سیلندر و مارپیچ – طراحی مارپیچ در قالب گیری تزریقی

سیلندر و مارپیچ – طراحی مارپیچ در قالب گیری تزریقی در این مقاله تفاوتهای مشاهده شده بین فرآیند پلاستیکها در صنایع اکستروژن و قالبگیری تزریقی مورد بررسی قرار گرفتهاند. ملزومات برای فرآیند کردن یک پلاستیک در قالبگیری تزریقی مشابه اکستروژنی است، اما بسیاری از عبارات متفاوتند. برای مثال سرعت تولید در اکستروژن در مدل آمریکائی به صورت pph/rpm و در تزریق به صورت oz/sec تعریف می شود. البته تفاوت اولیه این دو فرآیند این است که فرایند اکستروژن پیوسته و فرایند تزریق به صورت آغاز-ایست است. از آنجائیکه فرایند اکستروژن پیوسته است، بررسی کیفیت مادهی فرآیند شده راحتتر از تزریق است. سامانههای اکستروژنی به طور طبیعی و با دقت، فشار مذاب، دمای مذاب و آمپراژ را نشان میدهند. اندازه محصول پایانی به صورت پیوسته تا هزارم یک اینچ و یا حتی بهتر اندازهگیری میشود. با چنین مشاهدهی پیوستهای، مشکلات کیفی به سرعت مشخص میشوند. کیفیت مادهی خروجی از سیلندر در قالب گیری تزریقی معمولا هنگامی مورد توجه قرار میگیرد که بین قطعات تفاوتهای فاحشی مشاهده شود مثل پدیداری رگههای رنگ یا عدم اختلاط مشهود، زمانهای بازگشت که باعث افزایش زمان چرخه تولید میشوند، دماهای مذاب که یا کم هستند که در این حالت با همراه شدن با فشارهای تزریق ناکافی به قالب اجازه پر شدن نمیدهد (Short shot)، و یا این دماها بسیار بالا هستند که باعث چکه کردن از افشانک تزریق و یا پلیسه دادن میشوند. دلایل این فقدان مشاهدهی کیفیت مناسب ماده فرآیند شده دو علت است: اول: بیشتر قطعاتی که قالبگیری میشوند در ابتدا برای استفاده از یک بسپار مشخص با خواص فیزیکی کافی طراحی میشوند. قطعات آزمایش میشوند و در نهایت تحت تولید قرار میگیرند. قالبگیری واقعی ممکن است در ماشینی انجام شود که فشار تزریق کافی نداشته باشد. در این حالت برای غلبه بر کمبود فشار تزریق، اپراتور فشار و دمای سیلندر را افزایش میدهد تا ماده بتواند قالب را پر کند. به ندرت رخ میدهد اپراتور بررسی کند که آیا دما بسیار بالا است یا نه، چرا که وظیفه او پر کردن قالب و تولید قطعه است و احتمالا نمیداند که به دلیل افزایش دما یا برش امکان تخریب وجود دارد. بعد از اینکه قطعه در تولید قرار گرفته است، آزمایش فیزیکی معمولا زمانی انجام میگیرد که نقصی رخ دهد. دوم: شرکتهای تولیدکننده ماشینهای تزریق، توسط قالب سازها مورد الزام قرار نمیگیرند تا فناوری فرآیند را بهبود دهند چرا که قالب ساز از نیاز برای یک سطح بالا از فناوری فرآیند و یا ناشی از فناوری فرآیند بهبود یافته آگاه نیست. فناوریهای فرآیندی بسیار کمی انتقال از اکسترودر به قالبگیری تزریقی را انجام دادهاند. تفاوتهای سختافزاری بین اکستروژن و تزریق: 1- L/D: طول تقسیم بر قطر (طول مارپیچ یا سیلندر تقسیم بر قطر داخلی سیلندر یا قطر خارجی پیچ ) در اکستروژن به طور معمول 30:1 و یا بیشتر است، در حالیکه در قالب گیری تزریقی 20:1 نیز طبیعی است. در تزریق بدلیل اینکه مارپیچ عمل رفت و برگشت را نیز انجام میدهد طول مارپیچ کاهش یافته است. مقدار کاهش طول موثر مارپیچ ارتباط مستقیمی با مقدار تزریق دارد. بنابراین هرچه مقدار تزریق بیشتر باشد، گرسنگی مارپیچ از بسپار بیشتر است چرا که بسپار ورودی نسبت به اولین گام به سمت جلو منتقل شده است. طراحیهای مارپیچ تزریقی معمولا تغییرات اضافی برای قسمت خوراکدهی دارند تا این گرسنگی را جبران کنند. طول سیلندر و مارپیچ اکستروژن از 20:1 به 30:1 و بیشتر افزایش یافته است. دلیل این افزایش طول در فرمولهای مربوط به سرعت جریان و جریان فشاری توصیف شده است. سرعت جریان بر حسب اینچ مکعب در ثانیه برابر است با: Q total = Q drag + Q pressure – Q leakage Q pressure = p D h3 P sin2 f / 12 u L که در معادله جریان فشاری، رابطه L خطی و h به توان 3 است. ابن بدین معنی است که هر گونه افزایش در عمق می بایست افزایش مناسبی در طول داشته باشد یا در غیر این صورت مقدار جریان فشاری جریان کلی را کاهش خواهد داد. این فرمول انتقال حرارت و ذوب را در نظر نمی گیرد و تنها برای نشان دادن مقادیر در حالت گرانروی ثابت ساده سازی شده است. مزایای استفاده از نسبتهای طول به قطر بالا در اکستروژن عبارتند از: افزایش سرعت ( زمان های بازگشت کاهش یافته) دمای مذاب کمتر نوسانات دما و فشار کمتر بهبود بازدهی انرژی موارد الف و ب کاهش زمان چرخه را سبب می شوند: مورد الف زمان چرخه را کاهش میدهد در صورتیکه بازگشت یک عامل محدود کننده باشد. مورد ب زمان لازم برای بسته بودن قالب را کاهش میدهد، از این رو هر دو عامل زمان چرخه را کاهش میدهند. اگر دمای پایین مذاب بدلیل کمبود فشار یا سرعت کافی تزریق باعث تزریق کم شود، یا اگر قالب در حین تزریق باز شود (کم بودن میزان تناژ قفلشدگی قالب) در این حالت یا واحد تزریق به خوبی انتخاب نشده است و یا اینکه اندازه نادرستی از ماشین انتخاب شده است. هدف بکار بردن کمترین دمای مذاب ممکن نیست بلکه دمای مذابی است که تولید کننده توصیه کرده است. در بسیاری از کاربردها مشاهده شده است که دمای مذاب مشاهده شده بالاتر از دمای توصیه شده است. کوچک سازی اندازه (کاهش قطرهای سیلندر و مارپیچ ) همراه با نسبت طول به قطر زیاد میتواند یک راه حل برای فشار تزریق ناکافی باشد. اندازه تزریق باید مورد بررسی قرار گیرد تا قطر مناسبی انتخاب شود. در بسیاری از موارد ، سرعت بازگشت میتواند ثابت نگاه داشته و یا افزایش یابد. کاربردهای نیازمند محل گازگیری در صنعت قالبگیری تزریقی که دارای همان سیلندر و نسبت طول به قطر مارپیچ (20:1)، به سرعت در حال جایگزین شدن با سامانههای بدون گازگیر ولی با خشککن میشوند. استفاده از یک سامانهی گازگیر برای بیرون کشیدن بخار و مواد فرار در صورتیکه طراحی مناسبی داشته باشند، دارای مزایای اقتصادی بسیار بیشتری هستند. در اکستروژن نسبت طول به قطر 30:1 برای گازگیری مناسب است. جریان در ناحیهی گازگیری در یک سامانهی با طراحی مناسب وجود ندارد. فناوری برای بکار بردن سامانههای گازگیردار و استفاده از مزایای آنها بدون معایب مشاهده شده در استفاده نادرست و طراحی ضعیف وجود دارد. 2- طراحی مارپیچ: نسبت طول به قطر بالاتر برای قسمتهای عمیقتر، امکان استفاده از عمق را میدهد که سرعت خروجی افزایش یابد. مشکلی که عمیق بودن ناحیه پیمایش یا پمپش (Metering) ایجاد میکند این است که به ذرات ذوب شده اجازه ورود به ناحیه پیمایش را میدهند. این ناحیه قادر به حذف این ذرات نیست، پس این ذرات به سمت انتهای جریان میروند که در بهترین حالت نوسانات گرانروی تولیدی در قطعه قالبگیری شد را ایجاد میکنند و در بدترین حالت حضور ذرات ذوب نشده در قطعه قالبگیری شده را سبب میشوند. در صنعت قالبگیری تزریقی عادی است که در شرایط فوق فشار پشت دای را بالا میبرند، در هنگامیکه محدودیتی (افزایش فشار) اعمال شود، سرعت جریان کاهش خواهد یافت و دمای مذاب افزایش مییابد. همچنین پایداری فشار نیز ممکن است کاهش یابد. فشار پشت دای معمولا استفاده میشود و همیشه یک جایگزین ضعیف برای طراحی نامناسب مارپیچ است. برای کاهش سرعت جریان در برابر فشار پشت دای با یک طرح مارپیچ کلی، ممکن است فرض شود که کانالهای جریان انتهایی در مارپیچ میتوانند انرژی برشی بیشتری را فراهم کنند تا ذوب مورد نیاز برای رسیدن به دمای مذاب یکنواخت را کامل کند. این مسئله به طور طبیعی نادرست است، چرا که بررسی مختصر طبیعت ویسکوالاستیک بسپارهای با گرانروی کم مورد استفاده در قالب گیری تزریقی این برداشت نادرست را تایید میکند. در صنعت اکستروژن، طراحیهای مارپیچ معروف به حالت کلی به ندرت در اویل دهه 1950 مورد استفاده قرار گرفتند. در فرآیند اکستروژن این طراحی تک مرحلهای با گام مربعی نامیده می شود که در صنعت تزریق میتوان به آن طراحی بدون هدف! گفت: یک سوء تفاهم متداول این است که طراحی برای مصارف عمومی با گذشت بیشتری صورت میگیرد و استفاده از یک محدوده وسیعی از گرانروی بسپار را ممکن میسازد. این مسئله درست نیست. یک اختلاط با طراحی مناسب یا یک مارپیچ سدگر دارای محدودههای کارایی بسیار وسیعتری است که ناشی از توانایی آن برای پخش کلوخههایی است که به ناحیه پیمایش وارد میشوند. طراحیهای نوین مارپیچ اختلاط مناسب و پخش رنگدانه را بدون کاهش سرعت و البته بدون افزایش فشار پشت دای فراهم میسازد. فراوانی بخش های اختلاط در صنعت تزریق در سالهای اخیر ثابت میکند که عملا هر بخشی که در انتهای قسمت پیمایش (metering) قرار گرفته باشد یک طراحی بیهدف را بهبود خواهد بخشید که البته به معنی بودن یکسان بودن همهی بخشهای اختلاط نیست. طراحیهای دارای سدگر که در ناحیه انتقالی مواد جامد را از مذاب جدا میکند، برای اولین بار در سال 1959 توسط Miallefer معرفی شدند، امروزه متداولترین طراحی سدگر مورد استفاده توسط R.F.Drey در سال 1970 ثبت اختراع شده است. این طراحی همچنین به طور موفقیتآمیزی در کاربردهای قالبگیری تزریقی با زمان بازگشت کم و کارایی بالا و در ابتدا با نسبتهای طول به قطر کم بکار برده شده است. در فرآیند اکستروژن کارایی به صورت پوند بر ساعت rpm (pph/rpm) و پوند بر ساعت بر اسب بخار (pph/hp) نشان داده میشود. طراحی ناحیه پیمایش طولانیتر منجر برای اطلاعات بیشتر با ما تماس بگیرید Mobile: 09123147522 /09123720098 Tel:+98-21-22194521/ 22191624 / 22484408 Tel/Fax: +98-21-22484408 یعقوبی