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