Injekcinis formavimas ar 3D spausdinimas: kas geriau jūsų produktui?

Kaip veikia injekcinis formavimas ir kada jis puikiausiai tinka

Kas yra injekcinis formavimas ir kaip jis veikia?

Įpurškimo formavimas veikia taip: į specialiai pagamintas formas įspaudžiami lydini medžiagų, dažniausiai termoplastikų, bet kartais ir metalų, labai dideliu slėgiu. Pagal 2024 m. pranešimą apie gamybos procesus, iš esmės yra keturi pagrindiniai etapai. Pirmiausia žaliava lydoma, kol ji tampa tinkama apdorojimui. Tada vyksta pats įpurškimo etapas, kai slėgis gali pasiekti nuo 10 tūkstančių iki 20 tūkstančių svarų kvadratiniam colyje. Po to viskas turi būti tinkamai atvėsinama, kas trunka nuo apie 5 sekundžių iki pusės minutės, priklausomai nuo to, su kokiu polimeru dirbama. Galiausiai, kai detalė pakankamai sustangrėja, mašinos automatiškai ją išstumia iš formos. Nuostabiausia šio metodo ypatybė – jo tikslumas. Kai kurios detalės pagaminamos tokio tikslumo, kad jų matmenys skiriasi tik ±0,005 colio. Toks nuoseklumas daro įpurškimo formavimą idealų tokiose srityse kaip automobilių dalių gamyba, kur detalių tikslus suderinamumas yra būtinas, arba medicininių švirkštų mažų cilindrų gamyba, kur net mažiausios skirtumų reikšmės turi didelę reikšmę.

Didelės apimties gamyba su nuolatine kokybe ir kartojamumu

Kai reikia greitai pagaminti daug plastikinių detalių, injekcinis formavimas tikrai puikiausiai tinka. Pramoninės klasės įrenginiai gali pagaminti daugiau nei tūkstantį detalių kas valandą, o vienos detalės kaina siekia mažiau nei dešimt centų, jei gamybos partijos viršija 10 tūkst. vienetų. Naujausias Plastikos pramonės asociacijos pranešimas atskleidė dar vieną įdomų dalyką – palyginti su 3D spausdinimo metodais, injekcinis formavimas didelių serijų gamyboje sumažina defektus apie 93 procentais. Dar geriau tai, kad viskas išlieka nuoseklu per skirtingus gamybos ciklus, o matavimai tarp partijų sutampa iki 99,8 procentų tikslumo. Šios patikimumo priežastis? Šiuolaikinė įranga yra aprūpinta protingomis valdymo sistemomis, kurios nuolat automatiškai reguliuoja tokias savybes kaip temperatūros lygis ±1 laipsniu Celsijaus ir slėgio pokyčiai ribose iki penkiasdešimties svarų kvadratiniam coliui, kol detalės gaminamos. Šie nedideli, bet svarbūs reguliavimai vyksta automatiškai veikimo metu, todėl kiekviena linijoje pagaminta detalė beveik visiškai atitinka ankstesnę.

Medžiagos stiprumas, ilgaamžiškumas ir paviršiaus apdorojimas liejimo formavimo detalėse

Liejimo formavimo detalės paprastai turi geresnį mechaninį stiprumą lyginant su kitais gamybos metodais. Inžineriniai plastikai, tokie kaip PEEK, ABS ir polikarbonatas, gali pasiekti tempiamąjį stiprumą apie 15 000 psi, kas yra maždaug 40 procentų didesnis nei tipiškų 3D spausdinamų detalių. Tai, kas išskiria liejimą į formas, yra procesas, vykstantis dideliu slėgiu, kuris pašalina matomas sluoksnių linijas. Dėl to gaunami itin lygūs paviršiai, kurių apdorojimo lygis siekia Ra 0,8 mikrono, beveik veidrodinės kokybės, nereikalaujant papildomų poliravimo etapų. Tiriant sunkias pramonines sąlygas, liejimu formuoti fluoropolimeriniai medžiagų atsparumas yra nepaprastas. Jie išlieka nepažeisti net po daugiau nei 500 valandų, praleistų aluje pagal ASTM standartus, kas patvirtina jų gebėjimą atlaikyti agresyvias chemines medžiagas, nesusiskaldant.

Įrankių kainos, pristatymo laikai ir išankstinės investicijos apsvarstymas

Plieninių formų gamybos kaina paprastai svyruoja nuo aštuonių tūkstančių iki šešiasdešimties tūkstančių dolerių, o jų pagaminimas užtrunka nuo aštuonių iki keturiolikos savaičių. Dėl šių veiksnių dauguma įmonių pasirenka šį variantą tik tuomet, kai planuoja gaminio gyvavimo trukmę ilgesnę nei trys metai. Pagal 2024 metų „Machinery Today“ ataskaitą, apie trys iš keturių gamintojų mano, kad tai būtina jų veikloje. Kita vertus, aliuminio formos yra tinkamos vidutiniam gamybos apimčiui, tarkime, tarp penkių tūkstančių ir penkiasdešimties tūkstančių vienetų. Jos sumažina įrankių sąnaudas apie trisdešimt penkiais procentais lyginant su plienu, taip pat beveik dvigubai sutrumpina gamybos laiką. Daugelis įmonių šį balansą laiko ypač patraukliu bandant kontroliuoti biudžetą, tuo pačiu tenkinant paklausos reikalavimus.

Vieneto kaina dideliems mastams: ilgalaikė sutaupymas nepaisant didelių pradinių išlaidų

Virš 100 000 vienetų apimties injekcinis formavimas sumažina vieno gaminio kainą 80–92 % lyginant su 3D spausdinimu. Išlaidų struktūra atskleidžia:

• 120 000 JAV dolerių pradinės formos išlaidos
• 0,09 JAV dolerio medžiagos kaina vienam vienetui
• 12 sekundžių ciklo trukmė

Tai rezultatuoja galutine vieno gaminio kaina 1,23 JAV dolerio prie 500 000 vienetų – 72 % mažiau nei SLS nilono spausdinimas. Pelno nulinio taško tarp 3D spausdinimo ir injekcinio formavimo paprastai pasiekiamas tarp 1 000 ir 5 000 vienetų, priklausomai nuo dizaino sudėtingumo ir gamybos reikalavimų.

3D Spausdinimo Privalumai: Greitis, Lankstumas ir Mažos Apimties Gamyba

Dizaino laisvė ir sudėtingų geometrijų palaikymas be formų

Galimybė spausdinti trimatėje erdvėje suteikia dizaineriams laisvę, kurios jie anksčiau neturėjo, nes objektai sukuriami sluoksnis po sluoksnio tiesiai iš kompiuterio failų, todėl nebūtina leisti pinigų brangiems formoms. Įpurškimo formavimas turi daugybę apribojimų, pavyzdžiui, reikalingos pasvirios paviršiaus dalys ir sienelės, kurių storis visur vienodas. Tačiau naudojant pridėtinės gamybos technologiją, gamintojai gali kurti tuštumias erdves viduje, tekanti formas, sudėtingus vidinius kanalus, kurių kitaip būtų neįmanoma sukurti. Pagal prieš metus paskelbtą Wevolver tyrimą, įmonės, perėjusios prie 3D spausdinamų prototipų, savo perkūrimo pastangas sumažino apie keturiasdešimt procentų, lyginant su tradiciniais metodais. Toks efektyvumas tikrai daro įtaką produkto kūrimo ciklui.

Greitas prototipavimas ir kartojamas tobulinimas greitesniam rinkos pasiekimui

Ši technologija labai pagreitina produktų kūrimą, sutrumpinant prototipų kūrimo laiką iš anksčiau trunkančių savaitėmis iki vos kelių valandų. Inžinieriai dabar gali sukurti ir išbandyti kelias skirtingas dizaino versijas per vieną darbo dieną – anksčiau tai buvo neįmanoma naudojant tradicinius injekcinio formavimo metodus, nes kiekvienas mažas patobulinimas reikalavo naujų formų gamybos. Automobilių kompanijos pasakoja, kaip jiems pavyko sutrumpinti ankstyvąją gamybos stadiją apie dvi trečiąsias, įtraukus 3D spausdinimą į savo dizaino darbo eigą.

Mažo ar vidutinio lygio gamyba be formų investicijų

Gamybai iki 10 000 vienetų 3D spausdinimas išvengia 10 000–100 000 JAV dolerių pradinės investicijos, reikalingos įliejimo formoms. Tai daro jį ekonomiškai naudingą rinkos patvirtinimui, ribotiesioms leidimams ir laikinosios gamybos ciklams. Pavyzdžiui, medicinos startuolės naudoja 3D spausdinimą pacientui specifiniams chirurginiams šablonams gaminti 30 % žemesniais kaštų, išlaikydamos klinikinio lygio medžiagų savybes.

Greitas atlikimas ir sutrumpinti pristatymo terminai skubiais ar individualiais užsakymais

Priebrezė gamyba pateikia galutinius detalių per 24–72 valandas, apeinant 8–12 savaičių pristatymo laiką, susijusį su formų gamyba. Toks greitas reagavimas palaiko tiksliai laiku (just-in-time) gamybą ir greitą individualių užsakymų vykdymą. Vienas aviacijos tiekėjas, įsivertęs decentralizuotas 3D spausdinimo tinklus, sumažino atsarginių dalių pristatymo laiką nuo 14 savaičių iki 3 dienų.

Gamytos mechanika: Priebrezės ir subtraktinės gamybos principai

3D spausdinimas kelia objektus po vieną ploną sluoksnį naudojant medžiagas, tokias kaip plastikas ar metalas, dėl ko galima kurti formas, kurių įprastinė gamyba tiesiog neįveikia. Paimkime liejimą į formą – karštas ištirpintas plastikas aukštu slėgiu įpurškiamas į plienines ar aliuminio formas, kad greitai būtų pagaminta daug tokių pačių detalių. Pagrindžia skirtumas tas, kad 3D spausdinimo aparatai gali atlikti sudėtingas gardelės struktūras ir tekėjimo formos organinius dizainus, o liejimui į formą reikia fiksuotų formos ertmių, kurios nesunkiai nekinta, bet užtikrina nuoseklų rezultatą kiekvieną kartą. Šių formų gamybai paprastai reikia CNC apdirbimo, kuris šalinamas medžiagą, o ne prideda jos, ir visas šis procesas reikalauja daugiau laiko bei pinigų, palyginti su tuo, kaip tiesiogiai ir skaitmeniškai veikia 3D spausdinimas nuo pradžios iki pabaigos.

Dizaino sudėtingumas ir gamybos apribojimai

• Liejimo į formą apribojimai : Reikalingi ištraukos kampai (1–3°), vienodas sienelių storis (0,5–4 mm) ir minimalūs įgilėjimai, kad būtų išvengta deformacijos ar išstūmimo problemų.
• 3D spausdinimo laisvė : Pašalina poreikį dėl ištraukos kampų, leidžia kintamą sienelių storį ir leidžia sujungti daugiadalius surinkimus į vieną detalę.
  Pavyzdžiui, injekcinis formavimas susiduria su sunkumais formuojant vidaus kanalus siauresnius nei 0,5 mm, tuo tarpu 3D spausdinimas pasiekia tikslumą iki 0,1 mm, kas yra kritiškai svarbu mikroskaiduliams prietaisams.

Paviršiaus apdorojimas, tikslumas ir apdirbimo po apdorojimo reikalavimai

Įpurškimo formavimo būdu gaminamos detalės dažniausiai išeina iš formos su paviršiaus šiurkštumu apie 0,8–1,6 mikrometrų Ra, kas yra maždaug lygiavertis tai, ką matome mašininio apdirbimo procesuose. Tačiau žiūrint į 3D spausdintas dalis, skaičiai pakankamai gerokai padidėja – vidutiniškai nuo 3,2 iki net 12,5 mikrometrų Ra. Daugumai jų reikia tam tikro apdorojimo po to, pavyzdžiui, šlifavimo ar cheminio apdorojimo, jei jos naudojamos vietose, kur svarbus išvaizda. Vis dėlto yra viena sritis, kur 3D spausdinimas tikrai pranoksta. Dėl tų labai plonų sienelių, su kuriomis gamintojams kartais sunku susitvarkyti, 3D spausdinimo įrenginiai iš tiesų užtikrina geresnį matmeninį tikslumą. Kalbame apie tolerancijas ±0,1 mm lyginant su apie 0,3 mm naudojant tradicinius formavimo metodus. Tai daro 3D spausdinimą ypač patrauklų prototipų gamybai, kur tikslumas negali būti kompromituojamas.

Medžiagų parinktys ir galutinių detalių mechaninės savybės

Įpurškimo formavimas leidžia naudoti armuotas medžiagas (pvz., stiklu pripildytas ar ugniai atsparias rūšis) pramonei reikalingai ilgaamžiškumui, o 3D spausdinimas teikia biologiškai suderinamas dervas, idealias medicinos prototipams ir trumpoms implantų serijoms.

Gamybos apimties ir sąnaudų grįžtamumo analizė

Sąnaudų efektyvumo palyginimas: mažos partijos prieš masinę gamybą

Gaminant injekciniu būdu formuotas dalis dideliais kiekiais, ekonominiai rodikliai tampa labai palankūs. Vieneto kaina smarkiai sumažėja – apie 60–80 procentų, kai gamybos apimtys viršija apie 10 tūkstančių vienetų, tai rodo Finale Inventory duomenys už praėjusius metus. Žinoma, pradėti naudoti plastiko injekcinį formavimą reikalauja nemažų išlaidų formoms pagaminti – paprastai nuo dešimties iki šimto tūkstančių dolerių ar daugiau. Tačiau kai gamyba įsibėgėja, visos pradinės išlaidos paskirstomos tarp tūkstančių vienetų, todėl šis metodas ypač tinkamas produktams, kurių pardavimai stabilūs ir paklausa nuolatinė. Kita vertus, jei reikia tik kelių pavyzdžių ar norima pagaminti labai mažą kiekį, tarkime mažiau nei penkis šimtus vienetų, tada 3D spausdinimas tampa žymiai patrauklesnis. Jis visiškai išvengia brangios formų gamybos etapo. Kai kurie tyrimai rodo, kad naudojant 3D spausdinimą atskirų detalių savikaina gali sumažėti beveik 90 procentų, palyginti su tradiciniais gamybos metodais.

Kada pasirinkti 3D spausdinimą atsižvelgiant į poreikį ir mastelio keitimąsi

Pasirinkite pridėjamąjį gamybos būdą, kai:

• Kuriama nepatvirtinti dizainai, kuriems reikia dažnų iteracijų
• Gaminama mažiau nei 1 000 vienetų per metus su besikeičiančiomis specifikacijomis
• Sukuriamos sudėtingos geometrijos, kurios reikalautų brangių daugiakamerių formų

Ortopedijoje, pavyzdžiui, kurdami paciento specifinius implantų modelius per FDA patvirtinimo etapus, prieš perėjant prie liejimo forma didelės apimties gamybai.

Kada liejimas forma tampa geresne parinktimi dideliems serijoms

Pereikite prie liejimo forma, kai:

• Metinis paklausa viršija 5 000 vienetų
• Yra būtina pastovi mechaninių savybių vientisumas tarp partijų
• Reikalingi trumpi pristatymo laikai (<2 savaitės) po įrankių gamybos

Automobilių tiekėjai praneša apie 40 % mažesnes sąnaudas lyginant su 3D spausdinimu, gaminant daugiau nei 20 000 degalų sistemos detalių per metus, pagal 2024 metų standartus.

Skaičiavimas, kiek reikia pagaminti vienetų, kad pasirinkta gamybos metodika būtų pelninga

Naudokite šią formulę, norėdami nustatyti optimalų perėjimo kiekį:

Pelningumo ribos kiekis = (Įliejimo formos įrankio kaina) / (3D spausdinimo vieneto kaina — liejimo vieneto kaina)

2023 m. atlikta analizė, palyginusi ABS plastikinius pavaros krumplius, parodė ribą esant 1 150 vienetų – žemiau šio skaičiaus ekonomiškesnis yra 3D spausdinimas, o virš jo įliejimo formavimas sutaupo 14,72 USD vienetui. Taip pat atsižvelkite į pristatymo laiką: dėl 3D spausdinimo nebuvimo reikia įrankių, todėl galima pradėti tą pačią savaitę, o formos gamyba užtrunka 8–12 savaičių.