Формируя повседневную жизнь: какие материалы используются для изготовления форм на рынке пластиковых предметов первой необходимости?

Пластиковые предметы, которыми наполнены дома и рабочие места — от контейнеров и столовых приборов до контейнеров для хранения и упаковки для предметов личной гигиены — производятся с помощью различных процессов формования, каждый из которых основан на высокоточных инструментах, называемых пресс-формами. Эти Пластиковая форма для предметов повседневного спроса , также известные как инструменты или штампы, являются невидимыми инструментами массового производства, определяющими форму, качество поверхности и точность размеров бесчисленного количества потребительских товаров. Материалы, выбранные для изготовления этих форм, напрямую влияют на производственные затраты, скорость производства, качество деталей и общее количество деталей, которые могут быть изготовлены до того, как форма потребует ремонта или замены.

Инструментальная сталь: основа крупносерийного производства

Для крупномасштабных производственных циклов, где пресс-формы должны производить сотни тысяч или миллионы деталей, преобладающим материалом является инструментальная сталь. Эти сплавы специально разработаны, чтобы выдерживать высокое давление, повышенные температуры и абразивные силы, возникающие при литье под давлением и компрессионном формовании.

Инструментальная сталь P20: это предварительно закаленная сталь общего назначения, широко используемая для полостей и стержней для литья под давлением.

P20 обычно поставляется в предварительно закаленном состоянии, с твердостью около 28-32 HRC (шкала твердости C по Роквеллу), что исключает необходимость термообработки после механической обработки во многих случаях.

Он обеспечивает хорошую обрабатываемость, что позволяет относительно быстро изготовить компоненты пресс-формы.

Он подходит для производства средних объемов, обычно от 500 000 до 1 000 000 деталей, в зависимости от абразивности формованного пластика.

P20 обычно используется для автомобильных компонентов, деталей бытовой техники и предметов домашнего обихода, отлитых из таких пластмасс, как полипропилен или полиэтилен.

Инструментальная сталь H13: для более требовательных применений, связанных с более высокими давлениями, более высокими температурами плавления или более абразивными пластиками, часто указывается H13.

H13 — это инструментальная сталь для горячей обработки, которая сохраняет свою твердость при повышенных температурах, противостоит термической усталости и термическому испытанию (растрескиванию, вызванному повторяющимися циклами нагрева и охлаждения).

Обычно он используется в закаленном и отпущенном состоянии, достигая твердости 45-52 HRC.

Этот материал предпочтителен для форм, в которых используются конструкционные пластмассы, такие как стеклонаполненные нейлоны или поликарбонаты, которые текучи при более высоких температурах и могут быть абразивными для формованных поверхностей.

H13 также часто используется в формах для литья под давлением, это родственный, но отдельный процесс.

Нержавеющие инструментальные стали (например, нержавеющая сталь 420). Когда требуется устойчивость к коррозии, вызванной либо пластиковым материалом, либо охлаждающей водой, циркулирующей через форму, используются нержавеющие инструментальные стали.

Нержавеющая сталь марки 420, закаленная примерно до 48-52 HRC, обеспечивает хорошую коррозионную стойкость в сочетании с достаточной твердостью для формования.

Эти материалы используются для формования ПВХ и других пластмасс, которые выделяют коррозийные газы во время обработки, или для форм, которые должны храниться во влажной среде без ржавчины.

Они дороже и труднее обрабатываются, чем P20 или H13, что ограничивает их использование в тех случаях, когда коррозия является серьезной проблемой.

Предварительно закаленные стали и специальные сплавы

Помимо стандартных инструментальных сталей, некоторые другие материалы из черных металлов занимают особые ниши на рынке изготовления форм, предлагая особые комбинации свойств.

Предварительно закаленная сталь 4140. Иногда используемая в качестве более дешевой альтернативы P20 для очень больших форм или прототипов, 4140 представляет собой сталь из хромомолибденового сплава. Она обеспечивает достаточную прочность и износостойкость, но обычно считается уступающей специализированным инструментальным сталям для крупносерийного производства. Его можно использовать для основ форм или конструктивных компонентов, а не для вставок полостей.

Бериллиево-медные сплавы. Хотя бериллиевая медь и не является сталью, она является важным материалом для изготовления конкретных компонентов пресс-форм, особенно там, где отвод тепла имеет решающее значение.

Бериллиевая медь имеет теплопроводность в несколько раз выше, чем инструментальная сталь. Это позволяет быстрее отводить тепло от формованной детали, сокращая время цикла.

Его часто используют для стержней, вставок или участков формы, которые трудно охлаждать с помощью обычных водопроводов.

Этот материал дороже стали и требует особого обращения во время обработки из-за вреда для здоровья, связанного с бериллиевой пылью, но его термические свойства могут оправдать затраты при высокоскоростном производстве.

Закаленные стали и стали с покрытием. Для обеспечения износостойкости поверхности пресс-форм можно закаливать с помощью таких процессов, как азотирование, при котором в стальную поверхность вводится азот для создания очень твердого корпуса (до 70 HRC) при сохранении более прочного сердечника. Дополнительно можно наносить различные покрытия:

Хромирование: Обеспечивает твердую, износостойкую и устойчивую к коррозии поверхность.

Покрытие из нитрида титана (TiN): покрытие золотого цвета, обычно встречающееся на режущих инструментах, TiN снижает трение и повышает износостойкость.

Покрытия из алмазоподобного углерода (DLC): обеспечивают низкое трение и высокую твердость для требовательных применений.

Алюминий: скорость и экономичность при меньших объемах

Алюминиевые формы занимают значительный и растущий сегмент рынка, особенно для производства прототипов, мостовой оснастки и мелкосерийного производства. Свойства материала алюминия существенно отличаются от стали, что приводит к явным преимуществам и ограничениям.

Обрабатываемость и время выполнения работ: алюминиевые станки работают намного быстрее, чем стальные, часто в 3–5 раз быстрее. Это напрямую приводит к сокращению времени изготовления пресс-форм и снижению затрат. Для продуктов с коротким окном продаж или конструкций, которые могут потребовать итераций, алюминиевые формы позволяют быстро производить образцы деталей.

Теплопроводность: алюминий проводит тепло примерно в 3–5 раз лучше, чем инструментальная сталь. Это означает, что тепло от расплавленного пластика отводится быстрее, что потенциально сокращает время охлаждения и общее время цикла. В некоторых случаях это тепловое преимущество может компенсировать более низкую внутреннюю прочность алюминия.

Выбор сплава: не весь алюминий подходит для литьевых форм. Обычно используются следующие сплавы:

QC-7 или QC-10: это деформируемые алюминиевые сплавы, специально разработанные для формования, обеспечивающие хороший баланс прочности, твердости и обрабатываемости.

Алюминий 7075: высокопрочный алюминиевый сплав (похожий на авиационный материал), обеспечивающий соотношение прочности к весу и хорошую износостойкость для алюминия.

Алюминий 6061: сплав общего назначения, иногда используемый для изготовления форм очень низкого давления или прототипов инструментов, где требования к прочности минимальны.

Ограничения по объему производства: Алюминий мягче и менее износостойкий, чем сталь. Алюминиевая форма может изготовить от 1 000 до 100 000 деталей, в зависимости от абразивности пластика, прежде чем ухудшятся размеры полости или качество поверхности. Для высокоабразивных пластмасс с наполнителем срок службы инструмента может находиться в нижней части этого диапазона.

Ремонт и модификация. Алюминиевые формы, как правило, легче ремонтировать путем сварки и повторной механической обработки, чем стальные формы, что может быть полезно при разработке продукта.

Передовые материалы для специализированного применения

В определенных нишевых областях производства пластиковых предметов первой необходимости находят применение материалы, выходящие за рамки обычных металлов, предлагая уникальные свойства для решения конкретных задач.

Пористые металлы для вентиляции газов: при литье под давлением захваченный воздух или газы из пластика должны быть удалены из полости, чтобы предотвратить возгорание или недостаточное заполнение. Обычные вентиляционные отверстия представляют собой небольшие зазоры, вырезанные в форме. В ситуациях, требующих более обширной вентиляции, можно использовать пористые металлические вставки, часто изготовленные из спеченной бронзы или нержавеющей стали. Эти материалы позволяют воздуху проходить через свою структуру, удерживая при этом расплавленный пластик, при условии, что размер пор достаточно мал.

Вставки для пресс-форм, напечатанные на 3D-принтере. Аддитивное производство все чаще используется для производства компонентов пресс-форм с конформными каналами охлаждения — линиями охлаждения, которые точно повторяют контур полости формы. Эти сложные формы невозможно обработать обычным сверлением. Обычно их печатают из порошков мартенситностареющей стали или нержавеющей стали с использованием процессов лазерного спекания или электронно-лучевого плавления. Хотя стоимость материала высока, а обработка поверхности может потребовать последующей обработки, сокращение времени цикла за счет улучшенного охлаждения может оправдать затраты на детали большого объема.

Формы для эпоксидной смолы и композитов. Для производства в очень небольших объемах, например, для предсерийных пилотных испытаний или мелкосерийных специальных изделий, формы могут быть изготовлены из литьевых эпоксидных смол или полимерных композитов. Эти материалы заливаются вокруг мастер-образца и затвердевают, образуя полость формы. Они дешевы и быстры в производстве, но имеют очень ограниченный срок службы, плохую теплопроводность и непригодны для литья под высоким давлением. Они чаще используются при вакуумном литье или трансферном формовании смолы под низким давлением.