رفتار کوتاه مدت تنش- کرنش

 

در ادامه مبحث  قالب های تزریق پلاستیک جهت طراحی و ساخت علمی قطعات پلاستیکی، مبجث رفتار تنش-کرنش مورد بررسی قرار می گیرد. داده‌های تنش-کرنش کوتاه‌مدت (یا منحنی‌ها) نسبتاً آسان هستند و اساساً برای همه مواد پلاستیکی در دسترس هستند. همانطور که از نام آن پیداست، آزمایش های کوتاه مدت در یک بازه زمانی محدود (معمولاً دقیقه) انجام می شود و معمولاً در شرایط آزمایشگاهی ایده آل انجام می شود.

مقادیر مختصات مواد کوتاه مدت (برگ داده) توصیف دقیقی از عملکرد/قابلیت های مکانیکی یک ماده را نشان نمی دهد. با این حال، آنها مبنایی را برای غربالگری و انتخاب مواد اولیه فراهم می کنند (شکل پایین صفحه).

داده‌های تنش-کرنش کوتاه‌مدت ارائه‌شده توسط تأمین‌کنندگان مواد معمولاً با استفاده از روش‌های آزمایش استاندارد و شرایط آزمایش (معمولاً با استفاده از نرخ ثابت حرکت متقاطع در یک دستگاه آزمایش جهانی) تولید می‌شوند.

بیشتر داده های تنش-کرنش کوتاه مدت در شرایط استاندارد دمای اتاق/50 درصد رطوبت نسبی تولید می شوند. با توجه به حساسیت دمایی اکثر مواد پلاستیکی، اگر آزمایش‌ها در محدوده وسیع‌تری از شرایط محیطی انجام شوند، می‌توان مشخصات عملکرد کامل‌تری را ایجاد کرد.

مواد پلاستیکی نیز ویسکوالاستیک هستند و بنابراین رفتار وابسته به زمان از خود نشان می دهند. مواد پلاستیکی تا حدی الاستیک هستند، توانایی ذخیره انرژی را دارند و تا حدی چسبناک هستند، انرژی را به صورت گرمای اصطکاکی پراکنده می‌کنند و در نتیجه رفتار غیرخطی و تغییر شکل دائمی ایجاد می‌کنند.

نرخ تغییر شکل مربوط به روش آزمایش بر رفتار چسبناک و در نتیجه نتایج آزمایش تأثیر می گذارد. بیشتر منحنی‌های تنش-کرنش کوتاه‌مدت با نرخ‌های نسبتاً کم تغییر شکل ایجاد می‌شوند.

در نرخ‌های بالاتر تغییر شکل (مانند بارگذاری ضربه)، مواد پلاستیکی سفت‌تر و شکننده‌تر به نظر می‌رسند، در حالی که در نرخ‌های پایین‌تر تغییر شکل، انعطاف‌پذیرتر و انعطاف‌پذیرتر به نظر می‌رسند. نرخ های بالاتر تغییر شکل مشابه دماهای پایین تر است، در حالی که نرخ های پایین تر مشابه دماهای بالاتر است.

 

 

رفتارهای مکانیکی مواد پلاستیکی تحت تأثیر عوامل محیطی مانند دما و رطوبت نسبی و عواملی مانند میزان بارگذاری است.

 

رطوبت نسبی نیز یک عامل مهم برای موادی مانند نایلون است زیرا آب به عنوان یک نرم کننده عمل می کند و تمایل دارد که پلیمر را انعطاف پذیرتر کند. مهم است که داده‌های آزمایشی مورد استفاده برای مقاصد غربالگری/مقایسه مواد در همان شرایط آزمایش (به عنوان مثال نرخ کرنش، دما و غیره یکسان) تولید شود تا بتوان مقایسه دقیقی انجام داد. داده های گزارش شده توسط سازندگان مواد معمولاً با استفاده از استانداردهای ASTM یا ISO تولید می شوند که اکثر متغیرهای مهم را مشخص می کنند.

داده های تنش-کرنش کوتاه مدت در درجه اول برای انتخاب مواد اولیه استفاده می شود. با این حال، داده‌ها می‌توانند برای طراحی مفید باشند، مشروط بر اینکه دماها و نرخ‌های بارگذاری (یا کرنش) مرتبط با روش آزمایش با کاربرد نهایی برابر باشد.

با این حال، حتی در آن زمان نیز، اثرات فرآوری، پیری و مواد شیمیایی بر خواص مکانیکی مواد باید مورد توجه ویژه قرار گیرد.

شرکت نوآوران علوم مهندسی پویا آماده ارائه خدمات مشاوره در مبحث قالب های تزریق پلاستیک جهت طراحی و ساخت علمی قطعات پلاستیکی می باشد.

در ادامه مبحث طراحی و ساخت قطعات و قالب های تزریق پلاستیک ، به مبحث اصلاح طراحی قطعه برای مرحله ساخت قطعات پلاستیکی پرداخته می شود.

 

مرحله 6 – اصلاح طراحی قطعه برای مرحله ساخت

 

هنگامی که مواد و طرح اولیه مشخص شد، طرح باید برای ساخت تغییر یابد. ورودی مهندسان ابزار و فرآیند بسیار ارزشمند است. هندسه قطعه ای که توسعه داده شده است باید قابلیت قالب گیری شدن را داشته باشد.

 

روش های انتخاب مواد بر اساس خواص آن ها می تواند برخی از سوگیری ها را از فرآیند انتخاب مواد حذف کند.

 

طراحان باید تاثیری را که مراحل مختلف فرآیند قالب گیری تزریقی می تواند بر طراحی قطعه داشته باشد در نظر بگیرند. هر مرحله از فرآیند قالب‌گیری تزریقی، یعنی پر کردن قالب، بسته‌بندی، نگهداری، خنک‌کردن و خروج از قالب، نیازمندی‌های خاص خود را دارد که قبلا توضیح داده شده است.

قسمت نشان داده شده در شکل زیر را در نظر بگیرید. این قطعه با دنده هایی برای تحمل بارهای حین عملیات قطعه طراحی شده است. در عمل، قطعه باید با شعاع هایی برای کمک به جریان (و کاهش مقدار تنش)، زوایای پخ برای کمک به بیرون ریختن قطعه، و بافت سطحی برای بهبود ظاهر بصری علائم فرورفتگی (سینک) (به دلیل انقباض مواد) روی دیوار اصلاح شود. از نقطه نظر طراحی تنها تعداد کمی از اصلاحات ممکن برای ساخت وجود دارد. تأثیر این اصلاحات بر عملکرد نهایی قطعه باید پس از انجام آنها ارزیابی شود، زیرا تغییرات طراحی، مانند افزودن زوایای پیش ران به دنده ها، می تواند تأثیر قابل توجهی بر حداکثر انحرافات و تنش های ناشی از آن داشته باشد. بکارگیری چک لیست های طراحی قطعات، مانند آنچه در شکل دوم در پایین صفحه نشان داده شده است، می تواند در طول مراحل برنامه ریزی یا به عنوان بررسی های نهایی برای اطمینان از در نظر گرفتن تمام جنبه های ساخت و مونتاژ مفید باشد.

 

 

طراحی قطعه باید برای نگرانی های تولید اولیه و ثانویه (انقباض، زوایای پخ، هدایت کننده های جریان و غیره) اصلاح شود. تأثیر این تغییرات بر عملکرد مصرف نهایی قطعه باید ارزیابی شود

 

شرکت نوآوران علوم مهندسی پویا آماده ارائه خدمات مشاوره در زمینه طراحی قطعات پلاستیکی و طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک به صنعتگران گرامی می باشد.

مرحله 4 – طراحی قطعه پلاستیکی مطابق با مواد انتخاب شده

 

در ادامه بحث طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک و قطعات پلاستیکی ٬ مرحله طراحی قطعه پلاستیکی مطابق با مواد انتخاب شده در ادامه توضیح داده خواهد شد.

در این مرحله از فرآیند طراحی، داشتن چندین ماده نامزد برای کاربرد مورد نظر مفید است. از آنجایی که تفاوت هایی در خواص گریدهای مواد به صورت تنها وجود دارد، تفاوت هایی در هندسه محصول مرتبط با هر یک از مواد مختلف نیز وجود خواهد داشت.

به عنوان مثال، یک طراح٬ پلی اتیلن، پلی پروپیلن و نایلون 6/6 با چگالی بالا را برای کاربردهایی که شامل بارهای ساکن و قرار گرفتن در معرض حلال آلی است در نظر گرفته است.

طراح احساس می کند که هر یک از این سه ماده دارای شایستگی های خاص خود هستند. تا زمانی که هر قطعه طراحی نشده باشد، انتخاب نهایی (بر اساس ملاحظات اقتصادی) غیرممکن است، زیرا مصرف مواد و زمان چرخه ساخت در هر مورد متفاوت خواهد بود. نایلون 6/6 ماده پرهزینه تری در واحد وزن یا حجم است، اما ضخامت دیواره و کاهش زمان چرخه ممکن است هزینه مواد خام بالاتر را جبران کند.

 

 

 

هنگامی که چندین ماده کاندید انتخاب شدند، می توان قطعات را مطابق با خصوصیات مواد پلاستیکی منفرد طراحی کرد. به عنوان مثال، ضخامت دیواره هم تحت تأثیر خواص جریان و هم سختی مواد قرار می گیرد

 

هندسه های قطعه نشان داده شده در شکل بالا دارای مقادیر سفتی معادل هستند زیرا مقادیر مدول مقطع یا گشتاور اینرسی برای جبران مقادیر مدول مختلف هر ماده تنظیم شده است. در حالی که این یک مثال ساده است، در عمل، بسیاری از ویژگی‌های هندسی دیگر مرتبط با عملکرد نهایی یا مونتاژ با توجه به ویژگی‌های ماده خاص متفاوت است.

 

مرحله 5 – انتخاب نهایی مواد

در این مرحله از فرآیند طراحی، طراح باید به یک ماده اولیه برای محصول متعهد شود، در حالی که مواد نامزد باقیمانده را در لیست ذخیره انتخاب خود نگه می دارد، در صورتی که مشکلی پیش بینی نشده در مرحله بعدی توسعه (به عنوان مثال، در طول نمونه سازی یا تولید) شناسایی شود. ). بعید است که هر یک از مواد کاندید کاملاً برای کاربرد مناسب باشد. هر ماده خاصی مزایا و محدودیت های خاص خود را خواهد داشت.

طراح ممکن است بر اساس تجربه گذشته یکی از مواد نامزد را ترجیح دهد. در حالی که کار با مواد آشنا یک مزیت است، سایر مواد انتخاب شده ممکن است برای کاربرد مناسب تر باشند. از سوی دیگر، تصمیماتی که صرفاً بر اساس هزینه‌های مواد و تولید انجام می‌شود، مزایای عملکرد یا پردازش را در نظر نمی‌گیرد. در این مرحله، بهتر است ویژگی های کلی هر ماده کاندید را از نظر هزینه ساخت، ویژگی های عملکرد نهایی و قابلیت پردازش (هم ویژگی های پردازش اولیه و هم ثانویه) در نظر بگیرید.

با رتبه‌بندی هر یک از این ویژگی‌ها، طراحان می‌توانند اساساً انتخابی بی‌طرفانه از بهترین مواد کاندید در تعادل داشته باشند. ویژگی ها یا ویژگی هایی که از اهمیت ویژه ای برخوردار هستند را می توان رتبه بندی وزن داد.

در حالی که رتبه‌بندی‌های عددی منفرد مرتبط با یک ویژگی خاص می‌تواند تا حدودی دلخواه باشد، امیدواریم بر اساس داده‌های ویژگی عددی واقعی باشد. این تکنیک یک روش نیمه کمی برای انتخاب بهترین مواد کاندید در تعادل ارائه می‌کند، اگر همه ویژگی‌های مهم در نظر گرفته شده باشند.

 

روش های انتخاب مواد نیمه کمی می تواند برخی از سوگیری ها را از فرآیند انتخاب مواد حذف کند.

شرکت نوآوران علوم مهندسی پویا آماده ارائه خدمات در زمینه طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک و قطعه های پلاستیکی می باشد.

طرح مفهومی اولیه در طراحی قطعات پلاستیکی

 

نکات مربوط به مرحله طرح مفهومی اولیه در طراحی قطعات پلاستیکی در ادامه به صورت کامل بیان شده است. این نکات در طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک اهمیت بسیار زیادی دارد.

مرحله 2 – طرح مفهومی اولیه

هنگامی که الزامات استفاده نهایی برای محصول مشخص شد، تیم توسعه محصول با طراحان صنعتی برای توسعه طرح های مفهومی اولیه محصول همکاری خواهد کرد.

این طرح ها معمولاً به جای طراحی های CAD، رندرهای سه بعدی هستند. مناطقی از قطعه که مورد توجه خاص هستند برجسته شده و با جزئیات مشخص می شوند.

در این مرحله بهتر است مشخص شود که کدام عملکرد و ابعاد قطعه ثابت و کدام متغیر است. توابع ثابت آنهایی هستند که از نظر طراحی در آنها انعطاف پذیری وجود ندارد (مثلاً ابعاد مشخص شده توسط استانداردها و غیره)، در حالی که توابع متغیر آنهایی هستند که در مرحله اولیه طراحی مشخص نشده اند. به عنوان مثال، نازل های شلنگ باغچه نشان داده شده در شکل زیر را در نظر بگیرید.

 

 

مواد پلاستیکی معمولاً در کاربردهای جایگزینی مواد استفاده می شوند. قسمت پلاستیکی در وسط بسیار شبیه به قسمت فلزی سمت چپ است، در حالی که نازل شلنگ پلاستیکی در سمت راست با تأثیر کمی از محصول فلزی ساخته شده است.

 

وظیفه طراحی در این مورد، طراحی یک نازل شیلنگ تمام پلاستیکی است. اگر به 10 طراح مشخصات محصول معادل داده شود و به طور مستقل از آنها خواسته شود که نازل شیلنگ تمام پلاستیکی را طراحی کنند، این احتمال وجود دارد که 10 طرح مختلف ایجاد شود.

با این حال، جنبه های خاصی از هر طراحی معادل خواهد بود. به عنوان مثال، ابعاد داخلی در نواحی رزوه ورودی معادل خواهد بود، زیرا این ابعاد بر اساس استانداردها تنظیم می شوند و جایی برای تغییر یا خلاقیت وجود ندارد.

با این حال، جنبه‌های دیگر، مانند شکل کلی محصول یا روش استفاده شده برای دریچه‌سازی جریان آب، ممکن است از طرحی به طراحی دیگر متفاوت باشد. یکی از نازل های پلاستیکی نشان داده شده در شکل بالا از نظر ظاهری بسیار شبیه به نازل فلزی ریخته گری است.

به احتمال زیاد طراح قطعه پلاستیکی بسیار تحت تاثیر طراحی فلزی موجود بوده است. از سوی دیگر، نازل شیلنگ پلاستیکی دیگر در شکل بالا همان عملکرد اصلی را انجام می دهد، اما این کار را با استفاده از روش های مختلف انجام می دهد. این محصول ظاهری کاملا متفاوت دارد.

در واقع، در شرایطی مانند این برنامه جایگزینی فلز، بهتر است فقط با مشخصات محصول کار شود تا با قطعه فلزی موجود به تنهایی. هنگامی که یک طراح عملکرد قطعه فلزی را ببیند و ارزیابی کند، اجتناب از تمایل به کپی کردن ساده طرح موجود بسیار دشوار خواهد بود.

اگر طراح به طراحی موجود فکر می کند، خلاقیت و نوآوری که می تواند منجر به بهبود کیفیت قابل توجه و کاهش مولفه/هزینه شود، کمتر محتمل است. علاوه بر این، زمانی که محصولات رقابتی موجود قبل از فرآیند طراحی مفهومی مورد مطالعه قرار گیرند، بدیهی است که احتمال نقض طرح‌های ثبت شده بیشتر است.

نکات مربوط به طرح مفهومی اولیه در طراحی قطعات پلاستیکی به صورت کامل توضیح داده شد. در ادامه، مراحل بعدی مربوط به طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی توضیح داده خواهد شد.  شرکت نوآوران علوم مهندسی پویا آماده ارائه خدمات مشاوره و طراحی در زمینه ساخت و تولید قطعات پلاستیکی و قالب های تزریق پلاستیک می باشد.

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.