شرح کلی فرایند تزریق فوم
گازی که در فرایند تزریق، درون پلاستیک مذاب تزریق می‌شود، به‌صورت حباب‌های ریزمیکروسکپی بسیار زیادی در قطعه تولیدشده نهایی پدیدار می‌شود و دیواره‌های قطعه اسفنجی شکل می‌شود.
در فرایند تزریق فومی پلاستیک، فشار و حرارت کمتری نسبت به فرایند تزریق پلاستیک معمولی احتیاج است. زمان تولید کوتاه‌تر و تولید قطعه سبک‌تر و انعطاف‌پذیرتر از خصوصیات بارز استفاده از این تکنولوژی است (شکل 1).
شکل 1: مقطعی که قطعه پلاستیکی که بر اثر تزریق گاز و تشکیل حباب‌های ریز، به‌شکل اسفنجی درآمده است
روش‌های شیمیایی و فیزیکی تزریق فوم
به‌طورکلی دو روش شیمیایی و فیزیکی برای تزریق پلاستیک به‌شکل فوم وجود دارد.
روش شیمیایی
* پلیمر با عوامل ایجاد گاز مخلوط می‌شود.
* عوامل منبسط کننده قبلاً با موادخام مخلوط شده‌اند (مستربچ 2%)
* سایز حباب‌ها 200-10 µm است.
روش فیزیکی
در روش فیزیکی، حباب‌های کوچک بسیاری در مواد پلاستیکی ایجاد می‌شود که به کاهش وزن قطعه می‌انجامد.
عامل ایجاد فوم: گاز N2 یا CO2 که در مرحله Supercritical مواد در آن حل می‌شود (شکل2).
شکل 2: دیاگرام جریان Supercritical
* در روش فیزیکی، تولید قطعه با بیشترین درجه تشکیل حالت فومی امکان‌پذیر است.
* سایز حباب‌ها 50-10 µm است.
تکنولوژی تزریق فوم از دهه 70 به‌عنوان فرایندی شناخته‌شده در صنعت تولید قطعات پلیمری، مورداستفاده قرار گرفته است. شرکت Sulzer سوئیس، طی همکاری نزدیک با انستیتو فرایند پلاستیک (IKV) در آخن، با روش دمیدن عوامل فومی در مواد به‌صورت فیزیکی، موفق به بهینه‌سازی این فرایند شده‌است. سیستم Optifoam شرکت Sulzer برای اولین‌بار در کنفرانسی در IKV در سال 2000 معرفی شد.
درنتیجه، تلاش‌های سخت و همکاری با شرکت Pollmann، تولید انبوه با سیستم Optifoam در نیمه دوم سال 2005 آغاز شد. در این سیستم، از ماشین تزریق استانداردی استفاده شد که به تجهیزات تزریق حباب‌های گاز در مواد مجهز شده‌است (شکل 3).
شکل 3
سیستم‌های تولید به روش تزریق فوم
Optifoam، شرکت Sulzer
در این روش، گاز بعد از ذوب شدن پلاستیک و در مرحله تزریق مواد، به آن افزوده می‌شود.
* سهولت استفاده از الیاف شیشه بلند مانند سیستم تزریق استاندارد.
* سهولت توسعه سیستم.
* عدم نیاز به اصلاح و یا تعویض نرم‌افزار، سیستم هیدرولیک، بارل و ... ماشین تزریق.
* انعطاف‌پذیری در تنوع تولید (از ماشین مربوطه می‌توان برای تولید به‌روش معمولی تزریق پلاستیک هم استفاده کرد)
* وزن مواد قابل‌تزریق با دستگاه تغییر نمی‌کند.
شکل 4: دستگاه تزریق استاندارد مجهز به نازل تزریق گاز
سیستم کنترل گاز Optifoam
* طراحی اختصاصی برای سیستم Optifoam
* تمامی تجهیزات لازمه به‌صورت یکپارچه در این یونیت در نظر گرفته شده است.
* برای استفاده از گاز CO2 و N2 مناسب است.
* تأمین فشار بالای 750 bar
* قابلیت انطباق با ماشین تزریق
* سیستم Optifoam در دو مدل مختلف قابل دسترس است (جدول 1).
Mucell، شرکت Trexel
در این روش، گاز در زمانی‌که پلاستیک ذوب شده و به دمای تزریق رسیده است (Metering) به آن اضافه می‌شود.
* با تمهیداتی می‌توان از ماشین‌های تزریق فوم استاندارد برای این روش استفاده کرد.
* نیاز به استفاده از ماردون‌های ویژه دارد.
در صورت استفاده از ماشین‌های تزریق استاندارد، باید تغییراتی برای سازگاری آن با سیستم MuCell روی آن اعمال شود.
محدودیت در حداقل وزن قابل تزریق.
نازل تزریق گاز
گاز، مستقیماً در داخل مذاب تزریق می‌شود. این روش ساختار فومی میکروسلولار بسیار منظمی را ایجاد می‌کند.
شکل 5 شکل 6
فرایند تولید فوم
رجوع به شکل 7.
شکل 7: نمودار فرایند تولید فوم
شکل 8: تصویری از یک قالب 8 کویته که برای تولید قطعات بروش تزریق فوم طراحی و ساخته شده است.
تولید انبوه
رجوع به شکل 9.
شکل 9: قطعه (درپوش) تولید شده به‌روش تزریق فوم را نشان می‌دهد.
ساختار
میکروسلولاری فوم
لایه بیرونی متراکم و هسته فومی دارای حباب‌های میکروسکوپی ریز، موجب بهبود خواص خمشی مواد می‌شود (شکل 10).
شکل 10
فرضیات: سطح مقطع: مربع شکل ضخامت دیواره: 4mm
30 درصد کاهش چگالی
شکل 11
شکل 12
شکل 13
شکل 14
شکل 15: کاهش قابل‌توجه در انقباض و اعوجاج قطعه در روش فومی نسبت به روش تولید معمولی (رنگ قرمز)
شکل 16: کاهش قابل‌توجه در انقباض و اعوجاج قطعه در روش فومی نسبت به روش تولید معمولی (رنگ آبی)
خواص مکانیکی
1. مدل نشان‌دهنده سختی خمشی1
2. تست رفتار شکست پایه فنری قطعه2
3. ساختار فومی موجب ارتقای تنش خمشی می‌شود
تست انجام شده روی قطعه درپوش که در پروسه واقعی تولید انبوه تولید شده، نشان می‌دهد:
* لایه متراکم گیره فنری بعد از 4 تا 5/5 میلی‌متر خم‌شدن، می‌شکند.
* لایه فومی گیره فنری بعد از 5/5 تا 6 میلی‌متر خم‌شدن، می‌شکند.
4. در تولید به روش تزریق فوم به فشار داخل کویته کمتری نیاز است
براساس نمودار شکل 14، در تولید یک قطعه به دو روش معمولی و فومی، فشار درون کویته متفاوت است.
تزریق معمولی: فشار بیش از 650bar
تزریق فومی: فشار بیش از 120bar
5. در تولید به‌روش تزریق فوم، میزان انقباض و اعوجاج قطعه کاهش می‌یابد
6. تأثیر استفاده از روش تزریق فوم در کاهش زمان سیکل تولید
* حذف زمان اعمال فشار دوم (Holding Pressure)
* کوتاه شدن زمان خنک کاری به دلیل کمتر بودن دمای مذاب و قالب در روش تزریق فوم نسبت به روش معمولی
همان‌طور که در شکل 17 نشان داده شده، تفاوت قابل‌ملاحظه‌ای در زمان سیکل تولید قطعه مشابه به دو روش معمولی و تزریق فوم وجود دارد (15 ثانیه).
شکل 17
7. نمودار شکل 18 نشان‌دهنده میزان متوسط طول الیاف شیشه به‌کار رفته در روش تزریق فومی است.
شکل 18
8 . کاهش لزجت در روش تزریق فوم
نمودار شکل 19، نشان‌دهنده تغییرات لزجت نسبت به نرخ برشی ماده است.
شکل 19
9. کاهش مکش‌های سطحی قطعه از دیگر مزایای روش تزریق فومی است (شکل 20)
شکل 20
مواد قابل‌استفاده در روش تزریق فومی
* تمامی ترموپلاستیک‌ها در این روش قابل‌استفاده‌اند.
* PBT, PA, PC and PS برای استفاده در این روش کاملاً مناسب هستند.
* تزریق مواد TPU’S ABS and POM کمی با اشکال انجام می‌شود.
* برای PP باید تدابیر خاصی در سیستم درنظر گرفته شود.
* از افزودنی‌ها، شامل فیلرهایی مانند الیاف شیشه، پودر تالک یا الیاف کربن، می‌توان در این روش استفاده کرد.
عوامل مؤثر در تولید ساختار فومی ایده‌آل
* انتخاب مواد خام
*طراحی قطعه
* شرایط مناسب فرایند
*طراحی قالب
* ابعاد و محل گیت
* سیستم راهگاه سرد یا گرم با شیر مخصوص سوزنی
* خروجی مناسب هوا
نتیجه حاصل از تست یک قطعه (فریم آفتابگیر)
با استفاده از این روش به‌دلیل ایجاد تنش داخلی ناچیز در قطعه، مقدار دفرمگی و پیچش قطعه به حداقل می‌رسد (شکل 21)
شکل 21
شکل 22
تزریق فوم روی پارچه
نتیجه تست
اتصال خوب پارچه و فوم
فوم با کیفیت بالا و ساختار همگن تولید می‌شود
کیفیت سطح پارچه بعد از تولید قطعه با ساختار اصلی بافت آن بستگی مستقیم دارد.
مقایسه تولید قطعه با روش Optifoam و روش استاندارد (بدون تزریق گاز)
مزایای روش Optifoam
کاهش وزن قطعه
کاهش انقباض و دفرمگی قطعه
رفع مکش‌های سطحی
دقت ابعادی عالی
نیروی کلمپ کمتر
کاهش زمان سیکل تولید
سهولت استفاده از الیاف شیشه بلند در فرایند Optifoam
محدودیت‌ها
سطح قطعه تولیدی، حالت مات دارد
خواص مکانیکی ماده، تغییر می‌کند
پانوشت‌ها:
1. Modeling of Flexural Stiffness
2. Fracture behavior of the snap finger
منبع
Pollmann Foam Injection Molding
