طراحی حرارتی قالب ( نگرشی ساده برای کاهش چرخه تولید )

چکیده
در قالب گیری تزریقی، دمای قالب نسبت به دمای محیط افزایش می یابد تا به یک دمای ثابت برسد. بنابراین حداقل زمان مورد نیاز برای سرد کردن نیز افزایش می یابد. بهبود طراحی گرمایی قالب، زمان سرد کردن را بهینه خواهد کرد و در نتیجه آن مقدار نهایی زمان چرخه تولید کاهش می یابد.
هدف از انجام این کار توسعه دادن نرم افزاریست که توانایی شبیه سازی چند چرخه را داشته باشد و همزمان، زمان شبیه سازی را با دقت بالایی با روند چرخه ها هماهنگ کند. در این تحقیق سه نمونه مورد مطالعه قرار گرفته اند که یکی از آنها در آزمایشگاه نویسندگان انجام شده و دوتای دیگر در یک مجموعه ماشین سازی مورد آزمون قرار گرفته است.  مقدمه:
قالب گیری تزریقی رایج ترین فرایند برای تولید انبوه قطعات پلاستیکی است. این روش مزایای زیادی دارد از جمله: دقت (صحت)، تولید بالا، زمان تولید کم و انعطاف پذیری فرایند. در بازارهای فوق رقابتی امروز، کیفیت عالی و زمان تولید کم از ملزومات موفقیت است. در قالب گیری تزریقی بیش ترین زمان تولید صرف سرد کردن قطعه می شود. متأسفانه اغلب قالب سازان هر بار که قالب جدیدی را می سازند از روش سعی و خطا برای پیدا کردن زمان سردسازی مکفی استفاده می کنند. کاهش دادن بیش از حد زمان سردسازی تأثیر نامطلوبی بر کیفیت قطعه می گذارد. قطعه ای که نادرست سرد شده باشد ایرادهایی از قبیل تاول، تغییر شکل های ناخواسته و تاب برداشتن و … خواهد داشت و اگر فرایند سردسازی را خیلی محتاطانه زیاد در نظر بگیریم، تأثیرات نامطلوبی بر روند اقتصادی تولید خواهیم گذاشت و چیزی که به پیچیدگی مسأله می افزاید طبیعت تکراری فرایند است. به عنوان یک نتیجه منطقی، شرایط قالب از ابتدا تا زمانی که قالب به یک حالت پایدار گرمایی برسد تغییر می کند. پس حداقل زمان سردسازی مورد نیاز تا زمانی که دمای قالب به یک دمای تعادل برسد افزایش پیدا می کند. به طور کلی تا زمانی می-توان شبیه سازی انتقال حرارت سه بعدی را با استفاده از بسته های نرم افزاری المان محدود، برای پیش بینی کردن وضعیت دمایی قالب استفاده کرد که حالتی مشابه حالت پایدار برای قالب ایجاد شود، در آن صورت به راحتی می توان زمان خنک سازی مورد نیاز را پیش بینی کرد؛ اگرچه بنابر پیچیدگی اغلب قالب ها استفاده از این روش کاری، زمان زیادی را طلب می کند.
هدف کلی این پروژه توسعه راهکارهای ساده برای پیش بینی دمای قطعه و تخمین زدن کمترین زمان سردسازی مطمئن با استفاده از شبیه سازی انتقال حرارت یک بعدی و ایجاد کردن قانون ها یا خط‌مشی‌هایی است درباره این که چگونه می توان این روش کاری را برای قطعات پیچیده نیز به کار برد. ما در این مقاله ابتدا روش کار را ارائه کرده و سپس نتیجه عملی را با جواب های پیش بینی شده توسط نرم افزار در قالب های ساده و پیچیده مقایسه می کنیم.
طرح:
چرخه گرمایی در فرایند قالب گیری تزریقی می تواند به دو قسمت تقسیم گردد: گرم کردن بسپار تا دمای ذوب آن و به دنبال آن تزریق بسپار ذوب شده به داخل حفره (Cavity) و سردسازی قطعه برای افزایش استحکام و جدا کردن آن از قالب. در فرایند قالب گیری تزریقی زمان چرخه به چند بخش تقسیم می شود: پر کردن، سرد کردن، باز شدن قالب، پراندن قطعه و بستن قالب. ما در این تحقیق برای تجزیه و تحلیل کردن اهداف؛ زمان چرخه را به سه گام تقسیم کردیم .گام اول مراحل پرکردن و سردکردن را نمایش می دهد. گام دوم مراحل باز شدن قالب و پران را نمایش داده است. به دلیل چسبیدن قطعه به یک طرف قالب؛ شرایط دمایی متفاوتی برای هر یک از دو نیمه قالب وجود دارد. گام نهایی تأخیر در تزریق را قبل از مرحله پرکردن را نشان می دهد. فرض شده که قالب در شروع تحلیل ها کاملاً پر شده باشد. بنابراین هیچ افت دمای ناگهانی در وقتی که قالب جدا می شود مشاهده نشده است. دو برآمدگی کوچک روی منحنی فشار نشانگر جداشدن قالب و پراندن قطعه می باشد (ثانیه ۲۱ام و ۲۸ام علامت گذاری شده اند).
هدف، تولید قطعاتی با کیفیت خوب در شرایط حالت پایدار است. چرخه های تزریق متعددی برای قالب لازم است تا به یک دمای تعادل برسد. تعداد چرخه های مورد نیاز برای رسیدن به چرخه ای ثابت به این بستگی دارد که چقدر طراحی دمایی قالب خوب باشد. برای اینکه وضعیت دمایی قالب را همان طور که در طول زمان توسعه می یابد پیش بینی کنیم، نیاز است که مدل شبیه سازی مناسبی داشته باشیم. در صورتی که یکی از سه وجه قطعه در مقایسه با دو وجه دیگر خیلی کوچک تر باشد؛ می توانیم معادله تعادل حرارتی سه بعدی را به یک معادله یک بعدی ساده تر کنیم. این مورد برای اغلب قطعاتی که بوسیله فرایند قالب گیری تزریقی ساخته می‌شوند صادق است.
مدل های مطالعه شده:
رفتار مدل های متعددی برای این کار مطالعه شده  است تا این نرم افزار شبیه ساز، قابل استناد گردد.
مدل ۱:
اولین تحقیق در آزمایشگاه ما یعنی دانشگاه اُهایو انجام شده که در آن از یک صفحه مسطح مستطیلی با کشویی‌های قابل تنظیم استفاده شده است. ضخامت حفره (Cavity) می توانست از ۰۵/۰ تا ۰۷۵/۰ یا ۱/۰ اینچ و یا ترکیبی از همه اینها تنظیم گردد. از دو پیکربندی مختلف در این تحقیق استفاده شد: ضخامت یکسان مدل که حفره ای به ضخامت ۰۵/۰ اینچ داشت و یک صورت سه ضخامته از قالب که همه ضخامت‌ها در میانه مقطعی با بعد ۰۵/۰ اینچ داشتند. قالب هیچ مجرای خنک کاری نداشت. جنس ماده استفاده شده از پلاستیک های GE بسپار MC-1300 PC-ABS بود. دستگاه استفاده شده برای این کار؛ یک پرس Sumitomo 50 تنی بود. ترکیب ترموکوپل و مبدل فشار که اجزاء لاینفک یک قالب هستند نیز برای جمع آوری داده های استاندارد استفاده شدند. از یک نرم افزار آزمایشگاهی و یک ابزاز اندازه گیری عمومی جمع آوری اطلاعات به صورت همزمان برای ثبت داده ها استفاده شد. هم چنین برای بدست آوردن دقیق دما، از یک دوربین فروسرخ بهره‌برده‌ایم. با رسم روند دما از ترموکوپل برای قالب‌های با ضخامت یکسان و سه ضخامته در یک مقدار ضخامت ۰۵/۰ اینچی ، در تأیید فرض ما که مدل انتقال حرارت یک بعدی برای موارد مشابه این مورد کافی است، قابل مشاهده است که روند رسم شده برای هر دو مورد مشابه شده است. در طول آزمون های اولیه؛ دماهای عملی بدست آمده برای قالب به خوبی بوسیله نرم افزار ما پیش بینی شده بود.
مدل ۲:
این آزمون در محل شرکت حامی ما و روی یک قطعه ضربه گیر (سپر ماشین) انجام شده است. در این مورد بنابر محدودیت های موجود؛ فقط یک عکس حالت پایدار با دوربین حرارتی فروسرخ گرفتیم. ماده استفاده شده TPO از بسپارهای مهندسی Solvay بود. ضخامت ها در دو محل پیش بینی شده mm2 و mm5 بود. دمای کانال سردکننده co10 تنظیم شده بود و برای این کار از یک شیوه استاندارد پیروی کردیم. دمای محیط co20 بود که دمای متوسط داخلی در آن موقع از سال بود. اولین شبیه سازی به سمتی گرایش داده شد که قسمت نازک تر قطعه که mm2 ضخامت داشت را در یک دمای تعادل co46 شبیه سازی کند. تنظیم کردن نقطه ذوب، ضریب انتقال حرارت و زمان بندی چرخه ی تولید در بازه های منطقی منتج به این پیش بینی شد که دمای سطحی co45 با دمای co46 که از عکس فروسرخ (که در تصویر b6 و ۷ نشان داده شده است) مورد مقایسه قرار بگیرد. با استفاده از پارامترهای مشابه و با تغییر ضخامت به mm5 قسمت ضخیم تر قطعه را شبیه سازی کردیم. این بار دمای سطحی co55 پیش بینی شد که با دمای co61 که از عکس فروسرخ مشاهده شده بود مقایسه گردید.
مدل ۳:
این آزمون هم در محل شرکت حامی ما انجام شد ولی این بار روی یک قطعه متفاوت و پیچیده تر از مدل ضربه‌گیر قبلی که استفاده شد. در این آزمون پارامترهای مهم قالب گیری از جمله: دمای قالب، دمای محیط، دمای ذوب ماده، زمان دقیق چرخه جداسازی، تأخیر زمانی بعد از تزریق که شامل زمان صرف شده روی جمع کننده ها (روبات های جابجاکننده قطعات) می باشد و تسمه نقاله به دقت ثبت شده است. در ضمن از یک دوربین فروسرخ نیز برای ثبت کردن دمای قطعه هنگامی که روی جمع-کننده‌هاست ، درست ۸/۷ ثانیه پس از پراندن قطعه استفاده شده است هم چنین از یک دماسنج ویژه (Pyrometer) برای ثبت کردن دمای سطح در انتهای نوارنقاله یعنی ۳۰ ثانیه بعد از پراندن قطعه استفاده شده است. زمان دقیق ثبت شده از خروجی مستقیم ماشین قالب گیری تزریقی بدست آمده است. دمای حالت تعادل در کمتر از ۱۰ چرخه و بنابر ظرفیت سردسازی کانال سردکننده حاصل شده است. سه موقعیت اندازه گیری ما از روی عکس های فروسرخ انتخاب شده اند. محل اول در قسمت سطح جلویی ضربه گیر، محل دوم در سطح جایی که چراغ مه شکن نصب می شود و محل سوم در زیر ضربه گیر در جایی واقع است که نازک ترین قسمت قطعه است  نرم افزار شبیه سازی، دما را در نقاط ۲ و ۳ به خوبی پیش بینی کرد ولی در نقطه ۱، co10 دما را کمتر از دمای واقعی نقطه پیش بینی کرد که این خطا به این دلیل است که نقطه ۱ در زاویه خاصی واقع شده است که نور محیط را به سمت دوربین منعکس می کند و این سبب می شود که دوربین فروسرخ دمای بالاتری را در این نقطه تشخیص دهد.
به نظر می رسد که نقطه ۳ بهترین جا برای اندازه گیری مداوم باشد چرا که شرایط ان به سادگی قابل تشخیص است. پیش بینی دما برای مقداری که از روی دماسنح در انتهای مسیر نقاله خوانده می-شود بسیار خوب بود.
از سه نقطه انتخابی که روی قسمت جلوی قطعه مانند نقطه ۱ ضربه گیر واقع شده بودند برای گرفتن اندازه‌ها استفاده شد. برای این بخش ما از مقدار بیشتری از ضریب انتقال حرارت استفاده کردیم تا اثر بادی را که سامانه ی تهویه مستقیماً روی این نقاله می‌وزید را خنثا کنیم.
نتیجه گیری و کارهای آتی:
نرم افزار بسط داده شده است تا انتقال حرارت را طی فرایند قالب گیری تزریقی پیش بینی کند تا زمان شبیه سازی و هزینه ها را به حداقل برساند. رهنمودها برای ساده کردن قطعات پیچیده تر توسعه داده شده است تا همامنگی را زمانی که از این نرم افزار استفاده می شود حفظ کند. عیب های قالب گیری مربوط به تغییرات دما برای فراهم کردن بینشی بهتر و کنترل داشتن روی فرایند قالب گیری تزریقی قابلیت مطالعات بیشتر را دارند.
ما در پی گسترش عاملی هستیم که آنرا پیش بینی کننده چرخه می نامیم.
در حقیقت ما می خواهیم قابلیت های زیر را به نرم افزار کنونی خود بیفزاییم:
- محاسبه دمای مناسب برای پراندن قطعه
- پیش بینی کردن مقدار زمان سردسازی لازم
روند سرد سازی بر بر کلیت چرخه ی گرمائی فرایند قالب گیری تزریقی تاثیر می گذارد که منجر به فرو‌رفتگی های مشخص و تغییر شکل قطعات تولیدی خواهد شد.
ما در نظر داریم تا از این رفتارشناسی به عنوان یک مقیاس عملکرد استفاده کرده و آنها را با انتقال حرارت و نرم‌افزار پیش بینی کننده چرخه ترکیب کنیم تا پردازش بهینه اطلاعات و پارامترهای طراحی را گسترش دهیم.