת טקסטורה וצבע היא סיוט במוצרי אלקטרוניקה. עבדתי עם חברה שייצרה מכשירים היקפיים (מקלדות, עכברים, דברים מהסוג הזה) והיו להם 23 תיקונים על המרקם של מוצר אחד כי השיווק כל הזמן שינה את דעתם לגבי איך זה אמור להרגיש. כל שינוי במרקם פירושו ליטוש מחדש של חלל התבנית באמצעות אלקטרודות EDM שונות או תהליכי תחריט כימיים. יצרנית התבניות גבתה כ-2,000 דולר לכל עדכון מרקם.

התאמת צבעים בין פלסטיקים שונים היא גם קשה יותר ממה שהיא צריכה להיות. אם יש לך מוצר עם כיסוי עליון למחשב ודיור תחתון ABS, קשה לגרום להם להיות באותו צבע בדיוק כשהם יצוקים מכיוון שחומרים שונים לוקחים חומרי צבע בצורה שונה. בסופו של דבר אתה מקבל חבילות צבע מותאמות אישית והרבה דפוס ניסיון כדי לחייג אותו.

האריזה היא הענק הנסתר

אף אחד לא חושב על אריזה בהזרקה אבל היא עצומה מבחינת נפח. פקקי בקבוקים בלבד-יש איפשהו נתון שאומר שמשהו כמו 2 מיליארד פקקי פלסטיק מיוצרים מדי יום ברחבי העולם (אני לא מוצא את המקור המדויק כרגע אבל זה היה במאמר בחדשות פלסטיק מלפני כמה שנים). לכל בקבוק מים, בקבוק סודה, קנקן חלב, בקבוק שמפו יש פקק יצוק בהזרקה.

מיכלי מזון, אריזות קוסמטיות, בקבוקי תרופות-כולם יצוקים בהזרקה. הדרישות שונות מיישומים אחרים מכיוון שאתה זקוק לחומרים בטוחים למזון (שוב תקנות ה-FDA) ועמידות כימית טובה. פוליפרופילן שולט בחלל הזה מכיוון שהוא זול, בטוח למזון-ואינרטי מבחינה כימית. HDPE נפוץ מדי, במיוחד עבור בקבוקים ומיכלים שצריכים גמישות מסוימת.

יציקת קיר דקים- למיכלי מזון היא המומחיות שלו. אתה מדבר על עובי דופן של 0.5-0.8 מ"מ, מה שדורש מהירויות הזרקה גבוהות ומכונות מיוחדות עם שליטה טובה בירי. זמני המחזור מהירים אם כי כמו 4-8 שניות עבור מיכל יוגורט. ביקרתי ביצרן אריזה באיטליה שהפעיל תבניות של 48 חללים עבור מיכלי מזון קטנים, ויצר אלפי חלקים בשעה במכונה אחת.

עלויות העיבוד של תבניות אריזה מעניינות מכיוון שלעתים קרובות מדובר בתבניות משפחתיות (מספר גדלי חללים) או תבניות-רבות עם ספירת חללים מטורפת. תבנית של 96-מכסה בקבוק עשויה לעלות 150$,000+ אבל כשאתה מייצר עשרות מיליוני חלקים, עלות האבזור לכל חלק הופכת לזניחה.

יישומי תעשייה ובנייה שנמשכים לנצח

מארזים חשמליים, תיבות חיבור, בתי מתגים-טונות של חלקים יצוקים בהזרקה בבניינים ובציוד תעשייתי. דרישות החומר שונות כאן מכיוון שאתה צריך עמידות בפני UV (אם בחוץ), עיכוב בעירה ועמידות בפני פגיעות. ABS לא יעבוד עבור יישומים חיצוניים מכיוון שהוא מתכלה בחשיפה ל- UV. ASA טוב יותר אבל יקר יותר. פוליקרבונט עובד אך מצהיב לאורך זמן. תמיד יש פשרות.

חלקי ניהול כבלים כמו אחיזת חוטים, משחררי מתח ובלוטות מעוצבים בעיקר בהזרקה. ניילון פופולרי עבור זה בגלל הקשיחות והעמידות הכימית שלו. עבדתי עם אחיזת חוטי M20 ו-M25 שצריכים לשמור על איטום IP68 לאחר התקנה והסרה מספר פעמים-הסובלנות הממדית על הברגים ומשטחי האיטום צריכות להיות הדוקות (±0.1 מ"מ או יותר במאפיינים קריטיים).

אביזרי צנרת ורכיבי אינסטלציה הם גם קטגוריה גדולה. אביזרי PVC ו-PP מעוצבים בהזרקה, אם כי החומרים בקוטר הגדול מיוצרים לרוב בתהליכים אחרים. לדירוג הלחץ יש חשיבות-להתאמה שמדורגת ל-150 PSI זקוקה לקירות עבים יותר ותכונות חומר טובות יותר מאלה שמדורגת ל-50 PSI. ציוני החומרים מצוינים בתקני ASTM ודרישות הבדיקה מפורטות בדברים כמו ASTM D2846 עבור אביזרי PVC.

צעצועים ומוצרי פנאי

ברור שצעצועים הם בעיקר פלסטיק יצוק בהזרקה. לבני LEGO הן הדוגמה הקלאסית-המיוצרות בסובלנות הדוקה להפליא (±0.01 מ"מ או משהו מטורף כזה) כך שהן משתלבות בצורה מושלמת בכל פעם. LEGO משתמשת ב-ABS באופן בלעדי, אני חושב, והם עוסקים בהזרקה מאז שנות ה-40 או ה-50, כך שהתהליך מחויג לחלוטין.

דמויות פעולה, בובות, רכבי צעצוע-כולם יצוקים בהזרקה, בדרך כלל מרובי-זריקות או הרכבה של מספר רכיבים יצוקים. בחירת החומרים לצעצועים מוגבלת על ידי תקנות הבטיחות. בארה"ב יש דרישות CPSIA, באירופה יש תקני בטיחות לצעצועים EN 71. חומרי פלסטיק ותוספים מסוימים אסורים למוצרי ילדים, מה שפוסל כמה אפשרויות חומריות.

לציוד ספורט יש גם הרבה חלקים מעוצבים. קונכיות למגפי סקי, מסגרות להחלקה מוטבעות, רכיבי אופניים, ציוד מגן. הדרישות המכניות עשויות להיות תובעניות-מגפי הסקי צריכות להיות קשיחות מספיק כדי להעביר כוח ביעילות אבל לא כל כך שבירות שהן נסדקות במזג אוויר קר. זה בדרך כלל אומר חומרי פוליאוריטן או פוליאמיד, ועובי הדופן נעשים כבדים (3-6 מ"מ באזורים מסוימים).

מה לא עובד טוב עם הזרקה

חלקים גדולים מאוד נהיים מאתגרים כי אתה צריך מכונות מסיביות ועלויות הכלים מתפוצצות. משטחי פגוש רכב נמצאים על הגבול של מה שהגיוני-אלה דורשים מכונות ותבניות בכוח הידוק של 1000+ טון ששוקלות כמה טונות. ההשקעה ההונית עבור ציוד זה היא מיליוני דולרים כך שרק יצרנים גדולים יכולים לעשות זאת.

חלקים סופר קטנים עם סובלנות הדוקה הם גם קשים. חלקים מיקרו- רפואיים יצוקים כמו רכיבי צנתר או מכשירים מיקרופלואידים דוחפים את הגבולות של מה שאפשר. אתה מתמודד עם גדלי שערים מתחת ל-0.3 מ"מ, ממדי חלל הנמדדים בעשיריות המילימטרים ובקרת תהליכים הדורשת מערכות משוב אקטיביות. שיעורי הדחייה יכולים להיות גבוהים אפילו עם תבניות מושלמות מכיוון שכמויות זעירות של זיהום או שינויים בתהליך גורמים לבעיות.

חלקים עם חלקים עבים מאוד לא מתעצבים היטב בגלל זמן קירור וסימני שקיעה. כל דבר מעל אולי 6-8 מ"מ עובי דופן מתחיל להיות בעיות. החלק החיצוני מתקרר ומתמצק כשהחלק הפנימי עדיין מותך, וכשהמרכז מתקרר הוא מתכווץ, מושך את המשטח החיצוני פנימה ויוצר סימני כיור או חללים. לפעמים אפשר לפצות בלחץ אריזה וזמני קירור ארוכים יותר, אבל זה תמיד מאבק. עדיף לעצב מחדש את החלק עם צלעות או חלקים חלולים אם אפשר.

חומרים שאינם תרמופלסטיים אינם עובדים כלל. תרמוסטים כמו אפוקסי או שרפים פנוליים זקוקים לתהליכים שונים (דפוס דחיסה או דפוס העברה). מתכות כמובן לא ניתנות להזרקה, אם כי הזרקת מתכת (MIM) קיימת כתהליך קשור למתכות אבקות.

הכלכלה כשאתה מנסה לקבל החלטה

עבור כמויות נמוכות (מתחת ל-1000 חלקים) בדרך כלל אין היגיון בהזרקה, אלא אם כן אתה צריך תכונות חומר ספציפיות או גימורי משטח שלא תוכל להשיג דרכים אחרות. עלות הכלים שולטת בעלות לכל-חלק בהיקפים נמוכים. תבנית אב טיפוס פשוטה עשויה להיות 3,000-5,000 דולר, אבל אתה מפיץ את העלות הזו על מספר קטן של חלקים.

נקודת ההצלבה שבה הזרקה הופכת לזולה יותר מתהליכים אחרים תלויה במורכבות ובגודל החלק, אך היא בדרך כלל איפשהו בין 500-2000 יחידות. מתחת לזה, הדפסת תלת מימד או עיבוד CNC נוטים להיות חסכוניים יותר. מעל זה, הזרקה מנצחת.

אני בדרך כלל אומר לאנשים לחשוב על זה כך: אם כלי העבודה עולים $10,000 וחלקים עולים $0.50 כל אחד ליצוק, אתה צריך לייצר 20,000 חלקים לפני שהעלות לכל{5}}חלק תרד מתחת ל-$1.00 ($10,000/20,{10}}$0.50). אם אתה צריך רק 1,000 חלקים, העלות שלך לכל-חלק היא למעשה $10.50 ($10,000/1,{20}} $0.50). זה משנה לחלוטין את החישוב.

היקפי ייצור במיליונים הם המקום שבו הזרקה באמת זורחת. העלות לכל-חלק יכולה לרדת לרמות מגוחכות-כמו $0.10-0.20 עבור חלקים פשוטים. עלות הציוד מופחתת על כל כך הרבה חלקים שזה בקושי משנה. זו הסיבה שמוצרי צריכה חד פעמיים הם כמעט כולם סכיני גילוח בהזרקה, עטים, בקבוקים, מיכלים, מה שלא יהיה. השוליים עובדים כאשר כל חלק עולה גרושים להכנה.

יש הרבה יותר יישומים ממה שכיסיתי כאן (רכיבי ריהוט, חלקי מכשיר, עדשות אופטיות, כלי נגינה, כנראה עוד מאה קטגוריות) אבל אלו התעשיות העיקריות בהן עסקתי. הרבגוניות של התהליך היא מה שהופכת אותו לכל כך דומיננטי-אתה יכול ליצור רכיב דיוק של גרם אחד או פאנל רכב של 5 קילוגרם עם אותה טכנולוגיה בסיסית, רק בהגדלה או מטה.

יש הרבה יותר יישומים ממה שכיסיתי כאן (רכיבי ריהוט, חלקי מכשיר, עדשות אופטיות, כלי נגינה, כנראה עוד מאה קטגוריות) אבל אלו התעשיות העיקריות בהן עסקתי. הרבגוניות של התהליך היא מה שהופכת אותו לכל כך דומיננטי-אתה יכול ליצור רכיב דיוק של גרם אחד או פאנל רכב של 5 קילוגרם עם אותה טכנולוגיה בסיסית, רק בהגדלה או מטה.

אם אתם נכנסים לתחום הזה, השקיעו זמן בהבנה כיצד לעצב חלקים יצוקים בהזרקה כראוי מכיוון שאסטרטגיית הזרקת קו הפרידה משפיעה על הכל במורד הזרם. ראיתי יותר מדי מהנדסים מזמינים חלקים יצוקים בהזרקה מבלי להתחשב במפרטים הקוסמטיים של חלקים יצוקים בהזרקה, ואז מתלוננים על העלות עבור חלק יצוק בהזרקה כאשר יש צורך בתיקונים. פגמים נפוצים בחלקי הזרקה נעוצים בדרך כלל לבעיות עיצוב-לדברים כמו הזרקת חלקים עבים ללא תעלות קירור מתאימות, או ניסיון הזרקת חלקים גדולים מבלי להבין כיצד פועלת זרימת החומר בחללים גדולים יותר. גם המומחיות הנדרשת משתנה מאוד: חלקי רכב בהזרקת פלסטיק דורשים ידע שונה מאשר הזרקה עבור חלקי תעופה, ותהליכים מיוחדים כמו חלקי הזרקת תגובה או חלקי הזרקת מתכת הם מערכי מיומנות שונים לחלוטין. אפילו חלקי פלסטיק יצוקים בהזרקה לאחר-עיבוד-יכולים להפחית מתחים שיוריים שגורמים לבעיות עיוות חודשים לאחר הייצור. בין אם אתה עובד עם בסיסחלקי תבנית הזרקההגדרה או הערכה של חלקי פלסטיק המיוצרים על ידי פעולת הזרקה, הבנת היסודות מונעת טעויות יקרות מאוחר יותר. הטכנולוגיה לא הולכת לשום מקום-חלקים יצוקים בהזרקה וחלקי הזרקה מפלסטיק ימשיכו לשלוט בייצור כי שום דבר אחר לא מתקלקל כמוהו.