روش‌های فرم دهی مواد پلیمری – قطعات پلیمری چگونه تولید می‌شوند؟
صنعت پلیمر، از صنایعی است که بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در اطراف ما، قطعات پلاستیکی و پلیمری بسیاری وجود دارد که نشان‌دهنده اهمیت این نوع از محصولات است. ایران نیز، به دلیل شرایط جغرافیایی و قرار گرفتن در میان منابع غنی نفت و گاز، یکی از کشورهایی است که بخش عمده اقتصاد آن متکی به نفت است. صنعت پتروشیمی در ایران رونق زیادی دارد و کارخانجات مختلفی به تولید محصولات پلاستیکی و مواد اولیه پتروشیمی مشغول هستند. برای ساخت این قطعات پلیمری، روش‌های مختلفی وجود دارد که با توجه به کاربرد و نوع محصول موردنظر، از شیوه‌های متفاوتی استفاده می‌شود. در این مقاله، به بررسی روش‌های فرم دهی مواد پلیمری خواهیم پرداخت؛ با ما همراه باشید.
تولید قطعات پلیمری
در ابتدا بد نیست تفاوت مفاهیم کلمات پلاستيک و پليمر را که معمولاً از آن‌ها به يک معنی استفاده می‌شوند، بررسی کنیم. در دیدگاه علمی از پلاستيک به عنوان قطعات نهايی تولید شده و از پليمر به عنوان مواد خام اوليه یاد می‌شود. پلاستيک‌ها مانند فلزات استفاده‌های گسترده‌ای دارند. پلیمرها دسته‌ای از مواد مصنوعی را شامل می‌شوند كه می‌توان آن‌ها را با اعمال فشار و حرارت، قالب‌گيری و يا شكل‌دهی كرد. مواد پلیمری وقتی در معرض حرارت كافی قرار گيرند نرم شده و اعمال فشار بر آن‌ها باعث جريان يافتن آن‌ها می‌شود در نتیجه می‌توان آن‌ها را شكل‌دهی كرد. در اين مقاله به دلیل كاربرد زياد پلیمرها در صنایع مختلف، روش‌های تولید آن‌ها را مورد بررسی قرار خواهیم داد.
به‌طور کلی روش‌های شکل‌دهی پلیمرها به عوامل زیر بستگی دارد:
- نوع رزین پلیمری
- شکل هندسی محصول نهایی
- میزان حجم تولید
- استحکام مورد نیاز
در انتخاب روش‌های تولید باید عوامل فوق به دقت در نظر گرفته شود. روش‌هایی که بیشتر برای تولید مواد پلیمری استفاده می‌شوند عبارتند از:
- اکستروژن
- قالبگیری بادی (دمشی)
- قالبگیری تزریقی
- قالبگیری چرخشی
- ترمو فرمینگ
در تمام روش‌های تولید پلیمر، ماده ابتدا باید حرارت داده شود تا به دمای نرم شدن (ذوب) برسد، در این وضعیت ماده برای شکل‌‌پذیری مناسب آماده است. شناخت رفتار هر نوع ماده پلاستیکی در دماهای بالا از نکات مهمی است که به‌عنوان مثال شاخص مذاب (MFI) یا سرعت جریان مذاب، معمول‌ترین روش بررسی رفتار این مواد است.
در ادامه به شرح کامل و جامعی از این فرآیند ها خواهیم پرداخت.
۱- اکستروژن (Extrusion)
اکستروژن یک فرآیند کاربردی انعطاف‌پذیر برای شکل‌دهی مواد پلیمریست که نیروی لازم برای این کار به‌صورت هیدرولیکی یا مکانیکی تأمین می‌شود. به‌طور خلاصه فرآیندی که طی آن ماده پلیمری تحت تأثیر فشار، از داخل قالبی با شکل خاص عبور کند و سطح مقطع آن را کاهش دهد، اکستروژن می‌نامند. این فرآیند در مقایسه با دیگر روش‌های شکل‌دهی روشی نسبتاً جدید و کاربردی‌تر است.
در اکستروژن گرانول یا پودر پلاستیک، مستربچ و سایر افزودنی‌ها با هم مخلوط شده و وارد قیف دستگاه اکسترودر می‌شوند، سپس این آمیزه در دستگاه اکسترودر بر اساس حرارت و تنش‌های برشی ذوب شده و با حرکت ماردون به سمت قالب (Die) حرکت می‌کند. در ادامه محصول مذاب بر اثر اعمال فشار به شکل قالب مورد نظر درآمده و در نهایت قالب را سرد و محصول را خارج می‌کنند.
اگر بخواهیم این فرآیند را با مثال‌های ساده و روزمره معرفی کنیم می‌توان آن را با خروج خمیردندان از تیوب و یا خروج خامه شیرینی به هنگام فشردن کیسه مخصوص تزیین کیک و شیرینی شبیه دانست.
اکستروژن روش بسیار انعطاف‌پذیری است که با استفاده از حدیده مناسب می‌توان طیف وسیعی از تولیدات را تهیه کرد. برخی از روش‌های مورد استفاده، در پایین ذکر شده است:
- تولید لوله و پروفیل (Profile & pipe production)
- تولید دانه گونه (Granule production)
- تولید ورقه‌های بسیار نازک به طریقه بادی (Film blowing)
- قالبگیری بادی (Blow Molding)
از این روش در تولید انواع محصولات پلاستیکی و انواع فیلم‌ها مانند لوله، میله تو پر، ورق، روکش سیم، تولید نایلون و نایلکس بسته‌بندی، کیسه‌های خرید و تبلیغاتی، کیسه‌های سرم، بسته‌بندی معمولی و مخصوص مواد غذائی (با لایه ضد نفوذ اکسیژن)، پوشش گلخانه‌ها و سفره‌های یک‌بار مصرف استفاده می‌شود.
فرایند اکستروژن از نظر حرکت قالب و ماده مذاب به دو صورت قابل اجراست:
- اکستروژن مستقیم (Direct Extrusion)
- اکستروژن غیرمستقیم (Indirect Extrusion)
در فرایند اکستروژن مستقیم ماده مذاب در اثر اعمال فشار از قالبی با سطح مقطع کوچک‌تر عبور می‌کند تا به شکل محصول مورد نیاز تبدیل شود. در اکستروژن غیرمستقیم این قالب است که با فشار به داخل ماده مذاب رانده می‌شود.
مزایای فرآیند اکستروژن
- سهولت در اجرای فرایند
- قابلیت کنترل و خنک‌سازی قطعه اکسترود شده بعد از خارج شدن از قالب
- کاهش حدود ۲۰ تا ۳۰ درصد نیروی لازم در مقایسه با نوع مستقیم به دلیل عدم وجود اصطکاک
- عدم افزایش چشمگیر درجه حرارت لایه خارجی شمش
- عدم کشیده شدن ناخالصی‌های سطحی شمش به داخل محصول به دلیل عدم وجود اصطکاک
- امکان تولید قطعات نازک‌تر
معایب فرآیند اکستروژن
- وجود اصطکاک در سطح تماس بین شمش و محفظه و ایجاد حرارت ناشی از آن
- نیروی تغییر شکل بالاتر در مقایسه با اکستروژن غیرمستقیم
- تشکیل عیوب داخلی به‌ویژه در صورت وجود اصطکاک
- محدودیت نیروی تغیر شکل
- وجود امکانات کمتر برای خنک کردن قطعه اکسترود شده بعد از خروج از قالب
- مرغوبیت کمتر سطح خارجی محصول
۲- قالبگیری بادی (Blow Molding)
قالبگیری بادی یکی از به‌صرفه‌ترین و سریع‌ترین فرآیندهای تولید پلیمر است که در تولید محصولات توخالی مانند انواع بطری و قوطی‌های پلاستیکی، مخازن سوختی، لوله‌های آبیاری به‌کار می‌رود. در این فرآیند ماده پلیمری (که معمولاً به شکل گرانول است، مانند گریدهای مختلف گرانول بادی) به صورت استوانه توخالی وارد محفظه اکسترودر شده و قالب را در این حالت پر می‌کند، در ادامه با اعمال فشار هوای فشرده در این قالب، ماده مذاب به سمت دیواره قالب رانده شده و در انتها قالب را خنک کرده تا پلیمر به شکل قالب در آید.
فرآیندهای قالبگیری بادی (دمشی) به ۳ صورت زیر انجام می‌گیرند:
- قالبگیری بادی تزریقی (Injection Blow Molding)
- قالبگیری بادی اکستروژن (Extrusion Blow Molding)
- قالبگیری بادی کششی (Injection stretch Blow Molding)
مزایای قالبگیری بادی
اغلب ترموپلاستیک‌ها و بسیاری از ترموست‌ها را می‌توان در این فرآیند به کاربرد.
هزینه قالب‌های این فرآیند، کمتر از قالبگیری تزریقی است.
مواد پلیمری در قسمت اکسترودر به خوبی نرم و ذوب می‌شوند.
مواد پلیمری در قسمت اکسترودر به خوبی با هم ترکیب و یکنواخت می‌شوند.
همانند بسیاری از فرآیندهای قالبگیری دیگر، در این روش نیز از اکسترودر به عنوان یک بخش اصلی استفاده می‌شود.
طول لوله اکسترود شده عملاً می‌تواند خیلی بلند باشد.
معایب قالبگیری بادی
- گاهی اوقات لازم است از عملیات تکمیلی پرهزینه در تولید قطعات استفاده شود.
- هزینه خرید ماشین‌آلات اصلی و جانبی بالاست.
- مقداری ضایعات پلاستیکی در این فرآیند تولید می‌شود.
- تنوع شکل محصولات و فرم لوله اکسترود شده محدود است.
۳- قالبگیری تزریقی (Injection Molding)
قالبگیری تزریقی (Injection molding) یكی از پرکاربردترین روش‌های تولید قطعات پلاستیكی است. متدوال‌ترین محصولات و مصنوعات پلاستیکی که در متن زندگی ما انسان‌ها وجود دارد مانند یک ظرف پلاستیکی ساده تا پیچیده‌ترین آن مانند استنت‌ها از این روش به‌دست می‌آید که به نام تزریق پلاستیک نیز مشهور است. ماده اولیه‌ای که وارد این دستگاه می‌شود معمولاً به شکل گرانول است؛ برای مثال گرانول سنگین تزریقی یا همان پلیاتیلن سنگین تزریقی، یکی از محصولاتی است که به عنوان ماده اولیه وارد دستگاه تزریق پلاستیک می‌شود. سپس، این مواد اولیه ذوب می‌شوند و پس از ذوب شدن به درون قالب مخصوص تزریق شده و پس از گذشت زمان موسوم به زمان سرد شدن (Cooling Time) به شکل قالب درآمده و در انتها به شکل جامد در دسترس قرار می‌گیرند.
زمان و مراحل فرآیند بستگی به نوع و خواص فیزیکی ماده پلیمری دارد. قالبگیری تزریقی فرآیندی ناپیوسته (Batch) بوده و در هر سیکل یک نمونه تولید می‌شود. قالبگیری تزریقی را می‌توان برای اکثر ترموپلاست‌ها به جز پلی‌تترا فلئورو اتیلن، پلی‌آمید، بعضی پلی‌استرها و بعضی پلاستیک‌های خاص دیگر به‌کار برد. یکی از رایج‌ترین انواع ترموپلاستیک‌ها که در قالبگیری تزریقی مورد استفاده قرار می‌گیرد پلی‌استایرن فشرده است.
اصلی‌ترین مزیت قالبگیری تزریقی، اقتصادی بودن آن در میزان تولید انبوه محصولات پلاستیکی است. در حقیقت در این فرآیند محصولات با دقت بالا و به‌صورت سریع و خودکار در یک مرحله تولید می‌شوند، لذا معمولاً بعد از تولید قطعه، عملیات خاصی برای تغییر بهبود وضعیت آن نیاز نیست و حتی‌الامکان ادغام چند فرآیند با یکدیگر برای کاهش مراحل تولید و هزینه‌ها نیز وجود دارد.
با استفاده از این فرآیند می‌توان محصولات کوچک مانند در بطری، درپوش سینک ظرفشویی، اسباب‌بازی، ظروف پلاستیکی و قطعاتی از دوربین را تولید کرد. همچنین برای ساخت سطل زباله، ظروف حمل و نقل و حتی درقالب‌گیری موارد بزرگ‌تر مانند قسمت‌هایی از بدنه اتومبیل و تنه کشتی مورد مصرف قرار می‌گیرد.
برای تضمین کیفیت قطعات تولید شده از طریق فرآیند قالبگیری تزریقی باید به نکات زیرتوجه داشت:
- ماده پلیمری باید به دقت نرم و مذاب شده و سپس تزریق گردد تا از اثرات مخرب و منفی بر محصول کاسته شود.
- تنظیم پارامترهای فرایند (از قبیل فشار و دما) مربوط به دستگاه و قالب، بدون در نظر گرفتن زمان و فاصله باید ثابت باشد.
مزایای فرآیند قالبگیری تزریقی
- تعداد تولید بالا
- امکان قرار دادن قطعات فلزی و غیرفلزی در پلاستیک
- امکان تولید قطعات کوچک با فرم‌های پیچیده
- امکان استفاده بیش از یک نوع ماده پلاستیکی در قطعه
- عدم نیاز اغلب قطعات تولیدی به عملیات تكمیلی
- امكان استفاده مجدد از ضایعات پلاستیكی تولیدی
- امكان ساخت قطعات سازه‌ای از فوم به روش قالبگیری تزریقی واكنشی
- قابلیت اتوماسیون کامل فرآیند.
- معایب فرآیند قالبگیری تزریقی
- هزینه تولید بالا برای تولید قطعات با تیراژ کم.
- گران بودن ماشین‌های تزریق.
- رقابت زیاد در این عرصه.
- فرآیند پیچیده ساخت قالب و تولید محصول
۴- ترموفرمینگ (Thermoforming)
ترموفرمینگ یا شکل‌دهی حرارتی یکی از روش های پرکاربرد و قدیمی تولید قطعات پلاستیکی است که با استفاده از حرارت دادن به مواد پلیمری تولید می‌شوند. این روش یک روش شکل‌دهی است نه یک فرآیند قالبگیری.
فرآیند ترموفرمینگ همانگونه که مشخص است از دو بخش ترمو و فرمینگ تشکیل شده است. ترمو به معنی استفاده از حرارت برای نرم کردن ماده پلیمری اولیه و آماده‌سازی آن برای شکل‌دهی؛ فرمینگ به معنای شکل‌دهی به محصول با کمک نیروهای مختلف نظیر فشار، خلاء و حرارت است.
در طی این فرآیند، ماده اولیه پلیمری باید به صورت شیت یا ورق رولی شکل حرارت ببیند تا به دمای نقطه نرمی (Softening Point) برای تغییر شکل برسد، دمای این نقطه از نقطه ذوب ماده پلیمری کمتر است. سپس با اعمال فشار مثبت و یا منفی هوا، پلیمر به سمت دیواره قالب هدایت می‌شود. پس از شکل‌گیری، قطعه از قالب خارج شده و برای جدا کردن ضایعات آن، عملیات دوربری (Trimming) بر روی آن انجام می‌گیرد.
به دلیل انجام این فرآیند با بهترین کیفیت و دقت و همچنین استفاده نکردن از مواد اضافی در حین انجام فرآیند، استفاده از این روش نسبت به سایر روش‌ها به‌صرفه‌تر است. در واقع این روش همانند روش قالبگیری تزریقی برای میزان تولید انبوه، هزینه‌های تولید بسیار کمتری را نسبت به سایر روش‌های تولید مواد پلیمری دارد. از دیگر مزایای روش ترموفرمینگ هزینه کمتر خرید تجهیزات و ماشین‌آلات تولیدی آن است.
کاربرد روش ترموفرمینگ
از این روش برای تولید تجهیزات پزشکی از جمله محفظه دستگاه ام آر آی، بسته‌بندی مواد غذایی و دارویی، ساخت استخرهای بزرگ، استفاده به‌عنوان قالب‌های ۳ بعدی و شکل‌دهی پلیمرهای مختلف از قبیل PVC ،PP ،PS ،PE استفاده می‌شود.
مزایای فرآیند ترموفرمینگ
- قیمت کم تجهیزات جانبی
- قیمت پایین قالب دستگاه
- استفاده در تولید انواع مختلف قالب پلاستیک
- قطعات چند لایه
- گانت زمانی (Time Line) از طراحی تا نمونه اولیه کم
- مقرون به‌صرفه برای تولید در حجم کم
معایب فرآیند ترموفرمینگ
- هزینه بر بودن ورقه‌ها
- برش زدن بخش زائد قطعه (Trimming)
- هزینه بر بودن مواد زائد
- محدود بودن شکل ظاهری قطعه
- محدوده دمای مفید
۵- فرآیند قالبگیری چرخشی (Rotary molding)
قالبگیری چرخشی یکی از سریع‌ترین روش‌های شکل‌گیری پلاستیک‌هاست که در دما بالا و فشار پایین برای تولید محصولات توخالی با دیواره های نازک از آن استفاده می‌شود. در سال‌های اخیر این تکنیک نسبت به دیگر روش‌ها بیشتر مورد توجه قرار گرفته است.
بین این روش و روش‌های ترموفرمینگ، قالبگیری بادی و تزریقی رقابتی وجود دارد که با توجه به مزایای قالبگیری چرخشی، در نهایت این فرآیند بر تمامی روش‌های فوق ارجعیت دارد. گاهی اوقات این رقابت به جایی می‌رسد که برای ساخت برخی قطعات، تنها این روش قابل استفاده خواهد بود.
مابین روش قالبگیری چرخشی و روش‌های دیگر مانند قالبگیری بادی و تزریقی تفاوت‌های عمده وجود دارد که در زیر مشاهده می‌کنید:
- استفاده از پودر رزین به جای قرص
- ذوب رزین در قالب به جای اعمال فشار در قالب
- چرخش دو طرفه قالب
- ارزان بودن قالب‌های Rotomolding به دلیل سادگی
- ساخت قالب‌ها از مواد ارزان‌تر؛ به دلیل کم بودن فشار اعمالی
فرآیند قالبگیری چرخشی طی ۴ بخش صورت می‌گیرد:
۱- پرکردن قالب (Charging)
در این روش مقدار معینی از ماده پلیمری وارد قالب‌هایی با حرارت بالا شده که توسط دو صفحه در حال چرخش، تحت فشار قرار داده می‌شوند.
۲-حرارت‌دهی (Heating)
دراین بخش قالب دستگاه در دو جهت عمود برهم می‌چرخد. انتقال حرارت در داخل دستگاه موجب می‌شود تا ماده به نقطه ذوب خود برسد آنگاه ماده جریان یافته و محتوای قالب را پر می‌کند.
۳-سرد کردن (Cooling)
در این مرحله قالب در حال چرخش وارد بخش خنک‌کننده می‌شود. دیواره‌های قالب به‌وسیله جریان هوا یا آب سرد شده تا ماده‌ی پلیمر درون آن نیز سرد شود در این حال قطعه نهایی مورد نظر شکل می‌گیرد.
۴-تخلیه محصول (Demolding)
در این بخش دستگاه متوقف شده و محصول نهایی با باز کردن نیمه قالب از آن خارج می‌شود.
کاربردهای رایج این فرآیند
- تولید مخازن ذخیره‌سازی تجاری صنعتی، کشاورزی
- خودروسازی و داروسازی
- ظروف بسته‌بندی
- انواع عروسک‌ها با اشکال بزرگ و پیچیده
- اسباب‌بازی و تختخواب کودک
- انواع مانکن‌های پشت ویترین
مزایای قالبگیری چرخشی
- راه حلی عالی برای تولید قطعات پلاستیک تو خالی
- به‌صرفه بودن از لحاظ اقتصادی
- کمتر بودن هزینه‌های مربوط به تجهیزات و راه‌اندازی آن نسبت به روش قالبگیری دمشی
- قابلیت بالا در خارج نمودن قطعه از قالب
- کمتر بودن میزان ضایعات پلاستیک که در نتیجه آسیب کمتری به محیط زیست وارد می‌شود.
- زمان ساخت قالب نسبتاً کوتاه است.
- قابلیت تولید قطعات سه لایه و قطعات دو جداره با استحکام بالا
- مقاومت فیزیکی و شیمیایی بالا
- کوتاه‌تر شدن زمان چرخه تولید
- امکان تعویض سریع قالب در کوتاه‌ترین زمان
- استفاده مجدد از قطعات تولید شده پس از مصرف
- تحت فشار نبودن ماده در این روش
معایب قالبگیری چرخشی
- زمان تولید طولانی این فرآیند
- برای تولید تعداد زیاد قطعات کوچک‌تر مناسب نیست.
- در انتخاب مواد محدودیت داریم.
- هزینه مواد نسبتاً زیاد است.
- حالت فیزیکی مواد باید مایع و به صورت پودرهای ریز باشد.
گریدهای مواد مربوط به فرآیند اکستروژن
مواد پلیاتیلن EX3، پلیاتیلن CRP100، پلیاتیلن P80
مواد پلیاتیلن بادی: مواد پلیاتیلن 0035، مواد پلیاتیلن BL3
مواد پلیاتیلن تزریقی: پلیاتیلن 52518، پلیاتیلن 5030، پلیاتیلن HI500
انواع گریدهای پلیاتیلن
پلیاتیلن LLD209، پلیاتیلن 020، پلیاتیلن 0075، پلیاتیلن 7000F، پلیاتیلن 5110، پلیاتیلن 0190، پلیاتیلن 2102، پلیاتیلن EX5
انواع گریدهای پلی‌پروپیلن
PPZ30S ،PPC30S ،PP552R ،PP550J ،PPMR230 ،PPZR230 ،PP440L ،PP440G ،PPR40 ،PPR60 ،PPR200 ،PPRP340 ،PPRP345 ،PP510L
انواع مواد ABS
ABS SD0150 ،ABSN50 ،ABS10415 ،ABS10417
دیدگاهتان را بنویسید