Plastikinių liejimo formų ir kompresinių formų skirtumai

Kaip veikia plastiko liejimo formos ir kompresinės formos: pagrindiniai procesų skirtumai

Plastiko injekcinio liejimo proceso principas: į uždarytas formas įpurškiamos medžiagos, kaitinamos aukštu slėgiu

Į plastikos iniekcinis formavimas , lydytas termoplastikas sraigtine sistema stumiama į rūpestingai sukurtas uždaras formas, kur slėgis viršija 20 000 psi. Intensyvus slėgis beveik akimirksniu, per mažą sekundės dalį, užpildo šias formas, o vėsus jas greitai sukausto, sudarydamas vientisus detalių elementus, tokius kaip automobilių jungtys ar medicinos prietaisų korpusai. Kadangi viskas vyksta uždaroje formoje, medžiaga nekontaktuoja su aplinka, todėl galima gauti itin sudėtingas formas. Gamytojai gali tikėtis tikslumo apie ±0,05 mm. Dauguma ciklų trunka nuo 15 iki maždaug 60 sekundžių, todėl šis metodas puikiai tinka gaminti didelius kiekius detalių su plonomis sienelėmis efektyviai, kasdien.

Kompresinio formavimo procesas: išankstinio kaitinimo medžiagos formavimas naudojant šilumą ir slėgį atvirose formose

Suspaudžiant formavimui, procesas prasideda iš anksto pašildytoms termoreaktyvioms medžiagoms, tokioms kaip lakštinė formavimo mišinio (SMC) ar masinis formavimo mišinys (BMC), dedant tiesiai į atviras, pašildytas formas. Uždarant formą, hidrauliniai presai paprastai taiko nuo 500 iki 3 000 svarų kvadratiniam colui slėgį. Šis slėgis leidžia medžiagai tekėti sklandžiai, nekurdamas per didelio šlyties jėgos. Tai, kad sistema veikia kaip atvira, iš tikrųjų padeda išlaikyti kompozitinių medžiagų pluoštus nepažeistus, neleidžia polimerams skilinėti ir sumažina tas varganai liekanines įtempių būklę, kurios vėliau gali silpninti detalis. Žinoma, yra ir kompromisų. Darbuotojams reikia medžiagas įkelti rankiniu būdu, o kiekvienas ciklas trunka nuo vienos iki penkių minučių – tai nėra itin greitas gamybos laikas. Kitas dalykas, su kuriuo gamintojai susiduria reguliariai, yra liejančių kraštų susidarymas aplink formuotų detalių kraštus, ką visada reikia papildomai apdoroti pašalinant po fakto.

Srauto dinamikos, skersinės apkrovos ir ertmės užpildymo elgsenos pagrindiniai skirtumai

Iškyla esminiai skirtumai trijose tarpusavyje susijusiose srityse:

Įpurškimo formavimas puikiai atkuria smulkias savybes plonose sienelėse (<1 mm), o kompresinis formavimas geriau išlaiko mechanines savybes švyturuose kompozituose – tai patvirtina SPE Kompozitų skyriaus orientyrai. Pasirinkimas priklauso ne nuo pranašumų, bet nuo to, ar pagrindinis konstrukcinis prioritetas yra matmeninė tikslumas, ar medžiagos vientisumas.

Formos projektavimas ir įrankių sudėtingumas plastikiniame įpurškimo formavime palyginti su kompresiniu formavimu

Įpurškimo formos komponentai: tikslūs ertmės, kanalai, užtvaros ir išstūmimo sistemos

Plastikinių liejimo formų reikalingos įrangos yra labai sudėtingos. Pritvirtintos plieno kameros turi tiksliai atkurti detalės formą iki mikrono lygio. Be to, egzistuoja tiekiamosios sistemos, kurios nukreipia karštą polimerą per uždarymo angas, reguliuojančias jo tekėjimo greitį ir neleidžiančias problemoms, tokioms kaip sruvos ar suvirinimo linijos. Nepamirškite ir daugiapolių išstūmimo sistemų. Kailiukai, apvalkalai, pakėlimo mechanizmai dirba kartu, kad išimtų atvėsusias dalis, nesukeldami jų iškrypimo. Visa ši sudėtinga struktūra leidžia gamintojams pasiekti labai mažas ribines nuokrypos ribas ir gaminti detales su sudėtingomis formomis. Tačiau pripažinkime, visa ši moderni inžinerija turi savęs kainą. Šios formos paprastai suvartoja nuo 40 iki 60 procentų lėšų, kurias įmonės išleidžia pradėdamos naują projektą.

Spaudimo formos struktūra: Paprastesnė geometrija, nėra tiekiamosios sistemos, tačiau reikalinga didesnė plokštės stiprumo jėga

Kompresinis formavimas pašalina tuos varganus kanalus, užtvaras ir sudėtingas aušinimo sistemas, kurias reikia injekcinio formavimo formoms. Tai žymiai sumažina pradines įrankių gamybos išlaidas – iš tikrųjų apie pusę iki trijų ketvirtadalių mažiau nei kainuotų injekcinis formavimas. Procesas prasideda rankiniu medžiagos įdėjimu į atviras formas. Tada sunkios plokštės, sveriančios nuo 100 iki 300 tonų, suspaudžia iš anksto pašildytą medžiagą. Nors kompresinės formos turi paprastesnę formą ir pagaminti jas reikia mažiau laiko, jos vis tiek reikalauja žymiai storesnių ir tvirtesnių plokščių. O tai reiškia papildomas išlaidas geresnėms presams, tikriausiai apie 25–40 % daugiau įrangos kaštų. Šiuo metodu beveik nekyla medžiagos tekėjimo problemų, tačiau procese vis tiek atsiranda šiek tiek liekanų. Taigi, kai viskas atvėsta, reikia rankiniu būdu pašalinti visą perteklinę medžiagą.

Medžiagos suderinamumas: termoplastikai injekciniame formavime prieš termoreaktyvines medžiagas kompresiniame formavime

Kodėl termoplastikai dominuoja liejant į formas dėl pakartojamumo ir greičio

Termoplastikų atvirkščiamas lydymasis puikiai tinka injekciniam formavimui, kuris reikalauja greito šiluminio ciklo: jie skystėja prognozuojamu būdu šildomi, užpildo ertmes slėgio veikiami ir vienodai sustingsta aušdami. Šis fizinis būvio pokytis leidžia pasiekti nuoseklią sienelių storį, pakartojamus mikroelementus ir didelio greičio gamybą per dešimtis tūkstančių ciklų – be cheminės medžiagos degradacijos.

Termokietės, SMC/BMC ir elastingi polimerai: kur suspaudimo formavimas išsiskiria reguliuojant kietinimą

Tokios medžiagos kaip SMC, BMC ir kai kurie aukštos kokybės elastingieji polimerai priklauso termoreaktyviųjų polimerų kategorijai. Šios medžiagos formuojant patiria tai, kas vadinama neišvedamąja sandūra. Toks šių medžiagų reakcijai į šlyties jėgas ir temperatūros pokyčius laikui bėgant reiškia, kad jos tiesiog netinka injekciniam formavimui, kuris susijęs su didelėmis šlyties jėgomis ir greitu judesiu. Todėl čia praverčia kompresinis formavimas. Šis metodas veikia lėčiau ir remiasi slėgiu, o ne greičiu. Tai užtikrina geresnį kontrolę, kaip šiluma sklinda per medžiagą, ir padeda pasiekti tolygesnį sukietėjimą visoje masėje. Dėl to gamintojai gali tinkamai išdėstyti pluoštus ir išlaikyti konstrukcinį stiprumą dideliuose automobilių ir sunkvežimių pramonėje naudojamuose detalių elementuose.

Praktikos duomenys: 87 % automobilių SMC kūno skydų naudoja kompresines formas

Remiantis SPE Automotive Composites ataskaita (2023), 87 % SMC kūno skydelių – įskaitant dangčius, paraugus ir buferių sistemas – gaminami suspaudimo formavimo būdu. Ši dominacija atspindi šio metodo patvirtintą gebėjimą gaminti didelius detalių paviršius su puikiu matmenų stabilumu, kai svarbiau yra valdyti kietinimą ir išsaugoti pluoštą, o ne mažinti ciklo trukmę.

Gamybos efektyvumas ir kaina: ciklo trukmė, apimtys ir įrangos investicijos

Ciklo trukmės palyginimas: 15–60 sekundžių (įpurškimas) ir 60–300 sekundžių (suspaudimas)

Įpurškimo formavimas leidžia daug greičiau atlikti darbus, nes jame naudojamos automatizuotos medžiagų padavimo sistemos, formos ertmės užpildomos slėgiu ir yra integruotos aušinimo sistemos. Dauguma sudėtingų detalių išeina paruoštos vos per 15–60 sekundžių. Tačiau kompresinis formavimas veikia kitaip. Jis trunka ilgiau, kadangi šilumai reikia laiko pasklisti per medžiagą, o cheminėms reakcijoms – tinkamai vykti. Kalbame apie ciklus, kurie kartais gali trukti nuo 60 sekundžių iki net 5 minučių. Tyrimai rodo, kad dėl šių laiko skirtumų įpurškimo formavimo būdu galima pagaminti tris–penkis kartus daugiau gaminių per valandą lyginant su kompresinio formavimo metodais, kai visi kiti veiksniai lieka nepakitę. Toks greitis labai svarbus gamyklose, kur kiekviena sekundė turi reikšmę.

Įrankių sąnaudų analizė: 25 000–250 000 USD įpurškimo formoms ir 10 000–80 000 USD kompresinėms formoms

Įpurškimo formavimo įrankiai paprastai kainuoja nemažai – nuo 25 tūkst. iki 250 tūkst. USD, priklausomai nuo sudėtingumo. Šios išlaidos susidaro dėl tokių veiksnių kaip tiksliai apdirbti ertmių paviršiai, tikslus daugiapusrusių ertmių atitikimas, sudėtingos formos atitinkančios aušinimo kanalai bei patikimi išstūmimo mechanizmai, užtikrinantys aukštos kokybės detalių gamybą kiekvieną kartą. Spaudimo formos yra visai kita istorija. Jos neturi tiekėjų kanalų ar vartų, taip pat neturi sudėtingų aušinimo sistemų, todėl jų kaina žymiai mažesnė – apie 10–80 tūkst. USD. Tačiau kalbant apie ilgaamžiškumą, skirtumas yra didelis. Užkalto plieno įpurškimo formos gali tarnauti milijonus gamybos ciklų be jokių problemų. Spaudimo įrankiai susiduria su visiškai kita realybe. Jie yra stipriai apkraunami dėl pastovių temperatūros pokyčių ir abrazyvinio SMC medžiagos poveikio kiekviename spaustuvės cikle, todėl dauguma jų tenka keisti jau po kelių tūkstančių naudojimų, jei ne anksčiau.

Talpos tinkamumas: didelės apimties gamybai tinka liejimas į formas iš plastiko; vidutinėms serijoms tinka kompresinis

Didelės apimties taikymui kiekviena sutaupyta ciklo laiko sekundė pramoniniu mastu sutaupo ~18 USD/valandą – tai daro liejimo į formas rentabilumą labai patrauklų. Kompresinis formavimas tampa ekonomiškai pagrįstas vidutinės apimties serijoms, kur supaprastinti formavimo įrankiai sumažina finansinį riziką ir leidžia ilgesnį pristatymo laiką.

Detalių kokybė, tikslūs matmenys ir konstrukcinių sprendimų apribojimai pagal formavimo metodą

Konstrukcinis sudėtingumas: plonos sienelės, poformavimai ir daugiakamerių formų mastelio keitimas plastikiniame liejime į formas

Plastikinių detalių liejimo formavimo galimybės yra gana įspūdingos. Plonos sienelės, storio apie pusę milimetro, sudėtingi poformiai, maži paviršiaus tekstūravimai ir keli ertminių formų elementai vienoje formoje – visa tai gamintojai reguliariai sėkmingai pasiekia šiais laikais. Kas tai padaro įmanomu? Gerai kontroliuojamas lydinio tekėjimas kartu su aukštu ertmės slėgiu bei tikslūs išstūmimo mechanizmai leidžia gamykloms masiškai gaminti identiškas dalis – kažkas, kas negalima tradicinėmis rankinėmis metodikomis ar tais žemesnio šlyties alternatyvų būdais. Be to, kai įmonės dirba su specialiai parinktomis termoplastinėmis medžiagomis ir tiksliai derina perdirbimo parametrus, net ir pačios jautriausios detalės išlaiko stabilius matmenis ir numatytą paviršiaus kokybę visose gamybos partijose.

Spaudimo formavimo apribojimai: atlaisvinimo susidarymas, vientisas storis ir bruožų aiškumo ribos

Dalių kokybė suspaudimo formavimo metu susiduria su keletu realaus pasaulio apribojimų, su kuriais gamintojams reikia susitvarkyti. Dėl atviros formos geometrijos siūlėse gana dažnai susidaro perpilas, dėl ko papildomai tenka atlikti apkarpymo operacijas. Nuosekli sienelių storio išlaikymas taip pat yra labai svarbus. Kai storis kinta, skirtingos sritys kietėja skirtingais tempais, o tai gali sukelti tokias problemas kaip išsikreivinimas ar vietos, kur medžiaga visiškai nesusijungė tarpusavyje. Detalės pradeda nykti, kai pasiekiama apie 1 mm skyra ar mažesnė. Aštrūs kampai linkę suapvalėti, tekstūros tampa mažiau ryškios, o sudėtingi raštai tiesiog nebeatlaiko taip gerai, kaip turėtų. Iš esmės visos šios problemos kyla dėl to, kad procese slėgis taikomas tik viena kryptimi, be to, netgi nuolaužų jėgų srautas nepagerina tekėjimo charakteristikų.

Tikslumo etalonas: ±0,05 mm (įpurškimas) prieš ±0,2 mm (kompresija) pagal ISO 20457-2022

Pagal ISO 20457-2022 standartą, plastiko liejimas įformė gali pasiekti apie ±0,05 mm matmenų tikslumą, todėl jis būtinas tokiems dalykams kaip aviacijos ir kosmoso tvirtinimo elementai, medicininės diagnostikos korpusų detalės ir mikroskaidulinėse sistemose naudojamos mažos detalės. Slėgimo formavimas paprastai yra mažiau tikslus, turintis vidutinį nuokrypį apie ±0,2 mm. Kodėl taip? Čia veikia keletas veiksnių, įskaitant reikalavimą rankiniu būdu dėti pusfabrikatus, medžiagų skirtingą išsiplėtimą šildant bei formas lenkiančius ar deformuojančius efektus, kai ilgą laiką veikia slėgis. Šių leistinų nuokrypių skirtumas iš tikrųjų yra gana didelis, todėl dauguma gamintojų renkasi liejimą įformę, kai reikia nuoseklių rezultatų, tiksliai iki milimetro dalių didelėse gamybos partijose – paprastai virš 10 000 vienetų.

Dažniausiai paskyrančių klausimų skyrius

Koks pagrindinis skirtumas tarp injekcinio formavimo ir kompresinio formavimo?

Injekcinis formavimas naudoja didelį slėgį, kad greitai užpildytų uždarus formas, o kompresinis formavimas naudoja šilumą ir žemesnį slėgį atvirose formose medžiagoms formuoti.

Kodėl injekciniame formavime dažniau naudojami termoplastikai?

Termoplastikai turi atvirkštinį lydymosi elgesį, kuris tinka injekcinio formavimo greitam šilumos ciklui, leidžiant nuolatinę sienelių storio kontrolę ir didelio greičio gamybą.

Kur kompresinis formavimas yra ypač efektyvus?

Kompresinis formavimas puikiai tinka kietinimo valdymui, todėl yra idealus termoreaktyviems polimerams, kuriems reikia lėtesnio, tolygesnio šilumos pasiskirstymo ir slėgio.

Koks tipiškas ciklo trukmės skirtumas tarp injekcinio ir kompresinio formavimo?

Injekcinio formavimo ciklai paprastai trunka nuo 15 iki 60 sekundžių, o kompresinio formavimo – nuo 60 sekundžių iki 5 minučių.

Kokie yra įrankių sąnaudų skirtumai tarp šių dviejų formavimo metodų?

Įpurškimo formos įrankių kaina svyruoja nuo 25 tūkst. USD iki 250 tūkst. USD, o kompresinės formos įrankių kaina yra nuo 10 tūkst. USD iki 80 tūkst. USD.