Эта серия статей предназначена для того, чтобы помочь формовщикам понять, как некоторые аналитические инструменты могут помочь в диагностике причин  брака при изготовлении детали.

С точки зрения затрат переход от металла к пластмассе шаг разумный. А вот стоит ли менять один пластмассовый материал на другой? Зачастую замена не имеет смысла из-за хлопот, связанных с приспосабливанием к другим эксплутационным характеристикам.

Недавно автору довелось работать над проектом по  преобразованию детали из алюминия, полученной литьём под давлением, в деталь из высокоармированного термопластического полиэфира, получаемую литьевым формованием. Затраты на изготовление детали снизились с $2.02 до $0.76, а это означает снижение на более, чем 60%. Здесь можно было бы получить и меньшие затраты при использовании термоотверждающегося полиэфира, если бы у конечного потребителя был более квалифицированный продавец для компонентов, производимых из термоотверждающихся материалов, но это уже совсем другая тема.

Если принять во внимание массу детали, и тот факт, что для производство предполагаемого объема партии придется создавать более одного гнезда, то получится, что последующее снижение затрат будет сравнительно небольшим, и что, скорее всего, это будет неудачное решение в том, что касается более низкозатратных  «эквивалентных» смол, более дешевого формования или же и того, и другого вместе взятых. И при том, что потенциально будет нанесен ущерб качеству продукта, возможное дополнительное снижение затрат, скорее всего, не превысит $0.15 по сравнению с исходной экономией в $1.26.

 Урок, который следует извлечь из этого, сводится к следующему: при постоянном поиске возможностей снижения затрат формовщики продуктов из пластмассы и их заказчики могут в наибольшей степени получить преимущества, если они заменят металл на пластмассу, чем если они будет разбирать на части те применения, которые они уже производят с применением пластмасс, пытаясь использовать другие, менее дорогие, пластмассовые материалы. Замена металла уже на протяжении многих лет оставалась вопросом, который был в центре внимания в отрасли по производству пластмассовых материалов. Многие поставщики высокоэффективных сырьевых материалов использовали этот подход к работе на рынке, еще с тех времен, когда золотой век развития химической промышленности расширил наш мир за пределы рынка товарных сырьевых смол. Но в настоящее время в отрасли наблюдается снижение интереса к этому стратегическому направлению удара, и большая часть деловой активности сосредоточена на получении снижения затрат за счет замены одного пластмассового материала другим для того, чтобы удержаться в низкозатратном сегменте рынка.

Все эти стратегические шаги осуществляются в соответствии с предсказуемыми сценариями. Во-первых, поскольку для детали уже создали инструментарий, разумным подходом представляется стремление заменить аморфный материал менее дорогим аморфным материалом или же полукристаллический материал менее дорогим полукристаллическим материалом. Распространенным переходом в области аморфных смол является переход от поликарбоната к сплаву ABS/PC, или, возможно, даже к просто ABS. В области полукристаллических материалов обычно осуществляется переход от найлона к полипропиленам. 

Хотя такой подход поначалу и может дать некоторые преимущества, это процесс, имеющий свои границы. Установлено, что, если параметры материала постоянно понижаются, то будет рано или поздно достигнута та грань, за которой деталь перестанет соответствовать требованиям. Такая возможность многократной повторной работы с уже существующим применением способствует в настоящее время вытеснению разработок новых продуктов, поскольку создается впечатление, что существует способ быстро сократить затраты без каких-либо капиталовложений в предварительные исследовательские работы. Если эта тенденция будет продолжать развиваться, компании могут утратить свой творческий потенциал и единственным способом снижения стоимости станет сокращение небольшого процента затрат для каждого применения год за годом.

Давайте посмотрим, как это делается

Типичный сценарий выглядит, примерно, следующим образом: поликарбонатное применение предназначено для снижения цен. Здесь выходом может быть просто привлечение поставщика поликарбоната, который предлагает более выгодные ценовые условия для материала. Это позволит удовлетворить потребности в области сокращения затрат на следующий финансовый год. Но в следующем году будут ставиться новые задачи по сокращению затрат, и применение будет рассматриваться снова. На этот раз снабженцы обнаружат, что сплавы ABS/PC являются менее затратными материалами, чем чистый поликарбонат. Эту информацию можно получить от поставщика материала, формовщика детали или же из какого-либо независимого исследования цен на смолы, которое проводилось самими закупающими компаниями. Процесс квалификации продолжается, и этого может быть достаточно или же недостаточно для того, чтобы выявить все возможные недостатки  нового материала. Если новый материал пройдет все внутренние испытания, продукт будет использоваться в производстве, и решение относительно разумности нового выбора будет принимать уже рынок.

 А теперь перенесемся быстренько на 18 месяцев вперед к моменту создания нового обзора по снижению затрат. В отделе снабжения пластмассовыми материалами появился новый агент по закупкам, и в условиях, когда ему задается вопрос, а что Вы в последнее время сделали для компании, самое время забросить ведро в колодец и извлечь новое снижение затрат еще на 3-5%. На этот раз принимается решение попробовать ABS. И снова, рассматриваются образцы деталей, проводятся измерения и испытания, и новое поколение продукции выпускается на рынок. Этот цикл может даже повторяться вновь и вновь за счет попыток заменить ABS ударопрочным полистиролом. На каждой ступеньке лестницы семейства материалов могут осуществляться длительные обсуждения с многочисленными поставщиками для того, чтобы получить наилучшие цены. Скорее всего, придется также вести переговоры с многочисленными формовщиками при попытках найти Священный Грааль для формования качественных деталей при практически нулевых затратах.

Хотя вся эта процедура и может создать в компании атмосферу занятости и высокой производительности, следует рассмотреть, что это даст, даже если предположить, что все пройдет прекрасно на каждом этапе процесса. Давайте рассмотрим некоторые цифровые данные для этого процесса, используя ту деталь, о которой рассказывалось в начале статьи. Исследования показывают, что затраты на сырьевой материал составляют почти 50% от продажной цены средней формованной детали. Предположим, что наша деталь типовая, и поэтому $0.38 из каждых $0.76 за деталь приходится на долю полиэфира PET. Предположим, что продажная цена сырьевого материала $2.15/фунт. Сценарий снижения затрат начинает развиваться с момента, когда кто-то находит полиэфир PBT с тем же количеством стекловолокна за $1.90/фунт, и снижением цены до $0.715, или примерно на 6%.

У PBT всего около 60% от модуля PET, поэтому продукт способен проявлять большую гибкость при применяемых нагрузках, связанных со сборкой и использованием в полевых условиях. Появляется также большее количество хрупких деталей, которые оседают на сборочной линии. Имеются также данные, собранные на основе жалоб покупателей, что некоторое количество хрупких деталей попало также в условия полевой эксплуатации. Повышенная хрупкость не связана с присущими от природы свойствами PBT. У двух полиэфиров сопоставимая пластичность. Тем не менее, PBT более чувствителен к термической деградации в процессе обработки, и для него требуется более узкое окно для температур расплава.

Если эти технологические параметры не соблюдаются, смола утрачивает свою природную жесткость. (Кстати, никакие затраты, связанные с убытками на сборочной линии или затратами на обслуживание заказчиков и гарантийное обслуживание, возникающие при замене продукта, не сопоставимы с экономией, которую дает замена материала).

 Тем временем, кто-то находит данные по найлону 6/6, который обладает такой же жесткостью, что и изначально используемый PET, но ударопрочность у него выше. Он продается по $1.75/фунт, и у него более низкий относительный удельный вес (на 12%), поэтому та часть затрат на деталь, которая относится к материалу, снижается еще на $0.06, что снижает цену на деталь до $0.655. Но после того, как деталь попадает в условия полевой эксплуатации, конечный потребитель обнаруживает, что критические размеры и модуль детали, которые слегка увеличиваются, становясь практически равными параметрам для PET, в отформованном виде, снижаются до такой степени, что становятся ниже, чем у PBT, который он заменил. Эти явления, разумеется, связаны с воздействием влагопоглощения.

В конце концов, кто-то натыкается на золотую жилу при просмотре базы данных:  50% полипропилен с непрерывным стекловолокном, который восстанавливает модуль исходного материала, не впитывает влагу с последующим изменением свойств и размеров, и с ценой $1.48/фунт, этот материал также уменьшает массу детали еще на 7%. К сожалению, у детали, произведенной из этого материала,  имеется тенденция к короблению высокой степени, что, в результате, дает большую продолжительность цикла, а это уменьшает экономию затрат до всего лишь $0.02 или дает конечные затраты $0.635.

 Кроме того, литниковые отверстия и литники в пресс-форме никогда не были предназначены для длинного стекловолокна, поэтому без ведома формовщика и конечного потребителя большого улучшения эксплуатационных характеристик за счет использования стекловолокна не происходит, поскольку ограничивающие пути потоков в пресс-форме вызывают существенное уменьшение длины волокон стекловолокна. А из-за этого создается избыточная деформация.

Прекратить перераспределение компонентов

Читая обо все этом, Вы можете подумать, что такое течение событий маловероятно. Но именно так зачастую все и происходит, поскольку проекты постоянно  пересматриваются для получения дополнительного уменьшения затрат. Кроме того, надо принять во внимание всю дополнительную работу, связанную с такими пересмотрами. Надо рассмотреть образцы пресс-форм, проверить и измерить детали, а сборки, которые будут содержать новые детали, должны быть испытаны в соответствии с протоколами, сложность которых зависит от требований, предъявляемых отраслями, для которых изготавливается применение. В некоторых случаях, потребуются изменения инструментов для того, чтобы привести детали в соответствие с чертежами, или же может потребоваться изменение чертежей для того, чтобы они могли отражать размеры новых деталей.

С учетом всех этих усилий относительная выгода будет незначительной по сравнению с экономией первоначальных затрат, которая будет получена за счет перехода с металла на пластмассу. Стремление превратить все в товарное применение имеет и еще один недостаток для формовщика. Поскольку выбирается материал более низкой марки, квалификация, необходимая для формования детали, также становится ниже точки экономической целесообразности. Необходимо очень большое искусство при обработке для того, чтобы постоянно формовать качественные детали из PET и PBT полиэфира. Значительно большее количество обработчиков способно работать с полипропиленом, поэтому и конкурентное поле автоматически расширяется.

Существует серьезная проблема, связанная с продолжением продвижения пластмассы на рынок замены металла. Пластмассовые материалы существенно отличаются от металлов, как присущими от природы кратковременными свойствами, так и тем, как они реагируют на воздействие на применение температуры, времени и нагрузки.

Для металлов также возможен уровень стандартизации, которого не существует в пластмассовой отрасли. Когда кто-то указывает «алюминий 380», имеется четкий набор спецификаций, который контролирует номинальные уровни различных компонентов в сплаве, и допустимые отклонения от этих номинальных параметров. Но в отрасли по производству пластмасс Вы можете взять образцы 10 различных найлонов 6/6 с одной и той же заявленной концентрацией стекловолокна, и получить значительные отклонения эксплуатационных характеристик из-за различий в параметрах, таких как молекулярная масса и распределение молекулярной массы полимера, длина стекловолокна и типы добавок, которые используются в составе компаундов.

В пластмассовой отрасли мы неодобрительно отзываемся о «металлической ментальности». Этот термин обычно используют, чтобы охарактеризовать кого-то, кто вполне доволен эксплуатационными характеристиками металлов, и не выказывает намерений исследовать или использовать преимущества пластмасс. Но представьте себе человека, который осуществляет выбор материала, выбирая между металлом и пластмассой с помощью точно такого же сопоставления перечня данных, какое мы описывали выше. Так, например, у алюминия модуль 10 миллионов фунтов на кв. дюйм. Вы можете просмотреть множество баз данных, посвященных пластмассовым материалам, и не найти пластмассы даже с половинным значением жесткости. Очевидно, что, если бы речь шла просто о сопоставлении свойств, у отрасли по производству пластмасс  не было бы достигнутых ей в прошлом успехов. Но стоит все же продолжать убеждать тех, кто привык работать с более традиционными материалами, в том, что достоинства пластмасс стоят того, чтобы их рассматривать, нам надо воспитывать и образовывать рынок. 

Нам также необходимо самим изучать основы поведения пластмассовых материалов. Люди, которые работают с металлами, привыкли, что у них есть надежные данные, на основании которых они могут принимать инженерные решения. Когда же они обращаются к тем информационным ресурсам, которые имеются по пластмассам, они бывают поражены тем, как мало нам известно. Именно отсутствие знаний и является причиной того, что путь выбора материала бывает таким извилистым, как мы описали в нашем исследовании чисто теоретического случая. Очень часто мы не в состоянии с какой-либо степенью вероятности предсказать  результат перехода с использования полиэфира на использование найлона, а затем и на использование полипропилена, поскольку у нас просто нет надежных данных, на основании которых это можно было бы сделать.

Во второй части статьи мы рассмотрим традиционный подход к выбору пластмассового материала, затем приведем примеры отсутствия информации, и объясним, как восполнить существующие пробелы. Хорошие новости заключаются в том, что мы знаем, как получить информацию, необходимую для принятия информированных решений. А это необходимо сделать, если мы хотим продолжать искать возможности сохранения рентабельности отрасли, и не допустить того, чтобы скатиться к ситуации, в которой мы будем истреблять себе подобных в тщетной попытке избежать вымирания.

www.newchemistry.ru