Saya telah bekerja di bidang desain dan manufaktur produk selama sekitar 11 tahun, melakukan banyak pekerjaan dengan perusahaan elektronik konsumen dan beberapa pemasok otomotif, dan cetakan injeksi hanyalah cara standar untuk membuat komponen plastik pada volume berapa pun. Ada proses lain seperti pencetakan 3D atau mesin plastik CNC, tetapi ketika Anda membutuhkan lebih dari 500-1000 unit, cetakan injeksi menjadi satu-satunya hal yang masuk akal secara ekonomi untuk sebagian besar aplikasi.
Mengapa cetakan injeksi mengambil alih segalanya
Prosesnya sendiri cukup mudah-lelehkan pelet plastik, masukkan ke dalam cetakan dengan tekanan tinggi, biarkan dingin, lalu keluarkan bagiannya. Mengulang. Mesin modern dapat melakukan siklus ini dalam waktu 15-30 detik untuk komponen kecil, mungkin 60-90 detik untuk komponen besar. Saya melihat mesin cetak injeksi Mars Haiti di sebuah pabrik di Shenzhen memompa casing ponsel cerdas dengan kecepatan sekitar 40 detik per siklus, dan itu adalah bagian yang cukup rumit dengan banyak fitur internal. Biaya perkakasnya sekitar $12.000 USD (manajer pabrik memberi tahu saya hal ini pada tahun 2018, harga pasti sudah naik sejak saat itu).
Yang membuatnya begitu dominan adalah kombinasi kecepatan, kemampuan pengulangan, dan pilihan material. Setelah cetakan dibuat, setiap bagian memerlukan biaya material dan waktu mesin yang sangat sedikit. Suku cadang ABS seberat 50 gram mungkin menggunakan bahan senilai $0,15, dan jika waktu siklusnya 30 detik, berarti 120 suku cadang per jam. Bahkan dengan memperhitungkan biaya waktu mesin dan tenaga kerja, Anda mungkin akan mendapatkan $0,30-0,50 per komponen dalam proses produksi 10,000+ unit.
Bandingkan dengan permesinan CNC yang mengharuskan Anda membayar untuk keausan pahat, waktu siklus yang lebih lama, limbah material, dan waktu operator yang terampil. Saya menetapkan harga untuk desain penutup sederhana setelah-cetakan injeksi mencapai $0,82/bagian untuk 5.000 unit termasuk perkakas yang diamortisasi. Pemesinan CNC untuk bagian yang sama dihargai $6,40/bagian. Bahkan tidak dekat.
Peralatan medis menjadi aneh tentang hal ini
Komponen cetakan injeksi medis sangat berbeda karena peraturan FDA dan persyaratan sterilisasi. Bahannya harus biokompatibel, sehingga membatasi pilihan Anda secara signifikan. Sebagian besar produsen medis menggunakan bahan-bahan seperti polikarbonat, polipropilen, atau polietilen dengan kualitas khusus. PEEK populer untuk instrumen bedah karena dapat menangani autoklaf berulang kali tanpa mengalami penurunan kualitas, namun perkakas PEEK mahal karena suhu pemrosesan yang sangat tinggi (sekitar 370-400 derajat menurut spesifikasi datasheet Victrex, victrex.com).
Saya mengerjakan proyek perangkat medis sekali pakai beberapa tahun yang lalu, hanya sebuah nampan cetakan injeksi sederhana untuk prosedur gigi. Validasi materinya sendiri memakan waktu 4 bulan karena harus membuktikan pengujian biokompatibilitas sesuai standar ISO 10993. Desain bagian sebenarnya dilakukan dalam 3 minggu. Dokumentasi peraturan adalah 6 minggu lagi. Inilah sebabnya mengapa suku cadang cetakan injeksi medis harganya 3-5x lebih mahal dibandingkan suku cadang konsumen yang setara meskipun desainnya lebih sederhana.
Kompatibilitas sterilisasi jauh lebih penting daripada yang dipikirkan kebanyakan insinyur. Sterilisasi radiasi gamma dapat menyebabkan beberapa plastik menguning atau rapuh. Sterilisasi EtO (etilen oksida) lebih lembut tetapi memiliki masalah penyerapan pada bahan tertentu. Sterilisasi autoklaf memerlukan bahan yang stabil pada suhu 121-134 derajat dengan paparan uap. Pilihan bahan Anda ditentukan oleh cara pelanggan berencana mensterilkan produk, bukan hanya persyaratan mekanis.
Suku cadang otomotif yang tidak dilihat siapa pun
-Komponen otomotif di balik kap mesin sangat merusak material plastik. Anda mengalami perputaran suhu dari -40 derajat hingga 120 derajat +, paparan terhadap minyak dan bahan bakar, getaran, dan persyaratan masa pakai yang lama (biasanya 15+ tahun). Inilah sebabnya mengapa cetakan injeksi otomotif menggunakan banyak nilon berisi kaca dan bahan khusus bersuhu tinggi.
Intake manifold dulunya terbuat dari aluminium cor, namun kini sebagian besar terbuat dari kaca-yang diisi nilon dengan cetakan injeksi. BMW mulai melakukan ini pada akhir tahun 1990-an, dan semua orang mengikutinya. Penghematan beratnya sangat signifikan-intake manifold plastik bisa 40-50% lebih ringan dibandingkan aluminium. Menurut beberapa analisis dari makalah konferensi Society of Plastics Engineers (spe.org, konferensi divisi otomotif 2015), peralihan ke intake manifold plastik mengurangi bobot kendaraan rata-rata 3-4 kg per kendaraan, yang berarti peningkatan penghematan bahan bakar sekitar 0,1-0,15 mpg. Kedengarannya tidak banyak, namun kalikan jumlahnya dengan jutaan kendaraan.
Konektor dan rumah sensor adalah kategori besar lainnya. Setiap sensor pada mobil modern-suhu, tekanan, posisi, kecepatan, apa pun-memiliki wadah cetakan injeksi. Ini harus disegel terhadap air dan debu (biasanya peringkat minimum IP67), menangani getaran, dan menjaga stabilitas dimensi di seluruh rentang suhu. Toleransinya juga bisa ketat, seperti ±0,05 mm untuk fitur pemasangan pada konektor listrik.
Saya pernah melihat cetakan konektor otomotif berharga $80.000-120.000 karena ini adalah cetakan keluarga yang membuat banyak komponen, dengan aksi samping untuk pemotongan, dan konstruksi baja yang diperkeras untuk memerlukan lebih dari satu juta siklus hidup komponen. Biaya per bagian menjadi di bawah $0,20 ketika Anda menjalankan volume sebesar itu.
Barang elektronik konsumen adalah sumber uangnya
Casing ponsel cerdas, casing laptop, rangka tablet-semuanya dicetak dengan cetakan injeksi. Persyaratan penyelesaian permukaan tidak masuk akal dibandingkan dengan industri lain. Anda memerlukan penyelesaian permukaan cetakan A1 atau A2 (standar SPI), yang berarti pemolesan rongga cetakan secara ekstensif. Penggosok cetakan yang baik memerlukan waktu berminggu-minggu-untuk memoles rongga besar hingga menjadi cermin.
Apple terkenal melakukan hal-hal dengan cetakan injeksi yang sulit ditiru oleh perusahaan lain. MacBook polikarbonat unibody dari tahun 2009-2010 dicetak dengan injeksi dalam satu bagian, yang memerlukan keahlian pembuatan cetakan dan kontrol proses yang besar. Sebagian besar produsen akan membaginya menjadi beberapa bagian karena sulit mendapatkan ketebalan dinding yang seragam dan menghindari bekas tenggelam pada sesuatu yang besar.
Pilihan material dalam perangkat elektronik konsumen telah banyak berubah selama dekade terakhir. ABS dulunya merupakan default untuk semuanya, kini Anda melihat lebih banyak polikarbonat, campuran PC/ABS, dan material PPO yang dimodifikasi. Salah satu bagiannya adalah persyaratan tahan api-peringkat UL94 penting untuk apa pun yang berisi barang elektronik. Sebagian besar barang memerlukan setidaknya peringkat V-1, banyak aplikasi memerlukan V-0. Ini membatasi bahan dan bahan tambahan apa yang dapat Anda gunakan.
Pencocokan tekstur dan warna adalah mimpi buruk dalam elektronik konsumen. Saya bekerja dengan perusahaan yang membuat perangkat periferal (keyboard, mouse, sejenisnya) dan mereka melakukan 23 revisi tekstur untuk satu produk karena bagian pemasaran terus berubah pikiran tentang bagaimana rasanya. Setiap revisi tekstur berarti memoles ulang rongga cetakan dengan elektroda EDM yang berbeda atau proses etsa kimia. Pembuat cetakan mengenakan biaya $2.000 per revisi tekstur.
Pencocokan warna antar plastik yang berbeda juga lebih sulit dari yang seharusnya. Jika Anda memiliki produk dengan penutup atas PC dan wadah bawah ABS, membuat warnanya sama persis saat dicetak adalah hal yang rumit karena bahan yang berbeda membutuhkan pewarna yang berbeda pula. Anda akan mendapatkan masterbatch warna khusus dan banyak cetakan percobaan untuk memasukkannya.
Kemasan adalah raksasa yang tersembunyi
Tidak ada yang berpikir tentang kemasan cetakan injeksi tetapi volumenya sangat besar. Tutup botol saja-ada statistik yang mengatakan sekitar 2 miliar tutup botol plastik dibuat setiap hari di seluruh dunia (saya tidak dapat menemukan sumber pastinya saat ini, tetapi sumbernya ada di artikel Berita Plastik beberapa tahun yang lalu). Setiap botol air, botol soda, teko susu, botol sampo memiliki tutup cetakan injeksi.
Wadah makanan, kemasan kosmetik, botol obat-semuanya dicetak dengan injeksi. Persyaratannya berbeda dengan aplikasi lain karena Anda memerlukan-bahan yang aman untuk makanan (sekali lagi peraturan FDA) dan ketahanan yang baik terhadap bahan kimia. Polypropylene mendominasi ruangan ini karena murah,-aman untuk makanan, dan tidak mengandung bahan kimia. HDPE juga umum digunakan, terutama untuk botol dan wadah yang memerlukan fleksibilitas.
Cetakan-dinding tipis untuk wadah makanan adalah spesialisasi tersendiri. Yang dimaksud adalah ketebalan dinding 0,5-0,8 mm, yang memerlukan kecepatan injeksi tinggi dan mesin khusus dengan kontrol tembakan yang baik. Waktu siklusnya cepat seperti 4-8 detik untuk wadah yogurt. Saya mengunjungi pabrik pengemasan di Italia yang menjalankan cetakan dengan 48 rongga untuk wadah makanan kecil, menghasilkan ribuan komponen per jam dalam satu mesin.
Biaya peralatan untuk cetakan pengemasan menarik karena sering kali merupakan cetakan keluarga (berbagai ukuran rongga) atau cetakan multi-rongga dengan jumlah rongga yang sangat banyak. Cetakan tutup botol 96-rongga mungkin berharga $150,000+ namun bila Anda membuat puluhan juta komponen, biaya perkakas per komponen menjadi dapat diabaikan.
Aplikasi industri dan konstruksi yang bertahan selamanya
Penutup listrik, kotak sambungan, rumah saklar-banyak komponen cetakan injeksi di gedung dan peralatan industri. Persyaratan material di sini berbeda karena Anda memerlukan ketahanan UV (jika di luar ruangan), ketahanan api, dan ketahanan benturan. ABS tidak akan berfungsi untuk aplikasi luar ruangan karena akan rusak jika terkena paparan sinar UV. ASA lebih baik tetapi lebih mahal. Polikarbonat berfungsi tetapi menguning seiring waktu. Selalu ada kompromi.
Bagian pengatur kabel seperti pegangan kabel, pelepas regangan, dan kelenjar sebagian besar dibentuk dengan cetakan injeksi. Nilon populer untuk ini karena ketangguhan dan ketahanannya terhadap bahan kimia. Saya telah bekerja dengan pegangan kabel M20 dan M25 yang perlu mempertahankan penyegelan IP68 setelah dipasang dan dilepas beberapa kali-toleransi dimensi pada ulir dan permukaan penyegelan harus rapat (±0,1 mm atau lebih baik pada fitur penting).
Perlengkapan pipa dan komponen pipa juga merupakan kategori besar. Perlengkapan PVC dan PP dicetak dengan injeksi, meskipun bahan berdiameter besar sering kali dibuat dengan proses lain. Nilai tekanan itu penting-pelengkapan dengan nilai 150 PSI memerlukan dinding yang lebih tebal dan sifat material yang lebih baik daripada fitting dengan nilai 50 PSI. Nilai material ditentukan sesuai standar ASTM dan persyaratan pengujian dijabarkan dalam hal-hal seperti ASTM D2846 untuk perlengkapan PVC.
Mainan dan produk rekreasi
Jelas sekali mainan sebagian besar terbuat dari plastik cetakan injeksi. Balok LEGO adalah contoh klasik-yang diproduksi dengan toleransi yang sangat ketat (±0,01 mm atau semacamnya) sehingga dapat menyatu dengan sempurna setiap saat. LEGO menggunakan ABS secara eksklusif menurut saya, dan mereka telah melakukan pencetakan injeksi sejak tahun 1940-an atau 50-an sehingga prosesnya benar-benar dilakukan.
Figur aksi, boneka, kendaraan mainan-semuanya dicetak dengan injeksi, biasanya multi-shot atau rakitan beberapa komponen cetakan. Pemilihan bahan mainan dibatasi oleh peraturan keselamatan. Di Amerika ada persyaratan CPSIA, di Eropa ada standar keamanan mainan EN 71. Pemlastis dan bahan tambahan tertentu dilarang untuk produk anak-anak, sehingga mengesampingkan beberapa pilihan bahan.
Peralatan olahraga juga memiliki banyak bagian yang dibentuk. Kerang sepatu ski, rangka inline skate, komponen sepeda, alat pelindung. Persyaratan mekanisnya bisa jadi rumit-sepatu ski harus cukup kaku untuk menyalurkan gaya secara efisien namun tidak terlalu rapuh hingga retak saat cuaca dingin. Ini biasanya berarti bahan poliuretan atau poliamida, dan ketebalan dinding menjadi berat (3-6 mm di beberapa area).
Apa yang tidak berfungsi dengan baik dengan cetakan injeksi
Suku cadang yang sangat besar menjadi tantangan karena Anda memerlukan mesin yang besar dan biaya perkakas yang membengkak. Fasia bemper otomotif berada pada batas yang masuk akal-yang memerlukan mesin penjepit sebesar 1000+ ton dan cetakan yang berbobot beberapa ton. Investasi modal untuk peralatan tersebut adalah jutaan dolar sehingga hanya produsen besar yang dapat melakukannya.
Bagian super kecil dengan toleransi yang ketat juga sulit. Komponen cetakan mikro-medis seperti komponen kateter atau perangkat mikrofluida mendorong batas dari apa yang mungkin dilakukan. Anda berurusan dengan ukuran gerbang di bawah 0,3 mm, dimensi rongga diukur dalam sepersepuluh milimeter, dan kontrol proses yang memerlukan sistem umpan balik aktif. Tingkat penolakan bisa tinggi bahkan pada cetakan yang sempurna karena kontaminasi dalam jumlah kecil atau variasi proses dapat menyebabkan masalah.
Bagian dengan bagian yang sangat tebal tidak dapat dibentuk dengan baik karena waktu pendinginan dan bekas tenggelam. Apa pun yang melebihi ketebalan dinding 6-8mm mulai menimbulkan masalah. Bagian luarnya mendingin dan mengeras ketika bagian dalamnya masih cair, dan saat bagian tengahnya mendingin, ia menyusut, menarik permukaan luarnya ke dalam dan menciptakan bekas cekungan atau rongga. Kadang-kadang Anda dapat mengimbanginya dengan tekanan pengepakan dan waktu pendinginan yang lebih lama, tetapi itu selalu merupakan perjuangan. Lebih baik mendesain ulang bagian dengan rusuk atau bagian berlubang jika memungkinkan.
Bahan yang bukan termoplastik tidak berfungsi sama sekali. Termoset seperti resin epoksi atau fenolik memerlukan proses yang berbeda (pencetakan kompresi atau pencetakan transfer). Logam jelas tidak dapat dicetak dengan injeksi, meskipun cetakan injeksi logam (MIM) ada sebagai proses terkait untuk logam bubuk.
Ekonomi ketika Anda mencoba membuat keputusan
Untuk cetakan injeksi dalam jumlah rendah (di bawah 1000 bagian) biasanya tidak masuk akal kecuali Anda memerlukan sifat material tertentu atau penyelesaian permukaan yang tidak dapat Anda peroleh dengan cara lain. Biaya perkakas mendominasi biaya per-bagian pada volume rendah. Sebuah cetakan prototipe sederhana mungkin berharga $3.000-5.000, tetapi Anda menyebarkan biaya tersebut ke sejumlah kecil komponen.
Titik persilangan di mana pencetakan injeksi menjadi lebih murah dibandingkan proses lainnya bergantung pada kompleksitas dan ukuran komponen, tetapi biasanya berkisar antara 500-2000 unit. Di bawahnya, pencetakan 3D atau permesinan CNC cenderung lebih ekonomis. Di atas itu, cetakan injeksi menang.
Saya biasanya memberi tahu orang-orang untuk berpikir seperti ini: jika biaya perkakasnya $10.000 dan biaya pembuatan suku cadang masing-masing $0,50, Anda perlu membuat 20.000 suku cadang sebelum biaya-per komponen turun di bawah $1,00 ($10,000/20,000 + $0,50). Jika Anda hanya membutuhkan 1.000 komponen, biaya per-komponen sebenarnya adalah $10,50 ($10.000/1,000 + $0,50). Itu mengubah perhitungan sepenuhnya.
Volume produksi jutaan adalah tempat dimana cetakan injeksi benar-benar bersinar. Biaya-per bagian bisa turun ke tingkat yang tidak masuk akal-seperti $0,10-0,20 untuk suku cadang sederhana. Biaya perkakas diamortisasi pada banyak bagian sehingga tidak menjadi masalah. Inilah sebabnya mengapa produk konsumen sekali pakai hampir semuanya berupa pisau cukur, pulpen, botol, wadah, apa saja yang dicetak dengan cetakan injeksi. Margin berfungsi ketika setiap bagian memerlukan biaya yang cukup besar.
Ada lebih banyak aplikasi daripada yang saya bahas di sini (komponen furnitur, suku cadang peralatan, lensa optik, alat musik, mungkin ratusan kategori lainnya) tetapi itu adalah industri utama yang pernah saya tangani. Keserbagunaan proses inilah yang membuatnya begitu dominan-Anda dapat membuat komponen presisi 1 gram atau panel otomotif seberat 5 kilogram dengan teknologi dasar yang pada dasarnya sama, hanya saja ditingkatkan atau diperkecil.
Ada lebih banyak aplikasi daripada yang saya bahas di sini (komponen furnitur, suku cadang peralatan, lensa optik, alat musik, mungkin ratusan kategori lainnya) tetapi itu adalah industri utama yang pernah saya tangani. Keserbagunaan proses inilah yang membuatnya begitu dominan-Anda dapat membuat komponen presisi 1 gram atau panel otomotif seberat 5 kilogram dengan teknologi dasar yang pada dasarnya sama, hanya saja ditingkatkan atau diperkecil.
Jika Anda terjun ke bidang ini, luangkan waktu untuk memahami cara merancang bagian cetakan injeksi dengan benar karena strategi cetakan injeksi garis perpisahan mempengaruhi segala sesuatu di bagian hilir. Saya telah melihat terlalu banyak insinyur memesan komponen cetakan injeksi tanpa mempertimbangkan spesifikasi kosmetik dari komponen cetakan injeksi, kemudian mengeluh tentang biaya untuk komponen cetakan injeksi ketika diperlukan revisi. Cacat umum pada bagian cetakan injeksi biasanya disebabkan oleh masalah desain-seperti bagian cetakan injeksi yang tebal tanpa saluran pendingin yang tepat, atau mencoba cetakan injeksi bagian besar tanpa memahami cara kerja aliran material di rongga yang lebih besar. Keahlian yang dibutuhkan juga sangat bervariasi: suku cadang otomotif cetakan injeksi plastik menuntut pengetahuan yang berbeda dari cetakan injeksi untuk suku cadang penerbangan, dan proses khusus seperti suku cadang cetakan injeksi reaksi atau suku cadang cetakan injeksi logam merupakan keahlian yang sangat berbeda. Bahkan-masalah pemrosesan-anil komponen plastik cetakan injeksi dapat mengurangi tegangan sisa yang menyebabkan masalah lengkungan beberapa bulan setelah produksi. Apakah Anda sedang bekerja dengan dasarbagian cetakan cetakan injeksimenyiapkan atau mengevaluasi komponen plastik yang dihasilkan oleh operasi pencetakan injeksi, memahami dasar-dasarnya akan mencegah kesalahan yang mahal di kemudian hari. Teknologi ini tidak akan kemana-mana-komponen cetakan injeksi dan komponen cetakan injeksi plastik akan terus mendominasi manufaktur karena tidak ada produk lain yang memiliki skala seperti itu.