دستگاه قالب گیری تزریق سیلیکون چگونه کار می کند؟ راهنمای کامل صنعت

1. ماشین قالب گیری تزریق سیلیکون چیست؟

دستگاه قالب گیری تزریق سیلیکون یک دستگاه پرس صنعتی تخصصی است که برای پردازش لاستیک سیلیکونی - به صورت مایع یا جامد - به اجزای شکل دقیق از طریق چرخه تزریق و پخت طراحی شده است. از نظر مدیریت دما، سیستم تغذیه مواد و الزامات گیره با تجهیزات قالب گیری تزریقی ترموپلاستیک استاندارد تفاوت اساسی دارد.

ارزش بازار جهانی لاستیک سیلیکونی در سال 2024 حدود 19.2 میلیارد دلار بود و پیش بینی می شود تا سال 2030 با نرخ رشد ترکیبی سالانه (CAGR) 6.1 درصد رشد کند. این رشد ناشی از افزایش تقاضا برای قطعات پزشکی، مهر و موم خودروهای برقی، محصولات مراقبت از نوزادان و لوازم الکترونیکی پوشیدنی است - که همه آنها به او وابسته هستند. سیلیکون injection molding machines برای تولید با حجم بالا و دقیق

دو ماده اولیه سیلیکونی روی این ماشین‌ها پردازش می‌شوند:

• لاستیک سیلیکونی مایع (LSR): یک سیستم دو قسمتی کاتالیز شده با پلاتین که در درام ها عرضه می شود و در دمای اتاق تزریق می شود و در قالب داغ پردازش می شود. ایده آل برای قطعات پیچیده، با دقت بالا و حجم بالا.
• لاستیک با قوام بالا (HCR): یک ترکیب سیلیکونی جامد و صمغ مانند که به طور مشابه با لاستیک معمولی پردازش می شود و اغلب از قالب گیری انتقالی یا فشرده سازی استفاده می کند اما همچنین با تجهیزات تزریق سازگار است.

2. فرآیند قالب گیری تزریق سیلیکون چگونه کار می کند

فرآیند قالب گیری تزریقی سیلیکون از یک چرخه دقیق شش مرحله ای پیروی می کند که با اندازه گیری مواد شروع می شود و با پرتاب قطعه به پایان می رسد. - بسته به هندسه قطعه و ضخامت دیوار، معمولاً در 15 تا 120 ثانیه تکمیل می شود.

مرحله 1: اندازه گیری و اختلاط مواد

برای پردازش LSR، دستگاه با استفاده از یک پمپ اندازه گیری دقیق، حجم های مساوی از مولفه A (پلیمر پایه) و جزء B (صلیب کننده و کاتالیزور) را از درام های جداگانه می کشد. نسبت حجمی معمولاً 1:1 است. یک میکسر استاتیک یا دینامیک این دو جزء را قبل از اینکه وارد بشکه تزریق شوند به طور یکنواخت با هم ترکیب می کند. رنگدانه ها یا مواد افزودنی ممکن است در این مرحله از طریق جریان اندازه گیری سوم وارد شوند. اختلاط قوام مستقیماً بر یکنواختی درمان تأثیر می گذارد - انحراف بیش از 2٪ در نسبت A:B می تواند منجر به ولکانیزاسیون ناقص و رد قطعه شود.

مرحله 2: تزریق دونده سرد

LSR مخلوط در دمای پایین کنترل شده - معمولاً 5 تا 15 درجه سانتیگراد - در حین حرکت از طریق سیستم دونده سرد به سمت قالب نگهداری می شود. این کار از ولکانیزاسیون زودرس (که سوزش نیز نامیده می شود) قبل از رسیدن مواد به حفره قالب جلوگیری می کند. واحد تزریق، بسته به پیچیدگی و ویسکوزیته قطعه، سیلیکون را با فشارهای 5 تا 30 مگاپاسکال به داخل قالب فشار می دهد.

مرحله 3: پر کردن قالب

همانطور که سیلیکون وارد حفره قالب گرم شده (معمولاً در دمای 160 تا 220 درجه سانتیگراد نگه داشته می شود)، شروع به جریان می کند و هندسه را پر می کند. این قالب با تهویه دقیق طراحی شده است تا امکان خروج هوا و جلوگیری از شلیک های کوتاه را فراهم کند. طراحی گیت - چه دروازه‌های پین، دروازه‌های تونل یا دروازه‌های لبه‌ای - بر جریان مواد و پرداخت سطح در قسمت نهایی تأثیر می‌گذارد.

مرحله 4: ولکانیزاسیون (درمان)

ولکانیزاسیون یک واکنش شیمیایی متقابل است که سیلیکون مایع را به یک جامد الاستیک تبدیل می کند. سرعت واکنش بستگی به دما دارد: در دمای 180 درجه سانتیگراد، دیواره 2 میلی متری معمولاً در 15 تا 25 ثانیه پخته می شود. بخش‌های ضخیم‌تر به نسبت طولانی‌تری زمان درمان نیاز دارند. برای جلوگیری از فلاش و حفظ دقت ابعاد، قالب در تمام این مرحله تحت فشار کامل گیره باقی می ماند.

مرحله 5: باز کردن قالب و خارج کردن قطعه

پس از پخت، قالب باز می‌شود و قطعه خارج می‌شود - معمولاً با استفاده از پین‌های اجکتور، مکش خلاء یا ترکیبی از هر دو. از آنجایی که سیلیکون ذاتاً انعطاف‌پذیر است، می‌توان آن را از زیر برش‌هایی که قطعات گرمانرم سفت و سخت را به دام می‌اندازد جدا کرد. بسیاری از ماشین‌های پیشرفته از بازوهای رباتیک برای حذف خودکار قطعات استفاده می‌کنند و زمان چرخه را بین 3 تا 8 ثانیه در هر شلیک کاهش می‌دهند.

مرحله 6: پس از درمان (اختیاری)

قطعات سیلیکونی درجه پزشکی و تماس با غذا اغلب نیاز به پس کیورینگ در کوره ثانویه در دمای 200 درجه سانتیگراد به مدت 2 تا 4 ساعت دارند. این ترکیبات فرار باقیمانده (از جمله محصولات جانبی کاتالیزور پلاتین کمیاب) را از بین می برد و خواص فیزیکی را تثبیت می کند. پس از پخت برای همه برنامه ها مورد نیاز نیست، اما یک روش استاندارد در صنایع تحت نظارت است.

3. انواع ماشین های قالب گیری تزریقی سیلیکون

ماشین‌های قالب‌گیری تزریقی سیلیکون عمدتاً بر اساس مکانیسم بستن و نوع مواد سیلیکونی که پردازش می‌کنند طبقه‌بندی می‌شوند. انتخاب نوع ماشین اشتباه برای مواد یا هندسه قطعه منجر به خرابی کیفیت و هدر رفتن سرمایه گذاری در ابزار می شود.

ماشین آلات گیره افقی

رایج ترین پیکربندی. قالب به صورت افقی باز می شود و واحد تزریق در امتداد همان محور قرار می گیرد. ماشین‌های افقی برای ابزارهای چند حفره‌ای، حذف خودکار قطعات و ادغام با سیستم‌های نوار نقاله مناسب هستند. نیروهای بستن بسته به مدل بین 50 تا 1000 تن است. این ماشین‌ها بر تولید حجم بالایی از مهر و موم خودرو، اجزای محصول مصرفی و وسایل یکبار مصرف پزشکی غالب هستند.

ماشین های بستن عمودی

ماشین های عمودی قالب را در امتداد محور عمودی باز می کنند. آنها برای عملیات قالب‌گیری درج ترجیح داده می‌شوند - جایی که درج‌های فلزی یا پلاستیکی در نیمه پایینی قالب قبل از شلیک قرار می‌گیرند - زیرا گرانش درج‌ها را در هنگام بارگیری در جای خود نگه می‌دارد. آنها معمولاً برای تولید کانکتورهای الکتریکی، حسگرهای بیش از حد قالب گیری شده و اجزای چند ماده ای استفاده می شوند. محدوده نیروی گیره معمولی: 30 تا 400 تن.

واحدهای تزریق ویژه LSR

دستگاه های قالب گیری تزریق LSR اختصاصی یک سیستم دونده سرد و پمپ اندازه گیری دو جزئی را مستقیماً در واحد تزریق دستگاه ادغام می کنند. آنها برای تولید بدون اتلاف و بدون فلاش اجزای دقیق LSR بهینه شده اند. برخی از مدل‌ها از وزن‌های کوچک تا 0.1 گرم پشتیبانی می‌کنند که برای ساخت دریچه‌های پزشکی کوچک، مهر و موم‌های میکرو، و محفظه‌های حسگر پوشیدنی ضروری است.

ماشین های انتقال و تزریق HCR

لاستیک با قوام بالا بر روی ماشین هایی پردازش می شود که می توانند شارژ لاستیکی از پیش ساخته شده را در خود جای دهند. پرس های قالب گیری انتقالی برای HCR معمول هستند و ترکیب را از یک گلدان مرکزی به داخل حفره های قالب از طریق یک پیستون هل می دهند. پرس های تزریق اصلاح شده با سیستم تغذیه پیچ و بشکه نیز می توانند HCR را پردازش کنند، اگرچه تجهیزات به دلیل ویسکوزیته بسیار بیشتر HCR در مقایسه با LSR به نیروی مکانیکی بالاتری نیاز دارند.

4. اجزای کلیدی و عملکردهای آنها

هر دستگاه قالب گیری تزریق سیلیکون از پنج زیرسیستم کاربردی تشکیل شده است که هر یک از آنها باید به طور قابل اعتمادی عمل کنند تا فرآیند تولید قطعات ثابت و بدون عیب باشد.

• واحد اندازه گیری و اختلاط: اجزای A و B را از درام‌های عرضه می‌کشد، نسبت حجمی دقیق (معمولاً 1:1) را حفظ می‌کند و مواد مخلوط همگن را به بشکه تزریق می‌رساند. دقت پمپ مثبت یا منفی 0.5٪ در ماشین های مدرن استاندارد است.
• واحد تزریق (شکه و پیستون یا پیچ): حجم شات دقیقی از سیلیکون مخلوط را با سرعت و فشار کنترل شده به قالب وارد می کند. ماشین‌های LSR معمولاً از یک انژکتور پیستونی به جای پیچ رفت و برگشتی استفاده می‌کنند تا از تجمع گرما که می‌تواند باعث سوختگی شود، جلوگیری می‌کند.
• سیستم دونده سرد: یک شبکه منیفولد و دونده ایزوله حرارتی که دمای مواد را زیر 15 درجه سانتیگراد بین واحد تزریق و گیت قالب حفظ می کند. دونده های سرد ضایعات مواد را در رانر حذف می کنند - یک مزیت مهم نسبت به دونده های گرم در قالب گیری ترموپلاستیک، که در اینجا معکوس می شوند.
• واحد بستن: اعمال و حفظ نیروی بسته شدن بر روی قالب در طول تزریق و پخت. نیروی بستن باید برای مقاومت در برابر فشار تزریق در کل منطقه پیش بینی شده همه حفره ها کافی باشد. بستن ناکافی باعث فلاش می شود. نیروی بیش از حد می تواند به قالب آسیب برساند.
• واحد کنترل دمای قالب (TCU): قالب را در دمای پخت دقیقاً تعریف شده - معمولاً 160 تا 220 درجه سانتیگراد - با استفاده از بخاری های برقی یا گردش روغن حفظ می کند. یکنواختی دما در سطح قالب در دمای مثبت یا منفی 2 درجه سانتیگراد برای پخت ثابت و کیفیت قطعه حیاتی است.
• سیستم کنترل: ماشین‌های مدرن از سیستم‌های کنترل مبتنی بر PLC یا PC با رابط‌های صفحه لمسی استفاده می‌کنند. پارامترهایی از جمله سرعت تزریق، مشخصات فشار، زمان پخت، دمای قالب و نسبت پمپ در برنامه‌های دستور غذا ذخیره می‌شوند. مدل‌های پیشرفته ثبت داده‌های فرآیند و ادغام با MES کارخانه (سیستم‌های اجرایی ساخت) را برای انطباق با صنعت 4.0 ارائه می‌کنند.

5. پارامترهای فرآیند بحرانی

کنترل پنج پارامتر کلیدی تفاوت بین فرآیند قالب گیری تزریق سیلیکون با ثبات و تکرارپذیر و فرآیندی که نرخ ضایعات بالایی تولید می کند را مشخص می کند. هر پارامتر با پارامترهای دیگر در تعامل است و به تعادل دقیق در طول توسعه فرآیند نیاز دارد.

• دمای قالب (160-220 درجه سانتیگراد): دمای بالاتر درمان را تسریع می کند اما خطر سوختن مواد را در بخش های نازک افزایش می دهد. دماهای پایین تر به زمان پخت طولانی تری نیاز دارند و توان عملیاتی را کاهش می دهند. برای قطعات پزشکی، 180 درجه سانتیگراد رایج ترین هدف است.
• دمای مواد در رانر سرد (5 تا 15 درجه سانتیگراد): برای جلوگیری از ژل شدن زودرس قبل از اینکه مواد حفره را پر کنند بسیار مهم است. برخی از فرمول‌های LSR که برای درمان سریع طراحی شده‌اند، به دمای سرد زیر 10 درجه سانتیگراد نیاز دارند.
• فشار تزریق (5 تا 30 مگاپاسکال): با ویسکوزیته مواد، هندسه قطعه و تعداد حفره ها تعیین می شود. خیلی کم باعث ایجاد عکس های کوتاه می شود. بیش از حد بالا باعث فلاش و سایش قالب می شود.
• سرعت تزریق: کنترل شده برای متعادل کردن یکنواختی پر با خطر گیر افتادن هوا. پروفیل های تزریق چند مرحله ای - پر شدن سریع اولیه، پر شدن کند نهایی - برای قطعات با هندسه پیچیده استفاده می شود.
• زمان درمان: برگرفته از ضخامت دیواره قطعه، دمای قالب و واکنش‌پذیری فرمولاسیون LSR. قانون سرانگشتی: 1 ثانیه زمان پخت به ازای هر 0.1 میلی متر ضخامت دیوار در 180 درجه سانتیگراد، اگرچه مقادیر واقعی بسته به درجه مواد متفاوت است.

6. LSR در مقابل HCR: کدام ماده به کدام ماشین نیاز دارد

LSR و HCR هر دو الاستومرهای مبتنی بر سیلیکون هستند اما اساساً از نظر ویسکوزیته، تجهیزات پردازش، زمان چرخه و پیچیدگی قطعه قابل دستیابی با هم تفاوت دارند. انتخاب مواد اشتباه برای دستگاه شما - یا دستگاه اشتباه برای مواد شما - منجر به کاهش قابل توجه بهره وری و کیفیت می شود.

• LSR ویسکوزیته تقریباً 50 تا 1000 Pa·s (در مقایسه با آب 0.001 Pa·s) دارد که باعث می شود به اندازه کافی برای تزریق در قالب های پیچیده چند حفره ای جریان داشته باشد. به سرعت درمان می‌شود، زمان‌های چرخه را تا 15 ثانیه پشتیبانی می‌کند، و در صورت استفاده از سیستم دونده سرد، فلاش کمی تولید می‌کند. این انتخاب ارجح برای دستگاه های پزشکی، محصولات مراقبت از نوزاد و مهر و موم های الکترونیکی دقیق است.
• HCR قوامی شبیه به خمیر سفت دارد - ویسکوزیته بسیار بالاتر، معمولاً نیاز به قالب گیری فشرده یا انتقال دارد. در فشارها و دماهای بالاتر پردازش می‌شود و به زمان‌های پخت طولانی‌تری (اغلب 2 تا 10 دقیقه) نیاز دارد. HCR برای قطعات با فرمت بزرگ، پروفیل های اکسترود شده و کاربردهایی استفاده می شود که در آن به استحکام مکانیکی بسیار بالایی در دماهای بالا (سرویس مداوم بالای 250 درجه سانتیگراد) نیاز است.

7. کاربردهای صنعتی ماشین های قالب گیری تزریقی سیلیکون

ماشین‌های قالب‌گیری تزریق سیلیکون به هفت صنعت بزرگ خدمات می‌دهند که پزشکی و خودروسازی بالاترین حجم و سخت‌ترین الزامات کیفیت را نشان می‌دهند.

• پزشکی و بهداشت و درمان: کاتترها، غشاهای دریچه، درپوش سرنگ، ماسک های تنفسی، نوک گوش سمعک، قطعات قابل کاشت. LSR درجه پزشکی باید با استانداردهای زیست سازگاری ISO 10993 مطابقت داشته باشد. حجم تولید می تواند به میلیون ها واحد در سال در هر ابزار قالب برسد.
• خودرو: چکمه های شمع، مهر و موم گیره، محفظه حسگر، شیلنگ های توربوشارژر، مهر و موم چراغ های جلو LED. مقاومت سیلیکون در برابر دماهای منفی 60 تا مثبت 230 درجه سانتیگراد، آن را برای کاربردهای زیر هود غیر قابل تعویض می کند.
• مراقبت از نوزاد و نوزاد: پستانک، نوک بطری، دندان گیر و دهانه تغذیه. این قطعات به انطباق با مواد غذایی نیاز دارند (FDA 21 CFR 177.2600 یا مقررات اتحادیه اروپا 10/2011) و باید تحمل ابعادی بسیار محکمی را برای اطمینان از ایمنی و عملکرد داشته باشند.
• لوازم الکترونیکی مصرفی: روکش صفحه کلید، بند ساعت هوشمند، واشر ضد آب، روکش کابل و غشای دکمه. لوازم الکترونیکی مصرفی به تطابق رنگ ثابت و کیفیت زیبایی شناسی بالا در کنار عملکرد عملکردی نیاز دارند.
• آب بندی صنعتی: اورینگ ها، واشرها، دیافراگم ها برای کنترل سیال، آب بندی های مقاوم در برابر مواد شیمیایی. کاربردهای صنعتی اغلب HCR را به دلیل استحکام مکانیکی و مقاومت حرارتی بالاتر آن ترجیح می دهند.
• غذا و نوشیدنی: قالب های پخت، کفگیر، سینی های یخ، مهر و موم بطری. قطعات سیلیکونی درجه مواد غذایی تولید شده بر روی دستگاه های تزریق به دلیل خاصیت نچسب، بی اثری شیمیایی و قابلیت استریل پذیری اتوکلاو ارزشمند هستند.
• فناوری پوشیدنی: محفظه های مانیتور مداوم قند (CGM)، تسمه های ردیاب تناسب اندام، محفظه های حسگر بیومتریک. این یکی از بخش‌های کاربردی است که سریع‌ترین رشد را دارد و تقاضا برای قابلیت‌های قالب‌گیری LSR مینیاتوری را افزایش می‌دهد.

8. نحوه انتخاب ماشین قالب گیری تزریق سیلیکون مناسب

دستگاه قالب گیری تزریق سیلیکون مناسب با پنج معیار اصلی انتخاب می شود: نوع ماده، اندازه قطعه و وزن شات، نیاز نیروی گیره، حجم تولید و محیط نظارتی.

مرحله 1: مواد خود را تعریف کنید

تأیید کنید که آیا برنامه شما به LSR یا HCR نیاز دارد. اگر بازارهای پزشکی، الکترونیک یا مراقبت از نوزاد را هدف قرار می دهید، LSR تقریباً همیشه پاسخگو است. اگر به قطعات با فرمت بزرگ یا مقاومت در برابر دمای بالای 230 درجه سانتیگراد نیاز دارید، HCR ممکن است مناسب باشد.

مرحله 2: محاسبه نیروی گیره مورد نیاز

نیروی گیره مورد نیاز (تن) برابر است با مساحت پیش بینی شده همه حفره ها (بر حسب سانتی متر مربع) ضرب در فشار تزریق (بر حسب MPa)، تقسیم بر 10. به عنوان مثال: یک قالب 4 حفره ای که هر حفره 25 سانتی متر مربع در 15 مگاپاسکال بیرون می زند، به نیروی (4 x 25 x 15 x 0.mpa = 15.0) حداقل نیروی فشاری نیاز دارد. همیشه ماشینی را انتخاب کنید که حداقل 15 تا 20 درصد بالاتر از حداقل محاسبه شده باشد تا امکان تغییر فرآیند وجود داشته باشد.

مرحله 3: وزن شات و حجم تزریق را تأیید کنید

وزن کل شات - وزن جزئی به اضافه وزن دونده - باید بین 20 تا 80 درصد حداکثر ظرفیت شلیک دستگاه باشد. عملکرد کمتر از 20 درصد باعث می شود حجم عکس ها ناسازگار باشد. عملکرد بالای 80 درصد خطر پر شدن ناقص را دارد. برای ریز اجزای کمتر از 1 گرم در هر حفره، دستگاه های میکرومولدینگ تخصصی با ظرفیت شات 5 تا 50 گرم مورد نیاز است.

مرحله 4: نیازهای اتوماسیون را ارزیابی کنید

تولید با حجم بالا (بیش از 500000 قطعه در سال به ازای هر ابزار) معمولاً ادغام حذف قطعات رباتیک، بازرسی بینایی خودکار و سیستم های حمل و نقل مبتنی بر نوار نقاله را توجیه می کند. ماشین باید دارای رابط های کنترلی مناسب باشد - معمولاً EUROMAP 67 برای ماشین های LSR - برای ارتباط با اتوماسیون جانبی. ماشین‌های بدون این رابط‌ها به سختی می‌توانند بعداً به روز شوند.

مرحله 5: بررسی انطباق مقررات

سازندگان تجهیزات پزشکی که تحت الزامات FDA 21 CFR قسمت 820 یا ISO 13485 کار می‌کنند، به ماشین‌هایی با ثبت اطلاعات فرآیند جامع، سیستم‌های کنترل معتبر و پروتکل‌های صلاحیت مستند (IQ/OQ/PQ) نیاز دارند. قبل از خرید، اطمینان حاصل کنید که سازنده دستگاه می تواند پشتیبانی مستندات لازم را ارائه دهد.

9. جداول مقایسه

جداول زیر تفاوت‌های کلیدی را خلاصه می‌کند تا به تولیدکنندگان کمک کند تا سریع‌تر و آگاهانه‌تر تصمیم بگیرند.

جدول 1: مقایسه پردازش LSR در مقابل HCR - تفاوت های کلیدی در خواص مواد، نیازهای ماشین و ویژگی های تولید.

جدول 2: مقایسه انواع دستگاه های قالب گیری تزریق سیلیکون بر اساس پیکربندی، ظرفیت و مناسب بودن کاربرد.

جدول 3: الزامات خاص کاربرد برای قالب گیری تزریقی سیلیکون در صنایع بزرگ، از جمله معیارهای درجه مواد و حجم تولید.

10. سوالات متداول

خلاصه: آنچه را که باید در مورد ماشین های قالب گیری تزریق سیلیکون به خاطر بسپارید

1. تزریق سرد، درمان گرم: پردازش سیلیکون معکوس دمای قالب گیری ترموپلاستیک است - مواد سرد نگه داشته می شوند، قالب گرم می شود.
2. LSR بر کاربردهای دقیق غالب است: پزشکی، الکترونیک و مراقبت از نوزاد به LSR برای چرخه سریع، خروجی بدون فلاش و زیست سازگاری آن متکی هستند.
3. دقت اندازه گیری بسیار مهم است: انحراف نسبت A/B بالای 2 درصد باعث درمان ناقص و رد قطعه می شود.
4. نیروی بستن باید محاسبه شود، نه تخمین زده شود: از فرمول مساحت پیش بینی شده استفاده کنید و 15 تا 20 درصد حاشیه اضافه کنید.
5. آمادگی اتوماسیون برای تولید با حجم بالا مهم است: ماشین‌ها باید از رابط EUROMAP 67 برای ادغام رباتیک پشتیبانی کنند.
6. تولید پزشکی به ماشین های مستند نیاز دارد: قابلیت IQ/OQ/PQ و ثبت اطلاعات کامل برای برنامه‌های تنظیم‌شده غیرقابل مذاکره است.
7. ماشین های عمودی مناسب قالب گیری درج: گرانش درج ها را در هنگام بارگذاری در جای خود نگه می دارد - یک مزیت عملی نسبت به تنظیمات افقی.