قطعات دیواره نازک (Thin wall) در قالب گیری تزریق پلاستیک

در این مطلب قصد داریم شما را با قطعات دیواره نازک (Thin wall) آشنا کرده و به بررسی موارد زیر بپردازیم:

۱- قطعات دیواره نازک (Thin wall) و کاربردهای آنها

۲- نکات مهم در طراحی قطعات قطعات دیواره نازک (Thin wall)

۳- انتخاب متریال مناسب جهت تولید قطعات دیواره نازک (Thin wall)

۴- مزایا و معایب قطعات دیواره نازک (Thin wall)

۵- نکات مهم در مورد طراحی ابزار و قالب­های قطعات دیواره نازک (Thin wall)

۶- نکاتی در مورد انتخاب دستگاه تزریق پلاستیک مناسب و تولید قطعات دیواره نازک (Thin wall)

۱- قطعات دیواره نازک (Thin wall) و کاربردهای آنها

اگر بخواهیم با یک تعریف قطعات دیواره نازک (Thin wall) را شرح دهیم، باید بدانیم که این تعریف نه تنها به ضخامت قطعات پلاستیکی؛ بلکه به اندازه قطعات و ویسکوزیته آنها نیز بستگی دارد.به طور کلی در قطعات دیواره نازک:

– نسبت طول جریان به ضخامت (L/T)، از نقطه­ای که مذاب وارد قالب می­شود، تا دورترین نقطه از حفره قالب که پر از مذاب می­شود (L)، نسبت به ضخامت متوسط دیواره، ۱۰۰ یا بیشتر است.

– ضخامت قطعه قالب­گیری شده کمتر از ۱ mm و سطح پیش­بینی شده قطعه پلاستیکی، بیش از ۵۰ cm2 است.

– ضخامت دیواره قطعه پلاستیکی کمتر از ۱ mm یا ۱٫۵ mm باشد یا برای قطعات دیسک شکل، نسبت ضخامت به قطر قطعه پلاستیکی (t/d)، زیر ۰٫۰۵ می­باشد.

به قطعات پلاستیکی با ویسکوزیته خوب مانند PP، PS و PE که ضریب ویسکوزیته آنها ۱ می­باشد، زمانی قطعه پلاستیکی دیواره نازک گفته می­شود که ضخامت دیواره آنها، کوچکتر یا مساوی ۰٫۵ mm باشد یا نسبت دبی جریان آنها از ۱۵۰ بیشتر باشد.

برای پلاستیک­های با ضرایب ویسکوزیته پایین در تعریف بالا، ضخامت دیواره باید در ضریب ویسکوزیته ضرب شود و طول باید بر ضریب ویسکوزیته تقسیم گردد.

جدول ضریب ویسکوزیته ترموپلاستیک­ها در پایین آمده است:

۲- نکات مهم در طراحی قطعات قطعات دیواره نازک (Thin wall)

– قطعات پلاستیکی دیواره نازک، از ضخامت دیواره کمی برخوردار هستند. اما باید مقاومت در برابر ضربه، کیفیت ظاهری و پایداری ابعادی محصول و همچنین تحمل ابعاد دقیق را برآورده کنند و در مقابل، آنها می­توانند در برابر بارهای استاتیکی بزرگ مقاومت کنند. بنابراین استحکام، مقاومت در برابر ضربه و شرایط ساخت قطعات پلاستیک باید در فرایند طراحی در نظر گرفته شود.

– از آنجا که حفره قالب تزریق پلاستیک با دیواره نازک بسیار باریک است و مقاومت در برابر پر شدن مذاب نیز زیاد است، قطعات پلاستیکی باید عاری از گوشه های تیز و با حداقل پرفوریشن (ضلع های متعددی که نهایتا تشکیل یک دایره می­دهند و هر چقدر تعداد آنها بیشتر باشد، دایره دقیق­تر و بدون لبه­های تیز می­باشد.) طراحی شوند.

– در فرآیندهای قالب گیری تزریقی دیواره نازک (Thin wall) از فشارهای بالاتری استفاده می­شود که می تواند انقباض موضعی را محدود کند. بنابراین استیفنرهای (دنده­های تقویتی) ضخیم­تری طراحی می­شوند. هنگامی که ضخامت دیواره کمتر از ۱ mm باشد، دنده ها می توانند به اندازه دیواره ضخامت داشته باشند. همچنین ممکن است به صورت یک زائده کوچک در لبه بیرونی قطعات پلاستیکی اضافه شود که در طراحی داخل قالب لحاظ   می­گردد.

– از آنجا که شرینکیج قطعات دیواره نازک کمتر است، زاویه درفت دنده­های تقویت کننده، برجستگی­ها و لبه ها باید افزایش یابد.

– از آنجا که سختی خمشی معکوس با مکعب ضخامت دیواره متناسب است، قسمت­های نازک تر قطعه، سختی ضعیف­تری دارند. آسان­ترین راه برای افزایش سختی قطعات پلاستیکی، استفاده از تقویت کننده­های  Fiber-filledاست. اتصال قطعات پلاستیکی با استفاده از اتصال به کمک ضربه محکم و ناگهانی، اتصال به کمک پیچ، اتصال به کمک جوش اولتراسونیک و قالب تزریق دورنگ در قطعات ترکیبی به منظور اتصال محکم چندین قطعه به هم که نهایتا منجر به تولید یک قطعه مجزا می­شوند.

– آخرین عاملی که باید مورد توجه قرار گیرد ، قدرت ضربه است. بیشتر قطعات پلاستیکی دیواره نازک، از الزامات مقاومت در برابر برخورد شدید برخوردار هستند؛ زیرا این محصول در حین استفاده در خطر حوادث غیر قابل کنترل خواهد بود. دو روش برای افزایش قدرت ضربه وجود دارد:

الف) انتقال بار شوک (ضربه). بار شوک را می توان به ساختار داخلی قطعه پلاستیکی منتقل کرد. این روش به فضای اضافی احتیاج ندارد و بنابراین، مدل تغییر شکل نمی یابد. لازم به ذکر است نقاطی که دارای تمرکز تنش هستند نیز در نظر گرفته شوند.

ب) بخش بیرونی قطعه، به منظور جذب بیشترین ضربه از طریق تغییر شکل طراحی شده است. بنابراین طرح به فضای بیشتری نیاز دارد تا قطعات داخلی قطعه پلاستیکی، در معرض آسیب نباشند. از مجمع­های تنش مانند شکاف­های تیز، در ساختار قطعه اجتناب شود.

۳- انتخاب متریال مناسب جهت تولید قطعات دیواره نازک (Thin wall)

در حال حاضر، پلاستیک­های تزئینی مورد استفاده با دیواره نازک، بیشتر از جنس­هایPP ، ABS ، مخلوط PC / ABS و PA6  و غیره می­باشند. پلاستیک های PP دارای MI تا حداکثر۶۰ gr/10min  مانند  .Basell’s Moplen RP1086

 دلیل اینکه بسیاری از قطعات پلاستیکی از PC / ABS استفاده می کنند، چقرمگی PC و روان بودن ABS است که اغلب در قطعات پلاستیکی با دیوارهای نازک استفاده می شود.

۴- مزایا و معایب قطعات دیواره نازک (Thin wall)

قطعات دیواره نازک نیز از مزایا و معایبی برخوردارند که ذیلاً به توضیح آنها می­پردازیم:

مزایا:

– صرفه­جویی در مواد پلاستیک و کاهش هزینه

– کاهش زمان قالب­گیری و سایکل­تایم

– وجود فضای بیشتر در محصول جهت استفاده آسان

– قطعات ارزان و تمیز و زیبا و سبک و در عین حال ایمن

– کاهش مصرف سوخت در نتیجه حمل و نقل قطعات با اندازه یکسان و وزن سبک­تر

معایب:

– سفتی (محکم بودن) ضعیف

– قالب­گیری مشکل­تر

– پروسه پیچیده­تر

– هزینه بالاتر جهت تامین ماشین­آلات و ربات­ها جهت تولید این نوع قطعات

– ساخت قالب قطعات دیواره نازک نیازمند متخصصین با تجربه بوده و نگهداری آنها نیز دشوارتر است.

۵- نکات مهم در مورد طراحی ابزار و قالب­های قطعات دیواره نازک (Thin wall)

در پایین، به چند نکته در مورد طراحی ابزار و قالب قطعات دیواره نازک اشاره می­کنیم:

– برای کاربردهای تهاجمی و سنگین­تر قالب­های دیواره های نازک، از فولاد سخت تر از P20 استفاده کنید. به خصوص هنگامی که انتظار می رود ساییدگی و فرسایش زیاد باشد. فولادهای H-13 و D-2 در استفاده در ورودی های گیت موفق بوده­اند.

– قفل­های قالب (Interlocks) گاهی اوقات می توانند از انعطاف پذیری و ناهمترازی و لنگی قالب جلوگیری کنند.

– استپ­های کویته، می توانند به کاهش تغییر سنبه و شکستگی سنبه کمک کنند.

– از صفحات ساپورت سنگین­تر (غالباً ۲ تا ۳ اینچ ضخامت) با پین­های ساپورت (از پیش بارگذاری شده ۰٫۰۰۵ اینچی) از زیر حفره ها و اسپرو استفاده کنید.

– برای کاهش فشار پین از پین های بزرگتر و بزرگتر از قالبهای معمولی استفاده کنید.

– استراتژی راهبردی جهت پران های تیغه­ای و محل قرارگیری تیغه­های آنها در نظر بگیرید.

– پولیش سنبه­ها و ریب­ها می تواند مشکلات چسبیدن قطعه را از بین ببرد. همچنین بهبود سطح قالب مثلا از جنس        Nickel-PTFE     می­توانند باعث بهبود کیفیت قطعه شود.

– راه­های هوا (Air vents) نیز از اهمیت ویژه­ای برخوردارند و می توان با استفاده از پین­های سنبه و پین­های پران این راه هوا را ایجاد کرد.بهتر است تهویه  در ۳۰٪ خط تقسیم (Parting line) در اطراف قطعه باشد. راه­های هوا به طور معمول ۰٫۰۰۰۸ تا ۰٫۰۰۱۲ در عمق و ۰٫۲۰۰ تا ۰٫۰۴۰۰ اینچ در طول گسترده هستند.  بعضی از قالبسازان، جهت تخلیه سریع گاز و از بین بردن خلاء درون حفره قالب، خط تقسیم (Parting line) را با یک واشر آب­بندی کرده اند که معمولا نیازی به این کار نیست.

– سرعت تزریق بالاتر و گیت­های بزرگتر از دیواره­های اسمی، باعت میشود که گیت­ها دیرتر سرد شده و راحت­تر از قطعه جدا شوند که منجر به یک قطعه با کیفیت می­گردد.

– اینسرت­های گیت با سختی Rockwell (Rc) بیشتر از ۵۵ معمولاً برای مقاومت در برابر فشار تزریق زیاد استفاده می شود.

– هنگام اتصال مستقیم گیت به دیواره نازک با استفاده از Sprue gate، pinpoint gate و یا Hot drup gate، از چاله­های گیت استفاده کنید تا موجب کاهش تنش در گیت شده و پر کردن کویته راحت­تر گردد و هنگام جدا کردن راهگاه، قطعه آسیب کمتری را متحمل گردد.

– منیفولدهای گرم می توانند به کاهش افت فشار در سیستمهای راهگاه گرم کمک کنند، اما آنها حداقل به ۰٫۵ اینچ قطر نیاز دارند. در معابر داخلی بدون گوشه های تیز و یا مناطق مرده حفره، منیفولدها باید دارای هیترهای خارجی باشند. نه داخلی!!!

 در صورت استفاده از گیت ولوها ،این گیت ولوها نباید محدود کننده باشند و باید برای تحمل فشارهای بالا ساخته شده باشند.

علاوه بر این، خنک کننده­های سنبه و ماتریس، در کاربردهای دیواره نازک بسیار مهم و چالش برانگیز هستند. دو دستورالعمل مهم عبارتند از:

۱- خطوط خنک کننده باید بدون حلقه و به طور مستقیم به بلوک های سنبه و ماتریس متصل شده باشند تا به حفظ درجه حرارت سطح قالب تا حد ممکن کمک شود.

۲- به جای کاهش دمای مایع خنک کننده برای حفظ دمای فولاد مورد نظر، به طور کلی بهتر است که مقدار جریان خنک کننده از طریق ابزار افزایش یابد. به عنوان یک قاعده، اختلاف دما بین ورودی و خروجی خنک کننده،  نباید بیش از ۵ تا ۱۰ درجه فارنهایت باشد.

۶- نکاتی در مورد انتخاب دستگاه تزریق پلاستیک مناسب و تولید قطعات دیواره نازک (Thin wall)

با توجه به این که دستگا­های تزریق پلاستیک معمولی به سختی می­توانند نیازهای قالب تزریق پلاستیک دیواره نازک را برآورده کنند، جهت تامین دستگاه تزریق پلاستیک برای تولید این نوع قطعات، موارد زیر را در نظر می­گیریم:

– دستگاه­های تزریق پلاستیک قطعات دیواره نازک، معمولاً به بارل­های کوچکتر از ماشین­های تزریق معمولی احتیاج دارند. حجم تزریق ترجیحاً ۳۵%-۷۵% از حداکثر حجم تزریق ماشین تزریق است.

– ماشین های قالب گیری تزریقی برای کنترل باید از ریزپردازنده های با وضوح بالا استفاده کنند. در طول مراحل قالب گیری تزریق دیواره نازک، فشار و سرعت باید به طور مستقل و همزمان کنترل شوند. روش معمول دستگاه تزریق پلاستیک، استفاده از کنترل سرعت در مرحله پر کردن و مرحله کنترل فشار برای کنترل فشار است که این روش برای قطعات دیواره نازک، صدق نمی کند.

– دستگاه تزریق پلاستیک هیدرولیک برای دستگاه­های تزریق پلاستیک قطعات دیواره نازک، با یک باتری طراحی شده است که می تواند بطور مداوم باعث تزریق و بستن قالب شود.  برای تحمل فشار زیاد دستگاه تزریق، نیروی صفحه قفل باید به ۷٫۵ kg/mm2 الی ۱۰٫۵ kg/mm2 برسد. علاوه بر این، هنگامی که ضخامت دیواره فشار تزریق را کاهش می دهد، بالشتک مواد بزرگ به کاهش خم کمک می کند.

– سرعت یکی از مهمترین فاکتورهای تزریق موفق قطعات پلاستیکی دیواره نازک است. پر کردن سریع و فشار زیاد می تواند ترموپلاستیک مذاب را با سرعت بالا به داخل حفره قالب تزریق کند تا از انجماد گیت­های تزریق جلوگیری شود. اگر یک قطعه پلاستیکی استاندارد در طی ۲ ثانیه پر شود، ضخامت قالب ۲۵٪ کاهش می یابد. پس زمان پرشدن با کاهش ۵۰% ضخامت، فقط ۱ ثانیه است.