Hiểu những khác biệt chính trong quy trình sản xuất nhựa

Giới thiệu

Đằng sau tất cả các ngành công nghiệp hiện đại, sản xuất nhựa là một trong những phương pháp sản xuất linh hoạt nhất từng được phát minh, sử dụng nhựa nóng chảy trong nhiều quy trình khác nhau. Các nhà sản xuất sử dụng ép phun và ép nén làm phương pháp cơ bản, với các đặc tính và lợi ích sản xuất khác nhau. Hai phương pháp sản xuất này xử lý vật liệu nhựa khác nhau mặc dù chúng tạo ra các sản phẩm tương tự nhau. Bài viết này giải thích tất cả các điểm khác biệt giữa ép phun và ép nén, bao gồm cả các sản phẩm cốt lõi và sản phẩm tương ứng.

Những nguyên tắc cơ bản của ép phun

Ép phun hoạt động bằng cách làm nóng chảy vật liệu nhựa dưới áp suất cao trước khi đưa vào khuôn kín, nơi nó nguội dần thành hình dạng sản phẩm cuối cùng. Mặc dù dễ hiểu, ép phun nhựa đã phát triển trong nhiều năm và trở thành một kỹ thuật sản xuất toàn cầu quan trọng, đặc biệt là sử dụng nhựa nhiệt dẻo nóng chảy.

Quy trình ép phun

Chu trình sản xuất bắt đầu bằng việc nạp các viên nhựa vào một thùng chứa đã được gia nhiệt. Bên trong thùng chứa, các xi lanh thủy lực hoạt động kết hợp với một pít-tông di chuyển qua lại để nạp vật liệu, trong khi cơ cấu gia nhiệt Slut làm nóng chảy nhựa thô. Khi khối lượng nhựa nóng chảy cần thiết đạt đến đầu thùng chứa, nó sẽ nhận được áp suất ngay lập tức để tràn trực tiếp vào khuôn.

Khoang khuôn chứa ít nhất hai chi tiết tạo thành một khoảng trống phù hợp với hình dạng cụ thể của sản phẩm. Vật liệu đúc vẫn chịu áp suất sau khi phun để tạo ra các viên bi phù hợp và cũng có thể được sử dụng để sản xuất các chi tiết mỏng, mặc dù bị co ngót trong quá trình làm nguội. Sau khi khuôn đạt đến nhiệt độ thích hợp, cơ cấu sẽ mở ra để đẩy sản phẩm đúc đã đông cứng ra ngoài bằng các chốt đẩy. Quá trình đóng khuôn và tháo chi tiết được kết hợp trong một khoảng thời gian tổng thể chỉ tính bằng vài phút, trừ khi chi tiết cần gia công chi tiết hơn.

Các thành phần thiết bị chính

Hệ thống ép phun chứa các bộ phận cần thiết cụ thể để hoạt động bình thường, bao gồm khuôn khoang đơn cho quy trình sản xuất đơn giản hơn.

1. Bộ phận phun đảm bảo quá trình hóa dẻo và phun vật liệu.
2. Bộ phận kẹp ngăn không cho khuôn mở ra dưới áp suất phun cao.
3. Bộ phận lắp ráp khuôn tạo ra không gian mở bên trong đó nhựa nóng chảy có được hình dạng của nó
4. Hệ thống điều khiển của chúng tôi giám sát nhiệt độ, áp suất và cài đặt thời gian để chỉ đạo toàn bộ quá trình sản xuất.

Thiết bị ép phun hiện tại bao gồm các hệ thống điều khiển tiên tiến quản lý quy trình thông qua hệ thống điều khiển vòng kín có giám sát trực tiếp, giúp hệ thống có chức năng tự động hóa cao và kiểm soát quy trình theo thống kê.

Vật liệu thường dùng

Quá trình ép phun hoạt động với nhiều loại vật liệu khác nhau, bao gồm nhiều loại vật liệu nhiệt dẻo như nhựa nhiệt dẻo cứng và hạt nhựa như PE, PP, PS, ABS, Nylon, PC, PET và TPE.

• Polyetylen (PE)
• Polypropylen (PP)
• Polystyren (PS)
• Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS)
• Polyamit (Nylon)
• Polycarbonate (PC)
• Polyetylen Terephthalate (PET)
• Chất đàn hồi nhiệt dẻo (TPE)

Các kỹ thuật ép phun chuyên dụng có thể hoạt động với các vật liệu nhiệt rắn cụ thể nhưng chúng ít được xử lý hơn so với vật liệu nhiệt dẻo.

Những nguyên tắc cơ bản của ép nén

Mặc dù công nghệ ép phun ngày nay được sử dụng nhiều hơn nhưng kỹ thuật ép nén vẫn giữ vai trò quan trọng ở dạng cơ bản đối với một số ứng dụng nhất định, so với ép nén vì công nghệ này ra đời sớm hơn.

Quy trình ép nén

Kỹ thuật viên đặt vật liệu đã được đo lường - các khối hoặc tấm dạng bột hoặc bột trét - trực tiếp vào khuôn mở để gia nhiệt. Khuôn đóng lại với áp lực mạnh phía sau, giúp vật liệu bám theo khuôn hai phần. Vật liệu giữ nguyên áp suất và nhiệt cho đến khi đạt trạng thái đông cứng cuối cùng.

Trong quá trình xử lý vật liệu nhiệt rắn, liên kết hóa học xảy ra khiến vật liệu đông cứng vĩnh viễn. Vật liệu nhiệt dẻo nguội xuống dưới điểm mềm và đông cứng dưới áp suất liên tục. Sau khi hoàn tất quá trình đóng rắn hoặc làm nguội, khuôn sẽ nhả chi tiết đã hoàn thiện để tháo ra.

Các thành phần thiết bị chính

Các bộ phận cơ bản của hệ thống ép nén bao gồm:

1. Máy ép thủy lực: Cung cấp lực đóng cần thiết
2. Tấm ép nóng: Viết lại câu sau. Tấm ép nóng cho phép cung cấp năng lượng nhiệt dùng cho các giai đoạn di chuyển vật liệu và liên kết trong quá trình sản xuất.
3. Lắp ráp khuôn: Tạo hình dạng sản phẩm
4. Hệ thống kiểm soát nhiệt độ: Duy trì nhiệt độ xử lý tối ưu
5. Thiết bị xử lý vật liệu: Hệ thống xử lý vật liệu cung cấp vật liệu vào và ra khỏi khu vực sản xuất.

Các điều khiển cần thiết cho máy ép nén vẫn cơ bản vì cơ chế của chúng đơn giản hơn so với máy ép phun, cho phép điều chỉnh dễ dàng hơn các thông số quy trình sau xử lý.

Vật liệu thường dùng

Ép nén mang lại kết quả xử lý tuyệt vời trong các lĩnh vực sau:

• Các sản phẩm như phenolic trở nên cứng trong quá trình nén khi chúng đông cứng thành vật liệu nhiệt rắn cùng với vật liệu epoxy và silicon.
• Hợp chất cao su
• Hợp chất đúc tấm (SMC)
• Hợp chất đúc khối (BMC)
• Nhựa gia cường sợi có hàm lượng sợi cao
• Nhựa nhiệt dẻo kỹ thuật cần cắt vật liệu tối thiểu trong quá trình sản xuất

Phân tích so sánh: Ép phun so với ép nén

Các nhà sản xuất lựa chọn giữa ép phun và ép nén bằng cách cân nhắc các yêu cầu về sản phẩm và sản xuất với nhau, xem xét những lợi thế của ép nén và các dịch vụ có giá trị gia tăng khác.

Đặc điểm quy trình

Thời gian chu kỳ: Ép phun hoàn thành quy trình sản xuất nhanh hơn tất cả các phương pháp khác nhưng đòi hỏi sản lượng đầu ra thấp hơn. Ép nén mất nhiều thời gian hơn vì việc thiết lập thời gian gia nhiệt và đóng rắn phù hợp phụ thuộc vào vật liệu nhiệt rắn cụ thể được sử dụng.

Dòng chảy vật liệu: Trong quá trình ép phun, vật liệu di chuyển qua các rãnh và cổng mỏng, đồng thời chịu áp lực mạnh và hiệu ứng cắt tạo nên các hình dạng phức tạp. Ép nhiệt đẩy vật liệu ra ngoài từ giữa không gian khuôn mà không cần áp lực cắt đáng kể.

Yêu cầu về áp suất: Áp suất trong quá trình ép phun đạt từ 10.000 đến 30.000 psi trong khi ép nén hoạt động ở áp suất thấp hơn từ 1.000 đến 5.000 psi.

Hồ sơ nhiệt độ: Trong quá trình ép phun, dụng cụ và thân khuôn cần được kiểm soát nhiệt độ liên tục để làm nóng chảy vật liệu đến độ nhớt chính xác. Toàn bộ bề mặt khuôn nhận được nhiệt lượng đồng đều trong quá trình này.

Đặc điểm sản phẩm

Hoàn thiện bề mặt: Quy trình ép phun giúp các chi tiết trông đẹp hơn và giữ được các chi tiết chi tiết hơn nhờ áp lực mạnh và vật liệu được điền đầy hoàn toàn. Ép nén tạo ra bề mặt phẳng hoặc trung bình tuyệt vời mà không cần các chi tiết chính xác, khiến phương pháp này ít phù hợp cho các chi tiết đòi hỏi cạnh sắc.

Độ chính xác về kích thước: Các chi tiết đúc phun cho độ chính xác kích thước đáng tin cậy trong tất cả các lô sản xuất vì dung sai của chúng luôn gần 0,1 mm. Ép nén cho phạm vi kích thước nhỏ hơn lý tưởng nhưng vẫn đáp ứng hầu hết các nhu cầu kỹ thuật.

Căng thẳng nội bộ: Các bộ phận được chế tạo bằng phương pháp ép nén tạo ra lực căng bên trong thấp hơn so với các bộ phận được chế tạo bằng kỹ thuật ép phun. Lực gia công thấp hơn và quá trình đóng rắn đồng đều hơn tạo nên những kết quả này từ nguyên liệu thô.

Độ dày thành: Vật liệu dễ dàng thay đổi thành các phần thành mỏng khoảng 0,5-4mm trong quá trình ép phun trong khi ép nén xử lý các bộ phận dày hơn mà không gặp khó khăn gì khi ép các tấm cửa.

Ưu điểm và Hạn chế

Ưu điểm của ép phun

1. Hiệu quả sản xuất: Hệ thống tạo ra sản phẩm đầu ra chất lượng cao với thời gian chu kỳ nhanh chỉ với thao tác nhẹ nhàng của con người.
2. Tính linh hoạt trong thiết kế: Sự đổi mới trong thiết kế công cụ cho phép nhà sản xuất tạo ra các bộ phận chi tiết với hình dạng phức tạp bao gồm cả ren và các đặc điểm ẩn.
3. Bảo tồn vật liệu: Thiết bị có thể kiểm soát chính xác lượng vật liệu trong khi tái sử dụng các ống nhựa và vật liệu dẻo chưa sử dụng.
4. Tiềm năng tự động hóa: Quy trình sản xuất phù hợp với các công cụ tự động xử lý các bộ phận, lắp ráp chúng và thực hiện kiểm tra thiết bị.
5. Tính nhất quán: Quy trình kiểm soát hiện đại đảm bảo khả năng lặp lại cao trong suốt quá trình sản xuất.

Hạn chế của ép phun

1. Đầu tư ban đầu: Cần phải chi một khoản tiền lớn cho các thiết bị được thiết kế riêng và khuôn mẫu đặc biệt trước khi công nghệ ép phun trở nên khả thi về mặt kinh tế.
2. Ràng buộc thiết kế: Thiết kế khuôn ép phun đòi hỏi thành khuôn phải nhẵn và đều để tránh các vấn đề về khuôn như các vùng lõm và hình dạng.
3. Giới hạn vật liệu: Nhựa có hàm lượng sợi cao hoặc nhiều chất phụ gia sẽ khó xử lý vì chúng khó chảy qua máy.
4. Giới hạn kích thước bộ phận: Việc sản xuất các vật thể rộng cần đến những thiết bị đắt tiền đến mức không thực tế.

Ưu điểm của khuôn nén

1. Tính toàn vẹn của sợi: Trong quá trình ép nén, phương pháp này duy trì kiểu sợi tự nhiên trong vật liệu gia cố để tăng hiệu quả hoạt động của tấm composite.
2. Căng thẳng nội bộ thấp: Các bộ phận này có ứng suất bên trong tối thiểu giúp chúng chống cong vênh trong khi vẫn giữ được độ chính xác về kích thước.
3. Các bộ phận lớn: Ép nén cho phép làm việc với các bộ phận lớn hơn so với máy ép phun thông thường.
4. Giảm chi phí dụng cụ: Các bộ phận khuôn cần thiết cần có thiết kế đơn giản hơn và chi phí thấp hơn so với khuôn ép phun.
5. Tính linh hoạt của vật liệu: Quy trình này cho phép xử lý các vật liệu chống lại chuyển động của chất lỏng và những vật liệu có hàm lượng chất độn cao.

Hạn chế của khuôn nén

1. Cường độ lao động: Hầu hết các hoạt động gia công ép nén đều đòi hỏi phải đặt vật liệu thủ công vào máy ép khuôn và tách chi tiết.
2. Tỷ lệ sản xuất: Chu kỳ thời gian dài hơn so với ép phun và do đó tốc độ sản xuất chậm hơn.
3. Giới hạn hình học: Các đặc điểm bên trong phức tạp, các đường cắt hoặc thậm chí các chi tiết đặc biệt khác không thể dễ dàng đạt được bằng máy phun.
4. Flash và Cắt: Quá trình này thường tạo ra các phần thừa hoặc phần nhô ra nằm ở các đường phân khuôn và đòi hỏi phải loại bỏ khoang khuôn kín.

Ứng dụng và Ngành công nghiệp

Ứng dụng lý tưởng cho ép phun

Ép phun có ưu điểm vượt trội trong việc sản xuất:

• Sản phẩm tiêu dùng vừa và nhỏ
• Các thành phần có độ chính xác cao với hình học phức tạp
• Sản phẩm của một số loại nhất định cần chất lượng cao của hàng triệu bộ phận
• Phả hệ sáng tạo hình dạng này bao gồm các sản phẩm có các đặc điểm tích hợp như khớp nối nhanh cũng như bản lề sống.
• Nó được thực hiện thông qua các quá trình như đúc khuôn

Do đó, các ngành công nghiệp chính sử dụng phương pháp ép phun là:

• Ô tô (linh kiện nội thất, đầu nối điện)
• Đồ điện tử tiêu dùng (vỏ, nút, đầu nối)
• Thiết bị y tế (dụng cụ phẫu thuật, hệ thống cung cấp thuốc)
• Bao bì (hộp đựng, nắp, nút đậy)
• Đồ gia dụng (đồ dùng nhà bếp, hộp đựng)

Ứng dụng lý tưởng cho khuôn nén

Nó chỉ ra cách ép nén phù hợp để sản xuất các mặt hàng như tấm gia cố:

• Các thành phần cấu trúc lớn
• Các bộ phận composite được gia cố cao
• Vật liệu cách điện và linh kiện thiết bị đóng cắt
• Linh kiện chịu nhiệt
• Các bộ phận cơ khí có độ bền cao

Các ứng dụng phổ biến của các thành phần đúc nén như sau, đặc biệt là trong các ứng dụng đòi hỏi khối lượng lớn.

• Ô tô (tấm thân xe, các bộ phận dưới nắp ca-pô)
• Hàng không vũ trụ (tấm ốp nội thất, các thành phần cấu trúc)
• Điện (cầu dao, sứ cách điện)
• Xây dựng (yếu tố kiến trúc, tấm)
• Thiết bị công nghiệp (bánh răng, ổ trục, thành phần kết cấu)

Những cân nhắc về kinh tế

Các quyết định đưa ra trong sản xuất về cơ bản phụ thuộc vào các yếu tố kinh tế vì chúng quyết định tổng chi phí sản xuất và lợi nhuận.

So sánh cấu trúc chi phí

Ép phun:

• Chi phí khuôn ban đầu cao ($10.000-$100.000+)
• Thiết bị đắt tiền ($50.000-$500.000+)
• Chi phí nhân công cho mỗi bộ phận thấp
• Ít lãng phí vật liệu (thường là 2-5%)
• Tiết kiệm cho khối lượng lớn (thường >10.000 bộ phận)
• Đó là lý do tại sao việc thiết lập chi phí hoàn thiện thấp khi được thiết kế đúng cách

Đúc nén:

• Chi phí khuôn vừa phải ($5.000-$50.000)
• Thiết bị rẻ hơn ($30.000-$200.000)
• Chi phí lao động cho mỗi bộ phận cao hơn
• Chất thải vật liệu vừa phải (thường là 5-15%)
• Tiết kiệm cho khối lượng thấp đến trung bình
• Chi phí hoàn thiện cao hơn do phải loại bỏ flash

Phân tích hòa vốn

Có một mối quan hệ nhất định giữa hai quy trình này, được xác định bởi năng lực sản xuất như sau. Đối với số lượng sản xuất nhỏ, từ vài trăm đến vài nghìn chi tiết, ép nén thường là phương pháp tiết kiệm chi phí nhất xét về mặt các yếu tố định giá khuôn mẫu, nhờ chi phí dụng cụ thấp và việc sử dụng các tấm ốp xe vật liệu rời. Mặc dù số lượng chi tiết được sản xuất dao động từ hàng chục đến hàng trăm nghìn, ép phun trở nên tiết kiệm chi phí hơn khi sản xuất các linh kiện composite cứng theo từng chi tiết và hiệu quả hơn các phương pháp đúc khác, thường hoàn thành quy trình sản xuất các chi tiết phức tạp chỉ trong vài phút.

Tính bền vững và tác động môi trường

Điều này cho thấy các quyết định của các công ty sản xuất ngày nay không chỉ được đưa ra dựa trên chi phí và thời gian mà còn dựa trên yếu tố tác động đến môi trường.

Tiêu thụ năng lượng

Quá trình ép phun tiêu tốn nhiều năng lượng hơn vì hầu hết các quy trình cần được thực hiện ở nhiệt độ và áp suất cao. Tuy nhiên, trong trường hợp sản xuất khối lượng lớn, thời gian chu kỳ nhanh hơn giúp giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng của từng bộ phận cản xe ô tô bằng nhựa cỡ lớn. Ép nén là một quy trình áp suất thấp nhưng có thể mất nhiều thời gian nóng chảy hơn, đặc biệt là đối với vật liệu nhiệt rắn, không giống như vật liệu đàn hồi dẻo.

Hiệu quả vật liệu

Các dạng phế thải sản xuất phổ biến trong quá trình ép phun là rãnh dẫn và rãnh phun, nhưng chúng thường được tái chế bằng vật liệu nhiệt dẻo. Mặc dù ép nén tạo ra nhựa chảy, thường không thể tái sử dụng, nhưng điều này chủ yếu xảy ra khi làm việc với vật liệu nhiệt rắn.

Những cân nhắc khi kết thúc vòng đời

Các sản phẩm được sản xuất bằng phương pháp ép phun với nhựa nhiệt dẻo hầu hết phù hợp để tái chế vào cuối vòng đời sản phẩm. Một số sản phẩm nhiệt rắn dựa trên công nghệ ép nén khó tái chế hơn, đặc biệt là khi so sánh với các bộ phận bằng nhựa; tuy nhiên, các công nghệ mới để tái chế các sản phẩm này đang được phát triển song song với các quy trình khác liên quan đến các bộ phận ép nén.

Những tiến bộ công nghệ gần đây

Cả hai phương pháp sản xuất đều cải tiến theo sự phát triển và công nghệ hiện tại để cải thiện khả năng và khắc phục một số nhược điểm trước đây do vật liệu dư thừa.

Những tiến bộ trong công nghệ ép phun

1. Máy hoàn toàn bằng điện: Lò hơi và chất lỏng thủy lực giúp truyền động servo-điện tiết kiệm năng lượng hơn.
2. Đúc vi mô: Có thể đạt được mức độ chi tiết cao thông qua các công cụ được sử dụng trong quá trình đúc các thiết bị siêu nhỏ cho ngành y tế và điện tử.
3. Đúc bằng khí hỗ trợ: Nitơ được bơm vào phần dày để tạo thành các lỗ rỗng không chịu lực, giúp giảm lượng vật liệu sử dụng và thời gian chu kỳ.
4. Làm mát theo hình dạng: Kết cấu hệ thống làm mát tích hợp trong đó các kênh làm mát tạo thành một phần của hình dạng khuôn dẫn đến khả năng làm mát tốt hơn và giảm thời gian chu kỳ của vật liệu linh hoạt.
5. Tích hợp Công nghiệp 4.0: Các máy hiện tại được trang bị cơ chế cảm biến sâu và hệ thống thu thập dữ liệu, bảo trì dự đoán cũng là một tính năng không thể thiếu của khuôn đúc nóng.

Những tiến bộ trong công nghệ ép nén

1. Xử lý vật liệu tự động: Việc bố trí vật liệu hợp lý đòi hỏi phải sử dụng robot giúp giảm chi phí thuê công nhân và đảm bảo tính đồng nhất.
2. Hệ thống sưởi ấm/làm mát nhanh: Quá trình Vario thermal làm giảm thời gian chu kỳ vì nó cho phép thay đổi nhanh chóng nhiệt độ khuôn trong các giai đoạn khác nhau của quá trình.
3. Quy trình kết hợp nén-phun: Hai cách sản xuất bọt Polyurethane là thông qua quy trình nén và phun, và những phát triển mới của hai phương pháp này bao gồm việc kết hợp các khía cạnh của từng phương pháp vào quá trình sản xuất.
4. Hệ thống vật liệu tiên tiến: Giảm thiểu nhược điểm về thời gian chu kỳ truyền thống bằng cách phát triển vật liệu nhiệt rắn đóng rắn nhanh mới cũng như hợp chất đúc tấm so với ép phun.
5. Mô phỏng máy tính: Phần mềm mô phỏng dòng chảy và quá trình đóng rắn cho phép máy tính dự đoán quá trình và cũng giúp cải thiện chất lượng của chi tiết được sản xuất ở áp suất rất cao.

Phần kết luận

Vì lý do này, công nghệ ép phun và ép nén sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong ngành sản xuất đang phát triển, bởi mỗi công nghệ đều có những ưu điểm riêng và phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Dựa trên các xu hướng đã được xác định, việc mở rộng hơn nữa có thể tập trung vào việc nâng cao tính bền vững của các quy trình hiện có, áp dụng các phương pháp kết hợp, cũng như tích hợp các công nghệ tự động hóa vào cả hai phương pháp. Việc hiểu rõ điểm mạnh và điểm yếu tương đối của từng quy trình sẽ giúp các nhà sản xuất đưa ra những lựa chọn sáng suốt về giá trị tốt nhất thu được từ các thước đo quan trọng về hiệu suất, chi phí và tác động môi trường, được điều chỉnh phù hợp với ứng dụng của họ, bao gồm cả hình dạng mong muốn.

Bài báo này sẽ chứng minh rằng đối với nhiều ứng dụng, sự khác biệt giữa ép phun và ép nén không nằm ở hai công nghệ tích cực và tiêu cực, mà nằm ở ứng dụng nào tốt hơn. Nếu những yếu tố này được phân tích hiệu quả và thể hiện sự sẵn sàng thay đổi cùng với sự tiến bộ của công nghệ, thì không có lý do gì những phương pháp lâu đời này lại không thể hỗ trợ các nhà sản xuất đáp ứng các yêu cầu trong thế giới ngày nay, một thế giới đầy thách thức và ngày càng quan tâm đến môi trường hơn bao giờ hết.