در صنعت و تولید امروزه که سرعت و انعطاف‌پذیری اهمیت فراوانی دارد، وکیوم فرمینگ یک روش کارآمد و چندمنظوره برای ساخت قطعات پلاستیکی به حساب می‌آید. چه به دنبال ایجاد طرح‌های بسته‌بندی پیچیده باشید، چه قطعات مقاوم خودرویی و یا محصولات مصرفی روزمره، وکیوم فرمینگ ترکیبی بی‌نظیر از مقرون به صرفه بودن، دقت و مقیاس‌پذیری را ارائه می‌دهد. این فرآیند که با استفاده از گرما و فشار خلأ پلاستیک را به اشکال دلخواه در می‌آورد، به ابزاری ضروری برای صنایع در سراسر جهان تبدیل شده است و با ایجاد نوآوری و امکان تولید محصولات با کیفیت بالا، در کاهش هزینه‌های روش‌های سنتی، نقش بسزایی ایفا می‌کند. با ما همراه شوید تا دنیای وکیوم فرمینگ را کشف کنید و ببینید چگونه این تکنیک تحول‌آفرین می‌تواند نیازهای تولیدی شما را به سطحی جدید ارتقاء دهد.
وکیوم فرمینگ (Vacuum Forming) چیست؟
ترموفرمینگ (Thermoforming) یک فرآیند شکل‌دهی پلاستیک است که در آن یک ورق پلاستیکی در دمای بالا گرم شده و سپس روی قالب شکل داده می‌شود. وکیوم فرمینگ (Vacuum Forming) ساده‌ترین نوع این فرآیند است که با انتخاب ورق ترموپلاستیک (Thermoplastic) مناسب آغاز می‌شود و تا زمانی که ورق پلاستیکی به حالت انعطاف‌پذیر برسد، گرم می‌شود. پس از نرم شدن کافی، این ورق روی قالب قرار می‌گیرد. سپس یک پمپ خلأ، هوای بین ورق و قالب را از بین می‌برد و باعث می‌شود پلاستیک به شکل قالب درآید. پس از خنک شدن و سفت شدن پلاستیک، از قالب جدا شده و برش داده می‌شود. این روش برای قطعاتی که نیاز به شکل‌دهی دقیق فقط در یک سمت دارند، مانند بسته‌بندی‌های مواد غذایی یا محصولات الکترونیکی در اندازه‌های مختلف، ایده‌آل است.
مزایای وکیوم فرمینگ
وکیوم فرمینگ با مزایای متعدد خود به یکی از روش‌های محبوب در تولید قطعات پلاستیکی تبدیل شده است. این فرآیند به دلیل هزینه پایین، به ویژه برای تولیدات سایز کوچک تا متوسط، بسیار مقرون به صرفه است، چرا که قالب‌های مورد نیاز آن بسیار ارزان‌تر از قالب‌های فرآیندهایی مانند تزریق پلاستیک هستند. سرعت بالای تولید در وکیوم فرمینگ امکان نمونه‌سازی سریع و تولید انبوه را فراهم می‌کند، و انعطاف‌پذیری آن در استفاده از انواع ترموپلاستیک‌ها و شکل‌دهی به قطعات با اندازه‌ها و فرم‌های مختلف، از دیگر نقاط قوت آن است. از نظر زیست‌محیطی نیز، وکیوم فرمینگ با مصرف انرژی کمتر و تولید ضایعات محدودتر، انتخابی پایدار به شمار می‌رود.
محدودیت‌ها و چالش‌ها
با وجود بسیاری از مزایا، وکیوم فرمینگ محدودیت‌هایی هم دارد. این فرآیند به طور کلی برای تولید قطعات با جزئیات پیچیده، برش‌های معکوس و ضخامت‌های متغیر مناسب نیست. همچنین به استفاده از ترموپلاستیک‌ها محدود می‌شود و مواد دیگر مانند فلزات یا کامپوزیت‌ها را شامل نمی‌شود. امکان ایجاد حباب یا حفره زمانی که ضخامت دیواره بیش از حد باشد، وجود دارد. سرعت پخت ضلع بیرونی قطعه سریعتر از سمت مرکزی است. بر این اساس، پر شدن بیش از حد بخش مرکزی باعث حباب یا حفره می شود. این مسائله به دقت اندازه گیری دستگاه ربطی ندارد بلکه به تجربه و مهارت مهندسان مربوط می‌شود.
تعمیر و نگهداری قالب‌ها نیز از دیگر معایب وکیوم فرمینگ است که باید بعد از تولید هر قطعه انجام شود. با هر بار باز کردن و بیرون آوردن قطعات از قالب ممکن است باعث ایجاد آسیب و سایش در قالب شد که اگر نتوان به موقع آن را از بین برد، روی پرداخت و صافی سطح تأثیر می گذارد.
تاریخچه‌ی وکیوم فرمینگ
در سال ۱۸۵۵ در انگلستان، الکساندر پارکس (Alexander Parkes) با استفاده از بخار، سلولوئید (Celluloid) را گرم و شکل داد. پارکس مشاهده کرد که پس از خنک شدن، سلولوئید شکل نهایی خود را حفظ می‌کند و تغییری ندارد. در دهه ۱۸۷۰، این کار نوآورانه با سلولوئید، که اولین پلاستیک مصنوعی شناخته شده جهان بود، توسط جان وسلی هایت (John Wesley Hyatt) ادامه یافت. هایت که به عنوان پدر پلاستیک‌های مدرن شناخته می‌شود، همراه با چارلز بوروفس (Charles Burroughs)، از بخار و قالب‌های فولادی برای ساخت اسباب‌بازی‌ها و بطری‌ها استفاده کرد.
توسعه ترموفرمینگ در دهه‌های ۱۹۳۰ تا ۱۹۵۰ به همت دانشمندانی صورت گرفت که علی‌رغم نداشتن ابزارهای مدرن و پیشرفته، بسیاری از فرآیندهایی که امروزه استفاده می‌کنیم را ابداع کردند. وکیوم فرمینگ در گذشته، حال و بعد از جنگ جهانی دوم به دلیل نیاز بالا به مواد بادوام و سبک رشد چشمگیری داشت. اولین ثبت اختراع ترموفرمینگ توسط اچ. ال. هلوینگ (H. L Helwig) از شرکت روهم و هاس (Rohm & Hass Company) و همچنین آر. ای. لیاری (R.E. Leary)، که یک مهندس در شرکت دوپونت (DuPoint) بود، ثبت شدند. در سال ۱۹۴۷، دو سال پس از پایان جنگ جهانی دوم، جی. دبلیو. بورکلند (G.W. Borkland) یک دستگاه وکیوم فرمینگ ثبت اختراع کرد و سپس با پیشرفت در فناوری و قابلیت‌های آن، این دستگاه را بهبود بخشید و به معروفیت رساند.
مواد و متریال مورد استفاده در وکیوم فرمینگ
وکیوم فرمینگ با انواع مختلفی از ترموپلاستیک‌ها سازگار است که هر یک ویژگی‌های منحصر به فردی دارند:
- پلی‌پروپیلن (PP): این ماده به دلیل ویژگی‌هایی مانند مقاومت عالی و انعطاف‌پذیری در برابر مواد شیمیایی و حرارت، و همچنین قیمت مقرون به صرفه، انتخابی محبوب برای ترموفرمینگ است. پلی‌پروپیلن معمولاً در تولید بسته‌بندی‌ها، ونتیلاتورها، و اسباب‌بازی‌ها استفاده می‌شود.
- پلی‌استایرن (PS): پلی‌استایرن یک پلاستیک ترموپلاستیک است که به دلیل قیمت مناسب و ویژگی‌های خاص خود، در انواع مختلف محصولات و بسته‌بندی‌ها استفاده می‌شود و پلی‌استایرن پلاستیکی شفاف، سخت و شکننده است که در بسته‌بندی‌ها، جعبه‌های جواهرات، و CD ها به کار می‌رود. این ماده در برابر آب و هوا مقاوم است و برای تولید اقلام خانگی نیز استفاده می‌شود.
- پلی‌وینیل کلراید (PVC): PVC یک ماده مقاوم به شیمیایی‌ها، مقاوم در برابر آتش و انعطاف‌پذیر است. این ماده به دلیل مقاومت به شرایط آب و هوایی و خواص ضدآتش خود شناخته شده است. این ماده در بسته‌بندی‌های محافظ، محصولات ساختمانی، محصولات بهداشتی و لوازم خانگی به دلیل مقاومت بالا و دوام طولانی استفاده می‌شود و این ماده می‌تواند به صورت سخت یا انعطاف‌پذیر تولید شود.
- پلی‌کربنات (PC): یک پلیمر ترموپلاستیک است که به دلیل ویژگی‌های منحصر به فردش در صنایع مختلف کاربرد فراوانی دارد. این ماده به خاطر مقاومت بسیار بالای خود در برابر ضربه، شفافیت زیاد و دوام حرارتی معروف است و در محصولاتی که نیاز به مقاومت مکانیکی و نوری بالا دارند، استفاده می‌شود. پلی‌کربنات به عنوان یکی از قوی‌ترین مواد پلاستیکی شناخته می‌شود که برخلاف شیشه، حتی در شرایط شدید ضربه هم به راحتی نمی‌شکنند. از سوی دیگر، شفافیت آن اجازه می‌دهد تا این ماده به عنوان جایگزینی برای شیشه در مواردی که نیاز به عبور نور وجود ندارد، مانند پنجره‌ها، شیشه‌های ایمنی و چراغ‌های خودرو مورداستفاده قرار گیرد.
- پلی‌متیل متاکریلات (PMMA): آکریلیک یک ماده شفاف و مقاوم به ضربه است که در برابر اشعه ماورا بنفش مقاومت بالایی دارد و با خواصی از جمله استحکام بالا، مقاومت در برابر عناصر جوی و شفافیت برای تولید لنزها، چراغ‌های خودرو، پنجره‌های هواپیما، صنایع نوری و معماری و بسته‌بندی‌های شفاف استفاده می‌شود.
- آکریلونیتریل-بوتادین-استایرن (ABS): یک پلاستیک محکم و مقاوم است که در برابر ضربه و حرارت مقاومت بالایی دارد، این ماده به راحتی ماشین‌کاری و رنگ آمیزی می‌شود و به دلیل ویژگی‌های آن در تولید بسته‌بندی‌های الکترونیکی، ظروف غذایی، قطعات خودرو، تجهیزات پزشکی و الکترونیک کاربرد دارد.
- پلی‌اتیلن (PE): پلی‌اتیلن یک ورق پلاستیکی ساخته شده از نفت است و در برابر آب و مواد شیمیایی بسیار مقاوم است. بسیار پایدار در محیط‌های برودتی، ضریب مقاومت پایین و بسیار چکش خوار می‌باشد. به دلیل هزینه کم آن بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد و تقریبا برای همه محیط‌ها مناسب است.
- پلی‌اتیلن ترفتالات گلیکول (PETG): این ماده شفاف، مقاوم به ضربه و بازیافت‌پذیر است. PETG نوع تغییر یافته PET است که دارای انعطاف‌پذیری بیشتر و مقاومت در برابر ترک خوردگی است و به دلیل شفافیت و استحکام شناخته شده در آن، مناسب برای بسته‌بندی پزشکی، ظروف غذایی و نوشیدنی، مواد دارویی است.
کاربرد وکیوم فرمینگ
این فرآیند تولید با قابلیت‌های گسترده‌اش، در صنایع مختلفی به کار می‌رود و به تولید قطعات متنوعی در بخش‌های مختلف صنعت کمک می‌کند و حضور این ملزومات در زندگی روزمره ما به شکلی گسترده و چشمگیر احساس می‌شود. در ادامه به معرفی این صنایع می‌پردازیم.
- صنعت خودروسازی و حمل و نقل
وکیوم فرمینگ در ساخت قطعات مختلفی از جمله سپرها، کف‌پوش‌ها و محفظه‌های بار در خودروها، اتوبوس‌ها، قایق‌ها و هواپیماها استفاده می‌شود. این تکنیک به تولیدکنندگان امکان می‌دهد تا گزینه‌های رنگ و جزئیات متنوعی را ارائه دهند و طراحان بتوانند نمونه‌های اولیه جدید را با دقت بیشتری آزمایش کنند.
- تولیدات صنعتی
در تولید جعبه‌ها و کانتینرهای صنعتی برای ماشین‌آلات، وکیوم فرمینگ نقش کلیدی دارد. این روش به تولید قطعات مقاوم در برابر شعله و اشعه ماوراء بنفش کمک می‌کند، که برای استفاده در فضای باز یا در تماس با منابع حرارتی مناسب است.
- بسته‌بندی و نمایشگاه‌ها
بسته‌بندی محصولات پلاستیکی، از جمله ریش‌تراش‌ها، مسواک‌ها، لوازم الکترونیکی و لوازم آرایشی، معمولاً از طریق وکیوم فرمینگ انجام می‌شود. این تکنیک همچنین برای ساخت نمایشگاه‌های بازاریابی و قفسه‌های فروشگاهی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- بسته‌بندی مواد غذایی
وکیوم فرمینگ برای تولید بسته‌بندی‌های سازگار با مواد غذایی و قطعاتی که به راحتی ضدعفونی می‌شوند، بسیار مناسب است. ظروف میوه، کارتن‌های پلاستیکی تخم‌مرغ و سینی‌های بیسکویت از جمله محصولات تولید شده با این روش هستند.
- کالاهای مصرفی
وکیوم فرمینگ به تولید اسباب‌بازی‌های کودکان، لوازم سفر و دکوراسیون منزل کمک می‌کند و فهرستی گسترده از کالاهای مصرفی را پوشش می‌دهد.
- صنایع پزشکی
در تولید قطعات و لوازم پزشکی که نیاز به مقاومت در برابر میکروب‌ها و آلاینده‌ها دارند، وکیوم فرمینگ کاربرد دارد. این محصولات شامل بسته‌بندی‌های پزشکی، سینی‌های دارویی، اجزای تخت‌های بیمارستانی و قطعات خارجی دستگاه‌های MRI و CT است.
- قطعات سفارشی و جلوه‌های ویژه
این تکنیک برای ساخت قطعات سفارشی و منحصر به فرد، از جمله دکورها و ابزارهای مورد استفاده در جلوه‌های ویژه، در صنایع مختلف به کار می‌رود.
فرآیند وکیوم فرمینگ
فرآیند وکیوم فرمینگ به‌عنوان یک فرآیند تولیدی، همواره نیازمند همکاری نزدیک بین تیم‌های طراحی و تولید است. این همکاری برای اطمینان از دستیابی به یک محصول نهایی با کیفیت بالا و کارایی مطلوب ضروری است. در ادامه، توضیحی مفصل درباره نقش تیم طراحی و مراحل دقیق این همکاری ارائه شده است:
۱. آغاز فرآیند با طراحی محصول
- درک نیازها و خواسته‌های مشتری: اولین قدم در فرآیند وکیوم فرمینگ، برقراری ارتباط میان تیم طراحی و مشتری برای درک کامل نیازها و خواسته‌های او است. تیم طراحی باید مشخصات دقیق محصول نهایی، شامل ابعاد، شکل، عملکرد و ویژگی‌های خاص را جمع‌آوری کند.
- توسعه مدل CAD: با جمع‌آوری اطلاعات و الزامات محصول، تیم طراحی شروع به توسعه مدل‌های سه‌بعدی CAD (طراحی به کمک کامپیوتر) از قطعه مورد نظر می‌کند. نرم‌افزارهای CAD به طراحان این امکان را می‌دهند که مدل دقیق سه‌بعدی از قطعه را ایجاد کرده و جزئیات مختلفی همچون ضخامت دیواره‌ها، منحنی‌ها، زاویه‌های خروجی و نقاط ضعف احتمالی را بررسی کنند.
- شبیه‌سازی فرآیند: با استفاده از نرم‌افزارهای CAD، تیم طراحی قادر است فرآیند وکیوم فرمینگ را شبیه‌سازی کند تا ببیند که چگونه ورق پلاستیکی در حین شکل‌دهی رفتار می‌کند. این شبیه‌سازی به شناسایی مشکلات احتمالی و اصلاحات پیش از تولید واقعی کمک می‌کند.
۲. انتقال طرح به فناوری CAM و برنامه‌ریزی CNC
- تبدیل مدل CAD به برنامه‌های CNC: پس از نهایی‌سازی طراحی در CAD، اطلاعات و داده‌های مدل به نرم‌افزارهای CAM (ساخت به کمک کامپیوتر) منتقل می‌شوند. این نرم‌افزارها مدل سه‌بعدی را به کدهای ماشینی قابل فهم برای دستگاه‌های CNC (کنترل عددی کامپیوتری) تبدیل می‌کنند.
- برنامه‌ریزی و کدنویسی برای ماشین‌کاری CNC: تیم CAM برنامه‌های CNC را که شامل مسیرهای ابزار، سرعت‌های برش و سایر پارامترهای مربوط به فرآیند ماشین‌کاری هستند، طراحی و تولید می‌کند. این برنامه‌ها مستقیماً برای ساخت قالب‌های دقیق وکیوم فرمینگ به کار گرفته می‌شوند.
- شبیه‌سازی ماشین‌کاری: قبل از اجرای واقعی برنامه CNC، معمولاً یک شبیه‌سازی ماشین‌کاری در نرم‌افزار CAM انجام می‌شود تا اطمینان حاصل شود که تمامی حرکات ماشین به‌درستی و بدون برخورد با مواد انجام می‌شود. این مرحله می‌تواند از وقوع خطاهای پرهزینه جلوگیری کند.
۳. ساخت قالب
- انتخاب مواد قالب: بر اساس مشخصات فنی و نیازهای تولید، مواد مناسب برای ساخت قالب انتخاب می‌شوند. معمولاً آلومینیوم یا رزین‌های مقاوم برای ساخت قالب‌های با دقت بالا و تولید انبوه، استفاده می‌شوند.
- ساخت قالب: با استفاده از برنامه‌های CNC تولید شده، دستگاه‌های CNC با دقت بالا قالب‌ها را می‌سازند. در این مرحله، سطوح، جزئیات و حفره‌های وکیوم به دقت ایجاد می‌شوند.
- تست و بهینه‌سازی قالب: پس از ساخت قالب، تیم طراحی ممکن است قالب را مورد آزمایش قرار دهد تا اطمینان حاصل شود که تمامی ابعاد و ویژگی‌ها مطابق با طرح اولیه هستند. در صورت نیاز، اصلاحات جزئی روی قالب انجام می‌شود.
۴. انجام وکیوم فرمینگ
- قالب گذاری: قالب مورد نظر را در جایگاه مخصوص دستگاه قرار می‌دهیم.
- گیره‌گذاری: ورق پلاستیکی در یک قاب باز قرار می‌گیرد و به طور محکم گیره‌گذاری می‌شود.
- گرمایش: ورق پلاستیکی با استفاده از منبع گرما نرم شده تا به دمای مناسب برای شکل‌دهی برسد و انعطاف‌پذیر شود.
- خلأ: قاب حاوی ورق پلاستیکی گرم و نرم‌شده بر روی قالب قرار می‌گیرد و با استفاده از خلأ در طرف دیگر قالب، به دقت به شکل قالب کشیده می‌شود. قالب‌های ماده (محدب) نیاز به سوراخ‌های کوچکی در فرو رفتگی‌ها دارند تا خلأ بتواند ورق ترموپلاستیک را به درستی شکل دهد.
- خنک‌سازی: پس از شکل‌گیری پلاستیک بر روی یا داخل قالب، نیاز به خنک‌سازی دارد. برای قطعات بزرگ‌تر، گاهی از فن‌ها و یا مه سرد برای تسریع این مرحله استفاده می‌شود.
- رهاسازی: پس از خنک شدن پلاستیک، می‌توان آن را از قالب جدا کرد.
۵. کنترل کیفیت و پرداخت نهایی
- بررسی قطعه نهایی: تیم کیفیت پس از تولید هر قطعه، آن را از نظر ابعادی، کیفیت سطح و تطابق با مشخصات طراحی بررسی می‌کند. هرگونه نقص یا عدم تطابق در این مرحله شناسایی و اصلاح می‌شود.
- پرداخت، برش و رنگ: در صورت نیاز، قطعه تولید شده به‌طور دقیق برش داده شده و لبه‌های اضافی آن حذف می‌شود. همچنین ممکن است پرداخت‌های سطحی، مثل سمباده‌کاری، رنگ‌آمیزی یا پوشش‌دهی انجام شود تا محصول نهایی به کیفیت مطلوب برسد.
انواع قالب‌های وکیوم فرمینگ
در فرآیند ساخت قطعات وکیوم فرمینگ، دو نوع قالب اصلی از نظر نحوه قرارگیری و انجام فرآیند وجود دارد:
۱. قالب نر در وکیوم فرمینگ
قالب نر که به‌عنوان “قالب مثبت” نیز شناخته می‌شود، نوعی قالب در فرآیند وکیوم فرمینگ است که دارای شکل محدب و برجسته به سمت بالا است. در این فرآیند، یک ورق ترموپلاستیک روی قالب نر قرار می‌گیرد و محکم در جای خود ثابت می‌شود. ویژگی کلیدی ابزار قالب نر این است که قالب در داخل ورق پلاستیکی قرار می‌گیرند. زمانی که وکیوم فعال می‌شود، ورق پلاستیکی به‌طور محکم به شکل برجسته قالب می‌چسبد و در نتیجه، قطعه نهایی پلاستیکی که شکل قالب را منعکس می‌کند، ایجاد می‌شود.
نکته مهم این است که در فرآیند وکیوم فرمینگ با استفاده از قالب نر، برخی نواحی از قطعه نهایی، به‌ویژه گوشه‌ها و پایین آن، ممکن است ضخامت بیشتری نسبت به بالای قطعه داشته باشند. این تغییر ضخامت به این دلیل رخ می‌دهد که پلاستیک در این نواحی به‌اندازه کافی کشیده نمی‌شود. این ویژگی ممکن است بسته به نیازهای خاص محصول نهایی، مفید یا نامطلوب باشد.
مزایای استفاده از ابزار قالب نر در وکیوم فرمینگ
- صرفه اقتصادی: یکی از مزایای اصلی این روش، اقتصادی بودن آن است. ابزار قالب نر به‌طور کلی مقرون به صرفه‌ترین گزینه برای ایجاد قطعات پلاستیکی سفارشی است. سادگی و سهولت در ساخت این قالب‌ها به کاهش هزینه‌های تولید کمک می‌کند و این روش را برای پروژه‌هایی که نسبت به افزایش هزینه‌ها حساس‌اند، جذاب می‌کند.
- زیبایی ظاهری: ابزار قالب نر از نظر ظاهر خارجی نیز مزایایی دارد. از آنجایی که قالب پلاستیک را از داخل شکل می‌دهد، قطعات پلاستیکی حاصل اغلب دارای سطح براق و بدون نقص ظاهری هستند. این ویژگی به‌ویژه در مواردی که نیاز به ظاهری صیقلی و جذاب وجود دارد، مطلوب است.
معایب استفاده از ابزار قالب نر در وکیوم فرمینگ
- دقت کمتر: ابزار قالب نر معمولاً برای کاربردهایی که دقت بالا و جزئیات پیچیده لازم نیست، انتخاب می‌شود. دستیابی به جزئیات دقیق و ویژگی‌های سطحی پیچیده با این قالب‌ها دشوار است.
- نیاز به زاویه شیب: برای تسهیل در جدا شدن قطعه پلاستیکی از قالب و جلوگیری از مشکلاتی مانند چین‌خوردگی، ابزار قالب نر نیاز به زاویه شیب دارد. این زاویه‌ها ممکن است محدودیت‌هایی برای طراحی قطعات ایجاد کنند.
- جزئیات محدود: دستیابی به جزئیات دقیق، زوایای تیز و بافت‌های سطحی پیچیده با ابزار قالب نر مشکل است. این قالب‌ها برای کاربردهایی که نیاز به جزئیات و دقت بالا دارند، مناسب نیستند.
۲. قالب ماده در وکیوم فرمینگ
ابزار قالب ماده، که به‌عنوان قالب‌های منفی نیز شناخته می‌شوند، یکی از عناصر مهم در فرآیند وکیوم فرمینگ است. این قالب‌ها دارای طراحی مقعر هستند و ورق‌های پلاستیکی را از داخل شکل می‌دهند. ماده ترموپلاستیکی درون ابزار قالب ماده قرار می‌گیرد و قالب، نمای بیرونی را مشخص می‌کند. هنگامی که نیروی وکیوم اعمال می‌شود، پلاستیک گرم شده به شکل قالب درمی‌آید و محصول نهایی با جزئیات دقیق و ضخامت یکنواخت دیواره‌ها حاصل می‌شود. ابزار قالب ماده در ایجاد قطعات دقیق با اشکال پیچیده بسیار مؤثر است و برای کاربردهایی که نیاز به دقت بالا و طراحی پیچیده دارند، ایده‌آل است. این روش نوآوری در طراحی را گسترش می‌دهد و یکنواختی در ضخامت دیواره‌ها را تضمین می‌کند.
مزایای استفاده از ابزار قالب ماده در وکیوم فرمینگ
استفاده از ابزار قالب ماده در وکیوم فرمینگ چندین مزیت مهم دارد که عمدتاً حول جزئیات و کیفیت بالای محصول نهایی می‌چرخد:
- جزئیات فوق‌العاده: قالب ماده در ایجاد جزئیات دقیق، بافت‌های نازک و گوشه‌های تیز بسیار مؤثر است. این دقت بدون نیاز به زاویه شیب حاصل می‌شود و منجر به قطعاتی با جزئیات دقیق و تمیز می‌شود.
- طراحی با بافت: قالب‌های ماده می‌توانند بافت داشته باشند و این امکان را فراهم می‌کنند تا بافت‌ها یا الگوها به سطح پلاستیک منتقل شوند. این قابلیت بافت‌دهی به جذابیت بصری قطعات نهایی می‌افزاید.
- شباهت به تزریق پلاستیک: قطعات تولید شده با ابزار قالب ماده از نظر جزئیات و پرداخت سطحی شباهت زیادی به قطعات تولید شده با روش تزریق پلاستیک دارند. کیفیت محصول نهایی اغلب با قطعات تزریق پلاستیک مقایسه می‌شود.
- کاهش نقص‌ها: استفاده از قالب ماده به کاهش وقوع مشکلات رایج مانند چین‌خوردگی و نقص‌های سطحی کمک می‌کند و به سطحی تمیزتر و با کیفیت بالاتر منجر می‌شود.
معایب استفاده از ابزار قالب ماده در وکیوم فرمینگ
در حالی که ابزار قالب ماده مزایای قابل توجهی دارد، برخی ملاحظات نیز وجود دارد از جمله:
- هزینه بالاتر: ساخت قالب‌های ابزار ماده ممکن است پیچیده‌تر و زمان‌برتر از قالب‌های نر باشد که منجر به افزایش هزینه‌های اولیه می‌شود. اما باید توجه داشت که این هزینه‌ها هنوز به‌طور قابل توجهی کمتر از هزینه‌های مرتبط با قالب‌های تزریق پلاستیک است.
- رد قالب: علی‌رغم بهبود در کیفیت سطحی، ممکن است هنوز برخی از نشانه‌های قالب بر روی سطح خارجی قطعات شکل‌گرفته باقی بمانند، اگرچه فراوانی و وضوح آن‌ها نسبت به سایر روش‌های شکل‌دهی کمتر است.
با وجود اینکه هزینه‌های اولیه بالاتر است، ابزار قالب ماده همچنان یک جایگزین مقرون به صرفه برای تزریق پلاستیک برای دستیابی به قطعات پلاستیکی پیچیده و با جزئیات بالا است.
انواع قالب‌های وکیوم فرمینگ از نظر جنس و روش ساخت قالب
برای انتخاب مواد قالب، گزینه‌های متنوعی وجود دارد، از خمیر مدلسازی گرفته تا چوب، MDF، رزین و موارد دیگر، که می‌توان آن‌ها را بر اساس فهرستی از نیازهای طراح و محصول نهایی وکیوم فرمینگ انتخاب کرد.
- قالب چند بار تحت وکیوم فرمینگ قرار می‌گیرد؟
- قالب به چه میزان جزئیات نیاز دارد؟
- هزینه‌ی ساخت قالب چقدر است و چه مقدار بودجه در نظر گرفته شده است؟
- چقدر زمان برای تولید قالب در اختیار دارید؟
این‌ها سوالاتی هستند که قبل از انتخاب ماده‌ی قالب باید مورد توجه قرار گیرند. در ادامه، هر ماده را به‌صورت جداگانه بررسی می‌کنیم و مزایا و معایب آن‌ها را توضیح می‌دهیم تا به شما کمک کنیم در انتخاب مواد قالب خود تصمیم درستی بگیرید. اکنون به انواع متریال قالب‌های وکیوم فرمینگ می‌پردازیم.
۱. قالب‌های چاپ سه‌بعدی (3D Printed Molds)
چاپ سه‌بعدی به دلیل زمان تحویل سریع و هزینه کم، به ویژه برای تولیدات محدود، قطعات سفارشی و نمونه‌های اولیه، به انتخاب محبوبی تبدیل شده است. این روش آزادی عمل طراحان را بالا می‌برد و شرایط را برای ایجاد قالب‌های پیچیده و دقیق فراهم می‌آورد. در اینجا وکیوم فرمینگ و فناوری کامپیوتری به هم می‌رسند و ما به یک ابزار فوق‌العاده برای تولید قالب‌هایی که قرار است وکیوم فرمینگ شوند، دست می‌یابیم. این پرینترها امکان طراحی یک شیء با استفاده از نرم‌افزار طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) را فراهم می‌کنند که سپس می‌تواند به‌صورت یک شیء فیزیکی سه‌بعدی با استفاده از طیف گسترده‌ای از مواد پرینت شود.
انواع مواد و فرآیندهایی که برای پرینت سه‌بعدی اشیاء استفاده می‌شوند، در هر دو ویژگی و هزینه به‌طور گسترده‌ای متفاوت هستند، اما دو نوعی که معمولاً استفاده می‌شوند، FDM و PolyJet هستند. FDM یک قالب با کیفیت بالا و مقاوم به حرارت تولید می‌کند، که متخلخل است و نیازی به سوراخ‌های تهویه ندارد. فرآیند PolyJet نیز نتایج با کیفیت بالایی تولید می‌کند و در عین حال به‌خاطر تولید سطوح بسیار صاف شناخته می‌شود، اما قالب متخلخل تولید نمی‌کند و باید سوراخ‌های تهویه در مرحله CAD در نظر گرفته شوند. هنگامی که با استفاده از هر یک از این فرآیندها پرینت سه‌بعدی می‌کنید، توصیه می‌شود از مواد ABS یا پلی‌کربنات به‌جای PLA استفاده کنید. این صرفاً برای اطمینان از این است که قالب پرینت شده هنگام قرار گرفتن در معرض گرما و فشار در طول فرآیند وکیوم فرمینگ، عملکرد خوبی خواهد داشت. قالب‌های PLA به‌خاطر این که خیلی سریعتر از قالب‌های ABS و پلی‌کربنات شکل خود را از دست می‌دهند، شناخته شده‌اند.
پس از پایان پرینت قالب، مراحل بعدی شامل شستشوی مواد باقی‌مانده و پس‌پخت (گذاشتن قطعه‌ی رزینی پرینت شده در دماهای بالاتر از دمای پخت) قالب برای دستیابی به خواص فیزیکی مطلوب می‌باشد. باتوجه به کاربرد محصول، گزینه‌های مختلفی از پس‌پخت وجود دارد. برای دستیابی به بالاترین دمای حرارتی، قطعات را در دستگاه (Form Cure) به مدت ۱۲۰ دقیقه در دمای ۸۰ °C و سپس در یک فر صنعتی به مدت ۳ ساعت در دمای ۱۶۰ °C پس‌پخت کنید. برای کاربردهایی با نیاز به مقاومت حرارتی کمتر، می‌توانید قطعات را به مدت ۶۰ دقیقه در دمای ۶۰ °C پس‌پخت کنید.
پرینت سه‌بعدی یک قالب برای وکیوم فرمینگ مطمئناً بسیاری از امکانات و چالش‌های جدید را برای طراحان و تولیدکنندگان در طول فرآیند ساخت قالب به ارمغان می‌آورد. پرینت سه‌بعدی یک شیء کوچک ممکن است بیش از 12 ساعت طول بکشد، بنابراین مواد قالب جایگزین ممکن است برای پروژه‌هایی که زمان کمی دارید یا طراحی‌های ساده بهتر مناسب باشند، اما هیچ‌کس نمی‌تواند نقش واقعی پرینت سه‌بعدی را به‌عنوان یک مزیت واقعی برای طراحان در طول فرآیند طراحی قالب نادیده بگیرد.
۲. قالب‌های خمیری (Modeling Clay Molds)
خمیر مدلسازی به‌دلیل سهولت در شکل‌دهی و هزینه‌ی بسیار پایین، برای قالب‌سازی بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای طراحی قالب‌های ساده، طراح ممکن است فقط با دست خود ماده را به شکل دلخواه درآورد. این امر، خمیر را به یک ماده‌ی ایده‌آل برای تولید یک قطعه‌ی واحد یا نمونه‌سازی سریع یک محصول تبدیل می‌کند.
یکی از معایب بزرگ خمیر، شکنندگی یا عدم استحکام آن است. خمیر برای تعداد محدودی از چرخه‌های وکیوم فرمینگ عملکرد خوبی دارد، اما پس از آن به‌مرور شکننده می‌شود و ترک‌ها ظاهر می‌شوند و شکل خود را از دست می‌دهد. این امر آن را برای تولیدات محدود مناسب می‌سازد.
قالب‌های خمیری باید قبل از وکیوم فرمینگ به‌طور کامل خشک شوند تا اطمینان حاصل شود که در طول فرآیند وکیوم فرمینگ، شکل خود را حفظ می‌کنند. گرما و فشار اعمال شده در طول یک چرخه‌ی فرمینگ احتمالاً هر قالب خمیری را که به‌خوبی خشک نشده باشد، تغییر شکل می‌دهد. قالب‌های خمیری نیز احتمالاً نیاز کمی به سوراخ‌های تهویه دارند یا حتی می‌توان گفتا نیازی به آن ندارند، زیرا ماده‌ی نسبتاً متخلخلی است و اجازه‌ی عبور هوا را می‌دهد. البته می‌توانید قبل از خشک شدن خاک رس، سیمی را از آن عبور دهید تا سوراخ‌های وکیوم ایجاد کنید.
۳. قالب‌های چوبی (Wood Vacuum Forming Molds)
چوب و MDF به‌دلیل هزینه‌ی کم و سهولت در ساخت، مواد قالب‌سازی بسیار محبوبی هستند. با استفاده از طیف وسیعی از ابزارها و تکنیک‌های ساده‌ی نجاری، طراح می‌تواند به‌راحتی قالبی تولید کند که قادر به تحمل صدها چرخه وکیوم فرمینگ باشد.
اگر از چوب استفاده می‌کنید، چوب‌های سخت‌تر به‌دلیل تراکم بیشتر و مقاومت بالاتر، توصیه می‌شوند. این ویژگی‌ها چوب را مقاوم‌تر نسبت به گرما می‌کنند. برای افزایش بیشتر استحکام قالب چوبی، ممکن است قالب‌های نهایی با لاک پوشانده شوند تا عمر مفید تولید آن‌ها افزایش یابد، اگرچه این کار بیشتر در صنعت دیده می‌شود و برای تولیدات کوچک یا تک‌سری الزامی نیست.
MDF به اندازه‌ی چوب قوی نیست، اما در فرآیند وکیوم فرمینگ عملکرد خوبی دارد و به‌عنوان یک ماده‌ی سریع و مؤثر برای قالب‌سازی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
تمام چوب‌ها با هر چرخه‌ی گرمایش و سرمایش منبسط و منقبض می‌شوند، که به‌مرور زمان باعث بروز ترک‌ها و تغییر شکل‌های قابل مشاهده در قالب می‌شود. با این حال، این ماده به‌دلیل هزینه و زمان کم، و سهولت در ساخت، در آموزش و کارخانه‌های کوچک بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد. لازم به ذکر است که به دلیل تراکم بالای اکثر قالب‌های چوبی و MDF، نیاز به ایجاد سوراخ‌های تهویه وجود دارد.
۴. قالب‌های آلومینیومی (Cast Aluminum Molds)
آلومینیوم یک ماده‌ی محبوب برای قالب‌های مورد استفاده در خطوط تولید انبوه با استفاده از وکیوم فرمینگ است. این ماده در عین اینکه بسیار محکم است، فوق‌العاده سبک نیز می‌باشد و اجازه می‌دهد که گرما به سرعت پس از چرخه‌ی فرمینگ پراکنده شود و نیاز به خنک‌سازی بین چرخه‌ها در خطوط تولید طولانی که دما می‌تواند بسیار بالا برود، نداشته باشد. قالب این ماده می‌تواند به صورت دستی یا با CNC ساخته شود، یا می‌تواند به شکل دلخواه ریخته‌گری شود. قالب‌های آلومینیومی گران‌تر و زمان‌برتر از سایر گزینه‌ها هستند و معمولاً برای تولیدات انبوه استفاده می‌شوند. این قالب‌ها به دلیل طول عمر بالای خود در فرآیند وکیوم فرمینگ بسیار رایج‌اند.
۵. قالب‌های فومی (Structural Foam Molds)
فوم می‌توانند از ارزان‌ترین و ساده‌ترین مواد برای شکل‌دهی باشد. هنگامی که درباره فوم صحبت می‌کنیم، فوم را می‌توان به سرعت با استفاده از اره ماشینی یا دستی، یا برشگرحرارتی به شکل دلخواه برید و با استفاده از انواع ابزارهای دستی و ماشینی جزئیات را اضافه کرد و قالب‌های بسیار چشمگیری تولید کرد. به دلیل سهولت ساخت در این روش، این ماده برای نمونه‌سازی اولیه یا تولیدات تک‌دفعه‌ای وکیوم فرمینگ محبوب است. ما توصیه می‌کنیم از فومی با ساختار حبابی متراکم استفاده کنید تا نتیجه‌ی نهایی مطلوبی حاصل شود و احتمال خرد شدن آن کمتر شود.
اگرچه کار با فوم سریع و آسان است، اما باید توجه داشت که این ماده مقاومت حرارتی بسیار کمی دارد و آن تحت تأثیر حرارت فرمینگ قرار می‌گیرد. این بدان معناست که یک قالب فومی ممکن است تنها برای تولید تعداد محدودی از محصول مناسب باشد. برای افزایش عمر قالب و تسهیل در رهاسازی آن، ممکن است یک لایه نوار آلومینیومی یا فویل آلومینیومی ساده به سطحی که با مواد پلاستیکی داغ در تماس است، کشیده شود. این کار باعث کاهش قابل توجه تنش‌های ناشی از حرارت می‌شود. البته این ماده همچنین بسیار سبک است و با توجه به اینکه فرآیند وکیوم فرمینگ متکی بر حرکت هوا است، توصیه می‌شود قبل از شروع فرآیند فرمینگ، قالب را با چسب نواری دوطرفه به میز دستگاه وکیوم فرمینگ بچسبانید.
دستورالعمل‌های طراحی قالب برای وکیوم فرمینگ
برای موفقیت در فرآیند وکیوم فرمینگ، رعایت دستورالعمل‌های طراحی ضروری است. در اینجا به برخی از اصول کلیدی در طراحی قالب‌های وکیوم فرمینگ اشاره می‌کنیم:
- انتخاب زاویه خروج قطعه
قالب‌های شما باید در امتداد لبه‌های عمودی خود دارای زاویه‌های شیب‌دار (Draft Angles) باشند. وجود زاویه‌های شیب‌دار روی سطوح مناسب، اطمینان می‌دهد که بتوانید قالب خود را به‌راحتی از ورق شکل‌گرفته جدا کنید.
در مورد میزان زاویه شیب‌دار، به‌طور کلی محدوده‌ای که توصیه می‌کنیم برای قالب‌های مثبت، زاویه ۴-۵ درجه و برای قالب‌های منفی، زاویه ۳-۱.۵ درجه است. برای قطعات عمیق‌تر و بافت دار، افزودن زاویه‌های بیشتر می‌تواند کمک‌کننده باشد. اگرچه زاویه شیب‌دار بزرگ‌تر جدا کردن قالب از ورق شکل‌گرفته را آسان‌تر می‌کند، اما بر شکل و ابعاد کلی قالب نیز تأثیر می‌گذارد. این به شما بستگی دارد که بر اساس نیازهای خاص خود تعادل مناسب را پیدا کنید.
مراقب هرگونه زاویه منفی یا “زیر برش” (Undercuts) باشید تا اطمینان حاصل کنید که می‌توانید قالب خود را پس از شکل‌دهی از ورق پلاستیکی جدا کنید. زیر برش‌ها ممکن است شامل زاویه‌های داخلی کمتر از 90 درجه، برآمدگی‌های آویزان، شیارها، سوراخ‌ها و دیگر ویژگی‌های مقعر و محدب باشند که در کناره‌های قالب شما قرار دارند.
- سوراخ‌های تهویه
اگر جنس قالب شما بسیار متراکم و مقعر است، ایده خوبی است که سوراخ‌های تهویه (Vent Holes) ایجاد کنید تا اطمینان حاصل شود که ورق پلاستیکی به‌طور یکنواخت بروی قالب قرار می‌گیرد و جزئیات آن شکل می‌گیرد.
اگر قالب شامل یک فرو رفتگی ساده در مرکز باشد، بدون استفاده از سوراخ‌های تهویه، ورق پلاستیکی به دلیل گیر افتادن هوا در داخل بخش مقعر، به‌سختی می‌تواند به گوشه‌ها و شکاف‌های قالب برسد.
قرار دادن استراتژیک سوراخ‌های تهویه به هوا اجازه می‌دهد از جاهایی که ممکن است گیر کند، خارج شود و فرآیند شکل‌دهی به‌درستی انجام شود و هدف از انتخاب اندازه مناسب سوراخ‌های تهویه قالب‌ها، این است که سوراخ‌ها رد قابل‌توجهی روی محصول نهایی نگذارند.
برای بهترین نتیجه، توصیه می‌کنیم از مته‌هایی با اندازه 0.4 میلی‌متر تا 0.8 میلی‌متر استفاده کنید. هر چیزی بزرگ‌تر از این اندازه، ممکن است رد سوراخ‌های تهویه را روی فرم نهایی باقی بگذارد.
- فرورفتگی‌ها، گوشه‌ها و شعاع‌ها
برای فرورفتگی‌های داخلی، لازم است که سوراخ‌هایی برای تهویه ایجاد شود تا وکیوم به تمامی نواحی قالب دسترسی پیدا کند و پلاستیک نرم شده به طور کافی کشیده شود. همچنین، لبه‌های تیز قالب باید به گوشه‌های گرد یا شعاعی تبدیل شوند تا تنش‌های متمرکز کاهش یابد و احتمال پارگی کاهش پیدا کند.
- عمق قطعه و نسبت کشش
برای کاهش مشکلات کشش، بهتر است قالب و قطعه وکیوم فرمینگ را کم‌عمق نگه دارید. قطعات عمیق‌تر نیاز به ورق پلاستیک ضخیم‌تر دارند و تولید آن‌ها دشوارتر است. نسبت کشش به عنوان نسبت مساحت سطح قطعه به سطح پایه آن تعریف می‌شود و نسبت ۳:۱ به طور معمول حداکثر نسبت کشش قابل قبول است. برای تعیین ضخامت ورق مناسب، ضخامت مورد نظر قطعه نهایی را در نسبت کشش ضرب کنید.
- تمیز کردن قطعات وکیوم فرمینگ
پس از وکیوم فرمینگ، ممکن است قطعات نیاز به پرداخت اضافی داشته باشند. اکثر پلاستیک‌های وکیوم فرمینگ به راحتی با دست یا با ابزارهایی مانند فرز قابل برش هستند.
انواع ماشین‌آلات وکیوم فرمینگ
دستگاه‌های فرم‌دهی به روش وکیوم از نظر اندازه، هزینه، پیچیدگی و قابلیت‌ها بسیار متنوع هستند، به طوری که طراحان مستقل، علاقه‌مندان و تولیدکنندگان تجاری با هر سطح از مهارت می‌توانند مدل مناسب خود را پیدا کنند. این دستگاه‌ها از مدل‌های کوچک رومیزی که هزینه‌ای در حدود چند صد دلار دارند، تا دستگاه‌های صنعتی با هزینه‌های چند هزار دلاری، متغیرند.
در اینجا چند نمونه از دامنه دستگاه‌های فرم‌دهی وکیوم را معرفی می‌کنیم:
- دستگاه‌های صنعتی وکیوم فرمینگ: این دستگاه‌ها، مانند مدل‌های شرکت‌های Formech ،Ridat و Belovac، برای کاربردهای تجاری و تولید قطعات بزرگ مناسب هستند.
- دستگاه‌های رومیزی وکیوم فرمینگ:
مانند Mayku FormBox که از یک وکیوم استاندارد برای ایجاد خلاء استفاده می‌کند، این دستگاه‌ها برای کسب‌وکارهای کوچک و حرفه‌ای‌های خانگی عالی هستند.
- ماشین‌آلات گرمایش دو طرفه: برای مواردی که نیاز به گرمایش یکنواخت ورق پلاستیک از هر دو طرف است، استفاده می‌شوند.
- دستگاه های DIY:
برای تولید در مقیاس کوچکتر، از دستگاه‌های خانگی استفاده می‌شود. در این دستگاه‌ها تعداد کمی هیتر وجود دارد. به همین دلیل، این دستگاه‌ها نمی‌توانند در تولید صنعتی مورد استفاده قرار گیرند. دستگاه‌های DIY ممکن است از هیترهای سرامیکی استفاده کنند، اما این هیترها به اندازه کافی تخصصی نیستند تا بتوانند تجهیزات پیچیده‌ای مانند پلاگ‌ها را مدیریت کنند و وکیومینگ مدت زمان بیشتری طول می‌کشد.
سخن آخر
در نهایت، وکیوم فرمینگ به‌عنوان یکی از روش‌های تولیدی خاص و پرکاربرد در صنایع مختلف، نقش خود را به‌خوبی ایفا کرده است. این تکنیک به‌دلیل توانایی‌اش در خلق قطعات پلاستیکی سبک، مقاوم و مقرون به صرفه، به یکی از ستون‌های اصلی تولید در صنایعی مانند خودروسازی، پزشکی و محصولات مصرفی تبدیل شده است. هرچند وکیوم فرمینگ با مزایای چشمگیری مانند کاهش هزینه‌های تولید، سرعت بالا و انعطاف‌پذیری در انتخاب مواد همراه است، اما چالش‌هایی مانند هدر رفت مواد و پیچیدگی در ساخت اشکال خاص را نیز به دنبال دارد. با این حال، تولیدکنندگانی که این فرآیند را به‌خوبی درک می‌کنند، می‌توانند از آن به‌عنوان ابزاری بی‌نظیر برای تولید محصولات منحصر به فرد استفاده کنند. با پیشرفت‌های فناوری، وکیوم فرمینگ همچنان به‌عنوان یک راه‌حل کلیدی و خاص باقی خواهد ماند که می‌تواند نیازهای متنوع تولیدات مدرن را به‌طور مؤثری پاسخ دهد.
پرسش‌های متداول
تفاوت بین وکیوم فرمینگ و ترموفرمینگ چیست؟
ترموفرمینگ یک اصطلاح گسترده‌تر است که به فرآیند گرم کردن مواد ترموپلاستیک تا زمانی که انعطاف‌پذیر شوند و سپس شکل دادن به آن‌ها به یک فرم خاص اشاره دارد. وکیوم فرمینگ نوع خاصی از ترموفرمینگ است که با استفاده از وکیوم (خلاء) قالب گیری می‌کند.
چه نوع محصولاتی را می‌توان با وکیوم فرمینگ تولید کرد؟
وکیوم فرمینگ برای تولید طیف گسترده‌ای از محصولات استفاده می‌شود، از جمله بسته‌بندی محصولات، محصولات پزشکی ، قطعات داخلی خودرو و موارد دیگر.
آیا وکیوم فرمینگ یک فرآیند تولیدی سازگار با محیط زیست است؟
وکیوم فرمینگ در مقایسه با سایر فرآیندهای تولیدی مانند تزریق پلاستیک، ضایعات کمتری تولید می‌کند، زیرا مواد اضافی می‌توانند برش داده شده و در تولیدات بعدی دوباره استفاده شوند. با این حال، استفاده از مواد ترموپلاستیک ممکن است در صورت عدم مدیریت صحیح تأثیرات زیست‌محیطی زیان باری نیز داشته باشد.
