Разница между пластиковыми формами литьевого и компрессионного формования

Как работают литьевые формы для пластмасс и пресс-формы: основные различия в процессах

Процесс литья под давлением: впрыск расплавленного материала под высоким давлением в закрытые формы

В литье пластмасс под давлением , расплавленный термопласт продавливается через систему шнека в тщательно созданные замкнутые полости под давлением, превышающим 20 000 psi. Высокое давление заполняет эти полости почти мгновенно — за доли секунды — после чего материал быстро охлаждается, образуя твердые детали, такие как разъёмы для автомобилей и корпуса медицинского оборудования. Поскольку весь процесс происходит в герметичной форме, материал не подвергается внешнему воздействию, при этом возможно изготовление очень сложных форм. Производители могут рассчитывать на допуски около ±0,05 мм. Большинство циклов занимает от 15 до 60 секунд, что делает этот метод идеальным для компаний, которым необходимо ежедневно эффективно производить большое количество деталей со сложными формами и тонкими стенками.

Процесс компрессионного формования: формование предварительно нагретого материала с помощью тепла и давления в открытых формах

При прессовании в закрытых формах процесс начинается с помещения предварительно нагретых термореактивных материалов, таких как листовая пресс-масса (SMC) или объемная пресс-масса (BMC), непосредственно в открытые нагретые формы. При закрытии формы гидравлические прессы обычно создают давление от 500 до 3000 фунтов на квадратный дюйм. Это давление позволяет материалу равномерно растекаться, не создавая чрезмерных сил сдвига. Работа такой системы как открытой фактически способствует сохранению целостности волокон в композитных материалах, предотвращает разрушение полимеров и снижает возникновение остаточных напряжений, которые в дальнейшем могут ослабить детали. Конечно, существуют и компромиссы. Материалы необходимо загружать вручную, а каждый цикл занимает от одной до пяти минут, что нельзя назвать высокой скоростью производства. Другой проблемой, с которой производители сталкиваются регулярно, является образование заусенцев по краям отформованных деталей, что всегда требует дополнительной обработки для их удаления после формования.

Ключевые различия в динамике потока, напряжении сдвига и поведении заполнения полости

Критические различия проявляются в трех взаимосвязанных областях:

Литье под давлением превосходно воспроизводит мелкие детали в тонкостенных участках (<1 мм), тогда как прессование лучше сохраняет механические свойства в композитах с волокнистым наполнителем — это подтверждено эталонными показателями SPE Composites Division. Выбор зависит не от превосходства одного метода, а от того, какой приоритет имеет проект: точность размеров или целостность материала.

Конструкция формы и сложность оснастки в литьевой форме для пластмасс против формы для прессования

Компоненты литьевой формы: прецизионные полости, литниковые каналы, впуска и системы выталкивания

Оснастка, необходимая для пресс-форм литья пластмасс, чрезвычайно сложна. Закаленные стальные полости должны точно копировать форму детали на уровне микронов. Кроме того, существуют системы литниковых каналов, которые направляют расплавленный полимер через ворота, регулируя скорость его течения и предотвращая такие проблемы, как струйный поток или следы сварки. Не стоит забывать и о многоэлементных системах выталкивания. Штифты, втулки, выталкиватели работают совместно, чтобы извлечь охлаждённые детали, не деформируя их. Вся эта сложность позволяет производителям достигать очень жёстких допусков и изготавливать детали со сложной формой. Но будем честны — вся эта передовая инженерия имеет свою цену. Как правило, стоимость таких пресс-форм составляет от 40 до 60 процентов расходов компаний при запуске нового проекта.

Конструкция пресс-формы для компрессионного формования: более простая геометрия, отсутствие литниковой системы, но повышенные требования к прочности плит

Прессование избавляет от надоедливых литников, воротников и сложных систем охлаждения, необходимых для литья под давлением. Это значительно снижает первоначальные затраты на оснастку — примерно на половину или даже до трех четвертей по сравнению со стоимостью литьевого формования. Процесс заключается в ручной загрузке материала в открытые полости формы. Затем мощные плиты весом от 100 до 300 тонн сжимают предварительно нагретый материал. Хотя пресс-формы для прессования имеют более простую форму и изготавливаются быстрее, им требуются значительно более толстые и прочные плиты. А это означает дополнительные расходы на более качественные прессы — примерно на 25–40% выше по стоимости оборудования. Проблемы с течением материала при этом методе возникают редко, однако в процессе всегда образуется облой. Поэтому после охлаждения необходимо вручную удалить весь излишний материал.

Совместимость материалов: термопласты при литье под давлением против реактопластов при прессовании

Почему термопласты доминируют в литьевых формах для пластика благодаря воспроизводимости и скорости

Обратимое поведение термопластов при плавлении идеально соответствует быстрому термоциклированию литьевого формования: они предсказуемо расплавляются под действием тепла, заполняют полости под давлением и равномерно затвердевают при охлаждении. Это физическое изменение агрегатного состояния обеспечивает постоянную толщину стенок, воспроизводимость микроразмеров и высокую скорость производства на протяжении десятков тысяч циклов — без химической деградации.

Термореактивные пластмассы, SMC/BMC и эластомеры: где прессование превосходно справляется с контролем отверждения

Материалы, такие как SMC, BMC и некоторые высокоэффективные эластомеры, относятся к категории термореактивных полимеров. Эти материалы подвергаются так называемому необратимому поперечному сшиванию при формовании. То, как эти материалы реагируют на силы сдвига и как они ведут себя при изменениях температуры со временем, означает, что они просто плохо подходят для процессов литья под давлением, связанных с высокими усилиями сдвига и быстрым движением. Здесь на помощь приходит прессование. Этот метод работает медленнее и основан на давлении, а не на скорости. Он обеспечивает лучший контроль над теплопередачей через материал и способствует более равномерному отверждению по всему объему. В результате производители могут правильно выстроить ориентацию волокон и сохранить структурную прочность крупных деталей, используемых в автомобилях и грузовиках по всей отрасли.

Отраслевые данные: 87% автомобильных панелей из SMC используют пресс-формы для прессования

Согласно отчёту SPE Automotive Composites Report (2023), 87% панелей кузова из SMC — включая капоты, крылья и бамперные системы — производятся методом компрессионного формования. Такое преобладание этого метода объясняется его проверенной способностью изготавливать крупные детали с поверхностью класса А, обладающие отличной размерной стабильностью, где приоритет имеет контроль отверждения и сохранение волокна, а не требования к времени цикла.

Эффективность производства и стоимость: время цикла, объём и инвестиции в оснастку

Сравнение времени цикла: 15–60 секунд (литьё) против 60–300 секунд (компрессионное формование)

Изготовление методом литья под давлением позволяет значительно ускорить процессы, поскольку оно использует автоматизированные системы подачи материалов, заполняет полости под давлением и включает встроенные механизмы охлаждения. Большинство сложных деталей готовы уже через 15–60 секунд. Спрессовывание работает по-другому. Оно занимает больше времени, так как теплу требуется время для равномерного распространения по материалу, а химическим веществам — для полноценной реакции. Речь идет о циклах продолжительностью от 60 секунд до 5 минут. Исследования в области производства пластмасс показывают, что разница во времени означает, что литьевое формование может выпускать в три — пять раз больше изделий в час по сравнению со спрессовыванием при одинаковых прочих условиях. Такая скорость имеет большое значение на производстве, где важна каждая секунда.

Анализ стоимости оснастки: $25 тыс.–$250 тыс. для литейных форм против $10 тыс.–$80 тыс. для пресс-форм

Оснастка для литья под давлением обычно имеет высокую стоимость, которая варьируется от 25 тыс. до 250 тыс. долларов в зависимости от сложности. Эти расходы обусловлены такими факторами, как точно обработанные полости, правильное выравнивание нескольких полостей, сложные каналы конформного охлаждения, а также надежные механизмы выталкивания, обеспечивающие качественные детали каждый раз. Пресс-формы для компрессионного формования — совсем другая история. Им не требуются литниковые системы и ворота, равно как и сложные системы охлаждения, что значительно снижает их стоимость до примерно 10–80 тыс. долларов. Однако, когда речь заходит о долговечности, разница огромна. Инструменты для литья под давлением из закалённой стали могут работать миллионы производственных циклов без проблем. Оснастка для компрессионного формования сталкивается с совершенно иной реальностью. Она подвергается постоянным температурным перепадам и воздействию абразивного материала SMC в каждом цикле прессования, поэтому большинство таких инструментов приходится заменять уже после нескольких тысяч использований, в лучшем случае.

Подходящий объем: для крупносерийного производства предпочтительны пресс-формы литья под давлением; средние серии подходят для компрессионного формования

Для крупносерийного производства каждая сэкономленная секунда времени цикла обеспечивает экономию около 18 долларов США в час на промышленном уровне — что делает возврат инвестиций при литье под давлением привлекательным. Компрессионное формование становится экономически оправданным для среднесерийного производства, где упрощенная оснастка снижает финансовые риски и допускает более длительные сроки изготовления.

Качество изделий, допуски и конструкционные ограничения в зависимости от метода формования

Сложность конструкции: тонкие стенки, выемки и масштабируемость многополостных форм в пресс-формах литья пластмасс под давлением

Возможности проектирования с использованием литья пластмасс под давлением весьма впечатляют. Тонкие стенки толщиной до полутора миллиметров, сложные выемки, мелкие текстуры на поверхностях и несколько полостей в одной форме — всё это производители успешно реализуют уже сегодня. Что делает это возможным? Тщательно контролируемый поток расплава в сочетании с высоким давлением в полости формы и точными системами выталкивания позволяют фабрикам выпускать идентичные детали в огромных количествах — нечто такое, что невозможно при традиционных ручных методах или альтернативах с меньшим сдвиговым усилием. И когда компании работают со специальными термопластиками, тонко настраивая параметры обработки, даже самые изящные детали сохраняют стабильность размеров и требуемое качество поверхности на протяжении всего производственного цикла.

Ограничения прессования: образование заусенцев, необходимость равномерной толщины и ограничения по детализации элементов

Качество деталей при компрессионном формовании сталкивается с рядом практических ограничений, с которыми производителям необходимо считаться. Заусенцы довольно часто образуются вдоль линий разъёма из-за особенностей конструкции открытой формы, что требует дополнительных операций по обрезке. Также очень важно обеспечивать равномерную толщину стенок. При наличии колебаний толщины различные участки детали вулканизируются с разной скоростью, что может привести к таким проблемам, как коробление или участки, где материал не полностью прошёл реакцию поперечного сшивания. Детали теряются уже при разрешении около 1 мм и меньше. Острые углы склонны закругляться, текстуры становятся менее чёткими, а сложные узоры просто не передаются должным образом. Все эти проблемы в конечном счёте обусловлены тем, что давление в процессе прикладывается только в одном направлении, а также отсутствием значительного улучшения текучести материала под действием сил сдвига.

Точность по стандарту: ±0,05 мм (литье под давлением) против ±0,2 мм (прессование) по ISO 20457-2022

Согласно стандарту ISO 20457-2022, литье пластмасс под давлением обеспечивает точность размеров около ±0,05 мм, что делает его незаменимым для таких изделий, как крепёжные элементы в аэрокосмической отрасли, корпуса медицинских диагностических устройств и мелкие детали микротечных систем. Прессование, как правило, менее точно и характеризуется средним отклонением около ±0,2 мм. Почему? Здесь действует несколько факторов, включая необходимость ручной установки заготовок, различия в тепловом расширении материалов и деформации пресс-форм под длительным давлением. Разница в допусках весьма существенна, что объясняет, почему большинство производителей предпочитают литье под давлением при необходимости стабильной точности до долей миллиметра в крупносерийном производстве — обычно при объемах свыше 10 000 единиц.

Раздел часто задаваемых вопросов

В чем основное различие между литьем под давлением и компрессионным формованием?

Литье под давлением использует высокое давление для быстрого заполнения закрытых форм, тогда как компрессионное формование использует тепло и более низкое давление в открытых формах для придания формы материалам.

Почему термопласты предпочтительнее в литье под давлением?

Термопласты обладают обратимым плавлением, что соответствует быстрому тепловому циклированию литья под давлением, обеспечивая постоянную толщину стенок и высокоскоростное производство.

Где компрессионное формование особенно эффективно?

Компрессионное формование превосходно в контроле вулканизации, что делает его идеальным для термореактивных полимеров, которым требуется более медленное и равномерное распределение тепла и давления.

Каково типичное время цикла литья под давлением по сравнению с компрессионным формованием?

Циклы литья под давлением обычно длятся от 15 до 60 секунд, тогда как компрессионное формование может занимать от 60 секунд до 5 минут.

В чем разница в стоимости оснастки для двух методов формования?

Стоимость инструментов для литья под давлением составляет от $25 тыс. до $250 тыс., а стоимость инструментов для пресс-формования — от $10 тыс. до $80 тыс.