استفاده از كامپوزيت‌هاي چوب

عدم امكان بازيافت و قيمت بالا، همواره دو معضل عمده گسترش كامپوزيت‌هاي پليمري در دنيا بوده‌اند، اما امروزه استفاده از الياف گياهي در ساخت كامپوزيت‌ها، نويدبخش افقي روشن براي صنعت كامپوزيت است. اين الياف براحتي به چرخه طبيعت برگشته و از قيمت بسيار پايين‌تري برخوردارند. كامپوزيت‌ها، درواقع تركيبي از الياف تقويت‌كننده با يك رزين پليمري هستند. يك قطعه كامپوزيتي ساخته شده با اليافت شيشه، پس از اتمام عمرخود، در طبيعت باقي مي‌ماند زيرا نمي‌تواند مانند مواد آلي توسط باكتري‌ها تجزيه شود. اين مشكل حتي با سوزاندن قطعه كامپوزيتي به قوت خود باقي است زيرا سوزاندن، تنها قسمت پليمري قطعه را به طبيعت برگشت مي‌دهد و الياف شيشه در حين حرارت ديدن، همچنان بدون تغيير باقي مي‌مانند. حتي اگر بخواهيم اين الياف را مجدداً مورد استفاده قرار دهيم، خواهيم ديد كه بعد از چند با بازيافت، مقاومت مكانيكي خود را از دست مي‌دهند و به‌صورت ضايعات بلا استفاده در خواهند آمد. از سويي، الياف شيشه درمقايسه با آهن معمولي، گران‌تر بوده و همين عامل باعث شده است تا در بسياري موارد، استفاده از آهن بصرفه‌تر از الياف شيشه باشد. علاوه‌بر آهن، آلومينيم نيز به دليل قابليت‌هاي بالايي كه در فرايندهاي شكل‌دهي از خود نشان مي‌دهد و همچنين مقاومت در برابر خوردگي، يكي از رقباي سرسخت كامپوزيت‌ها به‌شمار مي‌آيند. اين دو معضل، باعث كند شدن ميزان استفاده از كامپوزيت‌ها در صنايع ساختمان و خودرو شده است.
براي مقابله با اين دو نقيصه، فعاليت‌هايي گسترده‌ در زمينه استفاده از الياف گياهي همچون كنف و چتايي در ساخت قطعات كامپوزيتي صورت گرفته است. اين فعاليت‌ها طي دهه گذشته به نحوي چشمگيرافزايش يافته و از سوي كشورهاي توسعه يافته و درحال توسعه همچون امريكا، هند و غيره دنبال مي‌شود. الياف گياهي بسيار سبك بوده و فوق‌العاده ارزان‌تر از الياف شيشه هستند. آنها خواص مكانيكي بسيار خوبي از خود نشان مي‌دهند و بسادگي در انواع فرايندهاي شكل‌دهي كامپوزيت‌ها نظير پالتروژن يا قالب‌گيري فشاري، قابل استفاده هستند. برخلاف آنچه كه از الياف گياهي انتظار مي‌رود، سرعت اشتعال كامپوزيت‌هاي الياف گياهي (WPC) بسيار پايين‌تر از حد تصور است. اين الياف از نظر مقاومت و قيمت، حد واسط پلاستيك‌ها و كامپوزيت‌هاي الياف شيشه محسوب مي‌شوند. بنابراين در ساخت قطعات تزئيني و ساير قطعاتي كه نيازمند مقاومت فوق‌العاده نيستند (اصطلاحاً سازه‌هاي غيرباربر) رقباي مناسبي براي پلاستيك‌ها، فايبرگلاس و حتي چوب و آهن به‌شمار مي‌آيند. در مقام مقايسه نيز كامپوزيت‌هاي الياف گياهي (WPC) نسبت به بهترين پلاستيك‌ها تا 30 درصد مقاوم‌تر هستند. مجموع اين عوامل باعث شده است تا صنايع ساختمان و خودرو به‌عنوان بزرگ‌ترين صنايع مصرف‌كننده كامپوزيت‌ها، استقبال مناسبي از كامپوزيت‌هاي الياف گياهي (WPC) كنند.

WPC چيست؟

در1970 WPC به‌عنوان مفهومي مدرن در ايتاليا ظهوريافت، در اوايل 1990 كاربرد آن در امريكاي شمالي معروف شد و با شروع قرن 21، در هند، مالزي، سنگاپور، ژاپن و چين گسترش يافت. WPC را مي‌توان يكي از بخش‌هاي پوياي صنعت پلاستيك امروز، با ميانگين نرخ رشد سالانه تقريبي 18 درصد در امريكاي شمالي و 14 درصد در اروپا دانست. گزارش‌ها نشان مي‌دهند كه در 1999حدود 460ميليون تن WPC توليد شده و اين ميزان در سال 2001 تا حدود 700 ميليون تن افزايش يافته است.
صنعت پلاستيك، براي اصلاح كارايي پلاستيك‌ها، به‌صورت سنتي از تالك، كربنات كلسيم، ميكا و الياف كربن و شيشه استفاده مي‌كند. صنايع مهم نظير: هوا فضا، خودرو، سازه‌ها و بسته‌بندي، اشتياق زيادي براي گسترش كامپوزيت‌هاي نو نشان مي‌دهند. شاهدي بر اين مدعا، جايگزيني الياف غيرآلي مانند شيشه يا آراميد با الياف گياهي به‌عنوان فيلر است.
به هر كامپوزيتي كه شامل الياف گياهي (چوب يا غير چوب) و مواد ترموست يا ترموپلاست باشد WPC گفته مي‌شود. ترموست‌ها پلاستيك‌هايي هستند كه يك‌بار شبكه‌اي شده و نمي‌توانند دوباره مذاب شوند. اين مواد، شامل رزين‌هايي مانند اپوكسي و فنوليك هستند. ترموپلاستيك‌ها را مي‌توان به دفعات ذوب كرد. اين خصوصيت، به ديگر مواد مانند الياف چوب اجازه مي‌دهد كه با پلاستيك‌ها براي تشكيل محصولات كامپوزيتي مخلوط شوند. PP, PE , PVC به‌صورت گسترده براي WPCها استفاده شده و به‌صورت رايج در محصولات ساختمان، سازه‌ها، اسباب و وسايل و خودرو مورد استفاده قرار مي‌گيرند.
WPC عموماً از اختلاط الياف گياهي با پليمر يا با اضافه كردن الياف چوب به‌عنوان فيلر به ماتريس و فرايند پرسكاري يا قالبگيري تحت دما و فشار بالا به‌دست مي‌آيد. افزودني‌هايي مانند رنگدانه‌ها، عوامل اتصال‌دهنده، پايدار كننده‌ها، عوامل پف‌كننده، تقويت‌كننده‌ها و روان‌كننده‌ها براي رسيدن به محصول نهايي استفاده مي‌شوند.

 

الياف گياهي
بيشتر تحقيقات دانشگاهي و پيشرفت‌هاي صنعتي معطوف به يافتن راه‌هاي جديد خلق مواد شيميايي سبز و دوستدار محيط‌زيست، براي طيف وسيعي از كاربردها شده است. الياف را مي‌شود به دو گروه اصلي مصنوعي و طبيعي طبقه‌بندي كرد. الياف طبيعي با پتانسيل ارائه در مقادير بالاتر، قابليت تجديد و قيمت پايين‌تر، به‌طور خاص در صنعت خودرو ارائه مي‌شوند. عموماً الياف طبيعي بر پايه خاستگاهشان به زير گروه‌هاي گياهي، حيواني و معدني تقسيم مي‌شوند. تمام الياف گياهي از سلولز تشكيل شده‌اند، اما الياف حيواني شامل پروتئين (مو، ابريشم و پشم) هستند. الياف گياهي را مي‌توان براساس قسمتي از گياه كه به‌دست آمده‌اند نيز كلاسه‌بندي كرد. الياف گياهي، شامل ليف درخت (ساقه يا بافت سلولي)، برگ، دانه، علف، پوشال، حبوبات و چوب مي‌شوند. تعدادي از الياف طبيعي مهم در جدول 1 ليست شده‌اند. باقيمانده محصولات كشاورزي مانند پوشال گندم و برنج، تفاله نيشكر و ساق ذرت، گرچه در مقايسه با چوب داراي سلولز كمتري هستند، اما منبع الياف گياهي هستند. "برگ مخملي" كه در حال حاضر به‌عنوان علفي هرز و مشكل‌آفرين در كشاورزي تلقي مي‌شود، مي‌تواند به‌عنوان منبعي براي الياف گياهي، مورد استفاده قرار بگيرد. الياف ساقه برگ‌هاي مخملي، خواصي مشابه با الياف تهيه شده از پوست ليفي درختان (مانند كنف) دارند. قابليت استفاده از كيفيت بالاي اين الياف و خواص مكانيكي خوب، شرط لازم براي استفاده از اين مواد درزمينه تقويت پلاستيك‌هاست.

جدول 1: ليستي از الياف گياهي

الياف گياهي در مقايسه با الياف شيشه داراي مزايا و معايبي هستند. خواص بومي، قابلي تخريب توسط عوامل بيولوژيكي، قيمت پايين، طبيعت غيرفرسايشي، استفاده بي‌خطر، مصرف انرژي كم، خواص ويژه بالا، چگالي كم و دامنه وسيعي از انواع الياف، فاكتورهاي مهمي براي قبول اين مواد در بازارهايي مانند صنعت خودرو و ساختمان با حجم استفاده بالاست. به‌علاوه، عامه مردم به محصولاتي كه از مواد قابل تجديد دوستدار محيط‌زيست ساخته مي‌شوند، تمايل بيشتري دارند.
درهرحال اشكالاتي مانند تمايل به تشكيل توده طي فرايند، پايداري حرارتي پايين، مقاومت كم به رطوبت و تغييرات كيفي در فصول مختلف (حتي بين يك گونه گياهي در شرايط كشت يكسان)، به‌صورت جدي پتانسيل استفاده از الياف گياهي را به‌عنوان تقويت‌كننده پليمرها كاهش داده است. جذب رطوبت بالاي الياف گياهي منجر به تورم و وجود حفره در سطح مي‌شو كه به افت خواص مكانيكي و كاهش پايداري ابعادي كامپوزيت‌ها مي‌انجامد. اصلاح سطحي الياف گياهي مانند استفاده از مواد شيميايي آبگريز (مانند PPgMA) يا اصلاح با مونوموهاي وينيلي مي‌تواند جذب رطوبت آنها را كاهش دهد. يكي از معايب عمده الياف گياهي، سازگاري كم آنها با ماتريس‌هاي پليمري است كه منجر به ديسپرسيون غير يكنواخت و خواص مكانيكي ضعيف مي‌شود. چوب و پلاستيك، شبيه آب و روغن هستند و خوب مخلوط نمي‌شوند. بيشتر پليمرها بويژه ترموپلاستيك‌ها، موادي غيرقطبي هستند كه با مواد قطبي نظير الياف چوب، سازگار نبوده و در WPC منجر به چسبندگي ضعيف بين پليمر و الياف مي‌شوند. به منظور بهبود پيوستگي و چسبندگي بين الياف و ماتريس‌هاي ترموپلاستيك، ازاتصال‌دهنده‌هاي شيميايي يا عوامل سازگار كننده استفاده مي‌شود. بعضي تركيبات مانند هيدروكسيد سديم، سيلان، اسيد استيك، ايزوسيانات، پرمنگنات پتاسيم، پروكسايد و غيره به‌عنوان مواد افزايش‌دهنده چسبندگي شناخته شده‌اند. مكانيسم عوامل سازگار كننده در شكل 1 نشان داده شده ست. عوامل اتصال‌دهنده با الياف آبدوست به‌صورت شيميايي و با زنجير پليمر از طريق خيس كردن اتصال برقرار مي‌كنند.

شكل 1: مكانيسم اتصال بين الياف آبدوست و ماتريس پليمري آبگريز

 

مسئله بعدي، دماي فرايند است كه انتخاب ماتريس‌ها را محدود مي‌كند. الياف گياهي، متشكل از موادآلي مختلفي هستند و اصلاح حرارتي آنها منجر به تنوعي از تغييرات فيزيكي و شيميايي مي‌شود. تخريب دمايي اين الياف، منجر به خواص ارگانولپتيك ضعيفي مانند بو، رنگ و زوال خواص مكانيكي آنها مي‌شود. همچنين، اين پديده منجر به توليد محصولات گازي مي‌شوند. هنگامي كه فرايند در دماي بالاي 200 درجه سانتي‌گراد انجام شود، ممكن است باعث افزايش تخلخل و كاهش چگالي و خواص مكانيكي شود، لذا براي بهبود پايداري حرارتي، از پوشش دادن يا پيوند زدن با مونومرها استفاده مي‌شود.
براي بهبود خواص مكانيكي ترموپلاستيك‌ها، از موادي مختلف مانند الياف كربن و شيشه استفاده مي‌شود كه مي‌توان آنها را با الياف گياهي جايگزين كرد، به‌صورتي كه از كارايي برابر يا بهتر از مواد مذكور برخوردار شوند. اين مواد، وزن محصولات را تا حدود 15 درصد كاهش داده و شيمي سطح بسيار فعالي دارند. الياف شيشه، باعث بروز مشكلات پوستي و تنفسي مي‌شوند، اين عيب را مي‌توان با استفاده از الياف گياهي، كاهش داد.
الياف گياهي مورد استفاده در پليمرها اشكال گوناگوني دارند، لذا خواص محصول نهايي با استفاده از اندازه، شكل و خواص الياف گياهي تعيين مي‌شوند. فاكتورهاي ديگر مانند اندازه الياف، مورفولوژي، تركيب شيميايي، چگالي، ضخامت، درصد الياف و مقدار عوامل اتصال‌دهنده، بر خواص استحكامي WPC مؤثر است.

كاربرد كامپوزيت‌هاي سبز در صنايع خودرو
توليدكنندگان و مهندسان، همواره در حال پايش مواد جديد و فرايندهاي بهبود يافته براي استفاده در توليد محصولات بهتر و بنابراين نگهداري حاشيه رقابتي و افزايش حاشيه سود خود هستند. از WPCها درموارد متعددي براي كاربردهاي خودرويي، سازه‌اي، دريايي، الكترونيكي و هوا فضا استفاده مي‌شود (شكل2).
در حال حاضر، بازار WPCها بازاري چند ميليون دلاري است. بزرگ‌ترين بازار شناخته شده براي WPCهاي سبز، جايگزيني فولاد و الياف شيشه در قطعات خودرو است. از اين مواد در ساخت قطعات تريم داشبورد، پنل‌هاي درب، طاقچه عقب، كفي صندلي، پشت سري صندلي و پوشش داخل كابين استفاده مي‌شود. الياف گياهي به‌صورتي گسترده در عايق‌هاي صوتي ـ حرارتي مورد استفاده قرار مي‌گيرند. استفاده از الياف كتان در ديسك ترمز با هدف جايگزيني با الياف آزبست، يكي از ديگر مثال‌هاست. تعداد كمي از قطعات بيروني نيز با استفاده از كامپوزيت‌هاي حاوي الياف گياهي ساخته مي‌شوند.
مسئله حفاظت از محيط‌زيست، اهميتي ويژه‌ براي خودروسازها دارد، شايد به همين دليل است كه روند توليدات، متمايل به محصولات داراي قابليت بازيافت است. برطبق خط‌مشي 2000/53/EG كه توسط كميسيون اروپايي تهيه شده است، مقرر شده بود كه در سال 2005، حدود 85 درصد از وزن خودرو مي‌بايستي با مواد قابل بازيافت ساخته شود. اين درصد تا سال 2015 بايد به 95 درصد افزايش يابد. خودروها بايد از 95 درصد مواد قابل بازيافت تشكيل شوند كه 85 درصد قابليت بازيافت از طريق استفاده مجدد يا بازيافت مكانيكي و 10 درصد از بازيافت انرژي يا بازيافت حرارتي بوده و اين موضوع به‌طور حتم منجر به استفاده از WPCها خواهد شد. با وجود تمامي پيشرفت‌هاي صورت گرفته، هنوز هم بازيافت مواد مصرفي در خودرو، كاري بسيار دشوار است زيرا جنس بيشتر آنها، مواد پليمري مبتني بر پايه نفت بوده كه با ساختارهاي كامپوزيتي تركيب شده‌اند. شركت دايملر/ بنز، ايده جايگزيني الياف شيشه با الياف گياهي در قطعات خودرو را از 1991 گسترش داد. مرسدس در 1996 از الياف كنفي در پنل‌هاي درب بنز كلاس E استفاده كرد. دايملر/ كرايسلر در سپتامبر 2000 از الياف گياهي براي توليد خودروهايش استفاده كرد. الياف تهيه شده از پوست ليفي درختان، به‌دليل خواص استحكامي بالايي كه نشان داده‌اند، به‌صورت ابتدايي در كاربردهاي خودرويي مورد استفاده قرار گرفته‌اند. ديگر مزيت استفاده از الياف درختي در كاربردهاي خودرويي، كاهش وزن بين 10 تا30 درصد و درنتيجه كاهش در هزينه توليد است. در واقع تمام خودروسازان بزرگ آلمان (دايملر/ كرايسلر، بنز، فولكس واگن، گروه آئودي، BMW، فورد و اپل) در حال حاضر از WPCها در كاربردهايي متعدد و مختلف، استفاده مي‌كنند. دايملر/ كرايسلر در قطعات داخلي، مانند داشبورد و پنل‌هاي درب، از كامپوزيت‌هاي PP و الياف گياهي استفاده كرده است. در مدل A2 سال 2000 آئودي، پنل‌هاي تريم درب از پلي اورتان تقويت شده با كتان ساخته شده‌اند. دايملر/ كرايسلر، تحقيقات خود را بر كامپوزيت‌هاي پلي‌استر تقويت شده با الياف گياهي، براي كاربرد آن در قسمت‌هاي خارجي خودرو، متمركز كرده است.
تحقيقات نشان داده‌اند كه استفاده از الياف چوب يا انواع مختلف الياف مشتق شده از زمين، مزاياي فراواني براي استفاده در كاربردهاي خودرويي دارند. اين كامپوزيت‌ها از نقطه نظري تكنيكي، استحكام مكانيكي و خواص آكوستيكي را افزايش مي‌دهند، وزن قطعه، مصرف سوخت، زمان فرايند و هزينه‌هاي توليد را كاهش داده و امنيت مسافر و قابليت تخريب توسط عوامل بيولوژيكي را براي قطعات داخلي خودرو بهبود مي‌بخشند. مثلا، مرسدس كلاس E به كاهش وزن قابل توجه 20 درصد دست‌يافته و خواص مكانيكي آن براي حفاظت مسافرين در تصادفات، بهبود يافته است. از نظر ملي نيز، الياف گياهي قابل نو شدن بوده (هر ساله توليد مي‌شوند)، از قابليت تخريب توسط عوامل بيولوژيكي برخوردار بوده و دوستدار محيط‌زيست هستند.

شكل 2: مصرف كامپوزيت چوب- پلاستيك در سال 2003

با توجه به اينكه الياف گياهي در حال حاضرتوسط خودروسازاني بزرگ همچون: آئودي، اپل، دايملر/ كرايسلر، فيات، فورد، بنز، پژو، رنو، ولوو، فولكس واگن و BMW مورد استفاده قرار مي‌گيرند، ميزان مصرف آنها براي كاربردهاي مختلف در صنعت خودرو عبارتنداز:
* روكش درب جلو
* روكش درب عقب
* روكش صندوق عقب
* طاقچه عقب
* پشتي صندلي
* كشويي سقف متحرك
* چراغ‌هاي جلو

افزون بر5 كيلوگرم الياف گياهي نيز در ديگر قطعات داخلي خودرو مورد استفاده قرار مي‌گيرد. با توليد سالانه حدود 58 ميليون خودرو سبك در دنيا كه 30 درصد آن در غرب اروپا توليد مي‌شود، تجارت اين مواد در 18 ميليون خودرو، سالانه تقريباً معادل 175 تا 350 هزار تن است.
از 1996 تا سال 2003 استفاده سالانه از الياف گياهي در كامپوزيت‌هاي صنعت خودروي آلمان، از 4 هزار به 18 هزار تن افزايش يافته است. از 1996 تا سال 2002 افزايشي نسبتاً خطي با نرخ رشد 10تا20 درصد در مقدار مصرف سالانه اروپا مشاهده شده كه اين مقدار، تقريباً معادل 70 هزار تن مواد حاوي الياف گياهي جديد است. اين مقدار، تقريباً 2 برابر مقدار كلي تخمين زده شده براي استفاده از WPCها در اروپاي غربي است.
مطالعه انجام شده در امريكا نشان مي‌دهدكه بازار الياف گياهي حدود 45 هزار تن، با نرخ رشدسالانه حدود 15 تا20 درصد است و به نظر مي‌رسد كه اين روند همچنان ادامه يابد. برطبق اظهار نظر سازمان غذايي ارويي سازمان ملل (FAO) و CFC ميانگين مصرف 5 تا10 كيلوگرم الياف گياهي براي استفاده در خودرو در سال‌هاي آينده تخمين زده شده است. در حال حاضر، الياف گياهي به‌عنوان فيلر و تقويت‌كننده پليمرها، از بيشترين سرعت رشد درميان افزودني‌هاي پليمر، برخوردار هستند.

منابع:1. Alireza Ashori, Wood-plastic composites as promising green- composites for automotive industries! Bioresource Technology 99 (2008) 4661-4667.
2. محمدرضا آباديان، كامپوزيت‌هاي الياف طبيعي در صنايع ساختمان و خودرو:
http://woodworking.blogfa.com/post-116.aspx
3. http://nano.itan.ir

» ادامه مطلب

توليد قطعات پلاستيك تزريقي به كمك گاز

امروزه، توليد قطعات پلاستيك با روش تزريق گاز در قالب، به منظور كاهش مصرف مواد، كوتاه كردن زمان توليد و بهينه­سازي كيفيت سطح ظاهري قطعه با ضخامت زياد، گسترش چشمگيري يافته است. مركز تحقيقات اروپايي شركت DU PONT در ژنو تحقيقات وسيعي در مورد بررسي فرايند كاربرد عملي اين سيستم انجام داده است. گزارشات فني ارائه شده، درواقع فرايند كار و تأثير آن بر مواد را بيان مي‌كند. در اين گزارشات ملاحظات خاص طراحي و توصيه­هاي فرايند توليد نيز ارائه شده­اند.

اصول عموميدر فرايند توليد با تزريق گاز، از يك دستگاه تزريق استاندارد مجهز به تجهيزات تزريق گاز (معمولاً نيتروژن) استفاده مي‌شود. تزريق گاز مي‌تواند به صورت سري يا موازي با تزريق پليمر مذاب، صورت گيرد (شكل 1).

شكل 1: شمايي از دستگاه تزريق گاز

عمل تزريق گاز مي‌تواند يا از طريق نازل تزريق پلاستيك مذاب (نازل ماشين) انجام گيرد و يا از طريق يك يا چند نازل مخصوص كه در محل «رانر» يا در نقاطي از قطعه كه تمركز مواد زياد است (مانند ديواره‌هاي ضخيم‌تر) انجام شود. براي حصول اطمينان از انجام صحيح عمل تزريق گاز، بايد از نازل‌هايي با طرح مخصوص در ماشين تزريق استفاده كرد.
فرايند توليد با سيستم تزريق گاز با تزريق پلاستيك مذاب به داخل كويته قالب شروع مي‌شود (شكل 2).
زماني كه 50 تا 95 درصد كويته قالب پر شود (اين درصد بستگي به شكل قطعه دارد) دريچه نازل تزريق پلاستيك توسط سوزني مخصوصي مسدود شده و تزريق گاز آغاز مي‌شود. ميزان تزريق گاز مي‌تواند با احتساب فشار ايجاد شده يا حجم گاز تزريق شده، كنترل شود.
گاز با فشار درون كويته منتشر مي‌شود و مذابي را كه در جلوي آن قرار گرفته، با فشار به حركت درمي‌آورد تا زماني كه كويته پر شود. با جدا شدن نازل تزريق گاز از اسپرو قالب محل ورود گاز آزاد شده و با خروج گاز فشار كاهش مي‌يابد. در بعضي ماشين‌ها، سيستم تزريق گاز قابليت جمع‌آوري گاز خارج شده از قطعه براي استفاده مجدد وجود دارد.
در صورت تزريق گاز از طريق نازل مذاب، براي مسدود كردن سوراخ محل تزريق گاز، بعد از قطع گاز مجدداً مقداري پلاستيك تزريق مي‌شود (شكل2).

شكل 2: مدل­هاي تزريق گاز

فرايندفشار گازدر ارتباط با فشار گاز بايد دو مطلب مهم و قابل تأمل، مدنظر گرفته شود:
- زمان تأخير يا درواقع زمان شروع تزريق گاز
- منحني تغييرات فشار گاز
زمان تأخير، به ضخامت لايه فريز شده در ديواره كويته قالب، بستگي دارد. اگر زمان تأخير بسيار كم باشد، گاز تزريقي مقدار زيادي مواد مايع را در مسير حركت مي‌دهد كه اين امر باعث كم شدن ضخامت ديواره قطعه مي‌شود. مذاب داراي ويسكوزيته كم، اين اجازه را به گاز مي‌دهد كه با حركت سريع خود، شكافي در ديواره جلوي مذاب ايجاد كرده و از آن خارج شود (شكل 3). عدم كنترل مناسب روي فشار گاز نيز ممكن است موجب بروز پديده‌اي مشابه شود. مقاومت كم مذاب در برابر حباب گاز، كنترل فشار گاز را دشوار مي‌سازد.
مواردي همچون محل اتصال كانال گاز، ضخامت ديواره مذاب جلوي حباب و ويسكوزيته مذاب، از عوامل مهم مؤثر در ايجاد مقاومت هستند.زمان تاخير بسيار كم، ممكن است باعث ايجاد آشفتگي در جريان گاز و مذاب شود و در كيفيت ظاهري سطح قطعه اثري نامطلوب بگذارد.

شكل 3: خروج گاز از شكاف ديواره مذاب داراي ويسكوزيته پايين

بهترين نتيجه، زماني به دست مي‌آيد كه علاوه بر تعيين زمان تأخير درست، منحني فشار گاز نيز جريان مواد را با سرعتي ثابت حركت دهد، به‌گونه‌اي كه اثرات جريان بر سطح قطعه ايجاد نشود.مقاومت جريان مذاب با گذشت زمان كاهش مي‌يابد زيرا مقدار موادي كه توسط گاز به جلو رانده مي‌شود، رفته رفته كاهش يافته و فشار گاز بايد در طول زمان پيشرفت فرايند، كاهش يابد تا سرعت جريان به طور ثابت حفظ شود. شكل 4 اين اصل را نشان مي‌دهد. در هرحال، دياگرام بايد مطابق با شرايط هر مورد خاص، تنظيم و تصحيح شود.
هنگامي كه كويته كاملاً پر مي‌شود، مي‌توان براي ساختار كريستالي‌تر مواد، فشار گاز را افزايش داد كه اين كار باعث بهتر شدن كيفيت سطح قطعه و تقليل مكش‌هاي سطحي مي‌شود. افزايش فشار گاز، زمان كريستاليزه شدن مواد را تسريع مي‌كند، اين فشار باعث مي‌شود فشار تماس سطح خارجي قطعه و كويته قالب، افزايش يافته و خنك‌كاري سريع‌تر انجام مي‌شود. فشارهاي معمول براي تزريق گاز از 100 تا 500 بار، البته با توجه به موارد كاربرد و شرايط طرح قطعه، قابل اعمال است.براي اجتناب از ايجاد اغتشاش در زمان تزريق مذاب، فشار گاز بايد از نصف فشار تزريق در راهگاه‌ها كمتر باشد.

شكل 4: دياگرام فشار و سرعت گاز و ارتباط آن با زمان

دماي قالبدماي قالب، تحت تأثير مستقيم منحني ضخامت ديواره قطعه است. دماي قالب، بر سرعت كريستاليزه شدن مواد (نرخ سرعت ساخته شدن لايه‌هاي منجمد مذاب) تأثير دارد. كنترل دقيق دما در تمام قطعات قالب به ايجاد پروفيل ضخامت ديواره مطلوب در قطعه، كمك مي‌كند.

ويسكوزيته مذابويسكوزيته مذاب از دو جهت تأثيرات مهمي بر قطعه توليدي دارد:
- اندازه حفره ايجاد شده توسط گاز
- تكرارپذيري توليد
ويسكوزيته بالاتر، باعث ايجاد ديواره‌هاي ضخيم‌تر و كانال‌هاي گاز كوتاه و باريك‌تر مي‌شود كه باعث مصرف بيشتر مواد شده و امكان تكرارپذيري توليد را بالا مي‌برد.
ويسكوزيته پايين مذاب، موجب ايجاد كانال‌هاي طولاني و با مقطع بزرگتر گاز مي‌شود، اما معمولاً ضخامت ديواره‌ها، يكنواختي كمتري دارد (شكل 5). ويسكوزيته كم مذاب، فشار بين جريان گاز و جريان مواد را كاهش داده و اين احتمال را افزايش مي‌دهد كه ضخامت ديواره جلوي جريان گاز در شات‌هاي مختلف تزريق، متفاوت شود. اين امر، تكرارپذيري توليد يكنواخت را كاهش مي‌دهد. اين مورد در مواردي كه بيش از يك جريان مذاب وجود داشته باشد، حادتر است.

شكل 5: تفاوت مقطع كانال­هاي ناشي از ويسكوزيته پايين مذاب

كاهش ويسكوزيته مذاب، تأثير منفي ديگري نيز در فرايند دارد: استحكام و مقاومت مذاب با كمتر شدن ويسكوزيته كاهش مي‌يابد به طوري‌كه گاز بسادگي مي‌تواند پوسته مذاب جلوي خود را بشكافد و از آن خارج شود.
استفاده از مواد پلاستيكي با ويسكوزيته پايدار در رنج دماي فرايند مي‌تواند بهترين نتيجه را به ما بدهد. از اين رو، پارامترهاي فرايند مواد كريستالي بايد با دقت بسيار بيشتري نسبت به مواد «آمورف» تنظيم شود.

پارامترهاي فرايندتأثير پارامترهاي فرايند در فرايند تزريق گاز در شكل 6 نشان داده شده است.

شكل 6: تأثير پارامترهاي فرايند در تزريق گاز

شبيه‌سازي فرايندبه دليل پيچيدگي فرايند توليد به روش تزريق گاز، براي سرعت بخشيدن به مراحل طراحي و ساخت قالب، لازم است براي پيش‌بيني پارامترهاي فرايند و بهينه كردن طرح قطعه، فرايند را شبيه‌سازي كرد. نرم‌افزارهاي شبيه‌سازي فرايند براي شبيه‌سازي پر شدن قالب، شامل فاز تزريق گاز توسعه يافته‌اند. نتايج به دست آمده از اين نرم‌افزارها در مقايسه با تجربه‌هاي عملي نشان مي‌دهد كه برخي فرضيات اوليه، هنوز نياز با اصلاحات دارند.

طراحيبهترين طراحي در قالب‌گيري با تزريق گاز در حالتي اتفاق مي‌افتد كه گاز فقط در يك جهت جريان داشته باشد و فرم قطعه داراي گوشه و خم نباشد. در طراحي قطعات براي توليد به روش تزريق گاز معمولاً قوانين خاصي حاكم است. يكي از مهم‌ترين موارد قابل تأمل در طراحي اين است كه گاز هميشه پلاستيك مذاب را به محل‌هايي كه كمترين مقاومت را در مقابل جريان دارند (محل‌هايي با مساحت سطح مقطع بزرگ‌تر و حرارت مذاب بيشتر) هدايت مي‌كند. اين مورد در شكل 7 نشان داده شده است. قسمت بالاي شكل طرح، داراي گوشه تيز و انباشتگي زياد مواد است و قسمت پايين طرح، اصلاح شده با گوشه گرد شده را نشان مي‌دهد.
گاز در داخل كويته دو عمل انجام مي‌دهد:
- ايجاد يك حفره توخالي. هدف اصلي از اين كار، كاهش مصرف مواد و در نتيجه كم كردن وزن قطعه است.
- ايجاد فشار ثابت در داخل قطعه براي جبران انقباض حجمي 1 بعد از پر شدن كويته است كه نتيجه آن، امكان كنترل بهتر وضعيت مكش‌هاي سطحي قطعه و در نتيجه بهبود كيفيت ظاهري سطح محصول است.
براي قطعات داراي سطح مقطع نسبتاً بزرگ و سبك، مانند دستگيره‌ها و پوشش‌ها، كم كردن وزن، دليل اصلي استفاده از سيستم تزريق گاز است. براي قطعات داراي عمق كم و ريب‌هاي تقويتي، دليل اصلي استفاده از اين سيستم، ايجاد سطحي صاف و عاري از «سينك مارك» است. براي اين‌گونه قطعات، لازم است كانال‌هاي گاز تا مناطقي از قطعه كه داراي انقباض حجمي و احتمال ايجاد مكش سطحي وجود دارد، امتداد يابند.
از آنجا كه قطعات داراي ساختار پوسته‌اي معمولاً داراي مقطعي نيستند كه بتواند به عنوان كانال گاز استفاده شوند، كانال‌ها بايد به عنوان جزيي از پروفيل مقطع، روي قطعه طراحي شوند. اين كانال‌ها مي‌توانند در گوشه‌هاي پوسته يا محل‌هاي اتصال ريب‌ها با پوسته، طراحي شوند. شكل 8 چند نمونه از اين كانال‌ها را نشان مي‌دهد.
قطعات داراي ريب داخلي و كانال‌هاي گاز در دور آنها، براي حذف مكش‌هاي سطحي طراحي شده است، تابيدگي كمتري خواهند داشت. اين از ديگر مزيت‌هاي استفاده از روش‌هاي تزريق گاز در توليد قطعات پوسته‌اي شكل است. اندازه كانال گاز به انقباض حجمي مواد و به اندازه قطعه بستگي دارد.

شكل 7: حركت مذاب به محل­هاي داراي كمترين مقاومت در برابر جريان

ملاحظات مهم در طراحي اين سيستم سايز كوچك كانال گاز در مقايسه با كل طول مسير جريان، ايجاب مي‌كند كه فشار گاز سريع‌تر اعمال شود تا كانال گاز فريز نشود. در اين حالت، كانال گاز سعي مي‌كند كه انقباض حجمي قطعه را جبران كند، همچنين با ايجاد فشار داخلي در سطوح صاف، انقباض مقاطع را نيز جبران مي‌كند.
يك مقطع از قطعه‌اي كه داراي كانال گاز كوچك است، مي‌تواند نتيجه‌اي مانند آنچه در شكل 9 نشان داده شده، به ما بدهد.
به دليل كمبود مواد، گاز وارده به درون پوسته شكاف‌هايي ايجاد مي‌كند كه اگر قطعه براي مقاومت تحت بارهاي ديناميكي بالا طراحي شده باشد، در عملكرد قطعه تأثير نامطلوب خواهند داشت. با بزرگتر كردن مقطع كانال، تأخير بيشتري در اعمال فشار گاز خواهيم داشت. درهرحال، كانال‌هاي بزرگتر يعني وزن بيشتر و پايداري كمتر جريان كه هر دو سختي بيش از انتظار قطعه را افزايش مي‌دهند. با حسابي سرانگشتي، كانال گاز بايد حدود 2 تا 3 برابر بزرگتر از ضخامت پوسته طراحي شود (شكل 8).

شكل 8: نمونه­هايي از كانال­هاي قطعات داراي ساختار پوسته­اي

شكل 9: حالت قطعه داراي كانال گاز كوچك

در موارد خاص، زماني كه قطعه بايد كاملاً يكپارچه ساخته شود مانند ظروف حمل مايعات، كانال گاز بايد در تمام طول قطعه گسترش يابد تا فقط يك پوسته نازك پلاستيك در انتهاي قطعه باقي بماند. براي اين كار،گاهي لازم است در انتهاي مسير، محفظه‌اي براي خروج مواد اضافه از كويته قالب در نظر گرفته شود (شكل 10). اندازه اين محفظه به طرح قطعه بستگي دارد و لازم است در بررسي شبيه‌سازي فرايند قطعه نيز در نظر گرفته شود تا شرايط، واقعي‌تر شده و احتمال نياز به تست‌هاي عملي كاهش يابد.
قطعات اينسرتي، هميشه از موارد چالش برانگيز در طراحي قطعاتي هستند كه بايد با سيستم تزريق گاز توليد شوند. از آنجا كه اينسرت بايد كاملاً توسط مواد پلاستيك احاطه شود، كانال گاز بايد در فاصله مشخصي از آن قرار داده شود. اين مورد را مي‌توان با قرار دادن يك سوزن تزريق گاز جداگانه در پايين جريان نزديك به اينسرت، برطرف كرد (شكل 10). اگر از نازل ماشين براي تزريق گاز استفاده مي‌شود، بايد در طراحي دقت بيشتري شود تا اين اطمينان به وجود آيد كه اينسرت كاملاً توسط پلاستيك مذاب احاطه مي‌شود.

شكل 10: محفظه خروج مواد اضافي از كويته قالب

خواص موادشركت Du Pont براي برخي مواد، تست‌هايي انجام مي‌دهد كه خواص مكانيكي قطعه نهايي توليدي با فرايند تزريق گاز رامشخص مي‌كند. اين تست‌ها ضروري هستند زيرا برخي پارامترهاي اصلي اين فرايند كه بر خواص مكانيكي رزين‌ها مؤثر هستند، با فرايند تزريق استاندارد متفاوت مي‌باشند. تست‌ها نشان دادند كه مدول الاستيسيته و مقاومت كششي مواد گلاس فايبردار در نزديكي كانال‌هاي گاز، به دليل كاهش برش در طول فرايند كاهش مي‌يابد. همچنين، جهت‌گيري الياف در اين نقاط نمي‌تواند به طور مطلوب انجام گيرد.
خواص مكانيكي ماده حدوداً 10 درصد و در بيشترين حالت 50 درصد در مقايسه با حالت استاندارد كاهش مي‌يابد.
شكل 11 ساختار قطعه در روش تزريق معمولي مواد را در مقايسه با روش تزريق گاز نشان مي‌دهد. درواقع در قطعه توليدي به روش تزريق معمولي، ترتيب جهت‌گيري الياف شيشه در سطح بيروني به طور چشم‌گيري بهتر از مركز قطعه است، درحالي كه در قطعات توليدي به روش تزريق گاز، ترتيب و نظم جهت‌گيري الياف شيشه در ديواره‌هاي قالب، كمتر است. نظم جهت‌گيري الياف به سمت كانال گاز بيشتر است. مركز سطح مقطع به عنوان ناحيه‌اي كه در آن جهت‌گيري الياف از نظم مناسبي برخوردار نيست، كاملاً مشهود است.

شكل 11: تصوير ميكروتوموگرافي از مقطع يك قطعه:
a) قطعه توليد شده به روش توليد سنتي
b) قطعه توليد شده به روش تزريق گاز
نوع مواد PA 66 with 30% Glass fiber) zytel 70G30)

گيتگيت طراحي قالب با تزريق گاز با گيت‌هاي متداول در قالب‌هاي معمولي، متفاوت است. درصورتي كه تزريق گاز از محل نازل ماشين باشد، ابعاد گيت و رانر بايد حدوداً 2 برابر بزرگتر از آنچه باشد كه در قالب‌هاي معمولي در نظر گرفته مي‌شود.
جريان مذاب تزريق شده در عريض كه مانند فرايند اكسترود در طول ديواره كويته جريان مي‌يابد، با قطع كردن جريانات ديگر و گذر از محل‌هاي طلاقي، ممكن است دچار اغتشاشاتي شود. محل گيت بايد طوري انتخاب شود كه از ايجاد اين اغتشاشات تا حد امكان جلوگيري شود.

تجهيزات ماشينبراي فرايند قالب‌گيري با تزريق گاز، تجهيزاتي مخصوص لازم است تا حجم گاز و فشار مطلوب در زمان معيني را ايجاد كند.
اجزاي اصلي تجهيزات تزريق گاز در شكل 1 نشان داده شده است. نيتروژن از يك مخزن فشار معمولي وارد يك كمپرسور مي‌شود. منحني تغييرات فشار به وسيله ابزار الكترونيكي مخصوص در يونيت كمپرسور كنترل مي‌شود.

نازلگاز از طريق نازلي مخصوص تزريق مي‌شود. برخي انواع نازل‌ها به گونه‌اي طراحي شده‌اند كه گاز مصرفي را پس از خروج از قطعه جمع‌آوري كرده و مجدداً در چرخه مصرف قرار مي‌دهد. قابليت اطمينان بالا در توليد براي اين‌گونه نازل‌ها بسيار مهم مي‌باشد.
پليمرهاي فراوري شده، اهميتي عمده در طراحي نازل دارد. شركت DU PONT در طراحي نازل براي استفاده از پليمرهاي نيمه كريستالي مشاوره‌هاي خاصي مي‌دهد.
به طوركلي، گاز را مي‌توان به دو طريق تزريق كرد:
- از طريق نازل ماشين (شكل 12)
- از طريق يك يا چند نازل مخصوص كه مستقيماً گاز را داخل رانرها يا قطعه تزريق مي‌كند (شكل 13).
زماني كه گاز از طريق نازل ماشين تزريق مي‌شود، ابتدا فشار درون نازل بالا مي‌رود و سپس شير گاز در نوك نازل باز مي‌شود. عموماً يك قطع‌كننده براي بستن نازل ماشين در زمان معين به كار مي‌رود تا از برگشتن مذاب از كويته به نازل جلوگيري كند. از مزيت‌هاي مسلم استفاده از نازل‌هاي مخصوص به جاي تزريق از نازل ماشين، مي‌توان به چند نكته مهم اشاره كرد:
- حفره گاز را مي‌توان دقيقاً در نقاط مورد نظر طراح، ايجاد كرد. مي‌توان با نازل‌هاي متعدد حفره‌هاي متعدد مجزا در نقاط مختلف قطعه ايجاد كرد (سوراخ به وجود آمده روي قطعه قطري كمتر از 1 ميلي‌متر خواهد داشت).
- مناسب‌ترين مكان‌ها براي قرار دادن نازل‌ها مقاطعي هستند كه در زمان طولاني‌تري سرد شوند.

شكل 12: تزريق از طريق نازل‌هاي مختلف

شكل 13: تزريق از طريق نازل ماشين

جنبه‌هاي مختلف توليد به روش تزريق گازفوايد
- فرايند: نيروي كلمپ كمتر، طول جريان بيشتر، افت فشار كمتر، جايگزين راهگاه گرم، قالب ساده‌تر و ارزان‌تر
- طراحي: وزن كمتر قطعه (كاهش وزن تا حدود 40 درصد)، رفع مكش سطحي، تابيدگي كمتر، انقباض كمتر در جهت جريان، مقاومت بالاتر در برابر نيروي پيچشي، آزادي عمل بيشتر طراح در طرح قطعه با ضخامت ديواره غيريكنواخت

محدوديت‌ها
- فرايند: نياز به تجيهزات اضافه، نياز به نازل و سوزن‌هاي تزريق گاز مخصوص
- طراحي: تقريبي بودن پيش‌بيني ضخامت قطعه، سطح مقطع كانال گاز كمتر از 15 تا 20 ميلي‌متر، افزايش ميزان انقباض در جهت جريان كانال گاز
- مواد: خواص مواد، اغلب در مقايسه با قطعات مشابهي كه به روش معمولي تزريق ساخته شده‌اند، پايين‌تر است، كيفيت سطح به نوع مواد بستگي دارد.

موارد كاربرد تكنولوژي توليد قطعه با تزريق گازبه دليل مزيت‌هاي زياد اين تكنولوژي، تقريباً در تمام زمينه‌هاي تكنيكي كاربردهاي وسيعي دارد كه برخي از آنها عبارتند از:
خودرو: آفتابگير، قاب آيينه‌هاي خارجي، دستگيره‌ها و...
لوازم: دسته صندلي، بدنه صندلي، محفظه‌ها و...
دستگاه‌ها: دستگيره‌ها، محفظه ماشين چمن‌زني و...
ورزشي: راكت‌ها، چوب اسكي، چوب هاكي، كفش و عصاي اسكي و...

پانوشت:1 . Volumatric shrinkage

منبع:DUPONT Engineering polymer

» ادامه مطلب

توليد قطعات پلاستيكي به روش تزريق فوم

شرح كلي فرايند تزريق فوم
گازي كه در فرايند تزريق، درون پلاستيك مذاب تزريق مي‌شود، به‌صورت حباب‌هاي ريزميكروسكپي بسيار زيادي در قطعه توليدشده نهايي پديدار مي‌شود و ديواره‌هاي قطعه اسفنجي شكل مي‌شود.
در فرايند تزريق فومي پلاستيك، فشار و حرارت كمتري نسبت به فرايند تزريق پلاستيك معمولي احتياج است. زمان توليد كوتاه‌تر و توليد قطعه سبك‌تر و انعطاف‌پذيرتر از خصوصيات بارز استفاده از اين تكنولوژي است (شكل 1).

شكل 1: مقطعي كه قطعه پلاستيكي كه بر اثر تزريق گاز و تشكيل حباب‌هاي ريز، به‌شكل اسفنجي درآمده است

روش‌هاي شيميايي و فيزيكي تزريق فومبه‌طوركلي دو روش شيميايي و فيزيكي براي تزريق پلاستيك به‌شكل فوم وجود دارد.

روش شيميايي
* پليمر با عوامل ايجاد گاز مخلوط مي‌شود.
* عوامل منبسط كننده قبلاً با موادخام مخلوط شده‌اند (مستربچ 2%)
* سايز حباب‌ها 200-10 µm است.

روش فيزيكيدر روش فيزيكي، حباب‌هاي كوچك بسياري در مواد پلاستيكي ايجاد مي‌شود كه به كاهش وزن قطعه مي‌انجامد.
عامل ايجاد فوم: گاز N2 يا CO2 كه در مرحله Supercritical مواد در آن حل مي‌شود (شكل2).

شكل 2: دياگرام جريان Supercritical

* در روش فيزيكي، توليد قطعه با بيشترين درجه تشكيل حالت فومي امكان‌پذير است.
* سايز حباب‌ها 50-10 µm است.
تكنولوژي تزريق فوم از دهه 70 به‌عنوان فرايندي شناخته‌شده در صنعت توليد قطعات پليمري، مورداستفاده قرار گرفته است. شركت Sulzer سوئيس، طي همكاري نزديك با انستيتو فرايند پلاستيك (IKV) در آخن، با روش دميدن عوامل فومي در مواد به‌صورت فيزيكي، موفق به بهينه‌سازي اين فرايند شده‌است. سيستم Optifoam شركت Sulzer براي اولين‌بار در كنفرانسي در IKV در سال 2000 معرفي شد.
درنتيجه، تلاش‌هاي سخت و همكاري با شركت Pollmann، توليد انبوه با سيستم Optifoam در نيمه دوم سال 2005 آغاز شد. در اين سيستم، از ماشين تزريق استانداردي استفاده شد كه به تجهيزات تزريق حباب‌هاي گاز در مواد مجهز شده‌است (شكل 3).

شكل 3

سيستم‌هاي توليد به روش تزريق فوم
Optifoam، شركت Sulzer
در اين روش، گاز بعد از ذوب شدن پلاستيك و در مرحله تزريق مواد، به آن افزوده مي‌شود.
* سهولت استفاده از الياف شيشه بلند مانند سيستم تزريق استاندارد.
* سهولت توسعه سيستم.
* عدم نياز به اصلاح و يا تعويض نرم‌افزار، سيستم هيدروليك، بارل و ... ماشين تزريق.
* انعطاف‌پذيري در تنوع توليد (از ماشين مربوطه مي‌توان براي توليد به‌روش معمولي تزريق پلاستيك هم استفاده كرد)
* وزن مواد قابل‌تزريق با دستگاه تغيير نمي‌كند.

شكل 4: دستگاه تزريق استاندارد مجهز به نازل تزريق گاز

سيستم كنترل گاز Optifoam
* طراحي اختصاصي براي سيستم Optifoam
* تمامي تجهيزات لازمه به‌صورت يكپارچه در اين يونيت در نظر گرفته شده است.
* براي استفاده از گاز CO2 و N2 مناسب است.
* تأمين فشار بالاي 750 bar
* قابليت انطباق با ماشين تزريق
* سيستم Optifoam در دو مدل مختلف قابل ‌دسترس است (جدول 1).

Mucell، شركت Trexelدر اين روش، گاز در زماني‌كه پلاستيك ذوب شده و به دماي تزريق رسيده است (Metering) به آن اضافه مي‌شود.
* با تمهيداتي مي‌توان از ماشين‌هاي تزريق فوم استاندارد براي اين روش استفاده كرد.
* نياز به استفاده از ماردون‌هاي ويژه دارد.
در صورت استفاده از ماشين‌هاي تزريق استاندارد، بايد تغييراتي براي سازگاري آن با سيستم MuCell روي آن اعمال شود.
محدوديت در حداقل وزن قابل تزريق.

نازل تزريق گازگاز، مستقيماً در داخل مذاب تزريق مي‌شود. اين روش ساختار فومي ميكروسلولار بسيار منظمي را ايجاد مي‌كند.

شكل 5                                                                   شكل 6

فرايند توليد فوم
رجوع به شكل 7.

شكل 7: نمودار فرايند توليد فوم

شكل 8: تصويري از يك قالب 8 كويته كه براي توليد قطعات بروش تزريق فوم طراحي و ساخته شده است.

توليد انبوهرجوع به شكل 9.

شكل 9: قطعه (درپوش) توليد شده به‌روش تزريق فوم را نشان مي‌دهد.

ساختار
ميكروسلولاري فوم
لايه بيروني متراكم و هسته فومي داراي حباب‌هاي ميكروسكوپي ريز، موجب بهبود خواص خمشي مواد مي‌شود (شكل 10).

شكل 10

فرضيات: سطح مقطع: مربع شكل ضخامت ديواره: 4mm
30 درصد كاهش چگالي

شكل 11

شكل 12

شكل 13

شكل 14

شكل 15: كاهش قابل‌توجه در انقباض و اعوجاج قطعه در روش فومي نسبت به روش توليد معمولي (رنگ قرمز)

شكل 16: كاهش قابل‌توجه در انقباض و اعوجاج قطعه در روش فومي نسبت به روش توليد معمولي (رنگ آبي)

 

خواص مكانيكي
1. مدل نشان‌دهنده سختي خمشي1
2. تست رفتار شكست پايه فنري قطعه2
3. ساختار فومي موجب ارتقاي تنش خمشي مي‌شود
تست انجام شده روي قطعه درپوش كه در پروسه واقعي توليد انبوه توليد شده، نشان مي‌دهد:
* لايه متراكم گيره فنري بعد از 4 تا 5/5 ميلي‌متر خم‌شدن، مي‌شكند.
* لايه فومي گيره فنري بعد از 5/5 تا 6 ميلي‌متر خم‌شدن، مي‌شكند.
4. در توليد به روش تزريق فوم به فشار داخل كويته كمتري نياز است
براساس نمودار شكل 14، در توليد يك قطعه به دو روش معمولي و فومي، فشار درون كويته متفاوت است.
تزريق معمولي: فشار بيش از 650bar
تزريق فومي: فشار بيش از 120bar
5. در توليد به‌روش تزريق فوم، ميزان انقباض و اعوجاج قطعه كاهش مي‌يابد
6. تأثير استفاده از روش تزريق فوم در كاهش زمان سيكل توليد
* حذف زمان اعمال فشار دوم (Holding Pressure)
* كوتاه شدن زمان خنك كاري به دليل كمتر بودن دماي مذاب و قالب در روش تزريق فوم نسبت به روش معمولي
همان‌طور كه در شكل 17 نشان داده شده، تفاوت قابل‌ملاحظه‌اي در زمان سيكل توليد قطعه مشابه به دو روش معمولي و تزريق فوم وجود دارد (15 ثانيه).

شكل 17

7. نمودار شكل 18 نشان‌دهنده ميزان متوسط طول الياف شيشه به‌كار رفته در روش تزريق فومي است.

شكل 18

8 . كاهش لزجت در روش تزريق فوم
نمودار شكل 19، نشان‌دهنده تغييرات لزجت نسبت به نرخ برشي ماده است.

شكل 19

9. كاهش مكش‌هاي سطحي قطعه از ديگر مزاياي روش تزريق فومي است (شكل 20)

شكل 20

مواد قابل‌استفاده در روش تزريق فومي
* تمامي ترموپلاستيك‌ها در اين روش قابل‌استفاده‌اند.
* PBT, PA, PC and PS براي استفاده در اين روش كاملاً مناسب هستند.
* تزريق مواد TPU’S ABS and POM كمي با اشكال انجام مي‌شود.
* براي PP بايد تدابير خاصي در سيستم درنظر گرفته شود.
* از افزودني‌ها، شامل فيلرهايي مانند الياف شيشه، پودر تالك يا الياف كربن، مي‌توان در اين روش استفاده كرد.

عوامل مؤثر در توليد ساختار فومي ايده‌آل
* انتخاب مواد خام
*طراحي قطعه
* شرايط مناسب فرايند
*طراحي قالب
* ابعاد و محل گيت
* سيستم راهگاه سرد يا گرم با شير مخصوص سوزني
* خروجي مناسب هوا

نتيجه حاصل از تست يك قطعه (فريم آفتابگير)
با استفاده از اين روش به‌دليل ايجاد تنش داخلي ناچيز در قطعه، مقدار دفرمگي و پيچش قطعه به حداقل مي‌رسد (شكل 21)

شكل 21

شكل 22

تزريق فوم روي پارچه
نتيجه تستاتصال خوب پارچه و فوم
فوم با كيفيت بالا و ساختار همگن توليد مي‌شود
كيفيت سطح پارچه بعد از توليد قطعه با ساختار اصلي بافت آن بستگي مستقيم دارد.

مقايسه توليد قطعه با روش Optifoam و روش استاندارد (بدون تزريق گاز)
مزاياي روش Optifoam
كاهش وزن قطعه
كاهش انقباض و دفرمگي قطعه
رفع مكش‌هاي سطحي
دقت ابعادي عالي
نيروي كلمپ كمتر
كاهش زمان سيكل توليد
سهولت استفاده از الياف شيشه بلند در فرايند Optifoam

محدوديت‌ها
سطح قطعه توليدي، حالت مات دارد
خواص مكانيكي ماده، تغيير مي‌كند

پانوشت‌ها:1. Modeling of Flexural Stiffness
2. Fracture behavior of the snap finger
منبع
Pollmann Foam Injection Molding

» ادامه مطلب

بهار جلوه ای از خداست که در این نزدیکیست...شاد باش بر شما آغاز جلوه خداوندی...

محمدرضا شب افروز

» ادامه مطلب