چگونه تنش های باقی‌مانده در قطعات قالبگیری شده را کاهش دهیم

در این مقاله، ملاحظات طراحی، قالب‌گیری و تثبیت (fixturing) برای کمک به کنترل تنش­های باقی­مانده اجتناب‌ناپذیر آورده شده است.

متغیرهای زیادی مربوط به قالب‌گیری تزریقی وجود دارد و یکی از آن­ها، تنش‌های باقی‌مانده در قطعات قالب‌گیری تزریقی است. این مسئله در تمام قطعات قالب‌گیری تزریقی وجود دارد و واقعیت این است که نمی­توان حتی ساده‌ترین قطعه پلاستیکی را بدون هیچ‌گونه تنش باقی‌مانده­ای قالب‌گیری کرد. این تنش باقی‌مانده باید در زمان طراحی، قالب‌گیری، تثبیت و عملکرد قطعه مورد ارزیابی قرار گیرد. تنش باقی‌مانده می‌تواند قابل‌توجه باشد و اغلب به صورت وادادگی پس از این­که قطعه حمل شد، سوار شد و برای مدت‌زمانی استفاده شد خود را نشان می­دهد. چگونه و چرا این تنش وجود دارد؟

پاسخ ساده است. قطعه زمانی وامی­دهد که مجموع تنش داخلی یا باقی‌مانده و تنش خارجی بیش از استحکام پلاستیک باشد. با یک آزمونه از قطعه­ای که به آسانی قالب­گیری شده برای آزمون وارفتگی گرمایی DTUL (heat-distortion) شروع کنید.

نوار آزمونDTUL  معمول با طول ۵ اینچ، عرض ۵/۰ اینچ و ضخامت ۲۵/۰ یا ۵/۰ اینچ است. آزمونه در شکل ۱ نشان داده شده است. توجه داشته باشید که ضخامت آزمونه می‌تواند متفاوت باشد و می‌تواند با قالب‌گیری تزریقی یا فشاری ساخته شود. هم­چنین، می‌توانید آن را به‌صورت قالب­گیری شده و یا تنش­زدایی شده (Annealed) آزمایش کنید. تنش­زدایی شده به معنی این است که قطعه تا دمایی گرم می­شود که اجازه دهد اکثر تنش­های درون قالب آزاد شود. نکته این است با این­که این قطعه به آسانی قالب­گیری تزریقی می­شود، اما هنگامی­که طبق استاندارد ASTM 256 آزمایش می­شود، تفاوت معنی‌داری بین قطعه قالب­گیری شده (تنش­زدایی نشده) و قطعه تنش­زدایی شده یا تقریبا بدون تنش وجود دارد.

نتایج، اختلاف ۲۲ درجه سانتی‌گراد بین قطعه قالب­گیری تزریقی شده در دو حالت تنش­زدایی شده و نشده و اختلاف ۲۱ درجه سانتی‌گراد برای نمونه‌ی قالب­گیری فشاری شده در دو حالت تنش­زدایی شده و نشده نشان می‌دهد (شکل ۲). واضح است که در این نمونه نسبتا ساده با ضخامت یکنواخت، تنش باقی­مانده وجود دارد.

شکل ۱: نوار آزمون و دستگاه آزمون DTUL.

شکل ۲: نتایج DTUL برای نوارهای آزمون قالب­گیری شده تزریقی و فشاری.

حال، قطعات معمول قالب­گیری تزریقی که تغییرات قابل‌توجهی در ضخامت دیواره اسمی دارند و اغلب شامل هندسه پیچیده­ای هستند را درنظر بگیرید. وقتی این قطعات قالب­گیری تزریقی می‌شوند، تنش‌های باقی‌مانده داخلی بیشتر ایجاد می‌شود. چرا؟

در ادامه، چندین عامل که باعث تنش‌های باقی‌مانده در قطعات پلاستیکی می‌شوند، آورده شده است:

  1. گرمانرم­ها، مولکول‌هایی با زنجیر بلند هستند. در حالت استراحت یا فاقد تنش، زنجیرها کلاف هستند. هنگامی‌که کشیده می‌شود (تحت تنش قرار می­گیرند) کلاف­ها باز می­شوند و نیروهای باقی‌مانده­ای وجود دارد که سعی می‌کنند آن را به شکل کلاف خود در حالت بی­تنش بازگردانند. کشیده شدن کلاف شبیه زمانی است که زنجیرهای مولکولی پلاستیک تحت تنش­های برشی قالب‌گیری تزریقی جریان می‌یابد.
  2. در هنگام پر کردن قطعه، زنجیرهای بسپار وادار به باز کردن کلاف­ها می­شوند و بسته به ضخامت اسمی دیواره، ممکن است زمانی برای دوباره کلاف شدن داشته باشند، یا فرصت­شان کافی نباشد. در قطعات دیواره-نازک، اکثر آن‌ها در حالت کشیده یا تنش­دار منجمد می‌شوند. در قطعات ضخیم‌تر، زنجیر‌های بسپار زمان بیشتری برای دوباره کلاف شدن، پیش از سرد شدن، دارند. و تنش باقی‌مانده کمتر است. البته به دلیل این که سرمایش در طول ضخامت دیواره یکنواخت نیست، موضوع کمی پیچیده­تر از این است که بیان شد. سطح قطعه به‌سرعت سرد می‌شود، زیرا در مجاورت فولاد سرد است. در زیر سطح قطعه، پلاستیک تا حدودی توسط پوسته بیرونی عایق­بندی شده است، زیرا پلاستیک یک رسانای ضعیف گرما است. بنابراین، زنجیرهای بسپار در وسط قطعه، فرصت بیشتری برای دوباره کلاف شدن دارند و در نتیجه تنش باقی‌مانده کمتر از نزدیکی سطح قطعه است.
  3. آهنگ تزریق، نقش مهمی دارد. زمان پرشدگی سریع‌تر، برش بیشتر، جهت‌گیری مولکولی و تنش باقی‌مانده بیشتر ایجاد می­کند. تزریق آهسته‌تر، جهت‌گیری و تنش کمتر ایجاد می‌کند. در مواردی که بعدا قطعه آبکاری (Plating) می­شود یا پوش­رنگ­ (Painting) زده می­شود لازم است آهنگ تزریق کندتر شود تا زنجیرها جهت‌گیری کمتری داشته باشند.
  4. دمای بیشتر قالب، معمولا تنش باقی‌مانده کمتری فراهم می­کند. دماهای کمتر قالب، تنش باقی‌مانده بیشتری را ایجاد می‌کند. می‌توانید قطعه کمی بزرگ­تر با دمای قالب کمتر بسازید، اما تنش باقی‌مانده بیشتر است و اگر وارد چرخه گرمایی شود، مثل یک قطعه برای داخل خودرو، ممکن است قطعه به‌آرامی به جمع­شدگی ادامه دهد و قطعه را وادار به تاب­برداشتن، ترک یا وادادن در آن کاربرد کند. علاوه­بر این، کاربردهای آبکاری و پوش­رنگ­زنی اغلب نیاز به دماهای قالب زیاد دارند تا لایه فلزی یا پوش­رنگ به‌درستی بچسبد. اگر سطح آن تا حد زیادی تحت تنش باشد، آن‌ها نیز به خوبی نمی­چسبند.
  5. هنگامی‌که قطعه از قالب خارج می‌شود، هیچ‌چیزی برای محدود کردن جمع­شدگی نایکنواخت وجود نداشته باشد، تا برخی از بخش­ها هنگامی­که سرد شد، تاب بخورد یا خم شود. برای همین، برخی از قالب­گیران تمایل به تثبیت قطعات دارند تا زمانی که قطعه سرد می­شود در یک موقعیت دلخواه قرار گیرد. مشکل این است که هنگام تثبیت، تنش باقی‌مانده بیشتر ایجاد می‌شود.
  6. زمان فشرده­سازی و نگهداشت فشار (Pack-and-hold) در قالب باعث می‌شود که در گلویی­ها (gates) تنش منجمد شود یا نشود. مولکول‌های بسپار چیزی شبیه انسان هستند. ما یک فاصله اجتماعی داریم که با آن راحت هستیم. به‌عنوان مثال، هنگام صحبت کردن با فرد دیگری، اگر خیلی نزدیک یا خیلی دور باشد می‌تواند ناراحت‌کننده باشد. مولکول‌ها نیز همین رفتار را دارند؛ آن‌ها دوست ندارند بیش‌ازحد فشرده یا نزدیک به هم یا بیش‌ازحد از هم دور باشند. ناحیه­ی گلویی در اکثر قطعات اغلب ناحیه­ا­ی پرتنش است.
  7. بخش‌های نازک سریع‌تر سرد می­شوند و متفاوت از بخش‌های ضخیم دچار جمع­شدگی می­شوند. اگر قسمت های نازک و ضخیم در یک قطعه به هم وصل باشند، تنش­های داخلی زیاد می­شوند و قطعه در طول زمان تغییر شکل می­دهد.
  8. اگر پرانش (Ejection) به‌درستی انجام نشود می‌تواند تنش‌های باقی‌مانده را ایجاد کند. خارج کردن قطعه از قالب، باید از همه طرف یکنواخت بدون چسبیدن، اتصال یا اعوجاج باشد.

با توجه به این و دیگر مسائل که در این­جا مورد بحث قرار نگرفته است، عاقلانه است که قبل از ساخت قطعه بپرسید “آیا می‌تواند تنش را کنترل کند؟” یعنی باید قبل از تولید و نمونه­سازی اولیه بررسی کنید. چطور؟

این نسبتا ساده است و باید برای تمام برنامه‌های قالب­گیری انجام شود. شما در مورد تنش‌های باقی‌مانده اطلاعات بسیاری کسب می‌کنید اگر قطعات خود را پس از قالب­گیری از نظر گرمایی بررسی ‌کنید. به‌این‌ترتیب، آن‌ها را در یک گرم­خانه قرار دهید و ببینید در محدوده دمایی ۱۱۰ تا ۴۰- درجه ­سانتی­گراد چه رخ می‌دهد و سپس این را تکرار کنید. شاید کمی وقت‌گیر باشد اما بهتر است قبل از تولید در مورد مشکلات اطلاعات کسب کنید.

اگر قطعه پس از خروج از پرس درست به نظر رسید، ممکن است در بلندمدت به‌درستی کار نکند. قطعات به جمع­شدگی ادامه می‌دهند و در طول زمان حرکت می‌کنند. حتی برای قطعاتی که شما تثبیت کرده­اید تا آن‌ها را وادار کنید شکل موردنظر را نگه‌دارند، مراقب باشید. شما سعی می‌کنید با ذات ماده مقابله کنید و افراد کمی در این بازی برده‌اند.

منبع: مجله بسپار

برگردان: دکتر فاطمه خودکار