Ich arbeite seit etwa 11 Jahren im Produktdesign und in der Fertigung, habe viel mit Unternehmen der Unterhaltungselektronik und einigen Automobilzulieferern zusammengearbeitet, und Spritzguss ist einfach die Standardmethode zur Herstellung von Kunststoffteilen in beliebigen Mengen. Es gibt andere Verfahren wie den 3D-Druck oder die CNC-Bearbeitung von Kunststoffen, aber sobald Sie mehr als vielleicht 500–1000 Einheiten benötigen, ist Spritzguss für die meisten Anwendungen das einzige, was wirtschaftlich sinnvoll ist.
Warum der Spritzguss alles übernommen hat
Der Prozess selbst ist ziemlich einfach: -Kunststoffpellets schmelzen, unter hohem Druck in eine Form einspritzen, abkühlen lassen und das Teil auswerfen. Wiederholen. Moderne Maschinen können diesen Zyklus bei kleinen Teilen in etwa 15 bis 30 Sekunden durchführen, bei größeren Teilen vielleicht in 60 bis 90 Sekunden. Ich habe gesehen, wie eine Spritzgießmaschine von Haitian Mars in einer Fabrik in Shenzhen Smartphone-Hüllen mit etwa 40 Sekunden pro Zyklus auspumpte, und das war ein ziemlich komplexes Teil mit mehreren internen Funktionen. Die Werkzeugkosten lagen bei etwa 12.000 US-Dollar (der Fabrikleiter sagte mir das 2018, die Preise sind seitdem definitiv gestiegen).
Was es so dominant macht, ist die Kombination aus Geschwindigkeit, Wiederholgenauigkeit und Materialoptionen. Sobald die Form hergestellt ist, kostet jedes Teil ein paar Cent an Material und Maschinenzeit. Ein 50-Gramm-ABS-Teil könnte Material im Wert von 0,15 US-Dollar verbrauchen, und wenn die Zykluszeit 30 Sekunden beträgt, sind das 120 Teile pro Stunde. Selbst wenn man die Kosten für Maschinenzeit und Arbeitsaufwand berücksichtigt, kommt man bei einer Produktionsauflage von 10,{9}} Einheiten auf etwa 0,30 bis 0,50 US-Dollar pro Teil.
Vergleichen Sie das mit der CNC-Bearbeitung, bei der Sie für Werkzeugverschleiß, längere Zykluszeiten, Materialverschwendung und die Zeit qualifizierter Bediener zahlen. Ich habe den Preis für ein einfaches Gehäusedesign festgelegt, als -das Spritzgießen für 5.000 Einheiten inklusive amortisierter Werkzeuge 0,82 $/Teil kostete. Die CNC-Bearbeitung des gleichen Teils wurde mit 6,40 $/Teil angegeben. Nicht einmal annähernd.
Medizinische Geräte sind in dieser Hinsicht seltsam geworden
Medizinische Spritzgussteile sind aufgrund der FDA-Vorschriften und Sterilisationsanforderungen eine ganz andere Welt. Die Materialien müssen biokompatibel sein, was Ihre Möglichkeiten erheblich einschränkt. Die meisten medizinischen Hersteller verwenden Materialien wie Polycarbonat, Polypropylen oder spezielle Polyethylenqualitäten. PEEK ist bei chirurgischen Instrumenten beliebt, weil es wiederholtes Autoklavieren übersteht, ohne sich zu verschlechtern. PEEK-Werkzeuge sind jedoch teuer, weil die Verarbeitungstemperaturen so hoch sind (etwa 370–400 Grad gemäß den Datenblattspezifikationen von Victrex, victrex.com).
Ich habe vor ein paar Jahren an einem Projekt für ein medizinisches Einweggerät gearbeitet, nur an einem einfachen Spritzgusstablett für zahnärztliche Eingriffe. Allein die Materialvalidierung dauerte 4 Monate, da wir Biokompatibilitätstests gemäß ISO 10993-Standards nachweisen mussten. Der eigentliche Teileentwurf wurde in 3 Wochen erstellt. Die behördliche Dokumentation dauerte weitere 6 Wochen. Aus diesem Grund kosten medizinische Spritzgussteile drei- bis fünfmal mehr als gleichwertige Verbraucherteile, selbst wenn es sich um einfachere Designs handelt.
Die Sterilisationskompatibilität ist weitaus wichtiger, als die meisten Ingenieure denken. Die Sterilisation mit Gammastrahlung kann dazu führen, dass einige Kunststoffe vergilben oder spröde werden. Die Sterilisation mit EtO (Ethylenoxid) ist schonender, weist jedoch bei bestimmten Materialien Absorptionsprobleme auf. Für die Sterilisation im Autoklaven sind Materialien erforderlich, die unter Dampfeinwirkung bei 121–134 Grad stabil sind. Ihre Materialwahl wird davon bestimmt, wie der Kunde das Produkt sterilisieren möchte, und nicht nur von mechanischen Anforderungen.
Autoteile, die niemand sieht
Unter-Automobilkomponenten werden Kunststoffmaterialien brutal beansprucht. Sie unterliegen Temperaturwechseln von -40 Grad bis +120 Grad, sind Ölen und Kraftstoffen ausgesetzt, Vibrationen ausgesetzt und benötigen eine lange Lebensdauer (typischerweise 15+ Jahre). Aus diesem Grund werden beim Automobilspritzguss viele glasfaserverstärkte Nylons und spezielle Hochtemperaturmaterialien verwendet.
Ansaugkrümmer bestanden früher aus Gussteilen aus Aluminium, heute bestehen sie größtenteils aus spritzgegossenem glasfaserverstärktem Nylon. Ich glaube, BMW hat damit Ende der 1990er Jahre begonnen, und alle sind dem gefolgt. Die Gewichtseinsparung ist erheblich-Ein Ansaugkrümmer aus Kunststoff kann 40–50 % leichter sein als das entsprechende Aluminium. Laut einer Analyse aus einem Konferenzpapier der Society of Plastics Engineers (spe.org, Automotive Division Conference 2015) reduzierte die Umstellung auf Ansaugkrümmer aus Kunststoff das Fahrzeuggewicht um durchschnittlich 3 bis 4 kg pro Fahrzeug, was einer Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs um etwa 0,1 bis 0,15 mpg entspricht. Klingt nicht nach viel, aber multiplizieren Sie das auf Millionen von Fahrzeugen.
Steckverbinder und Sensorgehäuse sind eine weitere große Kategorie. Jeder Sensor in einem modernen Auto-Temperatur, Druck, Position, Geschwindigkeit, was auch immer-hat ein spritzgegossenes Gehäuse. Diese müssen gegen Wasser und Staub abgedichtet sein (in der Regel mindestens Schutzart IP67), Vibrationen standhalten und über den gesamten Temperaturbereich hinweg Dimensionsstabilität gewährleisten. Auch die Toleranzen können eng sein, etwa ±0,05 mm für Steckmerkmale an elektrischen Steckverbindern.
Ich habe Formen für Kfz-Verbindungsstücke gesehen, die 80.000 -120.000 US-Dollar gekostet haben, weil es sich um Familienformen handelt, die mehrere Teile herstellen, mit seitlichen Eingriffen für Hinterschnitte und einer Konstruktion aus gehärtetem Stahl für die erforderlichen Lebenszyklen von mehr als einer Million Teilen. Bei einem solchen Volumen liegen die Kosten pro Teil jedoch unter 0,20 US-Dollar.
In der Unterhaltungselektronik steckt das Geld
Smartphone-Gehäuse, Laptop-Hüllen, Tablet-Rahmen-alle spritzgegossen. Die Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit sind im Vergleich zu anderen Branchen wahnsinnig. Sie benötigen eine Oberflächengüte der Form A1 oder A2 (SPI-Standards), was ein umfassendes Polieren des Formhohlraums bedeutet. Es kann Wochen dauern, bis ein guter Formpolierer einen großen Hohlraum auf Hochglanz poliert.-
Apple macht bekanntermaßen Dinge im Spritzgussverfahren, die andere Unternehmen nur schwer nachahmen können. Das Unibody-Polycarbonat-MacBook aus den Jahren 2009–2010 wurde in einem einzigen Stück spritzgegossen, was umfangreiche Fachkenntnisse im Formenbau und Prozesskontrolle erforderte. Die meisten Hersteller würden das in mehrere Teile aufteilen, da es schwierig ist, eine gleichmäßige Wandstärke zu erreichen und Einfallstellen bei etwas so Großem zu vermeiden.
Die Materialwahl in der Unterhaltungselektronik hat sich im letzten Jahrzehnt stark verändert. Früher war ABS der Standard für alles, heute gibt es viel mehr Polycarbonat, PC/ABS-Mischungen und modifizierte PPO-Materialien. Ein Teil davon sind Flammschutzanforderungen-Die UL94-Einstufung ist für alles wichtig, in dem sich Elektronik befindet. Die meisten Dinge benötigen mindestens die Einstufung V-1, viele Anwendungen erfordern die Einstufung V-0. Dadurch werden die Materialien und Zusatzstoffe, die Sie verwenden können, eingeschränkt.
Die Abstimmung von Textur und Farbe ist in der Unterhaltungselektronik ein Albtraum. Ich habe mit einer Firma zusammengearbeitet, die Peripheriegeräte (Tastaturen, Mäuse usw.) herstellte, und sie hatten 23 Überarbeitungen der Textur für ein Produkt, weil das Marketing ihre Meinung darüber, wie es sich anfühlen sollte, immer wieder änderte. Bei jeder Texturrevision musste der Formhohlraum mit verschiedenen EDM-Elektroden oder chemischen Ätzverfahren neu poliert werden. Der Formenbauer verlangte etwa 2.000 US-Dollar pro Texturrevision.
Auch die Farbabstimmung zwischen verschiedenen Kunststoffen ist schwieriger als es sein sollte. Wenn Sie ein Produkt mit einer PC-Oberseite und einem ABS-Untergehäuse haben, ist es schwierig, beim Formen genau die gleiche Farbe zu erhalten, da unterschiedliche Materialien Farbstoffe unterschiedlich annehmen. Am Ende stehen Ihnen kundenspezifische Farb-Masterbatches und eine Menge Probeformen zur Auswahl zur Verfügung.
Die Verpackung ist der verborgene Riese
Niemand denkt an Spritzgussverpackungen, aber vom Volumen her sind sie riesig. Allein Flaschenverschlüsse-Irgendwo gibt es eine Statistik, die besagt, dass täglich weltweit etwa 2 Milliarden Plastikflaschenverschlüsse hergestellt werden (die genaue Quelle kann ich derzeit nicht finden, aber sie stammt aus einem Artikel von Plastics News von vor ein paar Jahren). Jede Wasserflasche, Limonadenflasche, Milchkännchen und Shampooflasche hat einen spritzgegossenen Verschluss.
Lebensmittelbehälter, Kosmetikverpackungen, Medikamentenflaschen-alle spritzgegossen. Die Anforderungen unterscheiden sich von anderen Anwendungen, da Sie lebensmittelechte Materialien (wiederum FDA-Vorschriften) und eine gute chemische Beständigkeit benötigen. Polypropylen dominiert diesen Bereich, weil es billig, lebensmittelecht und chemisch inert ist. HDPE ist ebenfalls üblich, insbesondere für Flaschen und Behälter, die eine gewisse Flexibilität erfordern.
Dünnwandiges-Formen für Lebensmittelbehälter ist eine eigene Spezialität. Sie sprechen von Wandstärken von 0,5-0,8 mm, was hohe Einspritzgeschwindigkeiten und spezielle Maschinen mit guter Schusskontrolle erfordert. Die Zykluszeiten sind jedoch schnell – etwa 4–8 Sekunden für einen Joghurtbehälter. Ich besuchte einen Verpackungshersteller in Italien, der Formen mit 48 Kavitäten für kleine Lebensmittelbehälter im Einsatz hatte und Tausende von Teilen pro Stunde auf einer einzigen Maschine herstellte.
Die Werkzeugkosten für Verpackungsformen sind interessant, da es sich häufig um Familienformen (mehrere Kavitätengrößen) oder Formen mit mehreren Kavitäten und wahnsinnig vielen Kavitäten handelt. Eine Kronkorkenform mit 96{{5}Fächern kostet vielleicht 150 US-Dollar000+, aber wenn Sie zig Millionen Teile herstellen, sind die Werkzeugkosten pro Teil vernachlässigbar.
Industrie- und Bauanwendungen, die ewig halten
Elektrogehäuse, Anschlusskästen, Schaltergehäuse-Tonnen Spritzgussteile in Gebäuden und Industrieanlagen. Die Materialanforderungen sind hier unterschiedlich, da UV-Beständigkeit (im Außenbereich), Flammwidrigkeit und Schlagfestigkeit erforderlich sind. ABS eignet sich nicht für Außenanwendungen, da es sich unter UV-Einwirkung zersetzt. ASA ist besser, aber teurer. Polycarbonat funktioniert, vergilbt aber mit der Zeit. Es gibt immer Kompromisse.
Kabelführungsteile wie Kabelklemmen, Zugentlastungen und Verschraubungen werden größtenteils im Spritzgussverfahren hergestellt. Aufgrund seiner Zähigkeit und chemischen Beständigkeit ist Nylon hierfür beliebt. Ich habe mit M20- und M25-Kabelverschraubungen gearbeitet, die auch nach mehrmaligem Einbau und Ausbau die IP68-Dichtung aufrechterhalten müssen-Die Maßtoleranzen an den Gewinden und Dichtflächen müssen eng sein (±0,1 mm oder besser bei kritischen Merkmalen).
Auch Rohrverbindungsstücke und Sanitärkomponenten sind eine große Kategorie. PVC- und PP-Fittings werden im Spritzgussverfahren hergestellt, obwohl die Teile mit großem Durchmesser oft durch andere Verfahren hergestellt werden. Auf die Druckwerte kommt es an. -Eine Armatur mit Nenndruck von 150 PSI benötigt dickere Wände und bessere Materialeigenschaften als eine Armatur mit Nenndruck von 50 PSI. Die Materialqualitäten sind nach ASTM-Standards spezifiziert und die Prüfanforderungen sind beispielsweise in ASTM D2846 für PVC-Fittings festgelegt.
Spielzeug und Freizeitprodukte
Offensichtlich bestehen Spielzeuge größtenteils aus spritzgegossenem Kunststoff. LEGO-Steine sind das klassische Beispiel dafür,-dass sie mit unglaublich engen Toleranzen (±0,01 mm oder so etwas Verrücktes) hergestellt werden, sodass sie jedes Mal perfekt zusammenpassen. LEGO verwendet meiner Meinung nach ausschließlich ABS, und sie beschäftigen sich bereits seit den 1940er oder 50er Jahren mit dem Spritzgießen, also haben sie den Prozess komplett übernommen.
Actionfiguren, Puppen, Spielzeugfahrzeuge-alle spritzgegossen, in der Regel in mehreren-Aufnahmen oder aus mehreren gegossenen Komponenten zusammengesetzt. Die Materialauswahl für Spielzeug unterliegt Sicherheitsbestimmungen. In den USA gibt es CPSIA-Anforderungen, in Europa gibt es EN 71-Sicherheitsstandards für Spielzeug. Bestimmte Weichmacher und Zusatzstoffe sind für Kinderprodukte verboten, was einige Materialoptionen ausschließt.
Auch Sportgeräte bestehen aus vielen Formteilen. Skischuhschalen, Inline-Skate-Rahmen, Fahrradkomponenten, Schutzausrüstung. Die mechanischen Anforderungen können anspruchsvoll sein-Skischuhe müssen steif genug sein, um die Kraft effizient zu übertragen, aber nicht so spröde, dass sie bei kaltem Wetter reißen. Dabei handelt es sich in der Regel um Polyurethan- oder Polyamidmaterialien, und die Wandstärken werden dicker (in einigen Bereichen 3–6 mm).
Was beim Spritzgießen nicht gut funktioniert
Sehr große Teile werden zu einer Herausforderung, da Sie riesige Maschinen benötigen und die Werkzeugkosten explodieren. Stoßfängerverkleidungen für Kraftfahrzeuge sind ungefähr an der Grenze des Sinnvollen-sie erfordern Maschinen mit einer Schließkraft von 1000+ Tonnen und Formen, die mehrere Tonnen wiegen. Die Kapitalinvestitionen für diese Ausrüstung belaufen sich auf Millionen von Dollar, sodass dies nur von großen Herstellern durchgeführt werden kann.
Auch sehr kleine Teile mit engen Toleranzen sind schwierig. Medizinische Mikroformteile wie Katheterkomponenten oder mikrofluidische Geräte erweitern die Grenzen des Möglichen. Sie haben es mit Anschnittgrößen unter 0,3 mm, Hohlraumabmessungen im Zehntelmillimeterbereich und einer Prozesssteuerung zu tun, die aktive Feedbacksysteme erfordert. Selbst bei perfekten Formen können die Ausschussquoten hoch sein, da kleinste Mengen an Verunreinigungen oder Prozessschwankungen Probleme verursachen.
Teile mit sehr dicken Abschnitten lassen sich aufgrund der Abkühlzeit und Einfallstellen nicht gut formen. Alles über einer Wandstärke von vielleicht 6-8 mm fängt an, Probleme zu bereiten. Die Außenseite kühlt ab und verfestigt sich, während die Innenseite noch geschmolzen ist, und wenn die Mitte abkühlt, schrumpft sie, wodurch die Außenfläche nach innen gezogen wird und Einfallstellen oder Hohlräume entstehen. Manchmal lässt sich das durch Packdruck und längere Abkühlzeiten kompensieren, aber es ist immer ein Kampf. Wenn möglich, ist es besser, das Teil mit Rippen oder Hohlprofilen umzugestalten.
Materialien, die nicht thermoplastisch sind, funktionieren überhaupt nicht. Duroplaste wie Epoxid- oder Phenolharze erfordern unterschiedliche Verfahren (Formpressen oder Spritzpressen). Metalle können offensichtlich nicht spritzgegossen werden, obwohl es als verwandtes Verfahren für pulverförmige Metalle das Metallspritzgießen (MIM) gibt.
Die Ökonomie, wenn Sie versuchen, eine Entscheidung zu treffen
Bei geringen Stückzahlen (unter 1000 Teile) ist Spritzgießen in der Regel nicht sinnvoll, es sei denn, Sie benötigen bestimmte Materialeigenschaften oder Oberflächenveredelungen, die auf andere Weise nicht möglich sind. Bei kleinen Stückzahlen dominieren die Werkzeugkosten die Stückkosten. Eine einfache Prototypform kann 3.000 bis 5.000 US-Dollar kosten, aber Sie verteilen diese Kosten auf eine kleine Anzahl von Teilen.
Der Übergangspunkt, ab dem das Spritzgießen im Vergleich zu anderen Verfahren günstiger wird, hängt von der Komplexität und Größe der Teile ab, liegt aber normalerweise irgendwo zwischen 500 und 2000 Einheiten. Darunter sind 3D-Druck oder CNC-Bearbeitung tendenziell wirtschaftlicher. Darüber hinaus gewinnt der Spritzguss.
Normalerweise sage ich den Leuten, sie sollen so darüber nachdenken: Wenn das Werkzeug 10.000 $ kostet und die Gussteile jeweils 0,50 $ kosten, müssen Sie 20.000 Teile herstellen, bevor die Kosten pro Teil unter 1,00 $ fallen (10.000 $/20,000 + 0,50 $). Wenn Sie nur 1.000 Teile benötigen, betragen Ihre Kosten pro Teil tatsächlich 10,50 $ (10.000 $/1,000 + 0,50 $). Das ändert die Berechnung völlig.
Bei Produktionsmengen in Millionenhöhe glänzt der Spritzguss. Die Kosten pro-Teil können auf lächerliche Werte-wie 0,10 $-0,20 $ für einfache Teile sinken. Die Werkzeugkosten amortisieren sich auf so viele Teile, dass sie kaum noch ins Gewicht fallen. Aus diesem Grund handelt es sich bei Einweg-Verbraucherprodukten fast ausschließlich um spritzgegossene Rasierer, Stifte, Flaschen, Behälter usw. Die Margen funktionieren, wenn die Herstellung jedes Teils ein paar Cent kostet.
Es gibt viel mehr Anwendungen, als ich hier behandelt habe (Möbelkomponenten, Geräteteile, optische Linsen, Musikinstrumente, wahrscheinlich hundert andere Kategorien), aber das sind die Hauptbranchen, mit denen ich mich befasst habe. Die Vielseitigkeit des Prozesses macht ihn so überragend.-Sie können ein 1-Gramm-Präzisionsbauteil oder ein 5-Kilogramm-Automobilteil mit im Grunde derselben grundlegenden Technologie herstellen, nur vergrößert oder verkleinert.
Es gibt viel mehr Anwendungen, als ich hier behandelt habe (Möbelkomponenten, Geräteteile, optische Linsen, Musikinstrumente, wahrscheinlich hundert andere Kategorien), aber das sind die Hauptbranchen, mit denen ich mich befasst habe. Die Vielseitigkeit des Prozesses macht ihn so überragend.-Sie können ein 1-Gramm-Präzisionsbauteil oder ein 5-Kilogramm-Automobilteil mit im Grunde derselben grundlegenden Technologie herstellen, nur vergrößert oder verkleinert.
Wenn Sie in diesen Bereich einsteigen, sollten Sie sich die Zeit nehmen, um zu verstehen, wie Spritzgussteile richtig konstruiert werden, denn die Trennlinien-Spritzgussstrategie wirkt sich auf alles aus, was nachgelagert ist. Ich habe zu viele Ingenieure gesehen, die Spritzgussteile bestellten, ohne die kosmetischen Spezifikationen der Spritzgussteile zu berücksichtigen, und sich dann über die Kosten für Spritzgussteile beschwerten, wenn Überarbeitungen erforderlich waren. Häufige Fehler bei Spritzgussteilen gehen in der Regel auf Designprobleme zurück-Dinge wie das Spritzgießen dicker Teile ohne geeignete Kühlkanäle oder der Versuch, große Teile zu spritzen, ohne zu verstehen, wie der Materialfluss in größeren Hohlräumen funktioniert. Auch das erforderliche Fachwissen variiert stark: Das Kunststoffspritzgießen von Automobilteilen erfordert andere Kenntnisse als das Spritzgießen von Luftfahrtteilen, und spezielle Prozesse wie Reaktionsspritzgussteile oder Metallspritzgussteile erfordern völlig andere Fähigkeiten. Sogar nach-Angelegenheiten-das Glühen spritzgegossener Kunststoffteile kann Restspannungen reduzieren, die noch Monate nach der Produktion zu Verzugsproblemen führen. Ob Sie mit einem Basic arbeitenSpritzgussformteileBeim Einrichten oder Bewerten von Kunststoffteilen, die in einem Spritzgussverfahren hergestellt werden, verhindert das Verständnis der Grundlagen später teure Fehler. Die Technologie wird nicht verschwinden{1}}Spritzgussteile und Kunststoffspritzgussteile werden weiterhin die Fertigung dominieren, weil nichts anderes so skalierbar ist wie es.