Руководство по методам производства изделий из пластмасс

3D-принтеры позволяют получать трехмерные изделия непосредственно из моделей САПР, создавая материал слой за слоем, пока не будет сформирована полноценная физическая модель.

1. Настройка печати: программное обеспечение для подготовки к печати используется для ориентирования и размещения моделей в объеме печати принтера, для добавления поддерживающих структур (при необходимости) и для разделения поддерживаемой модели на слои.
2. Печать: процесс печати зависит от типа технологии 3D-печати: моделирование методом наплавления (FDM) расплавляет пластиковую нить, стереолитография (SLA) отверждает жидкий полимер, а селективное лазерное спекание (SLS) расплавляет порошковый пластик.
3. Постобработка: по завершении печати модели извлекают из принтера, очищают или промывают, подвергают финальной полимеризации (в зависимости от технологии), а поддерживающие структуры удаляют (если применимо).

3D-принтерам не требуется дополнительного инструментария и достаточно минимального времени на настройку для нового проекта, поэтому стоимость изготовления нестандартной модели незначительна по сравнению с традиционными методами производства.

Методы 3D-печати обычно более медленные и трудоемкие, чем методы массового производства.

По мере совершенствования технологий 3D-печати затраты на одну модель будут и дальше снижаться, а сфера областей применения — становиться все шире.

В то время как для большинства методов производства изделий из пластмасс требуются дорогая промышленная техника, специализированное оборудование и квалифицированные операторы, 3D-печать позволяет компаниям самостоятельно и легко создавать пластиковые детали и прототипы.

Компактные настольные 3D-принтеры и 3D-принтеры для мастерских для создания изделий из пластмасс имеют низкую стоимость, а для работы с ними не требуется много места и специальных навыков. Это позволяет профессиональным инженерам, дизайнерам и производителям ускорить итерацию и производственные циклы с нескольких дней или недель до нескольких часов.

На рынке представлено множество типов 3D-принтеров и технологий 3D-печати, а доступные материалы отличаются в зависимости от технологии.

Обработка на станке с ЧПУ предполагает использование фрезерных и токарных станков, а также другие управляемые компьютером субтрактивные процессы. Эти процессы начинаются с создания цельных блоков, балок, штанг из металла или пластика, которые формируются посредством удаления материала с помощью резки, растачивания, сверления и шлифования.

В отличие от большинства других методов производства изделий из пластмасс обработка на станке с ЧПУ — субтрактивный процесс, при котором материал удаляется либо давильным инструментом и фиксированной деталью (фрезерный станок), либо давильной деталью с фиксированным инструментом (токарный станок).

1. Настройка задания: станкам требуется промежуточный этап создания и проверки траекторий (из САПР в АСУП). Траектории определяют, где и с какой скоростью движутся режущие инструменты, а также необходимость в смене инструмента.
2. Обработка на станке: траектории отправляют на станок, где начинается конкретный субтрактивный процесс. В зависимости от желаемой формы конечного продукта может потребоваться установка заготовки в новом положении, чтобы головка инструмента могла достигать новых участков.
3. Постобработка: готовую деталь очищают, обрабатывают от заусенцев и обрезают.

Обработка на станке идеально подходит для мелкосерийного производства пластмассовых моделей, требующих жестких допусков и отличающихся сложными геометрическими формами. Типичные области применения включают прототипирование и детали конечного пользования, такие как шкивы, шестерни и втулки.

Обработка на станке с ЧПУ характеризуется низкими или умеренными затратами на установку и позволяет производить высококачественные пластмассовые компоненты в короткие сроки из широкого спектра материалов.

Процессы обработки имеют больше ограничений относительно геометрии моделей, чем 3D-печать. При обработке на станке стоимость модели увеличивается соразмерно ее сложности. Подрезы, сквозные отверстия и элементы на нескольких гранях модели способствуют увеличению ее стоимости.

Процессы обработки на станке требуют допуска для доступа к инструменту, при этом трудно или невозможно добиться определенных геометрических форм, таких как изогнутые внутренние каналы, с помощью стандартных субстрактивных методов.

Большинство твердых пластмасс поддаются обработке на станке, однако есть некоторые сложности. Для более мягких термореактивных пластмасс необходим специальный инструментарий для поддержки деталей во время обработки, а наполненные пластмассы могут оказаться абразивными и снизить срок службы режущего инструмента.

Некоторые пластмассы, которые подходят для обработки на станке:

• Акрил (ПММА)
• Акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС)
• Полиамид (ПА)
• Полимолочная кислота (ПЛА)
• Поликарбонат (ПК)
• Полиэфирэфиркетон (ПЭЭК)
• Полиэтилен (ПЭ)
• Полипропилен (ПП)
• Поливинилхлорид (ПВХ)
• Поликарбонат (ПК)
• Полистирол (ПС)
• Полиоксиметилен (ПОМ)

При литье полимеров реактивный жидкий полимер или резина заполняет форму, которая вступает в химическую реакцию и затвердевает. Типичные полимеры для литья — полиуретан, эпоксидная смола, силикон и акрил.

1. Подготовка пресс-формы: форму покрывают разделительным агентом, чтобы облегчить извлечение модели из пресс-формы, а также часто предварительно нагревают до определенной температуры материала.
2. Литье: синтетический полимер смешивают с отверждающим веществом и заливают или впрыскивают в пресс-форму для заполнения ее полости.
3. Отверждение: отлитый материал полимеризуют в пресс-форме до тех пор, пока он не станет твердым (нагревание пресс-формы может ускорить время полимеризации некоторых полимеров).
4. Извлечение модели из пресс-формы: форму открывают, и отвержденную модель извлекают.
5. Обрезка: недостатки литья, такие как заусенцы, литники и швы, обрезают или шлифуют.

Гибкие пресс-формы, изготовленные из латексного каучука или вулканизированного при комнатной температуре силиконового каучука, дешевле инструментальной оснастки, но позволяют производить только ограниченное количество (от 25 до 100) отливок, так как химическая реакция уретанов, эпоксидных смол, полиэфира и акрила негативно влияет на качество поверхности пресс-формы.

Пресс-формы, изготовленные из вулканизированного при комнатной температуре силиконового каучука, позволяют воспроизводить даже мельчайшие детали, создавая высококачественные литые модели.Стереолитографическая 3D-печать — распространенный способ создания пресс-форм непосредственно из проектов САПР, отчасти из-за ее высокого разрешения и аналогичной способности создавать мелкие детали.

Литье полимеров относительно недорогое и требует небольших начальных инвестиций, но термореактивные полимеры для литья обходятся обычно дороже, чем их термопластические аналоги, а формовка отлитых моделей — трудоемкий процесс. Постобработка каждой отлитой модели тоже достаточно трудоемка, что повышает конечную стоимость модели по сравнению с автоматизированными методами производства, такими как литье под давлением.

Литье полимеров обычно используется для прототипирования, мелкосерийного производства, а также для производства стоматологических и ювелирных изделий.

• Полиуретан
• Эпоксидная смола
• Простой полиэфир
• Полиэфир
• Акрил
• Силикон

Центробежное литье (ротационное формование) — этот процесс, который включает в себя нагрев полой пресс-формы, заполненной порошкообразным термопластом и вращаемой вокруг двух осей для производства, в основном, больших полых моделей. Процессы центробежного литья также доступны для термореактивных пластиков, но они менее распространены.

1. Загрузка: пластиковый порошок загружают в полость пресс-формы, а затем устанавливают остальные части пресс-формы, закрывая полость для нагрева.
2. Нагревание: пресс-форму нагревают до тех пор, пока пластиковый порошок не расплавится и не прилипнет к стенкам пресс-формы. При этом пресс-форму вращают вдоль двух перпендикулярных осей, чтобы добиться однородного пластикового покрытия.
3. Охлаждение: форму медленно охлаждают, но продолжают вращать, чтобы оболочка модели не провисла или не разрушилась прежде своего полного затвердевания.
4. Извлечение модели из пресс-формы: модель извлекают из формы, заусенцы убирают.

Для центробежного литья требуются менее дорогие инструменты, чем для других методов формования, поскольку для заполнения формы используется центробежная сила, а не давление. Пресс-формы могут быть изготовлены на заводе, обработаны на станке с ЧПУ, отлиты или сформированы из эпоксидной смолы или алюминия с меньшими затратами и намного быстрее, чем инструменты для других процессов формования, особенно предназначенных для крупных деталей.

Ротационное формование позволяет получать детали с почти одинаковой толщиной стенок. После того как инструментарий и процесс настроены, стоимость модели оказывается очень низкой по сравнению с ее размером. Также в пресс-форму можно добавлять предварительно обработанные элементы: металлическую резьбу, внутренние трубы и конструкции.

Эти факторы делают центробежное литье идеальным для мелкосерийного производства или в качестве альтернативы выдувному формованию для изготовления небольших объемов моделей. Обычно посредством центробежного литья изготавливают цистерны, буи, большие контейнеры, игрушки, шлемы и корпуса каноэ.

Ротационное формование имеет некоторые конструктивные ограничения, а готовая продукция обладает более низкими допусками. Поскольку вся пресс-форма должна быть нагрета и охлаждена, длительность процесса и его трудоемкость значительно возрастают, что снижает его эффективность для изготовления больших объемов моделей.

Самый популярный материал для центробежного литья — полиэтилен (ПЭ), который используется в 80 % случаев, в основном потому, что его можно легко измельчить в порошок при комнатной температуре.

К пластикам, подходящим для центробежного литья, относятся:

• Полиэтилен
• Полипропилен
• Поливинилхлорид
• Нейлон
• Поликарбонат

Вакуумное формование — это метод производства, при котором пластик нагревают и формуют, обычно с использованием пресс-формы. Вакуум-формовочные машины различаются по размеру и сложности: от недорогих настольных устройств до автоматизированного промышленного оборудования. Ниже приведены этапы типичного процесса промышленного вакуумного формования.

1. Зажим: пластиковый лист зажимают в раме.
2. Нагревание: лист и раму перемещают близко к нагревательным элементам, благодаря чему пластик становится мягким и пластичным.
3. Вакуум: раму опускают, и пластик растягивается над формой, в то время как вакуум активируется, чтобы всосать весь воздух между пластиком и формой и в результате сформировать модель.
4. Охлаждение и извлечение модели из пресс-формы: после того как модель сформирована над пресс-формой, перед извлечением ей необходимо дать время остыть. Для сокращения длительности цикла иногда используются системы охлаждения — вентиляторы и распыляемый туман.
5. Обрезка: как только модель извлечена, излишки материала обрезают вручную или на станке с ЧПУ.

Затраты на инструментальную оснастку для вакуумного формования невысоки по сравнению с другими методами формования из-за небольших сил и давления. Пресс-формы изготавливают из дерева, гипса или напечатанного на 3D-принтере полимера для небольших объемов производства и производства нестандартных моделей. Для больших объемов производства используют более прочный металлический инструментарий.

Учитывая широкий спектр доступных термоформовочных и вакуум-формовочных машин, а также широкие возможности автоматизации, термоформование идеально подходит для любой сферы применения: от изготовления нестандартных продуктов или прототипов до массового производства. Однако этот процесс отличается ограниченной свободой форм и может использоваться только для изготовления моделей с относительно тонкими стенками и простой геометрией.

Обычно при помощи вакуумного формования изготавливают упаковки для продуктов, душевые поддоны, обшивку автомобильных дверей, корпуса лодок и нестандартные изделия, такие как зубные элайнеры.

Для термоформования можно использовать большинство термопластиков, что обеспечивает гибкий выбор материала.

Среди пластиков, обычно используемых для термоформования:

• Акрил (ПММА)
• Акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС)
• Полиэтилентерефталатгликоль (ПЭТГ)
• Полистирол (ПС)
• Поликарбонат (ПК)
• Полипропилен (ПП)
• Полиэтилен (ПЭ)
• Поливинилхлорид (ПВХ)

Литье под давлением заключается во впрыскивании расплавленного термопластика в пресс-форму. Это наиболее широко используемый процесс массового производства пластиковых моделей.

1. Настройка пресс-формы: если в модели есть вставки, их добавляют вручную или с помощью роботов. Пресс-форма закрывается гидравлическим прессом.
2. Экструзия пластика: маленькие пластиковые гранулы плавят и экструдируют через нагретую камеру с помощью шнека.
3. Формование: расплавленный пластик впрыскивается в пресс-форму.
4. Охлаждение и извлечение: модель охлаждают в пресс-форме до тех пор, пока она не станет достаточно твердой для извлечения механическим путем или с помощью сжатого воздуха.
5. Постобработка: обычно модель очищается от литников, направляющих и заусенцев (если применимо) автоматически во время открытия пресс-формы.

Пресс-формы для литья под давлением очень сложны и должны изготавливаться с жесткими допусками для производства высококачественных моделей. Из-за высокой температуры и давления пресс-формы изготавливаются из таких металлов, как, например, закаленная сталь. Более мягкие алюминиевые пресс-формы дешевле, но они быстрее изнашиваются, поэтому обычно используются для сокращенных производственных циклов.

Литье под давлением можно использовать для производства очень сложных деталей, но определенные геометрические формы значительно увеличивают стоимость. Следование руководствам по проектированию поможет снизить затраты на инструментарий. Создание новых пресс-форм для литья под давлением может занять месяцы, а их стоимость может оказаться пяти- или шестизначной.

Несмотря на высокие начальные затраты и медленное наращивание производственных мощностей, литье под давлением не имеет себе равных при работе с большими объемами. После того как инструментарий запущен и работает, цикл занимает всего несколько секунд, и миллионы высококачественных моделей могут быть изготовлены по небольшой стоимости, по сравнению с любыми другими производственными процессами.

Для литья под давлением можно использовать практически любой тип термопластика. Аналогичный метод известного реактивного литья под давлением применяется для изготовления моделей из термореактивных пластмасс.

Среди пластиков, обычно используемых для литья под давлением:

• Акрил (ПММА)
• Акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС)
• Полиамид (ПA)
• Полиэтилентерефталатгликоль (ПЭТГ)
• Полистирол (ПС)
• Поликарбонат (ПК)
• Полипропилен (ПП)
• Полиэтилен (ПЭ)
• Поливинилхлорид (ПВХ)

Экструзионное формование заключается в продавливании пластика через формующее отверстие. Форма формующего отверстия представляет собой поперечное сечение конечной модели.

1. Пластиковая экструзия: пластик нагревают и проталкивают через нагретую камеру с помощью шнека.
2. Формование: пластик продавливают через формующее отверстие, которое создает окончательную форму модели.
3. Охлаждение: экструдированный пластик охлаждают.
4. Нарезка или катушка: сплошную форму наматывают на катушку или нарезают на куски.

Экструзионное оборудование стоит дешевле другого промышленного оборудования, такого как станки с ЧПУ или аппараты для литья под давлением, поскольку оно более простое и не требует высокой точности оборудования. Благодаря своей простой форме формующие отверстия также менее дорогие, а инструменты дешевле пресс-форм для литья под давлением.

Экструзионное формование, как и литье под давлением, — почти непрерывный процесс, что значительно снижает стоимость экструдированных моделей.

Формы, которые можно изготовить с помощью экструзии, ограничиваются изделиями со сплошными профилями, такими как Т-образные, двутавровые, L-образные, U-образные сечения, а также квадратные или круглые сечения. Экструзия используется для изготовления труб, шлангов и молдингов оконных рам.

Практически любой вид экструдированного термопластика, в том числе:

• Акрил (ПММА)
• Акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС)
• Полиамид (ПA)
• Полиэтилентерефталатгликоль (ПЭТГ)
• Полистирол (ПС)
• Поликарбонат (ПК)
• Полипропилен (ПП)
• Полиэтилен (ПЭ)
• Поливинилхлорид (ПВХ)

Выдувное формование — это производственный метод, используемый для создания полых пластиковых моделей путем выдувания нагретой пластиковой трубки внутри пресс-формы до тех пор, пока она не примет желаемую форму.

1. Настройка пресс-формы: небольшие пластиковые гранулы плавят и формуют в полую трубку, называемую заготовкой или преформой (в зависимости от подтипа выдувного формования).
2. Формование: заготовку зажимают в пресс-форму и выдувают сжатым воздухом до тех пор, пока она не приобретет форму внутренней части пресс-формы.
3. Охлаждение и извлечение модели из пресс-формы: модель охлаждают в пресс-форме до тех пор, пока не станет достаточно твердой для того, чтобы ее извлечь.

Выдувное формование требует гораздо более низких показателей давления, чем литье под давлением, а инструментарий для него стоит дешевле. Подобно литью под давлением и экструзии, выдувное формование — непрерывный процесс, который можно полностью автоматизировать, что обеспечивает высокую производительность и низкие затраты на единицу продукции.

Выдувное формование — самый популярный процесс масштабного создания полых пластмассовых изделий. Выдувное формование используется для изготовления бутылок, игрушек, автомобильных компонентов, промышленных моделей и упаковки.

Для выдувного формования используются различные термопластики, среди которых:

• Полиэтилентерефталат (ПЭТ)
• Полипропилен (ПП)
• Поливинилхлорид (ПВХ)
• Полистирол (ПС)
• Поликарбонат (ПК)
• Акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС)