Przegląd rodzajów procesów formowania wtryskowego

Formowanie wtryskowe to jedna z najbardziej rozwiniętych technik produkcyjnych we współczesnym przemyśle. Liczba jej wariantów rośnie wraz ze wzrostem wymagań produkcyjnych. W tym artykule przedstawiamy krótki, ale precyzyjny przegląd obecnie stosowanych rodzajów formowania wtryskowego.

Co definiuje formowanie wtryskowe

Formowanie wtryskowe Proces formowania wtryskowego polega na użyciu wtryskarki do wtłaczania stopionego materiału pod ciśnieniem do stalowej lub aluminiowej formy. Po zestaleniu się w element jest on wyrzucany z formy, a cykl się powtarza. “Rodzaj” formowania wtryskowego jest definiowany przez trzy czynniki, które ze sobą współdziałają: architekturę formy, system materiałowy i metodę przetwarzania. Zmiana dowolnego z nich powoduje zmianę ekonomiki i wydajności.

Podstawowe rodzaje procesu formowania wtryskowego

Standardowe formowanie wtryskowe tworzyw termoplastycznych

Jako jedna z najbardziej rozpowszechnionych form formowania wtryskowego, standardowe formowanie wtryskowe tworzyw termoplastycznych wykorzystuje powszechnie stosowane żywice, takie jak ABS, poliwęglan (PC), polipropylen (PP), nylon (PA) i mieszanki takie jak PC/ABS. Nadaje się do obudów, uchwytów, ramek, części urządzeń i wszystkiego, co ma ścianki zbliżone do konwencjonalnych wytycznych (około 2–4 mm dla wielu żywic) i o umiarkowanych parametrach.

Formowanie wtryskowe tworzyw sztucznych oferuje najniższy koszt jednostkowy w ujęciu ilościowym, najszerszą paletę materiałów oraz dopracowane metody oprzyrządowania. Formy rodzinne i systemy gorącokanałowe pomagają ograniczyć straty. Dzięki zoptymalizowanemu wlewowi i chłodzeniu, cykle są krótkie, a powtarzalność doskonała. Zazwyczaj jest to pierwszy etap, chyba że geometria lub wydajność skłaniają zespół do zastosowania procesu specjalistycznego.

Formowanie wtryskowe cienkościenne

Formowanie cienkościenne ma na celu uzyskanie elementów cieńszych niż zakładają konwencjonalne metody, często do 0,4–0,8 mm, a czasami nawet mniej, w zależności od rodzaju żywicy i długości przepływu. Pomyślmy o obudowach smartfonów, akumulatorach i urządzeniach elektronicznych o wysokiej gęstości, gdzie zmniejszenie nawet jednej dziesiątej milimetra ma znaczenie.

Proces ten charakteryzuje się wyższymi ciśnieniami wtrysku, wyższymi prędkościami wtrysku oraz starannie wyważonymi systemami kanałów, które tłoczą żywicę długimi, wąskimi ścieżkami przepływu. Formy wymagają solidnego doboru stali, polerowanych kanałów przepływowych i agresywnego odpowietrzania. Maszyny wymagają szybkiej reakcji i wystarczającej siły zacisku, aby przeciwdziałać szczytowym ciśnieniom w gnieździe formy.

Jednak ma też pewne wady: narzędzia są bardziej skomplikowane, a okno czasowe procesu jest węższe.

Mikroformowanie wtryskowe

Mikroformowanie pozwala na tworzenie elementów o wymiarach od miligramów do gramów, charakteryzujących się mikroskalowymi cechami: mikroprzepływowymi układami scalonymi, maleńkimi kołami zębatymi, końcówkami cewników lub elementami stolika mikroskopowego. Rozmiary wlewów i objętości wtrysku są minimalne, a kontrola czasu przebywania ma kluczowe znaczenie dla uniknięcia degradacji materiału.

Ta zaawansowana technologicznie, precyzyjna metoda umożliwia wycinanie detali o wymiarach poniżej 100 µm, z zachowaniem ścisłych tolerancji i niezwykle spójnym dozowaniem od wtrysku do wtrysku. Ze względu na złożoność procesu, dobór materiałów opiera się na stabilnych żywicach, nadających się do stosowania w pomieszczeniach czystych (PEEK, PEI, PP do zastosowań medycznych). Oprzyrządowanie jest drogie i delikatne. Jednak w przypadku małych elementów i dużych wolumenów, żadna inna metoda nie może konkurować pod względem powtarzalności i kosztu jednostkowego.

Formowanie wtryskowe, wkładanie i wielokrotne wtryskiwanie

Overmolding

W procesie formowania wtryskowego jeden materiał nakłada się na drugi, zazwyczaj miękki elastomer na sztywne podłoże, jak np. chwytna forma wtryskowa na rękojeści elektronarzędzia. Poprawia to ergonomię, szczelność, tłumienie uderzeń i estetykę bez konieczności stosowania elementów montażowych.

Typowe podejścia:

• Dwuetapowe formowanie wtryskowe: najpierw formuje się sztywny substrat, a następnie umieszcza się go w drugiej formie w celu wykonania miękkiego formowania wtryskowego.
• Formowanie wtryskowe: w ramach jednego narzędzia, które obraca lub przenosi część pomiędzy gniazdami.

Wstaw formowanie

Formowanie wtryskowe polega na umieszczeniu wstępnie umieszczonego elementu, często metalowego, wewnątrz formowanego tworzywa sztucznego. Typowe wkładki obejmują gwintowane występy, tuleje, tłoczone styki, magnesy lub obudowy czujników. Zastępuje montaż wtórny i poprawia wytrzymałość połączeń oraz dokładność pozycjonowania.

Aby rozpocząć proces produkcji, wkładki są najpierw ładowane ręcznie lub automatycznie, mocowane za pomocą elementów konstrukcyjnych lub próżni, a następnie wypełniane żywicą. Narzędzie musi radzić sobie z różnicą rozszerzalności cieplnej, aby uniknąć pęknięć lub naprężeń na styku tworzywa sztucznego z metalem.

Idealne rozwiązanie, gdy dana część wymaga lokalnej wytrzymałości mechanicznej lub przewodności bez konieczności całkowitego wytwarzania metalu, np. medyczne złączki Luer z metalowym gwintem, zaciski samochodowe ze stalowymi powierzchniami ścieralnymi lub złącza z osadzonymi zaciskami.

Formowanie dwu- i trzystopniowe

Formowanie wieloetapowe polega na wtryskiwaniu dwóch lub więcej materiałów (lub kolorów) sekwencyjnie w obrębie tej samej komory, a często i tej samej formy. Obrotowe płyty, mechanizmy rdzeniowo-tylne lub systemy indeksujące automatycznie przesuwają częściowo uformowany element do kolejnej wnęki. Zapewniają one bezszwowe połączenia, czyste przejścia kolorów, zintegrowane uszczelnienia, zawiasy elastyczne lub połączenia twardych i miękkich materiałów bez konieczności ręcznej obsługi. Zapewniają również unikalne funkcje, takie jak przezroczyste okienka formowane z nieprzezroczystych korpusów.

Wspomagane gazem/wodą i współwtryskowe

Formowanie wtryskowe wspomagane gazem

Formowanie wspomagane gazem polega na wtryskiwaniu gazu obojętnego (zazwyczaj azotu) po częściowym wypełnieniu wnęki żywicą. Gaz tworzy puste kanały wzdłuż grubszych przekrojów, wypychając stopione tworzywo sztuczne w kierunku dalszych końców i formując elementy z tworzywa sztucznego o mniejszym zapadnięciu, odkształceniu i masie. Formowanie to wiąże się również z pewnymi specyficznymi wymaganiami konstrukcyjnymi, ponieważ otwory odpowietrzające i kołki gazowe muszą być starannie zaprojektowane.

Może produkować szeroką gamę wyrobów z tworzyw sztucznych, w tym duże uchwyty, ramy do telewizorów, elementy mebli i elementy pod maską samochodów. formowanie części z grubymi żebrami. Pozwala to na uzyskanie grubszych przekrojów kosmetycznych bez zapadnięć i może skrócić czas cyklu poprzez usunięcie masy, która w przeciwnym razie wymagałaby chłodzenia.

Formowanie wtryskowe wspomagane wodą

Podobna zasada, inne medium. Formowanie wspomagane wodą polega na wtryskiwaniu wody w celu utworzenia pustych profili, szczególnie odpowiednich do skomplikowanych, długich kształtów rurowych z zagięciami, takich jak klamki samochodowe, przewody do spryskiwaczy i rurki urządzeń AGD.

Ten proces produkcyjny charakteryzuje się szybszym odprowadzaniem ciepła (woda szybko się chłodzi), gładkimi ściankami wewnętrznymi i bardziej spójnymi przekrojami poprzecznymi w porównaniu z gazem w niektórych geometriach. Narzędzia muszą zapewniać odpowiednie odprowadzanie wody, odporność na korozję i precyzyjne odprowadzanie wody.

Formowanie współwtryskowe (kanapkowe)

Współwtrysk tworzy strukturę „skóra-rdzeń”: wysokowydajna lub kosmetyczna powłoka otacza inną żywicę rdzeniową. Rdzeń może być wykonany z polimeru pochodzącego z recyklingu, materiału barierowego lub żywicy o specjalnych właściwościach (np. spienionego rdzenia zapewniającego korzystny stosunek sztywności do masy). To najlepsze rozwiązanie pod kątem optymalizacji kosztów materiałowych bez poświęcania wyglądu lub zgodności z przepisami dotyczącymi warstw kontaktowych. Opakowania żywności często wykorzystują powłoki barierowe, a produkty konsumpcyjne mogą zawierać rdzenie pochodzące z recyklingu pod dziewiczą powłoką, co zapewnia estetykę i wydajność.

Elastomer, LSR i tworzywo termoutwardzalne/RIM

Formowanie wtryskowe płynnego kauczuku silikonowego (LSR)

Formowanie LSR wykorzystuje dwuskładnikowe systemy silikonowe utwardzane platyną, dozowane i mieszane w prasie, a następnie wtryskiwane do formy zimnokanałowej, gdzie utwardzają się w ogrzewanej wnęce. Ponieważ LSR jest elastomerem termoutwardzalnym, nie topi się ponownie: sieciuje i zachowuje kształt pod wpływem ciepła.

LSR oferuje doskonałą odporność chemiczną, biokompatybilność, szeroki zakres temperatur pracy oraz możliwość stosowania w pomieszczeniach czystych. Nadaje się do produktów takich jak uszczelki i uszczelki, artykuły dla dzieci, urządzenia do noszenia, komponenty medyczne oraz silikony klasy optycznej do soczewek.

Formowanie wtryskowe TPE/TPV i gumy

Elastomery termoplastyczne (TPE) i wulkanizaty termoplastyczne (TPV) zachowują się jak guma, ale przetwarza się je na standardowych prasach termoplastycznych, co umożliwia recykling i formowanie wtryskowe na sztywne podłoża. Są powszechnie stosowane w uchwytach, uszczelkach, miechach i izolatorach drgań.

Gdy potrzebna jest prawdziwa guma, nitryl, EPDM, fluoroelastomery i formowanie wtryskowe gumy utwardzają materiał w formie. Czasy cykli są dłuższe, a narzędzia muszą kontrolować kinetykę utwardzania i odprowadzanie substancji lotnych. Wybór często zależy od docelowych parametrów odporności chemicznej i temperaturowej.

Formowanie wtryskowe termoutwardzalne i reakcyjne (RIM)

Formowanie wtryskowe tworzyw termoutwardzalnych przetwarza żywice utwardzane nieodwracalnie: fenole, epoksydy i niektóre poliestry. Formowanie wtryskowe z reakcją chemiczną (RIM) polega na mieszaniu reaktywnych komponentów o niskiej lepkości (najczęściej systemów poliuretanowych) i wtryskiwaniu ich do formy, gdzie ulegają polimeryzacji. Jest ono stosowane do produkcji dużych paneli i obudów, zderzaków pochłaniających energię oraz elementów konstrukcyjnych ze zintegrowanymi żebrami. RIM doskonale sprawdza się w przypadku grubych, dużych elementów o niższych naprężeniach wewnętrznych i mniejszych siłach zacisku dzięki niskiej lepkości początkowej.

Ze względu na charakter materiałów, odpad nie nadaje się do przetopienia, a temperatury narzędzi i cykle utwardzania mają duży wpływ na wydajność. Jednak w przypadku krótkich serii dużych części, RIM często przewyższa narzędzia termoplastyczne pod względem kosztów całkowitych.

Formowanie wtryskowe proszków (MIM/CIM)

Formowanie wtryskowe metali (MIM)

Metoda MIM polega na mieszaniu drobnych proszków metalowych z polimerowym spoiwem, tworząc surowiec, który można formować wtryskowo w złożone kształty. Po uformowaniu elementy poddawane są procesowi usuwania lepiszcza oraz spiekaniu w celu zagęszczenia metalu, zazwyczaj osiągając teoretyczną gęstość 95–99%.

Mocną stroną tej technologii jest wyjątkowa rozdzielczość detali w przypadku małych, skomplikowanych elementów metalowych, kół zębatych, zasuw, zawiasów, narzędzi chirurgicznych i elementów broni palnej. MIM konkuruje z obróbką CNC w przypadku dużych wolumenów i trudnych do frezowania kształtów.

Formowanie wtryskowe ceramiki (CIM)

Metoda CIM opiera się na tej samej logice co MIM, ale wykorzystuje proszki ceramiczne, takie jak tlenek cyrkonu lub tlenek glinu. Umożliwia ona produkcję odpornych na zużycie, izolujących elektrycznie i wysokotemperaturowych komponentów o wysokiej precyzji, takich jak dysze, części stomatologiczne i izolatory czujników.

Wniosek

Rozległy wachlarz procesów formowania wtryskowego podkreśla fundamentalną zasadę nowoczesnej produkcji: dobór odpowiedniego narzędzia do konkretnego przypadku. Istnienie tak wielu wariantów dowodzi, że żadna metoda nie jest uniwersalnie lepsza; wręcz przeciwnie, każda stanowi rozwiązanie szyte na miarę.

Ostatecznie wybór konkretnego rodzaju formowania wtryskowego to decyzja strategiczna, wykraczająca poza samą geometrię części. Aby prawidłowo wybrać proces produkcyjny dla swoich części, przed podjęciem decyzji należy uwzględnić wszystkie czynniki wpływające. Alternatywnie, można… współpracuj z producentem i uzyskaj pomoc od ekspertów przemysłowych.

Często Zadawane Pytania

Jakie są najważniejsze czynniki kosztowe poza samą formą w przypadku tych specjalistycznych procesów?

Chociaż oprzyrządowanie stanowi znaczący koszt początkowy, koszty bieżące są w dużym stopniu uzależnione od procesu. Do kluczowych czynników należą: odpady materiałowe (odpady z kanałów w formowaniu standardowym w porównaniu z brakiem odpadów w formowaniu gorącymi kanałami), czas cyklu (dłuższe cykle dla grubych elementów lub tworzyw termoutwardzalnych), operacje dodatkowe (usuwanie lepiszcza/spiekanie dla PIM, wykańczanie elementów) oraz wymagany poziom automatyzacji.

Czy te różne procesy formowania można połączyć w jednym produkcie?

Tak, można. W rzeczywistości podejścia hybrydowe stanowią pionierską technologię zaawansowanej produkcji. Na przykład, część może zostać stworzona za pomocą formowania wtryskowego wspomaganego gazem, aby wydrążyć grubą sekcję, a następnie poddana drugiej operacji w celu uzyskania mikroformowania. Innym przykładem jest formowanie wtryskowe z wkładką, aby umieścić metalowy element, który jest następnie obtryskiwany miękkim w dotyku tworzywem TPE. Często wymaga to jednak zaawansowanego planowania produkcji i wielu gniazd produkcyjnych.