تُعد عملية القولبة بالحقن واحدة من أكثر التقنيات شيوعًا المستخدمة في تصنيع البلاستيك حيث يتم "حقن" الأجزاء في قوالب لتشكيل أجزاء بأبعاد محددة. تعتمد هذه العملية على اعتبارات تصميم الأجزاء البلاستيكية لتحقيق الكفاءة في تلبية أهداف الأداء والجماليات وتكلفة هذه الأجزاء. تستعرض هذه المقالة السمات الأساسية لتصميم الأجزاء البلاستيكية التي يجب مراعاتها أثناء القولبة بالحقن مثل الأضلاع والنتوءات والبوابات والارتفاعات والتسامح وتأثيراتها واختيار المواد والزوايا المستديرة.
ما هو حقن البلاستيك؟
يتضمن تصميم الأجزاء البلاستيكية رسم ملامح التجميعات الفرعية والأجزاء التي سيتم تصنيعها عن طريق القولبة بالحقن، وهي عملية تشكيل الأجزاء من البلاستيك المنصهر. ويتميز هذا بالتوصل إلى أفضل تصميم يجعل الأجزاء قوية وعملية وغير مكلفة للتصنيع.
أساسيات عملية القولبة بالحقن
قبل فهم تصميم الجزء البلاستيكي، دعونا نلقي نظرة عامة على العمليات المهمة في عملية قولبة الحقن البلاستيكية. وقد تتضمن هذه العمليات؛
1. الذوبان
يتم تزويد حبيبات البلاستيك بآلة التشكيل بالحقن ثم تسخينها حتى تصل إلى أقصى درجة حرارة لها. وهنا تتحول الحبيبات إلى الشكل السائل من البلاستيك. وهذا يجعل البلاستيك أكثر مرونة ويمكن تشكيله بسهولة في أشكال مختلفة.
2. الحقن
تتضمن عملية حقن البلاستيك حقن البلاستيك المنصهر في تجويف القالب باستخدام ضغط عالٍ. يتم تصنيع القالب بطريقة تؤدي إلى إنشاء جزء معين. علاوة على ذلك، يضمن الضغط أن يأخذ البلاستيك شكل القالب بالكامل.
3. التبريد
بمجرد ملء القالب بالمادة البلاستيكية، يجب تبريده حتى يتصلب ثم السماح بإزالته. يمكن إجراء التبريد بمساعدة الهواء البارد أو الماء البارد للقالب. تعمل هذه العملية على تحويل البلاستيك إلى مادة صلبة بدرجة كافية ويمكنها أن تتخذ شكل القالب.
4. الطرد
هناك عملية أخرى يتم فيها دفع البلاستيك المتصلب خارج القالب إذا كان القالب مفتوحًا أثناء التبريد. تتم إزالة الجزء دون تدميره باستخدام دبابيس القذف أو بعض الطرق الأخرى. ثم يغلق القالب للبدء مرة أخرى للجزء البلاستيكي التالي.
مفتاح اعتبارات بشأن تصميم الأجزاء البلاستيكية المستخدمة في عملية القولبة بالحقن
عند العمل باستخدام تقنية القولبة بالحقن، يعد تصميم الأجزاء البلاستيكية المحسّنة أمرًا مهمًا لإنتاج قولبة بالحقن عالية الجودة وتنافسية تكلفة حقن القالبدعونا نناقش أدناه الاعتبارات المهمة لتصميم الأجزاء البلاستيكية لعملية القولبة بالحقن؛
1. هندسة الجزء
تلعب هندسة الأجزاء دورًا مهمًا في التعامل مع الأشكال. لذا، دعونا نناقش الاعتبارات المختلفة التي يمكننا اختيارها لزيادة فعالية عملية القولبة بالحقن.
أولا: التعقيد:
التصاميم بسيطة أو معقدة إلى حد ما، وهذا يعني أن تكلفة القالب تعتمد على تعقيد القطعة وتصميم القالب. علاوة على ذلك، فإن تعقيد التصميم يؤدي إلى عدد كبير من الأجزاء. الأجزاء المسطحة مثل اللوحة المسطحة أرخص وأسهل في التشكيل مقارنة بتصميم جزء به العديد من التخفيضات أو الميزات. إحدى حقائق الصناعة هي أن التصميمات المعقدة تتطلب تطوير قوالب معقدة، مما يعني بدوره تكلفة أكبر.
II. سمك الجدار الموحد:
يجب أن يكون موحدًا عبر الأقسام في أعمال التصميم لأن التوحيد يؤدي إلى مشاكل تصنيع أقل. عندما يكون للجزء جدران رقيقة وجدران سميكة فإن السبب عادة هو معدلات التبريد المختلفة التي يخضع لها الجزء أثناء عملية الصب. قد يؤدي هذا التبريد إلى الانحناء. هنا تنحني المادة أو تتشوه أو تغرق علامات تكون خدوشًا على السطح لأن الأقسام السميكة تستغرق وقتًا أطول لتبرد وتتصلب من الأقسام الرقيقة.
2. زوايا المسودة
زوايا السحب هي ارتفاعات طفيفة يتم إجراؤها على جانبي القطعة للسماح بفصلها بسهولة عن القالب. بدون زوايا السحب، يمكن أن يعلق الجزء البلاستيكي في القالب مما سيكون دائمًا صعبًا إزالته دون المساس بسلامة هيكل القطعة ومادة القالب. من المعتاد ضبط زاوية السحب في نطاق 1-3 درجات حتى يمكن إخراج القطعة بسهولة دون التسبب في مشاكل معينة.
3. التسامح ودقة الأبعاد
من ناحية أخرى، تعتبر التسامحات هي الحدود المقبولة للانحراف فيما يتعلق بأبعاد القطعة. يجب أن تكون هذه التسامحات دقيقة لتناسب القطعة بشكل مناسب وتعمل بالطريقة الصحيحة. هناك بالطبع بعض القيود والمتطلبات المرتبطة بهذا بما في ذلك إمكانية وجود تسامح أضيق مثل الاختلافات الصغيرة. ومع ذلك، سيكون تحقيقها مكلفًا لأن القوالب ومراقبة الجودة لها تسامح مرتفع. وعلى النقيض من ذلك، فإن مستويات التسامح المنخفضة أسهل بكثير في الصيانة ولكن في نفس الوقت، من المحتمل أن تؤثر على أداء القطعة أو تداخلها.
4. الأضلاع والرؤوس
أولا. الأضلاع
الأضلاع هي عناصر تقوية إضافية مدمجة داخل القطعة لزيادة قوتها وصلابتها ولكنها تساهم في زيادة كتلة القطعة قليلاً. يتم استخدامها بهذه الطريقة للمساعدة في تجنب انحناء القطعة من خلال إعطاء دعم إضافي للجزء المعين. يجب منع علامات الغرق (هذه هي الخدوش حيث يلتقي الضلع بالجدار الرئيسي) من خلال وجود أضلاع يجب أن تكون نصف سمك الجدران المحيطة. يساعد توازن السُمك هذا في التبريد ويقلل من الإجهاد أيضًا، الأضلاع مصنوعة من مادة من الدرجة SS 304 لتقليل الترهل وتصحيح الإجهاد.
II. الرؤساء
تتميز النتوءات بأنها أجزاء بارزة مرتفعة تعمل بشكل أساسي كنقطة تثبيت لتثبيت الأجزاء الأخرى. ويجب تقويتها، غالبًا باستخدام الأضلاع، لتحمل الأحمال الميكانيكية دون تشقق أو تغيير شكلها. كما يجب سحب النتوءات إلى سمك مناسب حتى تكون قوية بما يكفي لتحمل اختبار الزمن.
5. البوابات والممرات
1. البوابات
إنها النقاط التي يتدفق عندها البلاستيك المنصهر أو يدخل القالب. يعد وضع البوابة وتصميمها قضية أخرى مهمة يجب وضعها في الاعتبار بشكل صحيح لضمان ملء القالب، والأهم من ذلك، لتقليل العيوب. عادةً ما يتم استخدام البوابات على شكل بوابات حافة، يتم وضعها على حواف القطعة، وبوابات دبوسية وهي بوابات صغيرة توضع في مكان محدد وبوابات تحت الماء يتم وضعها داخل القطعة. وبالتالي فإن التصميم المناسب للبوابة يضمن ملء المواد بشكل موحد مما يمنع الهدر وتطور العيوب.
II. البراعم
إن المصب هو نظام مجرى يتم من خلاله توجيه البلاستيك المنصهر إلى تجويف القالب. وعادة ما يكون المصب أكثر سمكًا من غيره من المجاري، وغالبًا ما يتم تشكيله بشكل منفصل بحيث يمكن فصله بسهولة عن بقية القالب عند تجميع القالب. إن تصميم نمط مجرى بسيط وفعال يمكّن المرء من تقليل كمية المواد المهدرة المستخدمة، بالإضافة إلى سهولة السحب من القالب. يجب تصميم المصب بشكل جيد بحيث يفضل تدفق البلاستيك ويقلل أيضًا من كمية البلاستيك التي يجب قطعها بعد التشكيل.
6. أنظمة القذف
الوظيفة: عندما يتصلب الجزء بعد التبريد، يتم استخدام دبابيس القذف لإخراج الجزء من القالب. عند تصميم دبوس القذف، من المهم وضعه حول الجزء بطريقة لا تفسده أو حتى تسبب له مظهرًا سيئًا. يلعب وضع دبابيس القذف الجيد دورًا مهمًا في إخراج الأجزاء من القالب بسهولة وبشكل صحيح.
| اعتبارات التصميم | المبادئ التوجيهية/القيم الهامة | توضيح |
| تعقيد | يفضل الهندسة البسيطة | تؤدي التصميمات المعقدة إلى زيادة تكلفة القالب وصعوبته. |
| سمك الجدار الموحد | 1.5 ملم – 4 ملم | سمك ثابت يمنع الانحناء وعلامات الغرق. |
| زاوية المسودة | 1° – 3° | يسمح بالإخراج السهل من القالب. |
| دقة الأبعاد | ±0.1 مم – ±0.5 مم | التوافق مع قدرات العملية لتحقيق عملية قولبة فعالة من حيث التكلفة. |
| سمك الضلع | 50% سمك الجدار | يساعد على منع علامات الغرق ويحسن القوة الهيكلية. |
| سمك الرأس | 60% – 80% بسمك جدار اسمي | ضمان القوة الميكانيكية والتعامل مع الضغوط. |
| موقع البوابة | بالقرب من الأقسام السميكة، بعيدًا عن الأسطح المرئية | يضمن الملء المناسب ويقلل العيوب. |
| قطر المصب | 1.5 ملم – 6 ملم | يضمن التدفق السلس للبلاستيك المنصهر. |
| موقع دبوس القذف | بعيدا عن الأسطح التجميلية | يضمن إخراج الأجزاء بسلاسة دون حدوث أي ضرر للسطح. |
7. التداخلات الملائمة
تُستخدم التركيبات التداخلية عندما يكون من المطلوب توصيل الثقوب والأعمدة بطريقة تجعلها قادرة على نقل عزم الدوران وأنواع أخرى من القوى بكفاءة. في التركيبات التداخلية، يجب مراعاة التفاوتات ودرجة حرارة التشغيل جيدًا للسماح بتوصيل موثوق به دون بذل الكثير من الجهد في التجميع.
يمكن تحديد مستوى التداخل من خلال معادلات رياضية دقيقة تأخذ في الاعتبار إجهاد التصميم ونسبة بواسون ومعامل المرونة والمعاملات الهندسية. كما يتم تقدير قوة التجميع المطلوبة لملاءمة التداخل من خلال هذه الحسابات.
8. الشرائح والزوايا المستديرة في تصميم الأجزاء البلاستيكية
يؤدي هذا إلى تركيز التوتر والعيوب في المكونات البلاستيكية في حالة استخدام زوايا حادة. تؤدي القيم الأكبر لحجم الشرائح، أي الزوايا المستديرة، إلى خفض مستوى تركيز الإجهاد وفي نفس الوقت، تسمح بتدفق حر وأسهل لمادة البلاستيك أثناء عملية التشكيل. من الأهمية بمكان إنشاء مبادئ تصميم لنصف قطر الزاوية لتجنب مشاكل سمك الجدار الموحد وكذلك الانكماش.
9. الثقوب
أولا: من خلال الثقوب
إن الثقوب التي تمر مباشرة عبر سمك القطعة أكثر استخدامًا وأسهل في إنشائها من أنواع الثقوب الأخرى. ومن وجهة نظر هيكلية، فهي أسهل في التحكم أثناء تصميم القالب. ويمكن إنتاجها باستخدام نوى ثابتة في كل من الأجزاء المنزلقة والثابتة من القالب أو عن طريق وجود نواة واحدة فقط في الجزء المنزلق وكذلك في الجزء الثابت من القالب. يشكل الأول شعاعين معلقين بأذرع قصيرة تحت تأثير البلاستيك المنصهر ولكنه يخضع لتغيير لا يُذكر.
يشكل الأخير شعاعًا بسيط الدعم مع تشوه لا يُذكَر. لتجنب هذه الحالة، يجب أن يكون قطر أحد النواة أكبر قليلاً والآخر أقل قليلاً من الآخر بحيث تكون جميع الوجوه المتزاوجة ناعمة قدر الإمكان.
II. الثقوب العمياء
الثقوب العمياء، أي الثقوب التي لا يتم حفرها من خلال القطعة، يصعب تشكيلها. يتم بناؤها عمومًا باستخدام قلب شعاعي معلق ويميل القلب إلى الانحناء عند تأثير البلاستيك المنصهر مما ينتج عنه ثقوب ذات شكل غير متساوٍ. الثقوب العمياء هي ثقوب تنتهي فجأة وبشكل عام، يجب ألا يزيد عمق الثقب العمياء عن ضعف قطر الثقب.
بالنسبة للثقوب العمياء التي يبلغ قطرها 1 مم، يجب أن يكون سمكها 5 مم أو أقل، بينما لا يجب أن يتجاوز عمقها قطرها. يجب أن يكون سمك الجدار السفلي للثقب العمياء سدس قطر الثقب على الأقل لمنع الانكماش.
ثالثا. الثقوب الجانبية
يتم عمل ثقوب جانبية من خلال النوى الجانبية، مما يؤدي إلى زيادة تكلفة القالب وصيانته نظرًا لأن طول النوى الجانبية قد يشكل مشكلة حيث قد تنقسم. لمعالجة مثل هذه التحديات، يمكن جعل التصميم فعالًا كوسيلة لتصحيح عدم الكفاءة الحالية، وبالتالي التكاليف.
10. توصيلات Snap-Fit في تصميم الأجزاء البلاستيكية
تعتبر مجموعات التثبيت السريع سهلة على الجيب وصديقة للبيئة حيث لا تتطلب أي مثبتات أخرى. وهي عبارة عن ربط جزء بارز بعد امتداد خارجي على عضو آخر حيث يسمح التشوه المرن للأجزاء بتكوين مفتاح متشابك. هناك ثلاثة أنواع رئيسية من مجموعات التثبيت السريع وهي الكابولي والحلقي والكروي.
يتضمن تصميم التثبيت السريع زاويتين حرجتين؛ جانب السحب وجانب المدخل. يجب أن يكون جانب السحب أطول من جانب الحشية لتحقيق أداء قفل أفضل. يمكن إيجاد الانحراف المسموح به للهيكل من خلال معادلات محددة لتثبيت سريع معين باستخدام ثوابت المواد والمعاملات الهندسية.
11. التشطيب السطحي والملمس
يمكن للطرق التالية أن تساعدنا في تحقيق التشطيبات السطحية والملمس الفعال للمنتج النهائي؛
- تحقيق الجمالية المطلوبة: لا يحدد التشطيب السطحي للقطعة مظهر القطعة فحسب، بل يحدد أيضًا ملمس القطعة. يحدد المصمم الملمس أو التشطيب وفقًا للاحتياجات الجمالية مثل اللمعان أو عدم اللمعان.
- تأثير الملمس على إطلاق العفن: يُرى أن طبيعة نسيج السطح تلعب دورًا مهمًا في تحديد مدى سهولة إخراج القطعة من القالب. قد تتداخل الأشكال المعقدة مع بعض التحديات الإضافية التي يجب أن تكون غير ضرورية للتصميم لتسهيل إخراج القالب بسهولة.
- تقنيات التشطيب السطحي: يمكن استخدام المعالجة الإضافية التي تشمل التلميع أو الصنفرة أو وضع طبقة نهائية للحصول على التشطيب الأمثل.
12. التسامحات والاستقرار البعدي
لذا، فإن الاعتبارات التالية سوف تساعد أيضًا في زيادة كفاءة تصميمات الأجزاء البلاستيكية.
- التصميم للتسامحات الضيقة: توفر المكونات ذات مستويات التسامح الأكثر صرامة بيئة صعبة لتصميم القالب مع زيادة مشكلات التحكم في عملية الصب الفعلية. يجب مراعاة بعض النقاط المهمة لتوفير الاختلافات في تدفق المواد والتبريد.
- المحاسبة عن انكماش المواد: للتحكم في انكماش المواد، يتعين على المصممين ضبط حجم تجويف القالب ليكون أصغر قليلاً. يساعد استخدام هذا التنسيق في ضمان أن القطعة النهائية تلبي الأبعاد اللازمة المطلوبة.
- اعتبارات الأدوات: لذلك يجب أن تكون الأداة دقيقة في الأبعاد ويتم صيانتها بشكل جيد لتعزيز الاستقرار الأبعادي للأجزاء المصبوبة.
13. اختيار المواد
لذلك، يتم تشجيع المستخدمين على التأكد من اختيارهم للمادة المناسبة التي ستمكنهم من تحقيق الأداء المطلوب للأجزاء المصبوبة. تتميز جميع المواد البلاستيكية الحرارية بما في ذلك الأنواع غير المتبلورة وشبه البلورية بخصائصها الخاصة. وتشمل العوامل القوة الميكانيكية للمواد المراد دمجها وتبلورها بالإضافة إلى قدرتها على امتصاص الرطوبة.
14. تحليل تدفق القالب
يتضمن جزء التصميم أيضًا تحليل تدفق القالب. لذا، يمكننا تحسينه باستخدام العملية التالية؛
- أهمية محاكاة تدفق المواد: يهدف تحليل تدفق القالب إلى تحديد كيفية تدفق البلاستيك المنصهر داخل القالب. لذا، يمكن أن يساعد في تحديد مناطق احتجاز الهواء وخطوط اللحام والتدفق غير المتساوي.
- تحديد المشكلات المحتملة:يمكن إثبات أن المحاكاة يمكنها تحديد بعض المشكلات قبل التصنيع، والتي يمكن للمصممين تصحيحها لجزء من تصميم القالب.
- تحسين تصميم الأجزاء لتدفق القالب: تساعد التغييرات التي يمكن إجراؤها بناءً على تدفق القالب على تحسين جودة الجزء وتقليل معدلات العيوب.
15. النمذجة الأولية والاختبار
إذن، فيما يلي بعض تقنيات النمذجة الأولية والاختبار التي يمكننا استخدامها لمعرفة فعالية جزء التصميم.
- استخدام تقنيات النمذجة السريعة: تساعد التقنيات مثل النمذجة السريعة المصممين على بناء نماذج أولية لقطعة الغيار واختبار الجزء المادي وتقييمه قبل اعتماده للتصنيع.
- إجراء الاختبارات البدنية: تتيح النماذج الأولية التي تخضع للاختبار والتي تتضمن هذا الجزء تقييم أداء الجزء ومتانته وقدرته على أداء الوظيفة المقصودة. كما أنها تمنح قيمة إضافية لأنها تعطي فكرة عن التحسينات التي يمكن إجراؤها على تصميمه.
- تكرار التصاميم قبل الإنتاج النهائي: وبناءً على نتائج الاختبار، قد يكون من الممكن تعديل تصميم القطعة والعمل على حل مشاكلها، فضلاً عن تحسين أدائها.
أخطاء التصميم الشائعة وكيفية تجنبها أثناء التصميم
فيما يلي بعض الأخطاء الهامة التي يجب علينا تجنبها عند تصميم الأجزاء البلاستيكية.
- اختيار المواد السيئة: يؤدي اختيار مادة غير مناسبة إلى إعاقة أداء القطعة وإمكانية تصنيعها. هناك حاجة لاختيار المواد المناسبة التي تلبي احتياجات القطعة.
- تجاهل زوايا المسودة: على سبيل المثال، قد يؤدي وجود زوايا مسودة صغيرة إلى حدوث مشكلات في إخراج الأجزاء وتآكل القالب. تأكد من تضمين زوايا المسودة في التصميم.
- تعقيد هندسة الأجزاء: مثل هذه الأشكال تزيد من تعقيد القالب وتصنيعه وترفع من تكلفة القالب، لذا يجب التقليل من تعقيد التصاميم قدر الإمكان لزيادة قابليتها للتصنيع.
- سمك الجدار غير كاف: تؤثر المسامية أو عدم الاتساق في السُمك أو الاختلافات في سُمك الجدار سلبًا على المنتج مع ظهور مشاكل مثل الانحناء وعلامات الغرق. من المهم الحفاظ على سُمك جدار القطعة ثابتًا لتجنب الاختلافات في سُمك الجدران.
خاتمة
في الختام، يجب مراعاة العديد من العوامل عند تصميم قطعة بلاستيكية للقولبة بالحقن، مثل أنواع الفتحات، والنتوءات، والتركيبات المفاجئة أو التركيبات المتداخلة، والعديد من العوامل الأخرى مثل التفاوتات، والمواد المطلوبة، وأقطار الزوايا. ومع تقدير هذه المبادئ، يمكن للمصممين تطوير قطع مصبوبة ذات جودة جيدة، وطويلة الأمد، ورخيصة التصنيع. يضمن تصميم التصاميم وفقًا لخصائص المشروع والظروف البيئية أفضل النتائج والاستقرار.
الأسئلة الشائعة
س1. لماذا يعد تصميم الأجزاء مهمًا في عملية القولبة بالحقن؟
سيساعدنا ذلك على تحقيق الفعالية الإجرائية والتشغيلية. لأن تصميم التصنيع يتضمن استراتيجيات يمكنها إنتاج القطعة بفعالية بدقة عالية وعيوب أقل واستخدام أقل للمواد.
س2. ما هي الثقوب العابرة؟
الثقوب العابرة هي تلك الثقوب التي تمر عبر جزء كامل، وهي أسهل نسبيًا في التشكيل والتحكم.
س3. ما هي الثقوب العمياء؟
لا تمتد الثقوب العمياء عبر الجزء وقد يكون من الصعب تشكيلها حيث قد تنحني الثقب وتتشوه.
س4. ما الذي تشير إليه الثقوب الجانبية في عملية القولبة بالحقن؟
يتم عمل فتحات جانبية باستخدام نوى جانبية قد تزيد من تعقيد القالب وبالتالي تكلفة قالب الحقن.
س5. كيف ينبغي تصميم الرؤساء؟
يجب أن يكون هناك أيضًا شرائح في الوصلات والتوصيلات المناسبة سمك جدار القالب بالحقنلذا، يمكنها المساعدة في تحمل ضغوط القطعة. علاوة على ذلك، يجب أيضًا تضمين النتوءات في هيكل القطعة.
س6. ما معنى اتصال Snap-Fit؟
في التوصيل السريع، يتم ثني جزء واحد بشكل مرن ليتناسب مع جزء آخر بحيث لا يتم استخدام أي مثبتات ميكانيكية مباشرة.
س7. كيف نحسب التداخل الذي يجب أن يحدث؟
يتم الحصول على التداخل من خلال إجهاد التصميم ونسبة بواسون والمعاملات الهندسية.
س8. ما هي مستويات التسامح في عملية حقن البلاستيك؟
تتضمن حدود التسامح التسامحات العامة والمتوسطة والعالية الدقة، والتي تحدد جودة وأسعار حقن القالب منتجات.