הזרקה לתבנית הינה שיטת היצור הנפוצה ביותר בתעשיית הפלסטיק, שיטת יצור זו פותחה במשך השנים מתהליך יציקה לתבנית ועד לשלב של בניית מכונת ההזרקה הראשונה סביב שנת 1930. בשונה ממתכות המותכות ועוברות תהליך של יציקה לתבנית, התך פולימרי מתאפיין בצמיגות גבוהה אשר מקשה על תהליך יציקה לתבנית בצורה פשוטה. בשיטת ההזרקה ההתך הפולימרי מוזרק אל תוך תבנית, בשלב הזרקת הפולימר אל תוך חלל התבנית נדרש להשקיע כוח גדול. לצורך כך, נדרשות מכונות שמסוגלות להפוך את שרף הפולימר למצב של התך ולהזריקו בלחץ גבוהה לתבנית מעוצבת. יכולות התכנון בתהליך ההזרקה נרחבת, ניתן לייצר מוצרים מורכבים בעלי שלושה מימדים בנוסף לשליטה ודיוק במשך התהליך.
מכונות ההזרקה והציוד הקיים בתחום נרחב ומגוון, קיימות מספר סוגי מכונות אשר נבדלות בניהם בשיטת הערבוב, התכת חומר הגלם והזרקתו לתבנית. ההבדלים בין סוגי המכונות מתבטאים בטווח מידות המכונה, כוח הסגירה של היחידה שאחראית על נעילת התבנית, תפוקת המכונה וסוג הבורג וייעודו.
איכות החלק בתהליך ההזרקה תלוי במספר משתנים, מכונת ההזרקה, תכונות החומר ותכנון החלק. יחד עם זאת, איכות המוצר תלויה באופן מכריעה בחמישה פרמטרים נוספים בעלי חשיבות הניתנים לשינוי במשך תהליך ההזרקה. מהירות ההזרקה, טמפרטורת הפלסטיק, הלחץ בתהליך, טמפרטורת הקירור וזמן התהליך. השליטה על חמשת הפרמטרים הללו במשך כל אחד מארבעת שלבי התהליך עשויה להביא לקבלת חלק איכותי יותר ובנוסף לאחידות טובה יותר בתהליך. השאיפה בשיטת יצור זו, להוריד את כמות השונות בין החלקים לאורך התהליך ובמקביל להגדיל את תפוקת הייצור.
מכונת ההזרקה מחולקת לשני חלקים ראשיים יחידת ההזרקה ויחידת הסגירה.
יחידת ההזרקה
תפקיד יחידת ההזרקה מתחלק לשני חלקים, חימום השרף הפולימרי והזרקה לתבנית. לאחר שהשרף נכנס ליחיד ההזרקה הוא מתחיל בשלב של חימום וגזירה המתבצעים במקביל. פעולת החימום נעשית באמצעות יחידות חימום הנמצאות לאורך כל יחידת ההזרקה, פעולת הגזירה מתבצעת כתוצאה מחיכוך הנוצר במשך התקדמות השרף לאורך הקנה על ידי סיבוב הבורג. בשלב מסוים השרף הפולימרי עובר ממצב מוצק למצב של התך, במצב זה ניתן להזריקו אל התבנית. הזנת השרף ליחידת ההזרקה מתבצע באמצעות מיכל הזנה (הופר) המחובר בקצה הקנה.
יחידת הסגירה
תפקיד יחידת הסגירה לדאוג לסגירת התבנית ולהחזיקה במצב סגור, בכוח גבוהה כדי לעמוד בכוחות שמתפתחים במשך זמן הזרקת השרף לתבנית. בסיום תהליך לדאוג לפתיחת התבנית וסגירתה שוב להזרקת מוצר נוסף. קיימות שני סוגי יחידות סגירה, האחת נקראת "טוגל", פועלת על עקרון של בריח והשנייה הידראולית המופעלת באמצעות בוכנה הידראולית.
הבורג
תפקיד הבורג, להתיך ולהעביר את השרף הפולימרי מנקודת ההזנה בתחילת הקנה אל המאגר שנמצא בסוף הקנה הנקרא אזור המטרינג לפני ההזרקה לתבנית. התכת השרף מתבצעת על ידי פעולה משולבת של חימום השרף וגזירה כתוצאה מחיכוך. קיים מספר רב של סוגי ברגים במתאפיינים בגיאומטריה ובאורך שונים הנקבעת בהתאם לסוג התהליך ולחומר הגלם.
חומרים
סוג החומר ניתן לבחירה מתוך מגוון רחב של חומרי פלסטיק הקיימים בתעשייה ומיועדים לתהליך הזרקה, סוג החומר נבחר בהתאם לתכנון תהליך הייצור והדרישות שחלק עמוד לעמוד בהם. סוג חומר הגלם משפיע באופן ישיר על הפרמטרים בתהליך הייצור, לרוב כאשר ישנו שינוי בחומר הגלם נדרש להתאים את התהליך מחדש, לעיתים גם כאשר מדובר בחומר גלם מאותה משפחה.
תאור ארבעת שלבים מרכזיים בתהליך ההזרקה:
שלב 1- שלב המילוי, תנועת הבורג/בוכנה קדימה הגורמת לזרימת הפלסטיק אל תוך התבנית. אופי הזרימה נקבע על ידי טמפרטורת ההתך, הלחץ, וקצב הגזירה. מהירות הזרימה נקבעת בהתאם לתנועת הבורג, אשר הינו ערך קריטי במשך זמן מילוי התבנית. חומר הגלם זורם ביתר קלות כאשר מהירות ההזרקה גודלת. למרות זאת מהירות הזרקה גבוהה מערך מסוים עלולה לגרום לקצב גזירה מוגזם ולתוצאות כמו התפשטות ופריצות. במקרים חמורים יותר קצב גזירה גבוהה יכול לגרום להרס והתפרקות הפולימר.
צורת זרימת החומר במשך מילוי התבנית מושפעת מצמיגות החומר או ההתנגדות של החומר לזרימה, פולימרים אשר מתאפיינים בצמיגות גבוהה סמיכים וזורמים בצורה קשה, פולימרים בעלי צמיגות נמוכה דלילים וזורמים בצורה קלה. טמפרטורת ההתך משפיעה באופן ישיר על הצמיגות תוצאת הזרימה הטובות ביותר מתקבלות בטווח הטמפרטורות המומלץ ע"י היצרן.
שלב 2 – האריזה, חומר הפלסטיק המותך נדחס אל תוך התבנית כאשר חומר נוסף מתווסף על מנת לפצות על התכווצות החומר שמתחילה במשך זמן הקירור (בתלות בסוג הפולימר). ניתן לומר באופן מקורב ש- % 95 מחומר הגלם נכנס לתבנית במשך שלב המילוי וה – % 5 הנותרים מוספים בשלב האריזה. משתנה הלחץ הינו הגורם הראשוני במשך שלב האריזה, הבורג שומר על ערך של לחץ המופעל על ההתך לצורך פיצוי הנוצר מאפקט ההתכווצות ולמנוע מצב של היווצרות שקעים ובועות בחלק. שינוי בלחץ התבנית הינו הגורם העיקרי להיווצרות סטיות החלק.
שלב 3 – אחיזה, הינו השלב המושפע מכל חמשת המשתנים שתוארו מוקדם יותר, מהירות ההזרקה, טמפרטורת ההתך, הלחץ, טמפרטורת הקרור והזמן. לאחר שלב האריזה הפלסטיק מוחזק בתוך התבנית עד לשלב בו הוא מתחיל להתמצק באופן חלקי בשלב זה אזור כניסת ההתך לתבנית קופא. הירידה בפרמטר הלחץ לפני הזמן המתאים עשויה להשפיעה באופן ישיר על נתון ההתכווצות המתרחש בזמן הקרור, לכן בשלב זה נדרש להגיע לזמן אופטימאלי כדי לשמר את המידות ומשקל החלק.
שלב 4 – קירור ופלסטיקציה, הינו השלב הארוך ביותר במשך מחזור תהליך ההזרקה. שלב בו מתרחשות שתי פעולת במקביל קרור והכנת מנת חומר חדשה להזרקה. קירור אופטימלי של החלק יכול להשיג רווחים ניכרים מההיבט היצרני. המשתנים היחידים הרלוונטים במשך זמן הקרור הם הזמן וטמפרטורת הקרור הסיבה לכך היא שכניסת התבנית אטומה. זמן קרור אופטימאלי מתקבל על ידי איזון בין מהירות הקרור הקצרה ביותר הניתנת להגעה ולמאמצים שהחלק מסוגל לסבול ולעמוד בהם מבלי לפגוע באיכות.
יתרונות וחסרונות בשיטת ההזרקה
יתרונות
– מהירות ייצור גדולה.
– איכות מוצר גבוה, רמת גימור כמעט מלאה.
– יכולת להגיע למוצרים בעלי עיצוב מורכב.
– סטיות נמוכות במשך התהליך.
– מגוון רחב של חומרים הניתנים לשימוש.
חסרונות
– ציוד יקר הדורש השקעה גדולה.
– עלות יצור גבוה, יורדת ככול שהכמות עולה.
– תכנון מוצר מורכב.