Кіріспе
Инъекциялық қалыптау (АҚШ орфографиясы: инъекциялық қалыптау) – балқытылған материалды қалыпқа немесе формаға инъекциялау арқылы бөлшектерді өндіру процесі. Инъекциялық қалыптау көптеген материалдармен орындалуы мүмкін, негізінен металдармен (мұндай процесс қысыммен құю деп аталады), шыны, эластомерлер, кондитерлік өнімдер және ең көп қолданылатыны – термопластикалық және термореактивтік полимерлер. Бөлшекке арналған материал қыздырылған цилиндрге (баррельге) беріледі, араластырылады (спиральді бұранда арқылы) және қалыптың қуысына инъекцияланады, онда салқындап, қуыстың конфигурациясына сәйкес қатаяды. Өнімді әдетте өнеркәсіптік дизайнер немесе инженер жобалағаннан кейін, қалып жасаушы (немесе құрал жасаушы) металдан – әдетте болаттан немесе алюминийден қалыптар жасайды және қажетті бөлшектің ерекшеліктерін жасау үшін оларды дәл өңдейді. Инъекциялық қалыптау түрлі бөлшектерді өндіру үшін кеңінен қолданылады, ең кішкентай компоненттерден бастап автомобильдердің толық корпус панельдеріне дейін. 3D-баспа технологиясының жетістіктері, кейбір төмен температуралы термопластиктерді инъекциялық қалыптау кезінде ерімейтін фотополимерлерді пайдалану арқылы, кейбір қарапайым қалыптарды жасау үшін қолданылуы мүмкін. Инъекциялық қалыптауға арналған машина үш бөліктен тұрады: инъекциялық бөлім, қалып және қысқыш. Инъекциялық қалыптауға арналған бөлшектер қалыптау процесін жеңілдету үшін өте мұқият жобалануы керек; бөлшек үшін қолданылатын материал, қажетті пішін мен ерекшеліктері, қалыптың материалы және қалыптау машинасының қасиеттері ескерілуі тиіс. Инъекциялық қалыптаудың әмбебаптығы осы жобалау мүмкіндіктерінің кең ауқымымен қамтамасыз етіледі.
Injection moulding (U. S. spelling: injection molding) is a manufacturing process for producing parts by injecting molten material into a mould, or mold. Injection moulding can be performed with a host of materials mainly including metals (for which the process is called die casting), glasses, elastomers, confections, and most commonly thermoplastic and thermosetting polymers. Material for the part is fed into a heated barrel, mixed (using a helical screw), and injected into a mould cavity, where it cools and hardens to the configuration of the cavity. After a product is designed, usually by an industrial designer or an engineer, moulds are made by a mould maker (or toolmaker) from metal, usually either steel or aluminium, and precision machined to form the features of the desired part. Injection moulding is widely used for manufacturing a variety of parts, from the smallest components to entire body panels of cars. Advances in 3D printing technology, using photopolymers that do not melt during the injection moulding of some lower temperature thermoplastics, can be used for some simple injection moulds. Injection moulding uses a special purpose machine that has three parts: the injection unit, the mould and the clamp. Parts to be injection moulded must be very carefully designed to facilitate the moulding process; the material used for the part, the desired shape and features of the part, the material of the mould, and the properties of the moulding machine must all be taken into account. The versatility of injection moulding is facilitated by this breadth of design considerations and possibilities.
Қолданбалар
Инъекциялық қалыптау сым катушкалары, қаптама, бөтелке қақпақтары, автокөлік бөлшектері мен құралымдары, ойыншықтар, қалта шаналары, кейбір музыкалық аспаптар (және олардың бөліктері), бір бөліктен жасалған орындықтар мен кішкентай үстелдер, сақтау контейнерлері, механикалық бөлшектер (атақты дөңгелектерді қоса алғанда) және бүгінде қолжетімді барлық басқа да пластикалық өнімдерді жасау үшін қолданылады. Инъекциялық қалыптау – пластикалық бөлшектерді өндірудің ең көп таралған қазіргі заманғы әдісі; ол бір түпкіліктің көп мөлшерін өндіруге өте ыңғайлы.
Процесс сипаттамалары
Инъекциялық қалыптау кезінде поршень немесе бұрандалы штанга балқытылған пластик немесе резеңке материалды қалып қуысына итеріп, қалыптың контурына сәйкес келетін пішінге келтіреді. Бұл әдіс термопластикалық және термореактивті полимерлерді өңдеу үшін ең көп қолданылады, бірақ термопластиктердің қолданылу көлемі айтарлықтай жоғары. Термопластиктердің инъекциялық қалыптауға қолайлы болуының себебі – оларды қайта өңдеудің қарапайымдығы, кең ауқымды қолданылу мүмкіндігі сияқты қасиеттері. Қысымның күрт өсуін болдырмау үшін, процесс әдетте 95-98% толыққан қуысқа сәйкес келетін ауысу нүктесін пайдаланады, онда бұранда тұрақты жылдамдықтан тұрақты қысымды басқаруға өтеді. Инъекция уақыты көбінесе 1 секундтан кем болады. Бұранда ауысу нүктесіне жеткеннен кейін қаптау қысымы қолданылады, ол қалыпты толықтырып, термопластиктерге тән жоғары жылуылуды өтемақылайды. Қаптау қысымы қақпа (қалыпқа кіреберіс) қатып қалғанға дейін сақталады. Өлшемі кішкентай болғандықтан, қақпа әдетте бүкіл қалыңдығы бойынша ең бірінші қатады. Термореактивтер үшін әдетте екі түрлі химиялық компоненттер барабанға жіберіледі. Бұл компоненттер бірден қайтымсыз химиялық реакцияны бастайды, нәтижесінде материал молекулалардың біріккен желісіне айналады. Химиялық реакция барысында екі сұйық компонент вискоэластикалық қатты денеге айналады. Америкалық өнертапқыш Джон Уэсли Хайат ағасы Исаиямен бірлесіп 1872 жылы алғашқы инъекциялық қалыптау машиналарының бірін патенттеді. Бұл машина қазіргі машиналарымен салыстырғанда қарапайым болды: ол үлкен шприц сияқты жұмыс істеді, поршень арқылы пластик қыздырылған цилиндрден қалыпқа жіберілетін. Өнеркәсіп жылдар бойы баяу дамыды, жағалайлар, түймелер және шаш тарақтары сияқты өнімдер шығарды (бірақ пластиктердің қазіргі анықтамасы бойынша, олар 1950 жылдар шамасында дамыды). Неміс химиктері Артур Эйхенгрүн мен Теодор Беккер 1903 жылы целлюлоза ацетатының ерігіш формасын ойлап тапты, ол целлюлоза нитратынан гөрі аз тұтанатын. Кейін ол ұнтақ түрінде қол жетімді болды, одан инъекциялық қалыптау оңай жасалды. Артур Эйхенгрүн 1919 жылы алғашқы инъекциялық қалыптау пресін жасады. 1939 жылы Артур Эйхенгрүн пластикаланған целлюлоза ацетатын инъекциялық қалыптау әдісін патенттеді. 1940 жылдары өнеркәсіп қарқынды дамыды, себебі Екінші дүниежүзілік соғыс арзан, жаппай өндірілетін өнімдерге зор сұраныс туғызды. 1946 жылы америкалық өнертапқыш Джеймс Уотсон Хендри бірінші бұрандалы инъекциялық машинаны құрастырды, ол инъекция жылдамдығын және өнімдердің сапасын дәл басқаруға мүмкіндік берді. Бұл машина материалды инъекциядан бұрын араластыруға да мүмкіндік берді, соның арқасында боялған немесе қайта өңделген пластик жаңа материалға қосылып, жақсы араластырылды. 1970 жылдары Хендри алғашқы газ көмегімен инъекциялық қалыптау процесін әзірледі, ол күрделі, қуыс өнімдерді жылдам салқындатуға мүмкіндік берді. Бұл өнімдердің дизайнының икемділігін, сондай-ақ дайын өнімдердің беріктігі мен сапасын жақсартты, сонымен қатар өндіріс уақытын, шығындарын, салмағын және қалдықтарын азайтты. 1979 жылы пластик өндірісі болат өндірісінен басып өтті, ал 1990 жылы алюминий қалыптары инъекциялық қалыптауда кеңінен қолданыла бастады. Бүгінгі таңда, бұрандалы инъекциялық машиналар барлық инъекциялық машиналардың басым бөлігін құрайды. Пластик инъекциялық қалыптау индустриясы тарақтар мен түймелерді өндіруден бастап, автомобиль, медицина, аэроғарыш, тұтыну тауарлары, ойыншықтар, сантехника, қаптама және құрылыс сияқты көптеген салалар үшін кең ауқымды өнімдерді шығаруға дейін дамыды.
Бұл процеске ең қолайлы полимерлердің мысалдары
Көптеген полимерлерді, кейде шайыр деп аталатын, барлық термопластиктерді, кейбір термореактивтерді және кейбір эластомерлерді қоса алғанда қолдануға болады. 1995 жылдан бері инъекциялық қалыптау үшін қолда бар материалдардың жалпы саны жылына 750-ге өсті; бұл үрдіс басталған кезде шамамен 18 000 материал болды. Қол жетімді материалдардың құрамында бұрын жасалған материалдардың қорытпалары немесе қоспалары бар, сондықтан өнім дизайнерлері көптеген нұсқалардың ішінде қасиеттерінің ең жақсы жиынтығына ие материалды таңдай алады. Материалды таңдаудың негізгі критерийлері – соңғы бөлшекке қажетті беріктік пен функция, сондай-ақ құн, бірақ әр материалдың қалыптау үшін әртүрлі параметрлері бар, оларды ескеру қажет. Эпоксид және фенол сияқты кең таралған полимерлер термореактивті пластиктерге жатады, ал нейлон, полиэтилен және полистирол – термопластиктерге. Тонаж 5 тоннадан аздан 9000 тоннаға дейін өзгеруі мүмкін, салыстырмалы түрде аз өндірісте жоғары көрсеткіштер қолданылады. Қажетті жалпы қыспа күші қалыпталатын бөлшектің проекцияланған ауданымен анықталады. Бұл проекцияланған аудан проекцияланған аумақтың әр шаршы сантиметріне 1,8–7,2 тонна қыспа күшімен көбейтіледі. Әдетте, көптеген өнімдер үшін 4 немесе 5 тонна/ин2 қолданылады. Пластикалық материал өте қатты болса, қалыпты толтыру үшін оған көбірек инъекциялық қысым қажет, демек, қалыпты жабық ұстау үшін көбірек тоннаж қажет. Қалып үшін материалды таңдау тек құн мәселесіне ғана емес, сонымен қатар өнімнің өмірлік циклына да байланысты. Жалпы алғанда, өнімнің жаппай өндірісі қажет болған жағдайда материалды таңдау жақсырақ болады және қалып шеңберінің уақыты неғұрлым ұзақ болса, соғұрлым жақсы, себебі бұл жалпы құнды төмендетеді. Жаңа ғана дамыған, әлі толық жетілмеген және тек шағын нарықтық сынақ өнімдерін өндіруді жоспарлағандар үшін материалды таңдау көбінесе алюминий қорытпасының және т.б. төмен құнына негізделген. Мұндай қалыптарды жылдам құрастыру деп атайды. Жалпы, болат қалыптарды жасау қымбатқа түседі, бірақ олардың ұзақ қызмет ету мерзімі тозудан бұрын жасалған бөлшектердің санының артуымен бастапқы құнның жоғары болуын өтемелейді. Алдын ала қатайтылған болат қалыптар нашар тозуға төзімді және көлемі аз немесе үлкен бөлшектер үшін қолданылады; олардың типтік болат қаттылығы Роквелл С шкаласында 38–45 құрайды. Қаттыланған болат қалыптар машинамен өңделгеннен кейін жылумен өңделеді; олар тозуға төзімділігі және қызмет ету мерзімі жағынан әлдеқайда жоғары. Типик қаттылығы 50 және 60 Роквелл С (HRC) аралығында болады. Алюминий қалыптар әлдеқайда арзан болуы мүмкін, ал қазіргі заманғы компьютерлік жабдықпен жобаланған және өңделген кезде ондаған немесе тіпті жүздеген мың бөлшектерді қалыптау үшін экономикалық болуы мүмкін. Бериллий мысы қалыптың жылдам жылуды алуды қажет ететін немесе ең көп қиып алу жылуын өндіретін аймақтарында қолданылады. Геометриясы қажетті бөлшекті қалыптастыру үшін. Қалыптың шыбығын, жүгірткісін және қуыстарын толтыру үшін қажетті шайыр мөлшері "доза" деп аталады. Қалыпта тұтқындалған ауа қалыптың бөлгіш сызығындағы немесе оларды ұстап тұрған тесіктерден сәл кішірек экзекторлы шыналар мен сырғытпалар арқылы ауа шығарғыштар арқылы шығуы мүмкін. Егер тұтқынға алынған ауаның шығуына жол берілмесе, ол кіретін материалдың қысымымен қысылады және қуыстың бұрыштарына сығылады, онда ол толтыруға кедерілгі келтіреді және басқа да ақауларды тудыруы мүмкін. Ауаның қысылуы айналадағы пластикті тұтандырып, өртеуі мүмкін. Бірдей бөлшектердің екі немесе одан да көп қуыстары бар қалыпты әдетте көп импрессиялы (қоңыраулы) қалып деп атайды. ("Көп резеңкелік қалыптау" (Multi shot molding) емес, ол келесі бөлімде қарастырылады). Кейбір қалыптар бұрын қалыпталған бөлшектерді қайта орнатуға мүмкіндік береді, осылайша бірінші бөлшектің айналасында жаңа пластикалық қабат пайда болады. Бұл көбінесе үдемелі қалыптау деп аталады. Бұл жүйе бір дана дөңгелектер мен шиналарды өндіруге мүмкіндік береді. Микро инъекциялық қалыптаудан алынған өте дәл және өте кішкентай бөлшектерге арналған қалыптар жобалау кезеңінде ерекше күтімді қажет етеді, өйткені материалдың шайырлары толық өлшемді әріптестеріне қарағанда басқаша әрекет етеді, олар осы өте кішкентай кеңістіктерді тез толтыруы керек, бұл оларды қарқынды қиып алу кернеулеріне ұшыратады.
Көп рет құю
Екі, екі немесе көп қалыпты құйма қалыптар бір құю циклында "үстіне құю" үшін жасалған және екі немесе одан көп инъекциялық бөлімі бар арнайы құю машиналарында өңделуі керек. Бұл процесс, іс жүзінде, екі рет орындалатын инъекциялық құю процесі болып табылады, сондықтан қателік мүмкіндігі өте төмен. Алғашқы қадамда негізгі түсті материалдан бастапқы пішін құйылады, онда екінші құйма үшін ойыстар жасалады. Содан кейін, екінші материал – басқа түс – сол ойыстарға инъекциялық құю арқылы құйылады. Мысалы, осы технологиямен жасалған түймелер мен кілттердегі белгілер тозып кетпейді және қарқынды пайдалануда да жақсы көрінеді.
Өңдеу
Қалыптар екі негізгі әдіспен жасалады: стандартты механикалық өңдеу және электрлі разрядты өңдеу (ЭҚӨ). Стандартты механикалық өңдеу, дәстүрлі түрінде, тарихи түрде инъекциялық қалыптар жасаудың негізгі әдісі болды. Технологиялық жетістіктердің арқасында CNC механикалық өңдеу, дәстүрлі әдістерге қарағанда, қалыптардың күрделі бөлшектерін жылдам және жоғары дәлдікпен жасаудың басым құралына айналды. Электрлі разрядты өңдеу (ЭРӨ) немесе ұшқындық эрозия процесі қалып жасауда кеңінен қолданылады. Бұл процесс, машинамен өңдеуге қиын пішіндерді жасауға мүмкіндік берумен қатар, алдын ала қатайтылған қалыптарды қосымша жылумен өңдеусіз қалыптауға да мүмкіндік береді. Дәстүрлі бұрғылау және фрезерлеу арқылы қатайтылған қалыпты өзгерту үшін, әдетте қалыпты жұмсарту үшін отқа салу, содан кейін оны қайта қатайту үшін жылумен өңдеу қажет болады. ЭРӨ – бұл қарапайым процесс, онда пішінді электрод, көбінесе мыстан немесе графиттен жасалған, көп сағат бойы өте баяу қалыптың бетіне түсіріледі, ол парафин майына (керосинге) батырылған. Құрал мен қалып арасындағы кернеу, электрод пішінінің кері нұсқасында қалып бетінің эрозиясына себеп болады.
Құны
Қалыпқа енгізілген қуыстардың саны қалыптау құнына тікелей байланысты. Аз қуыстар құрал жасауға азырақ жұмыс талап етеді, сондықтан қуыстар санын шектеу инъекциялық қалыпты жасаудың бастапқы өндіріс шығындарын төмендетеді. Қалыптау құнында қуыстардың саны маңызды рөл атқаратындай, детальдің дизайнының күрделілігі де маңызды. Күрделілік беткі өңдеу, толеранттылық талаптары, ішкі немесе сыртқы бұрандалар, ұсақ бөлшектер немесе қанша төменгі кесіктер енгізілуі мүмкін сияқты көптеген факторларға байланысты болуы мүмкін. Төменгі кесіктер сияқты қосымша ерекшеліктер немесе қосымша құралдарды қажет ететін кез келген элемент қалып құнын арттырады. Қалыптың өзек және қуысының беткі жабыны да құнға әсер етеді. Резеңке құю процесі берік өнімнің жоғары шығымын қамтамасыз етеді, осылайша бұл қалыптаудың ең тиімді және экономикалық әдісі болып табылады. Нақты температураны бақылауды қамтитын тұрақты вулканизация процестері барлық қалдық материалды айтарлықтай азайтады.
Инъекциялау процесі
Көбінесе пластик материалдар түйіршік немесе гранула түрінде жасалады және шикізат өндірушілерден қағаз қаптарда жіберіледі. Инъекциялық қалыптау кезінде, алдын ала кептірілген гранулалы пластик, бункерден қыздырылған цилиндрге күшпен жіберіледі. Бұранда тәрізді поршеньмен гранулалар баяу жылжытыла отырып, пластик қыздырылған камераға итеріледі, онда ол балқиды. Поршень жылжыған сайын, балқыған пластик қалыпқа тығыз жабысқан сопло арқылы итеріледі, бұл қалып қуысына қақпа және жүйін жүйесі арқылы енуге мүмкіндік береді. Қалып салқын болып қалады, сондықтан пластик қалып толтырылғаннан кейін дер кезінде қатаяды.
Ғылыми және дәстүрлі қалыптау
Дәстүрлі түрде, қалыптау процесінің инъекциялық бөлігі қуысты толтыру және нығыздау үшін бір тұрақты қысыммен жүргізілетін. Алайда, бұл әдіс циклдан циклға өлшемдерінде үлкен ауытқуларға мүмкіндік берді. Қазіргі кезде ғылыми немесе ажыратылған қалыптау көбірек қолданылады, бұл әдіс RJG Inc. компаниясымен ұсынылған. Бұл әдісте пластиктің инъекциясы бөліктің өлшемдерін жақсырақ бақылауға және циклдан циклға (кәсіптік ортада "дозадан дозаға" деп аталады) тұрақтылықты арттыру үшін кезеңдерге бөлінеді. Бірінші кезекте, қуыс жылдамдықпен басқарыла отырып, шамамен 98% - ға дейін толтырылады. Бұл кезеңде қысым қажетті жылдамдыққа жету үшін жеткілікті болуы керек, бірақ қысымды шектеуге болмайды. Қуыс 98% - ға толғаннан кейін, машина жылдамдықтан қысымды басқаруға ауысады, онда қуыс тұрақты қысыммен "нығыздалады", ал қажетті қысымға жету үшін жеткілікті жылдамдық қажет. Бұл операторларға бөліктің өлшемдерін миллиметрдің мыңнан бір бөлігіне дейін немесе одан да дәл бақылауға мүмкіндік береді.
Құрастыру ақаулары
Инъекциялық қалыптау – күрделі технология, өндірісте түрлі мәселелер тудыруы мүмкін. Бұл мәселелер қалыптардың кемшіліктерінен немесе көбінесе қалыптау процесінің өзінен туындауы мүмкін. Мысалдардың ішінде, бөлшектерді жасалғаннан кейін дереу қалыптан алу, сондай-ақ машиналық көру жүйелерін пайдалану бар. Робот, қалыптан бөлшекті босату үшін итергіштер созылғаннан кейін бөлшекті ұстап алады. Содан кейін оны уақытша сақтауға немесе тікелей тексеру жүйесіне жібереді. Таңдау өнім түріне және өндіріс жабдықтарының жалпы орналасуына байланысты. Роботтарға орнатылған көру жүйелері, қосымша қалыпталған бөлшектердің сапасын бақылауды едәуір жақсартты. Мобильді робот металл компоненттің орналасуын дәл анықтай алады және адамнан гөрі жылдам тексеруге болады.