تصميم المكونات البلاستيكية

لقد كانت عملية القولبة بالحقن واحدة من أكثر الطرق شيوعًا لتصنيع الأجزاء البلاستيكية لفترة طويلة جدًا. يتم استخدامها في الأجزاء الداخلية للسيارات، والأغلفة الإلكترونية، والأدوات المنزلية، والمعدات الطبية، والأقراص المضغوطة ، وحتى بيوت الكلاب. فيما يلي بعض المبادئ التوجيهية القياسية القائمة على القواعد والتي يمكن الرجوع إليها أثناء تصميم الأجزاء للقولبة بالحقن مع مراعاة قابلية التصنيع في الاعتبار. ^[1]

تشير المبادئ التوجيهية الأكثر شيوعًا إلى تحديد العلاقات المختلفة بين المعلمات الهندسية التي تؤدي إلى سهولة التصنيع أو تحسينه. فيما يلي بعض هذه المبادئ التوجيهية:

يمكن أن تساهم أقسام الجدار غير المتجانسة في حدوث تشوهات وإجهادات في الأجزاء المصبوبة. فالأقسام الرقيقة للغاية تكون احتمالية تعرضها للكسر أثناء المناولة أكبر، وقد تحد من تدفق المواد وقد تحبس الهواء مما يتسبب في عيب في الجزء. ومن ناحية أخرى، فإن سمك الجدار الثقيل للغاية من شأنه أن يبطئ دورة المعالجة ويزيد من تكلفة المواد ويزيد من وقت الدورة.

بشكل عام، من الممكن استخدام جدران أرق مع أجزاء صغيرة بدلاً من أجزاء كبيرة. العامل المحدد لسماكة الجدران هو ميل المادة البلاستيكية في الجدران الرقيقة إلى التبريد والتصلب قبل ملء القالب. كلما كان تدفق المادة أقصر، كلما كان الجدار أرق. يجب أن تكون الجدران أيضًا متجانسة في السُمك قدر الإمكان لتجنب الانحناء الناتج عن الانكماش غير المتساوي. عندما تكون التغييرات في سماكة الجدران أمرًا لا مفر منه، يجب أن يكون الانتقال تدريجيًا وليس مفاجئًا.

بعض المواد البلاستيكية أكثر حساسية لسمك الجدار من غيرها، حيث يصل سمك البلاستيك الأسيتالي وبلاستيك ABS إلى حوالي 0.12 بوصة (3 مم)، ويمكن أن يصل سمك الأكريليك إلى 0.5 بوصة (12 مم)، والبولي يوريثين إلى 0.75 بوصة (18 مم)، وبعض المواد البلاستيكية المقواة بالألياف إلى 1 بوصة (25 مم) أو أكثر. ومع ذلك، يجب على المصممين أن يدركوا أن المقاطع العرضية السميكة جدًا يمكن أن تزيد من احتمالية حدوث عيوب تجميلية مثل الغرق. ^[2]

يعد تصميم زاوية السحب عاملاً مهمًا عند تصميم الأجزاء البلاستيكية. نظرًا لانكماش المادة البلاستيكية، تميل الأجزاء المصبوبة بالحقن إلى الانكماش على القلب. وهذا يخلق ضغط اتصال أعلى على سطح القلب ويزيد من الاحتكاك بين القلب والجزء، مما يجعل إخراج الجزء من القالب أمرًا صعبًا. وبالتالي، يجب تصميم زوايا السحب بشكل صحيح للمساعدة في إخراج الجزء. وهذا يقلل أيضًا من وقت الدورة ويحسن الإنتاجية. يجب استخدام زوايا السحب على الجدران الداخلية والخارجية للجزء على طول اتجاه السحب.

من الصعب تحديد الحد الأدنى لزاوية السحب المسموح بها. إن موردي المواد البلاستيكية وصانعي القوالب هم من يحددون أقل زاوية سحب مقبولة. في معظم الحالات، ستكون درجة واحدة لكل جانب كافية، ولكن من الأفضل أن تكون الزاوية بين درجتين وخمس درجات لكل جانب. إذا لم يكن التصميم متوافقًا مع درجة واحدة، فيجب السماح بزاوية 0.5 درجة على كل جانب. حتى زاوية السحب الصغيرة، مثل 0.25 درجة، أفضل من عدم وجود أي زاوية سحب على الإطلاق. ^[3]

توفر الزوايا المستديرة بسخاء عددًا من المزايا. حيث يوجد تركيز أقل للإجهاد على الجزء والأداة. وبسبب الزوايا الحادة، لا يكون تدفق المواد سلسًا ويميل إلى أن يكون من الصعب ملؤها، مما يقلل من قوة الأدوات ويسبب تركيز الإجهاد. الأجزاء ذات الأقطار والشرائح أكثر اقتصادية وأسهل في الإنتاج، وتقلل من التقطيع، وتبسط بناء القالب وتضيف قوة إلى الجزء المصبوب بمظهر جيد.

تشير المبادئ التوجيهية العامة لتصميم الزوايا الحادة في عملية القولبة بالحقن إلى أن أقطار الزوايا يجب أن تكون على الأقل نصف سمك الجدار. ومن المستحسن تجنب الزوايا الحادة واستخدام شرائح وأقطار كبيرة كلما لزم الأمر. أثناء عملية القولبة بالحقن، يتعين على البلاستيك المنصهر أن يتنقل عبر المنعطفات أو الزوايا. تعمل الزوايا المستديرة على تسهيل تدفق البلاستيك، لذا يجب على المهندسين تحديد أقطار زوايا جميع الأجزاء بسخاء. على النقيض من ذلك، تؤدي الزوايا الداخلية الحادة إلى إجهاد مصبوب خاصة أثناء عملية التبريد عندما يحاول الجزء العلوي من القطعة الانكماش وتسحب المادة الزوايا. علاوة على ذلك، سيتم اتباع القاعدة الأولى لتصميم البلاستيك وهي سمك الجدار الموحد. عندما يدور البلاستيك حول زاوية متناسبة جيدًا، فلن يتعرض لزيادة المساحة والتغييرات المفاجئة في الاتجاه. يظل ضغط تعبئة التجويف ثابتًا. يؤدي هذا إلى زاوية قوية ومستقرة من حيث الأبعاد والتي ستقاوم الانحناء بعد القالب.

تُستخدم المسامير الأساسية لإنتاج ثقوب في الأجزاء البلاستيكية. من الأسهل إنتاج الثقوب الواضحة مقارنة بالثقوب العمياء التي لا تمر عبر الجزء بالكامل. يتم إنشاء الثقوب العمياء بواسطة دبابيس مدعومة من طرف واحد فقط؛ وبالتالي لا ينبغي أن تكون هذه المسامير طويلة. سوف تنحرف المسامير الأطول بشكل أكبر وتتعرض للضغط من خلال ضغط المادة البلاستيكية المنصهرة أثناء التشكيل. يوصى بأن لا تزيد نسبة عمق الثقب إلى القطر عن 2.

تساعد ميزات الضلع في تقوية الجزء المصبوب دون إضافة إلى سمك الجدار. في بعض الحالات، يمكن أن تعمل أيضًا كميزات زخرفية. توفر الأضلاع أيضًا المحاذاة في الأجزاء المتزاوجة أو توفر أسطح توقف للتجميعات. ومع ذلك، يمكن أن تؤدي النتوءات مثل الأضلاع إلى مشاكل في ملء التجويف والتهوية والقذف. تصبح هذه المشاكل أكثر إزعاجًا للأضلاع الطويلة. يجب تصميم الأضلاع بنسب صحيحة لتجنب العيوب مثل اللقطات القصيرة وتوفير القوة المطلوبة. يمكن أن تسبب الأضلاع السميكة والعميقة علامات الغرق ومشاكل الملء على التوالي. يمكن أن تؤدي الأضلاع العميقة أيضًا إلى مشاكل القذف. إذا كانت الأضلاع طويلة جدًا أو عريضة جدًا، فقد تكون هناك حاجة إلى أضلاع داعمة. من الأفضل استخدام عدد من الأضلاع الأصغر بدلاً من ضلع واحد كبير.

• القيم الموصى بها للمعلمات : بشكل عام، يوصى بأن لا يزيد ارتفاع الضلع عن 2.5 إلى 3 أضعاف سمك الجدار الاسمي. وبالمثل، يجب أن يكون سمك الضلع عند قاعدته حوالي 0.4 إلى 0.6 أضعاف سمك الجدار الاسمي.
• الحد الأدنى لنصف قطر القاعدة للأضلاع : يجب توفير شريحة ذات قيمة نصف قطر أدنى معينة عند قاعدة الضلع لتقليل الإجهاد. ومع ذلك، لا ينبغي أن يكون نصف القطر كبيرًا جدًا بحيث يؤدي إلى أقسام سميكة. يزيل نصف القطر الزاوية الحادة وتركيز الإجهاد. كما يتم تحسين التدفق والتبريد. يجب أن يكون نصف قطر الشريحة عند قاعدة الأضلاع بين 0.25 و 0.4 مرة من سمك الجدار الاسمي للجزء.
• زاوية السحب للأضلاع : تصميم زاوية السحب هو عامل مهم عند تصميم الأجزاء البلاستيكية. قد يكون لهذه الأجزاء ميل أكبر للانكماش على القلب. وهذا يخلق ضغط اتصال أعلى على سطح القلب ويزيد من الاحتكاك بين القلب والجزء، مما يجعل إخراج الجزء من القالب صعبًا. وبالتالي، يجب تصميم زوايا السحب بشكل صحيح للمساعدة في إخراج الجزء. وهذا يقلل أيضًا من وقت الدورة ويحسن الإنتاجية. يجب استخدام زوايا السحب على الجدران الداخلية أو الخارجية للجزء على طول اتجاه السحب. يوصى بأن تكون زاوية السحب للضلع حوالي 1 إلى 1.5 درجة. يجب أن يكون الحد الأدنى للسحب 0.5 لكل جانب.
• المسافة بين ضلعين متوازيين : يتأثر سمك جدار القالب بسبب المسافة بين الميزات المختلفة في النموذج البلاستيكي. إذا تم وضع ميزات مثل الأضلاع بالقرب من بعضها البعض أو جدران الأجزاء، يتم إنشاء مناطق رقيقة يمكن أن يكون من الصعب تبريدها ويمكن أن تؤثر على الجودة. إذا كان جدار القالب رقيقًا جدًا، فمن الصعب أيضًا تصنيعه ويمكن أن يؤدي أيضًا إلى انخفاض عمر القالب بسبب مشاكل مثل إنشاء الشفرة الساخنة والتبريد التفاضلي. يوصى بأن تكون المسافة بين الأضلاع ضعف الجدار الاسمي على الأقل.

إن النتوء، وهو عنصر تصميم أساسي في المواد البلاستيكية، يكون عادةً أسطواني الشكل ويُستخدم كعنصر تثبيت أو نقطة تحديد موقع أو ميزة تقوية أو فاصل. وفي ظل ظروف الخدمة، غالبًا ما تتعرض النتوءات لأحمال لا توجد في أقسام أخرى من أحد المكونات.

• الحد الأدنى لنصف القطر عند قاعدة البروز : يجب توفير نصف قطر سخيّ عند قاعدة البروز من أجل القوة والسحب الكافي لإزالة الأجزاء بسهولة من القالب. يجب توفير شريحة ذات قيمة نصف قطر دنيا معينة عند قاعدة البروز لتقليل الإجهاد. عادةً ما يكون تقاطع قاعدة البروز مع الجدار الاسمي مجهدًا ويزداد تركيز الإجهاد إذا لم يتم توفير أي أقطار. أيضًا، يجب ألا يتجاوز نصف القطر عند قاعدة البروز قيمة قصوى لتجنب المقاطع السميكة. يوفر نصف القطر عند قاعدة البروز القوة والسحب الكافي لإزالة الأجزاء بسهولة من القالب. يوصى بأن يكون نصف القطر عند قاعدة البروز 0.25 إلى 0.5 مرة من سمك الجدار الاسمي.
• نسبة ارتفاع البروز إلى القطر الخارجي : البروز الطويل مع المسودة المرفقة سيولد كتلة مادية وقسمًا سميكًا في القاعدة. بالإضافة إلى ذلك، سيكون من الصعب تبريد دبوس القلب، ويمكن أن يطيل وقت الدورة ويؤثر على أبعاد الفتحة المجوفة. يوصى بأن يكون ارتفاع البروز أقل من 3 أضعاف القطر الخارجي.

• الحد الأدنى لنصف القطر عند طرف البروز : البروزات هي ميزات تضاف إلى السُمك الاسمي لجدار المكون وعادةً ما تستخدم لتسهيل التجميع الميكانيكي. في ظل ظروف الخدمة، غالبًا ما تتعرض البروزات لأحمال لا توجد في أقسام أخرى من المكون. يجب توفير شريحة ذات قيمة نصف قطر أدنى معينة عند طرف البروز لتقليل الإجهاد.
• سمك جدار البروز : يجب أن يكون سمك جدار البروز أقل من 60 بالمائة من الجدار الاسمي لتقليل الغرق. ومع ذلك، إذا لم يكن البروز في منطقة مرئية، فيمكن زيادة سمك الجدار للسماح بزيادة الضغوط المفروضة بواسطة البراغي ذاتية التنصت. يوصى بأن يكون سمك جدار البروز حوالي 0.6 مرة من سمك الجدار الاسمي اعتمادًا على المادة.
• نصف القطر عند قاعدة الفتحة في البروز : تُستخدم البروزات في العديد من تصميمات الأجزاء كنقط للتثبيت والتجميع. يتكون النوع الأكثر شيوعًا من نتوءات أسطوانية ذات فتحات مصممة لاستقبال البراغي أو الحشوات الملولبة أو أنواع أخرى من أدوات التثبيت. يساعد توفير نصف قطر على دبوس القلب في تجنب الزاوية الحادة. لا يساعد هذا في القالب فحسب، بل يقلل أيضًا من تركيز الإجهاد. يوصى بأن يكون نصف القطر عند قاعدة الفتحة في البروز 0.25 إلى 0.5 مرة من سمك الجدار الاسمي.
• الحد الأدنى من السحب للقطر الداخلي والخارجي للرأس : يساعد السحب المناسب للقطر الخارجي للرأس على إخراجه بسهولة من القالب. يلزم وجود سحب على جدران الرأس للسماح بسهولة السحب من القالب. وعلى نحو مماثل، قد تتطلب التصميمات حدًا أدنى من التفتق على القطر الداخلي للرأس من أجل التثبيت المناسب مع المثبت. يلزم وجود سحب على جدران الرأس للسماح بسهولة السحب من القالب. يوصى بأن يكون الحد الأدنى من السحب على السطح الخارجي للرأس أكبر من أو يساوي 0.5 درجة وعلى السطح الداخلي يجب أن يكون أكبر من 0.25 درجة.
• المسافة بين النتوءات : عندما توضع النتوءات قريبة جدًا من بعضها البعض، فإن هذا يؤدي إلى إنشاء مناطق رقيقة يصعب تبريدها ويمكن أن تؤثر على الجودة والإنتاجية. أيضًا، إذا كان جدار القالب رقيقًا جدًا، فمن الصعب جدًا تصنيعه وغالبًا ما يؤدي إلى عمر أقل للقالب، بسبب مشاكل مثل إنشاء الشفرة الساخنة والتبريد التفاضلي. يوصى بأن تكون المسافة بين النتوءات ضعف سمك الجدار الاسمي على الأقل.
• نتوء مستقل : يجب أن تكون النتوءات والأجزاء السميكة الأخرى مجوفة. ومن الممارسات الجيدة ربط النتوء بالجدار الجانبي. في هذه الحالة يكون تدفق المواد موحدًا ويوفر توزيعًا إضافيًا للحمل للقطعة. للحصول على صلابة أفضل وتدفق أفضل للمواد، يقترح الدليل العام ربط النتوء بالجدار الجانبي الأقرب.

يجب تجنب القطع السفلية لتسهيل التصنيع. تتطلب القطع السفلية عادةً آليات إضافية للتصنيع مما يزيد من تكلفة القالب وتعقيده. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن يكون للجزء مساحة للانثناء والتشوه. غالبًا ما يمكن لتصميم الجزء الذكي أو التنازلات الطفيفة في التصميم التخلص من الآليات المعقدة للقطع السفلية. قد تتطلب القطع السفلية وقتًا إضافيًا لتفريغ القوالب. يوصى بتجنب القطع السفلية في الجزء قدر الإمكان.

تزيد الزوايا الحادة من التركيزات، والتي تكون عرضة لاحتجاز الهواء، والفراغات الهوائية، وعلامات الهبوط، وبالتالي إضعاف سلامة هيكل الجزء البلاستيكي. يجب التخلص من ذلك باستخدام الأقطار كلما أمكن ذلك. يوصى بأن يكون نصف القطر الداخلي ضعف سمكه على الأقل. في الزوايا، يكون نصف القطر الداخلي المقترح 0.5 ضعف سمك المادة ونصف القطر الخارجي 1.5 ضعف سمك المادة. يجب استخدام نصف قطر أكبر إذا سمح تصميم الجزء بذلك.

• من الممكن عمل ثقوب على الشرائح ولكن قد يؤدي ذلك إلى إنشاء خطوط لحام.
• يجب أن تكون المسافة الدنيا بين فتحتين أو فتحة وجدار جانبي مساوية لقطر الفتحة.
• يجب أن يكون مكان الثقب على مسافة لا تقل عن 3 أضعاف القطر من حافة الجزء، لتقليل الضغوط.
• من الأفضل استخدام ثقب واضح بدلاً من ثقب أعمى لأن الدبوس الأساسي الذي ينتج ثقبًا يمكن دعمه من كلا الطرفين ومن غير المرجح أن ينحني.
• تعتبر الثقوب الموجودة في الجزء السفلي من الجزء أفضل من الثقوب الموجودة في الجانب، والتي تتطلب دبابيس أساسية قابلة للسحب.
• لا ينبغي أن يزيد عمق الثقوب العمياء عن ضعفي قطرها.
• ينبغي استخدام خطوات لزيادة عمق الحفرة العمياء العميقة.
• بالنسبة للثقوب الواضحة، يمكن للأقسام المقطوعة في الجزء تقصير طول الدبوس ذي القطر الصغير.
• استخدم نتوءات تجويف القالب المتداخلة والمتضادة بدلاً من دبابيس القلب لإنتاج ثقوب موازية لخط فصل القالب (عموديًا على اتجاه حركة القالب). ^[4]

يمكن تحسين تصميم المكونات المصبوبة بالحقن بشكل أكبر وتحسينه باستخدام برامج محاكاة صب الحقن مثل Autodesk Moldflow ^[5] وSolidWorks Plastics. ^[6] يعمل هذا البرنامج مع المكونات المصممة في CAD لمحاكاة كيفية تصرف البوليمر عند دخوله تجويف قالب الحقن. يمكنه التنبؤ بكيفية تدفق المادة المنصهرة وتجميدها، وأي هندسة جزء رقيقة جدًا أو سميكة جدًا وما إذا كان هناك أي نقاط ضعف تم إنشاؤها في البلاستيك من عيوب مثل خطوط اللحام.

عندما يتم إجراء المحاكاة في مرحلة تصميم المشروع، قبل تصنيع الأداة، يمكن أن يساعد ذلك في تحديد المشكلات التي تمت مناقشتها أعلاه والسماح للمصمم بتعديل التصميم وإعادة محاكاته بشكل متكرر لإجراء التحسينات. يمكن أن يساعد استخدام المحاكاة في مرحلة التصميم في تقليل المشكلات المتعلقة بالقالب المادي وبالتالي تقليل الوقت المستغرق لطرح المنتج في السوق، وتقليل استخدام المواد والطاقة، ومنع العيوب السطحية مثل علامات الغرق والتدفق، وتقليل الوقت المستغرق لحقن وتبريد وإخراج القطعة، وتحسين معدل إنتاج آلة القولبة بالحقن. ^{[7] [8]}