طراحی قالب تزریق پلاستیک چیست و چه کاربردی دارد؟

در دنیای امروز استفاده از پلاستیک ها برا ی ساخت محصولات روزمره بسیار رایج است. یکی از دلایل آن امکان ایجاد تنوع در طراحی محصولات است. پلیمرها را به روش های متعددی می‌توان شکل داد. یکی از راحت ترین، پر مصرف ترین و مهم ترین روش­‌های رایج برای شکل دادن به پلیمرها استفاده از روش تزریق پلاستیک است. دستگاه تزریق پلاستیک امروزه به طور گسترده‌­ای در ساخت و شکل­دهی قطعات مختلف از ساخت اسباب بازی تا قسمت­‌های پلاستیکی بدنه خودرو، بسته بندی‌ها و… کاربرد دارد. در این مقاله پس از اشاره‌ی مختصری به پلاستیک‌ها و سپس بررسی طراحی قالب تزریق پلاستیک و اجزا آن، به قوانین طراحی قطعات پلاستیکی و بررسی انواع اتصالات این قطعات پرداخته شده است.

پلاستیک‌ها

پلیمرهای صنعتی و یا به تعبیری پلیمرهای مهندسی بیشترین کاربرد را در صنایع گوناگون دارند. در حال حاضر هر صنعتی به فراخور حال خود از پلاستیک‌ها استفاده میکند. صنایع حمل و نقل، الکترونیک، ساختمان، پزشکی و هواپیما بر پایه انواع مختلف پلاستیک‌ها استوار هستند تا محصولی با کیفیت بالاتر و با قیمتی کمتر نسبت به موادی مانند فلزات، چوب، سیمان یا لاستیک تولید کنند. بسیاری از پلاستیکها به عنوان جانشینی برای موادی که به عنوان منابع تجدید ناپذیر شناخته شده‌اند همانند لاستیک، چوب و فلز ایجاد و ساخته شده‌اند.

پلاستیک‌ها  فقط نوع واحدی از ماده نیستند بلکه خانواده‌ای از مواد می‌باشند. پلاستیک ها شامل تعداد زیادی از پلیمرها و ترکیبات متعددی می‌باشند، به طوری که هر ماده در هر گروه، خواص فیزیکی – مکانیکی خاص خود را دارد. بیشتر پلاستیک‌ها به یکی از گروهای ترموپلاستیک یا ترموست‌ها تعلق دارند. در بخش بعدی به معرفی ترموپلاستیک ها خواهیم پرداخت.

ترموپلاستیک چیست؟

ترموپلاستیک‌ها معمولا به شکل پودری و گرانول در دسترس هستند. این مواد را میتوان چندین بار تحت تاثیر گرما ذوب کرد تا شکل پذیر شوند. با این حال ترموست ها قابلیت ذوب شدن در برابر حرارت و شکل دهی مجدد را نداشته بنابراین قابل بازیافت نیستند.

یکی از ویژگی‌های مثبت تزریق پلاستیک طیف گسترده پلاستیک های سازگار با این تکنولوژی است. بیشتر ترموپلاستیک ها می توانند تزریق پلاستیک شوند. ترموپلاستیک های استاندارد می توانند با افزودنی هایی مثل فیبر، ذرات لاستیک، مواد معدنی، مواد مقاوم در برابر آتش و دیگر ترموپلاستیک ها  مقاوم شوند و خواص ویژه ای به دست آورند.

از مهمترین ترموپلاستیک‌هایی که برای تزریق پلاستیک از آنها استفاده میشود میتوان به اکریلونیتریل بوتادین ان استایرین، نایلون، پلی کربنات، پلی اتیلن، پلی پروپیلن، پلی استایرین اشاره کرد.

مراحل فرآیند تزریق پلاستیک

سه مشخصه­‌ی اساسی روش تزریق پلاستیک، تولید ماده ترموپلاست، ماشین تزریق، قالب فلزی و پارامترهای قالبگیری است. پروسه طراحی قالب به دو بخش نرم‌­افزاری و سخت‌­افزاری تقسیم می‌شود. نرم‌­افزاری به مطالعه پارامترهای قالب­‌گیری مانند دمای ذوب، دمای قالب، زمان و فشار تزریق و هم‌چنین طراحی سخت افزاری به بحث ساختار مکانیکی قالب، مانند انواع صفحات قالب و ترتیب آنها، سیستم پران و … خواهد پرداخت.

به طور کلی مراحل تزریق پلاستیک به شرح زیر است:

  1. گرانول‌های پلاستیکی از طریق قیف وارد بشکه شده و تا حالت مذاب گرم می‌شوند.
  2. پلاستیک مذاب وارد قالب می‌شود.
  3. مذاب به حفره قالب تزریق پلاستیک می‌شود.
  4. محصول پلاستیکی قبل از باز شدن قالب و بیرون افتادن آن، سرد و جامد می‌شود.
مراحل تزریق پلاستیک
نمایش مراحل تزریق پلاستیک

برای طراحی قالب تزریق پلاستیک ابتدا باید اجزا آن را شناخت. به همین منظور در ادامه به معرفی اجزای قالب تزریق پلاستیک پرداخته شده است.

ساختار قالب تزریق پلاستیک

بطور کلی ساختار قالب تزریق پلاستیک به شرح زیر است:

محفظه قالب: شامل حفره قالب (قسمت مادگی قالب که شکل خارجی قطعه را به دست می‌دهد) و ماهیچه (قسمت نرینگی قالب که فرم داخلی قطعه را ایجاد می‌کند).

صفحه‌ی حفره و صفحه‌ی ماهیچه: صفحه‌ای که قسمت فرورفته‌ی قالب روی آن سوار باشد صفحه‌ی حفره و صفحه‌ای که قسمت بیرون زده روی آن ساخته شده باشد صفحه‌ی ماهیچه نام دارد. هنگام بسته شدن قالب دو صفحه‌­ی مذکور روی هم سوار شده و فضای بین آنها محفظه­‌ی قالب را ایجاد می‌کند.

نیمه‌ای از قالب که به قسمت ثابت دستگاه تزریق متصل شده نیمه‌ی ثابت قالب و نیمه‌ی دوم که به قسمت متحرک ماشین تزریق متصل می‌شود نیمه‌ی متحرک نام دارد.

قالب تزریق ممکن است تک حفره­ای یا چند حفره­ای باشد.

روش نصب و جاسازی ماهیچه و حفره:

  • روش ‌یکپارچه (اینتگری): در این روش حفره و ماهیچه همراه صفحات پشت‌­بند آنها به صورت‌ یک­‌تکه و ‌یک­پارچه ماشین کاری می‌شوند
  • روش اینسرتی: در این روش حفره و ماهیچه به صورت جداگانه ماشین کاری شده و بعد روی صفحات نصب می‌شوند.
اینتگریاینسرتی
در قالب­‌های تک محفظه استفاده می‌شود و برای قالب‌­های چند محفظه‌­ای که بحث هم­‌راستایی محفظه‌­ها مطرح است کاربرد ندارد.
روش ساخت:
ماشین کاری مستقیم روی یک بلوک فولادی
روش ریخته­‌گری دقیق (پرهزینه است)
زمانی که در یک قالب سوراخ، شیارها و قسمت­‌های برآمده­ی ظریف وجود داشته باشد و احتمال آسیب دیدن آن‌ها در حین کار وجود داشته باشد، برای تسهیل تعویض آن‌ها و صرفه­‌جویی در هزینه و زمان از اینسرت استفاده می‌شود. هم‌راستایی در این قالب­‌ها بهتر است
اینسرت‌­ها به شکل مربع یا دایره ساخته می‌شوند.

مزایا و معایب قالب­‌های یکپارچه و اینسرت‌­ها:

اینتگریاینسرتی
هزینه موادگران‌ترارزان‌تر
هزینه‌ی تعویض یا اصلاحاتگران‌ترارزان‌تر
سایز کلیکوچک‌تربزرگ‌تر
سایز قطعات ماشین کاریبزرگ‌ترکوچک‌تر
عملیات حرارتی جهت مقاوم سازی در برابر سایشاحتمال بالای تاب برداشتنبه علت کوچکتر بودن احتمال تاب برداشتن پایین است
سیستم خنک‌کاریطراحی آسان‌ترطراحی سخت‌تر

الف: صفحات مهار کننده ‌یا نگهدارنده

‌یکی از اجزای قالب­‌های اینسرتی هستند که برای نگه داشتن اینسرت‌ها در جای خود به کار می‌روند. انواع صفحات نگهدارنده:

  • یکپارچه
  • چند تکه (شامل صفحه و چند لقمه که اطراف اینسرت را میگیرند، نسبت عرض به ضخامت  لقمه‌های فولادی باید 3:2 اینچ باشد. مثلا در صورتی که اینسرت 2 اینچ باشد عرض لقمه باید 3 اینچ باشد)
  • نگهدارنده­‌های قاب دار شامل‌ یک قاب به علاوه‌ی‌ یک صفحه پشت بند
  • خزینه‌ای (در دو نوع کانال باز و کانال بسته)
  • صفحه‌ی نگهدارنده‌ی ساده (معمول ترین نوع)

بین دو اینسرت‌ یک بلوک فولادی به نام پل قرار می‌گیرد که این امکان را فراهم کند که به جای ماشین کاری دو جاساز روی صفحه‌ی قالب از‌یک جاساز بزرگ استفاده کنیم. پل همچنین لقی بین دو اینسرت و امکان  نفوذ مذاب بین آنها را از بین میبرد.

ب: سیستم تغذیه مذاب

از موارد دیگر که در طراحی قالب تزریق پلاستیک باید به آن توجه کرد سیستم تغذیه مذاب است قالب است. مسیر عبور مذاب در قالب شامل سه جز اسپرو، راهگاه و دریچه تزریق است. مواد مذاب پس از خروج از نازل ماشین و عبور از اسپرو بوش به راهگاه اصلی وارد می‌شوند. مواد پس از عبور از راهگاه اصلی وارد راهگاه فرعی شده و از طریق دریچه تزریق وارد محفظه قالب می‌شوند.

درنتیجه بوش تزریق واسط بین نازل ماشین و محفظه قالب است. در هنگام تزریق، مواد پلاستیک به صورت خمیر از نازل ماشین خارج شده و از طریق یک مسیر به محفظه­ی قالب وارد می‌شود. ساده‌ترین نوع این مسیر یک سوراخ مخروطی شکل در داخل یک بوش است. مواد موجود در این مسیر را اسپرو و بوش را بوش تزریق می‌گویند. سوراخ داخلی بوش تزریق باید بین 2 تا 4 درجه شیب داشته باشد تا خروج مواد منجمد شده از آن راحت باشد.

راهگاه کانالی است که در صفحه قالب ماشین کاری شده و مواد مذاب خارج شده از بوش تزریق را به محفظه قالب تحویل میدهد. سایز راهگاه به عواملی مانند نوع پلاستیک تزریقی، سطح مقطع راهگاه، حجم قطعه کار و فاصله‌ی محفظه‌های قالب تا راهگاه اصلی و بوش تزریق بستگی دارد. چیدمان راهگاه‌ها نیز وابسته به تعداد حفره‌های قالب، شکل قطعه، نوع قالب (دوصفحه‌ای، چند صفحه­‌ای) و نوع دریچه تزریق است. توازن سیستم راهگاهی به این معناست که فاصله‌ای که مواد مذاب از بوش تزریق تا هر حفره‌ی قالب طی می‌کند باید برابر باشد.

دریچه‌­ی تزریق روزنه ‌یا کانال کوچکی است که راهگاه را به محفظه قالب متصل می‌کند. ترجیحا محل قرارگیری دریچه باید به گونه‌ای باشد که مذاب به طور‌ یکنواخت و در ‌یک جهت پیشروی کند و نقاط انتهایی‌ محفظه را هم زمان پر کند. باید توجه کرد که نیروی وارده تا حدودی زیاد است، بنابراین اگر در جای درست و مناسب قرار نگیرد ممکن است موجب تغییر فرم دیواره‌ی ماهیچه شود. پس توجه به‌ یکنواخت بودن جریان مذاب و توزیع فشار امری ضروری ست.

انواع راهگاه و گلویی تزریق که می‌توان در طراحی قالب تزریق پلاستیک از آن استفاده کرد، به شرح زیر است:

  1. سیستم‌های انجماد

مرسوم ترین سیستم‌های راهگاه ‌یا گلویی‌­های تزریق برای انجماد: راه تغذیه (اسپرو)، گلویی تزریق نقطه‌ای، گلویی تزریق دیافراگمی، گلویی تزریق دیسکی، گلویی تزریق کاردی، گلویی تزریق تونلی، راهگاه ستاره‌ای‌ یا حلقه‌ای

  • سیستم راهگاه گرم

سیستم‌های راهگاه گرم لزوما برای تولید همه‌ی ترموپلاستیک‌ها مناسب نیستند

  • سیستم راهگاه سرد

مواد ترموست و الاستومر را می‌توان مشابه تولیدِ بدون راهگاهِ رزین‌­های ترموپلاستیک توسط قالب­‌های راهگاه سرد و بدون از دست دادن سیستم راهگاه تولید کرد.

حلقه­‌ی موقعیت دهنده/ حلقه­‌ی تنظیم: به منظور انتقال مناسب ماده­‌ی مذاب از دهانه ماشین تزریق به قالب باید هم‌راستایی نازل ماشین و بوش تزریق به گونه‌ای حفظ شود این هم­‌راستایی را می‌توان به کمک‌ یک حلقه‌ی تنظیم به دست آورد. وظیفه‌ی آن تعیین موقعیت صحیح قالب هنگام بستن آن به صفحه‌ی ماشین تزریقو اتصال واسط بین بوش تزریق و سوراخ واقع در صفحه ماشین تزریق است.

میله‌های راهنما، بوش­های راهنما: به منظور هم‌­راستایی حفره و ماهیچه به هنگام بسته شدن قالب از آنها استفاده می‌شود به این صورت که در‌یک صفحه از قالب، میله و در صفحه‌ی دیگر بوش راهنما محقق می‌شود و هنگام بسته شدن قالب هر میله‌ی راهنما به درون بوش راهنمای مقابل خود رفته بدین ترتیب موقعیت صحیح حفره و ماهیچه به نسبت هم حفظ میشود. هم‌چنین از آنها می‌توان به عنوان راهنما برای مونتاژ قالب هم کمک گرفت. این اجزا می‌توانند امتیاز مثبتی در طراحی قالب تزریق پلاستیک باشند.

قالب تزریق پلاستیک قطعات پلاستیکی 2

نکات مربوط به طراحی بوش و میله راهنما:

  • لبه‌ی ورودی بوش فیلت باید بخورد تا نقش راهنمای ورودی میله را ایفا کند
  • سوراخ انتهای بوش باید بزرگتر از قطر کاری آن باشد تا هم از سایش جلوگیری شود و هم میله‌ها گیر نکنند.
  • سر میله‌ها باید به حالت مخروطی باشد تا راحت تر جا بخورد.
  • طول میله‌ها باید به گونه‌ای باشد که قبل از رسیدن ماهیچه به حفره دو صفحه به درستی هم­راستا شوند و میله در بوش قرار گیرد تا باهم برخورد نکنند.

در قالب قطعات خیلی ظریف ‌یا خیلی بزرگ استفاده از میله‌های راهنما کافی نیست، بنابراین از قفل کننده‌های مخروطی استفاده میشود زاویه بخش مخروطی بین 20 تا 30 درجه است . قطرهای استاندارد شامل 7، 13، 16، 20، 30 mm است. تعداد این قفل کننده‌ها بین 2 تا 6 عدد است و تعداد میله‌های راهنما بین 2 تا 4 عدد بسته به سایز قالب است.

در سیستم‌های استاندارد میله‌های راهنما در قسمت ثابت قرار دارد تا عمل پران به راحتی انجام گیرد.

ج: سیستم پران

یکی از قابل توجه ترین موارد در طراحی قالب تزریق پلاستیک، سیستم پران است. مواد ترموپلاستیک در حین سرد شدن منقبض شده و روی قسمت ماهیچه قالب می­‌چسبند که باعث میشود خروج قطعه با مشکل مواجه شود، بنابراین با کمک سیستمی با عنوان سیستم پران قطعه خارج می‌شود.

شبکه پران قسمتی است که در پشت صفحه‌ی قالب قرار میگیرد و به عنوان‌ یک پل واسط، فضای لازم برای حرکت صفحه پران را فراهم میکند.

مجموعه صفحه پران: عملگرهای پران قطعه روی این قسمت نصب شده­اند. وظیفه این قسمت انتقال نیروی بیرون انداز از قسمت محرک ماشین تزریق به عملگرهای پران می­باشد.

روشهای پران قطعه: پین پران، بوش پران، پران تسمه‌ای، پران تیغه‌ای، پران بادی، پران صفحه­ای

پرانها علاوه بر آزاد کردن قطعات قالبگیری برای هواگیری حفره قالب هم نیاز هستند. هواگیری نامناسب ممکن است منجر به مسائل پر نشدن کامل حفره قالب، جوش نامناسب در محل برخورد جریان­های پیشرو، اثر معروف دیزل (کاهش کیفیت (سوختگی) قطعه قالبگیری بر اثر گرما) و… شود.

برای خروج قطعه اغلب شیب­های مختلفی (اغلب بین -3 تا 1 درجه) باید ایجاد شود.

انقباض قطعات ترموست هنگام بیرون­اندازی به علت دمای نسبتا بالا، خیلی کم است. بنابراین لزوما قطعه روی ماهیچه نمی­ماند بلکه بر اثر ایجاد خلا داخل حفره قالب می­ایستد که در این صورت در حین طراحی قالب باید به مشکل بیرون انداختن قطعه توجه شود.

نکته: در حین سرد شدن قطعه منقبض شده و بر روی ماهیچه می­چسبد و در صورتی که صفحه‌ی ماهیچه در قسمت متحرک باشد به حرکت درآوردن سیستم پران کار آسان تری خواهد بود

سطح جدایشبه قسمت‌هایی از هر دو صفحه قالباتلاق میشود که در کنار محفظه قالب قرار دارند و با نشستن روی‌ یکدیگر‌ یک اتصال آب بند را ایجاد نموده و مانع از خروج پلاستیک از محفظه قالب میشوند. سطوح جدایش به دو  دسته‌ی مسطح و غیر مسطح طبقه بندی میشوند.

نکته: خط جدایش باید بروی خط در برگیرنده بزرگترین اندازه‌ی قطعه قرار گیرد تا قطعه بتواند از قالب در بیاید.

قالب تزریق پلاستیک قطعات پلاستیکی 9

د: سیستم خنک کاری قالب

پلاستیک مذاب درون قالب گرم راحت­‌تر حرکت می‌کند اما در این صورت خنک شدن قطعه زمان بیش‌تری طول می‌کشد. از طرفی اگر قالب سرد باشد به محض ورود مذاب، پلاستیک سریعا منجمد شده که مانع از پرشدن قالب می‌شود بنابراین تنظیم متعادل دمای قالب بسیار ضروری است.

در نتیجه به منظور حفظ اختلاف دما بین قالب و مذاب، ‌یک سیال خنک کننده در میان کانال‌­های تعبیه شده در قالب گردش میکند. این کانال­ها و سوراخ‌ها راه­آب نام دارند و به کل شبکه راه­آب‌ها شبکه خنک کاری می‌گویند.

نوع و طرح سیستم کنترل دما بر موارد زیر تاثیر دارد:

  • تابیدگی قطعات قالبگیری
  • مقدار تنش­های ایجاد شده در قطعه قالبگیری و حساسیت شکست آن
  • مدت خنک شدن و در نتیجه مدت سیکل

عبارت زیر برش داخلی به هرگونه برآمدگی ‌یا فرورفتگی داخلی اطلاق می‌شود که مانع خروج قطعه در راستای پران شود.

ماهیچه جانبی ‌یک ماهیچه موضعی است که به طور عمود بر راستای محور قالب نصب شده و‌ یک سوراخ‌ یا فرورفتگی در سطح جانبی قطعه ایجاد می‌کند.

قطعاتی که سوراخ‌ها و شیارهای آنها در جهت خروج قالب نیستند (البته در شرایطی امکان ایجاد این سوراخ‌ها‌ یا شیار‌ها با عملیت ثانویه وجود دارد) و قطعاتی که برآمدگی زیر خط جدایش کلی داشته باشد به جز استفاده از ماهیچه و حفره جانبی میتوان از سطح جدایش پله دار و اسپلیت‌ها نیز بهره برد ولی انتخاب راه حل عمدتا به تعداد شکل و محل برآمدگی وابسته است.

اسپلیت­ها برروی ریل­های نصب شده در‌یک صفحه قالب قرار گرفته و به کمک مکانیزم‌های مکانیکی ‌یا هیدرولیکی تحریک میشوند. باید توجه داشت که حرکت اسپلیت­ها باید‌ یکنواخت باشد و بدون هیچ مانعی انجام گیرد. حرکت آنها باید به گونه‌ای محدود شود که همیشه در ‌یک نقطه به هم برسند و تمام اجزا باید تحمل وزن آنها را داشته باشند.

نیروهای به وجود آمده در حین تزریق همواره سعی میکنند تا اسپلیت‌ها را از هم جدا کنند، برای جلوگیری از این پدیده لازم است تا امکاناتی جهت قفل کردن اسپلیت‌ها در نظر گرفته شود، مثلا اسپلیت‌های کشویی را میتوان به کمک پاشنه‌های قفل کننده در محل خود تثبیت کرد.

به طور کلی اسپلیت‌­ها باید به گونه‌ای طراحی شوند که:

  • بتوانند در راستای مورد نظر به راحتی حرکت کنند
  • در زمان لازم از هم باز شوند
  • قبل از تزریق پلاستیک در جای خود قرار گرفته و قفل شوند

جنس قالب تزریق پلاستیک

برای اینکه طراحی قالب تزریق پلاستیک کارآمد باشد جنس ساخت قالب تزریق باید شرایط مختلفی داشته باشد. مقاومت سایشی بالا، مقاومت خوردگی بالا، پایداری ابعادی خوب، رسانش گرمایی خوب، قابلیت ماشین کاری و پرداخت و خلوص زیاد از جمله ویژگی­های متریال ساخت قالب است.

همچنین به منظور افزایش سختی سطحی، بهبود خواص لغزشی، افزایش استحکام فشاری و مقاومت سایشی و غیره عملیات سطحی مانند نیتروره کردن، آبکاری نیکل سخت، کربوره کردن، روکش­کاری سخت و آبکاری و غیره روی قالب صورت می‌گیرد که جهت ماده انتخابی برای ساخت قالب باید به این نکته توجه داشت.

جنس خوب برای قالب­های تزریق فولادهای ابزاری هستند البته انتخاب جنس باید کاملا با دقت به رزین تولیدی انجام شود . برخی از فولادهایی که مناسب­‌ترند: فولادهای سخت­کاری سطحی، فولادهای مقاوم در برابر خوردگی، فولادهای سختکاری مغزی، فولادهای پیش سختکاری شده.

اتصالات بین صفحات قالب:

  • استفاده از پین و پیچ
  • استفاده از میله و بوش راهنمای نافی دار به همراه پیچ
  • استفاده از میله و بوش راهنما با پیچ کشنده از پشت

روش اتصال قالب به صفحات ماشین تزریق:

  • اتصال مستقیم با پیچ
  • اتصال غیر مستقیم با بست‌های پیچی مخصوص
قالب تزریق پلاستیک قطعات پلاستیکی 17

دسته‌بندی قالب­‌ها

از نظر عملی دسته بندی قالبهای تزریق باید بر اساس ویژگی اصلی طرح و روش تولید انجام شود این خواص عبارتند از:

  • نوع گلویی تزریق/ سیستم راهگاه و عامل جدایش
  • نوع پران به کار رفته برای قطعات تزریقی
  • بود ‌یا نبود شیارهای داخلی ‌یا خارجی در قطه قالبگیری
  • حالتی که قطعه قالبگیری آزاد میشود

انواع قالبهای تزریق:

استاندارد آلمان (DIN E 16 750) قالب­های تزریق را بر اساس زیر دسته بندی میکند:

  • قالب‌های استاندارد (قالب‌های دو صفحه‌ای)
  • قالبها با حفره قالب دوتکیه (قالبها با پیرو دو تکیه)
  • قالب با صفحه‌ی بیرون­کش
  • قالب‌های سه صفحه­ای
  • قالب‌های طبقه­‌ای
  • قالب‌های راهگاه گرم

البته قالب‌های راهگاه سرد برای تولید بدون راهگاه رزین­های ترموست مشابه قالب‌­های راهگاه گرم که برای تولید ترکیبات ترموپلاستیک به کار میروند وجود دارند.

مراحل طراحی قالب تزریق پلاستیک

یکی از نیازهای اولیه برای هر قالب که در‌یک ماشین تزریق با پران اتوماتیک به کار میرود این است که قطعات قالبگیری به صورت اتوماتیک طوری بیرون انداخته شوند که نیازی به عملیات نهایی اضافی (برش راه تغذیه، ماشین کاری نهایی و … ) نباشد. طراحی قالب تزریق به عواملی مانند طرح قطعه، شرایط مورد نیاز، تعداد سفارش، تعداد قطعات و زمان بستگی دارد.

قالب تزریق پلاستیک قطعات پلاستیکی 18
قالب تزریق پلاستیک قطعات پلاستیکی 19

مراحل ساخت قالب تزریق پلاستیک

قالب‌های تزریق پلاستیک طی سه مرحله ماشین کاری انجام می‌شوند :

  • مرحله ماشین‌کاری اولیه یا خشن‌کاری
  • مرحله ماشین‌کاری میانی یا ثانویه
  • ماشین‌کاری نهایی یا اصطلاحا پرداخت نهایی

گاها بعد از مرحله خشن‌کاری، یک مرحله عملیات حرارتی نیز انجام می شود اما این کار در مورد تعداد بسیار کمی از قالب ها انجام می شود. همچنین در مواردی برای ایجاد گوشه های تیز در قالب از دستگاه EDM یا اسپارک استفاده می شود.
این موارد را در ادامه بیشتر شرح می دهیم:

الف: ماشینکاری با فرز CNC و پرداخت

قبلا به سه مرحله اصلی در ساخت قالب تزریق پلاستیک اشاره کردیم. هر سه این مراحل با ماشین CNC و به وسیله ابزارهای مخصوص کاهشی انجام می‌شود. در ابتدا، فولاد به شکل یک مکعب بزرگ و کاملا خام است و باید در آن شکل قالب تراشیده شود. دستگاه فرز سی ان سی دارای ابزارهای حکاکی به قطرهای مختلف است. در ابتدا از ابزار هایی با قطر بالا مانند ۴۰ و ۲۰ استفاده می شود که مربوط به مرحله خشن کاری می‌شود و میزان دقت آن تا نیم میلی متر با طرح نهایی اختلاف دارد.

قالب تزریق پلاستیک قطعات پلاستیکی 2 15

سپس در ادامه به ترتیب از ابزارهای کوچک‌تر و دقیق‌تر استفاده می‌شود و حکاکی دقیق‌تر می‌شود که به این مراحل ماشین کاری ثانویه گفته می‌شود.

در نهایت از ریزترین ابزارها برای تراش ظریف‌ترین گوشه‌ها و جزئیات قالب استفاده می شود که به آن Finishing یا پرداخت نهایی گفته می‌شود. در این مرحله ممکن است نیاز به استفاده از ابزار اسپارک باشد. به دلیل اینکه ابزارهای مورد استفاده در ماشینکاری CNC بصورت مته و حکت آن دورانی می‌باشد، گوشه‌های تیز و جزئیات دقیقتر نیاز به اسپارک دارند. این فرآیند ماشینکاری به روش تخلیه الکتریکی که به فرسایش جرقه‌ای نیز موسوم است، یک روش براده برداری غیر سنتی است. در این روش در بین دو الکترود به نام‌های ابزار و قطعه که در فاصلهٔ معین وکنترل شده‌ای از یکدیگر قراردارند وفضای بین آن‌ها را سیالی به نام دی الکتریک پرکرده‌است، در نزدیک‌ترین پیک مخالف بین ابزار و قطعه کار، جرقه الکتریکی تولید می‌شود و براده برداری صورت می‌گیرد.

قالب تزریق پلاستیک قطعات پلاستیکی 2 16

بسته به نوع قطعه و جزئیات و پیچیدگی‌های فرم آن، ممکن است به عملیات حرارتی (سخت کاری) نیاز باشد. عملیات حرارتی یا سخت کاری یا آبکاری عملیاتی است که طی آن درجه حرارت فولاد را تا حدود هزار درجه بالا می‌برند و سپس آن را در حوضچه نمک، یا آب یا روغن فرو می‌برند. در این حالت، میزان سختیِ لایه بیرونی فولاد (در حدود یک میلی‌متر) بالا می‌رود.

این عملیات به طور عمومی برای تمامی قالب‌های دایکاست انجام می‌شود. اما در مورد قالب‌های تزریق پلاستیک در موارد خاص این عملیات مورد نیاز است. برای مثال برای قطعاتی مانند که تیراژ آن قرار است بیش از پنج میلیون ضرب باشد. در این موارد بعد از خشن کاری و زمانی که ماشین‌کاری قالب نیم میلیمتر با ماشین‌کاری نهایی اختلاف دارد، عملیات حرارتی روی قالب انجام می‌شود. باید توجه داشت که عملیات حرارتی در فولاد تنش ایجاد کرده و ساختار آن را پیچیده می‌کند. ماشین‌کاری بعد از آبکاری بسیار سخت و زمانبر خواهد شد. 

ب: مونتاژ قطعات قالب تزریق پلاستیک

همانطور که قبلا اشاره شد، قالب تزریق پلاستیک از قطعات بسیار زیادی تشکیل شده است که با توجه به پیچیدگی قطعه نعداد آنها تغییر میکند. این قطعات مانند کشویی‌ها، پران‌ها، راهگاه‌ها و بقیه اجزای قالب در این مرحله مونتاژ شده و قالب به عنوان مجموعه‌ای یکپارچه، برای استفاده آماده می‌شود.

قالب تزریق پلاستیک قطعات پلاستیکی 2 17

اصول طراحی قطعه پلاستیکی در روش تزریق

در طراحی قطعه‌ای که به روش تزریق پلاستیک ساخته می‌شود، باید ملاحظاتی را در نظر داشته باشیم. رعایت این موارد موجب می‌شود که قطعه نهایی بیشترین کیفیت را از نظر فرم ظاهری، استحکام و عملکرد قطعه در مجموعه قطعات داشته باشد. در ادامه مهم‌ترین آنها را شرح می‌دهیم.

1. شرینک یا جمع شدگی قطعه تزریق شده

بسیاری از مواد پلاستیکی پس از خروج از قالب دچار انقباض میشوند ولی متأسفانه انقباض قالب همیشه طبیعت همسانگرد ندارد و این مساله منجر به درجه ای از تاب خوردگی یا استرس داخلی می شود. شرینک یک قطعه پلاستیکی تحت تأثیر انواع مواد، هندسه قطعه، ابزارآلات و عوامل مرتبط با پردازش خواهد بود. انقباض حجمی یک ماده پلاستیکی می تواند به 25 درصد برسد، بنابراین فشارهای نگهدارنده باید به اندازه کافی بالا باشد تا اثرات انقباض را کنترل کند، در عین حال به اندازه کافی کم باشد تا خروج آن از قالب دچار مشکل نشود.

اگر جایی از قطعه به طور نابرابر منقبض شود و شرینک به صورت نامساوی اتفاق بیفتد تنش‌هایی در قطعه ایجاد میشود که بسته به استحکام قطعه ممکن است باعث تغییر شکل یا دفرمگی قطعه شود. تصویر زیر مثالی برای این مورد است.

گاهی مواقع مونتاژ دو قطعه که باید به هم متصل شوند، به دلیل انقباض غیر یکنواخت دچار مشکل میشود. برای جلوگیری از این مشکل میتوان در طراحی تلرانسی برای این منظور تعبیه کرد. تصویر زیر مثالی برای این مساله میباشد. به منظور هماهنگی دو سوراخ پیچ، یکی از آنها به صورت لوبیایی طراحی شده تا در صورتی که حین سرد شدن قطعه انقباض، غیریکنواخت بود ورود پیچ به قطعه دچار مشکل نشود.

Screenshot 2022 06 27 120405

2. ضخامت مناسب برای قطعه تزریق پلاستیک

ضخامت متوسط محصول تزریقی 1 تا 5 میلی متر است. در واقع مقاومت محصول با افزایش ضخامت آن افزایش می یابد، اما برای استفاده از ضخامت بالا محدودیت‌هایی نیز وجود دارد. به طور کلی، هر چه محصول ضخیم تر باشد، چرخه قالب‌گیری (زمان خنک شدن قطعه) طولانی‌تر میشود. زیرا با وجود اینکه پلاستیک‌ها با گرما پردازش می شوند اما رسانای ضعیفی برای گرما هستند. این به این معنی ست که بخش‌های ضخیم قطعه، به مدت زمان زیادی برای خنک شدن نیاز دارند.

همچنین مشکلات ناشی از انقباض نیز مطرح هستند. در طی سرد شدن، پلاستیک‌ها کاهش حجم پیدا می‌کنند. در مقاطع ضخیم، این امر باعث فرورفتگی سطح قطعه می‌شود و یک سطح نامناسب ایجاد کرده و یا یک فضای خالی داخلی (حباب مانند) ایجاد می‌کند.

قالب تزریق پلاستیک قطعات پلاستیکی 2 6

همچنین جداره‌های ضخیم  در قطعات، مواد را هدر می‌دهند و صرفه اقتصادی ندارند. در طراحی خوب، اساساً از دیوارهای متعادلی که توسط منحنی‌ها، زوایا، گوشه‌ها، دنده‌ها، پله‌ها و انحراف‌ها تقویت شده‌اند، استفاده میشود. دیواره‌ها باید به اندازه کافی نازک باشند تا سریع خنک شوند و به اندازه کافی ضخیم باشد تا امکان پر شدن موثر قالب را فراهم کنند. تا آنجا که ممکن است، تمام این دیوارها باید ضخامت یکسان داشته باشند و در جایی که تغییرات ضخامت اجتناب ناپذیر است، تغییر بین این دو باید تدریجی باشد نه ناگهانی، بنابراین به جای یک پله، از یک سطح شیب دار یا یک منحنی برای حرکت از ضخیم به نازک باید استفاده شود. اگر ماده ذاتاً محکم یا سفت باشد، دیوار می تواند نازک تر باشد. به عنوان یک راهنمای کلی، ضخامت دیوار برای مواد تقویت شده باید 0.75 میلی متر تا 3 میلی متر و ضخامت برای مواد پر نشده (تقویت نشده) باید 0.5 میلی متر تا 5 میلی متر باشد. توجه به فواصل بین سوراخ‌ها و ضخامت این فواصل نیز ضروری است.

قالب تزریق پلاستیک قطعات پلاستیکی 2 5

3. گوشه‌های قطعه تزریق پلاستیک

گوشه قطعه قالب‌گیری شده، در اثر تمرکز تنش، بیش از حد تحت فشار قرار می‌گیرد، بنابراین گرد کردن آن ضروری ست. (شعاع بیش از 0.5 میلی متر ترجیح داده می شود). اینکه دیواره ها با زاویه 90 درجه به هم برسند باعث دو مشکل می شود. اولین مشکل این است که افزایش ضخامت در گوشه، قانون ضخامت یکنواخت دیواره را زیر پا می گذارد. نتیجه‌ی آن زمان خنک‌سازی طولانی‌تر همراه با خطر ایجاد لک و تاب برداشتن به دلیل انقباض پلاستیک است. مشکل دیگر این است که گوشه های تیز استرس را متمرکز کرده و خطر خرابی قطعه را به شدت افزایش می دهد. این در مورد همه مواد و به خصوص در مورد پلاستیک صادق است.

قالب تزریق پلاستیک قطعات پلاستیکی 2 8

گوشه ها و بریدگی های داخلی تیز، شایع ترین علت خرابی مکانیکی در قطعات قالب گیری شده هستند. راه حل گرد کردن گوشه داخلی است، شعاع داخلی (r) باید حداقل نصف ضخامت دیواره (t) و ترجیحاً در محدوده 0.6 تا 0.75 برابر ضخامت دیوار باشد. شعاع بیرونی باید برابر با شعاع داخلی به اضافه ضخامت دیواره باشد. این نکته منجر به یکنواخت شدن ضخامت دیواره‌ها می شود. یکی از مزیت‌های گوشه‌ گرد این است که میتواند به سهولت عبور مواد در قالب کمک کند.

قالب تزریق پلاستیک قطعات پلاستیکی 2 7 1

4. شیب قالب و قطعه تزریق پلاستیک

برای بیرون آوردن آسان محصول تزریق شده از قالب، باید در محصول زاویه‌ی خروج از قالب وجود داشته باشد. به طور کلی، 1/2 درجه تا 2 درجه شیب استاندارد است. (در مورد برخی از ابزارهای دقیق، مقدار استاندارد می تواند 1/4 تا 1/2 باشد). زاویه خروج از قالب بر اساس شکل هندسی محصول، ساختار قالب و بافت سطح، متفاوت است. برای سطوح بافت دار به طور کلی، بسته به زبری بافت، 3 تا 5 درجه زاویه قالب ضروری است.

قالب تزریق پلاستیک قطعات پلاستیکی 2 9

5. ریب (دیواره) قطعات پلاستیک

هنگامی که ضخامت دیواره قطعه به اندازه کافی قوی نیست، می‌توان با افزودن ریب (Rib) به جای ضخیم‌تر کردن کل دیوار، قطعه را تقویت کرد. قطعه‌ای که با این روش تقویت شود به اندازه‌ی قطعه ای که دارای دیواره‌های ضخیم است، مقاومت دارد ولی با وزن و هزینه‌ی کمتر.

اما برای استفاده از ریب نیز محدودیت‌هایی وجود دارد. اگر ضخامت ریب کم باشد، در هنگام تزریق پلاستیک، ممکن است قالب پر نشود (یعنی مواد به آن قسمت داخل نشود) و اگر ضخامت آن زیاد باشد اصطلاحا روی بدنه قطعه رد می‌اندازد. ریب‌ها باید بین نیم تا سه چهارم ضخامت دیواره باشند. سطح بالای این محدوده بهتر است به پلاستیک‌هایی محدود شود که ضریب انقباض پایینی دارند و کمتر مستعد لک و فرورفتگی هستند.

قالب تزریق پلاستیک قطعات پلاستیکی 2 13

در هنگام طراحی ریب باید به جهت خروج قالب توجه کرد. ریب باید در جهت کشش قالب قرار داده شود. همچنین ریب‌ها اغلب به عمق حداکثر پنج برابر ضخامت ریب محدود می شوند. برای مثال اگر ضخامت یک ریب 1 میلیمتر باشد حداکثر ارتفاع آن باید 5 میلیمتر باشد. نکته‌ی دیگر این است که ریب‌ها نباید خیلی نزدیک به هم باشند. چرا که خروج قطعه از قالب را دچار مشکل می‌کنند. قاعده معمول این است که فاصله را حداقل دو برابر ضخامت دیوار و ترجیحاً سه برابر یا بیشتر ایجاد کرد.

بنابراین طراحی مناسب ریب شامل پنج موضوع اصلی است: ضخامت، ارتفاع، مکان، تعداد و اصول قالب‌گیری. از موارد دیگری که می‌تواند به طراحی موثر ریب بینجامد می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • بهتر است به جای یک ریب بزرگ، از چند دنده‌ی کوچک استفاده کرد.
  • برای مقاومت بیشتر ریب می‌توان آن را به صورت مشبک در آورد
  • ضخامت ریب باید کمتر از مواد پایه باشد.
قالب تزریق پلاستیک قطعات پلاستیکی 2 10

کاربردهای دیگر ریب‌ها عبارتند از:

  • مکان یابی و راهنمای مونتاژ در یک مجموعه.
  • ایجاد هم ترازی در قطعاتی که باید جفت شوند
  • نقش قید یا راهنما برای مکانیسم‌ها

6. پایه (Boss)

باس یکی از عناصر اصلی طراحی قالب پلاستیک است که به عنوان تقویت کننده از آن بهره‌ می‌گیرند. اغلب از فرم استوانه به این منظور استفاده می‌شود زیرا قویترین شکل برای تقویت و ساده ترین شکل برای ماشین کاری در قالب، استوانه است. باس، بسته به کاربرد آن، ممکن است لازم باشد در برابر ترکیب کاملی از نیروها مانند کشش، فشار، پیچش، خمش، برش و ترکیدگی مقاومت کند، بنابراین باید مطابق با آن طراحی شود.

درواقع باس را می‌توان به عنوان یک نمونه دنده در نظر گرفت. بنابراین می‌توان از قوانین طراحی دنده برای طراحی باس استفاده کرد. هرچند معمولا در این صورت باس طراحی شده مقاومت کافی را ندارد و میتوان با استفاده از دنده‌های نگهدارنده یا با متصل کردن آن به دیواره های قطعه، آن را تقویت کرد که در این صورت باید به افزایش ضخامت این قسمت توجه کرد. به عنوان یک قانون کلی، قطر بیرونی باس بین 2 تا 2.5 برابر قطر بیرونی پیچ می‌باشد.

قالب تزریق پلاستیک قطعات پلاستیکی 2 11

7. گاست

گاست (Gusset) اجزای ریب مانندی است که سازه‌هایی مانند باس، ریب و دیوارها را پشتیبانی می‌کند. در واقع می‌توان گفت که گاست‌ها نوعی ریب هستند. در طراحی گاست ها نیز، باید مواردی که در مورد ریب‌ها گفته شد رعایت شود.

قالب تزریق پلاستیک قطعات پلاستیکی 2 12

8. آندرکات

آندرکات هر فرورفتگی یا برآمدگی است که خروج قطعه از قالب را ناممکن ‌کند. در واقع قسمت‌هایی از قطعه وجود دارد که پس از سرد شدن، از قالب خارج نمیشود و یا در جهت خروج قالب نیست. برای رفع چنین مشکلاتی فضای خالی در این قسمت ها تعبیه میشود که خروج قالب را ممکن سازد.

قالب تزریق پلاستیک قطعات پلاستیکی 2 3
قالب تزریق پلاستیک قطعات پلاستیکی 2 14

هزینه طراحی قالب تزریق پلاستیک

همونطور که در مقاله به آن اشاره شد، طراحی قالب درست و بهینه برای یک قطعه پلاستیک در درجه اول مستلزم طراحی درست قطعه است که در نرم افزارهای مدلسازی سه بعدی مانند سالیدورکس یا کتیا انجام می‌شود. همچنین ملاحظاتی که باید در طراحی قطعه پلاستیکی در نظر گرفته شود نیز به طور خلاصه معرفی شدند. تلاش طراح باید این باشد که ساده ترین راه حل را برای تحقق عملکردی که از قطعه انتظار می‌رود ارائه دهد.با این حال ممکن است قطعه از لحاظ فرمی پیچیده شود. پیچیدگی فرمی قطعه و همچنین مواردی چون جنس قطعه، تعداد و کیفیت مورد نیاز سطح قطعه در هزینه طراحی و ساخت قالب تاثیر زیادی دارند. طراحان قالب تزریق پلاستیک با توجه به این فاکتورها، زمان و انرژی متفاوتی را برای قطعات مختلف در طراحی قالب صرف میکنند و همین مسئله تعیین کننده هزینه مورد نیاز برای طراحی قالب است.

هزینه ساخت قالب نیز به همین ترتیب و با توجه به پیچیدگی قطعه و درنتیجه پیچیدگی طرح قالب تعیین میشود. بدیهی است که در طراحی و ساخت قالب تزریق پلاستیک، تجربه و آگاهی از تکنولوژی‌های روز دنیا تاثیر زیادی بر کیفیت خروجی فرآیند دارد. در ادامه موارد مهم و تاثیر گذار در هزینه طراحی و ساخت قالب بیان شده است:

  • تعداد کویت‌های قالب (تعداد قطعه تولید شده در هر شات تزریقی)
  • ایجاد راهگاه گرم یا راهگاه سرد
  • جنس فولاد قالب
  • نیاز یا عدم نیاز به عملیات حرارتی
  • نوع پران های قالب (برای خارج کردن قطعه از درون قالب)
  • کیفیت سطح

سخن آخر

دلایل زیادی وجود دارد که چرا روند قالب‌گیری تزریقی در زمینه تولید پلاستیک بسیار محبوب است. رایج‌ترین دلیل این است که این دستگاه بهترین وسیله برای تولید مقادیر عظیم و یکسان قطعات پلاستیکی است. در همین راستا، نحوه انجام این کار بر خروجی فرآیند تولید تاثیر بسزایی دارد. طبق آنچه در این مقاله بررسی شد، با شناخت کامل فرآیند و طراحی درست مرحله به مرحله آن، بهترین کیفیت را میتوان از آن استخراج کرد. همه‌ی اینها نیازمند توجه به ملاحظات مهم در طراحی قالب و قطعه و در نهایت ساخت قالب تزریق پلاستیک می‌باشد. انواع مختلفی از دستگاه‌ها قالب سازی وجود دارد، که انتخاب این دستگاه‌ بسته به آنچه که شما تولید می‌کنید و همچنین دستگاه چگونه بر محصول تأثیر می گذارد، وابسته است. بدیهی است که در تمای مراحل ساخت قطعه پلاستیکی به روش تزریق، تجربه و آگاهی از تکنولوژی و مواد جدید و همچنین خلاقیت در استفاده از مواد و امکانات ساخت می‌تواند در بهبود کیفیت خروجی فرآیند تاثیر فراوانی داشته باشد.

گردآوری و ترجمه: شیرین درخشان‌فر و شبنم کامیار

منابع

-کاسترو هانس، مترجم ولی¬نژاد عبدالله، بیغال فرزاد، امیری محمد، قالبهای تزریق پلاستیک 108 مثال آزمایش شده، نشر طراح، چاپ دوم، بهار 1382
– پی آر جی دابلیو، ترجمه‌ی علی‌پناه رضا، گام به گام طراحی ساخت قالبهای تزریق پلاستیک (از ویرایش چهارم مرجع لاتین)، کاروان حله با همکاری نشر طراح، چاپ دوم، تابستان 1388
– پای رونالد جرج ویلیام، ترجمه‌ی رئوفی اصغر، طراحی قالب تزریق پلاستیک، مرکز انتشارات جهاد دانشگاه اصفهان، چاپ اول، 1379

Plastic Part Design for Injection Molding – An Introduction; Robert A. Malloy, 2nd Edition, 2010

A Design guide to engineering plastics; Mold and design, Lanxess Energizing Chemistry, 2007

برای ثبت امتیاز برای این پست کلیک کنید
تعداد امتیازات: 6 - میانگین امتیاز: 4.3

این مطلب را با دوستان خود به اشتراک بگذارید

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

شاید به این مطالب هم علاقمند باشید

دریافت مشاوره

جهت دریافت مشاوره و راهنمایی درباره خدمات ایکاس با ما تماس بگیرید.

فراخوانی-اقدام