تاریخچه ماشین آلات تزریق پلاستیک

پیشرفت مکانیکی تا الکترونیکی فرآیند تزریق پلاستیک

محصولات پلاستیک ی تاریخچه طولانی از نظر شیوه های تولید دارند که بیشتر آنها به روش تزریق ختم میشود. در این روش ترموپلاست و ترموستها پس از وارد شدن به سیلندری داغ، با یکدیگر ترکیب شده و با رشته هایی باریک به حفره های داخلی قالب منتقل میشوند. در این بین، قالب محصول نهایی این مواد را با توانی بسیار زیاد کنار هم نگه میدارد تا محتویات درونی آن سرد و محکم شوند. هر یک از این قالبها با توجه به نیاز اولیه قطعه طراحی و مهندسی شده و مواد اولیه ساخت آنها نیز معمولا از فولاد یا آلومینیوم تهیه میشود. این قالبها امروزه برای ساخت مواد بسیاری طراحی و تولید میشوند؛ از این رو، صنعت تولید پلاستیک را دچار تحولی عظیم کرده اند.

نقطه آغازین

هیچ کس فکرش را هم نمی کرد که صنعت تزریق پلاستیک از یک توپ بیلیارد آغاز شود. «جان وسلی هایت» که صاحب برند به نامی چون Phelan and colander بود؛ اوایل سال 1868 را صرف یافتن راه جدیدی برای ساخت توپ های بیلیارد آن هم از طریق تزریق سلولوئید کرد. در این روش، ابتدا قرار بود تا کیفیت اولیه این ماده ارتقا پیدا کند و برای قالب گیری نهایی آماده شود اما 4 سال بعد، وی و برادرش موفق به طراحی و تولید دستگاه تزریقی جدیدی شدند که از نظر مهندسی ساده تر از تکنولوژی روز بود. برای مثال دستگاه تزریق پلاستیک تنها با یک پیستون، مواد را از داخل سیلندر به قالب انتقال میداد و همین موضوع جرقه تولید قالب ها برای مصارف مختلف بود. خیلی طول نکشید که پیشرفت صنعت، فرم دهنده های یقه پیراهن، دکمه و یا شانه های جیبی را به دنیا معرفی کرد. در همین بین و در اواسط دهه 40 میلادی مفهوم قالب گیری و تزریق پیشرفت چشمگیری به خود دید.

البته که این نیم قرن تجربه باعث پیشرفت در زمینه تزریق پلاستیک شده بود، اما تغییر نهایی وقتی انجام شد که اولین دستگاه تزریق مارپیچ طراحی و به صورت جهانی رونمایی شد. این اتفاق که در سال 1964 رخ داد باعث شد تا «جیمز هندری» مخترع شهرت جهانی پیدا کند. تکنولوژی پایه هندری بسیار ساده اما کارآمد بود. او با یک تغییر ساده موفق شده بود تا به جای پیستون از یک مته متحرک استفاده کند؛ مته ای که مواد داخل سیلندر را قبل از شروع پروسه تزریق مخلوط کرده و سپس به سمت قالب هدایت میکرد. اهمیت این تغییر زمانی مشخص شد که تولید کنندگان توانایی ترکیب پلاستیک رنگی یا ضایعات پلاستیک بازیافت شده را با مواد اولیه خود پیدا کردند. تغییری که امروزه 95 درصد از تولید شرکت های سازنده پلاستیک را به خود اختصاص داده است.

کاربردهای تزریق پلاستیک

امروزه قالب گیری یکی از مؤثرترین روشهای تولید قطعات پلاستیکی است. این تکنولوژی موفق شده است تا بخش گسترده ای از محصولات پلاستیک ی را نظیر لوازم منزل، ظروف، درب بطری، قطعات پلاستیکی خودرو و ... تحت الشعاع قرار دهد. شاید بتوان مهم ترین ویژگی این روش را قابلیت تولید محصولات چند حفره ای دانست که در حقیقت منجر به تولید چند محصول آن هم به صورت همزمان میشود. این ویژگی که به صورت پیشفرض سیکلهای کاری را کمتر میکند، به بهترین گزینه ممکن برای تولیدات انبوه تبدیل شده است. از مهم ترین ویژگی های این روش میتوان به دقت بالا و تکرارپذیری فوق العاده این روش اشاره کرد، اما ویژگی های دیگری هم وجود دارند که آنها را نسبت به سایر روش ها متمایز میکنند. برای مثال طیف موادی که توانایی تولید در این چرخه را دارند بسیار زیاد است و هزینه ای که برای نیرو کار آن صرف میکنید هم در پایین ترین سطح ممکن قرار دارد. همچنین نیاز به ملزومات کم برای نهایی کردن محصول در حالت نهایی خود هم از ویژگیهای این روش به حساب می آید. البته هزینه بالای ماشین آلات تزریق و نیاز به طراحی اولیه را هم میتوان به عنوان مضرات آن دانست؛ زیرا قطعات پیچیده نیاز به طراحی دقیقی دارند که گاهی اوقات هزینه بر است.

بهترین مواد اولیه کدامند؟

تعداد بسیار زیادی از مواد اولیه پلاستیک قابل استفاده در فرایند تزریق هستند. از این پلیمرها میتوان به ترموپلاستیک ها، بیشتر ترموستها و برخی از الاستومرها اشاره کرد. البته ده ها هزار ماده مختلف میتوانند وارد پروسه تزریق پلاستیک شوند و همه ساله به تعداد آنها افزوده میشود؛ موادی که قابلیت ترکیب با آلیاژ و ترکیبات از پیش ساخته شده را هم دارند. شاید بتوان مهم ترین ویژگی این فراوانی را توانایی ترکیب مواد برای تولید محصولی به خصوص دانست. البته این مواد بسته به طراحی اولیه و استحکام مورد نیاز طراحی میشوند، از همین رو باید به صورت ویژه مورد ارزیابی قرار بگیرند. از این ترموپلاستیک ها هم میتوان به رزین اپوکسی، فنولیک، دو نوع از ترموستها، نایلون، پلی استر و پلی اتیلن اشاره کرد.

انواع ماشین آلات تزریق کدامند؟

ماشین آلات تزریق از بخش های بسیاری تشکیل میشوند، اما قسمتهای اصلی آنها قیف تغذیه، مته مارپیچ تزریق واحد حرارتی هستند. هر یک از این دستگاه ها ابتدا قالب را با توجه به گیره های خود محکم نگه میدارند و پلاستیک را از دهانه اسپرو به داخل قالب قطعه تزریق میکنند.

ماشین آلات تزریق با توجه به نیروهای خروجی از قسمت گیره خود تقسیم بندی میشوند. این نیرو باعث میشود تا قالب در حین فرایند تزریق بدون حرکت بماند و تکان نخورد. گیره دستگاه میتواند بین 5 تا 6000 هزار تن را به قالب وارد کند. البته گیرههای فشار بالا برای موارد خاصی استفاده میشوند و نیرو مورد نیاز برای نگه داشتن هر قطعه پس از طراحی و نیاز همان قطعه تهیه میشود. به همین دلیل پس از بررسی هر اینچ مربع از ناحیه مربوطه ضریبی از 2 تا 8 تن به آن وارد میشود که حاصل آن قدرت گیره را مشخص میکند. این ضریب به صورت معقول به عددی حدود 4 تا 5 تن بر اینچ برای بیشتر تزریقات رسیده است، اما اگر پلاستیک نهایی خشک باشد فشار بیشتری برای تزریق مورد نیاز خواهد بود. البته این تنها شیوه تعیین نیرو گیره ها نیست و گاهی اوقات جنس یک قطعه میزان فشار را تعیین میکند. به این ترتیب، قطعات پلاستیکی بزرگتر نیاز به نیروی نگهدارنده بیشتری خواهند داشت.

با همه این اوصاف پیشرفت تکنولوژی و ارتقا همه روزه دستگاه های تمام الکتریک، ماشین آلات تزریق هیدرولیکی را گوشه گیر کرده است تا حدی که شرکت های مرتبط به دلایل بسیاری مدل های های برقی را ترجیح میدهند. دلایلی از قبیل کاهش 80 درصدی انرژی و همچنین تکرار پذیری 100 درصدی از جمله آنها محسوب میشوند. البته اجناس باکیفیت گرانتر هستند و این گرانی هم بی دلیل نیست. مدل های الکتریکی معمولا 30 درصد از مدلهای برقی گرانتر هستند و تقاضای بازار هم تا حدودی این فاصله مالی را پوشش میدهد. این تغییرات تا حدی جدی هستند که حتی ممکن است دستگاه های تزریق پلاستیک هیدرولیکی تا 20 سال آینده به تاریخ بپیوندند. این موضوع هم به طور مستقیم از فضای رقابتی میان شرکت ها برمی آید که تلاش بسیاری در جهت پیوستن به دنیای الکتریکی تولیدات میکنند.

چرخه تولید از کجا آغاز میشود؟

چرخه تولید پلاستیک معمولا بسیار کوتاه است و در برخی موارد میتواند از 2 ثانیه تا 2 دقیقه متغیر باشد. البته پیچیدگی این مراحل را میتوان به پروسه زیر خلاصه کرد:

قبل از اینکه مواد تشکیل دهنده به داخل قالب تزریق پلاستیک شوند، گیره ها باید آنقدر نیرو به آنها وارد کنند که قالب ها در حالت قفل قرار گرفته باشند. البته هر دو نیمه از قالب ها به دستگاه متصل هستند اما یکی از آنها قابلیت حرکت را خواهد داشت. مدت زمانی که گیره ها باید قالب را ثابت نگه دارند هم با توجه به نیاز قطعه متغیر خواهد بود به این ترتیب که هر چه دستگاه بزرگتر باشد، مدت زمان نگهداری گیره ها هم بیشتر خواهد بود. این مدت زمان را میتوان با توجه به چرخه بی بار دستگاه نیز بررسی و ارزیابی کرد.

زمان تزریق

مواد پلاستیک خام در ابتدای فرایند تزریق حالتی تکه تکه دارند و در همین حالت هم به سمت قالب هدایت میشوند. این قطعات به خاطر حرارت بالای دستگاه به سرعت ذوب و روانه قالب تزریق می شوند. این مواد در صورت تجمیع فشار در پشتشان باعث تراکم بیشتری در فضای داخل قالب میشوند و مقدار مواد مورد نیاز برای پر کردن این فضای خالی را «شات» می نامیم. البته جریان این قالب ها معمولا پیچیده است و مواد قالب و تنوع آنها هم باعث میشود تا تخمین زدن زمان تزریق عموما کاری دشوار به نظر برسد. با این حال، حجم شات، فشار، قدرت تزریق و ... فاکتورهای مناسبی برای این محاسبه هستند.

خنک سازی

مواد مذاب پس از تماس با سطح داخلی قالب حرارت خود را به صورت تدریجی از دست می دهند و به شکل نهایی داخل قالب نزدیک می شوند. البته در همین حین می توان انتظار وقوع پدیده «کوچک شدن قطعه» را نیز داشت. این پدیده که ممکن است به خاطر تجمع و جریان بیشتر در مرحله تزریق رخ دهد حجم نهایی پلاستیک را کاهش میدهد و به همین دلیل قالب تا اتمام مرحله خنک کاری در حالت قفل باقی می ماند. این مدت زمان هم معمولا با توجه به خواص ترمودینامیک پلاستیک محاسبه و تخمین زده میشود.

پایان کار و خروج قطعه

پس از گذشت مدت زمانی کافی، قطعه خشک شده با بهره گیری از سیستم «پران» در نیمه پشتی قالب به بیرون از قالب هدایت می شود. این پروسه با باز شدن قالب و استفاده از مکانیزمی خاص که با فشار، قطعه را به بیرون میراند انجام میشود. نیاز به این مکانیزم نیز جهت جلوگیری از جذب شدن پلاستیک به هسته اصلی و کوچکتر شدن آن است. برای بهبود دادن این شرایط هم معمولا عنصری کمکی به داخل حفره های قالب هدایت میشود که شرایط تخلیه را بهتر میکند. زمان مورد نیاز برای خروج کامل قطعه از قالب هم از «چرخه بی باری» دستگاه سنجیده می شود. در همین بین، قالب برای تزریق بعدی قفل شده است و برای شات بعدی آماده می شود.