Применение технологии вакуумного литья для мало-­ и микросерийного производства корпусов электронной аппаратуры

№ 7’2015
PDF версия
Эта статья открывает цикл материалов, посвященных технологиям прототипирования и малосерийного выпуска корпусов электронного оборудования. В рамках цикла будут рассмотрены различные способы решения проблемы штучного и малосерийного изготовления корпусов с высокими потребительскими свойствами при минимальных капиталовложениях, что особенно важно для отечественных разработчиков и производителей оборудования.

Cпецифика рынка сложного электронного оборудования отечественного производства такова, что тиражи изделий редко бывают крупными в общепринятом для электронной отрасли значении этого слова. Десятки, сотни изделий в год норма, тысяча — уже много. Таких тиражей, как правило, недостаточно для того, чтобы окупить вложения в индивидуальный дизайн корпуса — разработка заказной оснастки может стоить десятки тысяч долларов. В то же время не следует забывать, что сегодняшний заказчик взыскателен и требователен и обращает серьезное внимание на внешний вид изделия, так что промышленный образец, сделанный в корпусе из согнутого «на коленках» листа жести и покрашенный краской из баллончика, имеет мало шансов на успех. Словом, уже на самом раннем этапе проектирования изделия конструктору приходится задумываться о его достойном внешнем виде. Современные технологии предоставляют достаточно широкий выбор вариантов, позволяющих создать эстетичный и функциональный корпус как для прототипа изделия, так и для серийных партий, изготовляемых малыми тиражами, не оправдывающими вложений в необходимую для поточного производства оснастку. Однако опыт общения с заказчиками специалистов компании «ЭФО», накопленный в процессе работы на рынке корпусов для электронной аппаратуры в качестве поставщиков, говорит о том, что не все и не всегда правильно понимают область применимости тех или иных технологий. В связи с этим возникла идея подготовить серию публикаций, которые могли бы помочь конструктору сделать правильный выбор. Мы начинаем эту серию статьей, посвященной технологии вакуумного литья пластмасс, иначе называемого литьем в силикон по наиболее часто применяемому для изготовления литьевых форм материалу.

Один из способов снизить расходы на изготовление формы для тиражирования изделия — исключить этап дорогостоящей механической обработки формы, используя материал, самостоятельно воспроизводящий контуры мастер-модели. В свое время в журналах, например в «Юном технике», рассказывалось, как самостоятельно изготовить взвод оловянных солдатиков, используя в качестве прототипа одного, взятого напрокат у приятеля (рис. 1). Для этого надо было залить солдатика гипсом, в не до конца застывшем растворе проделать пару отверстий для последующей заливки олова и выхода воздуха. А после застывания раствора аккуратно расколоть получившийся камень с солдатиком внутри на две половины, солдатика вынуть, две половинки формы связать и, заливая расплавленное олово в оставшуюся после извлечения прототипа полость, сделать солдатиков хоть взвод, хоть батальон.

Оловянные солдатики, изготавливаемые литьем в гипсовую форму

Рис. 1. Оловянные солдатики, изготавливаемые литьем в гипсовую форму

Но это, конечно, рецепт для домашнего мастера. Для коммерческого производства изделий используются другие приспособления и материалы, со своими технологическими особенностями.

Технология изготовления прототипов и малых серий изделий способом литья самоотверждающихся материалов в силиконовую форму состоит из следующих ключевых моментов.

Сначала необходимо создать числовую трехмерную модель по чертежу или любым иным способом. Затем начинается этап изготовления физической мастер-модели спроектированного изделия. Мастер-модель может быть изготовлена различными способами, наиболее популярные — печать на 3D-принтере (рис. 2) либо механическая обработка листового или брускового материала, чьи особенности мы рассмотрим в следующих публикациях.

3D-печать корпуса

Рис. 2. 3D-печать корпуса

Далее необходимо подготовить мастер-модель к изготовлению формы. На этом этапе поверхность модели доводится вручную до товарного вида полировкой (или покрытием специальными лаками для придания определенной текстуры). Также вручную доводятся до необходимых кондиций все мелкие детали. На кромки модели наносится специальный скотч, что впоследствии позволяет разделять форму.

Следующий этап — создание силиконовой формы. От ее качества и точности зависит внешний вид самого изделия. Для изготовления формы используется высококачественный двухкомпонентный силикон. Подготовленная мастер-модель крепится в опалубку и к ней подводится система трубок-литников, чтобы сформировать каналы для дальнейшего литья полиуретана и отвода воздуха. Силикон тщательно размешивается и помещается в вакуумную камеру для дегазации, после чего заливается в подготовленную опалубку с моделью. Обычно используемые в таких процессах материалы полностью затвердевают в течение примерно 16 ч. После отвердевания силиконовая форма разрезается целиком (иногда, если форма изделия несложная, частично) по произвольному контуру (произвольная кривизна контура разреза служит гарантией правильного совмещения половинок формы при последующем литье) и из нее извлекается мастер-модель — так получается литьевая полость. Ресурс изготовленной подобным образом формы в среднем составляет 20–50 изделий (максимум до сотни, если требования к качеству результата не очень велики), в зависимости от материала, сложности и необходимой точности (рис. 3).

Примеры силиконовых литьевых форм

Рис. 3. Примеры силиконовых литьевых форм

После этого можно приступать непосредственно к литью изделия. Для этого необходимо аккуратно скрепить части силиконовой формы между собой. Затем форма помещается в вакуумную камеру и внутрь формы подается самоотверждающаяся полимерная смесь. Перед подачей компоненты смеси тщательно перемешиваются, при необходимости к ним добавляется пигмент для получения отливок разнообразных цветов. Смесь заливается в форму через специальную воронку и равномерно распределяется внутри. Равномерность распределения достигается откачкой воздуха из полости внутри формы в вакуумной камере (отсюда и термин «вакуумное литье»). Одновременно пониженное давление в литьевой камере обеспечивает дегазацию литьевой смеси. Это самый сложный этап процесса, требующий известного опыта. Хотя некоторые общие правила, конечно, существуют, верно определить режим литья удается только опытным путем. Если давление будет слишком низким — смесь «закипит», если слишком высоким — не успеет полностью дегазироваться до окончания полимеризации, в любом случае результатом будет неприемлемое качество отливки. Поэтому, хотя внешне по описанию технология выглядит чрезвычайно просто (в Интернете можно найти примеры организации микросерийного производства достаточно сложных изделий буквально «на коленках», с использованием в качестве вакуумной камеры демонстрационного комплекта из школьного кабинета физики) — для гарантированного получения удовлетворительного результата в приемлемые сроки лучше все-таки обращаться к профессионалам.

В качестве материалов для изготовления изделий по такой технологии обычно используются различные полиуретаны. У каждого полиуретана есть так называемое время жизни, или рабочее время — то есть время, когда смешанный с отвердителем полиуретан еще не потерял свою текучесть. Весь период до потери текучести силиконовая форма с залитым полиуретаном находится в вакуумной камере. Затем форма перемещается в термошкаф для окончательной полимеризации изделия. Для разных материалов «время жизни» различно, как и время окончательной полимеризации. Специальные промышленные материалы, применяемые для изготовления сложных термостойких изделий, полимеризуются до 16 ч. Затем получившееся изделие вынимается из формы, которая таким образом становится готовой к повторному использованию. Далее процесс отливки можно при необходимости повторять вплоть до износа формы.

Преимущества описанной технологии таковы:

  • Быстрота изготовления и высокое эстетическое и товарное качество получаемых изделий (рис. 4). Правда, необходимо иметь в виду, что качество готового изделия сильно зависит от исходного прототипа. Технология изготовления прототипа индивидуально определяется в каждом случае в зависимости от требований к точности и стоимости получаемых изделий.
Примеры готовых корпусов, изготовленных методом литья в силикон

Рис. 4. Примеры готовых корпусов, изготовленных методом литья в силикон

  • Особенности технологии позволяют монтировать различные закладные элементы в пластиковые корпуса из других материалов (металл, стекло, готовые изделия из других пластиков и т. д.).
  • Существующая гамма полиуретанов для литья в силикон позволяет воспроизвести физико-химические свойства практически любых других пластмасс. Есть полиуретаны, аналогичные по характеристикам ударопрочному ABS-пластику, есть аналогичные поликарбонатам (в том числе прозрачные), есть, наоборот, материалы, имитирующие свойства резины, причем изделия из полиуретанов с разными характеристиками можно изготавливать в одном процессе (многокомпонентное литье). Можно подобрать материал, удовлетворяющий практически любым требованиям по физико-химическим свойствам.
  • Простота реализации данной технологии позволяет при не слишком высоких требованиях к качеству изделия и темпам выпуска организовать микросерийное производство буквально подручными средствами.
  • Данная технология имеет отличные экономические характеристики на небольших тиражах. Даже с учетом того, что для выпуска партии товара в 200 экземпляров понадобится от 4 до 10 форм, стоимость единицы изделия в несколько раз дешевле, чем при использовании металлической пресс-формы в самом бюджетном варианте.

Конечно, описанная технология изготовления пластмассовых изделий не лишена недостатков. Основные из них:

  • быстрый износ формы и, соответственно, малый тираж получаемых с одной формы изделий;
  • большое количество ручных операций при подготовке тиража (обработка поверхности прототипа, проработка мелких деталей) и высокие требования к соблюдению технологических норм в процессе литья при отсутствии к тому же четкой регламентации этих норм делают результат решающим образом зависящим от человеческого фактора.
  • Рассмотрим чуть подробнее материалы, используемые в описанной технологии. Для изготовления форм, как уже говорилось, наилучшим вариантом на сегодня признаны разнообразные силиконы (табл. 1).
Таблица 1. Технические характеристики силиконовых компаундов

 

Эластолюкс  Платинум 60

Эластолюкс

Силифекс 20

Эластоформ-Т

Пентеласт-750

Пропорция при смешивании А/Б (измерялась при t +25 °C)

100:5

100:2

100:2

100:2,5

100:2,5

Время гелеобразования (измерялось при t +25 °C), мин

40–60

8–15

30–60

10–2

90–120

Время полного отверждения, ч

12–72

10–16

8–16

24

20–24

Вязкость, сСТ

52 000

22 000

22 000

25 000

35 000

Условная прочность при растяжении до разрыва, МПа

3,5

4,4

3,8

2,2

3

Относительное удлинение при разрыве, %

150

500

500

260

200

Твердость по Шору А

60

30

20–25

25

35–40

Цвет

Прозрачный

Полупрозрачный

Белый

Белый

Белый

Материалы для собственно получаемых в рамках описанной технологии конечных изделий изобилуют своим разнообразием. Это всевозможные жидкие пластмассы, эпоксидные и полиэфирные смолы, стоматологические пластмассы, двухкомпонентные эпоксидные смеси, легкоплавкие металлы, и даже просто гипс, замешанный на ПВА. Для изготовления корпусов электронных приборов и медицинского оборудования в основном используются различные полиуретаны. Все эти материалы имеют разные характеристики, основными из которых для описанной технологии являются время жизни и вязкость.

Вязкость — свойство текучих тел оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Чем меньше вязкость материала, тем он более текуч, а значит, тем лучше он заполнит все неровности формы и позволит получить более качественную отливку. Наименьшей вязкостью (от 1 до 3 сСт, то есть нечто среднее между водой и растительным маслом) обладают полиэфирные смолы и некоторые жидкие пластмассы.

Время жизни — время, на протяжении которого материал сохраняет заявленную вязкость. Эта характеристика очень важна для подбора материала в зависимости от вида литья. Дело в том, что большинство материалов с низкой вязкостью имеют очень малое время жизни — 1,5–2 мин, после чего весьма быстро начинают густеть. Такие материалы хороши для использования в специальных литьевых установках, где смешивание компонентов, дегазация и заливка формы выполняются автоматически и быстро. А в условиях, когда все эти процессы происходят несколько дольше, лучше использовать материалы со временем жизни 3–5 и более минут, пусть даже и более вязкие.

Жидкость для литья готового изделия получают, смешивая несколько компонентов. В разных пропорциях смешивание дает различные результаты. Можно создать материал, не только с виду или тактильно, но и по объективным физическим свойствам не отличающийся от пластмасс, применяемых для классического литья под давлением (ABS, PC, полиамиды). В таблице 2 представлены некоторые примеры применяемых для литья в силикон полиуретанов (ProtoCast, MultiCast, ProtoAmid — марки материалов производства компании Altropol, Германия).

Таблица 2. Физические свойства смесей для литья в силикон

Смесь

Важные свойства

Вязкость смеси, мПа

Температура тепловой деформации, °C

Прочность на растяжение, МПа

Относительное
удлинение при растяжении, %

Прочность при изгибе, МПа

Модуль упругости при изгибе

Ударная вязкость по Шарли, кДж/м2

ProtoCast 110
отвердитель PTG 1

Очень хорошая стойкость к ударам, материал для прототипирования, похожий на ПП (полипропилен)/ПЭВП (полиэтилен высокой плотности)

500

75

42

18

70

1,2

55

ProtoCast 113
отвердитель PTG 1

Хорошая стойкость к ударам, малое «время жизни» смеси, малое время расформовки, высокая термостойкость/материал для прототипирования (похож на АБС)

400

75

43

21

57

1

40

ProtoCast 120 Компонент B 1

Хорошо сохраняет пространственную геометрию при нагреве, отличная стойкость к ударам, очень хорошая «подвижность» смеси, похож на ПА и АБС

750

110

55

6

100

1,7

70

ProtoAmid 80
отвердитель B 4

Малое «время жизни» смеси, малое время расформовки, близок по свойствам к ПА6

2200

>120

36

33

59

0,8

42

MultiCast 11
отвердитель ISO 1

Очень высокая ударопрочность, материал для изготовления прототипов

600

67,5

32

19

48

0,81

50

ProtoCast 225 Компонент B

Механические свойства близки к свойствам PMMA, прозрачный, бесцветный, очень устойчив к помутнению, хорошая термостойкость, очень быстрое отвердевание

180

95

54

18

90

1,5

40

Для сравнения:

АБС (акрилонитрилбутадиенстирол)

ПП (полипропилен)

 

 

90

120

 

40

33

 

15

30

 

75

60

 

1,2

1,1

 

30

30

Таким образом, при изготовлении деталей методом литья в силикон на выходе мы получаем изделие, по своим технико-эксплуатационным характеристикам не хуже, а иногда и лучше, чем такая же деталь, изготовленная методом фрезеровки или вакуумной формовкой.

Для успешного осуществления технологического процесса вакуумного литья вам понадобится вакуумная камера и термошкаф. Ни то, ни другое неспецифично — как уже говорилось, вполне приличных результатов можно достичь даже с «вакуумной тарелкой» из школьного физического кабинета. Термошкаф тоже весьма доступное оборудование. Но, конечно, для предсказуемого достижения качественного результата лучше использовать специализированное оборудование. Целый ряд фирм выпускает отдельно вакуумные миксеры для предварительной дегазации силиконовой смеси, литьевые вакуумные камеры и термошкафы, оптимизированные для режимов полимеризации полиуретановой заливки.

Исходя из всего сказанного, можно сделать заключение, что технология литья пластмасс в силикон является одним из лучших решений для изготовления сложных форм в небольших тиражах по следующим причинам:

  • быстрое и простое изготовление форм и деталей;
  • изобилие материалов и цветовых решений;
  • достаточно высокая точность изготовления;
  • возможности модификации форм и комбинирования различных материалов при литье;
  • относительно невысокая стоимость изготовления.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *