Introduction to Mold Engineering of Thermoplastic
مقدمهWhat is Injection Mold ?In Herbert Ress, 2002 : " an injection mold is arrangement, in one assembly a number of cavity spaces built to shape of the desired product, with the purpose of producing plastic parts in large number.
در کتاب هربرت رس 2002 تعریفی که از قالب های تزریق پلاستیک آمده است از این قرار می باشد :" قالب های تزریق یک مجموعه ای منظم از تعدادی صفحات است که فضای خالی را برای شکل دادن به قطعه مطلوب ، با هدف تولید قطعات پلاستیکی در تیراژ بالا ایجاد میکند.."قالبگیری تزریقی (Injection molding) یکی از رایج‌ترین روش‌های تولید قطعات پلاستیکی است. بدنه تلوزیون‌ها، مانیتور‌ها، دستگاه پخش CDها، عینک‌ها، مسواک‌ها، قطعات خودرو و بسیاری قطعات دیگر با این روش ساخته میشوند.قالبگیری تزریقی را می‌توان برای همه ترموپلاست‌ها به جز پلی تترافلوروتین (PTFE)، پلی‌ایمید، بعضی پلی استر‌های آروماتیک و بعضی پلاستیک‌های خاص دیگر به کاربرد. ماشینهای قالبگیری تزریقی (IMM) خاص ترموست‌ها را می‌توان برای ساخت قطعاتی از جنس فنولیک، ملامین، اپوکسی، سیلیکون، پلی‌استر و الاستومر‌ها استفاده کرد. در قالبگیری تزریقی همه این مواد، گرمای کافی به دانه‌های پلاستیکی اعمال میشود تا بتوانند درون قالب و گذرگاه‌های آن " جاری " شوند. پس این ماده به درون یک قالب بسته با فشار تزریق می شود تا همه حفره قالب را پر کرده و فرم مورد نظر را به خود بگیرد. پس از سرد شدن ماده و انجماد کامل آن، قالب باز شده و پیشنهاد بیرون انداز، قطعه کار پلاستیکی را از قالب خارج می کنند. ترموپلاستیک ها به روش های گوناگونی شکل و فرم داده می شوند از قبیل :(injection molding, extrusion, Thermoforming).
- ملاحظات مربوط به تولید یک قطعه پلاستیکی (Production Considerations) در نخستین سال‌های توسعه، پلاستیکها غالبا به عنوان جانشینی برای مواد دیگر انتخاب شده‌اند. بعضی از آن محصولات اولیه به واسطه توجه و تفکر ویژه‌ای که به هنگام انتخاب مواد به عمل آمده بود، بسیار موفقیت آمیز بودند. اما بعضی از این محصولات دچار شکست شدند چرا که طراحان دربارۀ خواص پلاستیک‌های به کار رفته اطلاعات کافی نداشتند و یا به جای کاربرد عملی ماده فقط به انگیزۀ مادی و بهای کالا می‌اندیشیدند. به بیان دیگر طراحی ، مهارت در تفیق دانش و تجربه و است و طراح کسی است که هنرمندانه از این مهارت استفاده کند . برخی بر این باورند که طراحی امری غریزی ست و برخی آن را اکتسابی میدانند .آنچه مسلم است نقش ذوق و سلیقه فردی در فرآیند طراحی قابل انکار نیست و خلاقیت عنصر جدایی ناپذیر در طراحی هاست . در هر زمینه ای طرح های نو بر اساس شناخت و فهم دقیق و کامل طرح های قدیم و به کار بردن زیرکانه دانش ،خلاقیت و ذوق فردی در جهت افزایش و تکمیل کارایی و رفع نواقص آنها شکل میگیرد . در این قسمت در مورد قواعد اساسی در طراحی محصولات پلاستیکی بحث کوتاهی می‌کنیم. • ملاحظات مربوط به موادمواد با خواص درست بایستی طوری انتخاب شوند که با شرایط طراحی، اقتصادی و سرویس‌دهی تطابق داشته باشند.مواد پلاستیکی با در نظر گرفتن کاربرد محصول نهایی بایستی با احتیاط انتخاب شوند. خواص پلاستیکها نسبت به سایر مواد بیشتر به درجۀ حرارت وابسته است. پلاستیکها نسبت به تغییرات در محیط حساسیت بیشتری دارند.انتخاب مادۀ نهایی برای یک محصول بر مساعدترین، مناسب‌ترین و مطلوب‌یترین تعادل طراحی، ساخت و قیمت کل یا قیمت فروش کالای نهایی استوار است.حال دربارۀ عواملی که در طراحی یک محصول پلاستیکی باید در نظر گرفته شود به اختصار توضیحی می‌دهیم. عواملی که در طراحی یک محصول پلاستیکی باید در نظر گرفته : الف) تأثیرات محیطی:به هنگام طراحی یک محصول پلاستیکی، در نظر گرفتن محیط‌های فیزیکی، شیمیایی و حرارتی از اهمیت بسیاری برخوردار میباشد. دامنۀ دمایی مفید بیشتر پلاستیکها بندرت از c˚200 تجاوز میکند. بسیاری از قطعات پلاستیکی که در معرض انرژی تابیده شده و فرابنفش قرار گرفته‌اند خیلی زود دچار شکست در سطح میشوند، ترد و شکننده میشوند و استحکام مکانیکی خود را از دست می‌دهند. فلوئوروکربنها، سیلیکون‌ها، پلی‌آمیدها و پلاستیک‌های پر شده را بایستی برای محصولاتی مورد استفاده قرار دادکه بالای 230˚c قرار است به کار گرفته‌شوند. فضای خارج از زمین و بدن انسان به مکانی عمومی برای استفاده از مواد پلاستیکی تبدیل شده‌اند. مواد عایق کننده و ساینده در وسایل نقلیۀ فضایی و نیز تقویت کننده‌های سرخرنگ، نخ‌های بخیه زنی تک رشته‌ای، تنظیم کننده‌های قلب و شیر‌ها تنها بخش اندکی از این محصولات جدید می‌باشند. بعضی از پلاستیکها خواص خود را تا درجه حرارت‌های فوق العاده پایین حفظ می‌کنند. به عنوان مثال، بطری‌ها، قوطی‌ها یا مخزن پلاستیکی، یاتاقان‌های خود روان کننده و لوله‌های انعطاف پذیر بایستی در درجه حرارت‌های زیر صفر بدرستی کار کنند. محیط‌های سرد و فوق العاده طاقت‌فرسای فضا و زمین تنها دو مثال از آنها میباشد. در هر زمان که منجمد‌سازی و بسته‌بندی مواد غذایی مد نظر باشد و یا طعم و مزه و بو و رایحه یک مسئله باشد می‌توان از پلاستیکها استفاده کرد. علاوه بر دامنۀ دمایی، رطوبت، تابش، مواد ساینده و عوامل محیطی دیگر، طراح بایستی مقاومت در برابر آتش را مد نظر داشته باشد. هیچ پلاستیکی وجود ندارد که در برابر آتش کاملا مقاوم باشد. ب ) خواص الکتریکی :همۀ پلاستیکها خصوصیات عایق بندی الکتریکی خوبی دارند. اگر چه انتخاب پلاستیکها معمولا بر پایۀ خصوصیات مکانیکی، حرارتی و شیمیایی انجام میشود، بیشتر پیشگامان در صنعت پلاستیک به کاربردهای الکتریکی آن توجه داشته‌اند. مسائل عایق‌بندی الکتریکی همانند مشکلات ناشی از محیط‌های مرتفع و محیط‌های فضایی، محیط‌های زیرآبی و زیرزمینی با استفاده از پلاستیکها حل شده‌اند. بدون استفاده از پلاستیکها ساخت رادارهای موثر در تمام شرایط آب و هوایی و سونار زیرآبی امکانپذیر نبود. از این برای عایق‌بندی، پوشش دادن و محافظت از اجزای الکترونیکی استفاده میشود. ج ) خواص شیمیایی :ماهیت شیمیایی و الکتریکی پلاستیکها به واسطۀ ساختار مولکولی آنها تا حد زیادی نزدیک به یکدیگر بوده و به هم وابسته میباشد هیچ قاعدۀ کلی برای مقاومت شیمیایی وجود ندارد. پلاستیکها بایستی در محیط شیمیایی واقعی خود مورد آزمایش قرار گیرند، فلوئوروکربنها، پلی اترهای کلردار و پلی اولفین‌ها از جمله پلیمرهای (پلاستیک) می‌باشند که بیشترین مقاومت شیمیایی را دارند. نفوذپذیری پلاستیک‌های پلی‌اتلن در بسته‌بندی میوه‌ها و گوشت‌های تازه یک ویژگی مفید به شمار می‌رود. سیلیکون‌ها و پلاستیک‌های دیگر، این اجازه را می‌دهند که اکسیژن و گازها از خلال یک غشای نازک عبور کنند در حالی که همزمان از عبور مولکول‌های آب و بسیاری از یون‌ها شیمیایی ممانعت به عمل می‌آورند. د) عوامل مکانیکی :1- خستگی 6- سختی2- استحکام کششی 7- میرایش ارتعاشات3- استحکام خمشی 8- جریان‌پذیری در حالت سرد4- استحکام فشاری 9- انبساط حرارتی5- استحکام در برابر ضربه 10- پایداری ابعادی.• ملاحضات اقتصادی :در نظر گرفتن مسائل اقتصادی مرحلۀ آخر انتخاب مواد بشمار می‌آید. بهتر آن است که قیمت‌های مواد در انتخاب مقدماتی مواد کاندید شده،گنجانده نشود. قیمت یا هزینۀ تمام شده، همیشه یک عامل اصلی در مسائل مربوط به طراحی یا انتخاب مواد میباشد. نسبت استحکام به جرم یا مقاومت شیمیایی، الکتریکی و مقاومت در برابر رطوبت ممکن است بر عیب قیمت بالا، غلبه میکند.• ملاحظات طراحی :وقتی که شرایط طراحی کلی قطعه‌ای مورد توجه قرار میگیرد، کاربرد یا شرایط کاری قطعۀ مورد نظر، محیط کاری، قابلیت اطمینان و مشخصات فنی آن قطعه بایستی مرور شود. الف) وضعیت ظاهری :مصرف کننده احتمالا بیشتر از همه از وضعیت فیزیکی ظاهری محصول آگاه میباشد. این وضعیت ظاهری مدیون پارامترهای مؤثر زیر میباشد.1- طراحی، 2- رنگ، 3- خواص اپتیکی، 4- پرداخت سطحی. در طراحی وضعیت ظاهری، چندین خاصیت تأثیر گذار میباشد. رنگ، بافت، شکل و ماده می‌توانند در جلب نظر مصرف کننده اثر داشته باشند.تعداد معدودی از ویژگی‌های برجستۀ پلاستیکها عبارتند از اینکه: آنها ممکن است به صافی شیشه شفاف یا رنگی و یا به لطافت و نرمی خز باشند. در بسیاری از حالات، پلاستیکها ممکن است تنها موادی باشند که ترکیب مطلوبی از خواص را برای برآورده ساختن نیازهای خدماتی و در حین سرویس دهی، از خود نشان می‌دهند. ب ) محدودیت‌های طراحی :علاوه بر انتخاب مواد، ابزارآلات و فرآیند نیز تأثیر قابل ملاحظه‌ای بر روی خواص و کیفیت محصولات پلاستیکی برجای می‌گذارد. طراحی محصول و در نهایت قالب به‌کاررفته برای تولید محصول به طور بسیار نزدیکی به تولید بستگی دارند. سرعت‌های خروجی، خطوط جدایش دو‌نیمۀ قالب، نوسانات ابعادی، گاه‌گیرها، پرداخت و انقباض ماده از جمله عواملی می‌باشند که بایستی توسط سازندگان قالب یا طراحان ابزار مدنظر قرار گیرند و دقت بسیار زیادی را در این خصوص اعمال کنند. • ملاحظات مربوط به تولید :در هر طراحی محصول، رفتار ماده و قیمت، در تکنیک‌های قالبگیری، ساخت، جفت‌کردن وبه هم پیوستن تأثیر می‌گذارد. طراح ابزار و قالب بایستی میزان انقباض ماده، طراحی قالب ، خطوط جدایش دو نیمه قالب، میله‌های بیرون انداز، تزئینات، نوسانات ابعادی، اتصالات، سرعت‌های تولید و عملیات دیگر را مورد توجه قرار دهد.• Classification of Injection Molds (دسته بندی قالب های تزریق )بر اساس نوع پروسه قالب های تزریق پلاستیک به 7 گروه زیر تقسیم بندی میشوند :1. Reaction injection molding
2. Liquid injection molding
3. Gas assist injection molding
4. Co-injection molding
5. 2-Shot Injection Molding
6. Fusible core injection molding
7. Rapid injection molding
بر اساس نحوه و نوع باز شدن و سیستم راه گاهی ،براساس استانداردDIN ISO standard 12165"Components for Compression, Injection, and Compression-Injection Molds"
قالب های تزریق پلاستیک به 5 گروه زیر تقسیم بندی میشوند:1. standard molds (two-plate molds)
2. split-cavity molds (split-follower molds) stripper plate molds
3. three-plate molds
4. stack molds
5. hot runner molds
بر اساس نوع موادی که در درون قالب تزریق میشود قالب های تزریق به 4 گروه زیر تقسیم میشوند :1.thermoplastic injection molds
2.elastomer molds
3.thermoset molds
4.structural foam molds
در فرآیند های قالبگیری ( Molding processes)، رزینها، پودرها و دانه های پلاستیکی را می توان به محصولات مفید تبدیل نمود. نکته مشترک در همه فرآیندها ی قالب گیری این است که در تمام این فرآیند ها از نیرو Force استفاده می شود. در قالب گیری مواد پلاستیکی پودری و دنه ای باید از نیروی زیادی استفاده کرد. ولی پرکردن قالب با رزین مایع احتیاج به نیروی به مراتب کمتر دارد. فرآیند قالب گیری پلاستیک ها بسیار زیاد است به همین دلیل ما درباره سه گروه اصلی این فرآیندها یعنی قالب گیری تزریقی Injection، فشاری Compression و انتقالی Transfer به صورت مختصر مباحثی ارائه داده ایم. 1. قالبگیری تزریقی (Injection molding) : ماشین های تزریق به صورت افقی و عمودی ساخته می شوند که نشان دهنده جهت باز و بسته شدن قالب می باشد. در ماشینهای تزریق افقی پس از باز شدن قالب قطعه کار به پایین می افتد و از طریق یک کانال یا نوار نقاله از ماشین خارج می شود. در ماشینهای تزریق عمودی این اتفاق نمی افتد. معمولا از ماشین های تزریق عمودی برای کاشت قطعات فلزی در ماده پلاستیکی استفاده می شود. ماشین های تزریق عمودی فضای کمتری نیبت به ماشینهای افقی اشغال می کنند و با توجه به چند ایستگاهی بودن قالب آنها، هزینه استهلاک قالب در آنها پایین تر است در ماشین هاب تزریق پلاستیک سه قسمت مهم وجود دارد: واحد تزریق Injection unit ، مجموعه قالب ( mold Assembly) و واحد قفل کننده قالب Clamping unit . الف ) واحد تزریق (Injection unit) :وظیفه این واحد، ذوب کردن پلاستیک و تزریق آن به داخل قالب است. در این واحد قطعاتی از قبیل قیف تغذیه، پوسته مارپیچ، در وپوش انتهایی پوسته، نازل، مارپیچ، شیر یک طرفه، نوارهای گرم کننده ، موتور گردش مارپیچ و سیلندر هیدرولیکی برای حرکت رفت و برگشتی مارپیچ تعبیه شده است. سیستم کنترل ماشین می تواند حرارت اعمالی به پلاستیک، زمان گردش و حرکات رفت و برگشتی مارپیچ را کنترل کند. عملکرد میله مارپیچ، تعیین کننده، سرعت و بازدهی ذوب کردن دانه های پلاستیکی می باشد. ب ) واحد قفل کنند قالب ( Clamping unit) :وظیفه این واحد باز کردن و بستن قالب و همچنین بیرون انداختن Ejecting قطعه کار از قالب است. دو روش رایج برای تامین نیروی قفل کننده قالب، استفاده از نیروی هیدرولیک به صورت مستقیم و یا استفاده از یک مکانیزم قفل کننده زانویی Toggle با محرکه هیدولیکی می باشد. مشخصات ماشینهای تزریق ماشین های قالب گیری تزریق را می توان با ویژگی مهم برای هر ماشین که نشان دهنده قابلیتهای آن می باشد، عبارتند از ظرفیت تزریقShot size و تناژ قفل کردن قالب (Clamping tonnage). الف ) ظرفیت تزریق (Size Shot) : ظرفیت تزریق عبارت است از حداکثر مقدار مواد پلاستیکی که ماشین می تواند در هر سیکل به داخل قالب تزریق کند با توجه به اینکه چنگالی پلاستیکها مختلف با هم تفاوت دارد باید یک استاندارد برای مقایسه تعریف شود. پلی استایرین به عنوان پلاستیک استاندارد برای این ارزیابی پذیرفته شده است. ماشینهای تزریق خیلی کوچک آزمایشگاهی ممکن است ظرفیتی معادل حداکثر20 گرم داشته باشند. بعضی ماشینهای تزریق بزرگ نیز می توانند در هر سیکل بیش از 6 کیلو گرم. ب ) تناژقفل کردن قالب (Clamping tonnage ) : تناژ قفل کردن، حداکثر نیرویی است که ماشین می تواند به قالب وارد کند. از نظر تناژ می تواند ماشینهای تزریق را به سه گروه کوچک، متوسط و بزرگ دسته بندی کرد. در ماشینهای کوچک تناژ، قفل کردن حداکثر 99 tons است. تناژ ماشینهای متوسط100-2000و تناژ ماشینهای تزریق بزرگ بالاتر از 2000 tons است. ماشینهای تزریق بزرگ که به صورت استاندارد ساخته می شوند. ممکن است تناژی معادل 10000 tonsنیز داشته باشد. سیکل قالب گیری ( The molding cycle ) :1. بستن گیره ( Clamping ) : در این مرحله دو نیمه قالب ( Injection Part – Ejection Part) توسط گیره دستگاه تزریق پلاستیک در طول مراحل Injection و Cooling زیر فشار قرار می گیرد . ماردون با پرخش ،به عقب حرکت کرده و مواد ترموپلاستیک را به درون سیلندر جهت Plasticizing ( نرم و قالب پذیر کردن ) وارد میکند. 2. تزریق مواد ( Injection ) + (Dwelling) :Injection) ) در این مرحله مواد ترموپلاستیک از طریق بوش تزریق (sprue) با یک فشار و سرعت قابل کنترل به درون محفظه های قالب پاشیده میشود . (Dwelling) در این مرحله بعد از تزریق حجم تعیین شده ماردون به عقب حرکت نکرده و فشار را برای تایم ثابتی جهت اطمینان از پر شدن کامل تمام محفظه ها نگه میدارد . 3. خنک سازی ( Cooling ) :در ان مرحله مواد مذاب تزریق شده جهت گرفتن شکل قالب سرد و جامد می شود. مجموعه خنک سازی بر روی دستگاه تزریق پلاستیک نسب و قابل کنترل میباشد. 4. بازشدن (Opening ) + خارج شدن قطعه (Ejecting ) : (Opening) در این مرحله فشار گیره دستگاه حذف و قالب باز می شود قابل ذکر است در این مرحله قالب های دو صفحه ای و سه صفحه ای هر کدام به ترتیب به دو و سه قسمت جهت خروج قطه کار جدا می شوند.همزمان اسپرو و راهگاه نیز خارج میشود . (Ejecting )در این مرحله سیستم بنا بر مکانیسم Eject قالب فعال و قطعه کار خارج می شود دستگاه تزریق پلاستیک در یک نگاه ( Injection Molding Machine at a glance