Литье с закладными элементами широко используется для интеграции металлических клемм, штырей, шин, втулок, датчиков, электронных компонентов и других вставок непосредственно в пластиковые детали. В простых случаях металлическую вставку можно поместить в пресс-форму и залить в нее за один цикл литья под давлением.

Однако для многих высокоточных процессов литья под давлением с закладными элементами требуется более контролируемый двухэтапный процесс:

1. Первичное формование, также называемое предварительным формованием.
2. Формование методом вторичного впрыска, также называемое литьевым формованием с последующим нанесением защитного слоя.

Первый этап литья создает стабильную предварительно отформованную вставку или субкомпонент вокруг выбранных участков металлической вставки. Затем предварительно отформованный компонент переносится в другую форму, где впрыскивается второй пластиковый материал для завершения окончательной геометрии.

Хотя этот дополнительный этап увеличивает сложность оснастки и процесса, он часто обеспечивает значительно лучшую стабильность размеров, изоляционные характеристики, надежность герметизации, позиционирование вставок и однородность формования.

В этой статье объясняется, почему предварительная формовка перед отливкой важна, когда она необходима и как она улучшает качество конечного компонента, полученного методом литья под давлением.

Что такое предварительное формование методом первого впрыска?

Первичное литье под давлением — это начальный процесс литья под давлением, используемый для частичного покрытия, поддержки, позиционирования, изоляции или механической фиксации металлической вставки перед окончательной операцией литья под давлением.

В состав первой отлитой детали могут входить:

• Металлические клеммы
• Контакты разъема
• Свинцовые рамки
• Шины
• Штампованные металлические детали
• Сенсорные элементы
• Резьбовые вставки
• Проводящие компоненты
• Электронные узлы

В ходе первого литья пластик формуется только вокруг отдельных участков вставки. Полученная предварительно отформованная вставка становится более стабильным и точно сформированным компонентом, который можно поместить во вторую форму для литья.

Затем в процессе вторичного литья под давлением формируется окончательный корпус, уплотнительная конструкция, корпус разъема, элементы крепления или внешняя геометрия.

С технической точки зрения, полную последовательность можно описать следующим образом:

Металлическая вставка → Первый этап литья → Предварительно отлитая вставка → Второй этап литья → Готовая деталь

Этот процесс широко применяется в автомобильных разъемах, силовой электронике, промышленных датчиках, медицинских приборах, компонентах двигателей, водонепроницаемых разъемах и других областях, требующих высокой размерной и функциональной надежности.

Всегда ли требуется предварительное формование при литье с закладными элементами?

Нет. Не каждый проект по литью под давлением требует отдельного процесса предварительного формования первого слоя.

В следующих случаях может быть достаточно прямого одноэтапного процесса литья под давлением с закладными элементами:

• Металлическая вставка жесткая и структурно стабильная.
• Вставка может быть точно установлена с помощью пресс-формы.
• Вставка нелегко смещается под действием давления впрыска.
• Итоговая геометрия относительно проста.
• Облой вокруг металлической вставки допустим или легко контролируется.
• Изделие не требует сложной герметизации или электроизоляции.
• Количество контактов или клемм ограничено.
• Допуски на размеры не слишком жесткие.

Однако, предварительная формовка на первом этапе становится гораздо важнее, когда изделие содержит множество тонких выводов, длинные незакрепленные контакты, хрупкие выводные рамки, сложные пути герметизации, жесткие допуски на положение контактов, тонкие пластиковые стенки или несколько функциональных материалов.

Поэтому решение следует принимать на этапах проектирования с учетом технологичности конструкции (DFM), проектирования пресс-формы, анализа потока расплава (Moldflow), анализа допусков вставок и оценки рисков процесса.

Почему первый выстрел так важен?

1. Обеспечивает стабилизацию и позиционирование металлических вставок.

Одной из самых больших проблем при литье под давлением является поддержание точного положения металлической вставки во время впрыска.

Расплавленный пластик поступает в полость с высокой скоростью и давлением. Тонкие клеммы, длинные контакты, штампованные детали или хрупкие выводные рамки могут изгибаться, вибрировать, смещаться или отрываться во время заполнения.

Даже небольшое смещение может вызвать:

• Неправильный шаг штифта
• Неправильное выравнивание клемм
• Неравномерная толщина пластиковой стенки
• Проблемы с электрическими контактами
• Помехи при сборке
• Утечка
• Короткие кадры
• Открытый металл
• Терминальная деформация

Первый слой пластика служит жесткой опорной конструкцией. Он скрепляет несколько контактов или клемм и превращает гибкую металлическую вставку в стабильную предварительно отформованную сборку.

Это особенно важно для разъемов с множеством близко расположенных контактов. Вместо индивидуального контроля каждого контакта во время второго литья, вторая форма фиксирует более жесткий предварительно отформованный корпус.

В результате процесс вторичного литья под давлением становится более воспроизводимым и менее чувствительным к изменениям параметров вставки.

2. Это уменьшает перемещение вставки во время литья под высоким давлением.

Давление впрыска может создавать значительную нагрузку на открытые металлические поверхности.

Фактическая сила зависит от:

• Давление плавления
• Проектируемая область вставки
• положение ворот
• Направление потока
• Скорость наполнения
• вязкость материала
• Вставить геометрию
• Условия поддержки пресс-формы

Если металлическая вставка не имеет опоры, поток полимера может сместить её с заданного положения.

Первая форма для литья обеспечивает дополнительную поддержку и создает более крупные и устойчивые опорные поверхности. Вторая форма для литья позволяет зажимать и фиксировать предварительно отлитый пластик, вместо того чтобы полагаться только на узкие металлические штифты.

Это снижает риск:

• Вставить плавающий
• Вставить переключение
• Терминальный изгиб
• Деформация штифта
• Вставить поворот
• Неравномерная инкапсуляция
• Нестабильность размеров

Для высокопроизводительных производственных пресс-форм такая стабильность имеет решающее значение, поскольку в каждой полости необходимо обеспечить стабильное положение вставки на протяжении миллионов циклов формования.

3. Улучшает шаг контактов и выравнивание клемм.

В электрических разъемах положение каждого контакта должно оставаться в пределах заданного допуска.

Если разъем содержит 10, 20, 30 или более контактов, становится сложно независимо контролировать каждый контакт. Допуски штамповки, деформация подложки, обработка, резка, перенос и давление формования — все это может повлиять на конечное положение контактов.

Первый этап позволяет установить важные взаимосвязи между клеммами до того, как будет отлит окончательный корпус.

Оно может контролировать:

• шаг контактов
• Высота терминала
• Копланарность
• Перпендикулярность
• Длительность конечной экспозиции
• Расстояние электрической изоляции
• Положение относительно опорных элементов

Предварительно отформованная вставка также может служить пластиковой опорной поверхностью для автоматической обработки, контроля с помощью камер и повторной загрузки пресс-формы.

Это делает весь производственный процесс более подходящим для автоматизации.

4. Он создает надежную электрическую изоляцию.

Многие изделия, изготовленные методом литья под давлением, содержат проводящие металлические клеммы, которые должны оставаться электрически изолированными друг от друга.

Первичный пластик может быть разработан таким образом, чтобы создавать контролируемые изоляционные барьеры между соседними клеммами.

Эти барьеры помогают поддерживать:

• Расстояние утечки
• Расстояние зазора
• Диэлектрическая прочность
• Сопротивление изоляции
• Терминальное разделение
• Защита от электрического слежения

Без стадии предварительного формования расплав второго слоя может ненадёжно заполнять очень узкие зазоры между близко расположенными клеммами. Могут возникать воздушные ловушки, сварочные швы, неполное заполнение расплавом или тонкие изоляционные стенки.

Специальная форма для первого впрыска позволяет заполнять эти критически важные участки изоляции в более контролируемых условиях.

Это особенно важно для:

• Разъемы питания
• Автомобильные высоковольтные компоненты
• Сборки шин
• Корпуса силовых модулей
• аккумуляторные системы
• Компоненты промышленного управления
• Клеммы двигателя
• Компоненты инвертора

Таким образом, первый выстрел может выполнять электрическую, а не просто механическую функцию.

5. Это помогает контролировать вспышку вокруг клемм.

Облой — одна из наиболее распространенных проблем, связанных с качеством при литье под давлением с закладными элементами.

Когда металлические клеммы проходят через разъемную поверхность пресс-формы, пресс-форма должна герметично прилегать к металлу. Любые отклонения в толщине клемм, их плоскостности, покрытии, высоте заусенцев или положении могут создать небольшой зазор.

Под давлением впрыска расплавленный пластик может проникнуть в этот зазор и образовать облой.

Прошивка терминала может вызвать серьезные проблемы, в том числе:

• Плохой электрический контакт
• Помехи при сборке
• Неисправность соединения разъема
• Косметические дефекты
• Пути утечки
• Требования к ручной обрезке
• Загрязнение функциональных поверхностей

В процессе первого предварительного формования можно сформировать критически важные зоны герметизации в контролируемых условиях пресс-формы. Затем предварительно отформованный пластик может обеспечить более стабильную и однородную поверхность для закрытия второй формы.

По сравнению с герметизацией непосредственно к нескольким тонким металлическим клеммам, герметизация к пластиковой заготовке с заданными размерами зачастую оказывается более надежной.

Это может значительно снизить риск повторного срабатывания вспышки.

6. Защищает хрупкие вставки во время второй съемки.

Некоторые вставки слишком хрупкие, чтобы выдерживать прямое воздействие давления и температуры, возникающих при повторном впрыскивании при литье.

Примеры включают:

• Тонкие штампованные клеммы
• Тонкие свинцовые рамки
• Малые сенсорные элементы
• Гибкие проводящие компоненты
• Небольшие электронные сборки
• Клеммы с покрытием
• Металлические детали с гальваническим покрытием
• Заделка проводов или кабелей

Первый инъекционный раствор позволяет инкапсулировать и защитить уязвимые участки до введения второго, более крупного по объему, раствора.

Это также может предотвратить прямое воздействие потока полимера на критически важную поверхность.

Контролируя расположение первого литникового канала, инженеры могут направлять начальный поток расплава к более прочным участкам вставки. Защищенный предварительно отформованный компонент затем может безопасно выдержать второй процесс литья под давлением.

7. Это создает механические элементы сцепления.

Для успешного процесса литья под давлением необходимо предотвратить расслоение между компонентом, полученным в результате первого впрыска, и материалом, полученным в результате второго впрыска.

В состав первой заготовки могут входить специально разработанные механические элементы сцепления, такие как:

• Подрезки
• Сквозные отверстия
• Канавки
• Ребрышки
• Поверхности, похожие на рифленые
• Карманы для крепления
• Структуры типа «ласточкин хвост»
• Проточные окна

В процессе вторичного литья расплавленный пластик затекает в эти структуры или обтекает их, образуя механическую фиксацию.

Это особенно важно в следующих случаях:

• Эти два пластиковых материала обладают ограниченной химической совместимостью.
• Поверхность первого отжига полностью остыла.
• Данный компонент подвергается вибрации или термическим циклам.
• Изделие требует высокой прочности на вырыв.
• Поверхность контакта подвергается воздействию влаги или химических веществ.
• Отформованная деталь подвергается изгибу или крутящему моменту.

Надежная механическая связь снижает зависимость от одной лишь химической адгезии.

8. Улучшает герметизацию и устойчивость к протечкам.

В водонепроницаемых разъемах, корпусах датчиков, компонентах управления потоками жидкостей и в автомобильной промышленности интерфейс между металлом и пластиком должен предотвращать проникновение воды, масла, воздуха, газа или других жидкостей.

Металлические вставки часто имеют микроскопические неровности поверхности. Различия в покрытии, следы штамповки, заусенцы и отклонения в размерах могут создавать пути утечки.

Контролируемый процесс первого впрыска позволяет загерметизировать наиболее важный контактный участок между металлом и пластиком до формирования окончательного корпуса.

Второй этап литья обеспечивает герметичность предварительно отформованной структуры и создание дополнительного герметизирующего слоя.

Эта двухэтапная структура может обеспечить:

• Более длинный путь утечки
• Множественные уплотнительные интерфейсы
• Улучшенная металлическая инкапсуляция
• Более точный контроль толщины пластиковой стенки
• Сниженный риск образования пустот
• Более надежная защита от проникновения влаги

Однако герметичность по-прежнему зависит от геометрии изделия, состояния металлической поверхности, выбора смолы, вентиляции пресс-формы, конструкции литникового канала, условий процесса и разницы в термическом расширении.

Предварительное формование улучшает герметизирующие свойства, но его необходимо сочетать с правильным проектированием и проверкой.

9. Это позволяет различным материалам выполнять различные функции.

Материалы для первой и второй партии не всегда должны быть идентичными.

Двухэтапный процесс литья под давлением позволяет инженерам выбирать материалы в соответствии с различными функциональными требованиями.

Например, в качестве исходного материала может быть выбран следующий вариант:

• Высокий поток
• Точное заполнение вокруг небольших клемм
• Прочная металлическая адгезия
• Высокая диэлектрическая прочность
• Высокая термостойкость
• Размерная стабильность
• Низкая усадка

Материал для вторичной фотосъемки может быть выбран для:

• Ударопрочность
• Химическая стойкость
• Внешний вид
• Герметичность
• Прочность конструкции
• Огнестойкость
• Экономическая эффективность
• Экологическая стойкость

В качестве возможных инженерных материалов могут использоваться:

• PBT
• PA66
• PA6
• PPA
• PPS
• LCP
• PEI
• PEEK
• TPE
• TPU
• Silicone or LSR in suitable applications

Необходимо тщательно оценить совместимость материалов. Проектная группа должна учитывать температуру обработки, усадку, свойства склеивания, влагопоглощение, термическое расширение, химическую совместимость и долговременное старение.

10. Это разделяет критически важные функции формования.

Для выполнения слишком большого количества сложных задач одновременно может потребоваться использование однокомпонентной пресс-формы:

• Расположите несколько клемм
• Защитный слой вокруг металлических поверхностей
• Заполнить тонкие теплоизоляционные стены
• Сформируйте внешний корпус
• Предотвратить перемещение терминала
• Избегайте сварочных швов.
• Контроль деформации
• Поддержание косметического качества
• Обеспечить герметичность

Разделение процесса формования на первый и второй этапы позволяет каждой пресс-форме сосредоточиться на выполнении более конкретной функции.

При изготовлении первой партии формы можно сосредоточиться на следующем:

• Вставить позиционирование
• изоляцию клемм
• Герметизация критически важных металлов
• выравнивание штифтов
• Небольшие прецизионные элементы

Вторая форма для заливки может быть ориентирована на:

• Окончательная геометрия корпуса
• Структурные особенности
• Интерфейсы крепления
• Внешнее уплотнение
• Декоративные поверхности
• Особенности сборки

Такое разделение может упростить оптимизацию процесса и уменьшить количество противоречащих друг другу требований к формованию в рамках одной пресс-формы.

Как предварительное формование на первом этапе улучшает процесс формования на втором этапе.

Грамотно спроектированная предварительно отформованная вставка обеспечивает пресс-форме для вторичной заливки стабильный и воспроизводимый исходный компонент.

Процесс повторной съемки выигрывает от следующих преимуществ:

Поэтому первый образец следует рассматривать как функциональную высокоточную деталь, а не просто как незаконченную пластиковую заготовку.

Основные проектные решения для предварительного формования методом первого впрыска

Стратегия позиционирования вставки и определения базовых параметров пресс-формы

Предварительная форма должна обеспечивать четкие и воспроизводимые базовые точки.

В проекте должны быть указаны следующие пункты:

• Основные опорные поверхности
• Вторичные опорные поверхности
• Точки поддержки терминала
• Функции защиты от вращения
• Вставьте направление загрузки
• Направление зажима пресс-формы
• Ссылки для переноса на второй кадр

Металлические вставки не следует чрезмерно фиксировать, особенно если допуски при штамповке или механической обработке достаточно велики. Чрезмерная фиксация может привести к затруднениям при загрузке, деформации или повреждению пресс-формы.

Пластиковая конструкция запорного клапана

Зоны перекрытия вокруг металлической вставки должны быть спроектированы с особой тщательностью.

К важным факторам относятся:

• Допуск на толщину клеммы
• Направление металлического заусенца
• Толщина покрытия
• Вставить плоскость
• Контактное давление листовой стали
• Угол закрытия
• Износостойкость
• Повторяемость загрузки вставки

Для обработки критически важных поверхностей запорного клапана может потребоваться закаленная инструментальная сталь, сменные вставки и высокоточная механическая обработка.

Расположение затвора и направление потока

Первый затвор следует расположить таким образом, чтобы свести к минимуму смещение вставки.

По возможности, поток расплава должен:

• Прижмите вставку к опорной поверхности.
• Избегайте прямого удара по тонким клеммам.
• Перед заморозками заполните критически важные участки теплоизоляции.
• Уменьшите количество сварных швов в зонах уплотнения.
• Избегайте образования воздушных пробок между соседними клеммами.
• Обеспечьте сбалансированное заполнение в многогнездных формах.

Анализ Moldflow может помочь оценить распределение давления, баланс потока, воздушные ловушки, линии сварки и потенциальное смещение вставки.

Однако физические испытания пресс-формы по-прежнему необходимы, поскольку фактическое поведение также зависит от жесткости вставки, опоры пресс-формы, состояния поверхности и настроек процесса.

Проектирование интерфейса на первом и втором этапах

Граница раздела между материалами первого и второго этапов формования должна обеспечивать как процесс литья, так и долговременную работоспособность изделия.

При проектировании следует учитывать:

• Механическая блокировка
• Совместимость материалов
• Загрязнение поверхности
• Срок хранения препарата
• Впитывание влаги
• Требования к предварительному нагреву
• Температура интерфейса
• Различия в усадке
• Тепловое расширение
• Риск долгосрочного расслоения

Если гарантировать прочное химическое соединение невозможно, следует предусмотреть механические фиксирующие элементы.

Компенсация размеров

Деталь, полученная в результате первого впрыска, после формования сожмется. Затем ее можно повторно нагреть в процессе второго впрыска, что может привести к дополнительному напряжению или изменению размеров.

Поэтому инженеры должны учитывать следующее:

• Усадка при первом выстреле
• Повторный нагрев второй порции
• Дифференциальная усадка
• Вставить термическое расширение
• Остаточное напряжение
• Деформация после окончательного охлаждения
• Различия между полостями

Окончательные размеры пресс-формы не всегда можно определить, просто применив стандартный процент усадки смолы. Часто требуются опытные образцы и сопоставление размеров.

Распространенные проблемы, возникающие при неудачном проектировании первого выстрела.

Нестабильный или неточный компонент, полученный в результате первого этапа производства, может напрямую передавать свои дефекты в процесс второго этапа.

Типичные проблемы включают в себя:

Предформованный облой

Облой на первом изделии может препятствовать правильной посадке во второе отверстие пресс-формы. Это может привести к помехам в пресс-форме, неправильным размерам, дополнительному облою или повреждению пресс-формы.

Предформационная деформация

Если предварительно отформованная вставка деформирована, вторая форма может вдавить её в нужное положение во время смыкания. Это создаёт напряжение и может привести к конечному смещению, растрескиванию или восстановлению размеров после формования.

Неправильное положение клеммы

Второй выстрел не может надежно исправить положение терминала, которое уже было неправильно установлено во время первого выстрела.

Загрязненная поверхность склеивания

Масло, пыль, разделительные составы, окисление, влага и загрязнения при обращении могут снизить адгезию между материалами первого и второго циклов литья.

Недостаточная механическая блокировка

Без надлежащих элементов сцепления материал, полученный в результате вторичной формовки, может отделиться от предварительно отформованного компонента во время термических циклов, вибрации или механической нагрузки.

Неправильный выбор материала для первого выстрела

Материал, полученный в результате первого впрыска, должен выдерживать температуру и давление, характерные для второго впрыска. Если его термостойкость недостаточна, он может размягчиться, деформиров