Produkcja VR poprzez formowanie wtryskowe

Pierwszy zestaw VR autorstwa Ivana Sutherlanda, zwany “Mieczem Damoklesa”, ważył około 10 funtów (ok. 4,5 kg). Był ciężki i niewygodny do noszenia przez długi czas. Dlatego też był podtrzymywany z sufitu za pomocą mechanicznego ramienia. Nowsze techniki produkcji VR podwoiły wagę, aby urządzenia były wygodniejsze podczas długiego noszenia.

Średnia waga nowszych zestawów VR waha się od 1,1 do 1,5 funta (ok. 500 do 800 gramów), bez paska i akumulatora. Na przykład Meta Quest 3, który został wydany w 2023 roku, ważył około 1,14 funta (515 gramów). Pico 4, który został wydany w tym samym roku, ważył około 1,3 funta (586 gramów).

Firmy zajmujące się produkcją komponentów VR koncentrują się na lekkości, ergonomii i wysokiej precyzji/wysokiej rozdzielczości. Trend ten przekształca nieporęczne zestawy słuchawkowe w eleganckie urządzenia do noszenia przez cały dzień.

Części z tworzyw sztucznych podstawą lekkiej produkcji VR

Ewolucja plastikowych części w produkcji VR jest ważną strategią stosowaną przez producentów w celu osiągnięcia lekkości. Jest to szczególnie ważne, ponieważ plastik stanowi około 50-70% komponentów VR. Zewnętrzna obudowa, paski na głowę i wewnętrzna struktura są wykonane głównie z trwałych tworzyw sztucznych. Rozwijające się strategie produkcji komponentów VR obejmują: 

• Wykorzystanie zaawansowanych materiałów: Producenci VR zastępują tradycyjne tworzywa sztuczne zaawansowanymi technologicznie alternatywami, takimi jak włókno węglowe, aby zmniejszyć wagę bez uszczerbku dla integralności strukturalnej.
• Rozkład masy: W wielu projektach z 2025 roku zastosowano system pasków w stylu aureoli, aby przesunąć środek ciężkości bliżej głowy użytkownika.
• Płytki drukowane o wysokiej gęstości połączeń (HDI): Technologia HDI jest wykorzystywana do upakowania komponentów bliżej siebie, przy użyciu mikroprzelotek i mniejszych szerokości ścieżek.
• Precyzyjne techniki produkcji: Zastosowanie precyzyjnego formowania wtryskowego VR do części plastikowych i innych zaawansowanych technologii, np. formowania szkła w wysokiej temperaturze do soczewek, pozwala producentom spełnić wysokie wymagania dotyczące precyzji.

Potrzeba zaradzenia fizycznemu dyskomfortowi użytkownika (napięcia szyi i bóle głowy) oraz dążenie do stworzenia prawdziwie bezprzewodowych zestawów VR to tylko niektóre z czynników napędzających ciągłe innowacje w branży.

Strukturalne i funkcjonalne elementy zestawów VR

Zestaw słuchawkowy VR to złożone urządzenie. Przednia część, zwana również wizjerem, jest najbardziej krytycznym obszarem. Znajduje się tam obiektyw, czujniki i “mózg” urządzenia. Twarda zewnętrzna plastikowa powłoka chroni wewnętrzną elektronikę, zapewniając jednocześnie stabilność i wygodę użytkownikowi.

Zestaw słuchawkowy VR można podzielić na trzy części, a mianowicie zewnętrzne części konstrukcyjne, komponenty funkcjonalne i części związane z optyką.

Opcje materiałowe dla komponentów do produkcji VR

Materiały stosowane w produkcji VR koncentrują się na zrównoważeniu wagi dla wygody użytkownika i wydajności. Inne czynniki, które twórcy VR biorą pod uwagę przy wyborze materiałów, to trwałość i zarządzanie temperaturą. Na przykład obudowa lub zewnętrzna powłoka jest wykonana z dużą precyzją przy użyciu wysokowydajnego tworzywa sztucznego, aby zrównoważyć lekkość i trwałość. Ścisła precyzja pomaga utrzymać optykę w jednej linii.

• Obudowa VR: Tworzywa sztuczne, takie jak poliwęglany (PC) i akrylonitrylo-butadieno-styren (ABS) lub mieszanka PC+ABS, są stosowane do produkcji obudów, ponieważ zapewniają równowagę między sztywnością i lekkością. Aby jeszcze bardziej zmniejszyć wagę, producenci form wtryskowych VR często stosują cienkie ścianki i żebrowane konstrukcje z kratownicami.
• Element optyczny: Do produkcji soczewek stosuje się specjalne przezroczyste materiały o doskonałej odporności na zarysowania. Dobrym przykładem materiału używanego do produkcji soczewek VR jest cykliczny kopolimer olefinowy (COC) o przepuszczalności światła ≥ 92%.
• Komfort noszenia: Termoplastyczny elastomer (TPE), elastyczny i miękki materiał, jest stosowany w elementach antypoślizgowych, zwiększając tym samym komfort noszenia, szczególnie dla użytkowników o długich sesjach.

Kluczowe technologie w projektowaniu form wtryskowych VR

Proces projektowania formy do produkcji headsetów VR obejmuje wysoce precyzyjne, specjalistyczne technologie. Kluczowe technologie koncentrują się na dostarczaniu lekkich komponentów o złożonej geometrii i doskonałym wykończeniu powierzchni.

Proces tworzenia form do formowania wtryskowego VR często rozpoczyna się od wykorzystania zaawansowanego oprogramowania CAD, CAM lub CAE, takiego jak SolidWorks lub ProE, w połączeniu z analizą Moldflow w celu zapewnienia projektowania pod kątem możliwości produkcyjnych (DFM). Zaawansowane oprogramowanie ma kluczowe znaczenie dla optymalizacji grubości ścianek i chłodzenia. Trzy kluczowe aspekty projektowania form wtryskowych VR obejmują:

1. Precyzyjna kontrola: Szybka i precyzyjna obróbka CNC jest wykorzystywana do zapewnienia ekstremalnej dokładności wymiarowej form. Głównym wyzwaniem związanym z formowaniem wtryskowym obudów VR jest uzyskanie powierzchni o wysokim połysku pozbawionej defektów. Można temu zaradzić poprzez optymalizację parametrów formowania wtryskowego, takich jak prędkość, ciśnienie i temperatura. Typowe defekty, takie jak wypaczanie i kurczenie się w złożonych kształtach, można zredukować poprzez optymalizację systemu chłodzenia.
2. Optymalizacja strukturalna: Zakrzywione obudowy i złożone klamry często napotykają wiele wyzwań w przypadku konwencjonalnych form dwuczęściowych. Typowe wyzwania związane z formowaniem zakrzywionych obudów VR obejmują niepełne formowanie detali i trudności z rozformowywaniem. Konstrukcja typu multi-slide + insert została zaprojektowana w celu rozwiązania tych problemów. Może być używana do tworzenia części o skomplikowanych, wielokierunkowych podcięciach i złożonych kształtach.
3. Obróbka powierzchni: Ślady płynięcia i linie spawania to kosmetyczne skazy, które mogą wynikać z niespójnego przepływu stopionego tworzywa sztucznego. Zmniejszenie mikrochropowatości powierzchni formy lub polerowanie lustrzane znacznie zmniejsza opór tarcia między stopionym tworzywem sztucznym a gniazdem formy. Początkowe ślady obróbki są usuwane za pomocą kamieni olejowych o ziarnistości od 180 do 600. Wygładzanie odbywa się za pomocą mokrego papieru ściernego o ziarnistości od 400 do 1600. Końcowe polerowanie odbywa się przy użyciu pasty diamentowej (0,25 µm lub 0,5 µm).

Wymagania klienta

Klient specjalizujący się w produkcji urządzeń VR do noszenia potrzebował niestandardowej przedniej osłony zestawu słuchawkowego VR. Ich poprzedni dostawca nie był w stanie sprostać wyzwaniu wypaczenia, które wynikało z niezwykle cienkich ścianek części. Pojawiła się również kwestia niskiej precyzji montażu.

Klient chciał znaleźć producenta form wtryskowych VR, który mógłby sprostać wyzwaniom. Klient został przekonany o zdolności First Mold do rozwiązania problemów po kompleksowej wycieczce po zakładzie firmy i przejrzeniu albumów z poprzednich projektów. Szczegółowe wymagania klienta obejmowały:

• Grubość ścianki części 1,0 mm,
• Waga ≤25g,
• Brak śladów przepływu na powierzchni,
• Tolerancja montażu ±0,03 mm,
• Wydajność produkcji masowej ≥98%

Wyzwania

Osiągnięcie wagi ≤25 g wymagało czegoś więcej niż tylko zamiany materiałów. Najpierw inżynierowie Mold musieli przemyśleć projekt we współpracy z klientem. Konieczne było zidentyfikowanie obszarów niekrytycznych przy użyciu analizy elementów skończonych (MES). Zamiast materiałów pełnych dodano żebra w celu zwiększenia sztywności.

Aby jeszcze bardziej obniżyć wagę zestawu słuchawkowego VR, preferowano konstrukcję zatrzaskową zamiast śrub. Wymagało to jednak wąskiej tolerancji, aby zapewnić ścisłe połączenie części podczas montażu.

Rozwiązanie

Firma First Mold przyjęła strukturę formowania wtryskowego wspomaganego gazem (GAIM) do projektowania form wtryskowych VR. Metoda ta oferowała znaczące korzyści w porównaniu z tradycyjnym formowaniem, wykorzystując azot pod ciśnieniem do tworzenia pustych sekcji. GAIM zmniejszył zużycie żywicy o ponad 20%. Pozwoliło to również na optymalizację dystrybucji materiału i poprawę ogólnej jakości powierzchni.

Formowanie wtryskowe ze wspomaganiem gazowym tworzy puste sekcje z chłodzeniem różnicowym. Oznacza to, że puste sekcje chłodzą się szybciej niż sekcje pełne. Dlatego konieczne było wprowadzenie precyzyjnych kanałów chłodzących. Optymalizacja kanałów chłodzących była ważna, aby uniknąć nierównomiernego chłodzenia, które może prowadzić do wypaczeń. Zoptymalizowany kanał chłodzenia był również ważny dla maksymalizacji prędkości produkcji.

Podział został zoptymalizowany pod kątem niewidocznych obszarów. Ta decyzja projektowa została podjęta podczas fazy CAD, aby zapewnić, że linie szwów pozostaną ukryte. Ukrycie linii podziału pozwoliło First Mold zachować estetyczną nieskazitelność 100% na powierzchni obudowy gogli VR.

Dostosowanie procesu

Wybranym materiałem do produkcji plastikowych części VR była mieszanka PC+ABS wzmocniona włóknem szklanym. Połączenie tego materiału z formowaniem wtryskowym wspomaganym azotem zapobiega rozkładowi materiału. Dzieje się tak, ponieważ azot działa jak gaz obojętny, który wypiera tlen z cylindra i formy.

Wypieranie tlenu zapobiega degradacji polimeru w wysokich temperaturach. Technika ta zapobiega również przebarwieniom i utrzymuje wytrzymałość mechaniczną tworzywa sztucznego.

System kontroli jakości

Firma First Mold zastosowała monitorowanie w czasie rzeczywistym za pomocą czujników ciśnienia w formie. Czujniki mierzyły ciśnienie we wnęce (do 2000 barów) i temperaturę. Zapewniało to natychmiastowe dane dotyczące napełniania formy, pakowania i zamarzania bramy w celu natychmiastowego wykrycia wad. Pomogło to zmniejszyć ilość odpadów.

Inżynierowie First Mold przeprowadzili dokładną kontrolę gotowej części przy użyciu współrzędnościowej maszyny pomiarowej (CMM). Skaner zmierzył zewnętrzne geometrie, aby wykryć wypaczenia, które gołym okiem można łatwo przeoczyć. Pomiar został dopasowany do planu produktu w celu sprawdzenia spójności.

Wyniki końcowe i opinie klientów

First Mold nie tylko dostarczyła formę. Firma dostarczyła system formowania wtryskowego VR, który pomógł klientowi przezwyciężyć niektóre z poprzednich wyzwań produkcyjnych, których doświadczył z poprzednim dostawcą. Rozwiązanie dostarczone przez First Mold pomogło klientowi stworzyć lekkie komponenty VR. Zapewniło to, że ich produkt był lżejszy niż wiele produktów konkurencyjnych marek na rynku, oferując entuzjastom VR komfort dłuższego noszenia.