تولید مواد پلیمری
در ابتدا بد نیست که تفاوت مفاهیم کلمات پلاستيك و پليمر را که معمولاً از آنها به يك معني استفاده ميشوند، بررسی کنیم. در دیدگاه علمی از پلاستيك به عنوان قطعات نهايي تولید شده و از پليمر به عنوان مواد خام اوليه یاد مي شود. پلاستيك ها به مانند فلزات استفاده هاي گسترده اي دارند.پلیمرها دستهاي از مواد مصنوعي را شامل مي شوند كه ميتوان آنها را با اعمال فشار و حرارت، قالبگيري و يا شكلدهي كرد. اين مواد وقتي در معرض حرارت كافي قرار گيرند نرم مي شوند و اعمال فشار بر آنها باعث جريان يافتن آنها مي شود در نتیجه مي توان آنها را شكل دهي كرد.
به طور کلی روش های شکلدهی پلیمر ها به عوامل زیر بستگی دارد :
نوع رزین پلیمری
شکل هندسی محصول نهایی
میزان حجم تولید
استحکام مورد نیاز
روش هایی که بیشتر برای تولید مواد پلیمری استفاده می شوند عبارتند از :
اکستروژن
قالب گیری بادی (دمشی)
قالب گیری تزریقی
قالب گیری چرخشی
ترمو فرمینگ
در تمام روش های تولید پلیمر، ماده ابتدا باید حرارت داده شود تا به دمای نرم شدن (ذوب) برسد در این وضعیت ماده برای شکل پذیری مناسب آماده است. شناخت رفتار هر نوع ماده پلاستیکی در دماهای بالا از نکات مهمی است که به عنوان مثال شاخص مذاب ( MFI ) یا سرعت جریان مذاب، معمول ترین روش بررسی رفتار این مواد است.
1–اکستروژن
اکستروژن یک فرآیند کاربردی انعطاف پذیر برای شکلدهی مواد پلیمریست که نیروی لازم برای این کار به صورت هیدرولیکی یا مکانیکی تأمین میشود. به طور 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 روش های شکل دهی روشی نسبتاً جدید و کاربردی تر است. در اکستروژن گرانول یا پودر پلاستیک، مستربچ و سایر افزودنی ها با هم مخلوط شده و وارد قیف دستگاه اکسترودر میشوند، سپس این آمیزه در دستگاه اکسترودر بر اساس حرارت و تنش های 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 مثال های ساده و روزمره معرفی کنیم می توان آن را با خروج خمیر دندان از تیوب و یا خروج خامه شیرینی به هنگام فشردن کیسه مخصوص تزیین کیک و شیرینی شبیه دانست.
مزایا فرآیند اکستروژن
سهولت در اجرای فرایند
قابلیت کنترل و خنک سازی 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 ناخالصی های سطحی شمش به داخل محصول به دلیل عدم وجود اصطکاک
امکان تولید قطعات نازک تر
2- قالبگیری بادی
قالب گیری 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 به کار میرود. در این فرآیند ماده پلیمری (که معمولا 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 درآید.
فرآیند های قالب گیری بادی (دمشی) به 3 صورت زیر انجام میگیرند:
قالب گیری بادی تزریقی (Injection Blow Molding)
قالب گیری بادی اکستروژن (Extrusion Blow Molding)
قالب گیری 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 فرآیند های قالبگیری دیگر، در این روش نیز از اکسترودر به عنوان یک بخش اصلی استفاده میشود.
طول لوله اکسترود شده عملاً میتواند خیلی بلند باشد.
3- قالب گیری تزریقی
قالبگیری تزریقی (Injection molding) یكی از پرکاربردترین روشهای تولید قطعات پلاستیكی است. متدوال ترین محصولات و مصنوعات پلاستیکی که در متن زندگی ما انسانها وجود دارد مانند یک ظرف پلاستیکی ساده تا پیچیدهترین آن مانند استنت ها از این روش بدست میآید که به نام تزریق پلاستیک نیز مشهور است. ماده اولیه ای که وارد این دستگاه میشود معمولا به شکل گرانول است؛ برای مثال گرانول سنگین تزریقی یا همان پلی اتیلن 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 ودر 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. قالب گیری تزریقی را می توان برای اکثر ترموپلاست ها به جز پلی تترا فلئورو اتیلن، پلیآمید، بعضی پلی استر ها و بعضی پلاستیک های خاص دیگر به کار برد. یکی از رایج ترین انواع ترموپلاستیک ها که در قالبگیری تزریقی مورد استفاده قرار میگیرد پلی استایرن 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 بصورت سریع و خودکار در یک مرحله تولید میشوند، لذا معمولاً بعد از تولید قطعه، عملیات خاصی برای تغییر بهبود وضعیت آن نیاز نیست و حتی امکان ادغام چند فرآیند با یکدیگر برای کاهش مراحل تولید و هزینه ها نیز وجود دارد. با استفاده از این فرآیند میتوان محصولات کوچک مانند در بطری، درپوش سینک ظرفشویی، اسباب بازی، ظروف پلاستیکی و قطعاتی از دوربین را تولید کرد. همچنین برای ساخت سطل زباله، ظروف حمل و نقل و حتی درقالب گیری موارد بزرگ تر مانند قسمت هایی از بدنه اتومبیل وتنه 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.
مزایا فرآیند قالبگیری تزریقی
تعداد تولید بالا
امکان قراردادن قطعات فلزی و غیر فلزی 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 قالب گیری تزریقی واكنشی
قابلیت اتوماسیون کامل فرآیند.
4-ترموفرمینگ
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 قالب گیری.
فرآیند ترموفرمینگ همانگونه که مشخص است از دوبخش ترمو و فرمینگ تشکیل شده است. ترمو به معنی استفاده از حرارت برای نرم کردن ماده پلیمری اولیه و آماده سازی 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 شکل گیری، قطعه از قالب خارج شده و برای جدا کردن ضایعات آن، عملیات دور بری (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 به صرفهتر است. در واقع این روش همانند روش قالب گیری تزریقی برای میزان تولید انبوه، هزینه های تولید بسیارکمتری را نسبت به سایر روشهای تولید مواد پلیمری دارد. از دیگر مزایای روش ترموفرمینگ هزینه کمتر خرید تجهیزات و ماشین آلات تولیدی آن است.
کاربرد روش ترموفرمینگ
از این روش برای تولید تجهیزات پزشکی از جمله محفظه دستگاه ام آر آی ، بسته بندی مواد غذایی و دارویی ، ساخت استخرهای بزرگ، استفاده به عنوان قالب های 3 بعدی و شکل دهی پلیمرهای مختلف از قبیل PVC ،PP ،PS ، PE استفاده می شود.
مزایا 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 به صرفه برای تولید در حجم کم
5-فرآیند قالب گیری چرخشی
قالب گیری چرخشی یکی از سریعترین روش های شکل گیری پلاستیک هاست که در دما بالا و فشار پایین برای تولید محصولات توخالی با دیواره های نازک از آن استفاده میشود. در سال های اخیر این تکنیک نسبت به دیگر روشها بیشتر مورد توجه قرار گرفته است.
بین این روش و روش های ترموفرمینگ، قالب گیری بادی و تزریقی رقابتی وجود دارد که با توجه به مزایای قالب گیری چرخشی، در نهایت این فرآیند بر تمامی روش های فوق ارجعیت دارد. گاهی اوقات این رقابت به جایی میرسد که برای ساخت برخی قطعات، تنها این روش قابل استفاده خواهد بود.
کاربرد های رایج این فرآیند
تولید مخازن ذخیره سازی تجاری صنعتی، کشاورزی
خودرو سازی و دارو سازی
ظروف بسته بندی
انواع عروسک ها با اشکال بزرگ و پیچیده
اسباب بازی و تختخواب کودک
انواع مانکن های پشت ویترین
مزایا قالبگیری چرخشی
راه حل عالی برای تولید قطعات پلاستیک تو خالی
به صرفه بودن از لحاظ اقتصادی
کمتر بودن هزینه های مربوط به تجهیزات و راه اندازی آن نسبت به روش قالب گیری 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 دوجداره با استحکام بالا
مقاومت فیزیکی و شیمیایی بالا
کوتاه تر شدن زمان چرخه تولید
امکان تعویض سریع قالب در کوتاه ترین زمان
استفاده مجدد از قطعات تولید شده پس از مصرف
تحت فشار نبودن ماده در این روش
