Scurt istoric al turnării prin injecție a materialelor plastice: inovații și repere

Turnarea prin injecție a plasticului a început la sfârșitul anilor 1800 ca o modalitate de a crea rapid și eficient piese din plastic precise. Acest proces a creat industria plasticului și a schimbat modul în care erau fabricate obiecte de zi cu zi, precum jucării, recipiente și piese auto.

În acest blog, veți afla despre istoria turnării prin injecție a plasticului, ceea ce vă ajută să înțelegeți cum modelează lumea din jurul vostru și de ce este atât de utilizată pe scară largă.

Pionieri și inovatori timpurii

Primele lucrări din industria turnării prin injecție a plasticului au modelat viitorul materialelor plastice. Persoane cheie și schimbări în industrie au dus la apariția unor mașini noi, a unor materiale mai bune și a unei utilizări tot mai ample în produse.

Invenția lui John și Isaiah Hyatt

Turnarea prin injecție a plasticului datează din perioada în care John Wesley Hyatt și fratele său Isaia Hyatt a inventat prima mașină de turnare în 1872. Mașina lor folosea un piston pentru a forțați celuloidul fierbinte într-o matrițăAceasta a fost prima dată când piesele din plastic au putut fi fabricate în cantități mari, zilnic.

Frații Hyatt sunt contractați de un producător de bile de biliard care căuta o alternativă la fildeș, deoarece scăderea populației de elefanți ducea la creșterea costurilor produselor din fildeș. Deși bilele lor de biliard din celuloid nu erau un succesor perfect, deoarece aveau tendința de a exploda cu un zgomot puternic la impactul puternic, ele demonstrau totuși potențialul materialelor sintetice.

Prima mașină a fraților era relativ simplă. Constă dintr-un cilindru încălzit, un piston care era adesea acționat de o pârghie manuală și o clemă pentru a ține închisă matrița din două părți. Procesul necesita multă muncă, iar încălzirea era inegală, dar a fost un punct de plecare revoluționar. Apoi, au trecut la fabricarea de nasturi, piepteni și alte obiecte mici. Mașina familiei Hyatt a stabilit standardul pentru procesul timpuriu de producție a plasticului.

Avansare de către Hyatt Brothers

Recunoscând limitele designului lor inițial, John Wesley Hyatt a continuat să inoveze. El a dezvoltat și brevetat un matriță cu mai multe cavități, care a permis producția simultană a mai multor piese identice într-un singur ciclu, îmbunătățind drastic producția. De asemenea, a experimentat diferite metode de răcire pentru a reduce timpii de ciclu. Aceste îmbunătățiri revoluționare au fost cruciale pentru a convinge producătorii de viabilitatea comercială a turnării prin injecție.

Compania fraților Hyatt a prosperat, producând nu doar bile de biliard, ci și o gamă largă de produse din celuloid, de la plăci dentare și clape de pian până la gulere și manșete de cămăși, care erau notorii pentru inflamabilitatea lor, dar extrem de populare.

Dezvoltarea industriei de fabricație a materialelor plastice

Până la sfârșitul anilor 1800 și începutul anilor 1900, alți inventatori și companii au început să utilizeze și să îmbunătățească mașina fraților Hyatt. Industriile au observat beneficiile pieselor din plastic, cum ar fi costul redus și capacitatea de a crea forme noi.

Un moment crucial a venit în 1909 odată cu inventarea Bachelită de Leo BaekelandAcesta a fost primul plastic sintetic autentic care nu conține molecule găsite în natură. Bakelita era un material termorezistent, ceea ce înseamnă că se întărea permanent la încălzire și poseda o excelentă neconductivitate electrică și rezistență la căldură. Baekeland a inventat, de asemenea, o mașină specială de turnare prin injecție pentru a procesa noul său material. Brevetul pentru mașina sa „Bakelizer” și materialul în sine au deschis piețe complet noi, în special în industriile electrice și auto, aflate în rapidă creștere, pentru componente precum capace de distribuitoare, dulapuri radio și carcase de telefon.

Anii 1920 și 1930 au marcat dezvoltarea de noi materiale termoplastice, cum ar fi polistiren și clorură de polivinil (PVC), care putea fi topit și remodelat în mod repetat. Acest lucru a făcut posibilă reciclarea resturilor de plastic direct în fabrică. Cam în aceeași perioadă, formele solubile de acetat de celuloză pentru injecția de plastic, cum ar fi Cellit și Cellon, au fost dezvoltate de Arthur Eichengrün în 1903 și, respectiv, 1939, oferind o formă de pulbere a plasticului, mai puțin inflamabilă și turnabilă prin injecție.

În această perioadă, chimiștii germani de la BASF au început, de asemenea, să fie pionieri în utilizarea extrudere cu șurub pentru plastifierea materialelor, un concept care avea să fie ulterior esențial pentru procesul de fabricație prin turnare prin injecție. În timp ce mașinile cu piston au rămas dominante, scena era pregătită pentru un salt tehnologic major. Cererea de bunuri de consum ieftine, produse în masă, în perioada interbelică a alimentat construcția unor mașini cu piston mai mari și mai automatizate, deși acestea încă se luptau cu controlul temperaturii de injecție și al consistenței plasticului topit.

Pe măsură ce tehnologia a avansat, mașinile au putut produce piese mai mari cu o precizie mai mare. Acest lucru a permis consumatorilor să găsească produse din plastic în mai multe locuri, de la mașini la electronice. Răspândirea turnării prin injecție a făcut ca fabricarea plasticului și serviciile de turnare prin injecție să fie mult mai comune până la mijlocul anilor 1900.

Expansiunea în timpul celui de-al Doilea Război Mondial

În timpul celui de-al Doilea Război Mondial, turnarea prin injecție a plasticului a devenit rapid un proces esențial. Putem observa progrese majore în ceea ce privește materialele și metodele de fabricație care susțin războiul.

Inovație în materiale pentru producția de masă

Efortul de război a crescut semnificativ cererea de materiale noi cu proprietăți specifice. Nailon, inventat chiar înainte de război, a fost rapid deviat de la utilizarea sa preconizată în ciorapi pentru a deveni un material esențial pentru parașute, frânghii și rulmenți. Acrilice a oferit o alternativă rezistentă la spargere la sticlă pentru cupolele aeronavelor. Polietilenă, descoperit accidental de chimiștii britanici în anii 1930, a devenit indispensabil ca material izolator pentru cabluri radar, oferind forțelor aliate un avantaj tehnologic semnificativ.

Procesul de turnare prin injecție a fost perfect potrivit pentru a produce în masă mii din aceste componente esențiale cu consecvența și viteza necesare. Această perioadă a impus o accelerare fără precedent în știința polimerilor și extinderea rapidă a producției de plastic.

Precizia pieselor turnate prin injecție s-a dovedit vitală pentru echipamentele militare complexe. De exemplu, siguranțele de proximitate din obuzele de artilerie necesitau componente din plastic minuscule, perfect formate, pentru a găzdui mecanismele lor electronice fragile. Consistența oferită de turnare era mult superioară altor metode de fabricație, cum ar fi prelucrarea prin prelucrare sau turnarea prin compresie. Această eră a consolidat relația dintre complexul militar-industrial și industria materialelor plastice, un parteneriat care avea să continue să stimuleze inovația în deceniile următoare.

Rol în industria prelucrătoare

Războiul a dus, de asemenea, la progrese semnificative în tehnicile de fabricare a matrițelor. Nevoia de producție rapidă a unor piese noi a impus crearea mai rapidă și mai durabilă a matrițelor. Acest lucru a stimulat utilizarea unor oțeluri pentru scule mai bune și a unor procese de prelucrare mai precise. În plus, din cauza cererii intense pentru piese din plastic, conceptul de „proiectare pentru fabricabilitate” a devenit crucial; inginerii trebuiau să proiecteze piese care puteau fi produse eficient și fiabil pe mașinile de turnare prin injecție, luând în considerare factori precum grosimea peretelui, designul nervurilor și amplasarea grilei de turnare. Această mentalitate a devenit o parte permanentă a ingineriei industriale.

De asemenea, a existat o claritate trecerea de la metal la plastic pe măsură ce deficitul de oțel a crescut. Producătorii se bazează pe procesul de turnare pentru a realiza piese care respectă toleranțe stricte și au o calitate uniformă. Acest lucru este vital pentru lucruri precum echipamentele de comunicații și dispozitivele medicale.

Odată cu sfârșitul războiului, capacitatea industrială masivă construită pentru producția de plastic a fost redirecționată către bunuri de consum. Producătorii care perfecționaseră arta fabricării de piese din plastic robuste și fiabile pentru armată au aplicat acum această expertiză pentru a crea produse accesibile pentru uz casnic. Acest lucru a dus la „Epoca plasticului” din anii 1950 și 1960, unde articolele din plastic turnate prin injecție — de la recipiente Tupperware și jucării la electrocasnice și mobilier — au devenit simboluri ale vieții moderne.

Istoria modernă a turnării prin injecție a plasticului

Mașinile de turnare prin injecție s-au schimbat mult de-a lungul timpului. Modelele timpurii foloseau designuri simple, dar mașinile ulterioare au adus noi tehnologii care au făcut producția mai rapidă și mai eficientă.

De la mașini de injecție cu piston la mașini de extrudare cu șurub

Primele mașini de turnare prin injecție, inventate la sfârșitul anilor 1800, foloseau un sistem cu piston. Peletele de plastic erau încălzite până se înmuiau, apoi un piston împingea plasticul topit într-o matriță. Aceste mașini erau simple, dar aveau unele probleme.

Problema fundamentală cu pistonul era incapacitatea de a omogeniza topituraPlasticul cel mai apropiat de pereții încălziți ai cilindrului se supraîncălzea și se degrada adesea în timpul procesului de injecție, în timp ce materialul din centru s-ar putea să nu fie complet topit. Acest lucru a dus la piese cu urme vizibile de despicare, integritate structurală slabă și variații de culoare. Pentru a remedia parțial acest lucru, unele mașini au încorporat o „torpilă” sau un „distribuitor” în cilindru, care a ajutat la direcționarea fluxului de plastic către pereții încălziți, dar a fost o soluție imperfectă. Limitările mașinii cu piston au reprezentat principalul blocaj în obținerea unor piese de calitate superioară și mai complexe.

O îmbunătățire majoră a venit odată cu introducerea mașinii de turnare prin injecție cu șurub. Invenția șurub alternativ este atribuit în mare parte inventatorilor americani HG De Mattia și James Watson Hendry, care a construit primele prototipuri în anii 1940 și 1950. Munca lui Hendry a fost deosebit de influentă. Designul său a permis șurubului să îndeplinească două funcții: în primul rând, se rotea pentru a alimenta, topi și omogeniza rășina plastică din partea din față a cilindrului (un proces numit plastifiere). Apoi, întregul șurub se mișca înainte ca un piston pentru a injecta topitura preparată în cavitatea matriței. Această acțiune alternativă a schimbat regulile jocului. A oferit o topitură mult mai consistentă și mai uniformă, ceea ce s-a tradus direct într-o calitate mai bună a pieselor și mai puține defecte.

Mașinile de turnare prin injecție cu șurub au făcut posibilă crearea de componente din plastic mai complexe cu precizie mai mare și mai puține deșeuri. De asemenea, ați putea folosi o varietate mai largă de materiale plastice.

Moștenirea lui James Watson Hendry

James Watson Hendry nu s-a oprit la șurubul alternativ, de fapt, și-a menținut avântul și, în cele din urmă, a devenit una dintre figurile de frunte din industria turnării materialelor plastice. În anii 1970, a dezvoltat primul procesul de turnare prin injecție asistată de gaz, ceea ce a permis crearea de piese complexe, goale, cu contracții și deformări minime. Până la moartea sa, la vârsta de 94 de ani, în 2014, deținea peste 80 de brevete în tehnologii de prelucrare a materialelor plastice.

Această inovație a evidențiat modul în care evoluția mașinilor a permis designuri de produse complet noi. În plus, adoptarea sistemelor de control în buclă închisă în ultima parte a secolului al XX-lea a adus o precizie fără precedent procesului. Senzorii puteau acum monitoriza presiunea și temperatura în timp real, efectuând micro-ajustări ale sistemului hidraulic și ale încălzitoarelor mașinii pentru a menține o consecvență perfectă pe tot parcursul unui ciclu de producție.

O altă schimbare majoră a fost dezvoltarea mașini de turnare prin injecție complet electriceÎn timp ce mașinile tradiționale foloseau energie hidraulică, care era puternică, dar predispusă la scurgeri, ineficiență energetică și variații ale temperaturii uleiului, mașinile complet electrice foloseau servomotoare pentru a controla fiecare mișcare. Aceste mașini electrice, care au devenit viabile din punct de vedere comercial în anii 1980 și 1990, ofereau o precizie mai mare, o funcționare mai silențioasă, medii de producție mai curate (fără ulei hidraulic) și economii semnificative de energie - adesea folosind cu până la 60% mai puțină energie. Acest lucru le-a făcut ideale pentru industrii de înaltă precizie, cum ar fi fabricarea de dispozitive medicale.

Viitorul turnării prin injecție a plasticului

Astăzi, frontiera mașinilor de turnare prin injecție constă în integrarea Principiile Industriei 4.0Mașinile moderne sunt echipate cu sisteme sofisticate de monitorizare care colectează cantități uriașe de date la fiecare pas. Aceste date pot fi utilizate pentru mentenanța predictivă, asigurarea calității și optimizarea eficienței producției. Viitorul indică spre „fabrici inteligente” complet conectate, unde mașinile de turnare prin injecție își ajustează autonom parametrii pentru a compensa variațiile materialelor sau schimbările de mediu, asigurând o calitate perfectă a pieselor cu o intervenție umană minimă.

întrebări frecvente

Puteți descrie diferitele tipuri de tehnici de turnare prin injecție a materialelor plastice?

Veți găsi mai multe tipuri principale de turnare prin injecție. Turnarea prin injecție tradițională este cea mai comună metodă și utilizează o matriță cu o singură cavitate pentru a produce piese identice.

Supraturnarea combină două sau mai multe materiale în timpul procesului de turnare. Această metodă este utilă pentru crearea de produse cu priză moale sau straturi multiple.

Turnarea prin inserție adaugă metal sau alte componente în matriță înainte de a injecta plastic în jurul lor. Acest proces este comun pentru fabricarea pieselor electronice și a inserțiilor filetate.

Micro-injecția prin turnare produce componente foarte mici și precise, adesea pentru electronică sau dispozitive medicale. Turnarea structurală prin spumă folosește un agent de expandare pentru a crea piese cu o carcasă solidă și un miez de spumă.

Care sunt unele dintre inovațiile cheie care au modelat industria modernă de turnare prin injecție?

Proiectarea asistată de calculator (CAD) și fabricația asistată de calculator (CAM) au făcut ca fabricarea matrițelor mai precis. Acum puteți crea matrițe mai rapid și cu mai puține erori.

Sistemele cu canale calde au înlocuit canalele reci în multe fabrici. Această schimbare reduce deșeurile prin menținerea plasticului topit și pregătit pentru următoarea piesă.

Mașinile electrice de turnare prin injecție au înlocuit unele mașini hidraulice tradiționale. Aceste mașini electrice consumă mai puțină energie și oferă mai mult control asupra procesului de turnare.

Senzorii îmbunătățiți și tehnologia de monitorizare a proceselor vă permit să controlați presiunea și temperatura mai îndeaproape. Acest lucru ajută la creșterea calității și la reducerea ratelor de defecte.