Kompletny przewodnik po procesie formowania wtryskowego z nakładką z tworzywa sztucznego

Formowanie z nakładką z tworzywa sztucznego jest szeroko stosowane w branży formowania wtryskowego w celu poprawy wykończenia elementów. Pomaga to producentom zapewnić bezpieczeństwo, wygodę i skuteczność produktów. Na przykład przybory kuchenne i narzędzia ręczne są projektowane w taki sposób, aby poprawić ich przyczepność. Inżynierowie stosują formowanie wtryskowe z nakładką z tworzywa sztucznego, aby nadać uchwytom określone wzory, co zapobiega ślizganiu się podczas użytkowania narzędzi. Formowanie z nakładką jest podobne do formowania z wkładką, ponieważ obie techniki wykorzystują proces formowania wtryskowego. Jednakże, podczas gdy tradycyjne formowanie z wkładką często polega na mocowaniu tworzywa sztucznego lub gumy wokół metalowej powierzchni, formowanie nakładkowe w niestandardowej produkcji na zamówienie stanowi szerszą kategorię. Obejmuje ono zarówno formowanie wtryskowe dwuetapowe, jak i metody typu „pick-and-place” służące do mocowania elastycznego materiału na wstępnie uformowanym sztywnym podłożu z tworzywa sztucznego.

Niektórzy uważają, że formowanie nakładkowe jest procesem wykańczania powierzchni, po prostu dlatego, że może zmienić wygląd produktu. Pogląd ten nie jest jednak trafny. Formowanie nakładkowe jest w rzeczywistości procesem formowania wtryskowego z wykorzystaniem wielu materiałów. Chociaż warstwa nakładkowa zapewnia korzyści w zakresie uszczelnienia i estetyki, stanowi ona kluczowy etap w procesie formowania części — a nie “miły dodatek” w postaci wykończenia nakładanego po wyprodukowaniu głównego korpusu.

W niniejszym przewodniku omówiono proces formowania wtryskowego z nakładką, opisując poszczególne etapy tego procesu.

Jak ważne jest formowanie z nakładką?

W procesie formowania nakładkowego podłoże jest częściowo pokrywane lub otaczane materiałem dodatkowym. W większości przypadków podłożem stosowanym w formowaniu nakładkowym jest guma lub tworzywa termoplastyczne, co pozwala uzyskać jeden zintegrowany produkt. W sektorze produkcyjnym istnieje wiele zastosowań formowania nakładkowego.

Ergonomia i estetyka

Wiele niestandardowych wyrobów z tworzyw sztucznych wytwarza się z sztywnych termoplastów technicznych, takich jak nylon, ABS czy PC, aby zapewnić ich integralność strukturalną. Jednak te twarde powierzchnie mogą powodować dyskomfort u użytkownika i utrudniać pewny chwyt podczas długotrwałego użytkowania. Dzięki technologii obtryskiwania produkty te wzbogacane są o warstwę elastomeru, która równomiernie rozkłada nacisk na dłonie użytkownika podczas użytkowania. Obtryskiwanie tworzy rowki na uchwytach urządzeń, zapobiegające wyślizgiwaniu się ich z dłoni użytkownika. Jest to bardzo ważny aspekt bezpieczeństwa w przypadku młotków stosowanych w warsztatach.

W przypadku pracy z elektronarzędziami formowanie wtryskowe z tworzyw sztucznych pomaga tłumić wstrząsy i drgania, przyczyniając się tym samym do poprawy bezpieczeństwa ergonomicznego. Niektóre materiały stosowane w formowaniu wtryskowym, takie jak miękkie elastomery, pochłaniają drgania powstające podczas pracy. W porównaniu ze sztywnymi tworzywami sztucznymi specjalistyczne powłoki elastomerowe mogą zmniejszyć drgania o wysokiej częstotliwości o 20–30%, co stanowi znaczący efekt tłumienia, mający kluczowe znaczenie dla zminimalizowania ryzyka wystąpienia zespołu drgań rąk i ramion (HAVS) u operatorów w środowisku przemysłowym. ^[1].

Rola formowania z nakładką wykracza poza kwestie bezpieczeństwa i ma na celu nadanie produktom formowanym walorów estetycznych. W procesie tym na formę można nakładać warstwy o różnych kolorach. Warstwy te są następnie przenoszone na gotowy produkt. Na przykład szczypce o podobnych wymiarach mogą być dostępne w różnych kolorach. Te różnice kolorystyczne mogą mieć znaczenie dla marketingu wytwarzanych produktów formowanych z tworzyw sztucznych.

Do celów hydroizolacji i uszczelniania

Technologia overmolding pozwala zapewnić wodoszczelne uszczelnienie wokół elementów elektronicznych, przełączników, interfejsów obudowy oraz złączy. Proces ten trwale łączy elastomery z podłożem, tworząc ciągłą barierę, która dopasowuje się do wszystkich skomplikowanych kształtów. Ta zaleta ciągłego uszczelnienia rozwiązuje problemy związane z tradycyjnymi uszczelkami i o-ringami, które wymagają dodatkowego montażu. Formowanie wtryskowe zwiększa niezawodność produktów, zwłaszcza tych narażonych na działanie deszczu, wilgoci i chemicznych środków czyszczących. Jako producent wykonujący zamówienia na miarę, firma First Mold wykorzystuje formowanie wtryskowe jako niezawodny sposób na osiągnięcie wyższych stopni ochrony przed wnikaniem (IP) (takich jak IP67 lub IP68), zgodnych z rygorystyczną normą IEC 60529 dotyczącą odporności na wodę i pył, zapewniając długotrwałą niezawodność w trudnych warunkach środowiskowych. ^[2].

 W poniższej tabeli zestawiono najważniejsze zastosowania formowania z nakładką w kontekście rozwiązywania problemów związanych z uszczelnieniem:

Koszty pracy

Większość firm inżynieryjnych specjalizujących się w formowaniu wtryskowym dąży do optymalizacji produkcji w ramach strategii dostosowania się do zasad Przemysłu 4.0. Jedną ze strategii pozwalających osiągnąć ten cel jest zastąpienie tradycyjnego montażu produkcyjnego formowaniem wtryskowym z nakładką. Połączenie wielu elementów i funkcji w jednym odlewanym elemencie znacznie ogranicza nakład pracy ręcznej. W efekcie producenci osiągają spójność produkcji oraz wysoki wskaźnik ogólnej efektywności sprzętu (OEE).

Mimo że technologia formowania wtryskowego z nakładką wiąże się ze stosunkowo wyższymi kosztami oprzyrządowania w porównaniu z tradycyjnymi metodami, takimi jak montaż, koszty operacyjne są stosunkowo niższe. Weźmy na przykład produkcję elektronarzędzia. W przypadku produkcji konwencjonalnej do wyprodukowania prostego elektronarzędzia konieczna jest seria czynności produkcyjnych, które można uprościć dzięki zastosowaniu formowania wtryskowego z nakładką.

W przypadku tradycyjnego montażu wiertarki akumulatorowej konieczne byłoby zastosowanie oddzielnie formowanej wtryskowo obudowy, osobnego gumowego uchwytu, nałożenie kleju, ręczne ustawienie elementów, czas utwardzania oraz kontrola jakości. Wszystkie te czynności wymagają więcej czasu i generują wyższe koszty pracy.

Dzięki technologii formowania wtryskowego zredukowaliśmy liczbę pracowników obsługujących te operacje, skróciliśmy cykle produkcyjne, zmniejszyliśmy zapasy produkcji w toku oraz poprawiliśmy spójność wymiarową.

Na czym polega proces formowania wtryskowego z nakładką?

Formowanie z nakładką to wieloetapowy proces, który przebiega od etapu projektowania aż po wyrzucenie wyrobu z formy.

1. Projekt

Etap projektowania procesu formowania wtryskowego z nakładką ma kluczowe znaczenie, ponieważ określa on wymagania funkcjonalne, estetyczne i produkcyjne produktów końcowych. Na tym etapie zazwyczaj podejmuje się kluczowe decyzje mające na celu wyeliminowanie ewentualnych wad, takich jak wgłębienia, wypaczenia i rozwarstwienia. W dziale projektowym wykorzystujemy różne programy, takie jak Mold Flow Analysis, CAD i CAE, aby zoptymalizować parametry procesu i przewidzieć właściwości produktu końcowego. Proces projektowania obejmuje kilka aspektów, takich jak kompatybilność materiałów, mechanizm łączenia, grubość ścianek, położenie wlewów, kąt nachylenia oraz skurcz.

Kompatybilność materiałowa

Wybór odpowiednich materiałów do formowania wtryskowego, które mają się związać z podłożem, stanowi kluczowy element procesu projektowania. Materiały do formowania wtryskowego mogą łączyć się z podłożem na wiele sposobów, np. poprzez adhezję chemiczną, sprzężenie mechaniczne, dyfuzję molekularną lub przyciąganie wynikające z energii powierzchniowej. Skuteczna kompatybilność materiałów zapewnia silniejsze połączenie, zapobiega odklejaniu się i gwarantuje, że powłoka nie oddzieli się od podłoża. Poniższa tabela przedstawia różne materiały do powlekania kompatybilne z materiałami podłoża.

Grubość ścianki

W procesie formowania wtryskowego z nakładką stosuje się jednolitą grubość ścianek, aby zapewnić równomierny przepływ materiału, stabilność wymiarową oraz równomierne chłodzenie. Pomaga to zminimalizować liczbę wad.  Ponadto dzięki jednolitej grubości ścianek można zapobiegać powstawaniu pustych przestrzeni, skrócić czas cyklu i zminimalizować wypaczenia. Ścianki nie powinny być zbyt grube, aby uniknąć spowolnienia chłodzenia. Z drugiej strony cieńsze ścianki mogą przyczyniać się do niepełnego wypełnienia lub niedopełnienia wtrysku. Poniższa tabela zawiera zestawienie zalecanych grubości ścianek dla różnych materiałów.

Lokalizacja bramy

Wlew musi być odpowiednio rozmieszczony, aby zapewnić równomierne wypełnienie formy i skuteczne zapobieganie powstawaniu wad. Prawidłowe rozmieszczenie wlewu minimalizuje widoczność linii spawania, zmniejsza naprężenia szczątkowe oraz obniża wymagane ciśnienie wtrysku. Do typowych lokalizacji wlewów należą: wlew krawędziowy, wlew wachlarzowy oraz wlew podwodny, jak pokazano na poniższych rysunkach.

Skurcz

Wszystkie tworzywa termoplastyczne kurczą się podczas stygnięcia. Podczas projektowania inżynierowie kompensują ten skurcz, zwiększając wymiary wnęk formy w oparciu o wymagany lub przewidywany skurcz. Szacowanie to opiera się na następującym wzorze:

S = (L_m – L_p) * 100%/L_m

Gdzie

S = skurcz (%)

Lm = wymiar wnęki formy

Lp = wymiar końcowy części

Jednak w procesie formowania z nakładką dochodzi do skurczu ograniczonego, ponieważ sztywne podłoże fizycznie ogranicza naturalny skurcz materiału dodatkowego. Inżynierowie często muszą stosować analizę przepływu w formie wraz z tym wzorem, aby dokładnie dobrać wymiary wnęki i zapobiec wypaczeniu.

2. Wytwarzanie podłoża

Po rozważeniu kwestii projektowych zespół przystępuje do produkcji elementu bazowego, na który nakładany jest materiał wtórny w procesie formowania wtryskowego. Podłoże to stanowi szkielet produktu, zapewniający właściwości konstrukcyjne, wymiarowe i funkcjonalne produktu końcowego. Materiały do produkcji podłoża dobierane są w zależności od zastosowania. Oznacza to, że podłoże może być wykonane z tworzyw termoplastycznych, metali lub kompozytów. Do produkcji podłoży stosuje się różne metody, takie jak obróbka CNC, formowanie wtryskowe, produkcja addytywna, odlewanie ciśnieniowe i tłoczenie. Wybrana metoda musi gwarantować, że podłoże będzie charakteryzowało się wystarczającą wytrzymałością mechaniczną, precyzyjnymi wymiarami oraz dobrą powierzchnią zapewniającą przyczepność.

Podłoża z tworzyw sztucznych są zazwyczaj wytwarzane metodą formowania wtryskowego zgodnie z poniższymi etapami:

1. Granulki z tworzywa sztucznego
2. Suszenie materiałów
3. Topnienie w beczce
4. Wtryskiwanie do formy
5. Pakowanie i przechowywanie
6. Chłodzenie
7. Wyrzut
8. Gotowe podłoże

Podłoża metalowe wybiera się w przypadkach, gdy wymagana jest wysoka przewodność cieplna, wytrzymałość mechaniczna i odporność na zużycie. Podłoża te są zazwyczaj wytwarzane metodami takimi jak obróbka CNC, kucie, odlewanie ciśnieniowe, tłoczenie metali lub formowanie wtryskowe metali. Jednak po wyprodukowaniu inżynierowie poddają te podłoża dodatkowym zabiegom, takim jak wykańczanie powierzchni, gratowanie, czyszczenie chemiczne lub piaskowanie.

3. Przygotowanie powierzchni

Trwałość połączenia między podłożem a materiałem do obtryskiwania zależy od stanu podłoża. Dlatego też powierzchnie obu materiałów muszą być odpowiednio przygotowane, aby zapewnić skuteczność procesu obtryskiwania. Powierzchnia, która nie została odpowiednio przygotowana, zawiera zanieczyszczenia, ulega utlenianiu, charakteryzuje się niską energią powierzchniową i może być zbyt gładka, co ogranicza przyczepność. Powoduje to odklejanie się elementu, rozwarstwianie oraz przedwczesną awarię elementu.

Istnieje kilka powodów, dla których przygotowujemy powierzchnie przed wykonaniem formowania wtryskowego. Po pierwsze, usuwamy zanieczyszczenia, takie jak kurz, oleje, tlenki i środki antyadhezyjne. Zanieczyszczenia te mogą wpływać na przyczepność podłoża i materiałów do formowania wtryskowego. Po drugie, przygotowanie zwiększa energię powierzchniową materiałów. Energię tę nazywamy zwilżalnością powierzchni. Po trzecie, przygotowanie powierzchni poprawia mechaniczne zazębianie się podłoża i materiału do obtryskiwania.

Przygotowanie powierzchni jest niezbędnym wymogiem w zastosowaniach, w których kluczowe znaczenie ma długotrwała trwałość połączenia. Do takich zastosowań należą elementy lotnicze i kosmiczne, czujniki samochodowe, wodoodporna elektronika oraz złącza elektryczne. Istnieją różne metody, które można zastosować podczas przygotowywania powierzchni. Powszechnie stosowaną metodą jest obróbka plazmowa. Polega ona na oczyszczeniu powierzchni oraz zwiększeniu jej energii poprzez wytworzenie wysokoenergetycznych jonów i elektronów w wyniku wyładowania plazmowego.

Inne metody to obróbka koronowa, obróbka płomieniowa, trawienie chemiczne oraz teksturowanie laserowe.

4. Wkładanie wkładki

Wyprodukowane podłoże lub wkładka są na tym etapie precyzyjnie umieszczane w formie do drugiego wtrysku przed wtrysnięciem materiałów do obtryskiwania. Aby uzyskać najwyższą jakość produktu końcowego, konieczne jest umieszczenie podłoża z najwyższą precyzją. Nieprawidłowe umieszczenie wkładki może spowodować niewspółosiowość materiału do obtryskiwania, co prowadzi do powstawania nadlewek i słabego wiązania. Większość odpadów powstających podczas obtryskiwania wynika z nieprawidłowego ustawienia wkładki. Aby uniknąć tych błędów, większość producentów preferuje zautomatyzowane systemy transportowe. 

5. Wstrzykiwanie drugą dawką

Ten etap określa proces formowania wtryskowego z nakładką. Stopiony polimer, taki jak TPE, TPU lub inne techniczne tworzywa termoplastyczne, jest wtryskiwany do wnęki formy i pozostawiany do rozprzestrzenienia się wokół umieszczonego podłoża. Gdy materiały stykają się z podłożem, następuje ich połączenie chemiczne lub mechaniczne. Na tym etapie konieczne jest precyzyjne kontrolowanie parametrów przetwarzania, ponieważ to one decydują o ogólnej jakości gotowego produktu.

Proces rozpoczyna się od wprowadzenia granulek polimeru do ogrzewanego cylindra. W cylindrze znajduje się obrotowy ślimak, który przesuwa granulki do przodu. W miarę przesuwania granulek do przodu ich temperatura topnienia jest podnoszona przez taśmy grzewcze, a tarcie między ślimakiem a polimerem wspomaga proces topnienia polimeru. Prowadzi to do uzyskania jednorodnej masy stopionego polimeru. Stopiony polimer gromadzi się w przedniej części ślimaka, aż osiągnie objętość wystarczającą do wtrysku.

W miarę jak śruba posuwowa przesuwa się do przodu, wypycha zgromadzony stopiony polimer przez dyszę, wlew, system kanałów i bramkę do wnęki formy. We wnęce stopiony materiał otacza podłoże, umożliwiając jego związanie i zestalenie. Gdy stopiony materiał zestali się wokół podłoża, pozostawia się go do ostygnięcia. Następnie kołki wypychające wyrzucają gotowy produkt. Poniższa tabela zawiera podsumowanie parametrów przetwarzania.

Uwaga: Dokładna temperatura stopu zależy od konkretnych gatunków polimerów, które mają zostać połączone. Utrzymanie temperatury stopu drugiego wtrysku ściśle w granicach zakresu temperatur przetwarzania termicznego materiału ma kluczowe znaczenie dla uzyskania trwałego wiązania chemicznego bez topienia lub degradacji leżącego pod spodem niestandardowego podłoża. ^[3].

Wnioski

Technologia overmoldingu oferuje wszechstronne rozwiązania dla wyzwań produkcyjnych poprzez łączenie różnych materiałów w celu poprawy funkcjonalności, trwałości, ergonomii i estetyki produktu. Producenci, którzy chcą nadać swoim produktom miękki w dotyku wygląd, aby poprawić przyczepność lub “odczucie” oraz zapewnić stylowy wygląd, który przemawia do konsumentów, są idealnymi kandydatami do zastosowania overmoldingu. Jeśli potrzebujesz pojedynczej, solidnej części, która łączy w sobie wiele warstw materiałów i kolorów, formowanie wtryskowe jest idealnym rozwiązaniem.

Odniesienie

[1] Bernard, B. P., Nelson, N., Estill, C. F. i Fine, L. (1998). Przegląd NIOSH dotyczący zespołu wibracyjnego rąk i ramion: czujność ma kluczowe znaczenie. „Journal of Occupational & Environmental Medicine”, tom 40(9), 780–785. Zbiory Centrum Kontroli i Zapobiegania Chorobom (CDC). Pobrano z https://stacks.cdc.gov/view/cdc/196388

[2] Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna. (2013). IEC 60529:1989+AMD1:1999+AMD2:2013 CSV – wersja skonsolidowana: Stopnie ochrony zapewniane przez obudowy (kod IP). Pobrano z https://webstore.iec.ch/publication/2452

[3] Awaja, F., Gilbert, M., Kelly, G., Fox, B. i Pigram, P. J. (2009). Adhezja polimerów. Postępy w naukach o polimerach, 34(9), 948-968. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2009.04.007