فرآیند قالبگیری تزریقی به روش تولید محصولات نیمهتمام با شکلهای خاص از طریق عملیاتی مانند فشار دادن، تزریق، خنکسازی و بیرونزدن مواد خام مذاب اشاره دارد. این فرآیند منبع تولید محصولات شرکت بسته بندی لوازم آرایشی است. کیفیت این محصولات نیمه تمام، پایداری فرآیندهای بعدی و کیفیت محصول نهایی را تعیین میکند و آن را به یک روش کلیدی برای به حداکثر رساندن سود شرکت تبدیل میکند.
در طول سالها، متخصصان قالبگیری تزریقی بر چالشهای متعددی غلبه کردهاند، بهویژه در رسیدگی به عیوب رایج در محصولات با دیوارههای نازک یا ضخیم-مانند انقباض، خطوط جوش، علائم جریان، حبابهای هوا، نقاط براق و تاب خوردگی. به طور خلاصه، فرآیند قالب گیری تزریقی در درجه اول بر حل دو جنبه زیر تمرکز دارد:
I. جریان فرآیند
جریان فرآیند شامل چهار مرحله است: پر کردن، بستهبندی، خنکسازی (پلاستیکسازی) و تخلیه. این مراحل به طور مستقیم کیفیت قالب گیری محصول را تعیین می کند و یک فرآیند کامل و مستمر را تشکیل می دهد.
(1) مرحله پر کردن
پر کردن اولین مرحله در کل چرخه قالب گیری تزریقی است. زمانی که قالب بسته میشود و تزریق شروع میشود، شروع میشود و زمانی پایان مییابد که تقریباً 95 درصد از حفره قالب پر شود. از نظر تئوری، زمان پر شدن کوتاهتر منجر به راندمان قالبگیری بالاتر میشود. با این حال، در عمل، زمان قالبگیری یا سرعت تزریق توسط بسیاری از شرایط محدود میشود، که بهویژه در محصولات دیواره{4} ضخیم مشهود است.
پر کردن سریع-در هنگام پر کردن با سرعت بالا، سرعت برش بالا است. به دلیل تأثیرات برشی{2}} نازک شدن، ویسکوزیته پلاستیک کاهش مییابد و مقاومت کلی جریان کاهش مییابد. گرمایش چسبناک موضعی نیز لایه جامد شده را نازک می کند. بنابراین، در مرحله کنترل جریان، روش پر کردن اغلب به حجمی که باید پر شود بستگی دارد. در این مرحله، اثر برشی{6}} نازک شدن مذاب معمولاً قابل توجه است، در حالی که اثر خنک کنندگی دیواره های نازک کمتر قابل توجه است. بنابراین، اثر سرعت غالب است و این روش را برای محصولات دیوار نازک- مناسب میسازد.
سرعت کم-پر کردن:در پرکردن با سرعت کم با هدایت حرارتی-کنترل شده-، نرخ برش کمتر، ویسکوزیته موضعی بالاتر و مقاومت جریان بیشتر است. از آنجایی که سرعت دوباره پر کردن پلاستیک داغ کندتر است، جریان تدریجی تر است و باعث می شود اثر هدایت گرما بارزتر شود. گرما به سرعت توسط دیواره های قالب سرد منتقل می شود. همراه با حداقل حرارت ویسکوز، لایه جامد ضخیم تر می شود و مقاومت جریان را در مناطق نازک تر دیوار افزایش می دهد. بنابراین، این روش پر کردن برای محصولات دیواره{6} ضخیم مناسب است، و همچنین میتواند در زمانی که دمای قالب نسبتاً بالا است، استفاده شود.
(2) مرحله بسته بندی
نقش مرحله بسته بندی اعمال فشار مداوم برای فشرده سازی مذاب و افزایش چگالی پلاستیک، جبران رفتار انقباض پلاستیک است.
در طول بسته بندی، از آنجایی که حفره قالب از قبل با پلاستیک پر شده است، فشار برگشتی از مذاب بالا است. در طول فشرده سازی بسته بندی، پیچ ماشین تزریق فقط می تواند به آرامی در مراحل کوچک به جلو حرکت کند و سرعت جریان پلاستیک نیز نسبتاً کند است. این جریان به عنوان جریان بسته بندی نامیده می شود. در مرحله بسته بندی، با سرد شدن و سفت شدن پلاستیک سریعتر در برابر دیواره های قالب، ویسکوزیته مذاب به سرعت افزایش می یابد و در نتیجه مقاومت قابل توجهی در داخل حفره قالب ایجاد می شود. در مراحل بعدی بسته بندی، تراکم مواد همچنان افزایش می یابد و قسمت پلاستیکی به تدریج شکل می گیرد. حالت بسته بندی باید تا زمانی که دروازه جامد و آب بندی شود حفظ شود. در این مرحله، فشار حفره در مرحله بسته بندی به بالاترین مقدار خود می رسد.
در حین بسته بندی، به دلیل فشار نسبتاً بالا، پلاستیک ویژگی های تراکم پذیری را از خود نشان می دهد. در مناطق با فشار بالاتر، پلاستیک فشرده تر و متراکم تر است. در مناطقی که فشار کمتری دارند، پلاستیک شل تر و چگال تر است. بنابراین، توزیع چگالی با مکان و زمان متفاوت است. در طول بسته بندی، سرعت جریان پلاستیک بسیار کم است و جریان دیگر نقش غالب را بازی نمی کند. فشار عامل اصلی موثر بر فرآیند بسته بندی است. از آنجایی که حفره قالب در حین بسته بندی با پلاستیک پر شده است، مذاب انجماد تدریجی به عنوان واسطه ای برای انتقال فشار عمل می کند. فشار در حفره قالب از طریق پلاستیک به سطح دیواره قالب منتقل می شود که می تواند به بهبود براقیت سطح محصول کمک کند.
(3) مرحله خنک کننده (پلاستیک کردن)
در قالب های تزریق، طراحی سیستم خنک کننده بسیار مهم است. این به این دلیل است که محصول پلاستیکی قالبگیری شده باید دارای مولکولهای پلاستیکی آن تا حد خاصی متبلور و جامد شود تا از تغییر شکل ناشی از نیروهای خارجی در حین پرتاب جلوگیری شود. از آنجایی که زمان خنکسازی 70 تا 80 درصد کل چرخه قالبگیری را تشکیل میدهد، یک سیستم خنککننده خوب طراحیشده میتواند زمان قالبگیری را به میزان قابل توجهی کوتاه کند و بهرهوری قالبگیری تزریقی را بهبود بخشد.
در قالب، گرما از پلاستیک موجود در حفره از طریق رسانش گرما از طریق قاب قالب به کانالهای آب خنککننده منتقل میشود و سپس با انتقال حرارت از طریق سیال خنککننده خارج میشود. مقدار کمی از گرما که توسط آب خنک کننده منتقل نمی شود، به هدایت درون قالب ادامه می دهد و در نهایت در تماس با محیط خارجی در هوا پخش می شود.
چرخه قالب گیری تزریقی شامل زمان بسته شدن قالب، زمان پر شدن، زمان بسته بندی، زمان خنک شدن (زمان دمای ذوب زیر) و زمان تخلیه است. در این میان، زمان خنکسازی با 70 تا 80 درصد بیشترین سهم را به خود اختصاص میدهد. بنابراین، زمان خنکسازی مستقیماً بر طول چرخه قالبگیری محصول پلاستیکی و خروجی تولید تأثیر میگذارد.
عوامل موثر بر سرعت خنک شدن محصول عبارتند از:
طراحی محصول پلاستیکی
ضخامت دیواره محصول پلاستیکی؛ دیوارهای ضخیم تر منجر به زمان خنک شدن طولانی تر می شود.
عوامل موثر بر خنک شدن قالب:
مواد قالب:از جمله مواد هسته قالب، حفره و پایه قالب، که تا حد زیادی بر سرعت خنک شدن تأثیر می گذارد. هرچه رسانایی حرارتی مواد قالب بیشتر باشد، در انتقال گرما از پلاستیک در واحد زمان موثرتر است و در نتیجه زمان خنکسازی کوتاهتر میشود.
پیکربندی کانال آب خنک کننده:هر چه کانال های خنک کننده به حفره نزدیکتر باشند، قطر آنها بیشتر و تعداد آنها بیشتر می شود، اثر خنک کننده بهتر و زمان خنک شدن کوتاهتر می شود.
نرخ جریان خنک کننده:سرعت جریان خنک کننده بالاتر (به طور کلی دستیابی به جریان آشفته ایده آل است) حذف گرما را از طریق همرفت گرما بهبود می بخشد.
خواص خنک کننده:ویسکوزیته و هدایت حرارتی مایع خنک کننده نیز بر راندمان انتقال حرارت قالب تأثیر می گذارد. ویسکوزیته خنک کننده کمتر، هدایت حرارتی بالاتر و دمای پایین تر منجر به عملکرد خنک کننده بهتر می شود.
خنکسازی قالب میتواند از اجزای چاپشده-فلز- سه بعدی برای ایجاد ساختارهای پیچیده کانال خنککننده سه بعدی- برای دستیابی به اثرات خنککننده بهتر استفاده کند.
(4) مرحله جهش
جهش آخرین مرحله در چرخه قالب گیری تزریقی است. اگرچه محصول جامد شده و شکل گرفته است، اما جهش هنوز به طور قابل توجهی بر کیفیت محصول تأثیر می گذارد. روش های نادرست پرتاب می تواند باعث ایجاد نقص هایی مانند تغییر شکل محصول به دلیل نیروی ناهموار در حین پرتاب شود.
روش های اصلی جهش عبارتند از: جهش پین اجکتور و جهش صفحه استریپر. هنگام طراحی قالب، روش تخلیه مناسب باید بر اساس ویژگی های ساختاری محصول انتخاب شود تا کیفیت محصول تضمین شود.
برای قالبهایی که از جهش پین اجکتوری استفاده میکنند، پینها باید تا حد امکان به طور یکنواخت چیده شوند و در جایی قرار بگیرند که مقاومت بیرونکشی بیشتر باشد و قسمت پلاستیکی حداکثر استحکام و سفتی را داشته باشد تا از تغییر شکل یا آسیب جلوگیری شود.
صفحات استریپر معمولاً برای محفظههای حفرهای عمیق، دیوارههای نازک{{1} و محصولات شفاف که در آن علامتهای پین اجکتور مجاز نیستند، استفاده میشود. این روش دارای نیروی پرتابی بزرگ و یکنواخت، حرکت صاف و بدون علامت قابل مشاهده است.
II. پارامترهای فرآیند
پنج عنصر کلیدی قالب گیری تزریقی عبارتند از: فشار، زمان، سرعت، دما و اندازه شات.
(1) فشار تزریق
فشار تزریق، فشار سیلندر هیدرولیک است که از طریق پیچ ماشین تزریق به مذاب پلاستیک منتقل می شود. مذاب پلاستیک که توسط این فشار هدایت می شود، از طریق نازل دستگاه تزریق وارد قالب می شود، از اسپرو و رانر عبور می کند و وارد حفره قالب می شود. این فرآیند مرحله پر کردن تزریق است. فشار برای غلبه بر مقاومت در طول جریان مذاب وجود دارد و اطمینان حاصل می کند که فرآیند پر کردن به آرامی پیش می رود.
در حین تزریق، فشار در نازل دستگاه تزریق بالاترین و در قسمت جلوی مذاب کمترین است. فشار به تدریج در طول مسیر از جلو مذاب به سمت نازل کاهش می یابد.
عوامل زیادی بر فشار پر شدن مذاب تأثیر می گذارند:
الف. عوامل مادی، مانند نوع و ویسکوزیته پلاستیک.
ب. عوامل ساختاری، مانند سیستم های دونده سرد/گرم، تعداد و مکان آنها، شکل حفره قالب و ضخامت دیواره محصول.
ج. عناصر پارامتر فرآیند.
این نشان میدهد که فشار تزریق نباید در قالبگیری محصول با دیواره نازک-نقش غالب داشته باشد، اما در قالبگیری تزریقی محصول با دیواره ضخیم- بسیار مهم است. همچنین می تواند نقش تعیین کننده ای در رفع عیوب محصول مانند انقباض، خطوط جوش و حباب های هوا داشته باشد. تنظیم معقول فشار بستگی به هماهنگی سرعت پر کردن و زمان دارد. در طول تزریق، تنظیم فشار بسته بندی نیز بسیار حیاتی است. در نزدیکی پایان تزریق، نازل دستگاه به تغذیه مواد به داخل حفره ادامه می دهد تا حجم باقی مانده از انقباض محصول را پر کند. اگر پس از پر شدن حفره فشاری اعمال نشود، محصول تقریباً 25٪ کوچک میشود، بهخصوص در نواحی دیوارههای ضخیم، جایی که انقباض بیش از حد میتواند علائم فرورفتگی ایجاد کند. فشار بسته بندی به طور کلی حدود 85٪ از حداکثر فشار پر کردن است، اگرچه این باید بر اساس شرایط واقعی تعیین شود.
(2) زمان تزریق
زمان تزریق که در اینجا به آن اشاره می شود، زمان مورد نیاز برای مذاب پلاستیک برای پر کردن حفره، برای پلاستیک شدن مذاب و برای خنک شدن است. این شامل زمان های کمکی مانند باز و بسته شدن قالب نمی شود. اینکه آیا این زمان به طور معقولی تنظیم شده باشد به شدت بر کیفیت محصول تأثیر می گذارد. اگرچه زمان تزریق بیشترین نسبت چرخه قالب گیری را تشکیل نمی دهد، تنظیم زمان تزریق نقش مهمی در کنترل فشار در دروازه، دونده و حفره ایفا می کند. زمان تزریق معقول، پر شدن مذاب ایده آل را تسهیل می کند و برای بهبود کیفیت سطح محصول و کاهش تحمل ابعادی تعیین کننده است. زمان تزریق بسیار کوتاهتر از زمان خنکسازی است، تقریباً 1/10 زمان خنکسازی. این نسبت با دیواره های ضخیم تر محصول افزایش می یابد. این الگو می تواند به عنوان مبنایی برای تخمین کل زمان قالب گیری یک قطعه پلاستیکی باشد.
(3) سرعت تزریق
رابطه نزدیک بین سرعت تزریق و کیفیت محصول، آن را به یک پارامتر کلیدی در قالب گیری تزریقی تبدیل می کند. با تعیین نقاط شروع، وسط و پایان قطعات سرعت پر کردن و دستیابی به انتقال صاف بین نقاط تنظیم، سرعت سطح مذاب پایدار را می توان تضمین کرد. این امر جهت گیری مولکولی مورد نظر را ایجاد می کند و استرس داخلی را به حداقل می رساند. بنابراین، هنگام تنظیم پارامترهای سرعت در هنگام اشکال زدایی فرآیند محصول، رویکرد زیر توصیه می شود:
سرعت سطح سیال باید ثابت باشد.
برای جلوگیری از تبلور مذاب باید از تزریق سریع استفاده شود.
تنظیمات سرعت تزریق باید نواحی حیاتی (مثلاً دونده ها) را در نظر بگیرند، در حالی که سرعت را در دروازه کاهش می دهند در حالی که جاهای دیگر به سرعت پر می شوند.
سرعت تزریق باید بلافاصله پس از پر شدن حفره متوقف شود تا از بسته شدن بیش از-، فلاش و استرس باقیمانده جلوگیری شود.
بر اساس ساختار محصول، همراه با درجه واقعی تبلور، پارامترهای سرعت تزریق بالا و پایین را برای مناطقی با دیواره های نازک/ضخیم و جاهایی که جهت جریان مذاب تغییر می کند، تنظیم کنید.
هماهنگی نزدیک با سایر عناصر شرایط قالب گیری بسیار مهم است.
(4) دمای تزریق
دمای تزریق یک عامل مهم در فشار و سرعت تزریق است. بشکه های دستگاه تزریق به طور کلی دارای 5-6 ناحیه گرمایشی هستند. هر ماده خام دمای پردازش مناسب خود را دارد. علاوه بر پارامترهای دما که از طریق تجربه عملی تسلط یافته اند، تنظیمات همچنین می تواند بر اساس داده های ارائه شده توسط تامین کنندگان مواد خام در ترکیب با شرایط واقعی ماشین باشد.
دمای تزریق باید در محدوده خاصی کنترل شود. اگر دما خیلی پایین باشد، مذاب بد پلاستیک میشود و بر کیفیت قطعه قالبگیری شده تأثیر میگذارد و دشواری فرآیند را افزایش میدهد. اگر دما بیش از حد بالا باشد، ماده خام مستعد تجزیه است. در قالب گیری تزریقی واقعی، دمای مذاب اغلب بالاتر از دمای بشکه است. تفاوت به سرعت تزریق و خواص مواد بستگی دارد. این به دلیل گرمای زیاد ایجاد شده توسط برش هنگام عبور مذاب از نازل تزریق ایجاد می شود.
(5) اندازه شات
در قالبگیری تزریقی، اندازه شات مناسب بر تنظیم سایر عناصر پارامتر فرآیند حاکم است. در حین رفع اشکال فرآیند محصول، بالشتک مذاب (اندازه شات باقیمانده) باید طوری تنظیم شود که پس از پر شدن محصول، موقعیت پیچ یک بالشتک در حدود 15-20 میلی متر باقی بماند. اگر خیلی نزدیک به صفر باشد، نوک حلقه چک پیچ خیلی سریع فرسوده می شود و ثبات ابعادی محصول را نمی توان تضمین کرد. اگر بالشتک خیلی بزرگ باشد، ماندن بیش از حد مذاب باقیمانده در بشکه برای مدت طولانی می تواند باعث تغییر رنگ در شات بعدی شود و احتمال تولید گاز به دلیل تجزیه مذاب از زمان ماند طولانی مدت را افزایش دهد.
در طول پلاستیک سازی، فشار برگشتی مستقیماً بر اندازه شات تأثیر می گذارد. فشار برگشتی به فشاری اطلاق می شود که هنگام جمع شدن پیچ در حین آماده سازی مذاب باید بر آن غلبه کرد. استفاده از فشار برگشتی بالا برای پراکندگی رنگ و ذوب پلاستیک مفید است و چگالی مذاب در بشکه را افزایش می دهد. با این حال، زمان جمع شدن پیچ را نیز طولانی می کند (اگر از زمان خنک شدن بیشتر شود، چرخه تزریق محصول را افزایش می دهد). اگر سرعت چرخش پیچ افزایش یابد، پیچ می تواند هوا را از شکاف های بین گلوله های پلاستیکی فشرده شده به مذاب داخل بشکه، که سپس به داخل حفره قالب تزریق می شود، به دام بیندازد. برای محصولات ضخیمتر، این به ترتیب احتمال تشکیل حبابهای هوا را در داخل دیوارها افزایش میدهد و به بار قدرت دستگاه تزریق میافزاید. بنابراین، هنگام پلاستیک سازی مواد معمولی، فشار برگشتی باید کمتر باشد، معمولاً از 20٪ فشار تزریق تجاوز نمی کند، و آب دهان ذوب کمی در نازل ایده آل است.
به طور خلاصه، برای بهبود فناوری قالب گیری تزریقی، ابتدا باید اصول و فرآیند قالب گیری تزریقی را درک کرد. ثانیاً، باید پنج عنصر کلیدی-فشار، زمان، سرعت، دما، و اندازه شات- را در حین اشکالزدایی به طرز ماهرانهای هماهنگ کرد. تنها در این صورت است که این عناصر می توانند یکدیگر را در فرآیند تکمیل کنند و به پارامترهای فرآیند بهینه برای محصول منجر شوند.