مقاله طراحی ، تحلیل و بررسی قالب تزریق پلاستیک ، مطالعه موردی قاب ترموستات خانگی

بخشی از مقاله

چکیده: ترموستات برای ثابت نگاه داشتن دما در مقدار تنظیم شده به کار میرود. این دستگاه با توجه به دمای تنظیم شده فرمان مناسب جهت ایجاد گرما یا سرما را از طریق کنتاکت یک رله به موتور فن کویل میدهد. ترموستاتهای پیشرفته با نمایشگر لمسی بههمراه امکانات متنوع، برای کنترل انواع فن-کوئل و سایر سیستمهای تهویه مطبوع به کار میروند و به تمام نیازهای کنترلی مدرن پاسخ میگوید. در این مقاله طراحی، تحلیل و ساخت قالب تزریق پلاستیک قاب ترموستات پیشرفته خانگی بررسی میشود.

در این طرح بهمنظور افزایش نرخ تولید و بهروری، امکان قرارگیری هر دو قسمت - نر و مادگی - قاب ترموستات در یک قالب مورد تحلیل و بررسی قرار گرفته است. تمامی مراحل این پژوهش به وسیله نرمافزار Moldflow Plastics Insight - MPI - تحلیل و شرایط بهینه قالبگیری مورد بررسی قرار گرفته و با نتایج تجربی مقایسه شده است. مقایسه نتایج تجربی با نتایج حاصل از تحلیل اجزای محدود نرمافزار MPI، بیانگر تطابق خوب شرایط پیشبینی شده توسط نرمافزار با نتایج تجربی میباشد.

.1 مقدمه1

فرایند تزریق پلاستیک یکی از متداولترین روشهای ساخت قطعات پلاستیکی در صنعت بهشمار میآید. سیکل تولید کوتاه، خواص مکانیکی مناسب، هزینه و وزن کم باعث رشد روزافزون این فرایند شده است. در فرایند تزریق پلاستیک ابتدا ماده پلاستیکی اولیه با خواص مورد نظر تا دمای ذوب خود گرم شده و سپس در حالت مذاب به داخل حفره قالب، تزریق میگردد. این فرایند را می‌توان در سه فاز پر شدن، تراکم و خنککاری مورد بررسی قرار داد.

طی فاز پر شدن، فشار تزریق به تدریج افزایش یافته تا جایی که فاز تراکم آغاز میگردد. در این مرحله فشار تزریقمعمولاً ثابت باقی مانده تا با تراکم بیشتر مواد در داخل حفره قالب، میزان انقباض ابعادی جبران شود و در پایان فرایند، طی فاز خنککاری ماده مذاب کاملاً منجمد شده و از قالب بیرون انداخته میشود. از نظر اقتصادی این سیکل باید تا حد امکان کوتاه باشد. مشکلاتی همانند پدیده اعوجاج2، انقباض ابعادی3، فرورفتگی سطحی، خط جوش4 و تلههای هوایی5 از جمله مهمترین مواردی هستند که کیفیت نهایی محصول تولیدی را تحت تاثیر قرار میدهند که لزوم مطالعه بیشتر آنها احساس میشود .[1]

فاطمی و همکاران در پژوهشی به بهینهسازی سیستمهای خنککاری در قالبهای تزریق پلاستیک پرداختهاند. دراین تحقیق با درنظر گرفتن یک هندسه خاص برای قطعه دو پارامتر مهم یعنی قطر کانالهای خنککاری و تعداد کانالهای خنککاری به کمک نرمافزار مولدفلو6 بررسی شدهاند و نتایج قابل قبولی بدست آمده است. نتایج نشان میدهد که بهینهسازی سیستم خنککاری قالب نقش مهمی در بالا رفتن کیفیت قطعه پلاستیکی و پایین آمدن هزینه تولید ایفا میکند .[2] پدیده اعوجاج در قالبگیری تزریق قطعات پلاستیکی توسط بهروش و معلمی بررسی شده است. در این تحقیق به شبیهسازی و اثبات تجربی مراحل انجماد، انقباض و خصوصا اعوجاج در قطعات پلاستیکی قالبگیری تزریقی با استفاده از نرمافزارهای عمومی تحلیل تنش و کرنش پرداخته شده است.

مقایسه نتایج آزمایش با نتایج شبیهسازی نشان میدهد که الگوریتم طراحی شده، به خوبی پروفیل اعوجاج را پیشبینی مینماید. همچنین نتایج بیانگر اثر غالب فشار تراکم میباشد .[3] سجادی در مقالهای به طراحی و ساخت قالب تزریق پلاستیک خار جلو پنجرهی پراید و تحلیل فرایند تزریق آن پرداخته است. در این مقاله پس از طراحی در نرمافزار کتیا، اقدام به شبیهسازی و تحلیل عملیات تزریق پلاستیک در نرمافزار مولدفلو شده و پس از تایید تحلیلهای انجام شدهی اطلاعات خروجی نرمافزار مولدفلو از جمله پارامترهای جریان و خنک کاری، اقدام به ساخت قالب تزریق پلاستیک شده است .[4]

محمدی و همکاران با استفاده از نرمافزار مولدفلو شبیهسازی فرایند تزریق پلاستیک در تولید قاشق را اجرا و پارامترهای مهم تزریق از جمله زمان پر شدن، فشار تزریق، و زمان پران قطعه را با دادههای تجربی مقایسه کردهاند. همچنین سیستم خنککاری مناسب برای خنککاری یکنواخت قطعه با توجه به دمای آب خنککننده ورودی و دبی آب خنککننده، تعداد کانال، قطر کانال، فاصله کانال با قطعه تعیین گردیده است 6]،.[5

.2 روش تحقیق

اندازه قالب به اندازه ماشین بستگی دارد. اغلب اندازه یک ماشین مشخص یا موجود محدودیت مهمی برای مهندس طراح ایجاد می‌کند. این محدودیتها عبارتند از مقدار تزریق در هر کورس، سرعت نرمسازی، نیروی گیرنده، حداکثر فشار تزریق و حداکثر سطح میز ماشین که با فاصله بین میلههای راهنمای ماشین معلوم میشود. حداکثر نیروی گیرنده از نیروی عکس العمل حفره قالب که نتیجه سطح تصویر شده همه حفرهها، راهگاهها و حداکثر فشار حفرهی قالب است بر اساس رابطه 1 به دست میآید 7]،.[1 در این رابطه F نیروی عکسالعمل، A سطح تصویر شده حفرههای قالب و سیستم راهگاهها و P فشار حفرهی قالب است. بهمنظور اجرای صحیح فرایند، با توجه به جنس و هندسه قطعه، فشار حفره قالب معمولا بین 20 تا 100 مگاپاسکال میباشد. پس از تعیین تعداد حفرهها براساس موارد بالا، چیدمان آنها باید به بهترین صورت انجام گیرد. آرایش حفرهها در اطراف راه تغذیه مرکزی باید طوری باشد که شرایط زیر در آن رعایت شود:

·    تمام حفرهها باید به صورت همزمان و با مذابی که دمای یکسان دارد پر شوند.

·    طول جریان باید کوتاه باشد تا مقدار ضایعات مواد حداقل شود.

·    فاصله بین یک حفره قالب با حفره دیگر باید به اندازه کافی زیاد باشد تا فضای لازم برای خطوط خنککاری و میلههای پران در اختیار باشد، همچنین سطح مقطع کافی برای تحمل نیروهای حاصل از فشار تزریق وجود داشته باشد.

·    برآیند کلیه نیروهای عکس العمل باید در مرکز ثقل باشد.

اگر حفرهها نسبت به راه تغذیه مرکزی، خارج از مرکز قرار گیرند بار غیر یکنواخت بر قالب و قسمت گیرنده وارد میشود. ممکن است این امر باعث پلیسهدار شدن قطعه و شکست احتمالی میلههای راهنمای قالب و ماشین شود. بنابراین باید برآورد همه نیروهای عکسالعمل - فشار تزریق - و برآورد همهی نیروهای گیرنده بر مرکز راه تغذیه اثر کنند. شکل، ابعاد و اتصال راهگاه به قطعه قالبگیری بر فرایند پر شدن قالب مؤثر است، بنابراین اثر زیادی بر کیفیت محصول دارد. راه تغذیه نباید پیش از هیچ مقطعی منجمد شود تا فشار نگهداری به اندازه کافی منتقل شود. جدایی راه تغذیه از قالب باید راحت و با اطمینان انجام شود.

بنابراین باید شکل آن مخروطی باشد - زاویه مخروط 4 درجه - . میزان قطر راه تغذیه از رابطه 2 بدست میآید که در آن D قطر راهگاه و ماکزیمم ضخامت دیواره قطعه قالبگیری است 1]،.[5 در حین پر شدن قالب، مذاب باید جایگزین هوایی که داخل حفره قالب است شود. اگر امکان این کار نباشد ممکن است هوا از پر شدن کامل حفره قالب جلوگیری کند. به علاوه ممکن است هوای تحت فشار به قدری گرم شود که مواد اطراف خود را بسوزاند. اغلب قالب‌ها مشخصات خاص در طراحی برای هواگیری نیاز ندارند زیرا هوا راههای کافی برای فرار از امتداد پران یا در خط جدایش دارد. ولی پیشنهاد شده است که سنگ زنی در جهتی صورت گیرد که هوا بتواند خارج شود - فضای مورد نیاز 0/02 برای ترموپلاستیک و 0/03 برای ترموست - .

در تکنیک قالبگیری تزریق پلاستیک، انقباض نسبت اختلاف بین یک اندزاه دلخواه در حفره قالب و اندازه مربوطه در قطعه قالبگیری؛ بر اندازه حفره قالب است. .[5] تجهیزات بیرون اندازی اغلب با کورس باز شدن ماشین به صورت مکانیکی فعال میشود. اگر طرح ساده مناسب نباشد بیرون اندازی قطعه را میتوان به صورت نیوماتیکی یا هیدرولیکی انجام داد. برای خارج کردن قطعه قالبگیری از قالب، میل پران بیشترین کاربرد را دارد - میلههای استوانهای مرسومترین نوع برای بیرون اندازی است - .

.3 شرح فعالیت عددی

شبیهسازی از مباحث مهم در اغلب زمینهها به ویژه طراحی و ساخت میباشد. طراحی قالب، قطعه، انتخاب مواد، انتخاب ماشین تزریق، کنترل فرایند تزریق و ... به کمک شبیهسازی کامپیوتری انجامپذیر خواهد بود. طراح قالب میتواند قبل از ساخت قالب، فرایند تزریق و پارامترهای مورد نیاز و همچنین مشکلات موجود در ساخت را به کمک کامپیوتر شبیهسازی کند؛ حتی طرح خود را بهینهسازی نماید. به کمک نرمافزارهای شبیهسازی میتوان با صرف وقت و هزینه اندک، اثرات پارامترهای مختلف در طراحی قالب را تحلیل و ارزیابی نمود.

بستههای نرمافزاری تحلیل ارائه شده توسط شرکت Moldflow یکی از وسیعترین کاربردها را در صنعت امروز پلاستیک به خود اختصاص داده است. تواناییهای فوق العاده و کاربری آسان این نرم افزارها باعث شده تا تولیدکنندگان بزرگ صنایع خودروسازی، الکترونیک و پزشکی این مجموعه نرمافزار را به طور وسیع به کار گیرند و سالانه مبلغ چشمگیری را در وقت و هزینه صرفهجویی نمایند. پس از وارد کردن مدل به نرم افزار لازم است تا مدل موجود را مش‌بندی کرده تا به کمک آن فضای پیوسته فیزیکی را به زیر مجموعه‌های کوچکی تبدیل نموده تا بتوان متغیرهای محاسباتی را در هر یک از این زیر مجموعههای کوچک محاسبه نمود. با توجه به هندسه مدل و نوع آنالیزهایی که باید بر روی آن انجام شود، میتوان مدل را به سه روش مشبندی نمود.

برای قطعات با ضخامت کم میتوان نوع مش میان صفحهای و یا نوع فیوژنی را انتخاب نمود و برای قطعات ضخیم نوع سهبعدی به کار خواهد رفت. علاوه بر هندسه مدل، نوع آنالیزهایی که لازم است انجام شود را باید مد نظر قرار داد زیرا تمامی آنالیزها را نمیتوان بر روی هر سه مدل مش اجرا کرد. پس از ویرایش مش و آمادهسازی مدل میتوان طیف وسیعی از پروسههای قالبگیری و آنالیزهای گوناگون را بر روی آن انجام داد. راهکارهای اساسی برای انجام یک تحلیل به صورت زیر تفکیک میشود.

·    واردسازی مدل از CAD

·    ایجاد مش

·    بازیابی تراکم مش

·    ترمیم و پاکسازی مدل

·    انتخاب ماده

·    انتخاب محل دریچه

·    انتخاب ماشین تزریق

·    تعیین شرایط قالبگیری

·    تنظیم پارامترهای آنالیز

·    اجرای آنالیز

مشبندی اولیه با تعیین طول کلی المان صورت میپذیرد. مش ایجاد شده ممکن است برای قسمتهایی از قطعه مناسب ولی برای قسمتهای دیگر قطعه نامناسب باشد. برای انجام هر آنالیز، ماده موردنظر بایستی از کتابخانه مواد موجود در نرم افزار انتخاب شود. محل دریچه انتقال مذاب ممکن است از قبل تعیین شده باشد یا اینکه چندین محل مناسب برای قرارگیری وجود داشته باشد. تعیین محل قرارگیری بهینه برای دریچهها میتواند به عنوان بخشی از اهداف آنالیز در نظر گرفته شود. در مراحلی ممکن است مشخصات ماشین تزریق مورد نیاز باشد. قانون مناسب طراحی این است که اطمینان حاصل کنیم فشار لازم برای پر کردن قالب برابر 75 درصد ظرفیت ماشین است.