VR productie via spuitgieten

De eerste VR-headset van Ivan Sutherland, genaamd “Sword of Damocles”, woog ongeveer 10 pond (ongeveer 4,5 kg). Hij was zwaar en oncomfortabel om lange tijd te dragen. Daarom werd het aan het plafond ondersteund met een mechanische arm. Nieuwere productietechnieken voor VR's hebben het gewicht verdubbeld om de apparaten comfortabeler te maken om lang te dragen.

Het gemiddelde gewicht van nieuwere VR-headsets varieert van 1,1 tot 1,5 lbs (ongeveer 500 tot 800 gram), zonder de riem en accu. Meta Quest 3 bijvoorbeeld, die in 2023 werd uitgebracht, woog ongeveer 515 gram. Pico 4, die in hetzelfde jaar werd uitgebracht, was ongeveer 586 gram zwaar.

De focus van bedrijven die VR-onderdelen produceren verschuift naar lichtgewicht, ergonomisch en hoge precisie/hoge resolutie. De trend transformeert omvangrijke headsets in slanke, draagbare apparaten die de hele dag meegaan.

Plastic onderdelen in de kern van lichtgewicht VR-productie

De evolutie van VR-onderdelen van kunststof is een belangrijke strategie die fabrikanten gebruiken om lichtgewicht te bereiken. Dit is vooral belangrijk omdat kunststof ongeveer 50-70% van de VR-onderdelen uitmaakt. De buitenbehuizing, hoofdbanden en binnenstructuur zijn hoofdzakelijk gemaakt van duurzame kunststoffen. Evoluerende productiestrategieën voor VR-onderdelen zijn onder andere: 

• Gebruik van geavanceerde materialen: Fabrikanten van VR's vervangen traditionele kunststoffen door geavanceerde alternatieven zoals koolstofvezel om het gewicht te verminderen zonder afbreuk te doen aan de structurele integriteit.
• Gewichtsverdeling: Bij veel ontwerpen uit 2025 werd een halo-achtig bandsysteem gebruikt om het zwaartepunt dichter bij het hoofd van de gebruiker te brengen.
• Hoge dichtheid interconnectie (HDI) printplaten: De HDI-technologie wordt gebruikt om componenten dichter bij elkaar te plaatsen, met microvia's en fijnere spoorbreedtes.
• Precisiefabricagetechnieken: Door het gebruik van precisie VR spuitgieten voor de kunststof onderdelen en andere geavanceerde technologieën, zoals het gieten van glas bij hoge temperatuur voor lenzen, kunnen fabrikanten voldoen aan hoge precisie-eisen.

De noodzaak om iets te doen aan het fysieke ongemak van de gebruiker (nekklachten en hoofdpijn) en de drang om VR-headsets te maken die echt draadloos zijn, zijn enkele van de drijvende krachten achter de voortdurende innovaties in de industrie.

Structurele en functionele onderdelen van VR-headsets

Een VR-headset is een complex apparaat. De voorkant, ook wel het vizier genoemd, is het meest kritieke deel. Het bevat de lens, de sensoren en het “brein” van het apparaat. De harde plastic buitenkant beschermt de interne elektronica en biedt tegelijkertijd stabiliteit en comfort aan de drager.

De VR-headset kan worden onderverdeeld in drie delen, namelijk de externe structurele onderdelen, de functionele onderdelen en de optische onderdelen.

Materiaalopties voor VR productieonderdelen

De materialen die gebruikt worden bij de productie van VR focussen op het balanceren van gewicht voor gebruikerscomfort en prestaties. Andere factoren waarmee VR-fabrikanten rekening houden tijdens de materiaalselectie zijn duurzaamheid en thermisch beheer. De behuizing of buitenkant wordt bijvoorbeeld met uiterste precisie gemaakt van hoogwaardig plastic om een balans te vinden tussen lichtgewicht en duurzaamheid. De uiterste precisie helpt om de optiek uitgelijnd te houden.

• VR-behuizing: Kunststoffen zoals polycarbonaat (PC) en acrylonitrilbutadieenstyreen (ABS), of een mengsel van PC+ABS, worden gebruikt voor de behuizing omdat ze stijfheid en lichtgewicht in balans brengen. Om het gewicht verder te verlagen, gebruiken spuitgietmachinemakers van VR vaak dunne wanden en geribbelde ontwerpen met roosters.
• Optische component: Voor lenzen worden speciale transparante materialen met een uitstekende krasbestendigheid gebruikt. Een goed voorbeeld van een materiaal dat wordt gebruikt voor het maken van een VR-lens is cyclisch olefin copolymeer (COC) met een lichttransmissie ≥ 92%.
• Draagcomfort: Thermoplastisch elastomeer (TPE), een flexibel en zacht materiaal, wordt gebruikt voor antisliponderdelen, waardoor het draagcomfort wordt verbeterd, vooral voor gebruikers die lange sessies maken.

Sleuteltechnologieën in het ontwerp van VR spuitgietmatrijzen

Bij het ontwerpen van een matrijs voor de productie van VR-headsets komen zeer nauwkeurige, gespecialiseerde technologieën kijken. De focus van de belangrijkste technologieën is het leveren van lichtgewicht componenten met complexe geometrieën en superieure oppervlakteafwerkingen.

Het maken van matrijzen voor VR spuitgieten begint vaak met het gebruik van geavanceerde CAD-, CAM- of CAE-software zoals SolidWorks of ProE in combinatie met Moldflow-analyse om een ontwerp voor maakbaarheid (DFM) te garanderen. Geavanceerde software is cruciaal voor het optimaliseren van wanddikte en koeling. Drie belangrijke aspecten van het ontwerp van VR-spuitgietmatrijzen zijn:

1. Precisieregeling: CNC-bewerking met hoge snelheid en hoge precisie wordt gebruikt om een extreme maatnauwkeurigheid van de matrijzen te garanderen. Een grote uitdaging bij het spuitgieten van VR-darmen is het bereiken van een hoogglanzend oppervlak zonder defecten. Dit kan overwonnen worden door de spuitgietparameters zoals snelheid, druk en temperatuur te optimaliseren. Veel voorkomende defecten zoals kromtrekken en krimpen in complexe vormen kunnen worden verminderd door het koelsysteem te optimaliseren.
2. Structurele optimalisatie: Gebogen behuizingen en complexe gespen hebben vaak te maken met meerdere uitdagingen met conventionele tweedelige matrijzen. Veel voorkomende uitdagingen bij het spuitgieten van gebogen VR behuizingen zijn onvolledige detailvorming en problemen bij het ontvormen. Een multi-slide + insert structuur is ontworpen om deze problemen op te lossen. Het kan gebruikt worden om onderdelen te maken met ingewikkelde, multidirectionele ondersnijdingen en complexe vormen.
3. Oppervlaktebehandeling: Vloeisporen en laslijnen zijn cosmetische onvolkomenheden die het gevolg kunnen zijn van een inconsistente stroom van gesmolten kunststof. Het verminderen van de microoppervlakteruwheid van het matrijsoppervlak of spiegelpolijsten vermindert de wrijvingsweerstand tussen het gesmolten kunststof en de matrijsholte aanzienlijk. De eerste bewerkingssporen worden verwijderd met oliestenen met korrel 180 tot 600. Gladmaken gebeurt met nat schuurpapier met korrel 400 tot 1600. Het uiteindelijke polijsten gebeurt met diamantpasta (0,25 µm of 0,5 µm).

Eisen van de klant

Een klant die gespecialiseerd is in de productie van VR-draagbare apparaten had een aangepaste voorkant voor VR-headsets nodig. Hun vorige leverancier was niet in staat om het probleem van kromtrekken op te lossen dat het gevolg was van de extreem dunne wanden van het onderdeel. Ook was er het probleem van de ondermaatse assemblageprecisie.

De klant wilde graag een VR spuitgietmaker vinden die de uitdagingen kon overwinnen. De klant was ervan overtuigd dat First Mold in staat was om de problemen op te lossen na een uitgebreide rondleiding door de fabriek van het bedrijf en het bekijken van albums van eerdere projecten. De gedetailleerde vereisten van de klant omvatten:

• Wanddikte deel 1,0 mm,
• Gewicht ≤25g,
• Geen vloeisporen op het oppervlak,
• Montagetolerantie ±0,03 mm,
• Massaproductie opbrengst ≥98%

Uitdagingen

Om een gewicht ≤25g te bereiken was meer nodig dan alleen het verwisselen van materialen. Eerst moesten de Mold-ingenieurs het ontwerp heroverwegen, in samenwerking met de klant. Het was noodzakelijk om niet-kritieke gebieden te identificeren met behulp van Finite Element Analysis (FEA). Voor de stijfheid werden ribben toegevoegd in plaats van massieve materialen.

Om het gewicht van de VR-headset verder te verlagen, werd de voorkeur gegeven aan een snap-fit ontwerp boven schroeven. Dat vereiste echter een krappe tolerantie om ervoor te zorgen dat de onderdelen stevig in elkaar zouden klikken tijdens de assemblage.

Oplossing

First Mold gebruikte de GAIM-structuur (gas-assisted injection molding) voor het ontwerp van de VR-spuitgietmatrijs. Deze methode bood aanzienlijke voordelen ten opzichte van traditioneel spuitgieten door het gebruik van stikstofgas onder druk om holle secties te maken. GAIM verminderde het harsgebruik met meer dan 20%. Het maakte ook de optimalisatie van de materiaalverdeling mogelijk en verbeterde de algehele oppervlaktekwaliteit.

Gasondersteund spuitgieten creëert holle secties met differentiële koeling. Dat wil zeggen dat holle secties sneller afkoelen dan massieve secties. Daarom was het nodig om precieze koelkanalen te introduceren. Het optimaliseren van de koelkanalen was belangrijk om ongelijkmatige koeling te voorkomen, wat kan leiden tot kromtrekken. Een geoptimaliseerd koelkanaal was ook belangrijk om de productiesnelheid te maximaliseren.

De verdeling werd geoptimaliseerd voor niet-zichtbare gebieden. Deze ontwerpbeslissing werd genomen tijdens de CAD-fase om ervoor te zorgen dat de naadlijnen verborgen bleven. Door de deellijnen verborgen te houden, kon First Mold de esthetische gaafheid van 100% op het oppervlak van de VR-headset behouden.

Procesaanpassing

Het geselecteerde materiaal voor de productie van VR-kunststofonderdelen was een glasvezelversterkt PC+ABS-mengsel. De combinatie van dit materiaal met stikstofondersteund spuitgieten voorkomt materiaaldecompositie. Stikstof werkt namelijk als een inert gas dat zuurstof in het vat en de matrijs verdringt.

De verplaatsing van zuurstof voorkomt de afbraak van het polymeer bij hoge temperaturen. Deze techniek voorkomt ook verkleuring en behoudt de mechanische sterkte van de kunststof.

Kwaliteitscontrolesysteem

First Mold maakte gebruik van real-time monitoring met in-mold druksensoren. De sensoren maten de holtedruk (tot 2000 bar) en de temperatuur. Dit leverde onmiddellijke gegevens op over het vullen van de matrijs, het verpakken en het dichtvriezen van de poorten, zodat defecten onmiddellijk konden worden opgespoord. Dit hielp om uitval te verminderen.

De technici van First Mold voerden een grondige inspectie uit van het afgewerkte onderdeel met behulp van een coördinatenmeetmachine (CMM). De scanner mat de buitenste geometrieën om krommingen op te sporen die het blote oog gemakkelijk kon missen. De meting werd vergeleken met de blauwdruk van het product om consistentie te controleren.

Eindresultaten en klantenverhaal

First Mold leverde niet alleen een matrijs. Het bedrijf leverde een VR spuitgietsysteem dat de klant hielp om een aantal van de eerdere productie-uitdagingen te overwinnen die ze met hun vorige leverancier hadden ervaren. De oplossing die First Mold leverde, hielp de klant lichtgewicht VR-onderdelen te maken. Dit zorgde ervoor dat hun product lichter was dan veel producten van concurrerende merken op de markt, waardoor VR-liefhebbers comfort kregen voor een langere draagervaring.