کمی کردن مشکل طراحی قطعات پلاستیکی

کمی کردن مشکل طراحی قطعات پلاستیکی

در ادامه مبحث طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی به بررسی مشکل کمی کردن طراحی این قطعات پرداخته می شود.

به منظور ارزیابی ویژگی های ساختاری یک قطعه یا جزء پلاستیکی، طراح ابتدا باید مسئله(های) طراحی سازه را به وضوح تعریف کند و موارد را به شکلی قرار دهد که بتوان آن را به صورت تحلیلی ارزیابی کرد.

طراح باید قبل از شروع هر نوع محاسبات سازه ای، تعدادی از عوامل را ارزیابی و مشخص کند. این عوامل عبارتند از:

 هندسه قطعه

 نوع ساپورت یا مهار

 شرایط بارگذاری

 شرایط محیطی

 رفتار مواد/خواص مکانیکی

 عوامل ایمنی

 

هنگامی که این موارد کمی سازی شدند، طراح می تواند یک سری محاسبات طراحی را انجام دهد، نتایج را بررسی کند، طرح را تغییر دهد، دوباره محاسبه کند، و بر روی جزئیات طرح تکرار کند تا نتایج مورد نظر به دست آید.

در فرآیند طراحی قطعات پلاستیکی، کمی کردن مشکلات طراحی یک مرحله حیاتی است که به طراحان کمک می‌کند تا ویژگی‌های ساختاری قطعه را به دقت ارزیابی کنند. این فرآیند شامل تعریف و کمی‌سازی عوامل مختلف است که بر عملکرد و ساختار قطعه تأثیر می‌گذارند. در ادامه، به تفصیل به این عوامل اشاره می‌شود:

عوامل کمی‌سازی شده در طراحی

1. هندسه قطعه:
– شکل و ابعاد: هندسه قطعه شامل شکل، ابعاد، و زوایای آن است که بر توزیع تنش و استحکام قطعه تأثیر می‌گذارد.
– تأثیر بر استحکام: هندسه نامناسب می‌تواند منجر به نقاط ضعف در قطعه شود که در شرایط بارگذاری، احتمال شکست را افزایش می‌دهد.

2. نوع ساپورت یا مهار:
– نقش در تثبیت: ساپورت‌ها یا مهارها به تثبیت قطعه در شرایط مختلف کمک می‌کنند و از ایجاد تنش‌های ناخواسته جلوگیری می‌کنند.
– تأثیر بر پایداری: انتخاب نوع مناسب ساپورت می‌تواند پایداری قطعه را در برابر بارهای مختلف افزایش دهد.

3. شرایط بارگذاری:
– انواع بار: بارهای مختلفی مانند بارهای استاتیکی، دینامیکی، و ضربه‌ای می‌توانند بر قطعه تأثیر بگذارند.
– تأثیر بر طراحی: درک شرایط بارگذاری کمک می‌کند تا طراح بتواند قطعه را به گونه‌ای طراحی کند که در برابر این بارها مقاومت داشته باشد.

4. شرایط محیطی:
– دما و رطوبت: تغییرات دما و رطوبت می‌توانند بر خواص مکانیکی پلاستیک تأثیر بگذارند و باعث تغییر در استحکام یا انعطاف‌پذیری شوند.
– مواد شیمیایی: در محیط‌هایی که مواد شیمیایی وجود دارد، مقاومت شیمیایی پلاستیک نیز باید در نظر گرفته شود.

5. رفتار مواد/خواص مکانیکی:
– استحکام کششی و فشاری: خواص مکانیکی پلاستیک مانند استحکام کششی و فشاری در طراحی قطعه مهم هستند.
– مدول الاستیسیته: مدول الاستیسیته نشان‌دهنده انعطاف‌پذیری پلاستیک است و در شرایط بارگذاری دینامیکی مهم است.

6. عوامل ایمنی:
– استانداردهای ایمنی: رعایت استانداردهای ایمنی برای اطمینان از عملکرد مطمئن قطعه ضروری است.
– خطرات احتمالی: شناسایی خطرات احتمالی و طراحی قطعه به گونه‌ای که این خطرات را به حداقل برساند، از مهم‌ترین وظایف طراح است.

فرآیند کمی‌سازی و طراحی

پس از کمی‌سازی این عوامل، طراح می‌تواند یک سری محاسبات طراحی را انجام دهد. این فرآیند شامل مراحل زیر است:

– محاسبات اولیه: انجام محاسبات برای ارزیابی اولیه طرح.
– بررسی نتایج: تحلیل نتایج برای شناسایی نقاط ضعف یا نیاز به اصلاح.
– اصلاح طرح: تغییر در طرح بر اساس نتایج به دست آمده.
– تکرار محاسبات: انجام محاسبات مجدد پس از اصلاح طرح تا زمانی که نتایج مطلوب حاصل شود.
– تکرار فرآیند: تکرار این فرآیند تا زمانی که طرح بهینه و مطمئن حاصل شود.

این فرآیند تکراری به طراح کمک می‌کند تا قطعه‌ای با عملکرد مطلوب و حداقل خطرات طراحی کند.

 

کمی کردن مشکل طراحی قطعات پلاستیکی

نقش هندسه قطعه در طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی

ساده سازی هندسه قطعات پلاستیکی

ساده سازی هندسه قطعات پلاستیکی

در ادامه بحث طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی به مبحث ساده سازی هندسه قطعات پلاستیکی پرداخته خواهد شد. انجام درست این موضوع می تواند در تولید نقش به سزایی داشته باشد.

قطعات پلاستیکی از نظر پیچیدگی هندسی متفاوت هستند. با این حال، معمول است که قطعات پلاستیکی قالب‌گیری شده دارای هندسه نسبتاً پیچیده باشند، زیرا یکی از مزایای عمده مواد پلاستیکی توانایی آنها در قالب‌گیری به اشکال پیچیده است. به منظور پیش‌بینی تنش‌ها، کرنش‌ها، یا انحراف‌های ناشی از بارگذاری سرویس پیش‌بینی‌شده، ممکن است لازم باشد هندسه قطعه را تا حدی وابسته به تکنیک تحلیل مورد استفاده ساده کنیم.

فرمول های کلاسیک برای تنش و کرنش به دست آورده شده است و در کتابچه های راهنما برای اکثر هندسه های منظم آورده شده است. این هندسه ها عبارتند از: تیرهای مستقیم، مخروطی یا منحنی، ستون ها، صفحات یا پوسته های دوار.

هندسه قطعات پلاستیکی را اغلب می توان با استفاده از یک یا چند مورد از این اشکال هندسی اصلی تقریب زد. قسمت نشان داده شده در شکل 1 را در نظر بگیرید که از یک سطح صاف با تکیه گاه های یکپارچه در امتداد دو طرف کوتاه تشکیل شده است. یک باس توخالی کوچک از دیواره قسمت اسمی بیرون می‌آید و برای دریافت یک اینسرت فلزی با رزوه داخلی طراحی شده است.

تجزیه و تحلیل ساختاری این محصول شامل چندین محاسبه جداگانه است. به عنوان مثال، یک محاسبه، روی تنش ها و کرنش های حلقه در دیواره کاسه توخالی مرتبط با فشار دادن یک اینسرت فلزی بزرگ به سوراخ دریافت تمرکز می کند.

هندسه باس توخالی را می توان به عنوان یک پوسته استوانه ای با مقادیر شعاع داخلی و خارجی مشخص توصیف کرد. تنش ها و کرنش ها (به عنوان مثال تنش های شعاعی) مرتبط با فشار دادن اینسرت فلزی به باس توخالی را می توان با استفاده از فرمول های مناسب برای پوسته های استوانه ای محاسبه کرد. یک طراح همچنین می تواند نیروی مربوط به عملیات پرس را تعیین کند. نیروهای مرتبط با فشار دادن اینسرت به باس باعث انحراف (و تنش) در امتداد سطح محصول افقی می شود. این مشکل طراحی سازه دوم را می توان با استفاده از تجزیه و تحلیل تیر یا صفحه ارزیابی کرد. نیروهای واکنش ناشی از مشکل باس به عنوان شرایط بارگذاری برای مشکل انحراف تیر یا صفحه استفاده می شود.

معمول است که قطعات با هندسه پیچیده را به یک سری از قطعات فرعی با هندسه منظم تقسیم می کنند و تنش ها و کرنش ها را در هر یک از این قسمت ها به صورت جداگانه ارزیابی می کنند (مانند تیرهای یک سرگیردار، جایی که تیر در آن قرار دارد. به عنوان یک بخش جداگانه در نظر گرفته می شود).

نتایج تحلیل‌های مستقل باید به صورت تقریبی در نظر گرفته شوند، زیرا بخش‌های فرعی واقعاً موجودیت‌های مستقلی نیستند. در این مورد، فرض می‌کنیم که هندسه باس هیچ تأثیری بر صلبیت یا توزیع تنش برای تیر ندارد و این تیر بر رفتار باس توخالی تأثیر نمی‌گذارد. این رویکرد، خطای بزرگی را معرفی می‌کند که به درجه تعامل بین هندسه‌های مختلف مرتبط است. برخی از هندسه های قطعه، را باتوجه به نوع های توصیف شده در بالا می توان تزیه و تحلیل کرد، در حالی که سایر هندسه های پیچیده تر را نمی توان بدون ارائه خطاهای بسیار مهم ساده کرد. در چنین مواردی، تکنیک های تحلیل سازه FEA توصیه می شود.

 

 

ساده سازی هندسه قطعات پلاستیکی طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی و قالب های صنعتی تزریق پلاستیک

شکل 1. هندسه های پیچیده تر را می توان به یک سری از هندسه های منظم برای تجزیه و تحلیل تقریبی تقسیم کرد. این موضوع طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی را بسیار ساده تر می کند.

 

طراحی قطعات پلاستیکی با روش المان محدود

طراحی قطعات پلاستیکی با روش المان محدود

پیشتر بیان شد که طراحی قطعات پلاستیکی با روش المان محدود و روش تحلیلی می تواند یک رویکرد بسیار مناسب باشد که به کاهش زمان برای طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی کمک بسیاری می کند. البته باید در نظر داشت که روش المان محدود بسیار ارجح تر می باشد.

مثالی از مجموعه تیرهای ضربه ای را در نظر بگیرید. طراحی ساختاری مجموعه‌های snap-fit ​​یک مشکل طراحی است که در بسیاری از قطعات پلاستیکی با آن مواجه است. تیرهای ضربه‌ای که مستقیماً در قطعات پلاستیکی قالب‌گیری می‌شوند، در طول مونتاژ محصول به طور مختصر یا لحظه‌ای منحرف می‌شوند و سپس در قسمت جفت‌گیری در قسمت زیرین قرار می‌گیرند (شکل 1).

تنش‌ها و کرنش‌های مرتبط با عملیات مونتاژ را می‌توان با استفاده از فرمول‌های مهندسی کلاسیک که برای تیرهایی که در معرض خمش هستند (در این مورد یک تیر یک سرگیردار) به دست آمده است، تخمین زد. فرمول ها با استفاده از مفروضاتی ، مانند طول تیر به طور قابل توجهی بیشتر از عمق تیر، به دست می آیند و بنابراین تنش های خمشی غالب است. سپس فرمول ها ممکن است برای تیرهایی که نسبت L/h نسبتاً زیادی دارند، دقیق باشند. با این حال، هنگامی که فرمول های کلاسیک برای تیرهای نسبتاً کوتاه اعمال می شود، نتایج می تواند گمراه کننده باشد و باعث خطای قابل توجهی شود به عنوان مثال برای تیرهایی که نسبت L/h نسبتاً پایینی دارند. یک مطالعه المان محدود نشان داده است که خطاهای مرتبط با تئوری خمشی کلاسیک با کاهش نسبت ابعاد تیر افزایش می یابد.

 

طراحی قطعات پلاستیکی با روش المان محدود طراحی و ساخت

شکل 1. تیر یک سر گیردار ضربه ای

 

تکنیک‌های FEA را می‌توان به‌جای رویکرد کلاسیک در اینجا برای به دست آوردن توصیف دقیق‌تری از تنش‌ها و کرنش‌های مرتبط با انحراف تیر یا ضربه‌ به تیرهای یک سرگیردار استفاده کرد. هندسه کل قسمت پلاستیکی یا بخش قطعه با استفاده از نرم افزار طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) مدل سازی شده است و یک شبکه المان محدود که از یک سری المان ساده به هم پیوسته در رئوس یا گره ها تشکیل شده است، بر روی این هندسه قرار می گیرد.

تعداد عناصر یا چگالی مش استفاده شده در آنالیز به عواملی مانند نرخ تغییر کرنش در آن ناحیه خاص از قطعه و ظرفیت کامپیوتر بستگی دارد. تراکم مش را می توان در مناطق مشکل دار مانند گوشه هایی که غلظت تنش بالا است افزایش داد. سپس شرایط/بارهای مرزی یا محدودیتی بر روی شبکه عناصر یا مدل کامپیوتری اعمال می‌شود و پاسخ بر حسب تنش، کرنش و انحراف زمانی که رایانه صدها معادله را به طور همزمان حل می‌کند، ایجاد می‌شود.

در حالت ایده‌آل، FEA برای قطعات پلاستیکی باید شامل اثرات ناشی از رفتار تنش-کرنش غیرخطی برای کاربردهای با کرنش بالا مانند اتصالات محکم باشد. این تکنیک‌های تحلیل ساختاری مبتنی بر کامپیوتر قادر به مدیریت هندسه‌های پیچیده‌تر و شرایط بارگذاری یا به طور کلی موقعیت‌هایی هستند که استفاده از فرمول‌های کلاسیک مناسب نیست. تکنیک های تجزیه و تحلیل FEA به ویژه برای کاربردهای دینامیکی مفید هستند زیرا هم انتقال حرارت و هم رفتار کرنش تنش را می توان در نظر گرفت.

صرف نظر از تکنیک تحلیلی مورد استفاده توسط طراح، دقت نتایج به‌دست‌آمده (به عنوان مثال، همبستگی آنها با عملکرد واقعی محصول) مستقیماً با توانایی طراح در تعیین کمیت مشکل طراحی به درستی مرتبط است. طراح باید مجموعه وسیعی از اطلاعات را به دست آورد و اطلاعات را تا حدی ساده کند که برای تحلیل مورد استفاده مناسب باشد.

به عنوان مثال، تجزیه و تحلیل غربالگری اولیه را می توان با استفاده از هندسه های ساده شده انجام داد، در حالی که هندسه های واقعی تر (و پیچیده تر) و تحلیل های ساختاری مبتنی بر کامپیوتر برای محاسبات طراحی نهایی و حیاتی تر استفاده می شوند.

 

 

شکل 2. فرمول های خمشی کلاسیک برای تیرهای باریک به خوبی کار می کنند، اما برای تیرهای کوتاه مناسب نیستند، جایی که انحراف برشی و دیواره قابل توجه است.

امروزه استفاده از روش المان محدود با توجه به گسترش تکنولوژی ساخت رایانه ها با سرعت های بسیار بالا، برای طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی بسیار مقرون به صرفه می باشد.

طراحی قطعات پلاستیکی با رویکرد تحلیلی

طراحی قطعات پلاستیکی با رویکرد تحلیلی

در ادامه بحث طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی به موضوع طراحی قطعات پلاستیکی با رویکرد تحلیلی و المان محدود پرداخته می شود.

روابط مهندسی سازه به طراح این امکان را می دهد که تنش ها یا کرنش هایی را که در اثر بار مکانیکی یا تغییر شکل تحمیلی محصول ایجاد می شود، تخمین بزند. نتایج چنین تجزیه و تحلیل ساختاری ، مبنای مناسبی را فراهم می کند که بر اساس آن می توان تصمیمات طراحی را اتخاذ کرد، که بسیاری از آنها به طور غریزی آشکار نیستند. تجزیه و تحلیل مهندسی تنها تخمینی از نحوه رفتار محصول تحت بار را ایجاد می کند، زیرا تعدادی از مفروضات، مانند خواص مواد، نظم شکل و شرایط مرزی، که همگی ساده سازی هستند، باید انجام شوند. علاوه بر این، روابط نظری با روش های ریاضی که اغلب شامل مفروضات بیشتر است، به دست می آیند.

فرمول‌های کلاسیک برای تنش و کرنش ساده‌ترین این تحلیل‌های ساختاری از فرمول‌های مهندسی استفاده می‌کنند که با فرض رفتار مواد همسانگرد، همگن و الاستیک به دست آمده‌اند. اگرچه بیشتر مواد پلاستیکی رفتار الاستیک خطی و همسانگرد از خود نشان نمی دهند، محاسبه برای کاربردهای تنش تک محوری و چند محوری امکان پذیر می باشد به شرطی که از روابط تنش-کرنش ویسکوالاستیک یا وابسته به زمان استفاده شود. آقای کریت این نکته را به خوبی خلاصه می کند که بیان می کند استفاده از فرمول های مهندسی برای طراحی قطعات از پلاستیک های مهندسی یک رویکرد منطقی است، اما باید با دقت انجام شود. نتایج را معمولاً می توان در مدت زمان نسبتاً کوتاهی با حداقل هزینه ایجاد کرد. طراح باید تنش ها و کرنش های حاصل از تجزیه و تحلیل سازه را بررسی کند و به دقت آن تنش ها و کرنش ها را با تنش ها و کرنش های مجاز برای مواد پلاستیکی مورد استفاده برای ساخت محصول مقایسه کند.

تجزیه و تحلیل اجزای محدود

تجزیه و تحلیل اجزای محدود استفاده از تکنیک های تحلیل سازه خطی و غیرخطی به کمک کامپیوتر، دقت، تفسیر و سرعت انجام ارزیابی های طراحی سازه را بهبود بخشیده است. رایانه ها معمولاً برای تجزیه و تحلیل مسائل طراحی سازه با استفاده از تکنیک های عددی یا اجزای محدود استفاده می شوند. در تجزیه و تحلیل المان محدود (FEA) یا تجزیه و تحلیل المان مرزی (BEA)، یک مسئله پیچیده به یک سری از مسائل فرعی مرتبط با یکدیگر تقسیم می شود که با کمک رایانه حل می شوند. این تکنیک‌های قدرتمند دهه‌ها پیش برای سازه‌های فلزی توسعه یافتند و اکنون معمولاً برای تجزیه و تحلیل رفتار ساختاری و حرارتی قطعات پلاستیکی استفاده می‌شوند. تکنیک‌های خطی FEA برای حل تنش‌ها و کرنش‌ها در شرایطی که بارها و انحراف‌ها نسبتاً کوچک هستند استفاده می‌شود. تکنیک‌های اجزای محدود همچنین می‌توانند عواملی مانند رفتار تنش-کرنش غیرخطی، رفتار تنش-کرنش وابسته به زمان/دما، ناهمسانگردی و پسماند را در نظر بگیرند. خروجی حاصل از تجزیه و تحلیل اجزای محدود می تواند طراح را از مناطقی با تنش بالقوه بالا آگاه کند و به طراح اجازه دهد تا متغیرهایی مانند شعاع گوشه، ضخامت دیواره یا محل اتصال دهنده ها را بهینه کند. FEA نیاز به آزمایش نمونه اولیه را از بین نمی برد، بلکه با ارائه یک نشانه اولیه از مناطق مشکل دار که می توانند برای آزمایش نمونه اولیه هدف قرار گیرند، از روش نمونه سازی تمجید می کند. استفاده از FEA احتمالاً تعداد تکرارهای نمونه سازی فیزیکی مورد نیاز در طول توسعه محصول را به حداقل می رساند.

 

 

طراحی قطعات پلاستیکی با رویکرد تحلیلی المان محدود ساخت

 تجزیه و تحلیل المان محدود برای پیش بینی تنش ها و انحراف برای یک تیر مونتاژ گیره دار قالب گیری شده تحت یک بار متمرکز در انتهای آزاد استفاده می شود.

امروزه استفاده از نرم افزارهای المان محدود مانند نرم افزار آباکوس برای طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی بسیار متداول است.

طراحی قطعات پلاستیکی بر اساس تجربه

طراحی قطعات پلاستیکی بر اساس تجربه

در ادامه مبحث طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک به موضوع طراحی قطعات پلاستیکی بر اساس تجربه و همچنین طراحی آن ها بر اساس آزمایشات تجربی پرداخته هواهد شد. البته هیچ جایگزینی برای تجربه طراحی وجود ندارد، با این حال، تکامل پویای صنعت پلاستیک منجر به کمبود طراحان با تجربه در زمینه طراحی محصولات پلاستیکی شده است.

از لحاظ تاریخی، طراحی قطعات پلاستیکی بر اساس تجربیات گذشته یا قوانین کلی بوده است. این رویکرد طراحی به طور گسترده برای طراحی محصولات پلاستیکی، به ویژه برای قطعاتی که برای استفاده در کاربردهای سازه ای، غیر سازه ای یا بسیار سبک طراحی شده اند، استفاده شده است.

با استفاده از این رویکرد، تصمیمات طراح بر اساس تجربیات گذشته است، اعم از خوب و بد می باشد. در واقع با استفاده از این رویکرد ، طراحان بسیار با تجربه، در کار با مواد آشنا و هندسه های معمول طراحی ممکن است کاملاً موفق باشند.

با این حال، هنگامی که طراح با محصولی با شکل بسیار متفاوت روبرو می شود، یا محصولی که با استفاده از مواد پلاستیکی جدید یا ناآشنا ساخته می شود، تجربه قبلی او ممکن است کم یا بی فایده باشد.

این احتمال وجود دارد که تعداد زیادی از محصولاتی که با استفاده از این رویکرد طراحی شده‌اند، طراحی نامناسبی داشته باشند، که منجر به شکست زودرس محصول در طول سرویس، یا احتمالاً در هنگام مونتاژ محصول می‌شود.

از سوی دیگر، قطعه ای که با ضریب اطمینان بالا طراحی شده است ممکن است در سرویس به خوبی عمل کند، اما ممکن است طراحی کارآمدی نباشد. عملکرد این قطعه با ضریب اطمینان بالا طراحی شده به عنوان یک تجربه خوب توسط طراح محصول تلقی می شود و بر تصمیمات طراحی محصول آینده تأثیر می گذارد. قطعه با ضریب اطمینان بالا طراحی شده ممکن است در سرویس خراب نشود، اما ممکن است:

 پیچیده تر از نیاز باشد،

 استفاده از مواد بیشتر از نیاز باشد،

 دارای  دیواره های بیش از حد ضخیم است که منجر به مشکلات چرخه تولید / کیفیت می شود و

 تولید آن گران تر از گزینه طراحی مناسب تر قطعه باشد.

در حالی که هیچ جایگزینی برای تجربه وجود ندارد، شانس کمی برای دستیابی به طراحی سازه بهینه تنها با استفاده از قوانین سرانگشتی وجود دارد.

 

 طراحی با رویکرد آزمایش تجربی

یک طراح قطعه همچنین ممکن است تصمیم بگیرد که مفاهیم طراحی یک قطعه پلاستیکی را صرفاً بر اساس آزمایش تجربی انجام شده بر روی نمونه اولیه قطعات پلاستیکی ارزیابی کند. این رویکرد دارای ارزش قابل توجهی است و احتمالا محافظه کارانه ترین مسیر برای طراحی قطعه خواهد بود.

طراحی سازه ای که صرفاً بر اساس تجزیه و تحلیل نمونه اولیه و طراحی مجدد تکراری باشد به احتمال زیاد منجر به طراحی قابل اعتماد می شود، مشروط بر اینکه کیفیت نمونه اولیه نماینده کیفیت قطعه تولید باشد و شرایط خدمات پیش بینی شده را بتوان شبیه سازی و ارزیابی کرد.

با این حال، این رویکرد گران است و شاید مهمتر از آن، می تواند یک دوره زمانی بیش از حد طول بکشد، به خصوص اگر اثرات طولانی مدت مانند رفتار خزش یا ثبات محیطی ارزیابی شود. قطعات نمونه اولیه واقعی، از نظر عملکرد ساختاری، ابعادی و محیطی، تنها در صورتی می توانند تولید شوند که سیستم مواد تولیدی (حاوی تمام مواد افزودنی) با استفاده از تکنیک تولید واقعی ، پردازش شود.

ابزارآلات نمونه اولیه مورد نیاز برای تولید این قطعات نمونه واقعی نسبتاً گران است و ساخت آن ممکن است هفته ها یا حتی ماه ها طول بکشد. هنگامی که از قطعات نمونه اولیه قالب گیری شده استفاده می شود، هزینه ها و زمان مرتبط با چندین تکرار طراحی (اصلاحات قالب) می تواند بیش از حد باشد.

نمونه‌های اولیه ماشین‌کاری‌شده، نمونه‌های اولیه ریخته‌گری یا نمونه‌های اولیه تولید جسم جامد (نمونه‌های اولیه سریع) را می‌توان برای آزمایش اولیه استفاده کرد. با این حال، عملکرد ساختاری قطعات تولید شده با استفاده از این تکنیک ها واقعاً نماینده عملکرد قطعه قالب گیری شده نخواهد بود.

توسعه محصول صرفاً بر اساس این رویکرد تجربی عموماً عملی نیست و می‌توان آن را عملکرد مهندسی ضعیف در نظر گرفت زیرا بسیاری از تکرارهای اولیه و طراحی اولیه را می‌توان از قبل با استفاده از تحلیل‌های مهندسی مناسب پیش‌بینی کرد.

توجه به این نکته مهم است که از مرحله نمونه اولیه توسعه محصول پلاستیکی نمی توان به طور کلی اجتناب کرد، زیرا تأیید آزمایشی یک طرح مهندسی همیشه توصیه می شود (یا ممکن است توسط مراکز نظارتی خاص مورد نیاز باشد). با این حال، هزینه و زمان مرتبط با ساخت قطعه اولیه یا ابزارآلات می تواند به طور قابل توجهی با ترکیب یک تحلیل مهندسی سازه در مراحل اولیه فرآیند طراحی محصول پلاستیکی کاهش یابد.

طراحی قطعات پلاستیکی بر اساس نجربه طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک

طراحی قطعات پلاستیکی بر اساس نجربه، مشاهده می شود که از یک قطه فلزی چند نمونه پلاستیکی طراحی شده است.

نوع طراحی قطعه پلاستیکی بر پروسه طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک بیشترین تاثیر را دارد. زیرا هندسه همواره بالاترین اهمیت را در نوع طراحی قالب دارد.

طراحی قطعات پلاستیکی

طراحی قطعات پلاستیکی

در ادامه بحث طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک به موضوع اهمیت، نحوه و جایگاه طراحی قطعات پلاستیکی در صنعت پرداخته خواهد شد.

طراحی یک قطعه یا جزء پلاستیکی قالب‌گیری شده تحت تأثیر عواملی مانند الزامات زیبایی شناختی، قابلیت ساخت و ملاحظات مختلف عملکرد نهایی است. در بسیاری از موارد، الزامات عملکردی محصول شامل پایداری ابعادی و توانایی مقاومت در برابر تنش ها یا کرنش های خدماتی ناشی از خارج است. تنش ها یا کرنش هایی که در طول عملیات تولید و مونتاژ محصول با آن مواجه می شوند نیز می توانند نگرانی قابل توجهی باشند.

در نتیجه، ارزیابی قابلیت اطمینان ساختاری یک طرح پیشنهادی برای اطمینان از عملکرد مناسب محصول در طول مونتاژ و سرویس ضروری است. هدف از فرآیند طراحی سازه، تولید یک طرح قطعه است که بتواند بارها یا انحرافات تحمیلی را که احتمالاً در طول سرویس با آنها مواجه می شوند، تحمل کند. این باید در چارچوب محدودیت های دیکته شده توسط مواد و عملیات تولیدی که برای برنامه انتخاب شده اند انجام شود.

از آنجایی که همیشه نمی توان شرایط بارگذاری را برای یک قطعه خاص با قطعیت زیاد محاسبه کرد، یک سری محاسبات طراحی سازه معمولاً در شرایط بارگذاری انجام می شود که معرف شرایط پیش بینی شده در شرایط عادی سرویس است، و در شرایطی که تصور می شود نشان دهنده باشد. بدترین سناریو مفهوم طراحی سازه را می توان با استفاده از اصل حالت های حدی خلاصه کرد:

هدف از طراحی سازه دستیابی به یک احتمال قابل قبول است که سازه در حال طراحی برای استفاده ای که برای آن مورد نیاز است نامناسب نخواهد شد. ه.، اینکه به یک حالت حد نمی رسد.

در حالی که این فلسفه به وضوح هدف مهندس طراحی سازه است، پیش بینی احتمال شکست برای یک طراحی قطعه پلاستیکی معین می تواند دشوار باشد زیرا خواص مواد پلاستیکی تابعی قوی از دو عامل محیط خدمات و شرایط ساخت است، که تا حد زیادی خارج از کنترل کامل طراح محصول هستند. برای مثال، قطعاتی که به درستی طراحی شده‌اند، اما به‌درستی پردازش یا قالب‌گیری شده‌اند، ممکن است به دلیل عواملی مانند تخریب مواد، جهت‌گیری بیش از حد، تنش پسماند، استحکام جوش ضعیف، یا سایر مشکلات مربوط به پردازش، از کار بیفتند.

روش شناسی طراحی

یک طراح محصولات پلاستیکی می تواند به مشکلات طراحی ساختاری به یک یا چند روش زیر برخورد کند. طراح می تواند:

 طراحی را بر اساس تجربیات گذشته قرار دهید (یک حدس علمی بسازید یا از قوانین سرانگشتی استفاده کنید)

 یک رویکرد تجربی، توسعه یک طراحی قابل اعتماد با استفاده از تجزیه و تحلیل نمونه اولیه

 استفاده از یک رویکرد تحلیلی، با استفاده از روابط مهندسی برای تنش و کرنش.

 

همه این رویکردها مزایا و محدودیت های نسبی خود را دارند و در بیشتر موارد، فرآیند طراحی محصول شامل عناصر ترکیبی هر رویکرد است.

طراحی قطعات پلاستیکی ساخت و تولید قالب های تزریق پلاستیک

شکل هندسی قطعات پلاستیکی تاثیر بسیار مهمی بر روی طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک دارد. علاوه بر این موضوع عملا دوام و پایداری قطعه پلاستیکی به طراحی آن بسیار مرتبط می باشد.

استانداردسازی مواد پلاستیکی (بخش دوم)

استانداردسازی مواد پلاستیکی (بخش دوم)

 

در ادامه مبحث طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک به بخش دوم استانداردسازی مواد پلاستیکی پرداخته خواهد شد.

با این حال، استانداردهایی مانند ASTM D4000، سیستم طبقه‌بندی استاندارد برای مشخص کردن مواد پلاستیکی می باشد، که تلاش می‌کند یک سیستم طبقه‌بندی برای جدول‌بندی خواص مواد پلاستیکی پر نشده، پر شده و تقویت‌شده را ارائه کند.

سیستم طبقه بندی و مشخصات مواد در نظر گرفته شده است تا وسیله ای جهانی برای شناسایی مواد پلاستیکی مورد استفاده در ساخت محصولات نهایی، تقریباً به همان روشی که فولاد مشخص شده است (به عنوان مثال، فولاد 1030 نشانه عمومی یک گرید فولادی است که می توان از تعدادی تامین کننده دریافت کرد)،  فراهم کند.

سیستم طبقه بندی بر این فرض استوار است که مواد پلاستیکی را می توان به خانواده های عمومی گسترده  بر اساس خانواده شیمیایی و ویژگی های مواد اولیه مرتب کرد.

این سیستم طبقه‌بندی ابزاری برای شناسایی مواد پلاستیکی با استفاده از نام‌گذاری خط استاندارد شده ارائه می‌دهد. این توصیف کامل‌تر مواد ممکن است یافتن مواد جایگزین برای یک کاربرد معین از تامین‌کنندگان مواد رقابتی را برای طراح آسان‌تر کند. سیستم طبقه بندی بر اساس خانواده های مواد عمومی، زیر گروه های درون خانواده های عمومی، پرکننده ها/تقویت کننده ها و خواص فیزیکی است (شکل 1).

 

استانداردسازی مواد پلاستیکی (بخش دوم) طراحی و ساخت قالب تزریق پلاستیک

شکل 1 قالب برای سیستم طبقه بندی/مشخصات مواد ASTM D4000

 

 

نمونه زیر نمونه ای از مواد پلاستیکی تقویت شده است که طبق سیستم طبقه بندی استاندارد شناسایی شده است:

جنس: D4000 PA120G33A53380

مشخصات:

PA 120 = نایلون 66 تثبیت شده با حرارت از جدول PA با مشخصات D 4066

G33 = شیشه تقویت شده با 33 درصد شیشه، اسمی

A = جدول A (D 4066)  برای الزامات خواص

5 = استحکام کششی، 175 MPa min

3 = مدول خمشی، 7500 MPa min

3 = ضربه ایزد، 75 J/m min

8 = دمای انحراف، 235 °C min

0 = نامشخص

در حالی که سیستم طبقه بندی به هیچ وجه کامل نیست، اما قالب استانداردتری را برای شناسایی مواد ارائه می دهد. به عنوان مثال، استاندارد نمی تواند تفاوت ناچیز مرتبط با گریدهای مواد رقابتی (به عنوان مثال، از نظر فرآیندپذیری یا ویژگی های انقباض) را مشخص کند.

داشتن یک سیستم استاندارد، برای طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک یک ضرورت می باشد. همچنین مهندسان طراح  می بایست حتما از منابع استانداردها برای طراحی دقیق تر قالب های تزریق پلاستیک استفاده کنند.

استانداردسازی مواد پلاستیکی (بخش اول)

استانداردسازی مواد پلاستیکی (بخش اول)

 

در ادامه مبحث طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک، به موضوع استانداردسازی مواد پلاستیکی و اهمیت آن پرداخته خواهد شد.

در بیشتر موارد طراحان، مواد کاندید شده را برای یک کاربرد معین با ارزیابی داده‌های عددی خواص ماده غربال می‌کنند. پس از محدود شدن مواد انتخاب شده، درخواست نمونه های قالب گیری شده (مانند نمونه های آزمایشی) از تامین کننده مواد برای به دست آوردن حس عملی برای مواد، بسیار مهم و عالی می باشد. این امر به ویژه هنگام کار با مواد جدید و ناآشنا بسیار مهم است.

هنگامی که یک ماده پلاستیکی توسط یک طراح برای یک عملکرد خاص انتخاب می شود، به طور کلی با توجه به گرید ماده که توسط یک تامین کننده مواد خاص تولید می شود، مشخص می شود. در بیشتر موارد، تامین کنندگان مواد، مواد پلاستیکی را بر اساس موارد زیر مشخص می کنند:

 نام تجاری: توصیف نوع مواد عمومی

 گرید: ساختار خاص، وزن مولکولی، توزیع وزن مولکولی و بسته افزودنی

 مقدار: برای هر دسته تولید خاص (به طور کلی برای اهداف طراحی مشخص نشده است)

در بیشتر موارد، نام تجاری و نام‌های درجه تامین‌کننده مواد به صراحت ترکیب شیمیایی، مواد افزودنی یا خواص فیزیکی مواد را نشان نمی‌دهند (اگرچه تعداد محدودی از مقادیر ویژگی، مانند سرعت جریان مذاب، معمولاً در تعیین شماره گرید کدگذاری می‌شوند. ).

طبق تعریف، نام‌های تجاری برای هر تامین‌کننده مواد منحصر به فرد است و نام‌گذاری گرید هیچ شباهتی به نام‌های تامین‌کننده دیگر ندارد (به عنوان مثال، هیچ استانداردی بین تامین‌کنندگان وجود ندارد).

استانداردسازی مواد پلاستیکی طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک

به عنوان مثال بحث استاندادسازی می تواند کمک کند تا با داشتن نمودارهای مرجع با هزینه کمتری به طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک پرداخت.

در بخش دوم این موضوع، نمونه ای از این استاندادها مثال زده خواهد شد. هرچند که پیشتر ذکر شد، متاسفانه نمی توان عموما بین تولیدکنندگان گریدهای مواد پلیمری یک استاندارد جامع را پیداکرد.

پایگاه اطلاعاتی خواص مکانیکی مواد پلاستیکی-بخش سوم

پایگاه اطلاعاتی خواص مکانیکی مواد پلاستیکی-بخش سوم

در ادامه بحث طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک و قطعات پلاستیکی به بخش دوم پایگاه اطلاعاتی خواص مکانیکی مواد پلاستیکی پرداخته می شود.

در حالی که برخی پایگاه‌های اطلاعاتی فهرست‌های گسترده‌ای از خواص دارند، بسیاری از آنها فقط ویژگی‌های کوتاه‌مدت و تک نقطه‌ای (معمولاً دمای اتاق/50 درصد رطوبت نسبی) مانند مدول اولیه، استحکام تسلیم کششی (یا مقاومت شکست)، مقاومت ضربه ایزود، سختی راکول ، سختی DTUL (HDT) و موارد مشابه را فهرست می‌کنند.

ویژگی های تک نقطه ای به آسانی به صورت دستی یا کامپیوتری بررسی و مقایسه می شوند. ویژگی های تک نقطه ای برای غربالگری اولیه مواد مفید هستند، اما به طور دقیق قابلیت های عملکرد مواد را نشان نمی دهند.

داده های عملکردی کمی بیشتر که اثرات متغیرهایی مانند زمان و دما را بر خواص یک ماده توصیف می کند، برای انتخاب ماده نهایی و طراحی قطعه مورد نیاز است. برخی از پایگاه های داده خانه اطلاعات دارایی کاربردی از این نوع را ارائه می دهند، اما مشکلات رویه و استانداردسازی قالب بین تامین کنندگان هنوز مورد بحث است.

با درک این موضوع، تامین کنندگان مواد اروپایی با یکدیگر روی توسعه مجموعه ای استاندارد شده از مقادیر دارایی کاتالوگ داده های اولیه و قالب پایگاه داده کار کرده اند. یک قالب پایگاه داده استاندارد شده در سال 1988 تحت نام Computer Aided Material Preselection توسط Uniform Standards (Campus)  معرفی شد.

فرمت پایگاه داده CAmpUs یک سیستم بین المللی یکنواخت از فرمت آزمایش و ارائه داده را فراهم می کند.

پایگاه داده از روش‌های تست سازمان استاندارد بین‌المللی (ISO) قوی‌تری استفاده می‌کند که باید توسط هر یک از تولیدکنندگان مواد که از CAMPU به عنوان قالب پایگاه داده خانه استفاده می‌کنند، رعایت شود.

در حالی که هنوز از نظر شرایط ساخت نمونه آزمایشی انعطاف‌پذیری وجود دارد، مجموعه داده‌ها تا جایی استاندارد شده‌اند که مقایسه مستقیم بین تامین‌کنندگان مناسب‌تر باشد.

نسخه اصلی برنامه پایگاه داده کامپیوتر CAMPUs نسخه 1 بر اساس مجموعه ای از 30 مقدار استاندارد شده کاتالوگ داده پایه تک نقطه ای است که طراح را قادر می سازد تا به طور خودکار مواد را بر اساس ویژگی های مکانیکی، حرارتی و الکتریکی غربال کند.

در حالی که برنامه استاندارد شده برای غربالگری اولیه خوب بود، اما داده های کاربردی مورد نیاز برای انتخاب مواد نهایی و طراحی را ارائه نمی کرد.در نسخه بعدی (شماره 2)، موارد زیر برای استفاده در طراحی فرآیند و محصول گنجانده شده است:

 داده های تک نقطه ای برای غربالگری اولیه،

 داده های مکانیکی وابسته به زمان/دما عملکردی،

 داده های رئولوژیکی،

در نسخه‌های بعدی، اطلاعات مقاومت شیمیایی، خواص پیری طولانی‌مدت و داده‌های پردازش اضافی (مانند نمودارهای pvT) اضافه شد. توسعه پایگاه داده CAMPUs اولین گام به سوی استانداردسازی بین المللی در میان تامین کنندگان مواد است.

در حالی که پایگاه داده فهرست کاملی از تمام خواص موادی که یک طراح می‌خواهد ببیند ارائه نمی‌کند، اما مبنای محکم‌تری برای انتخاب مواد و تصمیم‌گیری غربالگری ارائه می‌کند. داده های عملکردی ارائه شده در CAMPU شامل موارد زیر است:

 منحنی های تنش کششی همدما در مقابل کرنش کششی در محدوده دمایی وسیع برای ارزیابی رفتار مکانیکی کوتاه مدت (تا ناحیه تسلیم)

 مدول کششی مقطعی در مقابل منحنی‌های کرنش کششی حاصل از منحنی‌های تنش همدما در مقابل کرنش

 منحنی های مدول در مقابل دما

 منحنی تنش کششی هم زمان در مقابل کرنش کششی برای شش درجه حرارت مختلف (معمولاً در 23، 60 و 100 درجه سانتیگراد) برای ارزیابی عملکرد مکانیکی بلند مدت

 مدول کشش خزشی در مقابل منحنی‌های زمان حاصل از منحنی تنش هم زمان در مقابل کرنش

 منحنی های مدول برشی در مقابل دما در یک محدوده دمایی بسیار وسیع به عنوان نشانه ای از صلبیت به عنوان تابعی از دما

 ویسکوزیته برشی در مقابل منحنی‌های نرخ برش در طیف وسیعی از دماهای پردازش به عنوان معیاری از خواص رئولوژیکی پلیمر (با گزینه‌هایی برای تناسب منحنی‌های مختلف)

 نمودارهای PvT

 نمودارهای طولانی مدت پیری گرما

هنگامی که یک ماده انتخاب شد، در صورت نیاز می توان داده های طراحی اضافی و دقیق تری را از تولید کنندگان مواد دریافت کرد.

 

پایگاه اطلاعاتی خواص مکانیکی مواد پلاستیکی بخش سوم طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک وقطعات پلاستیکی

 

برخی از داده های ارائه شده توسط CAMPUS

استفاده از اطلاعات نشان داده شده در بالا برای استفاده در طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک ضروری می باشد.

پایگاه اطلاعاتی خواص مکانیکی مواد پلاستیکی-بخش دوم

پایگاه اطلاعاتی خواص مکانیکی مواد پلاستیکی-بخش دوم

 

در ادامه بحث طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک و قطعات پلاستیکی به بخش دوم پایگاه اطلاعاتی خواص مکانیکی مواد پلاستیکی پرداخته می شود.

بخش دوم

هنگامی که یک طراح با یک تامین کننده مواد مشورت می کند، یا از پایگاه داده تامین کننده مواد استفاده می کند، به احتمال زیاد به گروهی از گرید های مواد ارائه شده توسط آن تامین کننده خاص محدود می شود.

معمولاً طراحان با توزیع کنندگان موادی کار می کنند که طیف وسیع تری از مواد را برای انتخاب ارائه می دهند. در حالی که تعداد گریدها محدود است، کیفیت و کمیت داده‌های موجود که مستقیماً توسط تأمین‌کننده مواد ارائه می شود، عالی می باشد (این داده‌ها همچنین به عنوان منبع داده‌ها برای پایگاه‌های داده جهانی عمل می‌کنند، که اغلب تنها بخشی از داده‌ها را گزارش می‌کنند که می‌تواند به طور مستقیم از تامین کننده دریافت می شود).

پایگاه های داده نیز می توانند اطلاعات بیشتری را در رابطه با پردازش و طراحی ارائه دهند. به طور کلی بهتر است با چندین تامین کننده مواد کار کنید (یا از چندین پایگاه داده استفاده کنید) تا طیف وسیع تری از مواد را پوشش دهید.

با این حال، از آنجایی که تامین کنندگان مواد تمایل دارند از فرمت های داده منحصر به فرد استفاده کنند و روش های آزمایش/روش های آماده سازی نمونه ناسازگار هستند، مقایسه مستقیم داده های به دست آمده از تامین کنندگان مختلف اغلب نامناسب است.

همچنین در اینجا باید توجه داشت که جداول داده‌های دارایی تامین‌کنندگان مواد اغلب دارای یک سلب مسئولیت هستند که نشان می‌دهد داده‌های فهرست‌شده برای مقادیر خواص مواد معمولی هستند، به عنوان مشخصات دقیق تلقی نمی‌شوند» ، یا مقادیر تقریبی می باشند و بخشی از مشخصات خواص محصول نیستند، زیرا عوامل مرتبط با پردازش بسیار مهم هستند و خارج از کنترل آنها هستند.

پایگاه‌های اطلاعاتی مواد پلاستیکی جهانی جایگزینی برای پایگاه‌های اطلاعاتی تامین‌کنندگان برای انتخاب مواد اولیه ارائه می‌کنند. این پایگاه های داده جهانی داده های موجود را از انواع تامین کنندگان مواد مختلف جمع آوری می کند.

پایگاه‌های اطلاعاتی رایانه‌ای می‌توانند از میان 30000 ورودی مواد داوطلب، مواد مناسب را جستجو کنند. این قالب همچنین تمایل دارد مقایسه مواد رقابتی عرضه شده توسط تولیدکنندگان مختلف را ساده کند.

همانطور که قبلا ذکر شد، مقایسه مستقیم و بدون صلاحیت داده های خواص مواد از تامین کنندگان مواد مختلف (یا بین پایگاه های داده) به دلیل عدم یکنواختی داده ها و استانداردسازی همیشه امکان پذیر نیست.

در واقع، ویژگی‌های فهرست‌شده در پایگاه داده، ویژگی‌های خواص ماده نیستند، بلکه به‌طور مناسب‌تر به عنوان ویژگی‌های قطعه قالب‌گیری شده توصیف می‌شوند.

در حالی که روش‌های آزمایشی که برای تولید داده‌های آزمایش استفاده می‌شوند، به خوبی استاندارد شده‌اند (برای یک آزمون معین)، متغیرهای مرتبط با آماده‌سازی نمونه آزمایشی استاندارد نیستند. به عنوان مثال، نمونه های تهیه شده توسط فرآیند قالب گیری فشرده نتایج متفاوتی نسبت به نمونه های تولید شده توسط فرآیند قالب گیری تزریقی به همراه خواهند داشت.

متغیرهای پردازش مانند دمای مذاب، زمان ماند، میزان رطوبت، دمای ابزار، سرعت تزریق، فشار بسته‌بندی و موارد مشابه، همگی می‌توانند تأثیر قابل‌توجهی بر خواص نمونه‌های آزمایشی قالب‌گیری شده داشته باشند.

سایر متغیرهای نمونه آزمایشی مانند ضخامت نمونه، نوع/محل دروازه، و هندسه رانر به همان اندازه مهم هستند. از آنجایی که در بیشتر موارد، روش‌های آزمایش استاندارد این متغیرها را به طور کامل مشخص نمی‌کنند، نمونه‌های آزمایشی می‌توانند درجات مختلفی از جهت‌گیری مولکولی/الیاف، توزیع تنش در حالت خنک‌ شدن و مناطق بلورینگی (برای پلیمرهای نیمه بلوری) داشته باشند. بنابراین، مجموعه داده‌های ویژگی (پروفایل‌های ویژگی) به‌دست‌آمده با مجموعه‌های مختلف نمونه‌های آزمایشی لزوماً قابل مقایسه نیستند.

پایگاه‌های اطلاعاتی تامین‌کنندگان مواد معمولاً 30 تا 40 ویژگی مختلف مواد (بیشتر بر اساس روش‌های تست استاندارد ASTM یا ISO) و توضیحات گرید (افزودنی‌های اصلی، تأیید نمایندگی، ویژگی‌های پردازش و غیره) را فهرست می‌کنند.

با این حال، پایگاه های داده مختلف تمایل دارند مجموعه های مختلفی از خواص را برای مواد مختلف فهرست کنند. به عنوان مثال، تخمین زده می شود که بیش از 30 روش مختلف برای به دست آوردن مقاومت ضربه ای یک ماده پلاستیکی وجود دارد.

نمایه‌های داده‌ها گاهی بر اساس روش‌های آزمون متناقض هستند و در نتیجه، مقادیر ویژگی‌های مواد مستقیماً قابل مقایسه نیستند. در برخی موارد، پروفایل های داده برای یک ماده معین نیز ناقص هستند.

پایگاه اطلاعاتی خواص مکانیکی مواد پلاستیکی بخش سوم طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک

استفاده از اطلاعات نشان داده شده در بالا برای استفاده در طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک ضروری می باشد.