سیلندر و مارپیچ – طراحی مارپيچ در قالب گیری تزریقی

Posted by roueen in اکسترودر تک مارپیچ on June 19, 2015 with Comments Off on سیلندر و مارپیچ – طراحی مارپيچ در قالب گیری تزریقی

سیلندر و مارپیچ – طراحی مارپيچ 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 توليد در اکستروژن در مدل آمريكائي به صورت pph/rpm و در تزریق به صورت oz/sec تعریف می شود. البته تفاوت اولیه این دو فرآیند این است که فرايند اکستروژن پیوسته و فرايند تزریق به صورت آغاز-ايست است. از آنجائی‌که فرايند 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 سيلندر در قالب گیری تزریقی معمولا هنگامی مورد توجه قرار می‌گیرد که بين قطعات تفاوت‌هاي فاحشي مشاهده شود مثل پديداري رگه‌های رنگ یا عدم اختلاط مشهود، زمان‌های بازگشت که باعث افزایش زمان چرخه توليد می‌شوند، دماهای مذاب که یا كم 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 افشانك تزريق و یا پليسه دادن می‌شوند. دلایل این فقدان مشاهده‌ی کیفیت مناسب ماده فرآیند شده دو علت است:
اول: بیشتر قطعاتی که قالب‌گیری مي‌شوند 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 توليد 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 نيز 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 گرانروي 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 كم‌تر
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 زياد 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 نيازمند محل گازگيري 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 گازگير ولي با خشک‌کن می‌شوند. استفاده از یک سامانه‌ی گازگير 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 گازگيري مناسب است. جریان در ناحيه‌ي گازگيري در یک سامانه‌ی با طراحی مناسب وجود ندارد. فناوری برای بکار بردن سامانه‌های گازگيردار 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 يابد. مشکلی که عمیق بودن ناحیه پيمايش يا پمپش (Metering) ایجاد می‌کند این است که به ذرات ذوب شده اجازه ورود به ناحیه پيمايش 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 داي را بالا می‌برند، در هنگامی‌که محدودیتی (افزايش فشار) اعمال شود، سرعت جریان کاهش خواهد یافت و دمای مذاب افزایش می‌یابد. هم‌چنین پایداری فشار نیز ممکن است کاهش یابد. فشار پشت داي معمولا استفاده مي‌شود و همیشه یک جای‌گزین ضعيف برای طراحی نامناسب مارپیچ است. برای کاهش سرعت جریان در برابر فشار پشت داي با یک طرح مارپیچ کلی، ممکن است فرض شود که کانال‌های جریان انتهایي 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 گرانروي 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 گرانروي بسپار را ممكن می‌سازد. این مسئله درست نیست. یک اختلاط با طراحی مناسب یا یک مارپیچ سدگر دارای محدوده‌های کارایی بسیار وسيع‌تري است که ناشی از توانایی آن برای پخش کلوخه‌هایی است که به ناحیه پيمايش وارد می‌شوند. طراحی‌های نوین مارپیچ اختلاط مناسب و پخش رنگدانه را بدون کاهش سرعت و البته بدون افزایش فشار پشت داي فراهم می‌سازد. فراوانی بخش های اختلاط در صنعت تزریق در سال‌های اخیر ثابت می‌کند که عملا هر بخشي که در انتهاي قسمت پيمايش (metering) قرار گرفته باشد یک طراحی بی‌هدف را بهبود خواهد بخشید که البته به معنی بودن يكسان بودن همه‌ي بخش‌هاي 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 كم 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 پيمايش طولانی‌تر منجر به سرعت خروجی بهتر با همان فشار پشت داي می‌شود. از آنجایی‌که فشار پشت داي کاهش می‌یابد بازدهی بهبود می‌یابد. طراحی‌های بدون هدف در بسیاری از موارد قادر به کار در فشارهای پشت داي كم نیستند چرا که اختلاط رنگ ناکافی یا کیفیت ماده خروجی پایین است. این مثال تنها ناحیه پيمايش را توصیف می‌کند. که وظیفه این بخش ايجاد فشار است. اگر این ناحیه قادر به ايجاد فشار مورد نیاز نباشد، نیاز به ايجاد فشار به بالا دست جریان منتقل شود که باعث کاهش توانایی ايجاد فشار بالا دست و در این صورت کاهش سرعت ذوب شدن می‌شود.

3- بازخوانی گشتاور:

در صنعت اکستروژن در واقع همه ماشین‌ها با یک آمپرسنج تجهیز شده‌اند که به طور مستقیم گشتاور را نشان می‌دهد. اگر کاربر قصد پیدا کردن تنظیمات بهینه گرم کن سیلندر را داشته باشد، خواندن گشتاور ارزشمند است چرا که کاربر بوسیله آن تلاش می‌کند تا نقطه اوج در منحنی ضریب اصطکاک را بدست آورد . در هر دو طرف نقطه ی اوج ضریب اصطکاک کاهش خواهد یافت و متعاقب آن توانایی مارپیچ برای توسعه و انتقال فشار نیز کمتر خواهد شد. افزایش ضریب اصطکاک، گشتاور و بازدهی مارپیچ (pph/rpm) را افزایش خواهد داد که منجر به کار کردن با دماهای کمتری از مذاب نیز خواهد شد. برای مشخص کردن نقطه‌ي اوج این منحنی، یک روال دمایی متعلق به تولید کننده را باید انتخاب کرد ، سپس به ماشین اجازه داد تا در دماهای واقعی و بدون سرد کردن کار کند، در این حالت باید دماهای نواحی را 5 درجه کمتر از دماهای واقعی در نظر گرفت. افزایش درجه نشان دهنده تغییر آمپراژ یا فشار است. اگر آمپراژ یا فشار افزایش پیدا کرد این عمل را ادامه دهید و اگر کاهش یافت این عمل را متوقف و دماها را در حال خواندن آمپراژ یا فشار افزایش دهید. با کاهش آمپراژ یا فشار باید توقف کرد و تنظیماتی را انتخاب کرد که منجر به بالاترین فشار یا آمپراژ می شود. در قالب‌گیری تزریقی، گشتاور را می‌توان و می‌بایست از طریق فشار هیدرولیکی اعمالي روی مارپیچبررسی کرد. با در دسترس داشتن باز خوانی صحیحی از گشتاور، امکان تعیین کارایی مشابه با صنعت اکستروژن به کاربر داده می شود. لازم به ذکر است که انرژی استفاده شده توسط موتور محرك مارپيچ حداقل 70 درصد کل انرژی است که توسط یک ماشین قالب‌گیری تزریقی استفاده می‌شود بنابراین انتخاب مارپیچی با کارایی مناسب باعث صرفه جویی قابل توجهی در فرآیند قالب‌گیری تزریقی می شود.

4- بازخوانی فشار:

در اکستروژن، فشار داي با دقت خوبی توسط یک انتقال دهنده فشار در پایین دست جریان، پايش می‌شود. در فرآیند قالب‌گیری تزریقی بازخوانی شامل فشار پشت دای است، این همان فشار هیدرولیکی است که در سیلندر تزریق خوانده می شود. نسبت سیلندر تزریق یا سیلندرها به قطر داخلی پوسته اکسترودر معمولا 10 به 1 است. بنابراین دقت در این حالت 10 برابر کمتر از انتقال دهنده‌ای است که در پایین دست جریان (مثل فرآیند اکستروژن) قرار دارد. معمولا نوسانات بازخوانی فشار پشت دای در قالب گیری تزریقی در دسترس نیست. در بعضی از سامانه‌های تزریق دقت قربانی می‌شود، زیرا به دلیل اندازه‌ی نامناسب، شیرهای يك‌طرفه در فشارهای پایین به خوبی عمل کنترل را انجام نمی‌دهند. نوسانات فشار در فرآیند اکستروژن یکی از متغیرهای طبیعی در مارپیچ است که بازخوانی آن نیز انجام می‌شود. این نوسانات کارایی مارپیچ و هم‌چنین کیفیت و نوسانات محصول نهایی را تعیین می‌کنند. در قالب گیری تزریقی، بازخوانی دقیق فشار در مرحله بازگشت امکان تعیین کارایی مارپیچ را می‌دهد. در تزریق معمولا زمان بازگشت نسبت به دیگر متغییرهای ماشین تغییر بیشتری می‌کند. زمان بازگشت و تغییرات زمان بازگشت معمولا تنها نشانه‌ی موجود برای بررسی کارایی مارپیچ در ماشین‌های تزریق است. تقریبا در همه‌ی شركت‌های تولید ماشین‌های تزریق، زمان‌های آسودگی (که باعث افزایش زمان‌های چرخه‌ي توليد می‌شوند) در نظر گرفته نمی‌شوند. با طراحی مناسب مارپیچ ، می‌توان محدودیت‌های زمان آسودگی را حذف کرد و کیفیت محصول را بهبود داد. بعضی از تولید کننده‌های ماشین های تزریق با افزایش rpm زمان‌های آسودگی را کاهش داده‌اند که در صورت عدم طراحی مناسب مارپیچ می‌تواند منجر به حرارت برشی بالا و کیفیت پایین محصول شود. اما بر عکس، در بسپارهای مهندسی دما بالا با طراحی مناسب مارپیچ ، rpm بالا می‌تواند یک مزیت محسوب شود.

5- بازخوانی دما:

در فرآیند اکستروژن دمای مذاب را در پایین دست مارپیچ بدست می‌آورند. محل مناسب برای بدست آوردن دما در انتهای خروجی رابط است (شکل 2) که صحیح‌ترین حالت برای ترموکوپل حالت فرورفته در خط مرکزی جریان مذاب است (شکل 3). حالت مناسب دیگر حالت تماس محدود است (معمولا یک چهارم اینچ). با دوام‌ترین نوع نیز یک نوع سطحی است که البته کمترین میزان صحت را دارد. تغییرات دما به راحتی از طریق بازخوانی دیجیتالی قابل مشاهده و یا قابل ثبت روی ماشین‌های مجهز به ریزپردازنده است. در قالب‌گیری تزریقی، بازخوانی دمای ماده‌ی خروجی از اکسترودر معمولا امکان‌پذیر نیست. صحت در بازخوانی دما در اکسترودرها راحت‌تر از ماشین‌های قالب‌گیری تزریقی بدست می‌آید. اگر قصد بررسی دما در ماشین‌های قالب گیری تزریقی به مانند اکسترودرها را داشته باشیم، می‌بایست خروجی مارپیچ را بهنگام به عقب رفتن آن پايش کرد که بدیهی است این کار بسیار مشکلی است. با این حال این نوع از پايش، به خوبی تغییرات دما را در حین بازگشت توصیف نمی‌کند و فقط یک معیار خوب از دمای ماده ی اکسترود شده در حین تزریق است. حداقل فایده این حالت بدست آوردن نقطه ی مناسبی است که کاربر یا مهندس فرآیند می‌تواند داده ها آن را ثبت کرده و به آن ارجاع کند و در صورت ایجاد تغییرات بزرگ یا دماهای اضافی مخرب برای بسپار، آن را بهبود دهد. در حال حاضر برای قطعات قالب گیری شده تعیین دماهای ماده اکسترود شده بدون وقفه در چرخه ماشین غیر ممکن است.

نتیجه گیری:
کنترل کیفیت محصول در اکستروژن به صورت درون خطی قابل اندازه گیری است و با یک هزارم اینچ یا بهتر قابل بررسی است. درقالب‌گیری تزریقی با اینکه اندازه‌گیری دشوار‌تر است اما غیر ممکن نیست. ماشین های قالب‌گیری تزریقی جدید با ریز پردازنده‌هایی مجهز شده اند که کارکرد ماشین را کنترل و نمایش می‌دهند. بسیاری از این ماشین‌ها دارای کنترل فرآیند آماری (SPC) هستند که در صورت استفاده‌ی صحیح بسیار مفید هستند. همانطور که پیش تر شرح داده شد، در ماشین های قالب گیری تزریقی مشخصه های ضروری برای کنترل ماده ی اکسترود شده و کارایی مارپیچ در حال فراموش شدن هستند. بازخوانی‌های دقیق گشتاور مارپیچ، فشار و دمای مذاب در صنعت اکستروژن به عنوان موارد ضروری در نظر گرفته شده‌اند و استاندارد سازی نیز در مورد آنها صورت گرفته است که در مورد ماشین‌های قالب‌گیری تزریقی نیز این موارد باید در نظر گرفته شوند. بطور کلی واحد تزریق فراموش شده و فناوری فرآیند در آن در نظر گرفته نمی‌شود. فناوری مورد استفاده موجود، از دهه 1950 استفاده می شود. در دهه های 1950، 60و70 فناوری فرآیند در صنعت اکستروژن تغییرات اساسی کرده است. نیروی محرکه این تحولات ظهور تجهیزات اندازه گیری و پايش بود که می‌توانستند کیفیت محصول را به دقت نشان دهند. این تحولات با پدیدار شدن بسپارهای جدید همراه شد که این بسپارها نیاز به فناوری‌های جدیدتری از فرآیند داشتند. بدین ترتیب این فرآیند تکامل پیدا کرد و امروزه در دسترس است.
همین نوع از تحول در صنعت قالب‌گیری تزریقی نیز رخ خواهد داد. که البته با تاخیر در حال انجام شدن است و تغییراتی از قبیل طراحی‌های نوین ناحيه‌ي اختلاط و حتی نسبت طول به قطرهای طولانی‌تر در حال توسعه و اجرا هستند. مشکل اینجاست که در بسیاری از موارد صنعت قالب گیری تزریقی سعی در دوباره کاری در زمینه اختراع دارد. طراحی‌های اختلاط که قادر به بهبود کیفیت و نحوه‌ي بازگشت هستند با طراحی ضعیفی از مارپیچ همراه شده‌اند. طراحی‌های سدگردار با نسبت طول به قطرهایی همراه شده‌اند که قادر به فراهم کردن کارایی بالا و بهبود اختلاط نیستند. صنعت قالب‌گیری تزریقی به جای دوباره‌کاری در زمینه نوآوری بهتر است که تا نوآوری‌های صنعت اکستروژن را بررسی کرده و این فناوري‌ها را بکار بندند. لازمه‌های دو فرآیند اکستروژن و قالب‌گیری تزریقی بسیار شبیه هستند. هزینه‌های صرف شده برای نسبت‌های طول به قطر بالاتر برای مارپیچ، مشاهده و پايش بهتر و طراحی‌های پیشرفته‌تر مارپیچ در مقایسه با مزایای آن بسیار ناچیز است و با کاهش مصرف بسپار و ایجاد میزان کمتری از ضایعات قابل توجیه است. اگر واحد تزریق ماده اکسترود شده را با کیفیت، گرانروی و سرعت مناسب و کنترل مناسبی تولید کند، بسیاری از نقص‌ها در این زمینه قابل اجتناب هستند. علاوه بر آن تکرارپذیری برای هر مرتبه از تزریق باید فراهم شود. هنگامی‌که این دو لازمه اساسی به میزان کافی توسط واحد تزریق مورد توجه قرار گیرند، میزان ضایعات و نقص‌ها به طور چشمگیری کاهش خواهند یافت. تحول در فرآیند قالب‌گیری تزریقی باعث بالا رفتن سطح صنعت و رسیدن به جایگاه بسیار بالاتر خواهد شد. اگر ما قادر به حذف نوسانات از واحد تزریق باشیم و کیفیت مناسبی از ماده اکسترود شده را فراهم کرده و امکان افزایش زمان‌های بازگشت و زمان چرخه را حذف کنیم، آنگاه به طور واقع‌گرایانه‌تری می‌توانیم به طراحی قالب برای بهبود جریان پرداخته و مشکلات مربوط به کیفیت محصول ناشی از طراحی‌های ضعیف قالب را حذف کنیم.