Lavoro nella progettazione e produzione di prodotti da circa 11 anni, ho lavorato molto con aziende di elettronica di consumo e alcuni fornitori automobilistici e lo stampaggio a iniezione è solo il modo predefinito per realizzare parti in plastica di qualsiasi tipo di volume. Esistono altri processi come la stampa 3D o la lavorazione CNC della plastica, ma quando sono necessarie più di 500-1000 unità, lo stampaggio a iniezione diventa l'unica cosa economicamente sensata per la maggior parte delle applicazioni.
Perché lo stampaggio a iniezione ha preso il sopravvento su tutto
Il processo in sé è piuttosto semplice:-sciogliere pellet di plastica, iniettarli ad alta pressione in uno stampo, lasciarlo raffreddare ed espellere la parte. Ripetere. Le macchine moderne possono eseguire questo ciclo in circa 15-30 secondi per pezzi piccoli, forse 60-90 secondi per pezzi più grandi. Ho osservato una macchina per lo stampaggio a iniezione Mars haitiana in una fabbrica di Shenzhen pompare le custodie degli smartphone a circa 40 secondi per ciclo, e si trattava di una parte piuttosto complessa con molteplici caratteristiche interne. Il costo degli utensili era di circa $ 12.000 USD (il direttore della fabbrica me lo ha detto nel 2018, da allora i prezzi sono decisamente aumentati).
Ciò che lo rende così dominante è la combinazione di velocità, ripetibilità e opzioni di materiali. Una volta realizzato lo stampo, ogni parte costa pochi centesimi in termini di materiale e tempo macchina. Una parte in ABS da 50 grammi potrebbe utilizzare materiale per un valore di 0,15 dollari e, se il tempo di ciclo è di 30 secondi, si tratta di 120 parti all'ora. Anche tenendo conto dei costi del tempo macchina e della manodopera, il valore stimato è di circa $ 0,30-0,50 per parte su un ciclo di produzione di 10,000+ unità.
Confrontatelo con la lavorazione CNC in cui si paga per l'usura degli utensili, tempi di ciclo più lunghi, spreco di materiale e tempo dell'operatore qualificato. Una volta che lo stampaggio a iniezione-è arrivato a $ 0,82/parte per 5.000 unità, inclusa l'attrezzatura ammortizzata, ho valutato il prezzo di un semplice progetto di custodia. La lavorazione CNC della stessa parte veniva quotata a $ 6,40/parte. Nemmeno vicino.
I dispositivi medici sono diventati strani a riguardo
Le parti mediche stampate a iniezione sono un mondo completamente diverso a causa delle normative FDA e dei requisiti di sterilizzazione. I materiali devono essere biocompatibili, il che limita notevolmente le tue opzioni. La maggior parte dei produttori di dispositivi medici utilizza materiali come policarbonato, polipropilene o tipi specializzati di polietilene. Il PEEK è popolare per gli strumenti chirurgici perché può gestire ripetuti trattamenti in autoclave senza degradarsi, ma gli strumenti PEEK sono costosi perché le temperature di lavorazione sono molto elevate (circa 370-400 gradi secondo le specifiche della scheda tecnica Victrex, victrex.com).
Qualche anno fa ho lavorato a un progetto di dispositivo medico usa e getta, semplicemente un semplice vassoio stampato a iniezione per procedure dentistiche. La sola validazione del materiale ha richiesto 4 mesi perché dovevamo dimostrare i test di biocompatibilità secondo gli standard ISO 10993. La progettazione effettiva della parte è stata eseguita in 3 settimane. La documentazione normativa era di altre 6 settimane. Questo è il motivo per cui le parti medicali stampate a iniezione costano 3-5 volte di più rispetto alle parti di consumo equivalenti, anche quando hanno un design più semplice.
La compatibilità con la sterilizzazione è molto più importante di quanto pensi la maggior parte degli ingegneri. La sterilizzazione con radiazioni gamma può causare l'ingiallimento o la fragilità di alcune plastiche. La sterilizzazione con EtO (ossido di etilene) è più delicata ma presenta problemi di assorbimento con alcuni materiali. La sterilizzazione in autoclave richiede materiali stabili a 121-134 gradi con esposizione al vapore. La scelta del materiale è dettata dal modo in cui il cliente intende sterilizzare il prodotto, non solo dai requisiti meccanici.
Parti automobilistiche che nessuno vede
I componenti del sotto-cofano automobilistico sono aggressivi sui materiali plastici. Ci sono cicli di temperatura da -40 gradi a +120 gradi, esposizione a oli e carburanti, vibrazioni e requisiti di lunga durata (solitamente 15+ anni). Questo è il motivo per cui lo stampaggio a iniezione automobilistico utilizza molti nylon riempiti di vetro-e materiali speciali per alte temperature.
I collettori di aspirazione erano in fusione di alluminio, ma ora sono per lo più realizzati in nylon riempito di vetro- stampato a iniezione. Penso che la BMW abbia iniziato a farlo alla fine degli anni '90, e tutti lo hanno seguito. Il risparmio di peso è significativo-un collettore di aspirazione in plastica può essere più leggero del 40-50% rispetto all'equivalente in alluminio. Secondo alcune analisi tratte da un documento della conferenza della Society of Plastics Engineers (spe.org, conferenza della divisione automobilistica del 2015), il passaggio ai collettori di aspirazione in plastica ha ridotto il peso del veicolo in media di 3-4 kg per veicolo, il che si traduce in un miglioramento di circa 0,1-0,15 mpg nel risparmio di carburante. Non sembra molto, ma moltiplicalo per milioni di veicoli.
I connettori e gli alloggiamenti dei sensori sono un'altra categoria enorme. Ogni sensore di un'auto moderna-temperatura, pressione, posizione, velocità, qualunque cosa-ha un alloggiamento stampato a iniezione. Questi devono essere sigillati contro acqua e polvere (solitamente con grado di protezione minimo IP67), gestire le vibrazioni e mantenere la stabilità dimensionale nell'intero intervallo di temperature. Anche le tolleranze possono essere ristrette, come ±0,05 mm per le caratteristiche di accoppiamento sui connettori elettrici.
Ho visto stampi per connettori automobilistici che costano $ 80.000-120.000 perché sono stampi familiari che producono più parti, con azioni laterali per sottosquadri e struttura in acciaio temprato per il ciclo di vita di oltre un milione di parti richiesto. Tuttavia, il costo per parte finisce per essere inferiore a $ 0,20 quando si esegue quel tipo di volume.
L’elettronica di consumo è dove si trovano i soldi
Custodie per smartphone, custodie per laptop, cornici per tablet-tutti stampati a iniezione. I requisiti di finitura superficiale sono folli rispetto ad altri settori. Sono necessarie finiture superficiali dello stampo A1 o A2 (standard SPI), il che significa un'accurata lucidatura della cavità dello stampo. Un bravo lucidatore di stampi può impiegare settimane per lucidare a mano-una grande cavità fino a ottenere una finitura a specchio.
È noto che Apple realizza cose con lo stampaggio a iniezione che altre aziende faticano a replicare. Il MacBook unibody in policarbonato del 2009-2010 è stato stampato a iniezione in un unico pezzo, il che ha richiesto una grande esperienza nella realizzazione di stampi e un controllo del processo. La maggior parte dei produttori lo dividerebbe in più parti perché è difficile ottenere uno spessore di parete uniforme ed evitare segni di avvallamento su qualcosa di così grande.
La scelta dei materiali nell’elettronica di consumo è cambiata molto negli ultimi dieci anni. L'ABS era l'impostazione predefinita per tutto, ora si vede molto più policarbonato, miscele PC/ABS e materiali PPO modificati. Parte di questo riguarda i requisiti di resistenza alla fiamma-la classificazione UL94 è importante per qualsiasi cosa contenga componenti elettronici all'interno. La maggior parte delle cose richiede almeno la valutazione V-1, molte applicazioni richiedono V-0. Ciò limita i materiali e gli additivi che è possibile utilizzare.
La corrispondenza di texture e colori è un incubo nell'elettronica di consumo. Ho lavorato con un'azienda che produceva dispositivi periferici (tastiere, mouse, quel genere di cose) e hanno effettuato 23 revisioni sulla trama di un prodotto perché il marketing continuava a cambiare idea su come avrebbe dovuto essere. Ogni revisione della struttura implicava rilucidare la cavità dello stampo con diversi elettrodi per elettroerosione o processi di incisione chimica. Il produttore dello stampo ha addebitato circa $ 2.000 per revisione della trama.
Anche la corrispondenza dei colori tra le diverse plastiche è più difficile di quanto dovrebbe essere. Se si dispone di un prodotto con coperchio superiore in PC e alloggiamento inferiore in ABS, ottenere che abbiano esattamente lo stesso colore una volta stampati è complicato perché materiali diversi assorbono i coloranti in modo diverso. Alla fine ti ritroverai con masterbatch di colori personalizzati e molte prove di stampaggio per completarlo.
Il packaging è il gigante nascosto
Nessuno pensa al packaging stampato ad iniezione ma è enorme in termini di volume. Soltanto i tappi di bottiglia-c'è una statistica da qualche parte che dice che ogni giorno in tutto il mondo vengono prodotti qualcosa come 2 miliardi di tappi di bottiglia di plastica (non riesco a trovare la fonte esatta in questo momento, ma era in un articolo di Plastics News di qualche anno fa). Ogni bottiglia d'acqua, bottiglia di soda, brocca di latte, bottiglia di shampoo ha un tappo stampato ad iniezione.
Contenitori per alimenti, confezioni per cosmetici, flaconi per medicinali-tutti stampati a iniezione. I requisiti sono diversi da quelli di altre applicazioni perché sono necessari materiali-sicuri per gli alimenti (ancora norme FDA) e una buona resistenza chimica. Il polipropilene domina questo spazio perché è economico, sicuro per gli alimenti-e chimicamente inerte. Anche l’HDPE è comune, soprattutto per bottiglie e contenitori che necessitano di una certa flessibilità.
Lo stampaggio di pareti sottili-per contenitori per alimenti è la sua specialità. Stiamo parlando di spessori di parete di 0,5-0,8 mm, che richiedono velocità di iniezione elevate e macchine specializzate con un buon controllo del tiro. I tempi di ciclo sono rapidi, come 4-8 secondi per un contenitore di yogurt. Ho visitato un produttore di imballaggi in Italia che utilizzava stampi a 48 cavità per piccoli contenitori alimentari, producendo migliaia di pezzi all'ora su un'unica macchina.
I costi degli utensili per gli stampi per imballaggio sono interessanti perché si tratta spesso di stampi familiari (cavità di dimensioni multiple) o stampi multi-cavità con un numero di cavità folle. Uno stampo per tappi di bottiglia a 96-cavità potrebbe costare $ 150,000+ ma quando si producono decine di milioni di parti, il costo degli utensili per parte diventa trascurabile.
Applicazioni industriali ed edili che durano per sempre
Involucri elettrici, scatole di giunzione, alloggiamenti di interruttori-tonnellate di parti stampate a iniezione in edifici e apparecchiature industriali. I requisiti dei materiali qui sono diversi perché è necessaria la resistenza ai raggi UV (se all'aperto), il ritardo di fiamma e la resistenza agli urti. L'ABS non funzionerà per applicazioni esterne perché si degrada se esposto ai raggi UV. L'ASA è migliore ma più costoso. Il policarbonato funziona ma ingiallisce nel tempo. Ci sono sempre dei compromessi.
Le parti di gestione dei cavi come serracavi, pressacavi e pressacavi sono per lo più stampate a iniezione. Il nylon è popolare per questo grazie alla sua tenacità e resistenza chimica. Ho lavorato con serracavi M20 e M25 che devono mantenere la tenuta IP68 dopo essere stati installati e rimossi più volte-le tolleranze dimensionali sulle filettature e sulle superfici di tenuta devono essere strette (±0,1 mm o migliore su caratteristiche critiche).
Anche i raccordi per tubi e i componenti idraulici sono una grande categoria. I raccordi in PVC e PP sono stampati a iniezione, sebbene i raccordi di grande diametro siano spesso realizzati mediante altri processi. I valori di pressione sono importanti-un raccordo classificato per 150 PSI necessita di pareti più spesse e migliori proprietà dei materiali rispetto a uno classificato per 50 PSI. I gradi dei materiali sono specificati secondo gli standard ASTM e i requisiti di test sono specificati in cose come ASTM D2846 per i raccordi in PVC.
Giocattoli e prodotti ricreativi
Ovviamente i giocattoli sono per lo più di plastica stampata ad iniezione. I mattoncini LEGO sono il classico esempio-prodotti con tolleranze incredibilmente strette (±0,01 mm o qualcosa di pazzesco del genere) in modo che si incastrino perfettamente ogni volta. Penso che LEGO utilizzi esclusivamente ABS, e praticano lo stampaggio a iniezione dagli anni '40 o '50, quindi hanno il processo completamente controllato.
Personaggi d'azione, bambole, veicoli giocattolo-tutti stampati a iniezione, solitamente multi-shot o assemblaggio di più componenti stampati. La scelta dei materiali per i giocattoli è vincolata dalle norme di sicurezza. Negli Stati Uniti esistono i requisiti CPSIA, in Europa esistono gli standard di sicurezza dei giocattoli EN 71. Alcuni plastificanti e additivi sono vietati per i prodotti per bambini, il che esclude alcune opzioni di materiali.
Anche l'attrezzatura sportiva ha molte parti stampate. Scafi per scarponi da sci, telai per pattini in linea, componenti per biciclette, equipaggiamento protettivo. I requisiti meccanici possono essere impegnativi-gli scarponi da sci devono essere sufficientemente rigidi da trasmettere la forza in modo efficiente ma non così fragili da rompersi quando fa freddo. Ciò di solito significa materiali in poliuretano o poliammide e gli spessori delle pareti diventano pesanti (3-6 mm in alcune aree).
Cosa non funziona bene con lo stampaggio a iniezione
Le parti molto grandi diventano impegnative perché sono necessarie macchine enormi e i costi degli utensili esplodono. Le fasce dei paraurti automobilistici sono quasi al limite di ciò che ha senso-quelle richiedono macchine con forza di serraggio di 1000+ tonnellate e stampi che pesano diverse tonnellate. L’investimento di capitale per tale attrezzatura è di milioni di dollari, quindi solo i grandi produttori possono farlo.
Anche le parti super piccole con tolleranze strette sono difficili. Le parti mediche micro-stampate come i componenti dei cateteri o i dispositivi microfluidici spingono i limiti di ciò che è possibile. Hai a che fare con dimensioni del punto di iniezione inferiori a 0,3 mm, dimensioni della cavità misurate in decimi di millimetro e controllo del processo che richiede sistemi di feedback attivi. I tassi di scarto possono essere elevati anche con stampi perfetti perché piccole quantità di contaminazione o variazioni di processo causano problemi.
Le parti con sezioni molto spesse non si modellano bene a causa del tempo di raffreddamento e dei segni di avvallamento. Qualunque cosa con uno spessore della parete superiore a 6-8 mm inizia a dare problemi. L'esterno si raffredda e si solidifica mentre l'interno è ancora fuso, e quando il centro si raffredda si restringe, tirando la superficie esterna verso l'interno e creando segni di avvallamento o vuoti. A volte puoi compensare con la pressione dell'imballaggio e tempi di raffreddamento più lunghi, ma è sempre una lotta. Se possibile, è meglio ridisegnare la parte con nervature o sezioni cave.
I materiali che non sono termoplastici non funzionano affatto. I termoindurenti come le resine epossidiche o fenoliche necessitano di processi diversi (stampaggio a compressione o stampaggio a trasferimento). Ovviamente i metalli non possono essere stampati a iniezione, sebbene lo stampaggio a iniezione di metalli (MIM) esista come processo correlato per i metalli in polvere.
L'economia quando stai cercando di prendere una decisione
Per quantità ridotte (meno di 1.000 parti) lo stampaggio a iniezione di solito non ha senso a meno che non siano necessarie proprietà specifiche del materiale o finiture superficiali che non è possibile ottenere in altri modi. Il costo degli utensili prevale sul costo per-parte in caso di volumi bassi. Un semplice prototipo di stampo potrebbe costare dai 3.000 ai 5.000 dollari, ma il costo viene ripartito su un numero limitato di parti.
Il punto di passaggio in cui lo stampaggio a iniezione diventa più economico rispetto ad altri processi dipende dalla complessità e dalle dimensioni della parte, ma di solito è compreso tra 500 e 2000 unità. Al di sotto di ciò, la stampa 3D o la lavorazione CNC tendono ad essere più economiche. Oltre a ciò, vince lo stampaggio a iniezione.
Di solito dico alle persone di pensarla in questo modo: se l'attrezzatura costa $ 10.000 e le parti costano $ 0,50 ciascuna per essere stampate, è necessario produrre 20.000 parti prima che il-costo per parte scenda al di sotto di $ 1,00 ($ 10.000/20,000 + $ 0,50). Se ti servono solo 1.000 parti, il costo per-parte è in realtà $ 10,50 ($ 10.000/1,000 + $ 0,50). Ciò cambia completamente il calcolo.
I volumi di produzione nell’ordine dei milioni sono il punto in cui lo stampaggio a iniezione brilla davvero. Il costo per-parte può scendere a livelli ridicoli-come $ 0,10-0,20 per le parti semplici. Il costo degli utensili viene ammortizzato su così tante parti che ha poca importanza. Questo è il motivo per cui i prodotti di consumo usa e getta sono quasi tutti stampati a iniezione: rasoi, penne, bottiglie, contenitori, qualunque cosa. I margini funzionano quando la realizzazione di ciascuna parte costa pochi centesimi.
Ci sono molte più applicazioni di quelle che ho trattato qui (componenti di mobili, parti di elettrodomestici, lenti ottiche, pezzi di strumenti musicali, probabilmente un centinaio di altre categorie), ma questi sono i principali settori con cui mi sono occupato. La versatilità del processo è ciò che lo rende così dominante-che puoi realizzare un componente di precisione da 1 grammo o un pannello automobilistico da 5 chilogrammi con praticamente la stessa tecnologia fondamentale, solo ingrandita o ridotta.
Ci sono molte più applicazioni di quelle che ho trattato qui (componenti di mobili, parti di elettrodomestici, lenti ottiche, pezzi di strumenti musicali, probabilmente un centinaio di altre categorie), ma questi sono i principali settori con cui mi sono occupato. La versatilità del processo è ciò che lo rende così dominante-che puoi realizzare un componente di precisione da 1 grammo o un pannello automobilistico da 5 chilogrammi con praticamente la stessa tecnologia fondamentale, solo ingrandita o ridotta.
Se stai entrando in questo campo, dedica del tempo a capire come progettare correttamente le parti stampate a iniezione perché la strategia di stampaggio a iniezione della linea di giunzione influisce su tutto a valle. Ho visto troppi ingegneri ordinare parti stampate a iniezione senza considerare le specifiche estetiche delle parti stampate a iniezione, per poi lamentarsi del costo della parte stampata a iniezione quando sono necessarie revisioni. I difetti comuni nelle parti stampate a iniezione di solito sono riconducibili a problemi di progettazione-come lo stampaggio a iniezione di parti spesse senza canali di raffreddamento adeguati o il tentativo di stampaggio a iniezione di parti di grandi dimensioni senza capire come funziona il flusso del materiale in cavità più grandi. Anche le competenze richieste variano notevolmente: lo stampaggio a iniezione di parti automobilistiche in plastica richiede conoscenze diverse rispetto allo stampaggio a iniezione per parti aeronautiche, e processi specializzati come parti stampate a iniezione a reazione o parti stampate a iniezione metallica hanno competenze completamente diverse. Anche la post-problemi di lavorazione-la ricottura delle parti in plastica stampate a iniezione può ridurre le sollecitazioni residue che causano problemi di deformazione mesi dopo la produzione. Sia che tu stia lavorando con un basicparti di stampi per stampaggio ad iniezioneQuando si impostano o valutano le parti in plastica prodotte da un'operazione di stampaggio a iniezione, la comprensione dei fondamenti previene errori successivi costosi. La tecnologia non andrà da nessuna parte-le parti stampate a iniezione e le parti stampate a iniezione in plastica continueranno a dominare la produzione perché nient'altro è così scalabile.