Krótka historia formowania wtryskowego tworzyw sztucznych: innowacje i kamienie milowe

Formowanie wtryskowe tworzyw sztucznych rozpoczęło się pod koniec XIX wieku jako metoda szybkiej i wydajnej produkcji precyzyjnych części plastikowych. Proces ten doprowadził do powstania przemysłu tworzyw sztucznych i zmienił sposób wytwarzania przedmiotów codziennego użytku, takich jak zabawki, pojemniki i części samochodowe.

W tym blogu dowiesz się o historii formowania wtryskowego tworzyw sztucznych, co pomoże Ci zrozumieć, w jaki sposób kształtuje ono otaczający Cię świat i dlaczego jest tak szeroko stosowane.

Pionierzy i wczesni innowatorzy

Wczesna praca w branży formowania wtryskowego tworzyw sztucznych ukształtowała przyszłość materiałów z tworzyw sztucznych. Kluczowe osoby i zmiany w branży doprowadziły do powstania nowych maszyn, lepszych materiałów i rosnącego wykorzystania w produktach.

Wynalazek Johna i Isaiaha Hyattów

Formowanie wtryskowe tworzyw sztucznych sięga czasów, gdy John Wesley Hyatt i jego brat Izajasz Hyatt wynalazł pierwszą maszynę do formowania w 1872 roku. Ich maszyna wykorzystywała tłok do wtłoczyć gorący celuloid do formy. Po raz pierwszy udało się produkować codziennie duże ilości części z tworzyw sztucznych.

Bracia Hyatt otrzymują zlecenie od producenta kul bilardowych, który poszukuje alternatywy dla kości słoniowej, ponieważ spadek populacji słoni podniósł koszty produktów z kości słoniowej. Chociaż ich celuloidowe kule bilardowe nie były idealnym następcą, ponieważ przy silnym uderzeniu często eksplodowały z głośnym trzaskiem, to jednak dowiodły potencjału materiałów syntetycznych.

Pierwsza maszyna braci była stosunkowo prosta. Składała się z rozgrzanego cylindra, tłoka, który często był obsługiwany za pomocą dźwigni ręcznej, oraz zacisku utrzymującego dwuczęściową formę w zamknięciu. Proces był pracochłonny, a nagrzewanie nierównomierne, ale stanowiło rewolucyjny punkt wyjścia. Następnie bracia przeszli do produkcji guzików, grzebieni i innych drobnych przedmiotów. Maszyna Hyattów wyznaczyła standard dla wczesnego procesu produkcji tworzyw sztucznych.

Awans dzięki Hyatt Brothers

Zdając sobie sprawę z ograniczeń pierwotnego projektu, John Wesley Hyatt kontynuował innowacje. Opracował i opatentował forma wielogniazdowa, co umożliwiło jednoczesną produkcję wielu identycznych części w jednym cyklu, co radykalnie zwiększyło wydajność. Eksperymentował również z różnymi metodami chłodzenia, aby skrócić czas cyklu. Te rewolucyjne udoskonalenia były kluczowe dla przekonania producentów o komercyjnej opłacalności formowania wtryskowego.

Firma braci Hyatt prosperowała, produkując nie tylko bilard, ale także szeroką gamę produktów celuloidowych, od płytek dentystycznych i klawiszy fortepianowych po kołnierzyki koszul i mankiety, które były znane z łatwopalności, ale cieszyły się ogromną popularnością.

Rozwój w branży przetwórstwa tworzyw sztucznych

Pod koniec XIX wieku i na początku XX wieku inni wynalazcy i firmy zaczęli używać i udoskonalać maszynę braci Hyatt. Branże dostrzegły zalety części z tworzyw sztucznych, takie jak niski koszt i możliwość tworzenia nowych kształtów.

Przełomowy moment nastąpił w 1909 roku wraz z wynalezieniem Bakelit przez Leo BaekelandBył to pierwszy prawdziwy syntetyczny plastik, który nie zawierał cząsteczek występujących w naturze. Bakelit był materiałem termoutwardzalnym, co oznaczało, że utwardzał się trwale po podgrzaniu i charakteryzował się doskonałą nieprzewodnością elektryczną oraz odpornością na ciepło. Baekeland wynalazł również specjalną wtryskarkę do przetwarzania swojego nowego materiału. Patent na jego maszynę „Bakelizer” i sam materiał otworzyły zupełnie nowe rynki zbytu, szczególnie w szybko rozwijającym się przemyśle elektrycznym i motoryzacyjnym, dla komponentów takich jak kopułkowe rozdzielacze, obudowy radiowe i obudowy telefonów.

W latach dwudziestych i trzydziestych XX wieku nastąpił rozwój nowych materiałów termoplastycznych, takich jak: polistyren i polichlorek winylu (PCW), który można było wielokrotnie topić i przekształcać. Umożliwiło to recykling odpadów plastikowych bezpośrednio w fabryce. Mniej więcej w tym samym czasie opracowano rozpuszczalne formy octanu celulozy do wtrysku tworzyw sztucznych, takie jak Cellit i Cellon, zostały opracowane przez Artur Eichengrün odpowiednio w 1903 i 1939 roku, oferując mniej łatwopalną i nadającą się do formowania wtryskowego formę proszkową tego tworzywa sztucznego.

W tym okresie niemieccy chemicy z BASF zaczęli również pioniersko stosować wytłaczarki ślimakowe do uplastyczniania materiałów, koncepcja, która później miała kluczowe znaczenie dla procesu formowania wtryskowego. Podczas gdy maszyny tłokowe nadal dominowały, przygotowywano grunt pod znaczący skok technologiczny. Zapotrzebowanie na niedrogie, masowo produkowane dobra konsumpcyjne w okresie międzywojennym napędzało budowę większych, bardziej zautomatyzowanych maszyn tłokowych, choć nadal borykały się one z problemem kontroli temperatury wtrysku i konsystencji stopionego tworzywa sztucznego.

Wraz z rozwojem technologii maszyny mogły wytwarzać większe części z większą precyzją. Dzięki temu konsumenci mogli znaleźć produkty z tworzyw sztucznych w większej liczbie miejsc, od samochodów po elektronikę. Upowszechnienie się formowania wtryskowego sprawiło, że produkcja tworzyw sztucznych i usługi formowania wtryskowego stały się znacznie bardziej powszechne w połowie XX wieku.

Ekspansja w czasie II wojny światowej

Podczas II wojny światowej formowanie wtryskowe tworzyw sztucznych szybko stało się niezbędnym procesem. Obserwujemy znaczny postęp w zakresie materiałów i metod produkcji, które wspierają działania wojenne.

Innowacje materiałowe dla produkcji masowej

Wysiłek wojenny znacznie zwiększył zapotrzebowanie na nowe materiały o szczególnych właściwościach. Nylonwynaleziony tuż przed wojną, szybko przestał być używany w pończochach i stał się materiałem krytycznym dla spadochrony, liny i łożyska. Farby akrylowe zapewnił odporna na stłuczenie alternatywa dla szkła do osłon samolotów. Polietylen, odkryty przypadkowo przez brytyjskich chemików w latach 30. XX wieku, stał się niezbędny jako materiał izolacyjny do kabli radarowych, co dało siłom alianckim znaczącą przewagę technologiczną.

Proces formowania wtryskowego idealnie nadawał się do masowej produkcji tysięcy tych niezbędnych komponentów z wymaganą spójnością i szybkością. Okres ten wymusił bezprecedensowe przyspieszenie w nauce o polimerach i gwałtowny rozwój produkcji tworzyw sztucznych.

Precyzja formowanych wtryskowo części okazała się kluczowa dla skomplikowanego sprzętu wojskowego. Na przykład, zapalniki zbliżeniowe w pociskach artyleryjskich wymagały maleńkich, idealnie uformowanych elementów z tworzywa sztucznego, aby pomieścić ich delikatne mechanizmy elektroniczne. Spójność oferowana przez formowanie była znacznie lepsza niż w przypadku innych metod produkcji, takich jak obróbka skrawaniem czy formowanie tłoczne. Ta epoka ugruntowała relację między kompleksem wojskowo-przemysłowym a przemysłem tworzyw sztucznych – partnerstwo, które będzie napędzać innowacje przez kolejne dekady.

Rola w przemyśle wytwórczym

Wojna doprowadziła również do znacznego postępu w technikach wytwarzania form. Potrzeba szybkiej produkcji nowych części wymusiła szybsze i trwalsze tworzenie form. To z kolei przyczyniło się do stosowania lepszych stali narzędziowych i bardziej precyzyjnych procesów obróbki. Co więcej, ze względu na wysokie zapotrzebowanie na części z tworzyw sztucznych, koncepcja „projektowania pod kątem możliwości produkcyjnych” stała się kluczowa; inżynierowie musieli projektować części, które można było efektywnie i niezawodnie wytwarzać na wtryskarkach, uwzględniając takie czynniki, jak grubość ścianek, konstrukcja żeber i umiejscowienie wlewu. To podejście na stałe wpisało się w inżynierię przemysłową.

Było też jasne przejście z metalu na plastik W miarę jak narastały niedobory stali, producenci polegają na procesie formowania, aby wytwarzać części o ścisłych tolerancjach i jednolitej jakości. Jest to kluczowe w przypadku takich produktów jak sprzęt łączności i urządzenia medyczne.

Po zakończeniu wojny ogromne moce produkcyjne przemysłu tworzyw sztucznych zostały przesunięte w kierunku dóbr konsumpcyjnych. Producenci, którzy doprowadzili do perfekcji sztukę wytwarzania wytrzymałych i niezawodnych części z tworzyw sztucznych dla wojska, wykorzystali teraz tę wiedzę do tworzenia niedrogich produktów dla gospodarstw domowych. Doprowadziło to do… „epoka plastiku” lat 50. i 60. XX wieku, w którym przedmioty wykonane metodą wtryskową z tworzyw sztucznych — od pojemników Tupperware i zabawek po sprzęt AGD i meble — stały się symbolami nowoczesnego życia.

Nowoczesna historia formowania wtryskowego tworzyw sztucznych

Maszyny do formowania wtryskowego bardzo się zmieniły na przestrzeni czasu. Wczesne modele wykorzystywały proste projekty, ale późniejsze maszyny wprowadziły nową technologię, która przyspieszyła i usprawniła produkcję.

Od wtryskarek tłokowych do ślimakowych

Pierwsze maszyny do formowania wtryskowego, wynalezione pod koniec XIX wieku, wykorzystywały system tłokowy. Granulki plastiku były podgrzewane do miękkości, a następnie tłok wtłaczał stopiony plastik do formy. Maszyny te były proste, ale miały pewne problemy.

Podstawowym problemem związanym z tłokiem było jego niemożność ujednorodnienia stopuPlastik znajdujący się najbliżej rozgrzanych ścianek cylindra często przegrzewał się i ulegał degradacji podczas procesu wtrysku, podczas gdy materiał w środku mógł nie być całkowicie stopiony. Prowadziło to do powstawania widocznych śladów rozchyleń, słabej integralności strukturalnej i różnic w kolorze części. Aby częściowo rozwiązać ten problem, niektóre maszyny wyposażały się w „torpedę” lub „rozpraszacz” w cylindrze, który pomagał kierować przepływ plastiku w kierunku rozgrzanych ścianek, ale było to rozwiązanie niedoskonałe. Ograniczenia maszyny tłokowej stanowiły główne wąskie gardło w uzyskiwaniu wyższej jakości i bardziej złożonych części.

Znaczący postęp nastąpił wraz z wprowadzeniem wtryskarki ślimakowej. Wynalezienie śruba posuwisto-zwrotna jest powszechnie uznawany za amerykańskich wynalazców HG De Mattia i James Watson Hendry, który zbudował pierwsze prototypy w latach 40. i 50. XX wieku. Praca Hendry'ego miała szczególny wpływ. Jego projekt pozwolił ślimakowi na wykonywanie dwóch funkcji: po pierwsze, obracał się, podając, topiąc i homogenizując żywicę z przodu cylindra (proces zwany plastyfikacja). Następnie cały ślimak poruszał się do przodu jak tłok, wtryskując przygotowany stop do gniazda formy. Ten ruch posuwisto-zwrotny był przełomowy. Zapewnił znacznie bardziej spójny i jednolity stop, co bezpośrednio przełożyło się na wyższą jakość detali i mniejszą liczbę defektów.

Maszyny do formowania wtryskowego śrubowego umożliwiły produkcję bardziej złożonych elementów z tworzyw sztucznych większa precyzja i mniej odpadów. Można też używać szerszej gamy tworzyw sztucznych.

Dziedzictwo Jamesa Watsona Hendry'ego

James Watson Hendry nie poprzestał na ślimaku posuwisto-zwrotnym, wręcz przeciwnie, utrzymał dynamikę rozwoju i ostatecznie stał się jedną z czołowych postaci w branży formowania tworzyw sztucznych. W latach 70. XX wieku opracował pierwszy proces formowania wtryskowego wspomaganego gazem, co umożliwiło tworzenie złożonych, pustych w środku elementów o minimalnym skurczu i odkształceniu. Do śmierci w wieku 94 lat w 2014 roku był właścicielem ponad 80 patentów w zakresie technologii przetwórstwa tworzyw sztucznych.

Ta innowacja pokazała, jak ewolucja maszyn umożliwiła tworzenie zupełnie nowych projektów produktów. Co więcej, wprowadzenie systemów sterowania w pętli zamkniętej w drugiej połowie XX wieku zapewniło procesowi niespotykaną dotąd precyzję. Czujniki mogły teraz monitorować ciśnienie i temperaturę w czasie rzeczywistym, dokonując mikroregulacji w układzie hydraulicznym i grzałkach maszyny, aby utrzymać idealną spójność w całym cyklu produkcyjnym.

Kolejną ważną zmianą był rozwój całkowicie elektryczne maszyny do formowania wtryskowegoPodczas gdy tradycyjne maszyny wykorzystywały układ hydrauliczny, który był silny, ale podatny na wycieki, nieefektywność energetyczną i wahania temperatury oleju, maszyny całkowicie elektryczne wykorzystywały serwosilniki do sterowania każdym ruchem. Te maszyny elektryczne, które stały się komercyjnie opłacalne w latach 80. i 90. XX wieku, oferowały większą precyzję, cichszą pracę, czystsze środowisko produkcyjne (bez oleju hydraulicznego) i znaczne oszczędności energii – często zużywając nawet do 60% mniej energii. Dzięki temu idealnie nadawały się do branż wymagających wysokiej precyzji, takich jak produkcja urządzeń medycznych.

Przyszłość formowania wtryskowego tworzyw sztucznych

Obecnie granica maszyn do formowania wtryskowego leży w integracji Zasady Przemysłu 4.0Nowoczesne maszyny są wyposażone w zaawansowane systemy monitorowania, które gromadzą ogromne ilości danych przy każdym wtrysku. Dane te mogą być wykorzystywane do konserwacji predykcyjnej, zapewnienia jakości i optymalizacji wydajności produkcji. Przyszłość wskazuje na w pełni połączone „inteligentne fabryki”, w których wtryskarki autonomicznie dostosowują swoje parametry, aby kompensować wahania materiału lub zmiany środowiskowe, zapewniając doskonałą jakość detali przy minimalnej ingerencji człowieka.

Często Zadawane Pytania

Czy może Pan opisać różne rodzaje technik formowania wtryskowego tworzyw sztucznych?

Znajdziesz kilka główne typy formowania wtryskowego. Tradycyjne formowanie wtryskowe jest najpowszechniejszą metodą i wykorzystuje formę jednogniazdową do produkcji identycznych części.

Overmolding łączy dwa lub więcej materiałów podczas procesu formowania. Ta metoda jest przydatna do tworzenia produktów z miękkimi uchwytami lub wieloma warstwami.

Formowanie wkładkowe polega na dodawaniu metalu lub innych komponentów do formy przed wstrzyknięciem wokół nich plastiku. Proces ten jest powszechny w przypadku produkcji części elektronicznych i wkładek gwintowanych.

Mikroformowanie wtryskowe pozwala na tworzenie bardzo małych, precyzyjnych komponentów, często do urządzeń elektronicznych lub medycznych. Formowanie pianki strukturalnej wykorzystuje środek spieniający do tworzenia części z solidną powłoką i rdzeniem z pianki.

Jakie najważniejsze innowacje ukształtowały współczesną branżę formowania wtryskowego?

Projektowanie wspomagane komputerowo (CAD) i produkcja wspomagana komputerowo (CAM) sprawiły, że wykonywanie form dokładniejsze. Teraz możesz tworzyć formy szybciej i z mniejszą liczbą błędów.

Systemy kanałów gorących zastąpiły kanały zimne w wielu fabrykach. Ta zmiana zmniejsza ilość odpadów, utrzymując plastik w stanie stopionym i gotowym do użycia w następnej części.

Elektryczne maszyny do formowania wtryskowego zastąpiły niektóre tradycyjne maszyny hydrauliczne. Te maszyny elektryczne zużywają mniej energii i oferują większą kontrolę nad procesem formowania.

Ulepszone czujniki i technologia monitorowania procesów pozwalają na dokładniejszą kontrolę ciśnienia i temperatury. Pomaga to zwiększyć jakość i obniżyć wskaźniki defektów.