قالب گیری تزریقی چیست؟ فرآیند، مواد، نکات طراحی و عیوب رایج

قالب گیری تزریقی چیست؟ یک پاسخ مستقیم

قالب‌گیری تزریقی یک فرآیند تولیدی است که گلوله‌های پلاستیکی را با ذوب کردن پلیمر، تزریق آن تحت فشار بالا به داخل قالب فولادی بسته، خنک کردن آن تا جامد شدن و بیرون ریختن قطعه نهایی به قطعات نهایی تبدیل می‌کند. قالب حاوی شکل معکوس محصول است و کل توالی به طور خودکار در چرخه هایی اجرا می شود که معمولاً از 15 ثانیه تا چند دقیقه طول می کشد.

نتیجه عملی این طراحی ساده است: هزینه هر قطعه با افزایش حجم تولید به شدت کاهش می یابد، زیرا قالب گران قیمت در هر قطعه به اشتراک گذاشته می شود. به همین دلیل است که قالب‌گیری تزریقی مسیر پیش‌فرض برای قطعات پلاستیکی تولید انبوه از جمله قطعات مهندسی خودرو، محفظه‌های الکترونیکی، قطعات لوازم خانگی، محصولات صنعتی و کالاهای ورزشی است.

قالب گیری تزریقی چگونه کار می کند؟ چرخه چهار مرحله ای

هر چرخه قالب‌گیری تزریقی از چهار مرحله مشابه پیروی می‌کند: بستن، تزریق، خنک‌سازی و تخلیه. دستگاه قالب گیری تزریقی این مراحل را با دو سیستم اصلی انجام می دهد: یک واحد تزریق که رزین را ذوب کرده و تحویل می دهد و یک واحد گیره که قالب را بسته نگه می دارد.

مرحله 1: بستن

واحد گیره دو نیمه قالب را به هم قفل می کند. نیروی گیره، بر حسب تن، باید در برابر فشار پلاستیک مذاب که به دیواره‌های حفره فشار وارد می‌کند، مقاومت کند. یک قانون صنعتی که به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد، 2 تا 4 تن نیروی گیره در هر اینچ مربع از سطح قسمت پیش بینی شده است. اگر نیرو خیلی کم باشد، قالب کمی باز می شود و باله های پلاستیکی نازکی به نام فلاش در اطراف لبه های قطعه ایجاد می شود.

مرحله 2: تزریق

دانه های پلاستیکی از یک قیف به یک بشکه گرم می افتند، جایی که یک پیچ دوار پلیمر را ذوب می کند و مذاب را به جلو حرکت می دهد. سپس پیچ به عنوان یک پیستون عمل می کند و رزین مذاب را از طریق یک نازل، اسپرو، رانر و دروازه وارد حفره قالب می کند. فشار تزریق معمولاً می رسد 30 تا 150 مگا پاسکال، حدود 4000 تا 20000 psi بسته به اینکه رزین چقدر راحت جریان می یابد.

مرحله 3: خنک کردن

آب یا روغنی که از طریق کانال های داخل قالب در گردش است گرما را از بین می برد و پلیمر به شکل حفره جامد می شود. سرمایش معمولا بین 50 تا 70 درصد کل زمان چرخه را مصرف می کند. بنابراین ضخامت یکنواخت دیوار یکی از مهمترین اهداف طراحی است، زیرا خنک کننده ناهموار عامل اصلی تاب خوردگی و تنش پسماند است.

مرحله 4: تخلیه

هنگامی که قطعه به اندازه کافی خنک شد تا شکل خود را حفظ کند، قالب باز می شود و پین های اجکتور قطعه را از هسته خارج می کنند. قطعه در سطل زباله می افتد یا توسط یک ربات برداشته می شود و دستگاه بلافاصله چرخه بعدی را شروع می کند. قطعات نازک می توانند در کمتر از 15 ثانیه در هر چرخه کار کنند، در حالی که قطعات بزرگ یا ضخیم می توانند چندین دقیقه طول بکشند.

معماری ماشین و ساخت قالب

واحد تزریق شامل قیف، پیچ رفت و برگشتی، بشکه، نوارهای گرمکن و نازل می باشد. پلیمر را ذوب کرده و دوز می کند. واحد گیره قالب را بسته نگه می دارد و سیستم تخلیه را با استفاده از مکانیزم ضامن یا سیلندر هیدرولیک کار می کند. ماشین‌های تمام الکتریکی مدرن بازده انرژی بهتر و تکرارپذیری بیشتر را ارائه می‌دهند.

قالب سخت ترین جزء فرآیند است. به طور معمول از فولاد ابزار یا فولاد ضد زنگ ماشینکاری می شود و حاوی حفره، هسته، سیستم رانر، دروازه، کانال های خنک کننده و پین های اجکتور است. برای مهندسان ناآشنا با خانواده رزین، درک اصول مواد نایلونی اولین قدم مفید است، زیرا برهمکنش بین پلیمر و فولاد ابزار کیفیت سطح، زمان چرخه و ثبات ابعادی را تعیین می‌کند.

یک قالب تولید فولاد ابزار سخت شده می تواند بیش از یک میلیون چرخه دوام بیاورد هنگامی که به درستی نگهداری می شود، در حالی که فولاد ابزار نرم P20 برای قالب های نمونه معمولی است که انتظار می رود تنها چند هزار قطعه را اجرا کنند. فولادهای ابزار ضد زنگ هنگام قالب گیری رزین های خورنده یا بسیار ساینده ترجیح داده می شوند.

انواع متداول فرآیندهای قالب گیری تزریقی

قالب گیری تزریقی ترموپلاستیک معمولی اکثر تولیدات صنعتی را پوشش می دهد، اما چندین نوع تخصصی مشکلات خاصی را حل می کنند. یک بررسی آکادمیک در سال 2023 در ژورنال پلیمرها، قالب‌گیری با کمک آب، گاز، میکروسلولی و چند جزئی را از مهم‌ترین تکنیک‌های پیشرفته شناسایی می‌کند.

1. قالب درج کنید درج های فلزی را قبل از تزریق در حفره قرار می دهد تا پلاستیک آنها را محصور کند. این روش استاندارد برای درج های رزوه ای و کنتاکت های الکتریکی است.
2. قالب گیری بیش از حد ماده دوم را روی یک زیرلایه تزریق می کند، معمولاً برای ایجاد چسبندگی نرم یا ظاهری دو رنگ روی یک جزء.
3. قالب گیری به کمک گاز نیتروژن تحت فشار را به مذاب تزریق می کند تا بخش های ضخیم را توخالی کند، وزن، زمان چرخه و علائم فرورفتگی را در دسته های بزرگ و پانل های خودرو کاهش می دهد.
4. قالب گیری تزریقی واکنش دو واکنش دهنده مایع را به داخل قالب پمپ می کند و در آنجا پلیمریزه می شوند. به طور گسترده ای برای قطعات پلی اورتان بزرگ استفاده می شود.
5. قالب گیری تزریقی میکرو قطعاتی با وزن کمتر از یک گرم را برای کاربردهای پزشکی و میکروالکترونیکی با استفاده از ماشین‌های کوچک شات کنترل شده دقیق تولید می‌کند.

انتخاب مواد برای قالب گیری تزریقی: چرا پلی آمیدها اهمیت دارند؟

رزین استحکام مکانیکی، مقاومت حرارتی، مقاومت شیمیایی، پرداخت سطح و هزینه واحد قطعه قالب‌گیری شده را تعیین می‌کند. ترموپلاستیک های کالایی مانند پلی پروپیلن، پلی اتیلن، ABS و پلی استایرن برای کالاهای مصرفی کافی هستند، اما کاربردهای مهندسی معمولاً به سمت پلی آمیدها می روند.

پلی آمید که به نام نایلون نیز شناخته می شود، ترکیبی از استحکام، سفتی، چقرمگی، مقاومت در برابر سایش و مقاومت شیمیایی را ارائه می دهد که تعداد کمی از ترموپلاستیک های دیگر با آن مطابقت دارند. سه خانواده مهم برای قالب گیری تزریقی PA6، PA66 و PPA هستند. PA6 در حدود 220 تا 250 درجه سانتیگراد ذوب می شود و استحکام ضربه ای عالی ایجاد می کند که آن را برای چرخ دنده ها، بند کابل ها، کانکتورهای خودرو و محفظه های مکانیکی ایده آل می کند. PA66 در حدود 260 تا 290 درجه سانتیگراد ذوب می شود و سفتی و دمای انحراف حرارتی بالاتری ارائه می دهد، بنابراین در اجزای محفظه موتور، یاتاقان ها و ابزارهای برقی ظاهر می شود. PPA، یک پلی آمید نیمه معطر، در دمای سرویس مداوم بالاتر از نایلون استاندارد با جذب رطوبت کم عمل می کند، به همین دلیل است که از آن در الکترونیک و قطعات سخت زیر هود استفاده می شود.

هنگام انتخاب رزین قالب گیری تزریقی، اولین سوال قیمت نیست، بلکه محیط کار است. یک چرخ دنده نایلونی که در روغن داغ کار می کند نیاز دارد تراشه های پیشرفته PA66 ، در حالی که ممکن است به یک کانکتور الکترونیکی در داخل یک ابزار برقی فشرده نیاز داشته باشد تراشه های PPA با دمای بالا برای زنده ماندن از لحیم کاری و گرمای با چگالی بالا.

Enhanced PPA Polyphthalamide Plastic Chips Suppliers, Company Ningbo Frontechnic New Material Technology Co., Ltd تامین کننده تراشه های پلاستیکی پلی فتال آمید PPA پیشرفته چین و شرکت حرفه ای... مشاهده محصول →

تامین کنندگان چیپس PA66 GF، شرکت چیپس درجه پیشرفته PA66 شرکت فناوری مواد جدید Ningbo Frontechnic با مسئولیت محدود تامین‌کننده تراشه‌های PA66 GF چین و شرکت تراشه‌های PA66 درجه پیشرفته، حرفه‌ای ... مشاهده محصول →

برای اجزای ساختاری که سختی و ثبات ابعادی بیشترین اهمیت را دارند، تراشه های PA6 تقویت شده با شیشه مقرون به صرفه ترین نقطه ورود به قالب گیری تزریقی مهندسی هستند. تامین‌کننده‌ای که هم رزین پایه و هم مرحله ترکیب را کنترل می‌کند، جریان مذاب ثابت و تکرارپذیری لات به لات را به قالب‌کننده‌ها می‌دهد که مستقیماً نرخ عیب را کاهش می‌دهد. خریدارانی که برای تولید طولانی مدت برنامه ریزی می کنند باید این را نیز بررسی کنند وضعیت عرضه فعلی تراشه های نایلون 6 قبل از متعهد شدن به نمره

تامین کنندگان مواد سفارشی PA6 GF، شرکت پیشرفته تراشه PA6 Ningbo Frontechnic New Material Technology Co., Ltd تامین کننده مواد PA6 GF چین و شرکت تراشه های PA6 پیشرفته است، Cust Professional... مشاهده محصول →

قوانین طراحی برای قطعات قالب گیری تزریقی

هندسه قسمت هزینه قالب، زمان چرخه و کیفیت را تعیین می کند. چهار قانون زیر از بسیاری از خرابی‌های مربوط به طراحی جلوگیری می‌کند و از راهنمایی‌های مورد استفاده در برنامه‌های قالب‌گیری در دانشگاه‌ها و فروشگاه‌های ابزار حرفه‌ای پیروی می‌کند.

ضخامت دیوار یکنواخت

ضخامت دیوار را تا حد امکان ثابت نگه دارید. مقادیر معمولی 2.0 تا 3.0 میلی متر برای قطعات نایلونی و 1.0 تا 1.5 میلی متر برای اجزای دیوار نازک است. تغییرات ناگهانی ضخامت باعث انقباض دیفرانسیل می شود که باعث ایجاد لکه های سینک و تاب خوردگی می شود. در صورت نیاز به سفتی، به جای ضخیم کردن دیوار، دنده ها را اضافه کنید.

زاویه پیش نویس

زوایای دیوارهای عمودی به رها شدن قطعات از قالب کمک می کند. بادکش توصیه شده 1 تا 2 درجه در هر طرف روی فولاد صیقلی و حداقل 3 درجه در سطوح بافتی است. راهنمای اصول قالب‌گیری تزریقی UNSW Making بر این نکته تاکید دارد که زوایای کم عمق کشش باعث افزایش کشش می‌شود و می‌تواند قطعه را در حین پرتاب خراش دهد.

دنده ها، باس ها و شعاع ها

ضخامت دنده باید 50 تا 60 درصد ضخامت دیواره مجاور باشد که از ایجاد آثار فرورفتگی روی سطح قابل مشاهده جلوگیری می کند. باس های اطراف سوراخ های پیچ به حداقل دیواری حدود 0.5 تا 1 برابر قطر پیچ نیاز دارند و گوشه های داخلی به شعاع حداقل 0.5 برابر ضخامت دیوار نیاز دارند. شعاع 1.0 میلی متری در یک گوشه می تواند غلظت تنش را بیش از دو برابر در مقایسه با یک گوشه تیز کاهش دهد.

عیوب معمول قالب گیری تزریقی و رفع عملی

هنگامی که پارامترها یا هندسه از پنجره ایده آل منحرف می شوند، نقص ها به طور قابل پیش بینی ظاهر می شوند. جدول زیر پنج عیب متداول و تنظیماتی را که معمولاً آنها را حل می کند، فهرست می کند.

مزایا و محدودیت های قالب گیری تزریقی

مزیت اصلی قالب گیری تزریقی اقتصادی بودن واحد در حجم است. هنگامی که هزینه قالب پرداخت می شود، نیروی کار برای هر قطعه کم است، ضایعات حداقل است، و فرآیند می تواند تحمل مثبت یا منفی 0.1 میلی متر را در ابعاد مختلف داشته باشد در حالی که سطوح صاف و هندسه یکسان در میلیون ها قطعه تولید می کند. قالب های چند حفره ای با اجرای چندین قسمت یکسان در هر چرخه خروجی را چند برابر می کنند.

محدودیت اصلی سرمایه گذاری اولیه است. یک ابزار تولید می تواند از چند هزار دلار برای یک قالب ساده تک حفره ای تا بیش از صد هزار دلار برای یک سیستم پیچیده چند حفره ای هزینه داشته باشد، و تحویل اولین مقاله معمولاً 4 تا 12 هفته پس از تایید نهایی طراحی است. از آنجایی که ابزار فولادی گران است، قالب گیری تزریقی به ندرت برای چند صد قطعه مقرون به صرفه است. قالب های نمونه آلومینیومی یا چاپ سه بعدی جایگزین های معمول در حجم کم هستند. به عنوان یک قاعده کلی، زمانی که حجم کل از 5000 تا 10000 قطعه فراتر رود، قالب تزریق به انتخاب منطقی تبدیل می شود.

محرک های هزینه در قالب گیری تزریقی

قیمت یک قطعه تزریقی مجموع ابزار، رزین، زمان ماشین و عملیات ثانویه است. هر راننده رفتار متفاوتی دارد:

1. ابزار سازی - قالب های نمونه اولیه از حدود 3000 تا 10000 دلار شروع می شود. قالب های تولید معمولاً بسته به تعداد حفره، درجه فولاد و پیچیدگی بین 30000 تا 100000 دلار یا بیشتر متغیر است.
2. رزین - گریدهای کالایی مانند پلی پروپیلن تقریباً 1 تا 2 دلار در هر کیلوگرم قیمت دارند. رزین های مهندسی مانند PA6 و PA66 معمولاً از 2 تا 4 دلار در هر کیلوگرم متغیر هستند. نمرات PPA تقویت شده با شیشه و ویژه دارای حق بیمه بیشتری هستند.
3. زمان ماشین - معمولاً 30 تا 150 دلار در ساعت بر اساس تناژ و منطقه صورت‌حساب می‌شود و زمان چرخه چند برابر است. کاهش زمان سرمایش موثرترین اهرم هزینه در دسترس طراح است.
4. پس پردازش - پیرایش، رنگ آمیزی، جوشکاری یا صاف کردن، هزینه کار و جابجایی را اضافه می کند، بنابراین طرح های توری شکل که از عملیات ثانویه جلوگیری می کنند ترجیح داده می شوند.

پایداری و بهره وری مواد

قالب‌گیری تزریقی مدرن از آن چیزی که به نظر می‌رسد از نظر منابع کارآمدتر است. اسپری ها، رانرها و قطعات غیرمجاز مجدداً آسیاب می شوند و به فرآیند بازگردانده می شوند، بنابراین بسیاری از مشاغل تولیدی به ضایعات مواد نزدیک به صفر می رسند. زمان خنک‌سازی کوتاه‌تر، ماشین‌های مبتنی بر سروو و سیستم‌های دونده بهینه‌شده، مصرف انرژی را برای هر قطعه کاهش می‌دهند.

برای پردازنده های نایلونی، عملی ترین تصمیم پایداری اغلب جایگزینی بخشی از رزین بکر با گرانول های پلی آمید بازیافت شده است. مبادله به طور مفصل در این مورد پوشش داده شده است بررسی گرانول های پلی آمید بازیافتی و اقتصاد دایره ای ، که بررسی می کند که آیا گریدهای بازیافتی می توانند عملکرد مکانیکی را حفظ کنند و در عین حال اثرات زیست محیطی را کاهش دهند. در بسیاری از قطعات غیرقابل مشاهده یا با بارگذاری متوسط، آنها می توانند.

سوالات متداول

Q1. آیا قالب گیری تزریقی محدود به ترموپلاستیک است؟

خیر. ترموپلاستیک ها از نظر حجم غالب هستند، اما این فرآیند همچنین ترموست، الاستومرها و از طریق قالب گیری تزریقی فلز، پودرهای آلیاژی را کنترل می کند.

Q2. چرخه قالب گیری تزریقی چقدر طول می کشد؟

چرخه قطعات دیوار نازک کوچک در 10 تا 15 ثانیه. قطعات مهندسی متوسط ​​معمولاً 30 تا 60 ثانیه کار می کنند. قطعات بزرگ یا ضخیم ممکن است چند دقیقه طول بکشد. خنک کردن بزرگترین بخش از هر چرخه است.

Q3. حداقل حجم تولید برای قالب گیری تزریقی چقدر است؟

شماره ثابتی وجود ندارد. قالب‌های نمونه آلومینیومی چند صد قطعه را کاربردی می‌سازند، در حالی که قالب‌های فولادی زمانی توجیه می‌شوند که حجم کل از 5000 تا 10000 قطعه بیشتر شود، بسته به اندازه و هندسه قطعه.

Q4. چرا PA6 و PA66 محبوب ترین نایلون های قالب گیری تزریقی هستند؟

آنها استحکام بالا، چقرمگی، مقاومت در برابر سایش و قیمت متوسط ​​را ترکیب می کنند و در ماشین آلات معمولی به خوبی پردازش می شوند. محدودیت اصلی جذب رطوبت است که بعد از قالب گیری ابعاد تغییر می کند. قبل از استفاده، قطعات با تلرانس های محکم باید در رطوبت کنترل شده قرار گیرند.

Q5. تفاوت بین قالب گیری تزریقی و پرینت سه بعدی چیست؟

قالب‌گیری تزریقی به قالب نیاز دارد، اما قطعات یکسانی را در عرض چند ثانیه با هزینه هر واحد بسیار پایین در مقیاس تولید می‌کند. چاپ سه بعدی نیازی به ابزار ندارد و برای نمونه سازی و سری های کوچک مناسب است، اما هزینه هر قطعه بالا می ماند و محدوده مواد باریک تر است.

افکار نهایی

قالب‌گیری تزریقی ستون فقرات تولید قطعات پلاستیکی باقی می‌ماند زیرا سرمایه‌گذاری سنگین ابزارآلات اولیه را به هزینه بسیار کم برای هر قطعه در حجم‌های زیاد تبدیل می‌کند. چرخه چهار مرحله‌ای، بستن، تزریق، خنک‌کردن و بیرون راندن، توضیح ساده است، اما بهینه‌سازی آن سخت است. اگر بخواهیم از عیوب جلوگیری کنیم، مواد، قالب و هندسه قطعه باید با هم کار کنند.

برای قطعات مهندسی، پلی آمیدهایی مانند PA6، PA66 و PPA بارها و بارها ثابت می کنند که قابل اعتمادترین خانواده ها هستند، به ویژه در فرمولاسیون های تقویت شده با شیشه و تثبیت حرارتی. چه در حال طراحی یک محصول جدید باشید و چه در حال عیب یابی یک قالب سرسخت، توجه به انتخاب مواد، ضخامت دیوار، زوایای پیش نویس و طراحی خنک کننده اکثر مشکلات را قبل از ظاهر شدن برطرف می کند.