Spuitgieten wordt veel gebruikt voor het produceren van grote aantallen onderdelen, maar het heeft een aantal uitdagingen, zoals hoge initiële instelkosten en de kans op defecten.

Nadelen van spuitgieten zijn onder andere hoge matrijskosten, lange doorlooptijden, verspilling van materiaal en beperkingen bij complexe geometrieën. Het proces is ook niet ideaal voor de productie van kleine volumes.

Hoewel spuitgieten zeer efficiënt is bij massaproductie, is het begrijpen van de nadelen essentieel om te bepalen wanneer het de juiste keuze is voor je productiebehoeften.

Wat is spuitgieten?

Spuitgieten is een veelgebruikt productieproces waarbij gesmolten kunststof in mallen wordt gespoten om snel en efficiënt complexe onderdelen te maken. Het is ideaal voor de productie van grote volumes.

Spuitgieten is een proces waarbij gesmolten kunststof in een vormholte wordt gespoten om onderdelen te vormen. Het staat bekend om zijn hoge efficiëntie, precisie en de mogelijkheid om complexe vormen te produceren met minimaal afval. Het wordt gebruikt in industrieën zoals de auto-industrie, elektronica en de medische sector.

Spuitgieten is wanneer je heet, gesmolten spul in een mal spuit. Dan laat je het afkoelen en uitharden. Het werkt als volgt: Je neemt kleine plastic korrels of poeder en stopt die in de trechter van de spuitgietmachine. De machine verhit ze en smelt ze tot een vloeistof.

Dan spuit het de vloeistof in een koude, gesloten mal via een spuitmond aan het einde van de machine. De mal koelt de vloeistof af en maakt hem hard. Als je de mal opent en het plastic eruit haalt, ben je klaar. Dat is één cyclus.

Wat zijn de stappen in het spuitgietproces?

Het spuitgietproces omvat verschillende kritieke stappen die elk bijdragen tot het efficiënt en consistent maken van kunststofonderdelen van hoge kwaliteit.

Het spuitgietproces omvat vastklemmen, injecteren, afkoelen en uitwerpen. Het begint met het smelten van kunststof, het injecteren in een matrijs, het laten afkoelen en het uitwerpen van het afgewerkte onderdeel. Deze stappen zorgen voor precisie, snelheid en minimaal afval bij de productie.

Vulfase

Vullen is de eerste stap in het hele spuitgietproces. De tijd begint te lopen vanaf het sluiten van de matrijs en het spuitgieten totdat de matrijsholte gevuld is tot ongeveer 95%. In theorie geldt: hoe korter de vultijd¹hoe hoger het vormrendement, maar in de praktijk is de vormtijd of injectiesnelheid² is onderhevig aan vele voorwaarden.

Drukhoudfase

De drukhoudfase is er om de druk erop te houden, de smelt in te pakken, de kunststof dichter te maken (verdichten) en de krimp van de kunststof te compenseren. De tegendruk is hoog tijdens de drukhoudfase omdat de vormholte al vol kunststof zit.

Tijdens de drukhoud- en verpakkingsfase kan de schroef van de spuitgietmachine slechts een klein beetje en langzaam vooruit bewegen, en de stroomsnelheid van de kunststof is ook langzaam. Deze stroom wordt drukhoudstroom genoemd. Omdat de kunststof tijdens het vasthouden wordt afgekoeld en gestold door de matrijswand en de viscositeit van de smelt snel toeneemt, is de weerstand in de matrijsholte erg hoog.

In het latere deel van de holdingfase bereikt het plastic materiaal de dichtheid blijft stijgen en het plastic deel begint zich te vormen. De holdingfase moet doorgaan tot de poort stevig en verzegeld is. Op dit punt wordt de holtedruk³tijdens de wachtfase is hoog.

Koelfase

Het ontwerp van het koelsysteem is erg belangrijk bij spuitgietmatrijzen. De reden hiervoor is dat alleen als de gevormde kunststof producten afgekoeld zijn en voldoende stijf zijn geworden, voorkomen kan worden dat de kunststof producten vervormd worden door externe krachten na het ontvormen.

Sinds de koeltijd⁴is goed voor ongeveer 70% tot 80% van de volledige spuitgietcyclus. Een goed ontworpen koelsysteem kan de giettijd aanzienlijk verkorten, de spuitgietproductiviteit verbeteren en de kosten verlagen. Onjuist ontworpen koelsystemen verlengen de vormingstijd en verhogen de kosten; ongelijkmatige koellijnen veroorzaken verder kromtrekken en vervorming van kunststof producten.

Demolding stadium

Ontvormen is de laatste schakel in een spuitgietcyclus. Hoewel het product koud gevormd is, heeft ontvormen nog steeds een zeer belangrijke invloed op de kwaliteit van het product. Onjuiste ontvormmethoden kunnen leiden tot ongelijkmatige kracht op het product tijdens het ontvormen en productvervorming tijdens het uitwerpen.

Er zijn twee belangrijke manieren om te ontvormen: ejector en stripper. Kies bij het ontwerpen van een matrijs de juiste ontvormmethode op basis van de structurele kenmerken van het product om de productkwaliteit te garanderen.

Wat zijn de nadelen van spuitgieten?

Spuitgieten is een populair productieproces, maar het heeft nadelen, zoals hoge initiële kosten en beperkingen bij complexe geometrieën of materialen.

Nadelen van spuitgieten zijn onder andere hoge instelkosten, de noodzaak van dure matrijzen en beperkte flexibiliteit in materiaalkeuzes. Het is minder effectief voor kleine productieruns vanwege de dure matrijzen en het instellen.

Hoge initiële matrijskosten

Een van de grote nadelen van spuitgieten zijn de hoge kosten voor het maken van de matrijs. Het ontwerpen en maken van mallen die passen bij de vorm van een specifiek onderdeel kan erg duur zijn, vooral voor complexe of mooie ontwerpen. Deze initiële kosten kunnen een spelbreker zijn voor bedrijven met een kleinere productie of een beperkt budget.

De aanloopkosten zijn hoog omdat je het moet ontwerpen, testen en bewerken. Je moet het ontwerpen en er een prototype van maken (mogelijk via CNC of 3D printen), dan moet je het prototype matrijsgereedschap ontwerpen om replica's van het onderdeel in massa te produceren. Pas na uitgebreid testen in deze twee fasen kun je het onderdeel uiteindelijk spuitgieten.

Laag rendement

De snelheid van kunststof spuitgieten hangt af van de grootte van de spuitgietmachine en de procesomstandigheden. Hoe groter de injectiemachine, hoe sneller de productie.

Maar zelfs met een grote spuitgietmachine duurt het tientallen seconden om één spuitgietbeweging te maken. De productiesnelheid van kunststof spuitgieten is dus relatief laag in vergelijking met andere productieprocessen, wat de productie-efficiëntie van industriële producten beïnvloedt.

Het spuitgietproces is onomkeerbaar

Hoewel spuitgieten meerdere kunststofmaterialen in elke vorm kan gieten, is het eenrichtingsverkeer. Zodra het spuitgieten klaar is, staat de vorm vast. Als je het ontwerp moet veranderen of aanpassen, moet je een nieuwe matrijs maken, wat tijd en geld kost.

Hoog uitvalpercentage

Het uitvalpercentage in het productieproces van kunststof spuitgieten is ook relatief hoog. Dat komt omdat de veranderingen in temperatuur en druk tijdens het spuitgietproces defecten kunnen veroorzaken zoals kromtrekken, uitlopen en holtes. Zodra deze problemen zich voordoen, moet de spuitgietmatrijs opnieuw worden gemaakt of moet het slechte onderdeel worden weggegooid, waardoor er meer geld en tijd verloren gaat.

Groottebeperkingen

Spuitgieten heeft zijn grenzen, vooral voor grote onderdelen. De grootte van de spuitgietmachine en de grootte van de caviteit beperken het grootste onderdeel dat je kunt maken. Als je een groot onderdeel wilt maken, heb je misschien speciale apparatuur of meerdere matrijsholtes nodig, wat het duurder en ingewikkelder maakt.

Ontwerpbeperkingen

Plastic onderdelen ontwerpen. Bij het ontwerpen van kunststof onderdelen moet je er rekening mee houden dat ze met spuitgieten worden gemaakt. Dit betekent dat je enkele basisregels moet volgen, zoals: probeer ondersnijdingen en scherpe randen te vermijden. Gebruik een uniforme wanddikte om defecten zoals zinkvlekken ⁵ die ontstaan als het koelproces niet consistent is. Gebruik ontwerphoeken⁶ om het onderdeel gemakkelijker uit de mal te kunnen halen.

Onthoud dat gereedschap meestal van staal of aluminium is gemaakt, dus het is moeilijk om wijzigingen in het ontwerp aan te brengen. Als je plastic aan een onderdeel moet toevoegen, kun je de gereedschapsholte groter maken door het staal of aluminium weg te snijden. Maar om plastic weg te nemen, moet je de gereedschapsholte kleiner maken door aluminium of metaal toe te voegen. Dit is erg moeilijk en betekent in veel gevallen dat je het gereedschap (of een deel ervan) weg moet gooien en opnieuw moet beginnen.

Ook het gewicht en de grootte van het onderdeel bepalen welke gereedschapsgrootte en persgrootte je nodig hebt. Hoe groter het onderdeel, hoe moeilijker en duurder het is.

Spuitgieten is een veelzijdig proces om allerlei vormen en details te maken. Maar er zijn grenzen aan wat je kunt doen. Sommige vormen, zoals scherpe hoeken, dunne wanden of diepe gaten, kunnen het moeilijk maken om de matrijs te vullen, het onderdeel te koelen of het uit de matrijs te krijgen.

Als je een onderdeel ontwerpt om te spuitgieten, moet je nadenken over zaken als ontwerphoeken, wanddikte en andere dingen om ervoor te zorgen dat de matrijs werkt en het onderdeel goed is. Soms moet je extra dingen aan de matrijs toevoegen of extra dingen aan het onderdeel doen om het te laten werken. Dat maakt het moeilijker en duurder om het onderdeel te maken.

Hoge initiële kosten

Plastic spuitgietmatrijzen zijn ingewikkeld. Alleen ervaren ingenieurs weten hoe ze ze moeten ontwerpen en maken, wat betekent dat de arbeidskosten hoog zijn. Bovendien zijn er veel stappen om een matrijs te maken die na verloop van tijd miljoenen identieke onderdelen produceert. Een eenvoudige matrijs met één caviteit begint bij $2.000-3.000. Een hoogproductieve schimmel met meerdere caviteiten van gehard gereedschapsstaal kan $100.000 of meer kosten.

Lange doorlooptijd

Een goede kunststof spuitgietmatrijs gaat eeuwig mee. Er is dus veel planning en testen voor nodig om het goed te krijgen. De ontwerp-, prototyping-, test- en machinefase kunnen maanden duren. In vergelijking met andere soorten kunststofproductie duurt het maken van kunststof spuitgietmatrijzen lang.

Als je een mal wilt die meerdere kunststof onderdelen in één keer kan maken, kan het nog langer duren. Voor deze type schimmel⁷De matrijzenmaker kan een gereedschap met één holte ontwerpen, bouwen en testen voordat hij een gereedschap met meerdere holtes gaat maken. Natuurlijk moet het gereedschap met meerdere caviteiten ook de ontwerp-, prototype-, bouw- en testfasen doorlopen.

Maar als je eenmaal hebt gepland en bewerkt, kun je met een kunststof spuitgietmatrijs miljoenen onderdelen maken gedurende zijn levensduur. De schaal van de productie van kunststof onderdelen weegt vaak op tegen de aanloopkosten en de verloren tijd.

Buigzame materialen

In tegenstelling tot CNC-verspaning, waarbij fysieke onderdelen worden gemaakt van computerontwerpbestanden die op elk moment kunnen worden gewijzigd door software-ingenieurs, is het moeilijk om grote wijzigingen aan te brengen in een kunststof mal na bewerking omdat deze meestal van staal is gemaakt.

Er zijn twee manieren om een kunststof mal te veranderen. De ene manier is om de malholte groter te maken door delen van de metalen mal weg te snijden. Dit voegt plastic toe aan het onderdeel. Het is moeilijker om kunststof van het onderdeel weg te halen. Soms kun je metaal in de holte lassen, maar soms lukt dat niet en heb je een nieuwe holte of een hele nieuwe mal nodig. Dit betekent dat je terug moet naar de ontwerpfase.

Groottebeperkingen

Als je een groot kunststof onderdeel moet maken, heeft spuitgieten zijn beperkingen. Er zijn spuitgietmachines die groot genoeg zijn om de romp van een boot te maken, maar de spuitgietscenario's waar ik het hier over heb, zijn voor kleinere onderdelen, van drie kilo of minder. Als je een groter onderdeel nodig hebt, kunnen de doorlooptijd en de kosten exponentieel stijgen.

Hoge kosten

Spuitgieten is een zeer nauwkeurige productietechnologie waarvoor veel geld nodig is om de kwaliteit en stabiliteit van het product te garanderen. Voor de productie van spuitgieten zijn veel apparatuur, processen en mensen nodig, wat resulteert in hoge productiekosten. Daarnaast zorgt de noodzaak om hoogwaardige grondstoffen en additieven te gebruiken in het spuitgietproces voor nog hogere kosten.

Onderdelen in kleine series kunnen duur zijn. Het gereedschap is complex en je moet de machine schoonmaken voordat je het volgende onderdeel kunt maken. Het duurt dus lang om in te stellen. Daarom worden spuitgietmatrijzen van oudsher als te duur beschouwd voor kleine series.

Hoge uitrustingsvereisten

Voor spuitgieten is veel apparatuur nodig, zoals spuitgietmachines, matrijzen, automatische transportapparatuur en verwante hulpapparatuur. Deze apparatuur heeft strikt onderhoud en beheer nodig en als er een storing optreedt, zijn de reparatiekosten relatief hoog. Bovendien heeft spuitgieten ook zeer nauwkeurige temperatuur- en drukcontrolesystemen nodig, dus de apparatuur moet zeer stabiel en betrouwbaar zijn.

Lange productiecyclus

Vergeleken met sommige methoden voor rapid prototyping zoals 3D-printen, duurt het bij spuitgieten meestal langer om het op te zetten en te starten. Dit omvat het ontwerpen en maken van matrijzen, het uitvoeren van matrijsproeven en het instellen van procesparameters voordat je onderdelen op schaal kunt gaan maken. De tijd van concept tot afgewerkt product kan dus langer zijn dan bij snellere prototypingmethodes.

De productiecyclus van spuitgieten is relatief lang en duurt meestal enkele dagen tot enkele weken. Dat komt vooral omdat er bij spuitgieten meerdere schakels nodig zijn, zoals het maken van de matrijs, het uitproberen van de matrijs en de serieproductie, en elke schakel neemt veel tijd in beslag. Hierdoor is spuitgieten ook niet geschikt voor de verwerking van spoedorders.

Defecten aan eindproducten

De spuitgiettechnologie is ontwikkeld en toegepast, maar het eindproduct vertoont nog steeds gebreken. Er kunnen bijvoorbeeld luchtbellen, krimpgaten en onwerkelijke gedeelten ontstaan, die de kwaliteit en het uiterlijk van het product ernstig aantasten.

Milieuvervuiling

Als je dingen maakt met spuitgieten, maak je misschien ook slechte dingen, zoals chemisch resistent plastic, plastic afval, afvalgassen en afvalwater, wat de wereld kan verpesten. Bovendien kost spuitgieten veel energie en materialen en is er veel ongebruikt of afvalplastic, wat ook slecht is voor de wereld.

Conclusie

Conclusie: kunststof spuitgieten is een veelvoorkomend productieproces, maar hoewel spuitgieten soms lage arbeidskosten en lage kosten met zich meebrengt, heeft het ook enkele duidelijke nadelen.

Deze nadelen zijn onder andere de lage efficiëntie, de hoge initiële kosten, het onomkeerbare spuitgietproces en het hoge uitvalpercentage. Bij het gebruik van dit proces moeten bedrijven zich bewust zijn van deze problemen om ze beter op te lossen en de productie-efficiëntie en economische voordelen te verbeteren.