Ускорение производства: быстрое прототипирование уретановым литьем

Насыщение индустрий заставило главную цель производителя не только выпускать продукцию, но и использовать инновационные методы для производства большего количества изделий за меньшее время, увеличивая объем производства. С развитием технологий производителям доступны различные методы быстрого прототипирования для производства изделий за меньшее время с более высокой эффективностью.

Эти методы помимо экономии времени также рентабельны. Одной из таких техник быстрого прототипирования, применяемых сегодня, является уретановое литье, которое довольно похоже на литье под давлением с небольшими отличиями. Эта техника дает лучший функциональный прототип с желаемыми характеристиками.

1. Уретановое литье

Уретановое литье — метод быстрого прототипирования для производства изделий с мягкими резиновыми деталями, которые нельзя обработать на ЦНЦ-станках или подобных. Уретановое литье использует 3D-напечатанную мастер-модель и силиконовые формы для производства высококачественных изделий размером до 30 дюймов.

Процесс очень похож на литье под давлением, где используется жесткий инструмент вместо мягкого силиконового. При проектировании мастер-модели для уретанового литья необходимо принимать меры предосторожности, чтобы она обладала нужными свойствами. Результатом является функциональная пластиковая деталь, которую можно представить как модель или использовать в полностью функциональном продукте.

Размеры готовых изделий при уретановом литье зависят от точности мастер-модели и литейного материала. Обычно ожидается коэффициент усадки 0,15% в изделиях, произведенных этой техникой.

2. Этапы уретанового литья

Обычно при уретановом литье следуют четыре этапа:

Этап 1

Сначала мастер-модель проектируется и печатается методом быстрого прототипирования или 3D-печати. Мастер-модель — это оригинальная деталь или ее представление. Она также используется для создания форм, применяемых в литье. Проектируется точно, так как размеры изделий зависят от этой мастер-модели. Также доступны несколько вариантов механической обработки.

Этап 2

На втором этапе мастер-модель помещается в жидкий силикон для производства точной формы.

Этап 3

После отвердевания форма разрезается на две половины. Полученная полость используется для литья конечного изделия.

Этап 4

На финальном этапе производитель всасывает уретан или другую смолу для заполнения полостей. После отвердевания материал извлекается из инструмента. Процесс повторяется до получения желаемого изделия.

3. Литейная система

Литейная система — набор элементов, необходимых для правильного выполнения литья. В уретановом литье она состоит из воронки, литейного канала, воздушных каналов, разделительного средства для уретановой формы и приспособлений для удержания половинок формы вместе. Все элементы расположены определенным образом для корректного выполнения литья.

Литейный канал и воронка — трубки из пластика, соединенные с отверстием формы. Материал вливается в это отверстие и течет через канал и воронку. Чем выше воронка, тем выше литейное давление, чтобы полимер заполнил все особенности модели.

Воздушные отверстия находятся на противоположной стороне формы, чтобы воздух мог выходить при заливке материала. Разделительное средство для уретановой формы — это воздушная пленка, предотвращающая прилипание отливки к форме. Оно удаляет выступающие элементы, возникающие из-за трения между отливкой и формой. Также заполняет микропоры, возникающие при литье, делая изделие гладче.

4. Общие допуски отливки

Типичный допуск отливки составляет ±0,010 дюйма или ±0,003 дюйма на дюйм детали. Ожидается усадка +0,15% из-за термического расширения жидкости и реакции гибкой формы. Нерегулярные или слишком толстые геометрии могут вызывать отклонения или деформации из-за усадки.

Поверхность внешне шлифуется до глянцевой или матовой текстуры. Линии роста могут присутствовать на внутренних или скрытых элементах. Полировка или специальные покрытия должны быть четко определены. Усадка или чистота поверхности зависят от дизайна мастер-модели. Поэтому при проектировании мастер-модели необходимо принимать меры предосторожности.

5. Используемые материалы

Уретановое литье используется для изготовления изделий с определенными физическими свойстваматериал, используемый в процессе литья, сильно влияет на физические свойства. Поэтому оно подходит для многих типов полиуретановых пластиков — от жестких до гибких. Наиболее распространенные материалы:

• Жесткий, ударопрочный уретан
• Жесткий, теплостойкий уретан
• Гибкий, прозрачный уретан

6. Варианты окраски

В уретановом литье есть два варианта окраски, каждый со своими плюсами и минусами.

1) Окраска в массе (Cast-in Colors)

Окраска в массе придает изделию специфическую текстуру. Более того, она не сдирается с поверхности и не сколачивается. Но цвета в массе ограничены по номенклатуре, поэтому требуемый цвет может быть недоступен.

2) Покраска

При покраске после литья доступно много цветов, чтобы соответствовать спецификации. Кроме того, при покраске после литья линии, оставшиеся после разделения изделия от формы, можно убрать, давая единый внешний вид. Но покраска после литья требует труда после обработки, что увеличивает стоимость производства. Также покраска может дать хорошую защиту от ультрафиолета, но легко сдирается — еще один минус.

7. Сравнение литья под давлением и уретанового литья

Литье под давлением и уретановое литье — в целом похожие процессы. Различия кроются в деталях производственной практики.

1) Изготовление инструментов

Первое различие — в изготовлении инструментов. Литье под давлением использует жесткий инструмент, уретановое литье — мягкий. Поэтому уретановые отливки делаются путем формовки 3D-модели готовой детали, в то время как инструменты для литья под давлением обрабатываются ЦНЦ-шлифовкой, фрезеровкой и др.

2) Количество и объем производства

Уретановое литье производит лишь несколько деталей за раз, поэтому для малых серий оно предпочтительнее. Для крупносерийного производства качество и ресурс сталевой кокилли обычно дают лучшую отдачу. Поэтому для высоких объемов выгоднее инвестировать в настройку литья под давлением. Если нужно низкое первоначальное вложение — уретановое литье.

3) Стоимость материала

Качественный пластик для литья под давлением дороже уретана или полиуретановой смолы. Если нужно мало прототипов, лучше использовать уретановые смолы. Для изделий, предназначенных для долгой эксплуатации или с жесткими физическими требованиями, нужно использовать настоящий пластик и литье под давлением.

4> Сроки выполнения (Lead Times)

Инструмент для литья под давлением требует более сложной и обширной обработки и обычно не готов несколько недель. Типичный лид-тайм — почти два месяца. Уретановые отливки потребляют значительно меньше времени: обычно достаточно 3D-модели и мягкой формы вокруг нее.

5) Стоимость за деталь vs Общая стоимость

В общем, стоимость за деталь для уретанового литья будет выше, чем для литья под давлением, в основном из-за меньшего объема деталей. Общие затраты, однако, обычно ниже для уретанового литья из-за более низких затрат на инструменты и материалы.

6) Допуски

Допуски уретанового литья: ±0,010″ для первого дюйма и ±0,005″ для каждого последующего дюйма. В литье под давлением: ±0,005″ для первого дюйма и ±0,002″ для каждого последующего дюйма.

7) Применения

Поскольку прототипы делаются силиконовыми формами в уретановом литье, которые менее долговечны и не служат более 20–25 деталей, процесс подходит для ситуаций, где объем производства низок и требуются меньшие партии высокого качества, точности и характеристик производительности. Некоторые применения:

• Мост к производству (Bridge to production)
• Детали для точек продаж (Point of purchase display parts)
• Выставочные детали (Exhibit parts)
• Оценка пользователем (User evaluation)
• Потребительское тестирование (Consumer testing)
• Кампании краудфандинга (Crowdfunding campaigns)
• Концептуальные модели (Concept models)
• Образцы для продаж (Sales samples)
• Инженерные модели (Engineering models)
• Маркетинговые тестовые образцы (Marketing test samples)
• Предпроизводственные серии (Pre-production runs)
• Тестовые прототипы (Test prototypes)
• Быстрые прототипы (Rapid prototypes)
• Распределительные центры (Distribution Centers)
• Печать (Printing)
• Колеса для скейтбордов, роботов и других вращающихся применений
• Конвейерные системы (Conveyor Systems)

8. Преимущества уретанового литья

Процесс наиболее эффективен в снижении стоимости инструментов и времени производства. Детали в основном из уретана или его смол, улучшающих физические свойства. Детали из уретанового литья имеют следующие преимущества:

Износостойкость: Изделия превосходят резину, пластик или металл в тяжелых условиях абразивного износа.

Химическая стойкость: Отличная стойкость к большинству растворителей, химикатов, алифатических масел и смазок.

Окраска: Два варианта окраски, оба с плюсами и минусами. Обычно используют окраску в массе, стойкую к сдиранию.

Размерная стабильность: Уретановые смолы имеют отличную размерную стабильность в широком диапазоне давлений и температур. Изделия высокоэластичны и могут растягиваться на значительные удлинения без деформации.

Экологическая стойкость: Уретан существенно инертен к озону и кислороду. Более стойкий к солнечному свету и погодным условиям, чем натуральный или синтетический каучук.

Твердость: Уретановые полимеры можно формулировать для широкого диапазона твердости: от 20 Shore A (резинка для денег) до 75 Shore D (кость). Прототипы будут обладать этими свойствами.

Ударная стойкость: В то время как обычные пластики становятся хрупкими при повышении твердости, уретан сохраняет эластичность и прочность на всем диапазоне твердости.

Обрабатываемость: Уретановые изделия можно сверлить, резать резьбу и обрабатывать как металлические.

Упругость: Уретановые полимеры можно кастомизировать, чтобы дать твердым полиуретанам упругость, схожую с более мягкими материалами, делая уретан отличным материалом для амортизации/вибропоглощения.

9. Ограничения уретанового литья

Уретановое литье имеет несколько недостатков. При производстве сложной детали мастер-модель может не охватывать все особенности. Требуется много тяжелой работы по удалению отливок и излишков материала, что вносит ошибки. Пузырьки воздуха в литье делают отливку хрупкой или мешают заполнению тонких стенок. Еще одно ограничение: форма довольно чувствительна к температуре и не выдерживает длительные периоды выше 270°F (132°C).

Заключительные замечания

Так уретановое литье — один из ключевых методов быстрого прототипирования для низких объемов производства. Позволяет изготовить прототип и представить его людям перед массовым производством, экономя затраты и много денег на инструментах. Более того, физические свойства уретановых изделий, описанные выше, дают преимущество над традиционными материалами с меньшей прочностью и твердостью. Таким образом, если объем производства мал, уретановое литье — одна из лучших производственных техник, очень похожая на литье под давлением, используемое при высоких объемах и с жестким инструментом вместо мягкого.