В данной статье мы расскажем о том, какие факторы влияют на стоимость пластиковых деталей, в чем преимущество метода литья под давлением и каков алгоритм оценки стоимости готовой детали.
Краткий обзор технологий изготовления деталей
Существует множество технологий обработки полимеров. Выбор той или иной технологии зависит от множества факторов, о которых мы расскажем дальше.
Самым массовым методом обработки является литье под давлением. Для изготовления пластиковой детали может применяться не только этот метод, но и вакуумная формовка, 3D-печать, фрезеровка и т.д. Некоторые пластиковые детали предназначены для того, чтобы их изготавливали такими субтрактивным методами как фрезерование, сверление, точение. Полимеры имеют ряд свойств, отличающих их от других материалов, которые необходимо учитывать при выборе режимов обработки. Они обладают пластичностью, способностью к упругому восстановлению формы, их механические свойства зависят от температуры и скорости приложения нагрузки. Кроме того, у них низкие удельная теплоемкость и теплопроводность и большой температурный коэффициент линейного расширения. Поэтому субтрактивные методы обработки являются довольно дорогостоящими. Каждая из перечисленных технологий имеет свои преимущества.
Существует ошибочное суждение, что пластиковые детали должны стоить три копейки. В первую очередь на стоимость влияет количество выпускаемых деталей. В частности, метод литья под давлением окупает себя в том случае, если количество изделий исчисляется в тысячах. Для заказа в 10-20-30 штук лучше использовать, например, 3D-принтер, который однозначно не подходит для массового производства, но для небольшой партии будет прекрасным решением за приемлемую цену. В то время как производство, например, корпуса в партии в 10 штук методом литья под давлением может обойтись в тысячи долларов. Каждый отдельный заказ требует индивидуального подхода. Вторым фактором будут требования к самому изделию. Некоторые полимеры обрабатываются ультрафиолетом с использованием специальных составов и не предназначены для литья под давлением.
Когда лучше использовать литье под давлением
Первое, что мы узнаем у заказчика перед началом разработки - это объем партии. Количество изделий в партии играет ключевую роль в выборе технологии изготовления изделия. При мелкосерийном производстве, партии в 10-20 штук или прототипировании использование метода литья под давлением чаще всего нецелесообразно, поскольку стоимость технологической оснастки для литья под давлением может достигать десятков тысяч долларов.
Немаловажным является также и форма детали. Получив рабочий, прототип напечатанный на 3D принтере, приходится уделить значительно больше времени и средств, чтобы адаптировать его для литья под давлением. Ограничения, которые задает метод литья под давлением (уклоны, толщина стенок, радиусы закруглений и т.д.), стоит учитывать уже на первых этапах разработки.
Краткое описание процесса литья под давлением
Литье под давлением - технологический процесс, в ходе которого исходный материал впрыскивается в специальную литьевую форму, после чего застывает. Литьевые формы состоят из неподвижных матриц и подвижных пуансонов, имеющих внутри полость для формирования заготовок. Материал внутрь формы подается с помощью литниковых систем. Тип литниковой системы зависит от перерабатываемого материала. По типу литниковые системы делят на холодноканальные, горячеканальные и комбинированные. Технология литья под давлением позволяет при необходимости предусмотреть в деталях закладные металлические элементы.
Литье под давлением осуществляется на специальном оборудовании - термопластавтоматах. Производственный процесс контролируется электроникой и автоматикой.
Если сравнивать с разными способами изготовления, то можно найти достаточно много плюсов метода литья под давлением. Но основных всего три. Во-первых, это безотходная технология, что позволяет экономить на излишках материала и их утилизации. Во-вторых, минимум постобработки. В идеале она вовсе не требуется. В-третьих - скорость цикла. Готовую деталь можно получать в течении минуты.
Для повышения эффективности использования материала в литье под давлением используется горячеканальный впрыск, благодаря чему отсутствуют литники и отходы, что, в свою очередь, повышает коэффициент использования материала. В отличие от литья под давлением, большой нерациональный расход материала есть в методах горячего прессования, литье в силикон и вакуумной формовке. Для горячего прессования – это выпрессовки, которые необходимы, чтобы обеспечить заполнение формы. Для литья в силикон – это литники, а также технологические элементы, которые обеспечивают заполнение формующей силиконовой полости. Для вакуумной формовки – это обрезки листа пластика, а также отходы после доработки детали (например, при прорезании отверстий под кнопки или экран). Поэтому, главное достоинство метода литья под давлением – это отсутствие отходов.
Не менее важное чем предыдущее преимущество состоит в том, что деталь, изготовленная литьем под давлением, не требует дополнительной обработки. Из каждого правила есть исключения, поэтому встречаются редкие случаи, когда нужна постобработка. Простой пример – хромированные ручки для кранов. Сейчас, редко кто изготавливает их из металла – их изготавливают из пластика, но для того чтобы они смотрелись органично, их дополнительно металлизируют. Или бампера автомобилей. Они часто производятся из материала, который боится ультрафиолета. Значит, они требуют дополнительного покрытия. Но в большинстве случаев инженеры стараются избегать любой постобработки, будь то покраска, шлифовка или какая-то иная механическая обработка. Деталь, изготовленная методом литья под давлением, получается сразу готовой, что делает ее идеальным вариантом для массового производства.
Еще одним преимуществом литья под давлением является то, что детали, изготовленные этим методом, могут иметь более сложный контур, чем те, которые изготавливают с помощью субтрактивных методов. Это связано с тем, что при подготовке к производству деталей-миллионников инженеры применяют такие технологии технологической оснастки, которые не могут позволить себе в единичном производстве. За счет эффекта масштаба доля затрат на использование дорогой технологии в общей себестоимости изделия будет небольшой. В случае пресс-форм для литья пластиков под давлением к такому технологическому методу относится электроэрозия. Электроэрозия позволяет сделать практически любую форму без всяких подрезов. В крайнем случае, мы просто возьмем не один, а несколько электродов, сложим их так, как нам надо, и получим цельную деталь. И качество изделия будет хорошим, и форма возможна практически любая. Механообработкой такое сделать невозможно. К примеру, нам надо сделать треугольное отверстие: долбежный станок, особенно если у конструктивного элемента небольшие размеры, с этой задачей не справится, а сделать треугольный электрод и выжечь им отверстие труда не составит.
Однако, надо помнить, что для изготовления электрода используют фрезеровку, а сам процесс электроэрозии идет достаточно медленно. В комплексе это требует серьезных затрат.
Факторы влияющие на стоимость разработки и изготовления
В EnCata также часто обращаются за оценкой стоимости детали после ее проектирования сотрудниками Заказчика. Естественно, качество исходной проработки изделия будет влиять на трудозатраты при подготовке детали к производству и проектированию пресс-форм. Если исходная 3Д-модель не учитывает технологических ограничений, например, толщины стенок, то мы можем потратить много усилий на переработку. У нас был заказчик, который очень щепетильно подходил к дизайну и каждый миллиметр конструкции у него был выверен. Поэтому в этом проекте мы не могли согласовать существенные изменения дизайна, которые сократили бы затраты на разработку, и затраты на изготовление. Проектирование небольшого корпуса, которой мог поместиться в ладонях и состоял из 3х деталей, заняло более 400 часов.
При расчётах трудозатрат на производство детали учитывается масса изделия, коэффициент использования оборудования, который определяет частоту переналадки, и, такая характеристика, как серийность детали. Если заказывают партии деталей в тысячу штук в месяц при цикле изготовления 20 секунд, то, соответственно, мы выставляем довольно большой ценник. А если изделие будет изготавливаться три месяца подряд, ценник будет меньше, потому что не требуется переналадка оборудования.
Переналадка оборудования является важным критерием при оценке стоимости изделия. Иногда перенастройка оборудования может длиться 6 часов, при том, что само производство занимает 5 часов. Соответственно, это сильно отражается на конечной стоимости детали. Если же деталь рассчитана на производство на протяжении двух недель в две смены, то время переналадки оборудования в 6 часов уже не влияет на стоимость так существенно.
Наконец, к основным факторам, влияющим на стоимость пластиковых деталей, относятся:
- Степень сложности изготовления детали и оснастки под нее;
- Внешний вид изделия;
- Выбранная технология производства;
- Материал, из которого будет изготавливаться изделие.
В первую очередь, это степень сложности. На втором месте внешний вид будущего изделия. Сейчас очень модно делать корпусы деталей похожими на iPhone. И не удивительно. На данный момент IPhone занимает почти 50% рынка производства смартфонов и его дизайн нравится всему миру. В современном iPhone две формообразующие поверхности – это два ровных стеклянных прямоугольника. С виду эта деталь сложная, но на самом деле она сделана под прямой разъем литьевой формы - форме ничего не мешает размыкаться после цикла, так как нет никаких поднутрений. Соответственно, в изготовлении стоит такая деталь недорого, несмотря на то, что это корпус iPhone.
Аксиома такова, что чем проще механизм детали, тем дешевле она стоит. Если в детали есть какие-либо выемки, боковые поднутрения, решеточки – все это отразится на стоимости конечного изделия. Как объяснил специалист, это происходит потому, что сложная деталь, имеющая много отверстий и поднутрений, будет занимать большую площадь оснастки и, соответственно, будет дороже ровной детали без выемок.
Примером можно считать спроектированную EnCata крышку для стаканчика от кофе в кофепоинтах. Крышку можно изготовить штамповкой и методом литья под давлением. Инженеры EnCata сделали выбор в пользу метода литья под давлением как самого дешевого с позиции операционных расходов из двух приемлемых способов, потому как после производства не остается отходов. Метод литья под давлением подошел в данном случае еще и потому, что крышка для стаканчика от кофе, как деталь, максимально проста – не имеет поднутрений, загибов и дополнительных элементов.
Если же говорить об алгоритме оценки стоимости детали, изготовленной методом литья под давлением, то учитываются два основных параметра, влияющих на стоимость детали, - это вес изделия и сложность его изготовления. В зависимости от массы будущей детали и процесса производства изделия специалисты отдают предпочтение той или иной литьевой машине.
Все машины ранжируются по двум параметрам – размер рабочего поля, то есть размер оснастки, которую машина может обработать, и доза пластика, которую единожды машина может впрыснуть. Так, мы можем попытаться сделать простой лист – вроде бы деталь тонкая, маленькая и легкая. Но нам придется брать огромную машину из-за того, что нам понадобится большое рабочее поле. И наоборот, мы можем сделать какую-то очень массивную деталь с большим количеством ребер, и нам придется брать большую машину не из-за того, что деталь не помещается, а из-за того, что требуется большой объем впрыска. Поэтому если не учитывать амортизацию оборудования, остаются три параметра оценки: масса изделия, количество затраченного материала и работа.
Вывод: оценка стоимости разработки и изготовления детали методом литья под давлением
Ключевые факторы, которые влияют на стоимость изготовления пластиковой детали – сложность конструкции изделия и объем его выпуска.
Изготовление деталей методом литья под давлением оправдано в случае выпуска большой партии продукта. Плюсами данного метода безусловно являются его безотходность и скорость, с которой термопластавтомат выдает детали. Главный минус технологии - высокая стоимость технологической оснастки. Это может стать блоком для стартапов с продуктом, который состоит из большого количества пластиковых изделий. Инвестиции в пресс-формы могут достигать нескольких сотен тысяч долларов. Но, если планируется выпускать деталь большими партиями - этот минус нивелируется скоростью и количеством выпускаемых изделий. Вы сможете быстро вернуть инвестиции при должном объеме продаж своего продукта.
В EnCata мы используем все виды обработки пластмасс для получения изделий. Каждый проект мы рассматриваем индивидуально и помогаем подобрать заказчику самую подходящую технологию для производства его продукта, после чего, проектируем изделие под конкретную технологию изготовления.
