فرآیند طراحی قطعات پلاستیکی

 

در حالی که فرآیند طراحی قطعات پلاستیکی با استفاده از روش های مهندسی همزمان به بهترین وجه انجام می شود، یک سری مراحل (برخی با همپوشانی موازی) وجود دارد که با طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی مرتبط است. برای شرح به صورت تصویر، در نظر گرفتن مراحل اساسی زیر در طراحی قطعه راحت تر است.

 مرحله 1: تعریف الزامات استفاده نهایی

 مرحله 2: طرح مفهومی اولیه ایجاد کنید

 مرحله 3: انتخاب مواد اولیه

 مرحله 4: طراحی قسمت مطابق با خواص مواد

 مرحله 5: انتخاب نهایی مواد

 مرحله 6: طراحی را برای تولید اصلاح کنید

 مرحله 7: نمونه سازی

 مرحله 8: ابزارسازی

 مرحله 9: تولید

 

بسیاری از فعالیت های طراحی و توسعه در هر یک از این حوزه ها به صورت موازی انجام می شود. با این حال برای اهداف بحث، ما به هر مرحله از فرآیند طراحی به صورت جداگانه نگاه خواهیم کرد.

مرحله 1 – تعریف الزامات استفاده نهایی

کل فرآیند توسعه محصول با تعریف کامل مشخصات محصول و الزامات استفاده نهایی آغاز می شود. از آنجایی که این اولین مرحله توسعه است، شاید مهمترین مرحله باشد زیرا طراحان و مهندسان محصولی را بر اساس این مشخصات توسعه خواهند داد.

اگر مشخصات ناقص یا نادرست باشد، محصول برای کاربرد مناسب نخواهد بود. مشخصات زیربنا و پایه ای هستند که طراحان بر آن بنا می کنند. مهم است که الزامات مصرف نهایی محصول به صورت کمی “و نه کیفی” توصیف شود.

عباراتی مانند قوی یا شفاف جای زیادی برای تفسیر نادرست باقی می گذارد. بهتر است بگوییم که محصول باید در برابر برخورد از ارتفاع یک متری روی بتن در دمای 20- درجه سانتیگراد مقاومت کند یا شفافیت باید بیش از 88 درصد برای مدت پنج سال باقی بماند تا اینکه به سادگی نشان دهیم که محصول باید قوی یا شفاف باشد.

متأسفانه، پیش‌بینی و تعیین کمیت همه الزامات استفاده نهایی برای یک محصول، به ویژه زمانی که احتمال استفاده نادرست در نظر گرفته می‌شود، می‌تواند دشوار باشد.

در کاربردهای های جایگزین، یک تاریخچه محصول برای استفاده وجود دارد. با این حال، زمانی که محصولات کاملا جدید در حال توسعه هستند، این تاریخچه وجود ندارد.

پیش‌بینی تمام الزامات محصول نهایی در این کاربردهای جدید می‌تواند دشوار باشد.

نمونه‌های اولیه (یا مدل‌ها) اغلب در این مرحله از طراحی صرفاً برای کمک به ایجاد درک کامل‌تر از الزامات کاربرد نهایی استفاده می‌شوند. در نظر گرفتن عواملی مانند بارگذاری سازه، شرایط محیطی، الزامات ابعادی، الزامات استانداردها و مسائل مربوط به بازار معمول است.

ملاحظات سازه ای و بارگذاری پیش بینی شده:

انواع بارگذاری، میزان بارگذاری، مدت بارگذاری، دفعات بارگذاری و … باید در نظر گرفته و مشخص شود.

بارهایی که ممکن است در هنگام مونتاژ، حمل و نقل، ذخیره سازی و استفاده نهایی رخ دهد، همگی باید در نظر گرفته شوند. پیشرفت‌ و بهبود بسته‌بندی، برای محافظت از محصول در طول حمل و نقل و ذخیره‌سازی، معمولاً به موازات فرآیند طراحی قطعات پلاستیکی انجام می‌شود.

طراحان قطعات باید هر دو حالت متوسط ​​(شرایط بارگذاری معمولی) و بدترین سناریوها را در نظر بگیرند. شاید سخت‌ترین تصمیم‌ها در اینجا تصمیماتی باشند که بین بدترین سناریوی بارگذاری در مقابل پتانسیل آماری برای این بار و همچنین در مقابل پیامدها/نتایج خرابی فاجعه‌بار تعادل برقرار می‌کنند.

محصولاتی که برای برآورده کردن سطوح نامعقول عدم استفاده درست طراحی شده‌اند، به احتمال زیاد بسیار گران هستند، در حالی که محصولاتی که استفاده نادرست را در نظر نمی‌گیرند، احتمالاً نرخ خرابی بالایی را در خدمات تجربه می‌کنند.

طراح باید توجه زیادی به موضوع قابلیت اطمینان داشته باشد، به ویژه زمانی که خرابی محصول می تواند منجر به آسیب شخصی شود.

به صورت کلی موارد بالا برای طراحی قطعات پلاستیکی بسیار مهم و حیاتی می باشد.

 

 

رویکردهای “موازی” یا “مهندسی همزمان” برای طراحی محصول، زمان توسعه را کاهش می‌دهد، کیفیت را بهبود می‌بخشد و پتانسیل مشکلات تولید یا عملکرد پیش‌بینی نشده را به حداقل می‌رساند.

 

شرکت نوآوران علوم مهندسی پویا در زمینه طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی به صورت ویژه خدمات مشاوره ارايه می دهد.

فرآیند طراحی و انتخاب مواد در قالبسازی تزریق پلاستیک

 

در ادامه بحث طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک به موضوع فرآیند طراحی و انتخاب مواد در قالبسازی تزریق پلاستیک پرداخته خواهد شد.

قالب گیری تزریقی یک فرآیند تولید با نرخ بالا است که می توان از آن برای تولید قطعات پلاستیکی با هندسه بسیار پیچیده استفاده کرد. این فرآیند را می توان با مواد ترموست و مواد ترموپلاستیک برای تولید محصولاتی که انواع نیازهای مصرف نهایی را برآورده می کنند استفاده کرد.

هنگام طراحی قطعات پلاستیکی، طراحان باید تعدادی از مسائل مربوط به زیبایی، عملکرد و ساخت را در نظر بگیرند. طراحی قطعه نهایی باید الزامات هر یک از این مناطق مجزا را برآورده کند، که در بسیاری از موارد با یکدیگر در تضاد هستند.

تعدادی از رویکردهای متفاوتی وجود دارد که می توان هنگام توسعه یک محصول جدید اتخاذ کرد. از لحاظ تاریخی، قطعات یا محصولات جدید با استفاده از روش مهندسی متوالی یا “روی دیوار” برای طراحی همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، توسعه یافته اند.

 

 “مهندسی ترتیبی” یا رویکرد “بر روی دیوار” برای طراحی محصول

 

فرآیند طراحی روی دیوار با ایده محصول جدیدی که توسط گروه های بازاریابی ایجاد می شود که نیاز را مشخص کرده اند و الزامات استفاده نهایی را برای محصول مشخص کرده اند، آغاز می شود.

سپس این گروه اول پروژه را برای مرحله بعدی توسعه که معمولاً توسط تیم طراحی صنعتی انجام می شود، از روی دیوار عبور می دهند. طراحان صنعتی شکل، ظاهر و احساس کلی محصول را مشخص می‌کنند و بیشتر به ارگونومی و زیبایی طراحی در مقابل قابلیت ساخت توجه دارند.

هنگامی که آنها مدل های اولیه را توسعه دادند، طرح را به مهندسی محصول منتقل می کنند.

گروه مهندسی پروژه عموماً مسئول انتخاب مواد و فرآیندهایی است که در نهایت برای ساخت قطعه مورد استفاده قرار می گیرد و اطمینان حاصل می کند که محصول تمام الزامات مصرف نهایی را برآورده می کند.

برای مثال، طراح صنعتی ممکن است ظاهر بیرونی محفظه کامپیوتر را که در شکل بالا نشان داده شده است، مشخص کند، اما گروه مهندسی محصول باید ضخامت کلی دیواره و تعداد دنده هایی را که برای تحمل بار مرتبط با مانیتور نشسته در محفظه آن لازم است، تعیین کند.

اکثر مهندسان محصول هم بر تحلیل های نظری و هم بر آزمایش نمونه اولیه تکیه می کنند. هنگامی که گروه مهندسی محصول کار خود را به پایان رساند، طرح را به مهندسان قالبسازی که هم مسئول طراحی قالب و هم ساخت قالب هستند، منتقل می کند.

استفاده از نرم افزارهای شبیه سازی فرآیند مانند مولد فلو کمک شایانی در طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک خواهد کرد.

قالب گیری تزریقی همزمان (بخش دوم)

 

در ادامه مباحث مربوط به طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک، بخش دوم مربوط به قالب گیری تزریقی همزمان در ادامه توضیح داده خواهد شد.

 

شکل بالا شماتیک مراحل اساسی فرآیند قالب گیری همزمان تزریق را نشان می دهد: (الف) مرحله اولیه پر کردن قالب با تزریق مواد پوسته شروع می شود. (ب) تزریق در مرحله میانی: مواد هسته از طریق قسمت مرکزی جریان می یابد. ج) در رقابت تزریق هسته، هسته تقریباً پر است. پوسته شکسته نیست و به طور یکنواخت هسته را در بر می گیرد. (د) پس از تکمیل تزریق هسته، شیر به موقعیت شروع باز می گردد و در آماده سازی شات بعدی از مواد هسته پاک می شود.

کاربردهای رایج شامل تولید:

• قطعات قالب گیری شده سفت و پایدار با کیفیت سطح بالا که با پوسته های تمیز و هسته های تقویت شده با الیاف تولید می شوند.
• محفظه‌های قالب‌گیری شده با قابلیت محافظ تداخل الکترومغناطیسی که با استفاده از هسته تقویت‌شده با فیبر فلزی رسانا و رزین‌های پوسته تمیز تولید می‌شوند، و
• قطعات قالب گیری شده با کیفیت سطح بالا با استفاده از رزین بکر (غیر بازیافتی) برای پوسته و رزین بازیافتی یا غیرمشخصات برای هسته.

کاربرد دوم به صورت ویژه ای جذاب است زیرا هسته 50 تا 60 درصد حجم قالب گیری را تشکیل می دهد و در نتیجه در بسیاری از کاربردها صرفه جویی قابل توجهی در هزینه ها ایجاد می شود.

در حالی که اکثر هندسه ها و مواد ابزار برای فرآیند تزریق همزمان مناسب هستند، محدودیت هایی در ترکیب مواد وجود دارد که می توان از آنها استفاده کرد.

متغیرهای موادی که نگرانی خاصی دارند عبارتند از ویسکوزیته مذاب و مقادیر انقباض قالب (آنها باید دقیقاً مطابقت داشته باشند) و چسبندگی متقابل.

همچنین ممکن است دستیابی به یکنواختی کامل پوسته/ هسته در سرتاسر قطعه دشوار باشد، به ویژه در مناطقی مانند دنده ها و باس ها که تمایل به پر شدن با رزین پوسته دارند.

اگرچه فرآیند تزریق همزمان برای سال‌ها در دسترس بوده است، اما به طور گسترده مورد استفاده قرار نمی‌گیرد، اما شکی نیست که تطبیق پذیری و مزایای این فرآیند منجر به استفاده گسترده‌تر می‌شود.

برای طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک همواره استفاده از نرم افزارهای شبیه سازی بسیار پر سود است. نرم افزار مولد فلو می تواند به صورت بسیار موثری در این زمینه کمک رسانی کند.

فرآیند فوم ساختاری فشار مخالف (متضاد)

 

فرآیند قالب گیری فوم ساختاری فشار مخالف (متضاد)، اصلاحی از فرآیند معمولی‌تر فوم ساختاری فشار کم است که قادر به تولید قطعات فوم ساختاری با ظاهر سطحی و عملکرد مکانیکی بهبود یافته است. در حالی که فرآیند فوم فشار مخالف (متضاد) تا حدودی پیچیده‌تر از فرآیند فشار کم معمولی است (از نظر تجهیزات جانبی و مراحل فرآیند)، صرفه‌جویی مرتبط با کاهش هزینه‌های تکمیل/رنگ‌آمیزی ثانویه می‌تواند بسیار قابل توجه باشد.

فرآیند فشار مخالف (متضاد) با فرآیند فوم ساختاری فشار کم معمولی متفاوت است، زیرا حفره ابزار (معمولاً با استفاده از گاز نیتروژن فشرده) قبل از تزریق رزین و ماده دمنده به داخل قالب تحت فشار قرار می گیرد.

تزریق مذاب به یک قالب تحت فشار، انبساط گازهای عامل دمنده فشرده را به تاخیر می اندازد تا زمانی که بیشتر شات در ابزار باشد هنگامی که گاز فشار مخالف تخلیه می شود.

تأخیر انبساط به پوسته ها (سطوح بیرونی) اجازه می دهد تا قبل از ایجاد انبساط (یا کف) شکل بگیرند و در نتیجه سطحی نسبتاً بدون چرخش ایجاد شود.

در حالی که فرآیند فشار مخالف ممکن است نیاز به رنگ آمیزی را در زمانی که ظاهر حیاتی است به طور کامل برطرف نکند، روش تکمیل آن به این صورت است. به طور کلی تا حدی ساده شده است که فقط یک لایه رنگ مورد نیاز است.

همچنین نشان داده شده است که این فرآیند قطعات فومی با ساختار سلولی یکنواخت تر و پوسته های ضخیم تر تولید می کند.

کاهش چگالی که با فرآیند فشار متضاد قابل دستیابی است، معمولاً 3 تا 8 درصد کمتر از موارد مرتبط با فرآیند فوم ساختاری کم فشار معمولی است.

چگالی بالاتر، سطح بهبود یافته و ساختار پوسته/هسته یکنواخت تر منجر به بهبود قابل توجهی در خواص مکانیکی در مقایسه با فرآیند فشار کم معمولی می شود.

به عنوان مثال، افزایش قابل توجه در کرنش شکست برای قطعات ضدفشار، ایمنی و انعطاف‌پذیری طراحی بیشتری را در زمینه‌هایی مانند طراحی مناسب ضربه‌ای فراهم می‌کند.

با این حال، فرآیند فوم ساختاری فشار مخالف پیچیده‌تر است و به ترتیب‌دهی دقیق برای مراحل فشار، پر کردن قالب و هواگیری نیاز دارد. قالب هایی که در فرآیند مورد استفاده قرار می گیرند باید دارای فشار باشند.

این به طور کلی با استفاده از اورینگ ها در اطراف صفحه قالب، پین‌های هسته، پین‌های خروجی و غیره انجام می‌شود (قالب های فوم ساختاری کم فشار موجود را می‌توان به طور کلی اصلاح کرد) و در نتیجه، هزینه‌های قالب اضافی و تعمیر و نگهداری باید در نظر گرفته شود.

علاوه بر این، حداکثر طول جریانی که با فرآیندهای فشار متضاد امکان پذیر است، به دلیل مقاومت اضافی در برابر پر شدن، معمولاً به میزان 10 تا 20 درصد کاهش می یابد.

در حالی که چند محدودیت وجود دارد، فرآیند فوم ساختاری فشار مخالف مزایای اساسی فرآیند فوم ساختاری کم فشار سنتی را حفظ می‌کند (به عنوان مثال، سفتی خمشی بالا به نسبت وزن، کاهش فرورفتگی، کاهش تاب خوردگی، فشار کم حفره)، اما در هر دو کیفیت سطح و عملکرد مکانیکی بهبودهای بسیار قابل توجهی ارائه می‌کند.

در فرآیند فوم با فشار بالا، در حالی که تکنیک‌های قالب‌گیری فوم کم فشار معمولاً برای تولید قطعات فوم ساختاری استفاده می‌شود، چندین فرآیند با فشار حفره بالا وجود دارد که به میزان کمتری مورد استفاده قرار می‌گیرند.

فشار کویتی که در این فرآیندها با آن مواجه می‌شویم مشابه فشارهای موجود در قالب‌گیری تزریقی معمولی است و در نتیجه، تناژ گیره (و استحکام/سختی ابزار) مورد نیاز برای این فرآیندهای قالب‌گیری فوم با فشار حفره بالا بیشتر از فشارهای کم فشار معمولی است.

فرآیند فوم ساختاری یک فرآیند معمولی می باشد که با تزریق یک مذاب قابل کف به داخل حفره قالب آغاز می شود. حفره کاملاً به روشی معادل قالب گیری جامد پر و بسته بندی می شود.

هنگامی که پوسته های جامد به اندازه کافی تشکیل شدند، حفره تحت یک انبساط کنترل شده (با استفاده از یک هسته متحرک، با لغزش یا از طریق حرکت صفحه) قرار می گیرد و کف ایجاد می شود.

این فرآیند کنترل بسیار خوبی بر وزن و ابعاد قطعه و سطح / رنگ عالی ارائه می دهد.

 

خواص مکانیکی فوم های ساختاری تقویت شده با الیاف تحت تاثیر کاهش چگالی و جهت گیری الیاف است.

 

متأسفانه، این فرآیند قالب گیری تنها با بخش هایی با پیچیدگی محدود قابل استفاده است و هزینه ابزارآلات نسبتاً بالاست.

قالب گیری فوم ساختاری کم فشار (2)

 

طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک بر اساس روش های علمی (قالبسازی علمی) ممکن می باشد. در ادامه٬ بخش دوم نکات مربوط به قالب گیری فوم ساختاری کم فشار برای علاقه مندان بیان شده است.

ضخامت دیوار مورد استفاده در اکثر کاربردهای فوم ساختاری از حدود 4.0 میلی‌متر (قالب‌گیری فوم ساختاری با دیواره نازک) تا 9.0 میلی‌متر است.

با کاهش چگالی در محدوده 10 تا 35 درصد، اگرچه کاهش تراکم 15 تا 20 درصد رایج‌ترین است.

به طور کلی دستیابی به کاهش تراکم بالاتر با قطعات فوم با دیواره نازک‌تر دشوارتر می‌شود، اما قطعات دیواره نازک‌تر ظاهر سطحی بهتری دارند.

هنگامی که قطعات فوم ساختاری کم فشار دارای ضخامت دیواره متغیر هستند، به طور کلی بهتر است که به بخش نازک‌تر قالب‌گیری وارد شوند، زیرا فشار گاز راحت‌تر بخش‌های ضخیم‌تر حفره را پر می‌کند (شکل زیر).

نمایش شماتیک یک قالب گیری فوم ساختاری ترموپلاستیک که انتقال ضخامت دیواره مخروطی و جهت جریان مذاب را نشان می دهد.

 

برخلاف قالب گیری تزریقی معمولی، مشکلی با انجماد زودرس بخش نازک بین بخش ضخیم تر و راهگاه وجود ندارد، زیرا این یک فرآیند فوم شات کوتاه است و در این فرآیند٬ بسته بندی نتیجه فشار داخلی گاز است.

بدون شک، مهم ترین محدودیت فرآیند فوم ساختاری معمولی و کم فشار، کیفیت نسبتاً ضعیف سطحی است که قابل دستیابی است.

در حین پر کردن قالب، با عبور توده در حال انبساط مذاب از داخل حفره قالب، حباب ها یا سلول هایی که با سطح قالب در تماس هستند، تمایل به پارگی دارند.

به دلیل مشکلات مربوط به هواگیری و تشکیل پوسته، یک الگوی چرخشی تغییر رنگ و نسبتاً خشن روی سطح قالب شکل می گیرد.

فوم‌های ساختاری دیواره نازک‌تر به دلیل نیاز به فشار پرکننده بالاتر، ظاهر سطحی بهتری دارند، که تمایل دارد سطح چرخان را تا حدی پر کند.

اصلاحات فرآیندی که منجر به سرعت تزریق سریع‌تر می‌شود، ظاهر سطح قطعات فوم ساختاری را بهبود می‌بخشد. با این حال، مشکلات کیفیت سطح یک مسئله اصلی برای ظاهر اکثر قطعات است.

در برخی موارد، ظاهر چرخشی عمداً برای ایجاد ظاهری مانند دانه چوب ایجاد می شود (ابزارهای بافت نیز می توانند استفاده شوند). با این حال، الگوی چرخش خاص/ظاهر سطحی که مورد نظر است، همیشه قابل دستیابی نیست.

در بیشتر موارد، قطعات فوم ساختاری کم فشار که برای کاربردهای ظاهری طبقه بندی شده‌اند، به منظور بهبود ظاهر سطحی رنگ‌آمیزی می‌شوند.

عملیات رنگ آمیزی معمولاً شامل تعدادی مراحل متوالی از جمله سنباده کاری/پرکردن، بتونه کاری، اعمال رنگ اولیه و بافت سطحی است. بنابراین می تواند هزینه قابل توجهی را به قطعه اضافه کند.

علاوه بر این، معمولاً یک تأخیر زمانی بین قالب‌گیری و رنگ‌آمیزی لازم است تا زمان کافی برای خروج گاز قبل از اعمال رنگ فراهم شود.

دستورالعمل‌های طراحی برای قطعات فوم ساختاری از بسیاری جهات شبیه به موارد مرتبط با قطعات قالب‌گیری تزریقی معمولی است (به عنوان مثال، زوایای پخ کافی، و غیره).

سایر نگرانی های پر کردن قالب، مانند خطوط جوش نیز بسیار مهم است.

یکپارچگی خط جوش می تواند یک مشکل خاص در قالب گیری فوم به دلیل مشکلات تخلیه گاز و فشارهای نسبتا کم حفره مرتبط با فرآیند باشد.

موانع جریان مانند آنچه در شکل پایین دیده می شود٬ باید به گونه ای (نسبت به راهگاه) قرار گیرند و طراحی شوند که از جریان در نواحی جوش نازک و تقویت شده جلوگیری شود.

 ویژگی هایی مانند فرورفتگی ها و اشکال مشابه مانند گریل های کباب پزی باید در جهت جریان تا حد امکان جهت کمک به پر شدن مذاب باشند.

 

جنبه های خاصی از طراحی فوم ساختاری، مانند طراحی ساختاری، به دلیل ماهیت “کامپوزیت” فوم ساختاری پیچیده تر می شود.

مانند قالب‌گیری‌های معمولی، اثرات جهت‌گیری و مورفولوژی ملاحظات مهمی هستند. اما یک طراح فوم ساختاری باید اثرات عواملی مانند ضخامت پوسته، کاهش تراکم کلی و ساختار سلولی را بر روی خواص مکانیکی قالب‌گیری در نظر بگیرد.

شرکت نوآوران علوم مهندسی پویا آماده خدمت رسانی در زمینه های زیر می باشد:

طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک

قالبسازی علمی بر اساس علم روز

ساخت انواع قالب های دقیق تزریق پلاستیک در تیراژهای مختلف