طراحی محصولات پلاستیکی برای قالب¬گیری تزریقی نیازمند شناخت و آگاهی درباره استحکام مواد، انتقال گرما، قالب¬سازی، فرایند قالب¬گیری تزریقی و هزینه¬ها نیاز دارد.
با داشتن چنین اطلاعاتی، می¬توان طراحی محصول را به منظور حداقل کردن هزینه¬های قالب¬گیری و فرایند، بهینه کرد. دانشجویان مهندسی طراحی صنعتی در دانشگاه صنعتی Delft، ( Delft University of Technology)، برای طراحی محصولات مصرفی با تولید کم به جای محصولات با تولید انبوه آموزش دیده شده¬اند. از این رو در عین این که در تدریس قواعد طراحی¬ مهندسی آموزش داده می¬شوند در عین حال آگاهی از هزینه¬ها نیز اهمیت زیادی دارد.
مقدمه
طراحی مهندسی تأثیر زیادی روی طراحی قالب، زمان سرد کردن، جمع¬شدگی (Shrinkage) و تاب-خوردگی (Warpage) محصولات دارد. متأسفانه این جنبه¬های طراحی در آموزش¬های مهندسی هلند کمتر تدریس شده¬اند. اکثر دانشجویان دانشکده¬های مهندسی مکانیک، درباره اینگونه طراحی بسپارها به هیچ وجه آموزش نمی¬بینند. بیشتر دانش¬جویان نیز به دلیل کمبود تجربه به این نقص پی نمی¬برند.
در بیشتر برنامه¬های آموزش¬ مهندسی، دانشجویان بسیار کم در مورد هزینه¬ها آموزش می¬بینند و غالبا به روش حدس و خطا این زمینه را تجربه خواهند کرد. گروه مهندسی دانشکده مهندسی طراحی صنعتی، دانشجویان را در زمینه طراحی محصولات پلاستیکی برای قالب¬گیری تزریقی آموزش می¬دهد. دانشجویان باید از هزینه قالب¬ها و زمان فرایند آگاه باشند.
در این مقاله 10 قاعده برای طراحی محصولات پلاستیکی مربوط به قالب¬گیری تزریقی ارائه می¬شود.
1. محل گلوئی و میل¬پران¬ها را به دقت انتخاب کنید.
2. ضخامت دیواره را یکسان طراحی کنید.
3. ضخامت دیواره را تا حد ممکن کم کنید.
4. از شعاع¬های بزرگ استفاده کنید.
5. برای استحکام¬بخشی به جای پشت¬بندهای نواری از انواع خمیده استفاده کنید.
6. قالب را تا حد امکان ساده طراحی کنید.
7. شیب کافی به دیواره¬ی قالب بدهید تا محصول به راحتی خارج شود و از خراشیده شدن سطوح زبر جلوگیری شود.
8. رواداری ابعادی مناسبی را پیش¬بینی کنید و دقت کنید که ابعادی که رواداری کمی دارند توسط یک دیواره¬ی قالب تعیین بعد ¬شوند.
9. از تورفتگی¬ها بپرهیزید.
10. از نقاط ضعیف در قالب¬ و محصول بپرهیزید.
ملاحظات عمومی
پلاستیک¬ها خیلی ارزان نیستند، اما از آنجایی که عملیات ساخت آنها را می¬توان یکپارچه کرد، محصولات پلاستیکی می¬توانند از محصولات فلزی ارزان¬تر باشند. هر چه میزان تولید محصولات پلاستیکی زیادتر باشد قیمت پلاستیک و زمان چرخه تولید مهم¬تر می¬شوند.
پلاستیک¬ها درون قالب در حین فرایند سردکردن جمع می¬شوند. جمع¬شدگی (Shrinkage) گرمانرم¬های بی¬ریخت از جمع¬شدگی بسپارهای نیمه¬بلورین کمتر است چون بسپارهای نیمه¬بلورین به هنگام بلورش متراکم¬تر می¬شوند. جمع¬شدگی در جهت عرضی (خلاف جهت جریان) از جهات دیگر بیشتر است. مذاب پلاستیک در جهت جریان آرایش می¬یابد و در این جهت¬ جمع¬شدگی (Shrinkage) محدود است. جمع¬شدگی در خلاف جهت اکثراً محدود نیست. شعاع مغزی باید کوچک نباشد تا تمرکز تنش کم شود، اما نباید به گونه¬ای نیز باشد که با جمع¬شدگی شود. ضخامت دیواره باید ثابت باشد تا زمان¬ چرخه¬¬ی تولید و تمرکز تنش کاهش یابد.
از عدد فوریه به راحتی می¬توان دریافت که زمان سرد کردن متناسب با ریشه دوم ضخامت است:
(1)
که در آن،
α نشانگر ضریب نفوذ گرمائی [ m2/s ] ،
t زمان [ s ] ،
و h ضخامت دیواره [ m ]
می¬باشند.
بیشتر مشکلات در ارتباط با قالب¬ها با انجام بررسی¬های طراحی در مراحل ابتدایی فرایند طراحی، قابل پیش¬گیری است. اما استفاده از قالب¬هایی که در کشورهای کم¬هزینه ساخته شده¬اند می¬تواند مشکلی عمده پدید آورد.
محل گلوئی¬ها و میل¬پران¬ها
محل گلوئی¬ها، راحتی پر کردن قالب، محل خطوط جوش و میزان کامل بودن محصول تزریقی را تعیین می¬کند. طرحی از این امر در شکل 1 نشان داده شده است و از این شکل می¬توان دریافت که محل گلوئی¬ها اثر بسیار زیادی در خطوط جوش دارد. بهینه کردن محل گلوئی¬ها، با نرم¬افزار شبیه¬سازی پر کردن قالب، به نسبت آسان است. برای بیرون پراندن قطعات قالب¬گیری پیچیده با برجستگی¬ها، دندانه-ها و مشخصه¬های دیگر عموما از میل¬پران¬ها استفاده می¬شود، چون استفاده از آنها اقتصادی و نصب آنها آسان است. با این حال، ممکن است میل¬پران¬ها تنش¬های محلی و کرنش¬های بزرگی را در حین قالب¬گیری در مرحله خارج کردن قطعه ایجاد کنند، که منجر به تغییر شکل قطعه و آسیب دیدن آن می-شود. بنابراین آرایش صحیح میل¬پران¬ها در طراحی قالب بسیار مهم است. در مقاله¬ای ازS. Kwak و همکاران [1] ترتیب و اندازه میل¬پران¬های لازم برای بیرون انداختن قطعه قالب¬گیری شده¬ی گرمانرم، به منظور حداقل کردن تغییر شکل قطعه و آسیب¬دیدگی آن، شرح داده شده است.
ضخامت یکسان دیواره و اختلاف ضخامت¬ها
این مورد در قسمت ملاحظات عمومی نیز ذکر شده است. این امر منجر به بروز مشکلات دیگری می-شود زیرا همان¬طوری که در شکل A2 نشان داده شده است، در گوشه¬ها ضخیم¬شدگی رخ می¬دهد. زمان سرد کردن متناسب با جذر ضخامت است، از این رو طرح نشان داده شده در شکل C2 بهترین راه حل می¬تواند باشد.
در شکل B2 طرحی از یک قاب با ضخامت¬های مختلف دیواره نشان داده شده است. قطعه ضخیم (A)، در قسمت میانی این میله دیرتر از همه جا جامد می¬شود و قسمت¬های عمودی را به داخل می¬کشد. قطعه نازک (B)، در قسمت میانی این قطعه زود تر از همه جا جامد می¬شود و منجر به یک محصول محدب می¬شود. تنها ضخامت یکسان دیواره منجر به یک محصول صاف می¬شود.
ضخامت دیواره تا حد ممکن کوچک
بیشترین ضخامت محصولات پلاستیکی به دلیل تشکیل حباب و افزایش زمان سرد کردن باید کوچک¬تر از 4 تا mm5 باشد. ارجح است که ضخامت دیواره تا حد ممکن کوچک ساخته شود و این امر با ایجاد پشت¬بند و ساختارهای چین¬دار امکان¬پذیر است.
در شکل C2، یک محصول با ضخامت دیواره یکسان نشان داده شده است. برای ایجاد استحکام مشابه، می¬توان از دندانه¬ها استفاده کرد یا همان¬طور که در شکل C2 (قسمت A)، نشان داده شده است، ضخامت بیشتری را به کار برد. در جدول 1 جرم و زمان سرد کردن سه قطعه در استحکام مشابه نشان داده شده است. از جدول 1 می¬توان دریافت که قسمت¬های ضخیم¬تر به زمان سرد کردن و ماده بیشتری نیاز دارند.
تغییرات ناگهانی در ضخامت دیواره
تغییر ناگهانی در ضخامت دیواره نه تنها منجر به ایجاد تمرکز تنش¬های بزرگ می¬شود، بلکه در جریان مذاب نیز اغتشاش ایجاد می¬کند. از این لحاظ طرح A در شکل 3 بدترین و طرح C بهترین می¬باشد چون تغییرات شعاعی در آن به کار برده شده است تغییر ناگهانی در ضخامت ندارد. دانشجویان باید از این حقیقت آگاه باشند که بعضی مواقع قالب¬سازها این شعاع¬ها را رعایت نمی¬کنند، زیرا ساخت این گونه قالب¬ها ارزان¬تر است. این مشکل به خصوص وقتی قالب¬ها در کشورهای کم¬هزینه ساخته می¬شوند، اغلب باید به طور وضوح مشخص شود و ابلاغ این مسأله، یک مشکل است.
تقسیم¬بندی ساده قالب
قطعات قالب¬گیری شده مصرف بسیار زیادی دارند زیرا از آنها محصولاتی را تولید می¬کنند که کمترین عملیات ثانویه را نیاز دارند. بر اساس تعداد سطوح جدا کننده در یک قالب، قالب¬ها به دو دسته قالب-های دو- تکه و قالب¬های چند- تکه تقسیم می¬شوند. قالب¬های چند تکه به قالب¬هایی اطلاق می¬شوند که بیش از یک کفه و در نتیجه بیش از دو جزء جدا کننده دارند. این قالب¬ها می¬توانند قطعات پیچیده¬ای تولید کنند که با استفاده از قالب¬های دو تکه نمی¬توان آنها را درست کرد. آنها استفاده از قالب¬گیری را برای ساخت قطعاتی که از پیش توسط فرایندهای دیگر تولید شده¬اند، قادر می¬سازند. به دلیل این¬که قالب¬های چند- تکه بیشتر از یک سطح جدا کننده دارند، می¬توانند در جهت¬های مختلف از هم تفکیک شوند و لذا برای ساخت قطعات پیچیده¬تری از لحاظ هندسی استفاده شوند. در شکل 4 تعدادی از حالت¬های ممکن تقسیم¬بندی قالب¬ها نشان داده شده است. تقسیم¬بندی پیچیده قالب، A، توصیه نمی¬شود اما راه حل C مؤثر است زیرا تقسیم¬بندی ساده¬ای دارد و در نتیجه:
- قالب ارزان¬تر تمام می شود
- عمر قالب افزایش می¬یابد
- داشتن محفظه¬های بیشتر در چنین قالبی، ساده¬تر است
از سطوح انحنادار استفاده کنید
از شکل C2 دریافتیم که برای به دست آوردن سفتی مشابه، ساختارهای چین¬دار و پشت¬بنددار به مواد کمتری از سطح مقطع¬های ضخیم نیاز دارند.
دانشجویان اغلب برای تشخیص بین سفتی در صفحه یا محوری و سفتی خمشی آموزش ندیده¬اند. برای یک میله با سطح مقطع مستطیلی نسبت بین سفتی محوری kA و سفتی خمشی kB به شکل زیر است:
(2)
برای یک میله با طول mm100 و ضخامت mm4 ، این نسبت بیشتر از 1000 می باشد.
برای سطوح منحنی مانند پوسته¬های نیمه کروی [3]، که در شکل 5 نشان داده شده است، سفتی برابر است با:
(3)
که :
(4)
و C به مقدار a بستگی دارد :
برای یک صفحه خم دایره¬ای، همان¬طور که در شکل 5 نشان داده شده است سفتی به سرعت با افزایش ارتفاع h، افزایش می¬یابد.
به عنوان مثال یک صفحه خم دایره¬ای با شعاع خارجی r=100mm و ضخامت دیواره t=3mm فرض می-شود. به راحتی می¬توان محاسبه کرد که برای یک ارتفاع h=20mm سفتی 8 برابر بزرگ¬تر از یک صفحه دایره¬ای مسطح می¬باشد. هزینه¬های اضافی مواد بسیار کم می¬باشند و قالب به اندازه قالب-های پشت¬بنددار پیچیده نیست و اثر سینی باقی نمی¬ماند.
شیب کافی
محصولات پلاستیکی جمع می¬شوند و لذا روی قسمت¬هایی از قالب را که دربرمی¬گیرند، گیر می¬کنند. با شیب¬دار کردن قسمت پوشیده شده بیرون انداختن با آسیب¬دیدگی محصول و قالب همراه است.
برای محاسبه زاویه شیب سطوح صاف و زبر قوانین کاربردی وجود دارد. برای محصولات کم عمق (H<10mm) زاویه شیب به شکل زیر بیان می¬شود:
(5) (H<10mm)
و برای محصولات بلندتر:
(6) (H<10mm)
برای سطوح زبر با عمق زبری mm02/0 زاویه شیب باید 1⁰ باشد. صیقل و جلا دادن نیز بسیار مهم است.
رواداری ابعادی قابل وصول
رواداری¬های کم بسیار گران تمام می¬شوند. به یاد داشه باشید که محصولات ساخته شده از بسپارهای بی¬ریخت جمع¬شدگی کمتری از محصولات بسپارهای نیمه بلورین دارند. علاوه بر این پرکننده-ها نیز جمع¬شدگی را کم می¬کنند.
هم¬چنین مهم است که برای دستیابی به رواداری¬های کم در ابعاد تنها توسط یک نیمه¬ی قالب تعیین به دست آیند. این موضوع در شکل A9 و B9 نشان داده شده است.
از تورفتگی بپرهیزید
تورفتگی¬ها در مورد A در شکل 7 منجر به قالب گران قیمتی می¬شود چون در این صورت هسته¬های جانبی باید استفاده شوند. راه¬حل¬های طراحی بدون تورفتگی در موارد B و C در شکل 7 نشان داده شده است.
از نقاط ضعیف در قالب و محصولات بپرهیزید
در شکل A-A 8 یک طرح با گوشه¬های تیز و یک سوراخ بست در فاصله دور از دیواره و بدون پشت¬بند نشان داده شده است. این یک طراحی ضعیف است زیرا گشتاور خمشی و تمرکز تنش¬ها در آن بزرگ می¬باشند.
در شکل A-B 8 یک طرح بهبود یافته با شعاع¬های مغزی کافی، یک سوراخ بست نزدیک¬تر به دیواره و یک پشت¬بند برای انتقال منظم¬تر بار اعمال شده به دیواره، نشان داده شده است.
از دیواره¬های نازک در قالب¬ها باید پرهیز کرد چون در اثر سخت شدن قالب، ممکن است در آن ترک به وجود آید. در شکل B-A 8 جهت پیکان به نقطه ضعیف در قالب بین میله و دیواره قالب اشاره می¬کند. در شکل B-B8 ضخامت دیواره قالب افزایش یافته است.
نتایج
حائز اهمیت است که دانشجویان از ارتباط بین طراحی محصول و قالب گیری تزریقی آگاه باشند تا محصولات بهینه¬ای را به دست آورند.
اطلاعات بسیار زیادی در مورد طراحی قالب موجود و در دسترس است، اما در مورد ارتباط بین طراحی محصول و قالب¬گیری تزریقی اطلاعات به مراتب کمتری موجود است.
برچسب‌ها:
اجزای اصلی ماشين تزریق:
در يک نماى كلى دستگاه تزريقى پلاستيک همانگونه كه در شكل نشان داده شده ازپنج سيستم تشكيل ده است كه عبارتند از:
1- سيستم تزريق
2- سيستم هيدروليک
3- سيستم قالب
4- سيستم گيره
5- سيستم كنترل
شکل (1)
سيستم تزريق:
سيستم تزريق عبارت است: از قيف تزريق، ماردون، بارل و نازل تزريق كه در شكل (2) نشان داده شده است.
شکل (2)
سيستم فوق، رزين را انباشته كرده و سيس با فشرده كردن آن و حباب گيرى از رزين و ذوب با حرارت آن را به داخل قالب تزريق مى كند.
قيف تزريق:
مواد پلاستيک به صورت ذرات خرد شده گلوله اى شكل مى باشند (گرانول). اين مواد داخل قيف بر روى ماشين تزريق قرار دارند. گرانولهاى مواد پلاستيک از داخل اين قيف به سيستم بارل راه مى يابند.
بارل تزريق:
همان طور كه در شكل نشان داده شد است، بارل ماشين تزريق شامل ماردون مى باشد و عملگرم كردن و حرارت دادن را توسط يک سرى heaters ها انجام مى دهد.
ماردون تزريق:
ماردون برای فشرده ومذاب کردن وانتقال پلیمر در دستگاه تزریق استفاد میشود.
ماردون شامل:قسمت نغذیه،قسمت فشرده کننده و قسمت اندازه گیری می باشد.شکل (3)
شکل (3)
همان گونه که در شکل (3) ملاحضه می شوذقطر بیرونی ماردون ثابت می ماند و عمق آن از قسمت تغذیه تا رسیدن به اول قسمت اندازه گیری کم می شود.
حرکت ماردون،مواد را در مقابل قطر خارجی فشرده کرده و گرمای ویسکوزینه ایجاد می کند.این گرما صرفاً باعث ذوب پلیمر می شود ونوارهای گرم کننده بیرون مخزن به نگه داشتن مواد در حال ذوب کمک می کند.به طور معمول یک بارل سه نوار گرم کننده یا بیشتر با دماههای متفاوت می تواند داشته باشد.
نازل تزریق:
نازل تزریق،محل اتصال بارل دستگاه و بوش اسپرو قالب است و بین بارل و دستگاه تزریق وقالب ایجاد آب بندی می کند.درجه حرارت نازل تزریق باید با درجه حرارت مذاب پلیمر تنظیم شود و یا اینکه مقداری از آن کمتر باشد که این میزان یستگی به نوع مواد دارد که از طریق سازندگان توصیه می شود.در هنگام تزریق،نازل با اسپرو در تماس قرار گرفته وبین بارل و اسپرو ایجاد ارتباط می کند.شکل (4) دو حالت بسته شدن وباز بودن نازل را نشان می دهد
شکل (4)
سیستم گیره (کلمپ):
اين سيستم مكانيزمى است كه به وسيله يک گيره عمل كرده و قالب را باز و بسته مى كند. همچنين قسمتهاى اساسى قالب را نگه مى دارد و تامين نيروى کافى جهت جلوگیری از باز شدن قالب در اثر فشار تزريق را به عهده دارد
نيروى گيره به وسيله يک قفل مكانيكى هيدرولکيكى و يا هر دو ايجاد مى شود
سيستمهاى هيدروليک:
سيستمکكاى هيدورليكى نيروى لازم جهت باز و بسته شده و Clampingرا روی فالبهای تزریق پلاستیک فراهم میکند.
حركت كور، پينهاى پران، كلمپ قالب، وحركت رفت و برگشت ماردون توسط سیستم هیدرولیک انجام مى شود. اجزاى سيستم هيدروليک شامل پمپ ها،موتورهای هیدرولیکی ومخزن های هیدرولیک وغیره می باشد
سيستم كنترل:
سیستم کنترل،جهت ایجاد تکرار در عملکرد تزریق به کار می رود.همچنین پارامترهایی مانند دما،فشار،سرعت نزریق و موقعیت ماردون را کنترل می کند. کیفیت سیستم کنترل و کنترل پروسه تزریق،تاثیر بسزایی در تولید کیفیت و هزینه دارد.
این سیستم از عملکردهای ساده مانند روشن یا خاموش کردن ماشین تا موارد پیچیده تنظیمات ماشین،که با میکروپروسسورهها کنترل می شود را به عهده دارد.
برچسب‌ها:
آمار
وب سایت: