Insert molding ir IME formuojama elektronika - išmanieji komponentai 2025

Įvadas į insert molding

Insert molding ir In-Mold Electronics (IME) yra technologijos, leidžiančios plastikus sujungti su metalu, keramika ar spausdintomis grandinėmis per vieną liejimo ciklą. Dėl jų gamintojai gauna kompaktiškesnių, lengvesnių ir funkcionalių komponentų automobilių, medicinos technologijų, buitinės technikos ir vartotojų elektronikos gamybai. Vietoj daugelio etapų montavimo, liejimo mašina su robotu tiksliai pozicionuoja įdėklą ir jį užpildo plastiku, užtikrindama tvirtą jungtį ir visišką atsekamumą.

Straipsnis apima visą insert molding ekosistemą: nuo formų ir griebtuvų projektavimo, per robotų integraciją, iki tiesioginės kokybės kontrolės ir MES sistemų. Parodome, kaip liejimo mašinos Tederic Neo palaiko IME/ IMD projektus naudodamos Euromap sąsajas, atsekamumo modulius ir prediktyvinę priežiūrą.

Vis didesni OEM klientų reikalavimai ir trumpėjantys produktų gyvavimo ciklai verčia insert molding matyti kaip strateginį įrankį. Jis leidžia kurti modulius „plug-and-play“, kuriuos galima nedelsiant panaudoti surinkimo linijose, mažinant tiekėjų ir transportavimo skaičių. Energetinės transformacijos ir didėjančios produktų personalizacijos laikotarpiu galimybė lanksčiai perprogramuoti darbo vietą naudojant robotus ir skaitmenines receptūras yra tokia pat svarbi kaip ir pati liejimo technologija.

Diegiant insert molding verta mąstyti apie visą produktų gyvavimo ciklą: nuo prototipavimo iki aptarnavimo ir perdirbimo. Dėl to jau projektavimo etape galima numatyti demontavimo, metalo atgavimo ar elektronikos atnaujinimo reikalavimus, kas mažina aplinkosauginį pėdsaką ir padeda įgyvendinti ESG tikslus.

Kas yra insert molding ir IME?

Insert molding yra procesas, kai į liejimo formą įdedamas įdėklas (metalinis, elektroninis, tekstilinis), o po to užpildomas termoplastiniu lydiniu. Susidaro monolitinis komponentas, kuriame įdėklas atlieka mechaninę, elektrinę ar dekoratyvinę funkciją. IMD (In-Mold Decoration) prideda grafikos sluoksnį, o IME (In-Mold Electronics) naudoja spausdintas laidžias folijas ir SMD elementus, montuojamus ant lanksčių grandinių. Proceso rezultatas – protingi jutikliniai paneliai, HMI sąsajos ir jutiklinės struktūros.

Labai svarbus tikslus įdėklo pozicionavimas ir sandarus jo apsupimas plastiku. Liejimo mašinos Tederic dirba su robotais SCARA , antropomorfiniais arba karteziniais, kurie tieka įdėklus iš vizualinių sandėliukų. Procesą valdo PLC sekos, o duomenys apie įdėklų partijų numerius ir liejimo parametrus įrašomi į atsekamumo sistemas.

IME projektuose papildoma problema yra apsaugoti jautrius elektronikos elementus nuo temperatūros ir įtempimų. Todėl naudojami daugiažingsniai liejimo profiliai, formos vakuuminė kontrolė ir folijoje esantys spaudimo jutikliai. Liejimo mašina ne tik atlieka procesinį ciklą, bet ir bendrauja su testavimo sistema, kuri po ciklo patikrina takelių varžą ir jutiklių funkciją.

Technologijos raidos istorija

Insert molding atsirado 50-aisiais, kai elektronikos gamintojai norėjo uždaryti laidus į ABS . Pirmosios instaliacijos naudojo rankinį elementų dėjimą ir paprastas formas. 80-aisiais buvo įvesti pick&place robotai ir vizualinės sistemos, kas padidino pasikartojamumą ir leido naudoti daugiagūžes formas. 90-ųjų IMD/IML raida leido pridėti dekoracijas ir funkcinius sluoksnius be papildomo dažymo.

Lūžio tašku tapo lanksčių grandinių su spausdintais laidžiais takeliais atsiradimas. Įmonės pradėjo projektuoti jutiklinius panelius ir valdiklius vienos liejimo operacijos metu. 2018 m. Tederic pristatė „Smart Insert“ paketą, kuris leidžia sinchronizuoti roboto, liejimo mašinos ir vizualinių sistemų darbą, taip pat įrašyti parametrus į debesį. Šiuo metu insert molding yra Industry 4.0 fabrikų atrama – duomenys iš formos jutiklių realiu laiku patenka į MES sistemas, palaikydami SPC analizes ir prediktyvinę priežiūrą.

Pastaraisiais metais atsirado ir virtualūs insertų darbo vietų dvyniai. Jie leidžia testuoti skirtingas robotų trajektorijas ir modeliuoti susidūrimo riziką dar prieš fizinės celės statybą. Dėl to galima sutrumpinti paleidimo laiką nuo kelių savaičių iki kelių dienų ir geriau paruošti operatorius naudojant VR mokymus. Tai žymiai sumažina investicijų kaštus ir mažina įrankių pataisų skaičių.

Insert molding tipai

Praktikoje sutinkami keli šios technologijos variantai:

• Rankinis insert molding – operatorius įdeda įdėklą į formą, o mašina įpurškia plastiką. Reikalingi paprasti įrankiai ir naudojami mažose serijose.
• Robotuotas insert molding – robotas paėmė įdėklus iš sandėlio, atlieka vaizdo patikrą ir padeda juos į lizdus. Užtikrina aukštą pasikartojamumą ir partijų atsekamumą.
• Daugiamedis insert molding – sujungia įdėklų įpurškimą su kitais etapais, pvz., 2K įpurškimu, IMD arba LSR užliejimu.
• IME – specialus variantas, kai įdėklas yra funkcinė folija (su laidžiais sluoksniais, sensoriais, LED diodais), formuojama trimis matmenimis.

Teisingas lizdo, įdėklų tvirtinimo sistemos ir robotų sekos suprojektavimas yra labai svarbus proceso saugumui. Tederic įpurškimo mašinos siūlo Euromap 67 /77 sąsajas, kurios palengvina komunikaciją su robotais, o Smart Insert moduliai stebi pasukamojo stalo padėtį, įdėklų temperatūrą ir jutiklių būsenas.

Pažangesniems tikslams naudojami daugiaaukščiai įdėklų sandėliai, paviršiaus aktyvavimo plazmos stotys arba ultragarsinis įdėklų valymas prieš įdedant juos į formą. Kiekvieną šių etapų galima valdyti iš HMI įpurškimo mašinos lygio, o duomenys perduodami į MES sistemas, kad būtų išsaugotas pilnas proceso įrašas.

Insert molding automobilių pramonėje

Automobilių pramonėje insert molding naudojamas jungtims, sensoriams, perjungėjams ir HMI panelėms gaminti. Šie elementai turi atitikti IATF 16949 standartus, PPAP ir aplinkosaugos reikalavimus (temperatūra, vibracijos, cheminės medžiagos). Dažniausiai įdėklai yra varinės šinų, kontaktai, plieniniai elementai arba dekoratyvinės folijos.

Automobilių linijos veikia 24/7, todėl svarbus patikimumas. Robotai uždeda įdėklus, o jėgos jutikliai patvirtina jų buvimą. Tada vaizdo sistema patikrina montavimo teisingumą. Dėka Euromap 77 duomenys patenka į SPC sistemą, o esant nuokrypiui, sugeneruojamas įspėjimas. Insert molding leidžia sumažinti montavimo operacijų skaičių net 40% ir sutrumpinti ciklo laiką iki 30–40 s HMI panelėms.

Nauja tendencija yra insert moldingo integracija su elektriniais testais 100% gaminamose detalėse. Po įpurškimo robotas nukreipia elementą į ICT stotį, kur tikrinami elektriniai signalai ir LIN/CAN komunikacija. Rezultatai patenka tiesiai į atsekamumo sistemą, kas palengvina PPAP ir kokybės ataskaitų reikalavimų tenkinimą.

IME ir vartojimo elektronika

IME revoliucionuoja vartojimo elektronikos ir premium buitinės technikos projektavimą. Spausdintos folijos PET su laidžiais takeliais ir sensoriais gali būti termoformuojamos, o tada į jas įpurškiamas plastikas, sukuriant trimačius interfeisus. Tai leidžia projektuoti jutiklinius panelius su integruotais kapacitiniais mygtukais, apšvietimu ir dekoracija viename žingsnyje.

Procesas reikalauja kelių technologijų bendradarbiavimo: šilkografijos, lazerinio pjaustymo, SMD montavimo, formavimo ir įpurškimo. Tederic įpurškimo mašina sinchronizuoja pasukamojo stalo pavara su robotu, kad išvengtų įtempimų folijoje. Formoje montuojami slėgio ir temperatūros jutikliai, kurie apsaugo subtilius takelius nuo pažeidimų. Duomenys archyvuojami atsekamumo sistemoje, dėka kiekviena partija panelių turi savo „skaitmeninį pasą".

IME taip pat leidžia integruoti NFC antenas, šviesos sensorius arba haptinius elementus. Dėka to gamintojai „wearables“ gali kurti lenktus panelius, kurie reaguoja į lietimą, tuo pačiu išlaikydami IP67 sandarumą. Tam reikalingas griežtas formų projektavimas ir bendradarbiavimas su folijų tiekėjais, kurie pateikia tempimo profilius ir laidumo duomenis po formavimo.

Insert molding medicinos technologijose

Medicinoje insert molding leidžia kurti hibridinius komponentus: metalinius strypus, sujungtus su biologiškai suderinamu plastiku, implantų lizdus ar vienkartinius elementus su elektroninėmis funkcijomis. Procesas turi atitikti ISO 13485 standartus, o tai reiškia pilną validaciją ir švarią gamybos aplinką.

Dažniausiai naudojami chirurginio plieno įdėklai arba slėgio jutikliai, o plastikas yra PEEK , PPSU arba LSR . Reikalinga UDI identifikacija, todėl robotai ir vaizdo sistemos skenuoja kodus, o duomenys patenka į eDHR . Visas procesas stebimas – formos temperatūros, suspaudimo jėgos ir įdėklų padėties jutikliai archyvuojami ir analizuojami SPC sistemose.

Medicinos technologijos naudoja insert molding ir vienkartiniuose produktuose, tokiuose kaip saugumo adatos ar infuzijų rinkiniai su NFC lustais. Tai leidžia sekti partijas ir užtikrina klinikinių duomenų integralumą. Švariose patalpose (ISO 7 /8) robotai bendradarbiauja su laminar flow, kad išvengtų kontaminacijos, o visi griebtuvų elementai pagaminti iš medžiagų, lengvai sterilizuojamų.

Gniazdo: struktura i główne elementy

Komórka insert/IME susideda iš liejimo mašinos, roboto, įdėklų saugyklų, vizualinės sistemos, formos su jutikliais bei pagalbinių įrenginių (pvz., plazminio paviršiaus paruošimo stočių). Liejimo mašinos Tederic Neo siūlo besisukančius stalus, judančias indeksines plokštes arba šonines įdėklų įvedimo sistemas. Viskas priklauso nuo komponento tipo ir reikalingų lizdų skaičiaus.

Euromap elektroniniai interfeisai užtikrina saugų ryšį su robotu: handshake signalai, padėties patvirtinimas ir klaidų informacijos perdavimas. Dėl to galima programuoti sudėtingas sekas: formos atidarymą, roboto įvažiavimą, vizualinę kontrolę, pūtimą oru, formos uždarymą ir liejimo startą.

Papildomi moduliai apima paviršiaus paruošimo stotis (plazma, karūna), kurios pagerina plastiko adheziją prie folijos ar metalo. Kai kuriuose lizduose montuojami ir įrenginiai laidžių pastų ar apsauginių lakų dengimui. Visus šiuos įrenginius galima valdyti iš viršinio SCADA lygmens, o jų parametrai įrašomi kartu su liejimo duomenimis.

Robotinė sistema ir pozicionavimas

Robotas yra insert molding komandos širdis. Jis turi tiksliai pozicionuoti įdėklus, dažnai su ±0,05 mm tolerancijomis. Priklausomai nuo aplikacijos, naudojami robotai tipo „cartesian“, SCARA, Delta arba antropomorfiniai. Kiekvienas griebtuvas turi buvimo jutiklius, vakuuminę sistemą arba elektromagnetus. Svarbu apsaugoti ESD elektroninius komponentus, todėl griebtuvai gaminami iš laidžių medžiagų.

2D/3D vizualinės sistemos kontroliuoja įdėklų orientaciją ir folijos paviršių. Aptikus klaidą, robotas nukreipia elementą į taisymo ar atmetimo stotį. Integruojant su Tederic PLC, galima kurti receptūras, kuriose yra judėjimo parametrai, TCP taškai ir offsetai. Sekos įrašomos į atsekamumo sistemą, kuri palengvina auditus ir linijos perkonfigūravimą.

Pažangiose aplikacijose naudojami jėgos / sukimo momento (force torque) jutikliai, leidžiantys robotui adaptatyviai prisitaikyti prie įdėklo spaudimo. Tai ypač svarbu trapiems komponentams, pvz., keraminiams slėgio jutikliams. Robotas taip pat gali atlikti papildomas funkcijas – pvz., lazerinį suvirinimą ar etikečių montavimą – kas sumažina stotelių skaičių visoje gamykloje.

Forma, jutikliai ir kontrolė

Formos insert molding turi specialius lizdus su tvirtinimo mechanizmais, kurie stabilizuoja įdėklą. Paprastesniuose sprendimuose naudojami magnetai arba spyruokliniai išstūmėjai, o pažangiuose – aktyvios spaudimo sistemos, valdomos hidrauliškai arba elektriškai. Formoje montuojami temperatūros, slėgio ir padėties jutikliai, taip pat vizualinės sistemos įdėklo buvimui kontroliuoti.

IME projektuose forma turi vakuuminio slėgio kanalus, kurie prispaudžia foliją prie lizdo paviršiaus. Papildomai naudojami atsparumo jutikliai, kurie stebi, ar laidžios takos nėra nutrūkusios. Duomenys iš jutiklių siunčiami į mašinos valdiklį ir archyvuojami, kas palaiko priežasčių analizę (root cause analysis).

Įrankių konstruktoriai taip pat planuoja greito įdėklų keitimo sistemas. Dėl to per kelias valandas galima pakeisti produkto versiją ar spalvų variantą. Formos aprūpintos daugkartiniais jungtimis jutiklių, šildymo sistemų ir vakuuminės sistemos maitinimui, kas supaprastina montavimą ir aptarnavimą.

Pagrindiniai techniniai parametrai

Insert molding reikalauja daugelio kintamųjų kontrolės: įdėklų temperatūros, spaudimo jėgos, liejimo greičio, slėgio ir aušinimo laiko. Nedideli nuokrypiai gali sukelti įdėklų poslinkius, terminius tiltelius ar įtrūkius. Svarbiausios rodiklės:

• Įdėklo temperatūra: 40–120°C priklausomai nuo medžiagos – įtakoja adheziją ir įtempimus.
• Įdėklo spaudimas: stebimas jėgos jutiklių; nepakankamas spaudimas sukelia plastiko nuotėkius.
• Liejimo greitis: profilis pritaikytas, kad nepažeistų elektronikos.
• Spaudimo slėgis: 600–2000 bar; valdomas sekvencingu, ypač IME atveju.
• Aušinimo laikas: optimizuotas tolygiam šilumos nuvedimui nuo įdėklo.

Tederic Smart Insert sistemos analizuoja slėgio kreives realiu laiku ir jas palygina su šablonais. Aptikus nuokrypį, automatiškai paleidžiamas aliarmas, sustabdomas robotas arba žymima išspauda kontrolei. Dėl to atmetimo rodiklis (scrap rate) gali sumažėti net 30%.

Taip pat verta stebėti aplinkos temperatūrą ir įdėklų saugyklos drėgnumą – ypač IME folijų ir elektroninių komponentų atveju. Klimato duomenys gali būti loginiai susieti su proceso parametrais, kas padeda aiškinti galimus nuokrypius. HMI sistemoje sukuriama dashboard'ai, jungiantys duomenis iš mašinų, robotų ir testavimo stočių.

Insert moldingo panaudotis sritis

Technologija plačiai taikoma įvairiose pramonės šakose:

• Automobilių pramonė: jungtys, HMI plokštės, radarų rėmai, ADAS elementai.
• Medicinos technologijos: implantų lizdai, adatos su dangteliais, chirurginiai instrumentai.
• Elektronika: soft-touch mygtukai, jutikliniai skydeliai, nešiojamųjų įrenginių moduliai.
• Buitinė technika: valdymo plokštės, premium rankenėlės, dekoratyviniai elementai.
• Aviacijos pramonė: aukšto stiprumo jungtys ir struktūriniai jutikliai.

Kiekvienu atveju insert molding sutrumpina tiekimo grandinę, nes galutinis komponentas iš lizdo išeina visiškai sumontuotas. Tai palengvina atsargų valdymą, sumažina tiekėjų skaičių ir paspartina konstrukcinių pakeitimų diegimą.

Atsinaujinančios energijos sektoriuje technologija naudojama jutiklių ir jungčių gamybai vėjo jėgainėms ar energijos kaupimo sistemoms. Dėl atsparumo vibracijoms ir IP67 sandarumo insert molding užtikrina ilgą komponentų, dirbančių sudėtingomis aplinkos sąlygomis, tarnavimo trukmę.

Kaip pasirinkti insert/IME liniją?

Pasirinkimas turėtų būti pagrįstas produkto, apimčių ir kokybės reikalavimų analize. Pagrindiniai žingsniai:

• Įdėklų tipų (metalo, elektronikos, plėvelių) ir montavimo tolerancijų nustatymas.
• Suderinamosios preso (uždarymo jėga, vienetų skaičius, besisukantys stalai) ir robotų parinkimas.
• Formos, laikiklių ir įdėklų saugyklų projektavimas.
• Vaizdinių sistemų, jutiklių ir atsekamumo integracija (pvz., UDI, DataMatrix, RFID).
• Proceso validacija ir SPC stebėsenos planas.

Tederic rengia Application Engineering dirbtuves, kurių metu sukuriamas skaitmeninis dvynys lizdo. Simuliuojamos robotų trajektorijos, analizuojamas ciklo laikas ir identifikuojami susidūrimų taškai. Dėl to mažėja diegimo rizika, o tikrieji paleidimai trunka trumpiau.

Taip pat verta parengti išsamų validacijos planą, apimantį formos kvalifikaciją (FOT ), įdėklų vienetinius testus, jungčių kontrolę ir aplinkos testus. Visi rezultatai turėtų būti kaupiami kokybės sistemose (ISO 9001 , IATF, ISO 13485), kad būtų užtikrintas skaidrumas atliekant klientų auditus.

Priežiūra ir eksploatacija

Insert ląstelės reikalauja integruotos priežiūros strategijos. Reikia rūpintis laikiklių švara, vaizdinių sistemų kalibravimu ir periodine formų kontrole. Jėgos ir temperatūros jutikliai turi būti validuojami, kad būtų užtikrinti teisingi duomenys atsekamumo sistemoms. Didelio našumo linijose naudojami MTBF/MTTR rodikliai ir planuojami patikrinimai, remiantis duomenimis iš Smart Maintenance platformos.

Robotai ir įdėklų saugyklos turėtų turėti tepimo ir valymo procedūras, pritaikytas prie švarumo klasės. Kiekvienas komponentas gauna savo techninės priežiūros kortelę, kurioje įrašomi laikiklių keitimai, programinės įrangos atnaujinimai ir kalibravimai. Dėl to IATF/ISO auditai vyksta sklandžiai, o eksploatacijos komandos turi pilną istoriją.

Smart Maintenance sistema generuoja priminimus dėl vaizdinių kamerų kalibravimo, robotų ašių amortizatorių keitimo ar besisukančio stalo patikrinimų. Dėl vibracijų tendencijų analizės galima numatyti kreipiančiųjų nusidėvėjimą ir suplanuoti aptarnavimą per trumpas savaitgalio prastovas. Tai palaiko TPM metodiką ir integraciją su CMMS sistemomis.

Apibendrinimas

Insert molding ir IME yra technologijos, leidžiančios perkelti elektroninio montavimo vertes tiesiai į liejimo procesą. Dėl tikslių robotų, išmanių formų ir atsekamumo sistemų įmonės gali gaminti sudėtingus komponentus greičiau, pigiau ir su mažesniu defektų skaičiumi. Tederic Neo presai, aprūpinti Smart Insert paketais, užtikrina pilną parametrų kontrolę, lengvą integraciją su MES ir lizdų mastelio keitimą.

Investicija į insert molding reikalauja geros strategijos, tačiau atsiperka dėl montavimo operacijų mažinimo, sutrumpinto realizavimo laiko ir kokybės pagerinimo. Statydami skaitmeninę ekosistemą aplink lizdą – nuo robotų iki duomenų analitikos – įmonės įgyja konkurencinį pranašumą ir gali kurti produktus, atitinkančius IoT , elektromobilumo ar medicinos technologijų tendencijas.

Sėkmės raktas – nuolatinis tobulinimas: robotų programų atnaujinimas, SPC duomenų analizė ir komandos kompetencijų ugdymas. Dėl to insert linijos išlieka lanksčios ir pasirengusios kitoms produktų kartoms, nepriklausomai nuo to, ar tai bus išmanūs automobilių prietaisų skydeliai, personalizuoti implantai ar išmanieji buities įrenginiai.