ماشین‌سازی در ایران (9)؛ معرفی و دسته‌بندی ماشین‌آلات صنعت پلیمر و پلاستیک (بخش دوم)

تاریخ : ۱۴۰۰/۰۶/۲۳ تعداد بازدید : ۳۰
تعداد رای : ۱
در بخش قبل برخی از ماشین‌آلات صنعت پلیمر و پلاستیک را معرفی و اجزا و کاربرد آن‌ها را بیان کردیم. این بار با ترموفورمینگ و کلندرینگ و جزییات آن‌ها آشنا خواهید شد.

ترموفورمینگ

ترموفرمینگ یا شکل‌دهی حرارتی یکی از روش‌های پرکاربرد شکل‌دهی پلاستیک‌هاست. در این فرآیند ابتدا ورق پلاستیکی گرما نرم (ترموپلاست) آنقدر حرارت می‌بیند تا نرم و انعطاف‌پذیر شود. سپس این ورق نرم‌شده روی قالب گذاشته شده و کشیده می‌شود و شکل قالب را به خود می‌گیرد. ورق مادۀ اولیه به‌روش اکستروژن تولید می‌شود. بسته به ضخامت، ورق اولیه می‌تواند به شکل ورقه‌های مجزا یا ورق توپ پیوسته باشد.

 

نحوۀ شکل‌دهی به‌این روش، عبارتست از: تولید ورق پلاستیکی توسط اکستروژن، گرم کردن ورق تولید شده تا نقطه نرمی، قرار دادن روی قالب، شکل‌دهی روی قالب توسط خلاء، فشار هوا و یا روش‌های مکانیکی.

 

انواع روش‌های ترموفرمینگ به شرح ذیل هستند:

وکیوم فرمینگ یا شکل‌دهی با خلاء

در این روش ابتدا ورق پلیمری بین قالب (Mold) و گرم‌کننده (Heater) قرار می‌گیرد. سپس توسط المنت‌های ورق‌های پلاستیکی گرم می‌شود. هوا از زیر تخلیه شده و به‌دلیل خلاء ایجاد شده، ورق پلیمری به سطح قالب می‌چسبد و شکل قالب را به خود می‌گیرد.

شکل 1: شماتیک فرآیند ترموفرمینگ با خلاء

شکل‌دهی با فشار هوا

در این روش علاوه بر استفاده از خلاء در زیر ورق پلیمر، فشار هوا از بالا نیز به روی ورق اعمال می‌شود. فشار هوا معمولاً 50 PSI تا 100 PSI است. این فشار سبب ایجاد نیروی اضافی روی ورق شده و برای ورق‌ها و محصولات ضخیم‌تر و همچنین ایجاد جزئیات دقیقتر، بافت و برش‌های زیرین و گوشه‌های تیز مناسب است.

 

شکل‌دهی مکانیکی

روش کار در ترموفرمینگ مکانیکی به‌این صورت است که ورق پلاستیکی گرمانرم را روی قسمت منفی قالب (Cavity) قرار می‌گیرد. سپس قسمت مثبت قالب (Core) روی این ورق پلاستیکی و به‌عبارتی ورق پلاستیکی در بین قسمت Core و Cavity قالب قرار می‌گیرد. در نهایت به‌صورت مکانیکی و با نیروی مستقیم قسمت Core قالب را روی ورق پلاستیکی فشار داده و ورق به درون حفره‌های قالب Cavity کشیده می‌شود.

برجسته‌ترین مزیت این روش، دقت ابعادی بهتر محصول و دقیق‌تر بودن جزئیات هندسی آن در هر دو طرف قطعه نسبت به روش‌های قبلی است. تنها عیب این روش، بالا بودن هزینۀ تولید است که از هزینه‌های قالب در دو قسمت Core و Cavity ناشی می‌شود.

در شکل 2، شماتیک روش تولید محصولات با استفاده از ترموفرمینگ تمایش داده شده است:

شکل 2: شماتیک فرآیند ترموفرمینگ از ابتدا تا تولید محصول نهایی

دستگاه دمشی (بادی)

قالب‌گیری دمشی (یا بادی) یک فناوری پیشرفته قالب‌گیری در تولید قطعات پلاستیکی توخالی است. یعنی جایی که ضخامت دیواره ظرف در همه‌جا یکسان است و شکل خارجی اهمیت زیادی دارد از این روش استفاده می‌شود. حدود 10 درصد از قطعات پلاستیکی به‌این روش تولید می‌شوند. به طور کلی سه نوع فرآیند قالب‌گیری دمشی وجود دارد: قالب‌گیری دمشی فشاری، قالب‌گیری دمشی تزریقی، قالب‌گیری دمشی کششی.

اصول این روش‌ها یکسان است، اما متناسب با نوع محصولات تولیدی، قیمت رقابتی و سرعت مورد نیاز، از ابزار مختلفی جهت قالب‌زنی محصول استفاده می‌شود. این اصول عبارت‌اند از:

- ابتدا مذاب پلیمری به‌صورت استوانه از اکسترودر خارج می‌شود. به این استوانه روده یا پاریزون گفته می‌شود.

- این استوانه وارد قالب شده و سپس قالب بسته می‌شود.

- هوای فشرده، به داخل پاریزون وارد شده و باعث می‌شود که قطعه شکل داخلی قالب را به خود بگیرد.

شکل 3: نمای شماتیک فرآیند قالب‌گیری دمشی (بادی)

قالب‌گیری دمشی فشاری

قالب‌گیری دمشی فشاری، ساده‌ترین نوع قالب‌گیری دمشی است. مادۀ پلاستیکی به شکلی لوله‌مانند، از روزنۀ اکسترودر، با فشار خارج شده و در محفظۀ یک قالب که دیوارۀ آن با آب خنک می‌شود، قرار می‌گیرد. وقتی که قالب بسته می‌شود، هوا از قسمت بالایی یا گردنه محفظه به درون لوله پلاستیکی تزریق می‌شود. این مرحله درست مثل باد کردن بادکنک است. وقتی که مادۀ پلاستیکی داغ، باد کرده و به دیوارۀ قالب می‌رسد، منجمد می‌شود و حالا ظرف پلاستیکی تولید شده، شکل صلب خود را حفظ می‌کند.

قالب‌گیری دمشی فشاری برای گسترۀ متنوعی از ظرف‌ها با شکل‌ها و اندازه‌ها و دهانه‌های مختلف کاربرد دارد. بعضی از ماشین‌های اکستروژن، می‌توانند در هر ساعت ۳۰۰ تا ۳۵۰ بطری، تولید کنند. ظروف تولید شده با روش دمشی فشاری می‌توانند با وزن‌های متفاوتی تنظیم شوند. به‌طور کلی این قالب‌ها بسیار ارزان‌تر از قالب‌های دمشی تزریقی هستند و زمان ساخت آن‌ها نیز کوتاه‌تر است.

از مزایای قالب‌گیری دمشی فشاری می‌توان به نرخ بالای تولید، هزینۀ پایین ابزارهای مورد نیاز و تولید وسیع ماشین‌های آن اشاره کرد. معایب آن هم معمولاً شامل نرخ ضایعات بالا، کنترل محدود روی ضخامت دیواره و مشکلات اصلاح و برش پلاستیک‌های اضافه است.

شکل 4: نمای شماتیک فرآیند دمشی فشاری

 

قالب‌گیری دمشی کششی

قالب‌گیری دمشی کششی رایج‌ترین روش تولید بطری‌های آب، آبمیوه، و محصولات متنوع دیگر است. قالب‌گیری دمشی کششی برای اولین‌بار در سال‌های آغازین دهۀ ۱۹۷۰ برای بسته‌بندی مواد شوینده به کار برده شد و همزمان با حفظ کاربرد اصلی توسعه‌یافته و در ساخت بطری نوشابه‌های گازدار استفاده شد.

یکی از مهم‌ترین مزایای قالب‌گیری کششی دمشی توانایی کشش پیش‌فرم در هر دو جهت مقطعی و محوری است. کشش همزمان ماده از دو جهت، باعث افزایش استحکام کششی، خواص سختی، ضربه قطره‌ای، وضوح و حد بالای بارگذاری در ظرف می‌شود. با افزایش این خواص، معمولاً می‌توان بین ۱۰ تا ۱۵ درصد از وزن کلی قطعۀ تولید شده با این روش نسبت به روش‌های مشابه کاست.

مراحل قالب‌گیری دمشی کششی عبارتست از: قالب‌گیری تزریقی پریزون، کشش، دمش.

علاوه بر بطری‌های ساده، این فرآیند قابلیت تولید ظروف دسته‌دار را نیز داراست.

شکل 5: نمای شماتیک فرآیند دمشی کششی

قالب‌گیری چرخشی

فرآیند قالب‌گیری دورانی یکی از فرآیندهای شکل‌دهی پلاستیک‌هاست که در دمای بالا، فشار پایین و به‌صورت قالب باز، جهت تولید قطعات توخالی، یکپارچه و بدون تنش‌های پسماند به کار می‌رود. در این فرآیند با حداقل هزینه، اشکال بسیار پیچیده با کمترین میزان ضایعات نظیر مخازن مایعات، سطل ظرف‌های زباله، توپ فوتبال، کلاه‌ایمنی و حتی بدنۀ قایق تولید می‌شوند. قالب‌گیری چرخشی در فشار اتمسفر انجام می‌شود و به‌جای استفاده از ذوب کردن و تزریق مواد به داخل قالب، مواد در داخل قالب ذوب می‌شوند. در این فرآیند برای انتقال حرارت مناسب در قالب معمولاً از مادۀ قالب‌گیری شوندۀ پودری استفاده می‌شود.

در سال 1353 اولین شرکت قالب‌گیری دورانی در ایران تأسیس شد و در سال 1356 با ماشین‌آلات خریداری شده از یک شرکت نروژی به ظرفیت حدود 300 تن در سال به بهره‌برداری رسید. تلاش‌هایی در زمینۀ تولید ماشین‌آلات آن در سال‌های ابتدایی دهۀ هفتاد انجام شده است که متأسفانه نتوانست جایی در بازار داخلی پیدا نماید. امروزه، ظرفیت تولید کل شرکت‌های ایرانی فعال در این صنعت، به بیش از 20 هزار تن در سال می‌رسد.

این فرآیند از چهار مرحله تشکیل شده است:

پر کردن قالب: در این مرحله قالب که به شکل محصول نهایی طراحی شده است باز می‌شود و مقدار معینی از مادۀ پلیمری مورد نظر به‌صورت پودر یا مایع در نیمۀ پایینی قالب ریخته می‌شود.

حرارت‌دهی: پس از بسته شدن قالب ماشین شروع به کار می‌کند و قالب حول دو محور عمود برهم در داخل کوره می‌چرخد. انتقال حرارت در داخل کوره موجب می‌شود تا پودر به دمای ذوب رسیده، شروع به ذوب شدن کند و سطح داخلی قالب را به شکل یکنواختی پوشش دهد.

سرد کردن: در این مرحله قالب در حال چرخش وارد ایستگاه خنک‌کننده می‌شود. با سرد شدن قالب به وسیلۀ جریان هوا یا پاشش آب، پلیمر درون آن نیز سرد می‌شود و قطعۀ نهایی شکل می‌گیرد.

تخلیۀ محصول: در این مرحله ماشین از حرکت می‌ایستد و قطعۀ نهایی با باز کردن نیمۀ قالب از درون آن خارج می‌شود.

شکل 6: شماتیک فرآیند قالب‌گیری چرخشی

قالب‌گیری چرخشی، برخی از قابلیت‌های مشابه قالب‌گیری دمشی را دارد، ضمن آنکه قادر است محصولات توخالی، دوجداره و با اشکال کشیده‌شده را تولید نماید. نسبت به روش‌های قالب‌گیری دمشی، با استفاده از روش قالب‌گیری چرخشی می‌توان توزیع یکنواخت‌تری در ضخامت دیواره‌ها ایجاد کرد و محصولات بزرگتری را تولید کرد. علاوه بر این، شکل‌های پیچیده‌تری با استفاده از این روش قابلیت تولید دارند. در مقایسه با قالب‌گیری تزریقی، قالب‌گیری چرخشی مزایای عمده‌ای در تولید محصولات خیلی بزرگ، پیچیده و توخالی و با هزینۀ کمتر برای قالب دارد.

از دیدگاه اقتصادی قالب‌گیری چرخشی به نحو ایده‌آل برای تولید با تیراژ پایین و قطعات خیلی بزرگ و پیچیده، مناسب است. همچنان که پیشرفت و ترقی در فناوری مواد ادامه می‌یابد، رشد قابلیت‌های عملکردی قالب‌گیری چرخشی نیز تداوم می‌یابد.

 

مزایای قالب‌گیری دورانی

- می‌توان یک قطعۀ توخالی یک پارچه، بدون درز جوش یا اتصال ساخت.

- قطعۀ نهایی لزوماً بدون تنش خواهد بود (خبری از تنش‌های پسماند در این فرآیند نیست).

- قالب‌ها نسبتاً ارزان قیمت هستند.

- زمان ساخت قالب نسبتاً کوتاه است.

- هیچ گونه اتلاف مواد وجود نخواهد داشت.چرا که تمام ماده در ساخت قطعه استفاده می‌شود.

- امکان ساخت قطعات چند لایه وجود دارد.

- انواع گوناگونی از قطعات می‌توانند به طور همزمان روی یک دستگاه قالب‌گیری شوند (چند قالب مختلف روی یک دستگاه گردان).

- می‌توان محصولات متنوع در پیچیدگی شکلی و ابعادی تولید کرد.

- ضخامت دیواره‌ها در تمام قسمت‌ها یکسان است.

 

معایب قالب‌گیری دورانی

- زمان تولید طولانی است.

- انتخاب مواد محدود است.

- چون بیشتر مواد مورد استفاده به شکل گرانول تهیه می‌شوند و قبل از استفاده در فرآیند، باید به‌صورت پودر آسیاب شوند، هزینۀ مواد نسبتاً بالا است. پودر کردن این گرانول‌های پلاستیکی در محدودۀ خاصی از اندازۀ ذرات، بر هزینۀ مواد می‌افزاید.

چالش اصلی در این فرآیند علاوه بر انتخاب و آماده‌سازی مواد پلیمری، نحوۀ سرد کردن و سرعت آن است که ممکن است باعث به‌وجود آمدن اعوجاج در شکل محصول نهایی شود.

مواد اولیۀ مناسب برای این روش عموما پلی‌اتیلن، پلی‌پروپیلن، اتیلن‌وینیل‌استات و پی‌وی‌سی‌ها هستند. از آنجایی که پلی‌اتیلن خواص خیلی متنوعی از خود به نمایش می‌گذاشت، خیلی زود از حیث میزان استفاده از سایر پلیمرها پیشی گرفت. به‌نحوی که امروزه، بیش از 80 درصد محصولات تولید شده با استفاده از روش قالب‌گیری چرخشی، از مادۀ اولیه پلی‌اتیلن تولید هستند. از این دسته محصولات می‌توان به مخازن نگهداری آب، سوخت و فرآورده‌های شیمیایی، وان‌های مورد استفاده در صنایع آبکاری و پرورش ماهی، اسباب‌بازی، بشکه‌های بسته‌بندی، اسکله‌های شناور و ادوات ترافیکی و جاده‌ای اشاره کرد. از آنجایی که تاکنون هیچ‌گونه پژوهش علمی و سیستماتیکی در حوزۀ بازار مصرف محصولات تولید شده با این روش در ایران صورت نگرفته است، قضاوت در این حوزه مشکل و با حدس و گمان همراه است، اما نمودارهای زیر بیانگر توزیع بازار مصرف این محصولات در آمریکای شمالی و اروپا هستند.

شکل 7: توزیع محصولات تولید شده به روش قالب‌گیری چرخشی در آمریکا

شکل 8: توزیع محصولات تولید شده به روش قالب‌گیری چرخشی در اروپا

کلندرینگ

امروزه از کلندر‌های بزرگ بیشتر در تولید ورق‌ها و فیلم‌های ترموپلاستیک استفاده می‌شود. در این روش مادۀ مذاب پلیمری از میان ناحیه باریک و به هم چسبیدۀ بین دو غلتک ناهمسوگرد کشیده شده و تبدیل به ورق یا فیلم با کیفیت سطحی بسیار بالا می‌شود.

وجه تمایز کلندرینگ با سایر سیستم‌های شکل‌دهی در این است که کلندرینگ روش پیوستۀ شکل‌دهی ورق است که در آن شکل‌دهی پلیمر فقط با استفاده از غلتک‌ها صورت می‌گیرد. یعنی مذاب پلیمری تحت جریان، وارد فضای بین دو رل شده و با فشار زیاد و تاثیر جریان برشی ناشی از سطح غلتک‌ها به ورق تبدیل می‌شود. محصول نهایی ضخامت یکسانی دارد (تلرانس ضخامت کمتر از 0.005 میلیمتر است).

کلندرینگ فرآیندی با ماشین‌آلات بزرگ و تجهیزات گران قیمت است. چرا که‌این روش به غلتک‌هایی با سطح بسیار صاف و درجات بالایی از پرداخت سطحی نیاز دارد که از جنس نیکل، آلومینیم، استیل، تیتانیم،کروم ساخته شده باشد. فشار وارده به‌این غلتک‌ها عموما بیش از 40 تن است، این باعث می‌شود تا این غلتک‌ها بسیار حساس و آسیب‌پذیر باشند. همچنین به‌علت عبور مادۀ نیمه‌مذاب از میان این غلتک‌ها و جهت حفظ ضخامت ورق نیاز است تا این غلتک‌ها از خواص حرارتی مناسبی برخوردار باشند.

شکل 9: شماتیک فرآیند کلندرینگ

قسمت‌های مختلف خط تولیدکلندرینگ عبارت‌اند از:

بخش تامین مواد ورودی یا ناحیۀ تغذیه: این بخش می‌تواند شامل یک دستگاه اختلاطی مثل بنبوری یا یک میکسر داخلی یا یک اکسترودر باشد. تغذیۀ ورودی کلندرینگ به‌صورت پیوسته به ناحیۀ بین دو غلتک اول داده می‌شود.

غلتک‌های شکل‌دهی: در این بخش مذاب از بین حداقل سه غلتک عبور کرده و به ضخامت مورد نظر دست پیدا می‌کند. این بخش در ایجاد سطوح بسیار صاف با درجه پرداخت بسیار بالا بسیار موثر است.

بخش سردسازی و بسته‌بندی: در خط تولید کلندرینگ از یک سری غلتک برای ادامۀ فرآیند سردسازی و همچنین برای جمع‌آوری فیلم یا ورق تولیدی استفاده می‌شود.

از روش کلندرینگ می‌توان برای تولید ورق‌های چند لایه با روکش‌های و ورق‌های با تصاویر برجسته استفاده کرد. بیشترین کاربرد روش کلندرینگ تولید ورق از جنس پلی‌وینیل‌کلراید (PVC نرم) است.

شکل 10: تصاویر ماشین کلندرینگ

 

 

منبع: بررسی وضعیت صنعت ماشین‌سازی پیشرفته در کشور در حوزه‌های صنعتی منتخب (1397)؛ پژوهشکده مطالعات فناوری، اندیشکده ماشین‌سازی

 

 

 

 

نظرات

پاسخ به نظــر بازگشت به حالت عادی ثبت نظر

Captcha