بررسی جریان ماده در فرآیند تزریق پلاستیک

در ادامه مبحث طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک ٬ به بررسی جریان ماده در فرآیند تزریق پلاستیک پرداخته می شود. این موضوع در فرآیند طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک بسیار با اهمیت می باشد و تاثیر بسیار بالایی بر روی کیفیت نهایی قطعات دارد.

مناطق بالقوه تمرکز تنش بر روی یک قطعه را نیز می توان به روشی کیفی با استفاده از بررسی جریان سیال مشاهده کرد. با استفاده از این روش، بخشی از قطعه به عنوان مجرا در نظر گرفته می شود که از طریق آن یک سیال تراکم ناپذیر ایده آل جریان می یابد. خطوط جریانی نظری که تشکیل می شوند موازی با یکدیگر هستند و در مناطقی که تحت تنش یکنواخت هستند به طور مساوی فاصله دارند. مناطق تمرکز تنش به عنوان فاصله خطوط مشخص می شوند که به سرعت در یک فاصله کوتاه تغییر می کنند. خطوط با فاصله نزدیک نشان دهنده جریان سریعتر و تنش بیشتر است. این مفهوم با استفاده از مثالی از یک میله شیاردار تحت بار کششی نشان داده شده است.

نوار شکاف نشان داده شده در شکل ۱ قسمت اول دارای خطوط جریانی است که در ناحیه شکاف فاصله نزدیکی دارند، که نشان دهنده ناحیه ای با تنش زیاد است. خطوط جریان نیز به سرعت در یک دوره نسبتا کوتاه همگرا می شوند

فاصله، به عنوان یک منطقه انتقال توصیف می شود. این انتقال کوتاه همچنین نشانه تمرکز استرس است. افزایش شعاع بریدگی در شکل ۱ قسمت دوم٬ فاصله بین خطوط را تغییر نمی دهد، اما طول منطقه انتقال را افزایش می دهد، که نشان دهنده کاهش غلظت تنش است. مثال نشان می دهد که حذف مواد از قسمت های خاصی از قطعه ممکن است در واقع قطعه را قوی تر کند. افزودن مواد به قسمت پشتی قالب، هم فاصله بین خطوط جریان و هم طول ناحیه انتقال و در نتیجه استحکام قطعه را همانطور که در شکل نشان داده شده است افزایش می دهد.  این طرح با افزایش شعاع در بالای شکاف اصلاح می‌شود، که منجر به فاصله یکنواخت‌تر خطوط جریان و ضخامت دیواره یکنواخت‌تر می‌شود.

 از خطوط جاری می توان برای به دست آوردن یک نشانه کیفی از تمرکز تنش استفاده کرد.

همگرایی سریع و فاصله نزدیک نشان دهنده تمرکز تنش بالا است.

در حالی که واضح است که اثرات تمرکز تنش در شرایط بارگذاری استاتیک قابل توجه است، اما در کاربردهای بارگذاری دینامیکی اهمیت بیشتری دارند. نقص های کوچک، بریدگی ها یا عیوب محدودیت های استقامت محصولات پلاستیکی را در معرض بارگذاری دینامیکی کاهش می دهد. بزرگی تمرکز تنش تحت تأثیر هندسه ناقص، مکان، سطح بارگذاری و حساسیت بریدگی ماده است. مواد انعطاف پذیر، که ممکن است به طور قابل توجهی تحت شرایط استاتیک تحت تاثیر قرار نگیرند، ممکن است در شرایط بارگذاری دینامیکی حساسیت بریدگی بیشتری نشان دهند. حساسیت بریدگی یک ماده/محصول خاص به راحتی قابل پیش بینی نیست. قطعاتی که در معرض بارگذاری دینامیکی یا خستگی قرار می گیرند باید در مواد تولیدی نمونه سازی شوند و تحت شرایط بارگذاری پیش بینی شده ارزیابی شوند.

تمرکز تنش در قطعات پلاستیکی

در ادامه مبحث طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی به موضوع تمرکز تنش و نقش آن در طراحی شکل قطعات پلاستیکی پرداخته می شود.

یکی از حوزه‌هایی که در هنگام در نظر گرفتن هندسه قطعه، شایسته توجه ویژه است، تأثیرات تمرکز تنش است. توزیع تنش در قطعات تحت تأثیر وجود ویژگی هایی مانند گوشه ها، سوراخ ها یا هر گونه ناپیوستگی در هندسه طراحی است. تنش‌ها تمایل دارند در این ناپیوستگی‌ها متمرکز شوند، که منجر به مقادیر تنش موضعی می‌شود که می‌تواند به طور قابل‌توجهی بیشتر از تنش‌ها در مناطق مجاور ناپیوستگی باشد. بنابراین، تنش‌ها و کرنش‌ها با استفاده از تحلیلی که هندسه ساده را در اشتباه فرض می‌کند، پیش‌بینی می‌شود.

ضریب شدت تنش، K، به عنوان نسبت حداکثر تنش واقعی (تنش ماکسیمم در ناپیوستگی) به تنش پیش‌بینی‌شده یا تعیین‌شده با استفاده از فرمول‌های کلاسیک مکانیک (برای هندسه‌های منظم) برای مقطع خالص، بدون توجه به توزیع تنش پیچیده‌تر، تعریف می‌شود. عوامل شدت تنش را می توان برای هندسه های مختلف افزایش دهنده تنش برای مواد الاستیک محاسبه کرد. با این حال، مقادیر معادل ممکن است برای مواد انعطاف پذیر (یا ویسکوالاستیک) بیشتر قابل اعمال نباشد.

شکل۱ معادله ای را نشان می دهد که ضریب تمرکز تنش، K را برای مقاطع مستطیلی که دارای یک سوراخ دایره ای مرکزی هستند و در معرض کشش تک محوری هستند، مرتبط می کند. با استفاده از این روابط، می توان تنش موضعی را در محل A، در امتداد محیط سوراخ تخمین زد. به عنوان مثال، قطعه ای با عرض 0.500 اینچ (12.7 میلی متر) و یک سوراخ مرکزی با قطر 0.125 اینچ (3.2 میلی متر) دارای ضریب  K برابر با 2.44 است. به عبارت دیگر، تنش در محل A 2.44 برابر بیشتر از مقدار اسمی (محاسبه شده) است که با تقسیم نیروی کششی بر حداقل مقطع تعیین می شود. روابط مشابهی برای سایر هندسه های افزایش دهنده تنش موجود است.

مقدار واقعی ضریب تمرکز تنش هم به هندسه قطعه و هم به رفتار تنش-کرنش ماده بستگی دارد (شکل ۲ را ببینید). رفتار شکل پذیر بسیاری از مواد پلاستیکی منجر به یک رابطه غیر خطی بین تنش و کرنش در سطوح کرنش بالاتر می شود. برای این پلیمرهای انعطاف پذیر، افزایش تنش موضعی کمتر از نسبت افزایش کرنش موضعی است.

شکل ۱ ضریب تمرکز تنش کششی، K، برای یک مقطع مستطیلی با یک سوراخ دایره ای مرکزی

شکل ۲ تمرکز تنش کششی در لبه سوراخ برای مواد با رفتار تنش-کرنش خطی و غیرخطی

در طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی شکل قطعه پلاستیکی برای طراحی قالب بسیار مهم می باشد و از این رو در نظر گرفتن تمرکز تنش در قطعات پلاستیکی برای طراحی شکل آن ها موضوع بسیار مهمی در زمینه طراحی قالب های تزریق پلاستیک می باشد.

ساده سازی هندسه قطعات پلاستیکی

در ادامه بحث طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی به مبحث ساده سازی هندسه قطعات پلاستیکی پرداخته خواهد شد. انجام درست این موضوع می تواند در تولید نقش به سزایی داشته باشد.

قطعات پلاستیکی از نظر پیچیدگی هندسی متفاوت هستند. با این حال، معمول است که قطعات پلاستیکی قالب‌گیری شده دارای هندسه نسبتاً پیچیده باشند، زیرا یکی از مزایای عمده مواد پلاستیکی توانایی آنها در قالب‌گیری به اشکال پیچیده است. به منظور پیش‌بینی تنش‌ها، کرنش‌ها، یا انحراف‌های ناشی از بارگذاری سرویس پیش‌بینی‌شده، ممکن است لازم باشد هندسه قطعه را تا حدی وابسته به تکنیک تحلیل مورد استفاده ساده کنیم.

فرمول های کلاسیک برای تنش و کرنش به دست آورده شده است و در کتابچه های راهنما برای اکثر هندسه های منظم آورده شده است. این هندسه ها عبارتند از: تیرهای مستقیم، مخروطی یا منحنی، ستون ها، صفحات یا پوسته های دوار.

هندسه قطعات پلاستیکی را اغلب می توان با استفاده از یک یا چند مورد از این اشکال هندسی اصلی تقریب زد. قسمت نشان داده شده در شکل 1 را در نظر بگیرید که از یک سطح صاف با تکیه گاه های یکپارچه در امتداد دو طرف کوتاه تشکیل شده است. یک باس توخالی کوچک از دیواره قسمت اسمی بیرون می‌آید و برای دریافت یک اینسرت فلزی با رزوه داخلی طراحی شده است.

تجزیه و تحلیل ساختاری این محصول شامل چندین محاسبه جداگانه است. به عنوان مثال، یک محاسبه، روی تنش ها و کرنش های حلقه در دیواره کاسه توخالی مرتبط با فشار دادن یک اینسرت فلزی بزرگ به سوراخ دریافت تمرکز می کند.

هندسه باس توخالی را می توان به عنوان یک پوسته استوانه ای با مقادیر شعاع داخلی و خارجی مشخص توصیف کرد. تنش ها و کرنش ها (به عنوان مثال تنش های شعاعی) مرتبط با فشار دادن اینسرت فلزی به باس توخالی را می توان با استفاده از فرمول های مناسب برای پوسته های استوانه ای محاسبه کرد. یک طراح همچنین می تواند نیروی مربوط به عملیات پرس را تعیین کند. نیروهای مرتبط با فشار دادن اینسرت به باس باعث انحراف (و تنش) در امتداد سطح محصول افقی می شود. این مشکل طراحی سازه دوم را می توان با استفاده از تجزیه و تحلیل تیر یا صفحه ارزیابی کرد. نیروهای واکنش ناشی از مشکل باس به عنوان شرایط بارگذاری برای مشکل انحراف تیر یا صفحه استفاده می شود.

معمول است که قطعات با هندسه پیچیده را به یک سری از قطعات فرعی با هندسه منظم تقسیم می کنند و تنش ها و کرنش ها را در هر یک از این قسمت ها به صورت جداگانه ارزیابی می کنند (مانند تیرهای یک سرگیردار، جایی که تیر در آن قرار دارد. به عنوان یک بخش جداگانه در نظر گرفته می شود).

نتایج تحلیل‌های مستقل باید به صورت تقریبی در نظر گرفته شوند، زیرا بخش‌های فرعی واقعاً موجودیت‌های مستقلی نیستند. در این مورد، فرض می‌کنیم که هندسه باس هیچ تأثیری بر صلبیت یا توزیع تنش برای تیر ندارد و این تیر بر رفتار باس توخالی تأثیر نمی‌گذارد. این رویکرد، خطای بزرگی را معرفی می‌کند که به درجه تعامل بین هندسه‌های مختلف مرتبط است. برخی از هندسه های قطعه، را باتوجه به نوع های توصیف شده در بالا می توان تزیه و تحلیل کرد، در حالی که سایر هندسه های پیچیده تر را نمی توان بدون ارائه خطاهای بسیار مهم ساده کرد. در چنین مواردی، تکنیک های تحلیل سازه FEA توصیه می شود.

شکل 1. هندسه های پیچیده تر را می توان به یک سری از هندسه های منظم برای تجزیه و تحلیل تقریبی تقسیم کرد. این موضوع طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی را بسیار ساده تر می کند.