12 ключевых технологий пластикового формообразования и их применения

Пластиковое формообразование необходимо большинству отраслей. От полистироловых пищевых упаковок до промышленных компонентов из инженерного PEEK, пластиковое формообразование вносит огромный вклад в жизнь, как мы ее знаем. Без способности делать пластиковые детали нам пришлось бы разрабатывать радикально новые системы производства.

Но пластиковое формообразование включает множество разных методов. Литье под давлением, экструзия пластика и FDM 3D-печать — все это методы пластикового формообразования, и есть еще много других. Эти разные методы пластикового формообразования подходят для разных пластиковых деталей, и выбор между ними не всегда прямолинеен. Бюджет, дизайн детали и материал — лишь некоторые из факторов, входящих в выбор метода пластикового формообразования.

Эта статья рассматривает 12 разных методов пластикового формообразования, объясняя их базовые процессы и почему они полезны. Для каждого метода пластикового формообразования мы дадим примеры того, как он может использоваться для изготовления конечных деталей.

1. Литье под давлением (Injection molding)

Литье под давлением — самый распространенный процесс пластикового формообразования. Он может обрабатывать термопластиковые и термореактопластиковые полимеры.

Этот быстрый метод пластикового формообразования работает путем нагрева пластиковых гранул до плавления, затем вдавливания расплавленного пластика в металлическую форму с помощью возвратного винта. Расплавленный материал остывает, затвердевает и принимает форму полости формы. Твердая деталь затем извлекается из формы.

Литье под давлением подходит для огромного разнообразия материалов и деталей. Детали должны иметь тонкие и последовательные стенки, но могут иначе принимать различные формы и размеры.

Примеры литых под давлением деталей: одноразовые пищевые подносы, автомобильные панели приборов, LEGO-кирпичики

2. Дувальное литье (Blow molding)

Дувальное литье — процесс пластикового формования, который менее широко используется, чем литье под давлением. У него три отдельных варианта: экструзионное дувальное литье, впрыскное дувальное литье и впрыскно-растяжное дувальное литье.

Этот процесс пластикового формообразования работает с использованием формы и расплавленной термопластиковой трубки, называемой парисоном (вместо полностью расплавленных гранул). Давленный воздух входит в парисон, заставляя пластик расширяться и касаться внутренних стенок формы, в конечном счете принимая форму полости формы.

Дувальное литье подходит для полых пластиковых деталей вроде пластиковых бутылок с водой, причем ПНД (HDPE) — самый распространенный материал.

Примеры дувально-литых деталей: бутылки, бочки, топливные баки

3. Ротационное литье (Rotational molding)

Ротационное литье — еще один процесс пластикового формования — один, который использует высокие температуры и низкое давление для формирования пластиковых деталей. Он работает путем вращения формы для перемещения пластикового материала внутри.

В процессе ротационного литья порошковый пластик помещается в форму, которая нагревается и вращается вокруг двух (или более) осей. Это вращение обеспечивает, что расплавленный пластик покрывает всю внутреннюю часть формы и принимает форму полости.

Преимущества ротационного литья включают более простую оснастку, последовательную толщину стенок и прочные внешние углы. Но процесс может быть медленным, так как вся форма нуждается в остывании перед извлечением детали.

Примеры ротационно-литых деталей: баки, резервуары для хранения, игрушки

4. Вакуумное литье (Vacuum casting)

Вакуумное литье — процесс пластикового формообразования, обычно используемый для малых партий цветных прототипов. Он использует силиконовые формы для изготовления уретановых пластиковых деталей.

В этом процессе пластикового формообразования оператор заливает уретановую литейную смолу в силиконовую форму; вакуум затем удаляет воздушные карманы и пузыри, в результате чего получается исключительно гладкая готовая деталь. Уретановые детали затем отверждаются в духовке.

Вакуумное литье — популярный процесс пластикового формообразования для полупрозрачных деталей вроде прототипов витрин.

Примеры вакуумно-литых деталей: корпуса и крышки электроники, различные прототипы для демонстрации

5. Механическая обработка пластика (Plastic machining)

Механическая обработка пластика — очень популярный процесс пластикового формообразования. Она включает ЧПУ-фрезеровку, ЧПУ-точенье и другие связанные процессы.

Хотя разные машины работают по-разному, механическая обработка пластика в целом подразумевает отрезку участков от пластиковой заготовки с использованием либо ручных, либо компьютерно-контролируемых режущих инструментов. Обработка высокоточна, работает с рядом пластиков и лучше формования для изготовления деталей с толстыми стенками.

Механическая обработка пластика также полезна для добавления деталей для деталей, сделанных с использованием других техник вроде экструзии.

Примеры механически обработанных деталей: различные промышленные детали, приспособления и оснастка, автомобильное освещение

6. Моделирование наплавленным слоем (Fused deposition modeling)

Моделирование наплавленным слоем (FDM) — самый распространенный процесс 3D-печати для пластикового формообразования. Он работает с обычными термопластиками вроде ABS и PLA, а также с передовыми материалами вроде PEEK.

FDM работает путем нагрева экструдированной термопластиковой нити, затем нанесения ее в точных формах из движущегося сопла (прикрепленного к печатающей головке) согласно компьютерным инструкциям. 2D-срезы детали печатаются слой за слоем, пока не будет построен полный 3D-объект.

В малых количествах FDM очень быстр и стоимоэффективен и может производить широкий спектр форм, включая те со сложными внутренними геометриями. Однако он не производит особенно прочные детали.

Примеры FDM деталей: различные прототипы, запасные части и ремонты, композитные промышленные детали

7. Стереолитография (Stereolithography)

Стереолитография (SLA) — другая форма пластиковой 3D-печати, которая работает с фотополимерными смолами вместо термопластиковых полимеров.

Она работает путем селективного отверждения фотополимерных смол с использованием источника света, такого как лазер. (Цифровая обработка света, связанная технология, использовала проектор вместо этого.) Детали печатаются слой за слоем, пока печатающая платформа движется через ванну смолы.

SLA производит хрупкие, но исключительно гладкие детали, которые также могут быть прозрачными. Она часто используется для прототипирования, но также имеет применения в стоматологии и ювелирном деле.

Примеры SLA деталей: прототипы для демонстрации, стоматологические алाइनеры, ювелирные выкройки для литья

8. Селективное лазерное спекание (Selective laser sintering)

Селективное лазерное спекание (SLS) — процесс пластикового формообразования и еще одна форма 3D-печати. Она в основном используется для изготовления нейлоновых деталей.

SLS — процесс порошкового плавления. Он работает путем использования лазера для селективного спекания 2D-форм в пластиковом порошке, слой за слоем, строя полную пластиковую деталь. Он широко похож на процесс металлического аддитивного производства селективного лазерного плавления (SLM). Преимущество над другими методами пластиковой 3D-печати — он не требует поддерживающих структур.

Больше, чем FDM или SLA, SLS считается промышленным аддитивным производственным процессом и популярен в автомобильной отрасли.

Примеры SLS деталей: оснастка, автомобильное железо, электрические разъемы

9. Экструзия пластика (Plastic extrusion)

Не путать с экструзионной 3D-печатью, экструзия пластика — процесс выдавливания пластика через матрицу для изготовления удлиненной пластиковой детали с последовательным профилем.

Этот высокообъемный процесс пластикового формообразования работает путем нагрева пластика в барабане, затем выдавливания его — с использованием возвратного винта — в матрицу, давая ему его окончательную форму с непрерывным профилем. Полученная пластиковая экструзия затвердевает по мере остывания.

Распространенные материалы экструзии пластика включают полиэтилен, полипропилен, ацетал и нейлон. Процесс также имеет варианты вроде пленочной экструзии и трубной экструзии.

Примеры экструдированных деталей: трубы, трубки, оконные рамы

10. Пултрузия пластика (Plastic pultrusion)

Пултрузия пластика — вариант экструзии пластика, в котором материал тянется через матрицу, а не толкается.

Техника пластикового формообразования пултрузии подходит для волокно-усиленных пластиков. В процессе рулон усиленных волокон тянут через бак с пластиковой смолой, которая пропитывает волокна, а затем через нагретую матрицу, давая волокно-усиленной смоле ее индивидуальный профиль.

Несколько пластиковых смол подходят для пултрузии, включая полиэстер, полиуретан и эпоксидную. Стекловолокно — самый распространенный усиливающий материал.

Примеры пултрудированных деталей: установочные ребра, лыжные палки, различные усиливающие структурные детали

11. Сварка пластика (Plastic welding)

Сварка в основном ассоциируется с металлами, но сварка пластика — полезный процесс пластикового формообразования для соединения термопластиковых компонентов, неподходящих для клеения или других методов сборки.

Процесс сварки пластика имеет огромное количество вариантов, включая горячую газовую сварку, сварку кончиком нагрева и контактную сварку. Большинство вариантов включают подготовку поверхности пластика, нанесение тепла и давления, затем остывание.

Различные методы сварки пластика могут быть классифицированы как термические, механические или электромагнитные.

Примеры сваренных деталей: корпуса, детали мобильных телефонов, медицинские устройства

12. Термоформирование (Thermoforming)

Термоформирование — тип пластикового формообразования, похожий на литье, но который использует мягко нагретой пластиковый лист вместо полностью расплавленного пластика.

Метод пластикового формообразования требует духовку и форму. В процессе пластиковый лист нагревается до плавкого состояния; затем он растягивается над формой — обычно с использованием вакуума — перед обрезкой и остыванием.

Термоформирование довольно универсально, так как оно может выполняться как в малом масштабе, так и для массового производства.

Примеры термоформированных деталей: блистерные упаковки, пластиковые стаканы, крышки