Ik heb zo'n elf jaar in productontwerp en -productie gewerkt, heb veel samengewerkt met consumentenelektronicabedrijven en een aantal autoleveranciers, en spuitgieten is gewoon de standaardmanier om plastic onderdelen in elk soort volume te maken. Er zijn andere processen zoals 3D-printen of CNC-bewerking van plastic, maar zodra je meer dan misschien 500-1000 eenheden nodig hebt, wordt spuitgieten het enige dat economisch zinvol is voor de meeste toepassingen.
Waarom spuitgieten alles overnam
Het proces zelf is vrij eenvoudig-plastic pellets smelten, onder hoge druk in een mal injecteren, laten afkoelen en het onderdeel uitwerpen. Herhalen. Moderne machines kunnen deze cyclus in 15-30 seconden uitvoeren voor kleine onderdelen, misschien in 60-90 seconden voor grotere onderdelen. Ik zag een Haïtiaanse Mars-spuitgietmachine in een fabriek in Shenzhen smartphonehoesjes uitpompen met een snelheid van ongeveer 40 seconden per cyclus, en dat was voor een behoorlijk complex onderdeel met meerdere interne functies. De gereedschapskosten bedroegen ergens rond de $ 12.000 USD (de fabrieksmanager vertelde me dit in 2018, de prijzen zijn sindsdien zeker gestegen).
Wat het zo dominant maakt, is de combinatie van snelheid, herhaalbaarheid en materiaalopties. Als de mal eenmaal is gemaakt, kost elk onderdeel centen aan materiaal en machinetijd. Voor een ABS-onderdeel van 50 gram kan materiaal ter waarde van $ 0,15 nodig zijn, en als de cyclustijd 30 seconden is, zijn dat 120 onderdelen per uur. Zelfs als we rekening houden met de tijdskosten en de arbeid van de machine, kijk je uit op misschien $ 0,30-0,50 per onderdeel bij een productierun van 10,000+ eenheden.
Vergelijk dat eens met CNC-bewerking, waarbij u betaalt voor gereedschapslijtage, langere cyclustijden, materiaalverspilling en bekwame operatortijd. Ik heb een eenvoudig behuizingsontwerp geprijsd toen-spuitgieten $ 0,82 per onderdeel opleverde voor 5.000 eenheden, inclusief afgeschreven gereedschap. De CNC-bewerking van hetzelfde onderdeel kostte $ 6,40 per onderdeel. Niet eens in de buurt.
Medische apparaten zijn hier vreemd over geworden
Medische spuitgietonderdelen zijn een heel andere wereld vanwege FDA-voorschriften en sterilisatievereisten. De materialen moeten biocompatibel zijn, wat uw mogelijkheden aanzienlijk beperkt. De meeste medische fabrikanten gebruiken materialen als polycarbonaat, polypropyleen of gespecialiseerde soorten polyethyleen. PEEK is populair voor chirurgische instrumenten omdat het herhaaldelijk autoclaveren aankan zonder de kwaliteit ervan te verslechteren, maar PEEK-gereedschap is duur omdat de verwerkingstemperaturen zo hoog zijn (rond de 370-400 graden volgens de specificaties van Victrex datasheet, victrex.com).
Een paar jaar geleden werkte ik aan een project voor een wegwerpbaar medisch apparaat, gewoon een eenvoudig spuitgegoten bakje voor tandheelkundige ingrepen. Alleen al de materiaalvalidatie duurde vier maanden omdat we biocompatibiliteitstesten moesten bewijzen volgens de ISO 10993-normen. Het daadwerkelijke onderdeelontwerp werd in 3 weken voltooid. De wettelijke documentatie duurde nog eens 6 weken. Dit is de reden dat medische spuitgegoten onderdelen 3 tot 5x duurder zijn dan vergelijkbare consumentenonderdelen, zelfs als het een eenvoudiger ontwerp is.
Compatibiliteit met sterilisatie is veel belangrijker dan de meeste ingenieurs denken. Sterilisatie met gammastraling kan ertoe leiden dat sommige kunststoffen vergelen of broos worden. Sterilisatie met EtO (ethyleenoxide) is zachter, maar geeft bij bepaalde materialen absorptieproblemen. Autoclaafsterilisatie vereist materialen die stabiel zijn bij 121-134 graden met blootstelling aan stoom. Uw materiaalkeuze wordt bepaald door de manier waarop de klant het product wil steriliseren, en niet alleen door mechanische vereisten.
Auto-onderdelen die niemand ziet
Auto-onderdelen onder-de motorkap zijn wreed tegen plastic materialen. Je hebt temperatuurwisselingen van -40 graden tot 120 graden +, blootstelling aan oliën en brandstoffen, trillingen en lange levensduur (meestal 15+ jaar). Dit is de reden waarom bij het spuitgieten van auto's veel met glas-gevulde nylons en speciale materialen voor hoge temperaturen worden gebruikt.
Inlaatspruitstukken waren vroeger aluminium gietstukken, maar nu zijn ze meestal van spuitgegoten glas-gevuld nylon. BMW begon hiermee eind jaren negentig, denk ik, en iedereen volgde. De gewichtsbesparing is aanzienlijk.-Een plastic inlaatspruitstuk kan 40-50% lichter zijn dan het aluminium equivalent. Volgens een analyse uit een conferentiepaper van de Society of Plastics Engineers (spe.org, conferentie van de automobieldivisie 2015) verminderde de overstap naar plastic inlaatspruitstukken het voertuiggewicht met gemiddeld 3-4 kg per voertuig, wat zich vertaalt in een verbetering van het brandstofverbruik met ongeveer 0,1-0,15 mpg. Klinkt niet veel, maar vermenigvuldig dat over miljoenen voertuigen.
Connectoren en sensorbehuizingen vormen een andere grote categorie. Elke sensor in een moderne auto-temperatuur, druk, positie, snelheid, of wat dan ook-heeft een spuitgegoten behuizing. Deze moeten worden afgedicht tegen water en stof (meestal minimaal IP67-classificatie), trillingen aankunnen en de maatvastheid over het hele temperatuurbereik behouden. De toleranties kunnen ook krap zijn, zoals ±0,05 mm voor passende kenmerken op elektrische connectoren.
Ik heb mallen voor auto-connectoren gezien die $80.000-120.000 dollar kosten, omdat het familiematrijzen zijn die meerdere onderdelen maken, met zijdelingse acties voor ondersnijdingen en een constructie van gehard staal voor de vereiste levenscycli van meer dan een miljoen onderdelen. De kosten per onderdeel bedragen echter minder dan $ 0,20 als je dat soort volume gebruikt.
Consumentenelektronica is waar het geld zit
Smartphonebehuizingen, laptophoezen, tabletframes-allemaal spuitgegoten. De vereisten voor oppervlakteafwerking zijn krankzinnig vergeleken met andere industrieën. U hebt een A1- of A2-matrijsoppervlakteafwerking nodig (SPI-normen), wat een uitgebreide polijsting van de matrijsholte betekent. Het kan met een goede vormpolijstmachine weken duren om-een grote holte met de hand te polijsten tot een spiegelafwerking.
Het is bekend dat Apple dingen doet met spuitgieten die andere bedrijven moeilijk kunnen repliceren. De unibody polycarbonaat MacBook uit 2009-2010 werd uit één stuk spuitgegoten, wat een enorme expertise op het gebied van matrijzenbouw en procescontrole vereiste. De meeste fabrikanten zouden dat in meerdere delen opsplitsen, omdat het moeilijk is om een uniforme wanddikte te krijgen en zinksporen op zoiets groots te vermijden.
De materiaalkeuze in consumentenelektronica is de afgelopen tien jaar veel veranderd. Vroeger was ABS de standaard voor alles, nu zie je veel meer polycarbonaat, PC/ABS-mengsels en gemodificeerde PPO-materialen. Onderdeel hiervan zijn vlamvertragingsvereisten-de UL94-classificatie is van belang voor alles waar elektronica in zit. De meeste dingen hebben minimaal een V-1-classificatie nodig, veel toepassingen vereisen V-0. Dit beperkt welke materialen en additieven u kunt gebruiken.
Textuur- en kleurafstemming zijn een nachtmerrie in consumentenelektronica. Ik werkte met een bedrijf dat randapparatuur maakte (toetsenborden, muizen, dat soort dingen) en ze hadden 23 herzieningen van de textuur voor één product, omdat de marketing steeds van gedachten veranderde over hoe het zou moeten aanvoelen. Elke textuurrevisie betekende het opnieuw polijsten van de vormholte met verschillende EDM-elektroden of chemische etsprocessen. De mallenmaker rekende ongeveer $ 2.000 per textuurrevisie.
Kleurafstemming tussen verschillende kunststoffen is ook moeilijker dan zou moeten. Als je een product hebt met een pc-bovenklep en een ABS-onderbehuizing, is het lastig om ze bij het gieten exact dezelfde kleur te krijgen, omdat verschillende materialen kleurstoffen anders opnemen. Je krijgt uiteindelijk aangepaste kleurenmasterbatches en veel proefgieten om het in te bellen.
Verpakking is de verborgen reus
Niemand denkt aan spuitgietverpakkingen, maar qua volume is het enorm. Alleen al flessendoppen-er is ergens een statistiek die zegt dat er wereldwijd dagelijks ongeveer 2 miljard plastic flessendoppen worden gemaakt (ik kan de exacte bron nu niet vinden, maar deze stond in een Plastics News-artikel van een paar jaar geleden). Elke waterfles, frisdrankfles, melkkan, shampoofles heeft een spuitgegoten dop.
Voedselcontainers, cosmetische verpakkingen, medicijnflessen-allemaal spuitgegoten. De vereisten zijn anders dan bij andere toepassingen, omdat je voedsel-veilige materialen (opnieuw FDA-regelgeving) en goede chemische bestendigheid nodig hebt. Polypropyleen domineert deze ruimte omdat het goedkoop, voedsel-veilig en chemisch inert is. HDPE is ook gebruikelijk, vooral voor flessen en containers die enige flexibiliteit nodig hebben.
Dun-wandgietwerk voor voedselcontainers is zijn eigen specialiteit. Je hebt het over wanddiktes van 0,5-0,8 mm, wat hoge injectiesnelheden en gespecialiseerde machines met goede schotcontrole vereist. De cyclustijden zijn echter snel, zoals 4-8 seconden voor een yoghurtcontainer. Ik bezocht een verpakkingsfabrikant in Italië die mallen met 48 holtes draaide voor kleine voedselcontainers, waarbij duizenden onderdelen per uur op één enkele machine werden gemaakt.
De gereedschapskosten voor verpakkingsmatrijzen zijn interessant omdat het vaak familiematrijzen zijn (meerdere holtegroottes) of mallen met meerdere- holtes en een waanzinnig aantal holtes. Een flesdopvorm met 96- holtes kost misschien $ 150,000+ maar als je tientallen miljoenen onderdelen maakt, worden de gereedschapskosten per onderdeel verwaarloosbaar.
Industriële en bouwtoepassingen die eeuwig meegaan
Elektrische behuizingen, aansluitdozen, schakelaarbehuizingen-Tonnen spuitgegoten onderdelen in gebouwen en industriële apparatuur. De materiaaleisen zijn hier anders omdat je UV-bestendigheid (indien buiten), vlamvertraging en slagvastheid nodig hebt. ABS werkt niet voor buitentoepassingen omdat het afbreekt onder blootstelling aan UV. ASA is beter maar duurder. Polycarbonaat werkt, maar vergeelt na verloop van tijd. Er zijn altijd compromissen.
Kabelbeheeronderdelen zoals snoergrepen, trekontlastingen en wartels zijn meestal spuitgegoten. Nylon is hiervoor populair vanwege de taaiheid en chemische bestendigheid. Ik heb gewerkt met M20- en M25-snoergrepen die een IP68-afdichting moeten behouden nadat ze meerdere keren zijn geïnstalleerd en verwijderd.-De maattoleranties op de schroefdraden en afdichtingsoppervlakken moeten krap zijn (±0,1 mm of beter op kritische kenmerken).
Pijpfittingen en sanitaircomponenten vormen ook een grote categorie. PVC- en PP-fittingen zijn spuitgegoten, hoewel het spul met grote diameter vaak met andere processen wordt gemaakt. De drukwaarden zijn van belang-een fitting met een classificatie van 150 PSI heeft dikkere wanden en betere materiaaleigenschappen nodig dan een fitting met een classificatie van 50 PSI. De materiaalkwaliteiten zijn gespecificeerd volgens ASTM-normen en testvereisten zijn vastgelegd in zaken als ASTM D2846 voor PVC-fittingen.
Speelgoed en recreatieve producten
Uiteraard bestaat speelgoed meestal uit spuitgegoten plastic. LEGO-stenen zijn het klassieke voorbeeld-vervaardigd met ongelooflijk nauwe toleranties (±0,01 mm of iets dergelijks), zodat ze elke keer weer perfect in elkaar passen. LEGO gebruikt uitsluitend ABS denk ik, en ze doen al sinds de jaren 40 of 50 aan spuitgieten, dus ze hebben het proces volledig op maat gemaakt.
Actiefiguren, poppen, speelgoedvoertuigen-allemaal spuitgegoten, meestal multi-shot of assemblage van meerdere gegoten componenten. De materiaalkeuze voor speelgoed wordt beperkt door veiligheidsvoorschriften. In de VS zijn er CPSIA-vereisten, in Europa zijn er EN 71 speelgoedveiligheidsnormen. Bepaalde weekmakers en additieven zijn verboden voor kinderproducten, waardoor sommige materiële opties uitgesloten zijn.
Sportuitrusting heeft ook veel gegoten onderdelen. Skischoenschalen, inline skateframes, fietsonderdelen, beschermende uitrusting. De mechanische eisen kunnen hoog zijn-skischoenen moeten stijf genoeg zijn om de kracht efficiënt over te brengen, maar niet zo broos dat ze barsten bij koud weer. Dit betekent meestal polyurethaan- of polyamidematerialen, en de wanddiktes worden zwaar (3-6 mm in sommige gebieden).
Wat gaat er niet goed bij spuitgieten?
Zeer grote onderdelen worden een uitdaging omdat je enorme machines nodig hebt en de gereedschapskosten explosief stijgen. Bumperboeiboorden voor auto's bevinden zich ongeveer op de grens van wat logisch is-hiervoor zijn machines met een sluitkracht van 1000+ ton en mallen nodig die enkele tonnen wegen. De kapitaalinvestering voor die apparatuur bedraagt miljoenen dollars, dus alleen grote fabrikanten kunnen dit doen.
Ook superkleine onderdelen met nauwe toleranties zijn lastig. Medische micro-vormdelen zoals katheteronderdelen of microfluïdische apparaten verleggen de grenzen van wat mogelijk is. Je hebt te maken met poortafmetingen van minder dan 0,3 mm, afmetingen van holtes gemeten in tienden van millimeters, en procescontrole waarvoor actieve feedbacksystemen nodig zijn. De uitvalpercentages kunnen hoog zijn, zelfs bij perfecte mallen, omdat kleine hoeveelheden vervuiling of procesvariaties problemen veroorzaken.
Onderdelen met zeer dikke delen vormen zich niet goed vanwege de koeltijd en zinksporen. Alles met een wanddikte van misschien meer dan 6-8 mm begint problemen te geven. De buitenkant koelt af en stolt terwijl de binnenkant nog steeds gesmolten is, en terwijl het midden afkoelt, krimpt het, waardoor het buitenoppervlak naar binnen wordt getrokken en er putten of holtes ontstaan. Soms kun je dit compenseren met pakdruk en langere koeltijden, maar het blijft altijd een gevecht. Het is beter om het onderdeel indien mogelijk opnieuw te ontwerpen met ribben of holle delen.
Materialen die niet thermoplastisch zijn, werken helemaal niet. Thermoharders zoals epoxy- of fenolharsen hebben verschillende processen nodig (compressiegieten of transfergieten). Metalen kunnen uiteraard niet worden spuitgegoten, hoewel metaalspuitgieten (MIM) bestaat als een verwant proces voor metaalpoeders.
De economie als je een beslissing probeert te nemen
Voor kleine hoeveelheden (minder dan 1000 onderdelen) heeft spuitgieten meestal geen zin, tenzij u specifieke materiaaleigenschappen of oppervlakteafwerkingen nodig heeft die niet op andere manieren mogelijk zijn. De gereedschapskosten domineren de kosten per-onderdeel bij lage volumes. Een eenvoudige prototypematrijs kost misschien €3.000 tot €5.000, maar u spreidt die kosten over een klein aantal onderdelen.
Het kruispunt waarop spuitgieten goedkoper wordt dan andere processen, hangt af van de complexiteit en grootte van de onderdelen, maar ligt meestal ergens tussen de 500 en 2000 eenheden. Daaronder is 3D-printen of CNC-bewerking vaak zuiniger. Daarboven wint het spuitgieten.
Normaal gesproken zeg ik tegen mensen dat ze er op deze manier over moeten nadenken: als het gereedschap $10.000 kost en de onderdelen $0,50 per stuk om te vormen, moet je 20.000 onderdelen maken voordat de kosten per-onderdeel onder de $1,00 (€10.000/20,000 + $0,50) dalen. Als u slechts 1000 onderdelen nodig heeft, bedragen uw kosten per-onderdeel feitelijk $ 10,50 ($10.000/1,000 + $ 0,50). Dat verandert de berekening compleet.
Bij miljoenenproductievolumes blinkt spuitgieten echt uit. De kosten per-onderdeel kunnen dalen tot belachelijke niveaus-zoals $ 0,10-0,20 voor eenvoudige onderdelen. De gereedschapskosten worden over zoveel onderdelen afgeschreven dat het nauwelijks meer uitmaakt. Dit is de reden waarom wegwerpconsumptieproducten bijna allemaal spuitgegoten scheermessen, pennen, flessen, containers en wat dan ook zijn. De marges werken als elk onderdeel centen kost om te maken.
Er zijn veel meer toepassingen dan ik hier heb behandeld (meubelonderdelen, apparaatonderdelen, optische lenzen, onderdelen voor muziekinstrumenten, waarschijnlijk nog honderd andere categorieën), maar dat zijn de belangrijkste industrieën waarmee ik te maken heb gehad. De veelzijdigheid van het proces maakt het zo dominant-je kunt een precisieonderdeel van 1 gram of een autopaneel van 5 kilogram maken met in principe dezelfde fundamentele technologie, alleen opgeschaald of verkleind.
Er zijn veel meer toepassingen dan ik hier heb behandeld (meubelonderdelen, apparaatonderdelen, optische lenzen, onderdelen voor muziekinstrumenten, waarschijnlijk nog honderd andere categorieën), maar dat zijn de belangrijkste industrieën waarmee ik te maken heb gehad. De veelzijdigheid van het proces maakt het zo dominant-je kunt een precisieonderdeel van 1 gram of een autopaneel van 5 kilogram maken met in principe dezelfde fundamentele technologie, alleen opgeschaald of verkleind.
Als u zich op dit gebied begeeft, besteed dan tijd aan het begrijpen hoe u spuitgietonderdelen op de juiste manier ontwerpt, omdat de spuitgietstrategie van de scheidingslijn alles stroomafwaarts beïnvloedt. Ik heb te veel ingenieurs spuitgietonderdelen zien bestellen zonder rekening te houden met de cosmetische specificaties van spuitgietonderdelen, en vervolgens klagen over de kosten voor spuitgietonderdelen wanneer revisies nodig zijn. Veelvoorkomende defecten bij spuitgietonderdelen zijn meestal terug te voeren op ontwerpproblemen-zaken als het spuitgieten van dikke onderdelen zonder de juiste koelkanalen, of het proberen van grote onderdelen te spuitgieten zonder te begrijpen hoe de materiaalstroom in grotere holtes werkt. De vereiste expertise varieert ook enorm: het spuitgieten van auto-onderdelen voor kunststof vereist andere kennis dan het spuitgieten voor luchtvaartonderdelen, en gespecialiseerde processen zoals reactie-spuitgietonderdelen of metalen spuitgietonderdelen zijn compleet andere vaardigheden. Zelfs post-verwerking-het uitgloeien van spuitgegoten plastic onderdelen kan restspanningen verminderen die maanden na productie tot kromtrekkingsproblemen leiden. Of je nu met een basis werktspuitgietmatrijsonderdelenhet opzetten of evalueren van plastic onderdelen die zijn geproduceerd door een spuitgietbewerking, het begrijpen van de basisprincipes voorkomt dure fouten later. De technologie gaat nergens heen-spuitgietonderdelen en kunststof spuitgietonderdelen zullen de productie blijven domineren, omdat niets anders zo schaalbaar is.