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