تاریخچه ای از قالب گیری تزریقی گرمانرم ها. بخش اول: تولد یک صنعت
۱۳۸۸/۱۰/۱۸
این مقالة مروری به بحث دربارة پیشرفت صنعت قالب گیری تزریقی گرمانرم ها می پردازد. بحث با تولد فرآیند قالب گیری تزریقی در واپسین سال های دهة 1800 آغاز می شود و سپس به تکامل تدریجی آن در طی دهة 1900 اشاره می گردد. هم چنین، تعدادی از پیشرفت های چشم گیر فناوری قالب-گیری تزریقی، به خصوص آن هایی که منجر به قابلیت فرآیند کردن و یا کیفیت قطعة بهتر شده است، مرور می شود. در نهایت این مقاله به ماشین تزریق با مارپیچ رفت وبرگشتی که در اوایل سال های 1960 به طور گسترده مورد قبول قرار گرفت، پایان می یابد.
منشا قالب گیری تزریقی گرمانرم ها به ماشین هایی که برای ریخته گری تحت فشار فلزات به کار برده می شد، برمی گردد. در سال های قبل از جنگ انقلابی آمریکا، پیشرفت های بسیاری در صنعت ریخته گری فلزات ایجاد شده بود و برای نمونه می توان به پروانه امتيازهای آمریکایی با موضوع ریخته گری گلوله ها اشاره کرد. در سال 1849، Sturgiss فرآیند تزریقی را اختراع کرد که با کمک آن، قطعات فلزی کوچک قابل توليد بودند. این اختراع در سال 1856، توسط E. Pelouze تکمیل شد، به این صورت که یک ماشین ریخته گری دای طراحی و ساخته شد که قادر به راندن مذاب فلزی به درون یک دای با کمک نیروی مکانیکی یا هیدرولیکی بود. در این ماشین که در واقع ایدة اصلی قالب گیری تزریقی به شمار می آید، نیاز به فشار زیادی برای راندن مذاب فلزی به درون کانال های کوچک و قالب های بسته بود. این فرآیند تزریقی ابتدایی به زودی در مورد مواد گرمانرم نیز به کار گرفته شد.
در اصل توسعة اولین ماشین قالب گیری تزریقی برای مواد گرمانرم، در نتیجة کمبود عاج فیل در طی جنگ غیرنظامی آمریکا بود. در آن زمان، از جمعیت فیل آفریقایی به دلیل کشتار مداوم کاسته شده بود. در سال 1868، شرکت Phelan و Collender، تولید کنندة توپ های بیلیارد، جایزه ای ده هزار دلاری را برای هرکس که بتواند جای گزینی برای عاج فیل بیابد، تعیین کرد. یک سال بعد، J. W. Hyatt، استفاده از مادة سلولوئید (نیترات سلولز) را به جای عاج فیل پیشنهاد داد. سلولوئید اولین رزین آلی سنتزی صنعتی در جهان بود. البته لازم به ذکر است که هیچ مدرکی مبنی بر این که J. W. Hyatt جایزة ده هزار دلاری را دریافت کرده است، وجود ندارد!
هنگامی که J. W. Hyatt سلولوئید را توسعه داد، هم زمان آغاز به ساختن ماشینی کرد که قادر به فرآیند آن باشد. اولین ماشین تزریق او که در نوامبر سال 1872 ثبت شد، از یک استوانة گرم شونده با بخار، پیستون هیدرولیکی و یک مجرای تخلیه ساخته شده بود. قالب در این ماشین، در طی تزریق توسط یک پرس هیدرولیکی عمودی که نزدیک استوانة تزریق قرار گرفته بود، بسته نگهداشته می شد.
در این ماشین قالب گیری تزریقی، از یک طراحی بی نظیر برای افزایش نرم سازی خوراک استفاده شده بود. ماشین از یک هستة محدودکننده نزدیک به انتهای سیلندر تشکیل شده بود که بر روی آن تعداد بسیاری دندانه قرار داشت. دندانه ها و هسته در کنار هم منجر به بهبود هدایت و نرمی می شوند. هستة محدود کننده، در واقع شکل اولیه ای مغزی اژدری در ماشین های قالب گیری تزریقی اخیر به خصوص مدل های پیستونی آن بود.
به کار بردن گرما و فشار برای سلولوئید، خطر انفجار را به وجود می آورد و این فراریت به شدت مانع از توسعة ماشین قالب گیری تزریقی J. W. Hyatt برای اهدافی غیر از تولید میله و لوله شد. پس از توسعة واحد تزریق J. W. Hyatt، تعداد دیگری از ماشین های تزریق به وجود آمدند. در دهم فوریه سال 1903، F. H. Richards ماشین قالب گیری تزریقی دیگری را ارائه کرد. این ماشین از یک پیستون بهبود یافته و محفظة استوانه ای گرم شده برای ماده، که در بالای دو نیمة قالب کشویی قرار گرفته است، تشکیل شده بود. این ماشین برای تولید توپ های اسباب بازی از ماده ی گوتاپرچا که نوعی صمغ از درخت لاستیک طبیعی است و ذاتا گرمانرم است، به کار گرفته شد.
برخلاف فراریت آن، نیترات سلولز حتی تا سال های 1900 نیز، مادة قالب گیری تزریقی غالب محسوب می شد. استات سلولز ابتدا در سال 1865 توسط Schuetzenburger تهيه شد، ولي در زمان جنگ جهاني اول در مقياس زياد توليد شد. ولي استفاده از قالب گيري تزريقي استات سلولز در آلمان طي سال هاي 1917-1916 اتفاق افتاد. زماني كه دكتر Hesse، يك دندانپزشك، يك ماده به شكل ميله را درون يك سيلندر گرم شده قرار داد و به ظور دستي مادۀ نرم شده را به درون قالب دنداني پلاستيكي وارد كرد. استات سلولز با اشتعال پذيري به نسبت كم خود، به سرعت تبديل به اولين مادۀ مورد استفاده به مقدار زياد در قالب گيري تزريقي شد.
در سال 1919، دكتر Eichengrun از آْلمان نيز موفق به قالب گيري تزريقي استات سلولز شد. در جولاي سال 1920، A. L. Mond، يك مهندس شيمي در لندن، پس از برقراري ارتباط با دكتر Eichengrun، توليد قطعات قالب گيري شده از استات سلولز را ثبت كرد. در ماشين دستي Eichengrun، ماده درون يك محفظۀ گرم شده قرار مي گرفت و يك پيستون، مذاب را با نيرو از درون كانال هاي راهگاه مانند، به درون يك حفرۀ بسته وارد مي كرد. موفقيت Eichengrun با نوآوري هاي بيشتري در آْلمان پي گرفته شد.
در سال 1926، Eckert و Ziegler، اولين ماشين قالب گيري تزريقي صنعتي حقيقتا موفق را ساختند. اين ماشين داراي يك واحد تزريق افقي با ظرفيت 2oz. و يك پیستون تزريقي بادی (پنوماتيكي) بود. میل راهنماها از يك صفحۀ متحرك كه روي آن قالب قرار گرفته شده بود، محافظت مي كردند. سيلندر تزريق توسط پیچه هاي الكتريكي كه با كمك رئوستات كنترل مي شدند، گرم مي شد. اين ماشين داراي تمام ويژگي هاي اصلي همتاهاي مدرن خود بود. اگرچه ماشين هاي Eckert و Ziegler در آلمان بر پايۀ توليد به كار مي رفتند ولي آن ها هرگز در آمريكا به عنوان واحدهاي توليدي پذيرفته نشدند.
ورود ماشين قالب گيري تزريقي بر پايۀ صنعتي به آمريكا در سال 1922 اتفاق افتاد، زماني كه W. D. Grote دوازده واحد تزريقي دستي را وارد كرد. البته لازم به ذكر است كه ده سال گذشت تا صنعت پلاستيك در آمريكا به قالب گيري تزريقي توجه و علاقۀ جدي نشان داد. مشکلات مواد و تردید نسبت به این فرآیند جدید، موجب پذیرش آهستة آن شدند. در روزهای اولیة صنعت پلاستیک، مواد پلاستیکی گرماسخت به طور گسترده ای به عنوان رزین های قالب گیری مورد استفاده قرار می-گرفتند و در نتیجه مقاومت در برابر فرآیند قالب گیری تزریقی این مواد گرمانرم جدید، عجیب نبود. از طرف دیگر این که قالب گیران فشاری با تجربه، به انقلاب قالب گیری تزریقی خوشامد نگویند و آن را نپذیرند، عجیب نبود. در واقع تا زمانی که پلاستیک های قالب گیری گرمانرم صنعت پلاستیک را به طور شگفت آوری تحت تاثیر قرار دادند، این کم توجهی ادامه داشت. ماشین های تزریق که توسط Grote در سال 1922 وارد شده بودند، در اصل پرس های عمودی ای بودند که به طور دستی کار می کردند. در عمل، مادة قالب گیری از قیف به درون یک محفظة گرم شده به وسیلة الکتریسیته تغذیه می-شد. یک چرخ دستی برای وادار کردن حرکت پیستون فشاری عمودی به درون محفظة گرمایش به کار گرفته می شد. سپس پیستون مواد را به درون قالب سرد شده، وارد می کرد تا زمانی که قالب پر شود. بعد از این که پیستون بالا رفت، یک پدال پایی فشار داده می شد تا محفظة گرمایش را به سمت بالا و دور از قالب جابه جا کند. در پایان قالب باز می شد و یک اهرم دستی برای فعال کردن سامانة خروج قطعه مورد استفاده قرار می گرفت.
در سال 1923، شرکت Grotelite یکی از موفق ترین ماشین های تزریق دستی تولید شدة آمریکایی را ساخت. در اين ماشين يك پيستون با فشار استات سلولز را از يك محفظۀ گرم به درون يك مجرای تزریق و سپس قالب وارد مي كرد.
شرکت Grotelite به دلیل نارضایتی از کارآیی ماشین های تجاری، شروع به طراحی و ساخت ماشین های قالب گیری خود کرد. در سال 1929 این شرکت اولین پرس قالب گیری تزریقی تمام خودکار را تولید نمود. سیلندرهای هوا که در فشاری برابر 100 psi کار می کردند، برای کنترل باز و بسته شدن قالب و حرکت پیستون مورد استفاده قرار گرفتند. شیرهای چهارراهة به کار انداخته شده توسط ضامن روی یک محور دورانی، زمان بندی ماشین را کنترل می کرد. یک موتور الکتریکی نیز با یک دندة کاهنده و تسمة متصل برای چرخش شفت استفاده می شد.
ماشین های اولیة Grotelite برای قالب گیری قطعات کوچک مانند دکمه ها و قرقره ها مناسب بودند ولی مشکل آن ها در کمبود فشار کافی و سازوکارهای قابل تنظیم برای کنترل عملیات و حرکت های متعدد برای دست یابی به شرایط بهینه بود. در سال 1933، این شرکت طراحی ماشین هایش را به عملیات هیدرولیکی تغییر داد و اولین واحد تزریق هیدرولیکی خودکار را معرفی کرد. این طراحی بر اساس یک امتیاز در سال 1932 بود. فشار هیدرولیکی در این ماشین 500 psi بود، که اجازة قالب-گیری قطعات به طور چشم گیری بزرگ تر را می داد. با وجود آن که ماشین های Grotelite اولین ماشین های تزریق هیدرولیکی نبودند ولی اولین ماشین های قالب گیری تزریقی بودند که واحدهای هیدرولیکی خودکار را به کار می گرفتند.
یک ماشین هیدرولیکی با ظرفیت تزریق 5/2 oz. در سال 1930 در انگلستان توسعه یافت. این ماشین قالب گیری دارای سیلندر گرمایشی به وسیلة الکتریسیته و نیز حرکت های هیدرولیکی بود که به وسیلة پدال های پایی و اهرم های دستی فعال می شد.
در دهة 1930 صنعت مواد گرمانرم به سرعت رشد کرد. مواد گرمانرم جدید مانند بسپار های وینیل، آکریلیکها و پلیاستایرن، قالب گیران را برانگیخت تا تجهیزات و قابلیت های فرآیندی خود را بهبود بخشند. در آمریکا، پیشرفت های چشم گیری در به کارگیری هیدرولیک در کل فرآیند قالب گیری تزریقی اتفاق افتاد.
در اوایل دهة 1930، یک سری آزمایش های قالب گیری تزریقی انجام شد که منجر به توسعة سامانه های بست قالب هیدرولیکی شد. این آزمایش ها نشان دادند که تزریق مادة استات سلولز نیازمند فشارهای تزریق بیشتری نسبت به تزریق نیترات سلولز است. افزایش فشار، بسته ماندن قالب را در طی فرآیند تزریق سخت یا حتی غیرممکن می ساخت. این مشکل توسط R. P. Piperoux حل شد. او یکی از اولین واحدهای گیره را توسعه داد که از فشار هیدرولیکی برای بسته نگه داشتن قالب استفاده می کرد. Piperoux این ماشین را با افزودن یک سامانة هیدرولیکی برای باز کردن و بستن قالب اصلاح کرد (البته این ایدة جدیدی نبود و قبلا نیز مطرح شده بود).
پیش از سال 1933، بیشتر ماشین های تزریق در آمریکا هنوز وارداتی بودند. مشکلاتی چون ظرفیت کم و قیمت زیاد این ماشین ها، یک شرکت تولیدکنندة پرس هیدرولیکی ( HPM) در اوهایو را ترغیب به ساخت ماشین های قالب گیری تزریقی برای فروش تجاری کرد. در سال 1931، این شرکت یک پرس قالب گیری تزریقی دستی ساده را ساخت. این در واقع اولین ماشین قالب گیری تزریقی تجاری موجود برای پلاستیک ها بود که توسط یک شرکت آمریکایی ساخته شده بود. پس از آن، در سال 1935، همان شرکت واحدی را ساخت که از نیروی هیدرولیکی برای تزریق و نیز عملیات بست قالب استفاده می کرد.
این ماشین ها از روغن به عنوان یک سیال هیدرولیکی استفاده می کردند و قطعات کوچک پلاستیکی گوناگونی تولید می شد لازم به ذکر است که در پرس های هیدرولیکی قدیمی تر از آب در سامانه ی هیدرولیکی استفاده می شده است.
نوآوری دیگری از این شرکت در سال 1944 به وقوع پیوست. این نوآوری ها در ارتباط با قفل گیره ی قالب هیدرولیکی بود که در تمام ماشین های هیدرولیکی به کار می رفت. حرکت سریع تر گیره با به کارگیری یک پیستون تقویت کنندة داخلی کوچک در داخل پیستون گیرة اصلی به دست آمد. مساحت سطح مقطع کوچک تر پیستون تقویت کننده در کنار کاهش در حجم سیال هیدرولیکی موردنیاز برای پیمودن سریع، باز و بسته شدن سریع پیستون اصلی را موجب می شد. این کاهش در زمان چرخة قالب گیری، پیشرفتی بود که در صنعت قالب گیری تزریقی که رو به رقابت فزاینده ای می رفت، مورد استقبال فراوانی قرار گرفت.
سال 1936، سال بیداری برای فرآیند قالب گیری تزریقی جوان بود. صنعت آشنایی بیشتری با این فرآیند پیدا کرد، مواد قالب گیری جدید در معرض فروش قرار گرفت و چندین شرکت آمریکایی جدید تاسیس شدند.
در نیمه های دهة 1930، فعالیت بیشتری در تولید واحدهای قالب گیری تزریقی خودکار شکل گرفت. در سال 1935، اولین ماشین تزریق خودکار کنترلی با ساعت معرفی شد که از دو سوئيچ زمانی الکتریکی برای کنترل چرخۀ قالب گيري تزريقي استفاده مي كرد. در نوامبر سال 1936، ماشين قالب گيري تزريقي 20 oz. تمام خودكار و تمام هيدروليك ساخته شد. اين ماشين داراي دو واحد زمان گيري بود: يكي براي كنترل زمان سرمايش و ديگري براي كنترل زمان بازشدن قالب براي پراندن قطعه. در اوايل سال 1937، ماشين خودكار بهبود يافته اي توليد شد كه داراي سه واحد زمان گيري بود. واحد زمان گيري جديد در اين ماشين، كنترل زمان نگه داشتن فشار هيدروليكي بر روي پيستون را به عهده داشت.
در نيمۀ دوم دهۀ 1930 صنعت قالب گيري تزريقي شاهد رشد سريعي خصوصا در توسعۀ ماشين-هايي با ظرفيت بيشتر بود. در دورۀ زماني 1935 تا 1938، ظرفيت ماشين هاي تزريق از 75/1 oz. به 24 oz. افزايش شگرفي داشت. پيشرفت هايي مانند هسته ی اژدرگونGastrow ، واحدهاي تزريق چندين سيلندري و سامانه هاي پيش نرم كننده در افزايش ظرفيت هاي تزريق سهم داشتند.
در سال 1932، H. Gastrow اولين سيلندر گرمايشي به هم پيوسته با يك هسته ی اژدرگون به شيوۀ نوين را معرفي كرد كه در همان سال ثبت شد. پيش از اختراع هسته ی اژدرگون Gastrow، اندازۀ ماشين هاي تزريق اوليه به وسيلۀ قابليت هاي نرم كنندگي آن ها محدود مي شد. هدايت گرمايي بسيار كم بيشتر گرمانرم ها، نرم شدن را بدون آغاز تخريب گرمايي در تزريق هاي زياد دشوار مي ساخت. هسته ی اژدرگون Gastrow اين مشكل را با كاهش موثر ضخامت ماده درون سیلندر حل كرد. هنگام تزريق، هسته ی اژدرگون موجب پخش شدن مواد به سمت خارج و گذشتن از بين ديوارهاي داخلي سيلندر و سطح خارجي هسته ی اژدرگون مي شود. اين هدايت بهبود يافته و نرم شدن، تخريب را كاهش و يا حتي منتفي مي كند و اجازۀ ساخت ماشين هاي تزريق تك سيلندر با ظرفيت بزرگ تر را مي دهد.
توسعۀ ماشين هاي قالب گيري چندين واحد تزريقي به خاطر نياز هم چنان روزافزون به ماشين هاي پرظرفيت براي توليد قطعات بزرگ تر سرعت يافت. نمونه هايي از اين قطعات بزرگ كه شامل اجزاي ماشين است در شكل 5 نشان داده شده است.
شكل 5- قطعات بزرگ قالب گيري شده به وسيلۀ ماشين هاي تزريقي چندين بدنه اي با ظرفيت زیاد
تا نيمۀ دهۀ 1930، بيشينۀ ظرفيت تزريق 8 oz. براي يك سيلندر در نظر گرفته مي شد (حتي زماني كه هسته ی اژدرگون مورد استفاده قرار مي گرفت). استفاده از واحدهاي تزريق چندين سيلندري، ظرفيت هاي تزريق را افزايش داد و پر كردن قطعاتي كه در آن ها طول جريان زياد بود را ميسر كرد.
قالب گيري تزريقي چندين سيلندري در سال 1928 توسط H. A. Husted معرفي شد. او از سه پیستون تزريق هم مركز استفاده كرد كه هركدام توسط يك تونل پيش گرم شدۀ مجزا كه روي يك صفحه نصب شده بودند، تغذيه مي شد. تزريق در سه نقطۀ هم مسافت اتفاق مي افتد و ماشين قابليت استفاده از يك، دو يا سه تونل پيش گرم شده را داشت. هسته ها ی اژدرگون بعدها درون تونل هاي پيش گرم شده جاي داده شدند تا كارآيي نرم کنندگی آن ها را بهبود بخشد.
تعدادي از چشم گيرترين پيش رفت ها در قالب گيري تزريقي چندين سيلندري توسط HPM معرفي شد. در سال 1938، محصول جديد اين شركت با به كارگيري چهار سيلندر تزريق مجزاي 8 oz.، به ظرفيت تزريق 32 oz. دست يافت. اين ماشين در شكل 6 نشان داده شده است.
شكل 6- ماشين قالب گيري تزريقي چهار سيلندري ساخته شده در سال 1938 با قابليت تزريق تا 32 oz.
ماشين چند نازلي براي پر كردن يك قالب بزرگ يا جاي دادن يك قالب كوچك تر در هر واحد تزريق مي-توانست مورد استفاده قرار گيرد. هنگامي كه قالب استفاده مي شد اين ماشين چهار واحد تزريقي از هزينۀ كارگر مي كاست، چون برخلاف ماشين هاي مرسوم كه نيازمند يك متصدي به ازاي هر واحد تزريق بود، در اين جا تنها يك يا دو متصدي كفايت مي كرد.
استفاده از مواد گرمانرم در قسمت هايي با مساحت زياد و ضخامت ديوارۀ كم مانند لايۀ داخلي يخچال و قطعات خودرو، محدوديت هاي ظرفيت تزريق ماشين هاي تزريق تك مرحله اي را نشان دادند و توسعۀ واحدهاي پيش نرم كننده را ترغيب نمودند.
قالب گيري تزريقي پيستوني-پيستوني دو مرحله اي توسط C. F. Burroughs در اوايل سال 1936 توسعه يافت. در ماشين Burroughs از يك سيلندر پيش گرمايش و يك پيستون هيدروليكي استفاده مي شد، كه به ترتيب وظيفۀ نرم كردن خوراك و وارد كردن مذاب به درون سيلندر را عهده دار بودند. سپس يك پيستون جداگانه، ورودي نرم شده را به درون قالب توسط يك شير استوانه اي گردان سه راهه با فشار وارد مي كرد. از آن جايي كه در اين طراحي قطرهاي كوچك تر پيستون تزريق مي-توانست استفاده شود، امكان ايجاد ظرفيت هاي فشار تزريق 15000 تا 20000 psi وجود داشت. در واقع اين سامانه مزاياي زير را نسبت به واحد تك پيستوني داشت: اندازۀ تزريق بزرگ تر، كنترل بهتر اندازۀ تزريق، ظرفيت فشار تزريق زيادتر و دماهاي سيلندر كمتر.
اگرچه روش پیش نرم شدگی مارپیچی در سال 1932 برای مواد گرمانرم مطرح شد، اما هیچ ثبتی در این زمینه تا دهه 1940 رخ نداد. در سال 1946 J. Hendry یک ماشین تزریق مارپیچی 20oz. را ساخت و در سال 1948 یک واحد دو مرحله ای توسعه یافت. این ماشین دو مرحله ای از یک پیش-نرم کننده مارپیچی و یک تزریق گر پیستونی تشکیل شده بود. در ادامه، ماشین های مارپیچی دو مرحله ای 48 oz. مطرح شدند. در این سامانه از یک رانشگر 25/3 اینچی برای نرم کردن خوراک و فرستادن آن به محفظه تزریق عمودی استفاده می شد. رانشگر مذاب یکنواخت تری را به وجود می آورد و از فشار تزریق لازم با حذف نیاز به هسته ی اژدری می کاهید. در اصل این ماشین ها، مرحله مهم و بزرگی در قالب گیری تزریقی گرمانرم ها به شمار می روند، زیرا قادر به فرآیند موفق پلی وینیل کلرید سخت بودند.
ماشین های پیش نرم کنندۀ جدید، صنعت قالب گیری تزریقی را قادر به تولید قطعات بزرگ تر با کیفیت بهتر ساختند. تا سال 1939، صنعت قالب گیری تزریقی، ماشین هایی با ویژگی هایی نظیر ظرفیت بیشتر از 20 oz.، عملیات هیدرولیکی و خودکار، گرمایش الکتریکی مستقیم و پیش نرم شدگی مارپیچی را داشت. بعد از جنگ جهانی دوم، این ویژگی ها در کنار یکدیگر قرار گرفتند و تعدادی از مواد گرمانرم مناسب برای ماشین های پیش رفته را توسعه دادند. پیش رفت های چشم گیر پس از جنگ شامل موارد زیر بودند: ادامۀ قبول قالب گیری خودکار و سامانه های پیش نرم کننده، توسعۀ ماشین های پیش نرم کنندۀ مارپیچی درون خطی، استفاده از گلوئی های محدود شده و حرکت به سمت قالب گیری تزریقی چندلقمه ای.
در سال 1948، گرایش به سمت قالب گیری تزریقی چندلقمه ای، به این صنعت ترقی بخشید. این فناوری جدید موجب قالب گیری قطعات چندرنگی در یک عملیات تولید می شد. این فرآیند جدید از دو مرحله تشکیل شده بود. ابتدا ماده/رنگ اولی به درون قالب تزریق می شد و اجازه داده می شد تا سرد شود. سپس این قطعه درون قالب دومی جای می گرفت و به عنوان یک درونه برای تزریق دوم با رنگ متفاوت عمل می کرد.
در دهۀ 1950، شرکت HPM اوهایو، به عنوان یکی از فعال ترین شرکت ها در توسعۀ فناوری قالب-گیری تزریقی مطرح بود. در سال 1953، واحد تزریق با مدل200p-1200 توسط HPM با عنوان "سریع ترین ماشین تزریقی که تاکنون ساخته شده است"، معرفی شد. این ماشین، سرعت تزریقی برابر 200oz. در سه ثانیه را داشت. مهندس های شرکت HPMاین واحد را از سه نظر انقلابی می دانستند: 1) عملیات واحد نرم کننده، مستقل از چرخۀ ماشین بود، به این معنا که ماده به طور پیوسته نرم می شد و یک حجم مذاب پلاستیک 200 oz. اضافی همیشه آماده بود؛ 2) یک میل بند تزریق قابل تنظیم، اندازه گیری دقیق حجم تزریق را ممکن می کرد و از فشار اضافی روی قطعۀ درون قالب جلوگیری می نمود؛ 3) چهار پیستون پران هیدرولیکی، نیاز به زنجیرها یا میله های کشنده را وقتی که خارج شدن قطعه از سمت تزریقِ قالب بود، منتفی می کرد.
سریع ترین ماشین قالب گیری تزریقی در بازار نیز، در سال 1958 توسط HPM ساخته شد. در این ماشین مدارهای گیره و تزریق مستقل بودند و نیز ماشین با نرخ 2510 in3/min عمل می کرد. مدارهای مستقل اجازۀ حرکت هم زمان گیره و پیستون تزریق را می دادند، که این امر از زمان مرده-ای که در ماشین های تک مداره به وجود می آمد، جلوگیری می کرد.
در سال 1953، یک سامانۀ گیره قالب جدید با نام Hydra-Lock در اوهایو پا به عرصه نهاد. در عملیات، یک مفصل اتصالی، کفی متحرک را جلو می برد تا زمانی که سطوح قالب تنها به اندازۀ کسری از یک اینچ باز شوند. سپس مفصل قفل می شد و کفی را در موقعیت قفل نگه می داشت. یک سیلندر هیدرولیکی 16 اینچی که با ساختار کفی یکپارچه بود و به صورت خودکار عمل می کرد، برای تعیین بسته شدن نهایی و فشار گیره به کار می رفت. حرکت سیلندر هیدرولیکی بسیار کوچک بود و تنها به بخشی از یک گالن روغن نیاز داشت. هم چنین تنها به چند دهم یک ثانیه برای به وجود آمدن نیروی گیره هیدرولیکی نیاز بود. Hydra-Lock عملکردهای قالب را آسان کرد و بر طبق نظر تولیدکنندگان، در طول سال ها مهم ترین سهم را در هنر قالب گیری به عهده داشت.
در سال 1953، پیشرفت چشم گیری در هنر قالب گیری تزریقی لاستیک های وینیلی با کاربرد کامل گلوئی های محدود شده به وقوع پیوست. قالب گیری تزریقی لاستیک های وینیلی به دلیل گرانروی به نسبت زیاد در دماهای مجاز عملیاتی، سخت بود. این مسئله با استفاده از گلوئی های محدود شده برطرف شد، به این شکل که این گلوئی ها در طی پر شدن قالب گرمای ناگهانی زیادی را برای ماده به وجود می آوردند. این گرما از گرانروی ماده می کاست و پر شدن کامل قالب را بهبود می-بخشید. مزایای این روش شامل قطعات با کیفیت بهتر، دماهای سیلندر کمتر و عدم نیاز به فشارهای تزریق زیاد بود.
اگرچه در پایان سال 1958، تعدادی از واحدهای اروپایی به طور موفقی از نرم کننده های مارپیچی استفاده کردند، اما این شیوه در آمریکا محبوب نبود. البته در سال 1959 تغییراتی به وجود آمد. این تغییرات تقریبا جهانی، در مورد نرم کننده های مارپیچی به نمایشگاهی که Kunststoffe در غرب آلمان برگزار کرد، نیز مربوط می شد. هم چنین در این سال شرکت Battenfeldپیشنهاد نصب یک واحد نرم کنندۀ تک مارپیچۀ جای گزین را روی ماشین هایش داد.
در دهۀ 1960، بزرگ ترین تغییر برای قالب گیری تزریقی، جابه جایی تقریبا کامل نرم کننده های پیستونی با نرم کننده های مارپیچی رفت وبرگشتی بود. این پیش رفت به تنهایی بیش ترین مسئولیت را برای گسترش سریع قالب گیری پلاستیک ها برای انواع مختلف مواد و قبول قالب گیری تزریقی به عنوان یک فرآیند تولید صنعتی فراگیر، به عهده داشت. واحد مارپیچی رفت وبرگشتی قادر به فرآیند طیف وسیعی از مواد، از وینیل های سخت، گرماسخت ها، و لاستیک ها تا گرمانرم های تقویت شده با الیاف شیشه بود.
فرآیند مارپیچ رفت وبرگشتی مزایایی دارد که از این قرار است: 1) کاهش در زمان چرخۀ تولید، 2) فشار تزریق کمتر، 3) مذاب همگن تر، 4) قابلیت کار با بسپار های پودری، 5) بهبود خواص فیزیکی در قطعات قالب گیری شده، 6) توانایی قالب گیری بسپارهای حساس به گرما و 7) تغییر سریع تر در نوع یا رنگ بسپار.
اولین ماشین تزریق مارپیچی رفت وبرگشتی در سال 1943 توسط H. Beck از شرکت BASF معرفی شد؛ هرچند که این نوع ماشین تا دهۀ 1960 به محبوبیت دست نیافت. Beck امتیازی را برای مارپیچی که قادر به حرکت محوری درون سیلندر و عمل کردن به عنوان یک پیستون است را ثبت کرد. ماشین طراحی شدۀ او به شیوه ای جدید عمل می کرد: با تجمع مذاب، مارپیچ به عقب رانده می شد، سپس مارپیچ از چرخش باز می ایستاد و بعد به سمت جلو برای تزریق حرکت می کرد. سیزده سال بعد، یعنی در سال 1956، اولین واحد مارپیچ رفت وبرگشتی تجاری تولید و به بازار عرضه شد.
اگرچه ماشین مارپیچی رفت وبرگشتی بسیار کارآمدتر از ماشین های تزریق قبلی بود، اما توسط صنعت قالب گیری تزریقی پذیرفته نشد. در ابتدای سال 1960، تنها تعداد کمی از واحدهای مارپیچی رفت وبرگشتی به کارگرفته شده بودند. در سال 1961، علاقۀ فزاینده ای در آمریکا نسبت به این نوع از ماشین های تزریق به وجود آمد، تا حدی که بیشتر تهیه کننده های بزرگ آمریکایی در زمینۀ ماشین-های تزریق، از واحدهای مارپیچی رفت وبرگشتی استفاده کردند. پیش از این، بیشتر این ماشین ها از اروپا وارد آمریکا می شد.
با قبول ماشین مارپیچی رفت وبرگشتی، صنعت قالب گیری تزریقی به طور موثری وارد دورۀ جدیدی شد. در قسمت دوم این مقاله، به پیشرفت های مهم در این صنعت، از سال 1960 تا کنون پرداخته خواهد شد.
واژگان:
اژدرگون Torpedo
اندازه تزریق Shot size
پران ejector
پروانه امتیاز patent
پیچه های الکتریکی Electric coils
پیستون تزريقي Plunger ram
پیش نرم شدگی مارپیچی Screw preplastication
پيش نرم شدن preplastication
تزریق گر injector
چند لقمه ای Multiple-shot
درونه insert
دندانه peg
دندۀ کاهنده Reduction gear
رانشگر extruder
ریخته گری casting
ریخته گری تحت فشار Die-cast
سامانه های گیره ی قالب Mold clamping systems
سیلندر barrel
شیرهای چهارراهه Four-way valves
ظرفیت تزریق Shot capacity
فراریت volatility
فشار گیره Clamping pressure
كانال هاي راهگاه مانند Runner-like channels
کفی متحرک Moving platen
گلوئی های محدود شده Restricted gating
مفصل اتصالی Toggle linkage
میل بند تزریق Injection tail rod
میل راهنما Tie bar
نرم شدن plastication
هستة محدودکننده Restrictive core
در اصل توسعة اولین ماشین قالب گیری تزریقی برای مواد گرمانرم، در نتیجة کمبود عاج فیل در طی جنگ غیرنظامی آمریکا بود. در آن زمان، از جمعیت فیل آفریقایی به دلیل کشتار مداوم کاسته شده بود. در سال 1868، شرکت Phelan و Collender، تولید کنندة توپ های بیلیارد، جایزه ای ده هزار دلاری را برای هرکس که بتواند جای گزینی برای عاج فیل بیابد، تعیین کرد. یک سال بعد، J. W. Hyatt، استفاده از مادة سلولوئید (نیترات سلولز) را به جای عاج فیل پیشنهاد داد. سلولوئید اولین رزین آلی سنتزی صنعتی در جهان بود. البته لازم به ذکر است که هیچ مدرکی مبنی بر این که J. W. Hyatt جایزة ده هزار دلاری را دریافت کرده است، وجود ندارد!
هنگامی که J. W. Hyatt سلولوئید را توسعه داد، هم زمان آغاز به ساختن ماشینی کرد که قادر به فرآیند آن باشد. اولین ماشین تزریق او که در نوامبر سال 1872 ثبت شد، از یک استوانة گرم شونده با بخار، پیستون هیدرولیکی و یک مجرای تخلیه ساخته شده بود. قالب در این ماشین، در طی تزریق توسط یک پرس هیدرولیکی عمودی که نزدیک استوانة تزریق قرار گرفته بود، بسته نگهداشته می شد.
در این ماشین قالب گیری تزریقی، از یک طراحی بی نظیر برای افزایش نرم سازی خوراک استفاده شده بود. ماشین از یک هستة محدودکننده نزدیک به انتهای سیلندر تشکیل شده بود که بر روی آن تعداد بسیاری دندانه قرار داشت. دندانه ها و هسته در کنار هم منجر به بهبود هدایت و نرمی می شوند. هستة محدود کننده، در واقع شکل اولیه ای مغزی اژدری در ماشین های قالب گیری تزریقی اخیر به خصوص مدل های پیستونی آن بود.
به کار بردن گرما و فشار برای سلولوئید، خطر انفجار را به وجود می آورد و این فراریت به شدت مانع از توسعة ماشین قالب گیری تزریقی J. W. Hyatt برای اهدافی غیر از تولید میله و لوله شد. پس از توسعة واحد تزریق J. W. Hyatt، تعداد دیگری از ماشین های تزریق به وجود آمدند. در دهم فوریه سال 1903، F. H. Richards ماشین قالب گیری تزریقی دیگری را ارائه کرد. این ماشین از یک پیستون بهبود یافته و محفظة استوانه ای گرم شده برای ماده، که در بالای دو نیمة قالب کشویی قرار گرفته است، تشکیل شده بود. این ماشین برای تولید توپ های اسباب بازی از ماده ی گوتاپرچا که نوعی صمغ از درخت لاستیک طبیعی است و ذاتا گرمانرم است، به کار گرفته شد.
برخلاف فراریت آن، نیترات سلولز حتی تا سال های 1900 نیز، مادة قالب گیری تزریقی غالب محسوب می شد. استات سلولز ابتدا در سال 1865 توسط Schuetzenburger تهيه شد، ولي در زمان جنگ جهاني اول در مقياس زياد توليد شد. ولي استفاده از قالب گيري تزريقي استات سلولز در آلمان طي سال هاي 1917-1916 اتفاق افتاد. زماني كه دكتر Hesse، يك دندانپزشك، يك ماده به شكل ميله را درون يك سيلندر گرم شده قرار داد و به ظور دستي مادۀ نرم شده را به درون قالب دنداني پلاستيكي وارد كرد. استات سلولز با اشتعال پذيري به نسبت كم خود، به سرعت تبديل به اولين مادۀ مورد استفاده به مقدار زياد در قالب گيري تزريقي شد.
در سال 1919، دكتر Eichengrun از آْلمان نيز موفق به قالب گيري تزريقي استات سلولز شد. در جولاي سال 1920، A. L. Mond، يك مهندس شيمي در لندن، پس از برقراري ارتباط با دكتر Eichengrun، توليد قطعات قالب گيري شده از استات سلولز را ثبت كرد. در ماشين دستي Eichengrun، ماده درون يك محفظۀ گرم شده قرار مي گرفت و يك پيستون، مذاب را با نيرو از درون كانال هاي راهگاه مانند، به درون يك حفرۀ بسته وارد مي كرد. موفقيت Eichengrun با نوآوري هاي بيشتري در آْلمان پي گرفته شد.
در سال 1926، Eckert و Ziegler، اولين ماشين قالب گيري تزريقي صنعتي حقيقتا موفق را ساختند. اين ماشين داراي يك واحد تزريق افقي با ظرفيت 2oz. و يك پیستون تزريقي بادی (پنوماتيكي) بود. میل راهنماها از يك صفحۀ متحرك كه روي آن قالب قرار گرفته شده بود، محافظت مي كردند. سيلندر تزريق توسط پیچه هاي الكتريكي كه با كمك رئوستات كنترل مي شدند، گرم مي شد. اين ماشين داراي تمام ويژگي هاي اصلي همتاهاي مدرن خود بود. اگرچه ماشين هاي Eckert و Ziegler در آلمان بر پايۀ توليد به كار مي رفتند ولي آن ها هرگز در آمريكا به عنوان واحدهاي توليدي پذيرفته نشدند.
ورود ماشين قالب گيري تزريقي بر پايۀ صنعتي به آمريكا در سال 1922 اتفاق افتاد، زماني كه W. D. Grote دوازده واحد تزريقي دستي را وارد كرد. البته لازم به ذكر است كه ده سال گذشت تا صنعت پلاستيك در آمريكا به قالب گيري تزريقي توجه و علاقۀ جدي نشان داد. مشکلات مواد و تردید نسبت به این فرآیند جدید، موجب پذیرش آهستة آن شدند. در روزهای اولیة صنعت پلاستیک، مواد پلاستیکی گرماسخت به طور گسترده ای به عنوان رزین های قالب گیری مورد استفاده قرار می-گرفتند و در نتیجه مقاومت در برابر فرآیند قالب گیری تزریقی این مواد گرمانرم جدید، عجیب نبود. از طرف دیگر این که قالب گیران فشاری با تجربه، به انقلاب قالب گیری تزریقی خوشامد نگویند و آن را نپذیرند، عجیب نبود. در واقع تا زمانی که پلاستیک های قالب گیری گرمانرم صنعت پلاستیک را به طور شگفت آوری تحت تاثیر قرار دادند، این کم توجهی ادامه داشت. ماشین های تزریق که توسط Grote در سال 1922 وارد شده بودند، در اصل پرس های عمودی ای بودند که به طور دستی کار می کردند. در عمل، مادة قالب گیری از قیف به درون یک محفظة گرم شده به وسیلة الکتریسیته تغذیه می-شد. یک چرخ دستی برای وادار کردن حرکت پیستون فشاری عمودی به درون محفظة گرمایش به کار گرفته می شد. سپس پیستون مواد را به درون قالب سرد شده، وارد می کرد تا زمانی که قالب پر شود. بعد از این که پیستون بالا رفت، یک پدال پایی فشار داده می شد تا محفظة گرمایش را به سمت بالا و دور از قالب جابه جا کند. در پایان قالب باز می شد و یک اهرم دستی برای فعال کردن سامانة خروج قطعه مورد استفاده قرار می گرفت.
در سال 1923، شرکت Grotelite یکی از موفق ترین ماشین های تزریق دستی تولید شدة آمریکایی را ساخت. در اين ماشين يك پيستون با فشار استات سلولز را از يك محفظۀ گرم به درون يك مجرای تزریق و سپس قالب وارد مي كرد.
شرکت Grotelite به دلیل نارضایتی از کارآیی ماشین های تجاری، شروع به طراحی و ساخت ماشین های قالب گیری خود کرد. در سال 1929 این شرکت اولین پرس قالب گیری تزریقی تمام خودکار را تولید نمود. سیلندرهای هوا که در فشاری برابر 100 psi کار می کردند، برای کنترل باز و بسته شدن قالب و حرکت پیستون مورد استفاده قرار گرفتند. شیرهای چهارراهة به کار انداخته شده توسط ضامن روی یک محور دورانی، زمان بندی ماشین را کنترل می کرد. یک موتور الکتریکی نیز با یک دندة کاهنده و تسمة متصل برای چرخش شفت استفاده می شد.
ماشین های اولیة Grotelite برای قالب گیری قطعات کوچک مانند دکمه ها و قرقره ها مناسب بودند ولی مشکل آن ها در کمبود فشار کافی و سازوکارهای قابل تنظیم برای کنترل عملیات و حرکت های متعدد برای دست یابی به شرایط بهینه بود. در سال 1933، این شرکت طراحی ماشین هایش را به عملیات هیدرولیکی تغییر داد و اولین واحد تزریق هیدرولیکی خودکار را معرفی کرد. این طراحی بر اساس یک امتیاز در سال 1932 بود. فشار هیدرولیکی در این ماشین 500 psi بود، که اجازة قالب-گیری قطعات به طور چشم گیری بزرگ تر را می داد. با وجود آن که ماشین های Grotelite اولین ماشین های تزریق هیدرولیکی نبودند ولی اولین ماشین های قالب گیری تزریقی بودند که واحدهای هیدرولیکی خودکار را به کار می گرفتند.
یک ماشین هیدرولیکی با ظرفیت تزریق 5/2 oz. در سال 1930 در انگلستان توسعه یافت. این ماشین قالب گیری دارای سیلندر گرمایشی به وسیلة الکتریسیته و نیز حرکت های هیدرولیکی بود که به وسیلة پدال های پایی و اهرم های دستی فعال می شد.
در دهة 1930 صنعت مواد گرمانرم به سرعت رشد کرد. مواد گرمانرم جدید مانند بسپار های وینیل، آکریلیکها و پلیاستایرن، قالب گیران را برانگیخت تا تجهیزات و قابلیت های فرآیندی خود را بهبود بخشند. در آمریکا، پیشرفت های چشم گیری در به کارگیری هیدرولیک در کل فرآیند قالب گیری تزریقی اتفاق افتاد.
در اوایل دهة 1930، یک سری آزمایش های قالب گیری تزریقی انجام شد که منجر به توسعة سامانه های بست قالب هیدرولیکی شد. این آزمایش ها نشان دادند که تزریق مادة استات سلولز نیازمند فشارهای تزریق بیشتری نسبت به تزریق نیترات سلولز است. افزایش فشار، بسته ماندن قالب را در طی فرآیند تزریق سخت یا حتی غیرممکن می ساخت. این مشکل توسط R. P. Piperoux حل شد. او یکی از اولین واحدهای گیره را توسعه داد که از فشار هیدرولیکی برای بسته نگه داشتن قالب استفاده می کرد. Piperoux این ماشین را با افزودن یک سامانة هیدرولیکی برای باز کردن و بستن قالب اصلاح کرد (البته این ایدة جدیدی نبود و قبلا نیز مطرح شده بود).
پیش از سال 1933، بیشتر ماشین های تزریق در آمریکا هنوز وارداتی بودند. مشکلاتی چون ظرفیت کم و قیمت زیاد این ماشین ها، یک شرکت تولیدکنندة پرس هیدرولیکی ( HPM) در اوهایو را ترغیب به ساخت ماشین های قالب گیری تزریقی برای فروش تجاری کرد. در سال 1931، این شرکت یک پرس قالب گیری تزریقی دستی ساده را ساخت. این در واقع اولین ماشین قالب گیری تزریقی تجاری موجود برای پلاستیک ها بود که توسط یک شرکت آمریکایی ساخته شده بود. پس از آن، در سال 1935، همان شرکت واحدی را ساخت که از نیروی هیدرولیکی برای تزریق و نیز عملیات بست قالب استفاده می کرد.
این ماشین ها از روغن به عنوان یک سیال هیدرولیکی استفاده می کردند و قطعات کوچک پلاستیکی گوناگونی تولید می شد لازم به ذکر است که در پرس های هیدرولیکی قدیمی تر از آب در سامانه ی هیدرولیکی استفاده می شده است.
نوآوری دیگری از این شرکت در سال 1944 به وقوع پیوست. این نوآوری ها در ارتباط با قفل گیره ی قالب هیدرولیکی بود که در تمام ماشین های هیدرولیکی به کار می رفت. حرکت سریع تر گیره با به کارگیری یک پیستون تقویت کنندة داخلی کوچک در داخل پیستون گیرة اصلی به دست آمد. مساحت سطح مقطع کوچک تر پیستون تقویت کننده در کنار کاهش در حجم سیال هیدرولیکی موردنیاز برای پیمودن سریع، باز و بسته شدن سریع پیستون اصلی را موجب می شد. این کاهش در زمان چرخة قالب گیری، پیشرفتی بود که در صنعت قالب گیری تزریقی که رو به رقابت فزاینده ای می رفت، مورد استقبال فراوانی قرار گرفت.
سال 1936، سال بیداری برای فرآیند قالب گیری تزریقی جوان بود. صنعت آشنایی بیشتری با این فرآیند پیدا کرد، مواد قالب گیری جدید در معرض فروش قرار گرفت و چندین شرکت آمریکایی جدید تاسیس شدند.
در نیمه های دهة 1930، فعالیت بیشتری در تولید واحدهای قالب گیری تزریقی خودکار شکل گرفت. در سال 1935، اولین ماشین تزریق خودکار کنترلی با ساعت معرفی شد که از دو سوئيچ زمانی الکتریکی برای کنترل چرخۀ قالب گيري تزريقي استفاده مي كرد. در نوامبر سال 1936، ماشين قالب گيري تزريقي 20 oz. تمام خودكار و تمام هيدروليك ساخته شد. اين ماشين داراي دو واحد زمان گيري بود: يكي براي كنترل زمان سرمايش و ديگري براي كنترل زمان بازشدن قالب براي پراندن قطعه. در اوايل سال 1937، ماشين خودكار بهبود يافته اي توليد شد كه داراي سه واحد زمان گيري بود. واحد زمان گيري جديد در اين ماشين، كنترل زمان نگه داشتن فشار هيدروليكي بر روي پيستون را به عهده داشت.
در نيمۀ دوم دهۀ 1930 صنعت قالب گيري تزريقي شاهد رشد سريعي خصوصا در توسعۀ ماشين-هايي با ظرفيت بيشتر بود. در دورۀ زماني 1935 تا 1938، ظرفيت ماشين هاي تزريق از 75/1 oz. به 24 oz. افزايش شگرفي داشت. پيشرفت هايي مانند هسته ی اژدرگونGastrow ، واحدهاي تزريق چندين سيلندري و سامانه هاي پيش نرم كننده در افزايش ظرفيت هاي تزريق سهم داشتند.
در سال 1932، H. Gastrow اولين سيلندر گرمايشي به هم پيوسته با يك هسته ی اژدرگون به شيوۀ نوين را معرفي كرد كه در همان سال ثبت شد. پيش از اختراع هسته ی اژدرگون Gastrow، اندازۀ ماشين هاي تزريق اوليه به وسيلۀ قابليت هاي نرم كنندگي آن ها محدود مي شد. هدايت گرمايي بسيار كم بيشتر گرمانرم ها، نرم شدن را بدون آغاز تخريب گرمايي در تزريق هاي زياد دشوار مي ساخت. هسته ی اژدرگون Gastrow اين مشكل را با كاهش موثر ضخامت ماده درون سیلندر حل كرد. هنگام تزريق، هسته ی اژدرگون موجب پخش شدن مواد به سمت خارج و گذشتن از بين ديوارهاي داخلي سيلندر و سطح خارجي هسته ی اژدرگون مي شود. اين هدايت بهبود يافته و نرم شدن، تخريب را كاهش و يا حتي منتفي مي كند و اجازۀ ساخت ماشين هاي تزريق تك سيلندر با ظرفيت بزرگ تر را مي دهد.
توسعۀ ماشين هاي قالب گيري چندين واحد تزريقي به خاطر نياز هم چنان روزافزون به ماشين هاي پرظرفيت براي توليد قطعات بزرگ تر سرعت يافت. نمونه هايي از اين قطعات بزرگ كه شامل اجزاي ماشين است در شكل 5 نشان داده شده است.
شكل 5- قطعات بزرگ قالب گيري شده به وسيلۀ ماشين هاي تزريقي چندين بدنه اي با ظرفيت زیاد
تا نيمۀ دهۀ 1930، بيشينۀ ظرفيت تزريق 8 oz. براي يك سيلندر در نظر گرفته مي شد (حتي زماني كه هسته ی اژدرگون مورد استفاده قرار مي گرفت). استفاده از واحدهاي تزريق چندين سيلندري، ظرفيت هاي تزريق را افزايش داد و پر كردن قطعاتي كه در آن ها طول جريان زياد بود را ميسر كرد.
قالب گيري تزريقي چندين سيلندري در سال 1928 توسط H. A. Husted معرفي شد. او از سه پیستون تزريق هم مركز استفاده كرد كه هركدام توسط يك تونل پيش گرم شدۀ مجزا كه روي يك صفحه نصب شده بودند، تغذيه مي شد. تزريق در سه نقطۀ هم مسافت اتفاق مي افتد و ماشين قابليت استفاده از يك، دو يا سه تونل پيش گرم شده را داشت. هسته ها ی اژدرگون بعدها درون تونل هاي پيش گرم شده جاي داده شدند تا كارآيي نرم کنندگی آن ها را بهبود بخشد.
تعدادي از چشم گيرترين پيش رفت ها در قالب گيري تزريقي چندين سيلندري توسط HPM معرفي شد. در سال 1938، محصول جديد اين شركت با به كارگيري چهار سيلندر تزريق مجزاي 8 oz.، به ظرفيت تزريق 32 oz. دست يافت. اين ماشين در شكل 6 نشان داده شده است.
شكل 6- ماشين قالب گيري تزريقي چهار سيلندري ساخته شده در سال 1938 با قابليت تزريق تا 32 oz.
ماشين چند نازلي براي پر كردن يك قالب بزرگ يا جاي دادن يك قالب كوچك تر در هر واحد تزريق مي-توانست مورد استفاده قرار گيرد. هنگامي كه قالب استفاده مي شد اين ماشين چهار واحد تزريقي از هزينۀ كارگر مي كاست، چون برخلاف ماشين هاي مرسوم كه نيازمند يك متصدي به ازاي هر واحد تزريق بود، در اين جا تنها يك يا دو متصدي كفايت مي كرد.
استفاده از مواد گرمانرم در قسمت هايي با مساحت زياد و ضخامت ديوارۀ كم مانند لايۀ داخلي يخچال و قطعات خودرو، محدوديت هاي ظرفيت تزريق ماشين هاي تزريق تك مرحله اي را نشان دادند و توسعۀ واحدهاي پيش نرم كننده را ترغيب نمودند.
قالب گيري تزريقي پيستوني-پيستوني دو مرحله اي توسط C. F. Burroughs در اوايل سال 1936 توسعه يافت. در ماشين Burroughs از يك سيلندر پيش گرمايش و يك پيستون هيدروليكي استفاده مي شد، كه به ترتيب وظيفۀ نرم كردن خوراك و وارد كردن مذاب به درون سيلندر را عهده دار بودند. سپس يك پيستون جداگانه، ورودي نرم شده را به درون قالب توسط يك شير استوانه اي گردان سه راهه با فشار وارد مي كرد. از آن جايي كه در اين طراحي قطرهاي كوچك تر پيستون تزريق مي-توانست استفاده شود، امكان ايجاد ظرفيت هاي فشار تزريق 15000 تا 20000 psi وجود داشت. در واقع اين سامانه مزاياي زير را نسبت به واحد تك پيستوني داشت: اندازۀ تزريق بزرگ تر، كنترل بهتر اندازۀ تزريق، ظرفيت فشار تزريق زيادتر و دماهاي سيلندر كمتر.
اگرچه روش پیش نرم شدگی مارپیچی در سال 1932 برای مواد گرمانرم مطرح شد، اما هیچ ثبتی در این زمینه تا دهه 1940 رخ نداد. در سال 1946 J. Hendry یک ماشین تزریق مارپیچی 20oz. را ساخت و در سال 1948 یک واحد دو مرحله ای توسعه یافت. این ماشین دو مرحله ای از یک پیش-نرم کننده مارپیچی و یک تزریق گر پیستونی تشکیل شده بود. در ادامه، ماشین های مارپیچی دو مرحله ای 48 oz. مطرح شدند. در این سامانه از یک رانشگر 25/3 اینچی برای نرم کردن خوراک و فرستادن آن به محفظه تزریق عمودی استفاده می شد. رانشگر مذاب یکنواخت تری را به وجود می آورد و از فشار تزریق لازم با حذف نیاز به هسته ی اژدری می کاهید. در اصل این ماشین ها، مرحله مهم و بزرگی در قالب گیری تزریقی گرمانرم ها به شمار می روند، زیرا قادر به فرآیند موفق پلی وینیل کلرید سخت بودند.
ماشین های پیش نرم کنندۀ جدید، صنعت قالب گیری تزریقی را قادر به تولید قطعات بزرگ تر با کیفیت بهتر ساختند. تا سال 1939، صنعت قالب گیری تزریقی، ماشین هایی با ویژگی هایی نظیر ظرفیت بیشتر از 20 oz.، عملیات هیدرولیکی و خودکار، گرمایش الکتریکی مستقیم و پیش نرم شدگی مارپیچی را داشت. بعد از جنگ جهانی دوم، این ویژگی ها در کنار یکدیگر قرار گرفتند و تعدادی از مواد گرمانرم مناسب برای ماشین های پیش رفته را توسعه دادند. پیش رفت های چشم گیر پس از جنگ شامل موارد زیر بودند: ادامۀ قبول قالب گیری خودکار و سامانه های پیش نرم کننده، توسعۀ ماشین های پیش نرم کنندۀ مارپیچی درون خطی، استفاده از گلوئی های محدود شده و حرکت به سمت قالب گیری تزریقی چندلقمه ای.
در سال 1948، گرایش به سمت قالب گیری تزریقی چندلقمه ای، به این صنعت ترقی بخشید. این فناوری جدید موجب قالب گیری قطعات چندرنگی در یک عملیات تولید می شد. این فرآیند جدید از دو مرحله تشکیل شده بود. ابتدا ماده/رنگ اولی به درون قالب تزریق می شد و اجازه داده می شد تا سرد شود. سپس این قطعه درون قالب دومی جای می گرفت و به عنوان یک درونه برای تزریق دوم با رنگ متفاوت عمل می کرد.
در دهۀ 1950، شرکت HPM اوهایو، به عنوان یکی از فعال ترین شرکت ها در توسعۀ فناوری قالب-گیری تزریقی مطرح بود. در سال 1953، واحد تزریق با مدل200p-1200 توسط HPM با عنوان "سریع ترین ماشین تزریقی که تاکنون ساخته شده است"، معرفی شد. این ماشین، سرعت تزریقی برابر 200oz. در سه ثانیه را داشت. مهندس های شرکت HPMاین واحد را از سه نظر انقلابی می دانستند: 1) عملیات واحد نرم کننده، مستقل از چرخۀ ماشین بود، به این معنا که ماده به طور پیوسته نرم می شد و یک حجم مذاب پلاستیک 200 oz. اضافی همیشه آماده بود؛ 2) یک میل بند تزریق قابل تنظیم، اندازه گیری دقیق حجم تزریق را ممکن می کرد و از فشار اضافی روی قطعۀ درون قالب جلوگیری می نمود؛ 3) چهار پیستون پران هیدرولیکی، نیاز به زنجیرها یا میله های کشنده را وقتی که خارج شدن قطعه از سمت تزریقِ قالب بود، منتفی می کرد.
سریع ترین ماشین قالب گیری تزریقی در بازار نیز، در سال 1958 توسط HPM ساخته شد. در این ماشین مدارهای گیره و تزریق مستقل بودند و نیز ماشین با نرخ 2510 in3/min عمل می کرد. مدارهای مستقل اجازۀ حرکت هم زمان گیره و پیستون تزریق را می دادند، که این امر از زمان مرده-ای که در ماشین های تک مداره به وجود می آمد، جلوگیری می کرد.
در سال 1953، یک سامانۀ گیره قالب جدید با نام Hydra-Lock در اوهایو پا به عرصه نهاد. در عملیات، یک مفصل اتصالی، کفی متحرک را جلو می برد تا زمانی که سطوح قالب تنها به اندازۀ کسری از یک اینچ باز شوند. سپس مفصل قفل می شد و کفی را در موقعیت قفل نگه می داشت. یک سیلندر هیدرولیکی 16 اینچی که با ساختار کفی یکپارچه بود و به صورت خودکار عمل می کرد، برای تعیین بسته شدن نهایی و فشار گیره به کار می رفت. حرکت سیلندر هیدرولیکی بسیار کوچک بود و تنها به بخشی از یک گالن روغن نیاز داشت. هم چنین تنها به چند دهم یک ثانیه برای به وجود آمدن نیروی گیره هیدرولیکی نیاز بود. Hydra-Lock عملکردهای قالب را آسان کرد و بر طبق نظر تولیدکنندگان، در طول سال ها مهم ترین سهم را در هنر قالب گیری به عهده داشت.
در سال 1953، پیشرفت چشم گیری در هنر قالب گیری تزریقی لاستیک های وینیلی با کاربرد کامل گلوئی های محدود شده به وقوع پیوست. قالب گیری تزریقی لاستیک های وینیلی به دلیل گرانروی به نسبت زیاد در دماهای مجاز عملیاتی، سخت بود. این مسئله با استفاده از گلوئی های محدود شده برطرف شد، به این شکل که این گلوئی ها در طی پر شدن قالب گرمای ناگهانی زیادی را برای ماده به وجود می آوردند. این گرما از گرانروی ماده می کاست و پر شدن کامل قالب را بهبود می-بخشید. مزایای این روش شامل قطعات با کیفیت بهتر، دماهای سیلندر کمتر و عدم نیاز به فشارهای تزریق زیاد بود.
اگرچه در پایان سال 1958، تعدادی از واحدهای اروپایی به طور موفقی از نرم کننده های مارپیچی استفاده کردند، اما این شیوه در آمریکا محبوب نبود. البته در سال 1959 تغییراتی به وجود آمد. این تغییرات تقریبا جهانی، در مورد نرم کننده های مارپیچی به نمایشگاهی که Kunststoffe در غرب آلمان برگزار کرد، نیز مربوط می شد. هم چنین در این سال شرکت Battenfeldپیشنهاد نصب یک واحد نرم کنندۀ تک مارپیچۀ جای گزین را روی ماشین هایش داد.
در دهۀ 1960، بزرگ ترین تغییر برای قالب گیری تزریقی، جابه جایی تقریبا کامل نرم کننده های پیستونی با نرم کننده های مارپیچی رفت وبرگشتی بود. این پیش رفت به تنهایی بیش ترین مسئولیت را برای گسترش سریع قالب گیری پلاستیک ها برای انواع مختلف مواد و قبول قالب گیری تزریقی به عنوان یک فرآیند تولید صنعتی فراگیر، به عهده داشت. واحد مارپیچی رفت وبرگشتی قادر به فرآیند طیف وسیعی از مواد، از وینیل های سخت، گرماسخت ها، و لاستیک ها تا گرمانرم های تقویت شده با الیاف شیشه بود.
فرآیند مارپیچ رفت وبرگشتی مزایایی دارد که از این قرار است: 1) کاهش در زمان چرخۀ تولید، 2) فشار تزریق کمتر، 3) مذاب همگن تر، 4) قابلیت کار با بسپار های پودری، 5) بهبود خواص فیزیکی در قطعات قالب گیری شده، 6) توانایی قالب گیری بسپارهای حساس به گرما و 7) تغییر سریع تر در نوع یا رنگ بسپار.
اولین ماشین تزریق مارپیچی رفت وبرگشتی در سال 1943 توسط H. Beck از شرکت BASF معرفی شد؛ هرچند که این نوع ماشین تا دهۀ 1960 به محبوبیت دست نیافت. Beck امتیازی را برای مارپیچی که قادر به حرکت محوری درون سیلندر و عمل کردن به عنوان یک پیستون است را ثبت کرد. ماشین طراحی شدۀ او به شیوه ای جدید عمل می کرد: با تجمع مذاب، مارپیچ به عقب رانده می شد، سپس مارپیچ از چرخش باز می ایستاد و بعد به سمت جلو برای تزریق حرکت می کرد. سیزده سال بعد، یعنی در سال 1956، اولین واحد مارپیچ رفت وبرگشتی تجاری تولید و به بازار عرضه شد.
اگرچه ماشین مارپیچی رفت وبرگشتی بسیار کارآمدتر از ماشین های تزریق قبلی بود، اما توسط صنعت قالب گیری تزریقی پذیرفته نشد. در ابتدای سال 1960، تنها تعداد کمی از واحدهای مارپیچی رفت وبرگشتی به کارگرفته شده بودند. در سال 1961، علاقۀ فزاینده ای در آمریکا نسبت به این نوع از ماشین های تزریق به وجود آمد، تا حدی که بیشتر تهیه کننده های بزرگ آمریکایی در زمینۀ ماشین-های تزریق، از واحدهای مارپیچی رفت وبرگشتی استفاده کردند. پیش از این، بیشتر این ماشین ها از اروپا وارد آمریکا می شد.
با قبول ماشین مارپیچی رفت وبرگشتی، صنعت قالب گیری تزریقی به طور موثری وارد دورۀ جدیدی شد. در قسمت دوم این مقاله، به پیشرفت های مهم در این صنعت، از سال 1960 تا کنون پرداخته خواهد شد.
واژگان:
اژدرگون Torpedo
اندازه تزریق Shot size
پران ejector
پروانه امتیاز patent
پیچه های الکتریکی Electric coils
پیستون تزريقي Plunger ram
پیش نرم شدگی مارپیچی Screw preplastication
پيش نرم شدن preplastication
تزریق گر injector
چند لقمه ای Multiple-shot
درونه insert
دندانه peg
دندۀ کاهنده Reduction gear
رانشگر extruder
ریخته گری casting
ریخته گری تحت فشار Die-cast
سامانه های گیره ی قالب Mold clamping systems
سیلندر barrel
شیرهای چهارراهه Four-way valves
ظرفیت تزریق Shot capacity
فراریت volatility
فشار گیره Clamping pressure
كانال هاي راهگاه مانند Runner-like channels
کفی متحرک Moving platen
گلوئی های محدود شده Restricted gating
مفصل اتصالی Toggle linkage
میل بند تزریق Injection tail rod
میل راهنما Tie bar
نرم شدن plastication
هستة محدودکننده Restrictive core
برگردان: مهندس مرضیه ریاحی
0 ارسال نظرات:
ارسال یک نظر
با نظرات خود ما را در هر چه بهتر کردن وبلاگ یاری کنید