Мастерство литья ABS под давлением: материал, процесс и дизайнерское совершенство

ABS — один из самых распространенных термопластов в производстве, предлагающий хороший баланс вязкости, ударной стойкости и доступности. Хотя ABS можно обрабатывать несколькими способами, включая экструзионную 3D-печать, пластиковое литье ABS под давлением — основной производственный процесс благодаря относительно низкой температуре плавления и хорошим текучестным характеристикам пластика.

Литье ABS под давлением можно встретить везде. Автомобильные приборные панели, корпуса бытовых приборов и даже кирпичики LEGO — лишь некоторые из повседневных изделий, изготавливаемых литьем ABS под давлением, использующими желательные механические свойства низкокосного материала. Дальнейшие применения находятся в разнообразных отраслях — от здравоохранения до строительства.

Статья охватывает основы литья ABS под давлением: параметры процесса, варианты материалов и наполнителей, техники поверхностной отделки и другое, опираясь на наш многолетний опыт предоставления услуг литья под давлением довольным клиентам.

Что такое ABS?

Акрилонитрилбутадиенстирол (ABS), впервые выпущенный на рынок в 1954 году корпорацией Borg-Warner, — распространенный термопластичный полимер, известный своей ударной стойкостью, вязкостью и жесткостью. Он получается полимеризацией стирола и акрилонитрила в присутствии полибутадиена.

Три компонента ABS вносят разные материальные свойства:

• Aкрилонитрил дает материалу уровень химической стойкости и тепловой стабильности.
• Бутадиен создает вязкость и ударную стойкость.
• Стирол обеспечивает жесткость и глянц.

В целом материал относительно прочный, долговечный и легкий. И поскольку это термопласт, его можно плавить в форму и повторно плавить снова и снова без значительной деградации. Это делает его подходящим для литья под давлением и других процессов вроде дутельного литья, 3D-печати и экструзии материала.

Для литья под давлением ABS поставляется в виде пластиковых гранул. Это мелкие, равномерные гранулы, изготавливаемые экструзией материала в длинные нити и последующей резкой на мелкие куски. Гранулы ABS стоят всего несколько долларов за килограмм — гораздо дешевле других форм материала вроде нити для 3D-печати — и легко загружаются в бункер литейной машины для плавления.

Процесс литья ABS под давлением

Литье ABS под давлением — быстрый и экономичный производственный процесс для изготовления пластиковых деталей в больших количествах. Поскольку литейные машины крупные и дорогие, процесс обычно выполняется специализированным производителем.

Процесс начинается с получения гранул ABS, которые загружаются в бункер литейной машины. Возвратный винт заталкивает термопластичные гранулы в нагретой цилиндр, где они плавятся при температуре около 180–240 °C. Расплавленный ABS затем впрыскивают под давлением в полость формы, придавая материалу форму.

Расплавленный ABS остывает и затвердевает внутри формы. Поскольку пластик имеет хорошие текучестные свойства, он обычно может достигать мелких деталей без проблем. Это делает литье ABS под давлением высоко подходящим для производства сложных деталей, требующих точных геометрий и детальных текстур поверхности. После затвердевания форма открывается, и деталь извлекается выталкивателями. В зависимости от размера формы и других факторов, общие циклы литья под давлением могут варьироваться от ~10 секунд до 2 минут.

Плюсы и минусы литья ABS под давлением

ABS — популярный термопласт для литья под давлением, довольно легкий в обработке и предлагающий хорошие механические свойства. Единственные заметные недостатки литья ABS под давлением касаются самого материала, а не сочетания материала и процесса.

Преимущества

• Хорошие текучестные свойства
• Хорошие механические свойства: прочность и вязкость
• Мелкие детали возможны, материал легко заполняет углы полости формы
• Низкая стоимость материала
• Не требует особенно высоких температур
• Легко постобрабатывается

Недостатки

• Довольно низкая теплостойкость
• Довольно низкая УФ-стойкость

Параметры литья ABS под давлением

По сравнению с другими термопластами, параметры литья ABS под давлением находятся в среднем диапазоне, с умеренными температурами и давлениями, делающими материал легче в обработке, чем материалы вроде поликарбоната (PC) или армированных нейлонов. Однако параметры могут варьироваться в зависимости от марки ABS, геометрии детали и других факторов.

Что касается температуры литья ABS, обратите внимание: фактическая температура расплава ABS будет немного выше температуры цилиндра. Температуру расплава можно измерить пирометром.

• Температура цилиндра: 180–240 °C, универсальный ABS обычно требует немного более низкие температуры (180–230 °C), чем теплостойкий ABS (190–240 °C). Огнеупорные марки могут требовать слегка более низкую температуру. Температура будет максимальной у форсунки и минимальной у задней части цилиндра.
• Температура формы: 50–80 °C, баланс между более высокими температурами для хорошей поверхностной отделки и более низкими для быстрых циклов. Контроль температуры формы — хороший способ производства деталей желаемым образом.
• Давление впрыска: 10,000–20,000 psi, более высокие давления для теплостойких марок или деталей с тонкими стенками и мелкими деталями.
• Скорость впрыска: Медленная до умеренной.
• Контроль влаги: Гранулы ABS гигроскопичны и должны храниться в сухом месте. Для предотвращения проблем при литье гранулы можно сушить несколько часов при температуре около 80 °C.

Материалы ABS для литья под давлением

ABS доступен в ряде марок и вариантов для литья под давлением, с разными молекулярными структурами и добавками, подходящими для разных применений. В некоторых случаях может использоваться рециклированный ABS.

• Универсальный ABS предлагает баланс вязкости, жесткости и легкости обработки.
• Высокоударный ABS содержит дополнительный бутадиеновый каучук, обеспечивая улучшенную ударную стойкость для деталей, подвергающихся высоким нагрузкам.
• Высокотемпературный ABS имеет дополнительный акрилонитрил, повышая термическую стабильность, полезен в отраслях вроде авто.
• Огнеупорный ABS использует добавки для снижения горючести, часто применяется в электрических устройствах.
• Прозрачный ABS разработан для более высокого уровня прозрачности для использования в сферах вроде здравоохранения.
• ABS для металлизации — модифицированная марка, спроектированная для хорошей адгезии к металлическим покрытиям, полезна для изделий вроде душных головок.
• Медицинский ABS обеспечивает биосовместимость и может стерилизоваться; такие материалы могут иметь одобрение агентств вроде US FDA.
• Рециклированный ABS сделан преимущественно из рециклированного ABS и часто выполняется на сопоставимом уровне с девственным ABS.

Крупные химические производители гранул ABS для литья под давлением включают LG Chem, SABIC и RTP Company.

Некоторые гранулы ABS смешиваются с армирующими агентами. Это могут быть стекловолокна, добавляющие жесткость и размерную стабильность, и минералы вроде карбоната кальция, добавляющие жесткость и теплостойкость. Огнеупорные марки ABS могут быть сделаны с добавлением галогенированных соединений, фосфорорганических химикатов или неорганических соединений вроде гидроксида алюминия.

Распространенные сплавы ABS включают PC/ABS, имеющий более высокую теплостойкость, чем чистый ABS, и PVC/ABS, предлагающий улучшенную химическую стойкость. ABS/Нейлон сплавы могут обеспечивать большую износостойкость, чем чистый ABS.

Гранулы ABS также можно смешивать с термостабильными пигментами при литье для производства равномерно окрашенных партий деталей. Мастербатч-концентраты дают лучшие результаты, чем сухие пигменты, хотя оба могут использоваться.

Материалы форм для ABS

Литейные формы для высокообъемного производства ABS обычно делают из закаленных инструментальных сталей вроде P20, H13 или S7. Короткие серии подходят для дешевых алюминиевых форм, хотя они быстрее изнашиваются, чем стальные. Благодаря хорошим текучестным свойствам ABS, формы могут быть относительно сложными и содержать мелкие детали, позволяя производство сложных деталей с последовательной размерной точностью.

Поверхностная отделка для литьев ABS

После извлечения литья ABS можно улучшить постобработкой, начиная с обрезки и удаления вспышек для удаления излишков материала перед переходом к финишной обработке для улучшения качества поверхностной отделки деталей.

Разные методы поверхностной отделки можно использовать для достижения желаемой шероховатости ABS-деталей, с алмазной полировкой идеальной для глянца и сухим пескоструем предпочтительным для шероховатых текстур. Для крупных или средних партий деталей добавление текстуры на металлическую форму обычно более экономично, чем постобработка отдельных пластиковых литьев, так как это нужно выполнить только один раз.

Руководство по проектированию литья ABS под давлением

Инженеры, разрабатывающие дизайны деталей для литья ABS под давлением, должны учитывать ограничения процесса литья под давлением и, в меньшей степени, специфические возможности ABS-пластика в контексте процесса литья. Принципы Design for Manufacturing (DFM) для литого ABS включают ограничения толщины стенки и углы разбора.

Правила проектирования

Толщина стенки

1.1–3.5 мм

Все литые под давлением детали имеют рекомендуемый диапазон толщины стенки. Слишком тонко — форма будет трудно заполнить и деталь слишком хрупка; слишком толсто — материал может остывать с неравномерной скоростью по всей полости формы. ABS требует слегка более толстые стенки, чем другие пластики вроде полиэстера, ацетала и акрила, но менее толстые, чем полиуретан.

Угол разбора

0.5–1°

Угол разбора включают в дизайны литья под давлением, чтобы детали можно было легко извлечь из формы. Поскольку разбор важен для всех литьевых пластиковых деталей, рекомендуемый угол здесь не специфичен для ABS. Исключение — детали с текстурными поверхностями; так как они вводят большее трение с внутренней поверхностью формы, рекомендуется угол разбора 2–3°.

Скругления

0.5–1 мм или 1/2 толщины стенки

Острые углы не рекомендуются для любой литьевой детали, так как они могут вызывать напряжения и проблемы с течением, и ABS особенно чувствителен из-за своей ломкости. Вместо этого скругленные внутренние и внешние углы облегчают эффективное литье и извлечение. Минимальный радиус должен быть около четверти толщины стенки, хотя увеличение до половины толщины стенки даст превосходную прочность.

Ребра жесткости

Высота ребра до 3× толщины стенки; толщина ребра 1/2 толщины стенки

Ребра — тонкие возвышенности, идущие перпендикулярно стенке литья. Они используются для увеличения прочности без утолщения стенок, что обычно требует больше материала и может приводить к отдельным проблемам.

Втулки (Bosses)

Базовая толщина 1/2 толщины стенки

Втулки — возвышенные цилиндрические элементы, в которые можно поместить крепеж вроде винта без повреждения детали. Для ABS-деталей максимальная базовая толщина втулки не должна превышать примерно половину толщины стенки детали.

Допуски

0.1–0.3 мм

Для большинства литьев ABS допуски не должны быть точнее ~0.1 мм. Однако для очень мелких или точных деталей возможно указание допуска 0.05 мм. В целом, хорошая практика — требовать жесткие допуски только там, где это строго необходимо (для взаимозамкающихся деталей, например) чтобы избежать излишних затрат на изготовление форм.

Форсунки (Gates)

Форсунки позволяют материалу войти в полость формы. Как и для других пластиков, форсунки лучше размещать в толстых участках детали. Краевые, штыревые и подводные форсунки распространены.

Вентиляция (Vents)

0.02–0.05 мм

Вентиляция форм помогает предотвратить газовые ловушки — причину обжигов и пустот. Они должны быть довольно малыми, так как ABS имеет хорошие текучестные свойства и может легко вытекать через большие отверстия.

Полезные программные функции

Многие САПР-инструменты имеют функции, специфичные для литья под давлением, чтобы облегчить проектирование ваших ABS-деталей. Эти функции могут включать:

• DFM-анализ: Проверяет толщину стенки, углы разбора, заусенцы и размещение форсунок для обеспечения литья предлагаемого дизайна.
• Процессный анализ: Некоторые пакеты ПО предлагают продвинутые функции вроде анализа течения в форме, моделирующего поведение расплавленного ABS в предложенной полости формы, а также другие функции вроде предсказания усадки и КЭ-анализа (FEA).
• Создание форм: ПО может позволять пользователю автоматически генерировать двухчастную форму на основе 3D-модели детали, включая размещение выталкивателей и другие особенности.
• CAM-интеграция: Некоторые платформы интегрируются с CAM-ПО, управляющим производственным оборудованием, хотя это более релевантно производителям, чем дизайнерам.

Применения литья ABS под давлением

Как высокоуниверсальный термопласт, литье ABS под давлением применяется в ряде отраслей для изготовления широкого спектра изделий — от игрушек до автозапчастей и строительных материалов. Типичные применения включают автомобильные компоненты, корпуса потребительской электроники, медицинские устройства и промышленные детали. Рассмотрим примеры литьевых ABS-деталей, сгруппированные по отраслям.

• Автомобилестроение: Литые ABS-детали встречаются во многих автомобилях, особенно для внутренней отделки. Автопроизводители вроде Ford и Toyota используют ABS для деталей вроде приборных панелей, бардачков и дверных обтекателей, где детали не подвергаются интенсивному нагреву, но все еще требуют высокой вязкости и размерной стабильности, в то время как BMW использовал сплавы ABS/PC для бардачков. Между 1968 и 1988 годами Citroen производил необычный утилитарный автомобиль Mehari с яркими ABS-наружными панели кузова. Одно преимущество литья ABS в авто — легкость окраски, отделки и текстурирования деталей, особенно для эстетичных внутренних компонентов.
• Потребительская электроника: Электронные компании часто используют литье ABS для прочных корпусов. Например, Dell и HP использовали сплавы ABS/PC для корпусов ноутбуков и мониторов, сочетая царапинную стойкость с теплотерпимостью, в то время как Canon и Epson полагаются на ABS для корпусов принтеров благодаря его жесткости. Еще один популярный продукт с ABS-корпусом — PlayStation 4. (Новый PlayStation 5 использует смесь ABS и поликарбоната.) Корпуса подходят для литья под давлением, так как обычно имеют довольно тонкие стенки.
• Потребительские товары: Вне электроники многие потребительские товары вроде игрушек (включая LEGO), спортивного оборудования вроде пластиковых каяков и пластиковых музыкальных инструментов вроде блокфлейт делаются из литого ABS. Корпуса кухонных приборов и пылесосов также хорошие кандидаты для ABS-материалов. Компания Dyson известна использованием материала для некоторых продуктов, так как тепло, генерируемое пылесосом, значительно ниже температуры дефлекции тепла ABS (~80 °C).
• Здравоохранение: ABS популярен в медицине для деталей вроде медицинских корпусов и систем доставки, так как его можно стерилизовать — хотя не автоклавом, так как температуры слишком высоки. Philips Healthcare использует ABS для корпусов диагностических устройств, как видно на блоке IntraSight. 3M использует ABS для ингаляторов и дыхательных устройств, используя легкость материала. Литой ABS также можно использовать для систем доставки лекарств.
• Строительство: В строительстве и различных промышленных областях теплостойкие и огнеупорные марки ABS могут использоваться для деталей вроде настенных плиток, электрических выключателей и корпусов. ABS-трубы и фитинги также распространены. В промышленном оборудовании Stanley Black & Decker — одна из известных компаний, включающих литой ABS в корпуса инструментов и корпуса электроинструментов.

Надежное литье под давлением с 3ERP

Инженеры и конструкторы продуктов обычно используют сторонние компании литья под давлением для производства деталей или прототипов, учитывая размер и стоимость литейного оборудования. Эти компании также обычно специалисты в изготовлении форм; конструкторам продуктов может не нужна экспертиза в изготовлении форм для реализации их 3D-дизайнов.

Компании литья под давлением обычно эксплуатируют парк машин различными зажимающими силами, в зависимости от требуемого размера формы.

Компании вроде 3ERP способны реализовывать ряд проектов литья ABS под давлением, от прототипов до массового производства. Наша профессиональная экспертиза позволяет нам обрабатывать DFM, изготовление форм, производство и поверхностную отделку, гарантируя, что конечные продукты соответствуют самым высоким стандартам качества и точности.

Запросите котировку на ваш следующий проект, чтобы увидеть, как мы можем помочь.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Как долго служат литейные формы для ABS?

При литье легкообрабатываемого материала вроде ABS формы могут служить долго. Хорошо сделанная стальная форма может выдержать сотни тысяч или даже миллион циклов, в то время как дешевая алюминиевая форма обычно выдерживает десятки тысяч циклов — идеально для малого серийного литья.

Средняя стоимость литья ABS под давлением?

Как и для всех материалов литья под давлением, größte затрата — изготовление формы. Простые алюминиевые формы стоят несколько тысяч долларов, стальные — обычно от $10,000 и выше — или гораздо больше для сложных многочастных форм. Однако стоимость на одну ABS-заливку очень низка. Ожидайте платить больше за деталь для коротких серий, чем для массового производства.

Как рассчитать усадку ABS для литья под давлением?

Усадка форм ABS составляет около 0.4–0.7%. Конструкторы форм должны применять этот коэффициент к размерам полости, чтобы гарантировать, что конечные литья не будут недогабаритными.

Почему гранулы ABS должны быть сухими?

ABS — гигроскопичный материал, поглощающий влагу из воздуха. Если гранулы ABS поглотили излишнюю воду перед литьем, испаряющаяся вода приводит к проблемам вроде серебристых полос и пустот. Для предотвращения таких проблем гранулы можно сушить при умеренной температуре (около 80 °C) перед использованием.

Как предотвратить искривление литьев ABS?

Литье ABS не особенно сложно, но искривление можно минимизировать, поддерживая постоянную температуру формы, используя равномерную толщину стенки и медленно охлаждая готовые литья.

Можно ли использовать литые ABS-детали на улице?

ABS — довольно хороший материал для уличного использования, предлагающий некоторую погодостойкость. Однако для высоконагруженных уличных применений может использоваться погодостойкая марка ABS. Такие материалы спроектированы для обеспечения превосходной УФ-стойкости и, следовательно, не деградируют со временем под воздействием солнечного света.

Почему выбрать литье ABS под давлением вместо 3D-печати ABS?

Обе технологии имеют преимущества. Экструзионная FDM 3D-печать — отличный выбор для изготовления разовых быстрых прототипов, и настольные 3D-принтеры можно эксплуатировать в неиндустриальных условиях. С другой стороны, литье под давлением — лучший выбор для изготовления тонких, но прочных деталей с отличной поверхностной отделкой. В больших количествах литье под давлением также значительно дешевле 3D-печати.

А как насчет дутельного литья ABS?

Дутельное литье — процесс для изготовления тонких, простых деталей вроде пластиковых бутылок, использующий преформу в форме, которая надувается воздухом, пока не прилипнет к стенкам формы. ABS можно использовать в дутельном литье и подходит для деталей вроде корпусов электроники, труб и корпусов. Однако ему не хватает прозрачности других распространенных термопластов для дутельного литья и он дороже материалов вроде высокой плотности полиэтилена (HDPE) и полипропилена (PP).

Токсичны ли литья ABS?

Литой ABS стабилен и обычно считается нетоксичным. Однако он может выделять токсичные испарения при горении. Непокрытый ABS также перерабатываем, и рециклированный ABS можно повторно использовать в процессе литья под давлением.