Lo stampaggio a compressione occupa una nicchia distinta nel paesaggio manifatturiero, in particolare per i produttori che hanno bisogno di eseguire piccoli lotti di componenti senza fare un enorme capitale di intarsio. Il processo è stato un cavalletto di lavoro per la termoindurimento di plastica, parti di gomma, e alcuni materiali compositi per decenni.

Comprensione della stampaggio a compressione

La compressione è uno dei più antichi e semplici metodi di lavorazione per polimeri termoindurenti e elastomeri. Nella sua forma più semplice, una carica pre-pesata del materiale – in genere una polvere, una preforma o un foglio – è posizionata in una cavità di stampo aperta e riscaldata. Lo stampo viene poi chiuso sotto pressione alta, tipicamente utilizzando una pressa idraulica. Il calore ammorbidisce il materiale e la pressione lo costringe a scorrere in ogni contorno del contatto chimico.

Tra gli aspetti chiave del processo figurano:

  • Preriscaldamento materiale:[ Molte operazioni di stampaggio a compressione utilizzano cariche materiali preriscaldate per ridurre il tempo di ciclo e migliorare il flusso.
  • Capacità di stampa:[ In genere tra 50 e 1.000 tonnellate, a seconda della dimensione e della complessità della parte.
  • Temperatura di muffa:[ Gamma da 150°C a 200°C per la maggior parte dei termoinsiemi; temperature più elevate accelerano la cura ma richiedono un controllo preciso.
  • Tempo di percorrenza:[] Varie da secondi per parti sottili a diversi minuti per sezioni incrociate più spesse.

Le applicazioni per lo stampaggio a compressione includono componenti di sotto-vento automobilistico, isolatori elettrici, maniglie per elettrodomestici, maniglie per pentole e guarnizioni in gomma. È anche ampiamente utilizzato per grandi parti a forma di semplice che sarebbero non economiche per lo stampo ad iniezione a causa della complessità degli utensili.

Fattori di costo nella produzione di piccole bacche

Quando le operazioni di produzione sono piccole, tipicamente definite come meno di 10.000 parti all'anno, o spesso molto meno, la struttura dei costi si sposta drammaticamente. I costi fissi dominano e i costi variabili (materiale e lavoro) diventano secondari.

Costi di utensili

Lo stampo è il singolo più grande investimento up-front nella stampaggio a compressione. Le stampi per stampaggio a compressione sono generalmente più semplici di quelle per stampaggio ad iniezione. In genere sono costituiti da due metà (cavità e forza) senza la necessità di sistemi di corridori complessi, pin eiettori in ogni angolo, o canali di raffreddamento intricati.

Tuttavia, il costo di utensili non è solo circa il prezzo iniziale. Per i piccoli lotti, lo stampo può sedersi inattivo per lunghi periodi. Se sono necessari più numeri di parte, il costo di immagazzinamento e mantenimento di una flotta di stampi può aggiungere. E perché stampi di compressione operano ad alte temperature e pressioni, sono soggetti a usura, soprattutto lungo bordi di taglio e superfici di gap flash.

Costi materiali

I materiali termoindurenti, fenolici, melamina, epossidici, siliconi, poliuretano e vari composti di gomma, sono molto costosi per chilogrammo. Il fenolico è relativamente poco costoso, mentre i siliconi ad alte prestazioni o i composti speciali possono essere costosi. I piccoli produttori di lotti spesso pagano un premio perché non possono negoziare sconti di volume. Inoltre, molti termoinsiemi hanno una limitata durata e richiedono un deposito refrigerato, aggiungendo costi indiretti.

Lavoro e configurazione

Ogni ciclo richiede tipicamente un operatore per caricare manualmente la carica, chiudere lo stampo e successivamente rimuovere la parte e pulire lo stampo. Per piccoli lotti, tempo di configurazione—pulire lo stampo, preriscaldare, regolare i parametri della pressa—può rappresentare una grande frazione del tempo di produzione totale. Se una pressa viene utilizzata per più numeri della parte nella stessa settimana, il tempo perso per i cambi di tempo (che può essere spostato direttamente in 30 minuti).

Tempo di ciclo

Tempo di ciclo nella compressione di stampaggio è determinato dal tempo di cura del materiale, che è una funzione di temperatura, spessore della parte e chimica della resina. I tempi di cottura per termoinsiemi comuni tipicamente variano da 30 secondi a 5 minuti. Rispetto allo stampaggio ad iniezione (dove i tempi di ciclo possono essere bassi come 5-10 secondi per parti sottili), lo stampaggio a compressione è più lento.

Confronto dei costi con altri processi

Per valutare veramente l'efficacia dei costi, è utile confrontare lo stampaggio a compressione con metodi alternativi adatti alla produzione di termoindurenti e di elastomeri.

Stampaggio a compressione vs. stampaggio ad iniezione

Per piccoli lotti (sotto 2000 parti), l'ammortizzazione degli utensili da sola può rendere lo stampaggio ad iniezione 50-200% più costoso per parte rispetto allo stampaggio a compressione. Lo stampaggio ad iniezione richiede anche macchinari più costosi e più abili. Solo quando le dimensioni del lotto superano i 10.000–20.000 parti, lo stampaggio ad iniezione diventa generalmente più economico per un costo totale di compressione.

Stampaggio a compressione vs. stampaggio trasferimento

Lo stampaggio a trasferimento è un processo ibrido: una carica preriscaldata del materiale è forzata in uno stampo chiuso attraverso un sistema di corridore. Permette un migliore controllo sul flusso del materiale e può produrre parti con inserti o caratteristiche delicate. Tuttavia, stampi di trasferimento sono più complessi (e quindi più costosi) di stampi di compressione, e creano più rifiuti materiali (cull e corridore) che non possono essere riutilizzati.

Stampaggio a compressione contro fusione (ad esempio, fusione in poliuretano)

I processi di colata liquida, come la colata in poliuretano, l'uso di stampi in silicone o alluminio con costi molto inferiori (spesso inferiori a $ 2.000 per cavità), sono ideali per piccolissime operazioni (tens a poche centinaia di parti), tuttavia i tempi di ciclo possono essere lunghi (ore per alcuni uretano), e le proprietà materiali (specialmente la resistenza termica) sono generalmente inferiori ai termoinsiemi.

Quando la compressione di stampaggio è più conveniente

Basato sui fattori sopra elencati, si emergono diversi scenari in cui lo stampaggio a compressione offre il valore più alto per la produzione di piccoli lotti:

  • Le dimensioni della coppia tra 100 e 5000 pezzi:[ L'ammortizzazione degli utensili è gestibile e i costi di configurazione sono abbastanza bassi rispetto ai processi alternativi.
  • Parte con geometria semplice:[ disegni piatti, a forma di coppa o leggermente sagomati senza sottotagli o core profondi.Le parti complesse richiedono stampi multi-pezzo che negano il vantaggio dei costi.
  • Parti di grandi dimensioni o di pareti spesse:[] Lo stampaggio ad iniezione di sezioni spesse richiede lunghi tempi di raffreddamento, erositando il suo vantaggio di tempo di ciclo. Lo stampaggio a compressione può curare le parti spesse in modo efficiente perché il calore e la pressione vengono applicati uniformemente.
  • Materiali ad alte prestazioni:[ Parti fenoliche o melamina che hanno bisogno di resistenza al calore, resistenza al strisciamento o isolamento elettrico sono prodotti meglio dalla stampaggio a compressione.
  • Cambiamenti di design:[ Perché gli stampi a compressione sono più semplici, modificandoli o sostituendoli per le iterazioni di progettazione è più veloce e conveniente.

Strategie per migliorare l'efficienza dei costi

I produttori possono adottare misure specifiche per ridurre il costo per parte di stampaggio a compressione anche in piccoli lotti:

Ottimizzare il disegno della muffa

Utilizzare uno stampo a singola capacità piuttosto che multi-cavity a meno che la dimensione del lotto giustifica il costo aggiuntivo di utensili. Il design per il flash minimo controllando la larghezza e la clearance della terra. Incorpora gli inserti intercambiabili per le caratteristiche che cambiano tra le varianti di parte - questo permette di riutilizzare il corpo principale dello stampo.

Migliorare l'efficienza dei materiali

Calcolate con precisione il peso di carica richiesto utilizzando la modellazione 3D per ridurre al minimo il flash. Utilizzare presse preformali o attrezzature preriscaldamento per ridurre la variazione del volume del materiale.

Cambiamenti di linee guida

Implementare sistemi di stampi a cambio rapido con connessioni standardizzate di bloccaggio e riscaldamento. Conservare stampi in uno stato pronto all'uso (preriscaldato se possibile) per ridurre al minimo i tempi di fermo. Creare istruzioni dettagliate di configurazione per ogni parte per evitare il test-e-error durante le startup.

Automazione Dove Feasible

Tuttavia, soluzioni semi-automatizzate come l'estrazione di componenti robot o la pulizia automatica di stampi possono ridurre il contenuto del lavoro senza un investimento di capitale massiccio. Anche un semplice carico di lavoro che posiziona la carica in modo coerente può ridurre la variabilità del tempo di ciclo e rottami.

Limitazioni e considerazioni

Non c'è processo senza compromessi. Quando si valuta lo stampaggio a compressione, tenere a mente queste limitazioni:

  • I tempi di ciclo più bassi:[] Come accennato, i tempi di ciclo possono essere un collo di bottiglia se i requisiti di volume aumentano improvvisamente.
  • La complessità dei componenti:[] I tagli, gli angoli taglienti e le pareti sottili (oltre 1,5 mm) sono difficili da raggiungere. Le parti che richiedono filetti interni o inserti complessi possono avere bisogno di operazioni secondarie.
  • L'usura del tooling:[] La natura abrasiva di alcuni composti termoset (soprattutto gradi rinforzati con vetro) può erodere superfici di stampo.
  • dipendenza dell'operatore:[[]] La qualità può variare con abilità dell'operatore, soprattutto nel posizionamento e nella tempistica dei caricamenti.
  • Materiale:[ Molti termoinsiemi hanno una durata limitata del vaso e richiedono un'attenta conservazione.

Esempio di studio

Considerare un produttore che necessita di 1.500 maniglie fenoliche all'anno. Uno stampo di compressione costa $12,000, e ogni parte ha un costo materiale e di lavoro di $0.85. Il costo per parte compreso l'ammortamento di utensili oltre tre anni è $12,000 ÷ 4.500 = $2.67 costo di utensili più $0.85 = $3.52 per parte. Uno stampo di iniezione costerebbe $45,000, rendendo l'ammolazione di ammortamento di $0,00 per parte di compressione per parte di $

Conclusioni

Per la produzione di piccole quantità di materie plastiche termoindurenti e parti in gomma, lo stampaggio a compressione offre costantemente un vantaggio di costo convincente quando i costi di utensile sono una preoccupazione primaria e la geometria dei componenti rimane relativamente semplice. L'investimento dello stampo inferiore, combinato con flessibilità di processo e eccellenti proprietà materiali, lo rende una scelta di go-to per i vantaggi di un paio di centinaia di diverse migliaia di parti.

Per ulteriori informazioni, consultare fonti del settore come l'Associazione per l'industria della ginnastica (PLASTICS)] per i dati della proprietà materiale, o lo standard ASTM D1896 per gli esemplari di prova di stampaggio a compressione.