Кратка история на шприцването на пластмаси: Иновации и важни етапи

Шприцването на пластмаси започва в края на 19-ти век като начин за бързо и ефективно създаване на прецизни пластмасови части. Този процес създаде пластмасовата индустрия и промени начина, по който се произвеждат ежедневни предмети като играчки, контейнери и автомобилни части.

В този блог ще научите за историята на шприцоването на пластмаси, което ще ви помогне да разберете как то оформя света около вас и защо е толкова широко използвано.

Пионери и ранни новатори

Ранната работа в индустрията за шприцване на пластмаси оформи бъдещето на пластмасовите материали. Ключови личности и промените в индустрията доведоха до нови машини, по-добри материали и нарастваща употреба в продуктите.

Изобретението на Джон и Исая Хаят

Шприцването на пластмаси датира от времето, когато Джон Уесли Хаят и брат му Исая Хаят изобретил първата машина за формоване през 1872 г. Тяхната машина използвала бутало за напъхайте горещ целулоид в калъпТова беше първият път, когато пластмасови части можеха да се произвеждат в големи количества ежедневно.

Братята Хаят са поръчани от производител на билярдни топки, търсещ алтернатива на слоновата кост, тъй като намаляването на популацията на слоновете е довело до покачване на цените на продуктите от слонова кост. Въпреки че целулоидните им билярдни топки не са били перфектен наследник, тъй като са имали склонност да експлодират със силен пукот при силен удар, те все пак демонстрират потенциала на синтетичните материали.

Първата машина на братята била сравнително проста. Състояла се от нагрят цилиндър, бутало, което често се задействало с ръчен лост, и скоба, която задържала двукомпонентната форма затворена. Процесът бил трудоемък и нагряването било неравномерно, но това било революционна отправна точка. След това те преминали към производството на копчета, гребени и други малки предмети. Машината на семейство Хаят поставила стандарта за ранния процес на производство на пластмаса.

Напредък от Hyatt Brothers

Осъзнавайки ограниченията на първоначалния си дизайн, Джон Уесли Хаят продължил да прави нововъведения. Той разработил и патентовал... многокухинна форма, което позволи едновременното производство на множество идентични части в един цикъл, драстично подобрявайки производителността. Той също така експериментира с различни методи за охлаждане, за да намали времената на цикъла. Тези революционни подобрения бяха от решаващо значение за убеждаването на производителите в търговската жизнеспособност на шприцването.

Компанията на братята Хаят просперирала, произвеждайки не само билярдни топки, но и широка гама от целулоидни продукти, от зъбни пластини и клавиши за пиано до яки и маншети за ризи, които били известни с това, че са запалими, но изключително популярни.

Развитие в индустрията за производство на пластмаси

Към края на 19-ти и началото на 20-ти век други изобретатели и компании започват да използват и усъвършенстват машината на братята Хаят. Промишлеността вижда предимствата на пластмасовите части, като ниска цена и възможността за създаване на нови форми.

Ключов момент настъпва през 1909 г. с изобретяването на Бакелит от Лео БейкеландТова е първата истинска синтетична пластмаса, която не съдържа молекули, срещани в природата. Бакелитът е термореактивен материал, което означава, че се втвърдява трайно при нагряване и притежава отлична електрическа непроводимост и устойчивост на топлина. Бакеланд изобретява и специална машина за шприцване, за да обработва новия си материал. Патентът за неговата машина „Бейклизер“ и самият материал откриват изцяло нови пазари, особено в бързо развиващата се електрическа и автомобилна промишленост за компоненти като капачки на разпределителни валове, радио шкафове и корпуси за телефони.

20-те и 30-те години на миналия век са белязани от разработването на нови термопластични материали, като например полистирол и поливинилхлорид (PVC), който можеше многократно да се топи и преоформя. Това направи възможно рециклирането на пластмасови отпадъци директно във фабриката. Приблизително по същото време, разтворими форми на целулозен ацетат за инжектиране на пластмаса, като например Виолончело и Виолончело, бяха разработени от Артур Айхенгрюн съответно през 1903 и 1939 г., предлагайки по-малко запалима и шприцваща се прахообразна форма на пластмасата.

През този период немските химици в BASF също започват да използват пионери в шнекови екструдери за пластифициращи материали, концепция, която по-късно ще бъде от решаващо значение за производствения процес на шприцване. Докато буталните машини оставаха доминиращи, сцената се подготвяше за голям технологичен скок. Търсенето на евтини, масово произвеждани потребителски стоки през междувоенния период стимулираше изграждането на по-големи, по-автоматизирани бутални машини, въпреки че те все още се бореха с контрола върху температурата на инжектиране и консистенцията на разтопената пластмаса.

С развитието на технологиите, машините можеха да произвеждат по-големи части с по-висока прецизност. Това позволи на потребителите да намерят пластмасови продукти на повече места, от автомобили до електроника. Разпространението на шприцването направи производството на пластмаси и услугите за шприцване много по-разпространени до средата на 1900 г.

Разширяване по време на Втората световна война

По време на Втората световна война, шприцването на пластмаси бързо се превърна в основен процес. Можем да наблюдаваме значителен напредък в материалите и производствените методи, които подкрепят войната.

Материални иновации за масово производство

Военните усилия значително увеличиха търсенето на нови материали със специфични свойства. Найлон, изобретен точно преди войната, бързо е бил отклонен от предназначението си за чорапи, за да се превърне в критичен материал за парашути, въжета и лагери. Акрили предоставено устойчива на счупване алтернатива на стъклото за купола на самолети. Полиетилен, открит случайно от британски химици през 30-те години на миналия век, стана незаменим като изолационен материал за радарни кабели, което дава на съюзническите сили значително технологично предимство.

Процесът на шприцване е бил идеално пригоден за масово производство на хиляди от тези основни компоненти с необходимата постоянство и скорост. Този период е довел до безпрецедентно ускорение в полимерната наука и бързо разширяване на производството на пластмаси.

Прецизността на шприцваните части се оказа жизненоважна за сложното военно оборудване. Например, косвените взриватели в артилерийските снаряди изискваха малки, перфектно оформени пластмасови компоненти, за да поберат крехките си електронни механизми. Консистенцията, предлагана от формоването, беше много по-добра от други производствени методи като машинна обработка или компресионно формоване. Тази епоха затвърди връзката между военно-промишления комплекс и пластмасовата индустрия, партньорство, което ще продължи да движи иновациите в продължение на десетилетия напред.

Роля в преработващата промишленост

Войната доведе и до значителен напредък в техниките за производство на матрици. Необходимостта от бързо производство на нови части наложи по-бързо и по-издръжливо създаване на матрици. Това стимулира използването на по-добри инструментални стомани и по-прецизни процеси на обработка. Освен това, поради интензивното търсене на пластмасови части, концепцията за „проектиране за производственост“ стана от решаващо значение; инженерите трябваше да проектират части, които могат да бъдат ефективно и надеждно произведени на машини за шприцване, като се вземат предвид фактори като дебелина на стената, дизайн на ребрата и разположение на затвора. Този начин на мислене стана постоянна част от индустриалното инженерство.

Също така имаше ясно преминаване от метал към пластмаса с нарастването на недостига на стомана. Производителите разчитат на процеса на формоване, за да произвеждат части, които отговарят на тесни допуски и имат еднакво качество. Това е жизненоважно за неща като комуникационно оборудване и медицински устройства.

С края на войната, огромният индустриален капацитет, изграден за производство на пластмаса, беше пренасочен към потребителски стоки. Производителите, които бяха усъвършенствали изкуството да правят здрави и надеждни пластмасови части за военните, сега приложиха този опит, за да създадат достъпни продукти за дома. Това доведе до... „пластмасовата ера“ на 50-те и 60-те години на миналия век, където шприцваните пластмасови изделия – от контейнери Tupperware и играчки до домакински уреди и мебели – се превърнаха в символи на съвременния живот.

Съвременна история на шприцоването на пластмаси

Машините за шприцване са се променили много с течение на времето. Ранните модели са използвали прости конструкции, но по-късните машини са донесли нови технологии, които са направили производството по-бързо и по-ефективно.

От бутални до екструдиращи шнекови шприц машини

Първите машини за шприцване, изобретени в края на 19-ти век, са използвали бутална система. Пластмасовите пелети са се нагрявали, докато омекнат, след което бутало е избутвало разтопената пластмаса в матрица. Тези машини са били прости, но са имали някои проблеми.

Основният проблем с буталото беше неговият невъзможност за хомогенизиране на стопилкатаПластмасата, която е най-близо до нагрятите стени на цилиндъра, често се прегряваше и разграждаше по време на процеса на инжектиране, докато материалът в центъра можеше да не се разтопи напълно. Това водеше до части с видими следи от разпръскване, слаба структурна цялост и вариации в цвета. За да се реши частично това, някои машини включваха „торпедо“ или „разпръсквач“ в цилиндъра, което помагаше за насочване на потока от пластмаса към нагрятите стени, но това беше несъвършено решение. Ограниченията на буталната машина бяха основното пречка за постигане на по-високо качество и по-сложни части.

Значително подобрение дойде с въвеждането на машината за шприцване с винт. Изобретението на възвратно-постъпателен винт е широко признат за заслуга на американски изобретатели Х. Г. Де Матия и Джеймс Уотсън Хендри, който построява първите прототипи през 40-те и 50-те години на миналия век. Работата на Хендри е особено влиятелна. Неговият дизайн позволява на шнека да изпълнява две функции: първо, той се върти, за да подава, разтопи и хомогенизира пластмасовата смола в предната част на цилиндъра (процес, наречен пластифициране). След това целият шнек се движи напред като бутало, за да инжектира подготвената стопилка в кухината на матрицата. Това възвратно-постъпателно действие променя играта. То осигурява много по-последователна и равномерна стопилка, което директно се изразява в по-високо качество на детайлите и по-малко дефекти.

Машините за шприцване с винтове направиха възможно създаването на по-сложни пластмасови компоненти с по-голяма прецизност и по-малко отпадъци. Можете също така да използвате по-голямо разнообразие от пластмаси.

Наследството на Джеймс Уотсън Хендри

Джеймс Уотсън Хендри не спира с винта за реципрочно движение, всъщност той запазва инерцията си и в крайна сметка се превръща в една от водещите фигури в индустрията за формоване на пластмаси. През 70-те години на миналия век той продължава да разработва първия процес на шприцване с газово подпомагане, което позволи създаването на сложни, кухи части с минимално свиване и деформация. До смъртта му на 94-годишна възраст през 2014 г. той притежаваше над 80 патента в технологиите за обработка на пластмаси.

Тази иновация подчерта как еволюцията на машините е позволила създаването на изцяло нови дизайни на продукти. Освен това, приемането на системи за управление със затворен контур в края на 20-ти век донесе безпрецедентна прецизност на процеса. Сензорите вече можеха да следят налягането и температурата в реално време, правейки микрокорекции на хидравликата и нагревателите на машината, за да поддържат перфектна постоянство по време на целия производствен цикъл.

Друга важна промяна беше развитието на изцяло електрически машини за шприцванеДокато традиционните машини използваха хидравлична енергия, която беше мощна, но податлива на течове, енергийна неефективност и колебания в температурата на маслото, изцяло електрическите машини използваха серво мотори за контрол на всяко движение. Тези електрически машини, които станаха търговски жизнеспособни през 80-те и 90-те години на миналия век, предлагаха по-голяма прецизност, по-тиха работа, по-чиста производствена среда (без хидравлично масло) и значителни икономии на енергия – често използвайки до 60% по-малко енергия. Това ги правеше идеални за високопрецизни индустрии като производството на медицински изделия.

Бъдещето на шприцването на пластмаси

Днес границата на машините за шприцване се крие в интеграцията на Принципите на Индустрия 4.0Съвременните машини са оборудвани със сложни системи за мониторинг, които събират огромни количества данни за всеки изстрел. Тези данни могат да се използват за прогнозна поддръжка, осигуряване на качеството и оптимизиране на производствената ефективност. Бъдещето сочи към напълно свързани „умни фабрики“, където машините за шприцване автономно регулират параметрите си, за да компенсират вариациите в материалите или промените в околната среда, осигурявайки перфектно качество на детайлите с минимална човешка намеса.

Често задавани въпроси

Можете ли да опишете различните видове техники за шприцване на пластмаси?

Ще намерите няколко основни видове на шприцване. Традиционното шприцване е най-разпространеният метод и използва матрица с една кухина за производство на идентични части.

Овърмолдингът комбинира два или повече материала по време на процеса на формоване. Този метод е полезен за създаване на продукти с меки дръжки или множество слоеве.

Вложките при формоване добавят метал или други компоненти в матрицата, преди да се инжектира пластмаса около тях. Този процес е често срещан при производството на електронни части и резбовани вложки.

Микрошприцването произвежда много малки, прецизни компоненти, често за електроника или медицински устройства. Структурното формоване на пяна използва разпенващ агент за създаване на части с плътна обвивка и сърцевина от пяна.

Кои са някои от ключовите иновации, които са оформили съвременната индустрия за шприцване?

Компютърно подпомаганото проектиране (CAD) и компютърно подпомаганото производство (CAM) са направили изработка на калъпи по-точни. Вече можете да създавате форми по-бързо и с по-малко грешки.

Системите с горещи канали са заменили студените канали в много фабрики. Тази промяна намалява отпадъците, като поддържа пластмасата разтопена и готова за следващата част.

Електрическите машини за шприцване са заменили някои традиционни хидравлични машини. Тези електрически машини използват по-малко енергия и предлагат по-голям контрол върху процеса на формоване.

Подобрените сензори и технология за наблюдение на процесите ви позволяват да контролирате налягането и температурата по-прецизно. Това спомага за повишаване на качеството и намалява процента на дефекти.