قالب گیری چرخشی

قالب گیری چرخشی

قالب گیری چرخشی به نام ها ی Rotomolding , Rotocasting هم نامیده می شود. این روش، فرآیندی برای تولید قطعات پلاستیکی تو خالی است. رقابت هایی بین این دو روش و روش‌های قالب‌گیری دمشی، گرماشکل‌دهی و قالب گیری تزریقی وجود دارد. البته قالب گیری چرخشی مزایای ویژه‌ای از جمله میزان کم تنش‌های پس ماند و قالب‌های نسبتا ارزان را دارا است. علاوه بر این از نظر تولید قطعات یک تکه، توخالی و بزرگ (بزرگ‌تر از 2 متر مکعب) رقبای کمی در برابر این روش وجود دارد. این روش بیشتر برای تولید مخازن شناخته شده است اما می‌تواند برای تولید محصولات پزشکی پیچیده، اسباب بازی‌ها و دیگر وسایل بکار رود. در سال 1995، بازار آمریکای شمالی حدود 364 هزار تن با ارزش 1250 میلیون دلار و دراروپا 101 هزارتن بوده است که در سال 1997 در اروپا این مقدار به 173 هزار تن رسیده است. در سال 1997، ارزش بازار امریکای شمالی 1650 میلیون دلار بوده است. بازار امریکا در دهه ی 90 رشد 10 تا 15 درصدی را در هر سال داشته است. در دهه‌های اخیر با پیشرفت ماشین آلات و قالب ها توجه زیادی به این صنعت شده است و سرمایه گذاری های زیادی بر روی آن صورت گرفته است. فرآیند قالب گیری چرخشی اساس فرآیند شامل وارد کردن مقدار مشخصی از پلاستیک به صورت پودر، دانه (گرانول) و یا مایع با گرانروي زياد به قالب توخالی و پوسته مانند است. قالب حول دو محور اصلی با سرعت های نسبتا کم چرخیده و یا لرزانده می‌شود. پلاستیک درون قالب به دیوار چسبیده و یک لایه را بر سطح قالب ایجاد می‌کند. چرخش قالب در حین مرحله سرمایش نیز ادامه پیدا می کند تا پلاستیک شکل مطلوبش را بگیرد و جامد شود. هنگامی‌که پلاستیک به اندازه کافی سخت شد، سرمایش و چرخش متوقف شده تا قطعه پلاستیکی را از قالب خارج کنند. در این مرحله ، چرخه فرآیند دوباره تکرار می شود. این روش با قالب‌گیری گریزانشي به خاطر سرعت های پایین چرخش (4 تا 20 دور در دقیقه) متفاوت است. نمایی از فرآیند قالب گیری چرخشی و مراحل a. تغذیه قالب b. گرم کردن قالب c. سرمایش d. خروج قطعه از قالب تقریبا همه محصولات تجاری که با این روش تولید می شوند جزو خانواده‌ی پلاستیک های گرمانرم هستند. هرچند که می‌توان از گرما سخت‌ها نیز استفاده کرد. در میان پلاستیک های گرمانرم، بیشتر از بسپارهای نیمه بلورین و مخصوصا پلی الفین‌ها استفاده می شود. مواد مورد استفاده در حال حاضر، پلی‌اتیلن در بسیاری از انواع آن، حدود 85 تا 90 درصد بسپارهای مورد استفاده در قالب‌گیری چرخشی را شامل می‌شود. گونه‌های شبکه‌ای شده پلی اتیلن نیز در قالب گیری چرخشی استفاده می‌شوند. نرماسل PVC نیز حدود 12 درصد مصرف جهانی را در بر می‌گیرد. در شکل زیر میزان مصارف مختلف نشان داده شده است.درصد استفاده از مواد مختلف در فرآیند قالب گیری چرخشی محصولات با کارایی بالا مثل نایلون تقویت شده با الیاف و بدنه‌های هواپیما از جنس PEEK نیز پتانسیل تولید با این فناوري را دارند اما در حال حاضر جز بسیار کوچکی از صنعت را در بر می‌گیرند. تلاش‌هایی برای استفاده از الیاف در قطعات قالب گیری چرخشی صورت گرفته است اما گزارش های کمی از تجاری شدن این محصولات وجود دارد. فرآیند جدید قالب گیری چرخشی شامل فرآیند با فشار اتمسفری است که از پودر ریز استفاده می‌کند و قطعات تقریبا بدون تنشی را نتیجه می دهد. در مورد بسپار مورد استفاده نیز ضروریست که بتواند دماهای بالا را برای مدت طولانی تحمل کند. بدلیل عدم وجود فشار، قالب‌ها معمولا دیواره های نازک دارند و به همین دلیل هزینه تولید آنها نسبتا پایین است. دستگاه های جدید با چند بازو، امکان تولید با استفاده از قالب های مختلف با شکل ها و اندازه های مختلف را به طور هم زمان می دهند. با طراحی مناسب قالب می‌توان قطعات پیچیده ای را که تولید آن با روش های دیگر مشکل و یا غیر ممکن است مانند جعبه های دو جداره با پنج وجه را تولید کرد. با کنترل فرآیند صحیح و طراحی قالب مناسب، ضخامت دیواره قطعات بدست آمده با روش های قالب گیری چرخشی بر خلاف قالب گیری دمشی یا گرما شکل دهی دو صفحه‌ای ، کاملا یکنواخت خواهد بود. علاوه بر آن محصولات تولیدی عاری از نقطه و خط و جوش خواهد بود و نيازي به عمليات تكميلي ندارد. این روش دارای معایبی به شرح زیر است: زمان تولید بالا، امکان انتخاب محدود مواد مورد استفاده، هزینه بالای مواد بدلیل استفاده از افزودنی های خاص، همچنین استفاده از ماده‌ی پودر شده و مشکل بودن قالب گیری بعضی از شكل‌ها. ماشین‌های قالب گیری چرخشی روش‌های زیادی برای دستیابی به اهداف ضروری مثل چرخش قالب ، حرارت دادن و سرمایش وجود دارد. طبق تخمین های زده شده، تقریبا 40 درصد ماشین های قالب گیری چرخشی در آمریکا دست ساز هستند. از 60 درصد باقیمانده، 70 درصد بیش از 10 سال و 40 درصد بیش از 20 سال عمر دارند. درصد ماشین‌های دست ساز در دیگر نقاط دنیا بیشتر است. از آنجاییکه قطعات قالب گیری دمشی محدوده حجمی از 0.05 تا 10000 لیتر را در بر می گیرند، لذا دسته بندی کلی ماشین ها دشوار است. وجوه مشترک همه ی فرآیندها شامل چرخاندن، حرارت دادن و سردکردن است. همچنین خارج کردن محصول و بارگذاري دوباره‌ی پلاستیک به قالب نیز مورد نیاز است. اما همه ماشین ها نیاز به مراحل گرمايش و سرمایش ندارد. اگر از مایع واکنشگری مثل اپوکسی یا رزین پلی استر غیر اشباع دارای ماده‌ي پخت استفاده شود، تشکیل ساختار تک لایه بدون حرارت دهی خارجی انجام می شود. تعدادی از ماشین های تجاری قالب گیری چرخشی در زیر شرح داده شده اند: 1-ماشین‌های چرخشي- لرزشي (Rock- and- Roll) طراحی این ماشین ها به گونه ای است که یک محور عمل لرزاندن و محور عمودی یک چرخش 360 درجه ای انجام می دهد. به طور کلی ماشین های که قادر به ایجاد چرخش 360 درجه حول دو محور عمودی هستند جایگزین امكانات چرخش و لرزش شده اند. این ماشین ها معمولا دارای یک قالب در محفظه قالب طراحی شده ، سرعت گردش کم معمولا 4 دور در دقیقه و زاویه ی لرزش کمتر از 45 درجه هستند. معمولا در این ماشین ها از حرارت دهی مستقیم گاز برای گرم کردن قالب های صفحه ی فلزی استفاده می شود. این ماشین ها چرخش دومحور کاملی را فراهم می کنند و این مزیت را دارند که محور افقی می تواند از هر دو انتها جازده شوند. قالب ها بر روی محور اصلی قابل چرخش قرار می گیرند. هنگامیکه در گرمخانه بسته می شود، محور اصلی می چرخد و قالب را توسط دنده ها به صورت چرخ و فلکی می چرخاند. هوای گرم شده تا رسیدن به دمای مناسب برای بسپار چرخانده می شود. مرحله ی سرمایش نیز توسط هوا و آب صورت می گیرد. در بعضی از طراحی های این ماشین ها، قالبها گرمخانه را در انتهای مرحله ی حرارت دهی ترک می کنند و سرمایش در خارج گرمخانه انجام می گیرد. در این روش در حین سرمایش قالبهای قبلی، گرمخانه برای وارد کردن دیگر قالب ها خالی می شود.ماشین دهانه صدفی در فرآیند قالب گیری چرخشی 3- ماشین های عمودی این نوع جدید از طراحی ماشین ، دارای یک محور افقی مرکزی است که قالب ها بر روی بازوها قرار می گیرند. در زمانهای مناسب، محور مرکزی قالب ها را به اندازه ی 120 درجه متوازن می کند و با این کار باعث حرکت ترتیبی آنها گرمخانه، منطقه ی سرمایش و ناحیه ی سرویس می شود. مزیت این طرح حجم تولید بالا برای قطعات کوچک و امکان تولید در فضاهای با طبقات کوچک است. ماشین عمودی 4- ماشین های خطی (shuttle) ماشین های خطی برای فقط طراحی شده اند. طراحی های مختلفی از این ماشین ها وجود دارند. در یکی از طراحی ها، قطعات قالب بر روی یک ریل حمل کننده طراحی شده است که از ایستگاههای سرویس و سرمایش به سمت ایستگاه گرمخانه همچنین برعکس، به صورت خطی حرکت می کنند. بازدهی ماشین های خطی با استفاده از طراحی حمل کننده ی دوگانه افزایش یافته است، که در این طراحی گرمخانه، همیشه با گرم کردن یک قالب اشغال می شود. در حالیکه قالب در حمل کننده های دیگر در حال سرویس و یا سرد شدن است. اگر زمان سرد شده و سرویس قالب برابر با زمان گرم شدن باشد. این سیستم می تواند به حالت بهینه با خروجی حداکثر دست یابد. نکته کلیدی برای عمر و دوام این ماشین، محافظت موتور محرکه از دماهای بالای گرمخانه و همچنین عدم استفاده از آب سردکننده خورنده است. نمای کلی از یک ماشین خطی که در آن نمونه B در بخش گرمخانه و A در حال سرویس می باشد 5- ماشین چرخ فلکی افقی با بازوهای ثابت ماشین های چرخ فلکی با چرخشی برای تولید طولانی قطعات متوسط تا نسبتا بزرگ طراحی شده اند. که یکی از متداولترین انواع ماشین ها در صنعت هستند. ماشین های اولیه آن دارای سه بازو با فاصله ی 120 درجه از هم بودند که توسط یک برجک مرکزی حرکت می کنند. در این ماشینهای همه بازوها با هم حرکت می کنند. یک بازو در هر زمانی در یکی از سه ایستگاه گرمایش، سرمایش و یا سرویس است. از جمله مزیت های آن مستقل بودن فرایند هریک از قالبها و همچنین امکان استفاده از مواد مختلف در هریک از بازوهاست.ماشین چرخ فلکی افقی با بازوهای ثابت 6-6- ماشین های با بازوهای مستقل اخیرا این گونه ماشین ها برای بهبود قابلیت تغییر و تنوع پذیری ماشین های چرخشی طراحی شده اند. ماشین های فعلی دارای پنج ایستگاه بوده می توانند دو، سه و یا چهار بازوی با تناوب مستقل از یکدیگر داشته باشند نکته کلیدی برای قابلیت تغییر، کمتر بودن تعداد بازوها نسبت به ایستگاههاست که به استفاده کننده اجازه ی انتخاب ایستگاههای خالی به عنوان ایستگاه کمکی گرمخانه، ایستگاههای کمکی سرمایش و جدا کردن مراحل بارگیری و خارج سازی در مراحل سرویس رامیدهد. اگرچه این ماشین های گرانتر از ماشین ذکر شده هستند اما برای عملیات منحصر به هر کارخانه برای این فرآیند ایده آل هستند و در حال حاضر عمده فروش ماشین های جدید را در بر می گیرند. ماشین های دیگر از جمله ماشین های با ژاکت گرم شونده با روغن ( که موثرتر از هوای گرم است) و همچنین گرمایش قالب توسط گرم کننده های الکتریکی هستند. ماشین با بازوهای مستقل محصول Polivinil ایتالیا پیشرفت های اخیر در زمینه ی قالب گیری چرخشی دانشگاه کوئینز (Queen s) در Belfast در ایرلند شمالی ، سالهای متمادی پیشرو در توسعه سیستم‌های کنترلی و مدلسازی فرآیند قالب گیری چرخشی بوده است. در اوایل دهه 1990، یک گروه تحقیقاتی در کوئینز سیستم Rotolog را برای نمایش دمای هوای درون قالب توسعه وگسترش داد که این سیستم در حال حاضر توسط شرکت ماشین سازی آمریکایی Ferry, k-kontrol, Datapag در این زمینه به بازار آمده اند. این محصولات امکان کنترل زیادی را به فرآیند کار می دهد اما صنعت هنوز این فناوري‌های جدید را به اندازه ی کافی مورد استفاده قرار نداده است. گروه دانشگاه كوئینز همچنین روش کاری برای بهبود داخلی و سطح سوراخ دار با افزایش فشار داخل قالب و مقاومت آن حل کردن گازها در پلاستیک ارایه داده است که پیش تر این مشکل به عنوان یک مشکل غیر قابل اجتناب در نظر گرفته می شد. پیشرفت‌های اخیر در زمینه ی فناوري قالب گیری چرخشی منجر به فرآیندهایی با کاهش هزینه هایی انرژی تا 70 درصد و چرخه های زمانی نصف حالت متداول شده است. از جمله این پیشرفت ها می توان به حرارت دهی با امواج مایکرو ویو و سردکردن داخلی با پاشش آب به درون قطعه اشاره کرد. یکی از همکاران فعال با این مرکز دانشگاهی، Rototek است که طراحی و ساخت ماشین آلات مربوط به خود را انجام می دهد که یک سیستم کنترل فرآیند برای این ماشین آلات و همچنین برای دیگر سازندگان و دستگاههای قالب گیری چرخشی ارایه می دهد. ماشین کاملا خودکار Leoard از Persica در برگامو ایتالیا، با سیستم حرارت دهی روغن و خنک کنندگی آب شاید بتوان یکی از پیچیده ترین و در عین حال کاراترین ماشین های قالب گیری چرخشی از نظر حرارت دهی در بازار داشت. شرکت ماشین سازی Rototek از برزیل نیز ماشین های بزرگی از نوع Rak- and- Rall را ارایه می‌کند. که دارای گرمخانه‌اي با 7 متر طول، 3 متر عرض است و برای تولید مخازن ذخیره سازی بزرگ بدنه‌ی قالب و... بکار می رود. محصولات خلاقانه قالب گیری چرخشی يكي از محصولات خلاقانه برای جلوگیری و ممانعت از جاری شدن سیل بکار می‌رود. این محصول شامل قطعات به هم متصل شونده‌اي است که با استفاده از پلی اتیلن با چگالی متوسط در شرکت Oakand Plastics در بیرمنگام و با استفاده از قالب گیری چرخشی ساخته شده است. این محصول همانند سدی در برابر سیل عمل کرده و دارای وزن سبک و راحتی حمل و نقل است که قابل استفاده به صورت دایمی و موفق و جایگزینی برای کیسه های شن متداول می باشد. تعداد کمی از این محصول قبل از طوفانی کاترینا در می سی سی پی مورد استفاده قرار گرفتند که این نمونه ها بعد از طوفان هم هنوز وجود دارند. و وظیفه‌ی خود را به خوبی انجام می دهند. یکی دیگر از محصولات جالب از شرکت Rotock ، یک سفال تهویه پشت بام است که با همکاری شرکت ساختمان سازی Red land تولید شده است. این طرح که جایزه طراحی را نیز برده است. از یک روش دارای ثبت اختراع برای قالب گیری درونه‌ايی 12 برای تهویه ی کباب پز بکار می رود. که با این کار دیگر نیاز به سرهم کردن قطعات بعد از تولید نیست. نمونه های قدیمی این پوشش های پشت بام توسط قالب گیری تزریقی ارایه می شدند که روش جدید برای تهیه آنها به صرفه تر و محصول نهایی محکم تر است. ایتالیا پیشرو در این مسیر ماشین سازان ایتالیایی فعالیت زیادی در اینگونه ماشین ها دارند. نام‌های پیشرو شامل Caccia Enginering در سامارات Polivin Rotomaching در سرانو و Roto Plastic International در بینات است. این شرکت در توسعه ی محصولات خود بیشتر به دنبال کنترل بهبود یافته تر هستند. مدلهای Roaut با دو بازو از شرکت Caccia برای کنترل چرخه ی خودکار دارای PLC و همچنین کنترل دمای داخلی قطعه هستند. Roto Plastic نیز Temp logger را به عنوان یک مجموعه در ماشین آلات خود ارایه می‌کند. که به فرآیندکار امکان افزایش تکرار پذیری فرآیند. کاهش نوسانات در مصرف مواد. بهبود سودمندی را می‌دهد. هم‌چنین این محصول تولید قطعات چندلایه با استفاده از مواد مختلف را در صورت نیاز میسر ساخته است. Templogger هم‌چنین بهبود دیگر قسمتهای ماشین را نیز میسر ساخته است. از جمله این مواد می‌توان به چرخش هوا درون گرمخانه اشاره کرد. با اصلاح جهت و مقدار جریان هوا، قالب‌ها می‌توانند به طور موثری حرارت داده شوند. همچنین این قابلیت را ایجاد کرده است تا اندازهی مشعل ها را برروی ماشین هاتغییر دهد. علاوه بر آن، سامانه ای برای سرمایش با دمش هوا را توسعه داده است و می‌توان زمان‌های سرد شدن را تا 20 درصد کاهش دهد. شرکت Polivini نیز اخیرا یک سیستم ثبت شده ای را ارایه کرده است. که داده های واقعی را برروی دماهای هوا و مواد در طول تمام چرخه ی تولید (حرارت دهی و سرمایش) فراهم میکند. در این سیستم هنگامیکه پارامترهای پایه ای فرآیند را تعین میکنید. ماشین به طورخودکار خودش را با هرگونه تغییری در شرایط کاری شامل دمای محیط مواد مورد استفاده هماهنگ می کند. به علاوه بر آن این شرکت بازدهی سامانه‌ی هوای گرم را بهبود داده است. تا برای قالبهای با اندازه ها و شکل های مختلف قابل تطبیق شود.

واژه نامه قالب گیری چرخشی Rotational molding

قالب گیری دمشی Blow molding

گرماشکل دهی Thermo forming

قالب گیری تزریقی Injection molding

تنش های باقي‌مانده Residual Stresses

قالب‌گیری گریزانشي Centrifugal Casting

گرمانرم Thyme plastic

گرماسخت Thermoset

گونه Grade

نرماسل plastisol

گرما شکل‌دهی دو صفحه ای Twin- sheet thermo forming

قالب گیری درونه‌اي Insert molding

منبع: مجله بسپار