Stručná história vstrekovania plastov: Inovácie a míľniky

Vstrekovanie plastov sa začalo koncom 19. storočia ako spôsob rýchlej a efektívnej výroby presných plastových dielov. Tento proces vytvoril plastikársky priemysel a zmenil spôsob výroby predmetov každodennej potreby, ako sú hračky, nádoby a automobilové súčiastky.

V tomto blogu sa dozviete o histórii vstrekovania plastov, ktorá vám pomôže pochopiť, ako formuje svet okolo vás a prečo sa tak hojne používa.

Priekopníci a raní inovátori

Rané práce v odvetví vstrekovania plastov formovali budúcnosť plastových materiálov. Kľúčoví jednotlivci a zmeny v odvetví viedli k novým strojom, lepším materiálom a rastúcemu využitiu vo výrobkoch.

Vynález Johna a Isaiaha Hyatta

Vstrekovanie plastov siaha až do čias, keď John Wesley Hyatt a jeho brat Izaiáš Hyatt vynašli prvý formovací stroj v roku 1872. Ich stroj používal piest na vtlačte horúci celuloid do formyToto bolo prvýkrát, čo sa plastové diely mohli vyrábať vo veľkom množstve denne.

Bratia Hyattovia dostali objednávku od výrobcu biliardových gúľ, ktorý hľadal alternatívu ku slonovine, pretože pokles populácie slonov zvyšoval ceny výrobkov zo slonoviny. Hoci ich celuloidové biliardové gule neboli dokonalým nástupcom, pretože pri silnom náraze mali tendenciu explodovať s hlasným prasknutím, stále preukázali potenciál syntetických materiálov.

Prvý stroj bratov bol relatívne jednoduchý. Pozostával z vyhrievaného valca, piestu, ktorý sa často ovládal ručnou pákou, a svorky na držanie dvojdielnej formy v zatvorenom stave. Proces bol náročný na pracovnú silu a ohrev nerovnomerný, ale bol to revolučný začiatok. Potom prešli na výrobu gombíkov, hrebeňov a iných malých predmetov. Stroj Hyattovcov nastavil štandard pre raný proces výroby plastov.

Pokrok od spoločnosti Hyatt Brothers

John Wesley Hyatt si uvedomil obmedzenia svojho pôvodného návrhu a pokračoval v inováciách. Vyvinul a patentoval... viacdutinová forma, čo umožnilo súčasnú výrobu viacerých identických dielov v jednom cykle, čím sa drasticky zlepšil výstup. Experimentoval tiež s rôznymi metódami chladenia na skrátenie doby cyklu. Tieto revolučné vylepšenia boli kľúčové pre presvedčenie výrobcov o komerčnej životaschopnosti vstrekovania plastov.

Spoločnosť bratov Hyattových prosperovala a vyrábala nielen biliardové gule, ale aj širokú škálu celuloidových výrobkov, od zubných platničiek a klávesov na klavíri až po goliere a manžety na košele, ktoré boli síce notoricky horľavé, ale zároveň nesmierne obľúbené.

Vývoj v plastovom priemysle

Koncom 19. a začiatkom 20. storočia začali ďalší vynálezcovia a spoločnosti používať a vylepšovať stroj bratov Hyattových. Priemyselné odvetvia videli výhody plastových dielov, ako sú nízke náklady a možnosť vytvárať nové tvary.

Kľúčový moment nastal v roku 1909 s vynálezom Bakelit od Leo BaekelandBol to prvý skutočne syntetický plast, ktorý neobsahoval žiadne molekuly nachádzajúce sa v prírode. Bakelit bol termosetický materiál, čo znamená, že pri zahrievaní trvalo vytvrdzoval a mal vynikajúcu elektrickú nevodivosť a tepelnú odolnosť. Baekeland tiež vynašiel špeciálny vstrekovací lis na spracovanie svojho nového materiálu. Patent na jeho stroj „Bakelizer“ a samotný materiál otvorili úplne nové trhy, najmä v rýchlo rastúcom elektrotechnickom a automobilovom priemysle pre komponenty, ako sú rozdeľovacie kryty, skrinky rádií a kryty telefónov.

V 20. a 30. rokoch 20. storočia sa vyvinuli nové termoplastické materiály, ako napr. polystyrén a polyvinylchlorid (PVC), ktorý sa dal opakovane taviť a pretvárať. Vďaka tomu sa umožnila recyklácia plastového odpadu priamo v továrni. Približne v rovnakom čase sa začali používať rozpustné formy acetátu celulózy na vstrekovanie plastov, ako napríklad Cellit a violončelo, boli vyvinuté spoločnosťou Arthur Eichengrün v rokoch 1903 a 1939, pričom ponúkli menej horľavú a vstrekovaním tvarovateľnú práškovú formu plastu.

Počas tohto obdobia začali byť priekopníkmi aj nemeckí chemici v spoločnosti BASF závitovkové extrudéry na plastifikáciu materiálov, koncept, ktorý sa neskôr stal kľúčovým pre proces výroby vstrekovacích foriem. Zatiaľ čo piestové stroje zostali dominantné, pripravovala sa pôda pre veľký technologický skok. Dopyt po lacnom, masovo vyrábanom spotrebnom tovare v medzivojnovom období podnietil konštrukciu väčších, automatizovanejších piestových strojov, hoci stále mali problém s reguláciou teploty vstrekovania a konzistencie roztaveného plastu.

S rozvojom technológií dokázali stroje vyrábať väčšie diely s vyššou presnosťou. To umožnilo spotrebiteľom nájsť plastové výrobky na viacerých miestach, od áut až po elektroniku. Rozšírenie vstrekovania plastov spôsobilo, že výroba plastov a služby vstrekovania plastov boli v polovici 20. storočia oveľa bežnejšie.

Expanzia počas druhej svetovej vojny

Počas druhej svetovej vojny sa vstrekovanie plastov rýchlo stalo nevyhnutným procesom. Môžeme pozorovať významný pokrok v materiáloch a výrobných metódach, ktoré podporujú vojnu.

Materiálové inovácie pre hromadnú výrobu

Vojnové úsilie výrazne zvýšilo dopyt po nových materiáloch so špecifickými vlastnosťami. Nylon, vynájdený tesne pred vojnou, sa rýchlo prestal používať na pančuchy a stal sa kľúčovým materiálom pre... padáky, laná a ložiská. Akryly za predpokladu nerozbitná alternatíva skla pre kryhy lietadiel. Polyetylén, ktorý náhodne objavili britskí chemici v 30. rokoch 20. storočia, sa stal nevyhnutným ako izolačný materiál pre radarové káble, čo dáva spojeneckým silám významnú technologickú výhodu.

Proces vstrekovania plastov bol dokonale prispôsobený na hromadnú výrobu tisícov týchto základných komponentov s požadovanou konzistentnosťou a rýchlosťou. Toto obdobie si vynútilo nebývalé zrýchlenie polymérnej vedy a rýchly rozvoj výroby plastov.

Presnosť vstrekovaných dielov sa ukázala ako nevyhnutná pre zložité vojenské vybavenie. Napríklad bezkontaktné rozbušky v delostreleckých granátoch vyžadovali drobné, dokonale tvarované plastové komponenty na uloženie svojich krehkých elektronických mechanizmov. Konzistencia, ktorú ponúkalo vstrekovanie, bola oveľa lepšia ako iné výrobné metódy, ako je obrábanie alebo lisovanie. Táto éra upevnila vzťah medzi vojensko-priemyselným komplexom a plastikárskym priemyslom, partnerstvo, ktoré malo naďalej poháňať inovácie v nasledujúcich desaťročiach.

Úloha vo výrobnom priemysle

Vojna tiež viedla k významnému pokroku v technikách výroby foriem. Potreba rýchlej výroby nových dielov si vyžadovala rýchlejšiu a odolnejšiu výrobu foriem. To podnietilo používanie lepších nástrojových ocelí a presnejších obrábacích procesov. Okrem toho, kvôli intenzívnemu dopytu po plastových dieloch, sa koncept „návrhu pre vyrobiteľnosť“ stal kľúčovým; inžinieri museli navrhovať diely, ktoré by sa dali efektívne a spoľahlivo vyrábať na vstrekovacích lisoch, pričom brali do úvahy faktory, ako je hrúbka steny, dizajn rebier a umiestnenie vtoku. Tento prístup sa stal trvalou súčasťou priemyselného inžinierstva.

Tiež existoval jasný prechod z kovu na plast s rastúcim nedostatkom ocele. Výrobcovia sa spoliehajú na proces lisovania, aby vyrábali diely, ktoré spĺňajú prísne tolerancie a majú jednotnú kvalitu. To je nevyhnutné pre veci ako komunikačné zariadenia a zdravotnícke pomôcky.

Po skončení vojny sa masívna priemyselná kapacita vybudovaná na výrobu plastov presmerovala na spotrebný tovar. Výrobcovia, ktorí zdokonalili umenie výroby odolných a spoľahlivých plastových dielov pre armádu, teraz tieto odborné znalosti uplatnili na výrobu cenovo dostupných produktov pre domácnosti. To viedlo k... „plastová doba“ 50. a 60. rokov 20. storočia, kde sa vstrekované plastové predmety – od nádob Tupperware a hračiek až po domáce spotrebiče a nábytok – stali symbolmi moderného života.

Moderná história vstrekovania plastov

Vstrekovacie stroje sa v priebehu času veľa zmenili. Prvé modely používali jednoduché konštrukcie, ale neskoršie stroje priniesli nové technológie, ktoré zrýchlili a zefektívnili výrobu.

Od piestových vstrekovacích strojov po vstrekovacie stroje so závitovkou

Prvé vstrekovacie lisy, vynájdené koncom 19. storočia, používali piestový systém. Plastové pelety sa zahrievali, kým nezmäkli, a potom piest vtláčal roztavený plast do formy. Tieto stroje boli jednoduché, ale mali určité problémy.

Základným problémom piestu bolo jeho neschopnosť homogenizovať taveninuPlast najbližšie k zahriatym stenám valca sa počas vstrekovania často prehrieval a degradoval, zatiaľ čo materiál v strede sa nemusel úplne roztaviť. To viedlo k dielom s viditeľnými stopami po roztiahnutí, slabou štrukturálnou integritou a zmenami farby. Aby sa tento problém čiastočne vyriešil, niektoré stroje do valca zabudovali „torpédo“ alebo „rozptyľovač“, ktorý pomáhal smerovať tok plastu proti zahriatym stenám, ale bolo to nedokonalé riešenie. Obmedzenia piestového stroja boli hlavnou prekážkou pri dosahovaní vyššej kvality a zložitejších dielov.

Významné zlepšenie prišlo so zavedením závitovkového vstrekovacieho stroja. Vynález vratná skrutka je všeobecne pripisovaný americkým vynálezcom H. G. De Mattia a James Watson Hendry, ktorý postavil prvé prototypy v 40. a 50. rokoch 20. storočia. Hendryho práca bola obzvlášť vplyvná. Jeho konštrukcia umožňovala skrutke vykonávať dve funkcie: po prvé, otáčala sa, aby privádzala, roztavila a homogenizovala plastovú živicu v prednej časti valca (proces nazývaný plastifikácia). Potom sa celá skrutka pohybovala dopredu ako piest, aby vstrekla pripravenú taveninu do dutiny formy. Tento vratný pohyb bol prelomový. Poskytol oveľa konzistentnejšiu a rovnomernejšiu taveninu, čo sa priamo prejavilo vo vyššej kvalite dielov a menšom počte chýb.

Vstrekovacie stroje so závitovkami umožnili vytvárať zložitejšie plastové komponenty s väčšia presnosť a menej odpadu. Môžete tiež použiť širšiu škálu plastov.

Odkaz Jamesa Watsona Hendryho

James Watson Hendry sa nezastavil len pri vratnej skrutke, v skutočnosti si udržal tempo a nakoniec sa stal jednou z popredných osobností v priemysle lisovania plastov. V 70. rokoch 20. storočia vyvinul prvú... proces vstrekovania plastov s pomocou plynu, čo umožňovalo vytvárať zložité duté diely s minimálnym zmršťovaním a deformáciou. V čase, keď zomrel vo veku 94 rokov v roku 2014, vlastnil viac ako 80 patentov v oblasti technológií spracovania plastov.

Táto inovácia zdôraznila, ako vývoj strojov umožnil úplne nové návrhy produktov. Okrem toho, prijatie riadiacich systémov s uzavretou slučkou v druhej polovici 20. storočia prinieslo do procesu nebývalú presnosť. Senzory teraz mohli monitorovať tlak a teplotu v reálnom čase a vykonávať mikroúpravy hydrauliky a ohrievačov stroja, aby sa udržala dokonalá konzistencia počas celej výrobnej série.

Ďalším významným posunom bol vývoj plne elektrické vstrekovacie strojeZatiaľ čo tradičné stroje využívali hydraulický pohon, ktorý bol síce výkonný, ale náchylný na úniky, energetickú neefektívnosť a kolísanie teploty oleja, plne elektrické stroje používali na riadenie každého pohybu servomotory. Tieto elektrické stroje, ktoré sa stali komerčne dostupnými v 80. a 90. rokoch 20. storočia, ponúkali väčšiu presnosť, tichšiu prevádzku, čistejšie výrobné prostredie (bez hydraulického oleja) a výrazné úspory energie – často spotrebúvali až o 601 TP3T menej energie. Vďaka tomu boli ideálne pre vysoko presné odvetvia, ako je výroba zdravotníckych pomôcok.

Budúcnosť vstrekovania plastov

V súčasnosti leží hranica vstrekovacích strojov v integrácii Princípy Priemyslu 4.0Moderné stroje sú vybavené sofistikovanými monitorovacími systémami, ktoré zhromažďujú obrovské množstvo údajov o každom vstrekovaní. Tieto údaje možno použiť na prediktívnu údržbu, zabezpečenie kvality a optimalizáciu efektívnosti výroby. Budúcnosť smeruje k plne prepojeným „inteligentným továrňam“, kde vstrekovacie stroje autonómne upravujú svoje parametre tak, aby kompenzovali zmeny materiálu alebo zmeny prostredia, a zabezpečujú tak dokonalú kvalitu dielov s minimálnym ľudským zásahom.

často kladené otázky

Môžete opísať rôzne typy techník vstrekovania plastov?

Nájdete tu niekoľko hlavné typy vstrekovania plastov. Tradičné vstrekovanie plastov je najbežnejšou metódou a na výrobu identických dielov sa používa forma s jednou dutinou.

Prelisovanie kombinuje dva alebo viac materiálov počas procesu lisovania. Táto metóda je užitočná na vytváranie výrobkov s mäkkými úchopmi alebo viacerými vrstvami.

Vstrekovanie vložiek pridáva kov alebo iné komponenty do formy predtým, ako sa okolo nich vstrekne plast. Tento proces je bežný pri výrobe elektronických súčiastok a závitových vložiek.

Mikrovstrekovanie plastov vyrába veľmi malé, presné súčiastky, často pre elektroniku alebo zdravotnícke pomôcky. Štrukturálne penové liatie využíva nadúvadlo na vytvorenie súčiastok s pevnou škrupinou a penovým jadrom.

Aké sú niektoré z kľúčových inovácií, ktoré formovali moderný priemysel vstrekovania plastov?

Počítačom podporované navrhovanie (CAD) a počítačom podporovaná výroba (CAM) priniesli výroba foriem presnejšie. Teraz môžete vytvárať formy rýchlejšie a s menším počtom chýb.

Systémy horúcich vtokov nahradili studené vtoky v mnohých továrňach. Táto zmena znižuje odpad tým, že plast zostáva roztavený a pripravený na ďalší diel.

Elektrické vstrekovacie stroje nahradili niektoré tradičné hydraulické stroje. Tieto elektrické stroje spotrebúvajú menej energie a ponúkajú väčšiu kontrolu nad procesom vstrekovania.

Vylepšené senzory a technológia monitorovania procesov vám umožňujú presnejšie kontrolovať tlak a teplotu. To pomáha zvýšiť kvalitu a znížiť mieru chybovosti.