قالب گیری فوم

کاربرد مهره‌های کم هزینه در قالب گیری فوم

بسیاری از فرایندهای تولید به ابزار پیچیده‌ای نیاز دارند که به طور قابل توجهی به صرف هزینه و زمان مورد نیاز برای توسعه محصولات جدید کمک می‌کنند. قالب گیری فوم مهره‌ای اغلب با این محدودیت‌ها مختل می شود. این بررسی تحلیلی از کاربردهای ساخت افزودنی (AM) در قالب گیری فوم مهره ای کم هزینه با تمرکز بر آزمایشات قالب گیری، تحلیل اقتصادی و پتانسیل آینده ارائه می‌دهد. با تکیه بر آزمایشات قالب‌گیری، این مطالعه به بیان کارایی ابزار AM را درمقایسه با ابزارآلات آلومینیومی سنتی، به ویژه در ارزیابی عمر ابزار و هزینه، می پردازد. یکی از یافته های کلیدی کاهش زمان تا 70 درصد و هزینه تا 63 درصد درمقایسه با ابزار سنتی، به ویژه در سناریوهای تولید کم است. این مطالعه همچنین تجزیه و تحلیل دقیق هزینه های مرتبط با فرایندهای AM مانند پیش پردازش، تولید، هزینه مواد، پس از پردازش و تولید را نیز بررسی می کند. یافته های حاصل از این مطالعه نشان می دهد که ابزار AM نه تنها موجب کاهش قابل توجهی در هزینه ها می شود، بلکه فرایند تولید در قالب گیری فوم مهره‌ای را نیز بهبود و تسریع می بخشد.

فوم های مهره‌ای بیش از 50 سال است که به طور گسترده در صنعت به منظور شکل گیری پیچیده سبک استفاده می شود. در فرایند قالب‌گیری فوم مهره‌ای از دانه‌های پلیمری از پیش منبسط شده برای پر کردن حفره‌های قالب استفاده می شود؛ سپس دانه ها با تزریق بخار در دمای بالا گرم شده و برای منبسط شدن و تف جوشی در یک شکل جامد که همان قالب است، محصور می شوند. این فناوری قالب گیری فوم که اغلب قالب گیری تزریقی بخار نامیده می شود، در ایجاد هندسه‌ها پیچیده کاربرد دارد. فوم های مهره ای از چندین نوع تشکیل شده اند که دو نوع از پرکارترین آنها پلی استایرن منبسط شده (EPS) و پلی پروپیلن منبسط شده (EPP) است. EPS از دهه 1960 به دلیل وزن سبک و خواص عایق حرارتی عالی کاربردهای مختلفی ازجمله مانند بسته بندی، عایق بندی و کالاهای داشته است. اگرچه هزینه پایین فرآوری و ساخت EPS آن را به یک انتخاب محبوب در کاربردهای گرید پایین تبدیل کرده است، اما خواص مکانیکی ضعیف عملکرد آن را محدود می کند .علاوه براین، بازیافت ضعیف به دلیل افزایش نگرانی های زیست محیطی منجر به حذف تدریجی EPS در برخی برنامه های کاربردی نیز شده است. EPP در اوایل دهه 1980 ظهور کرد و به کاربرد گسترده ای رسید که به افزایش عملکرد مکانیکی نیاز دارند. چقرمگی مکانیکی بالا و خواص جذب انرژی امکان استفاده از EPP را در طیف وسیعی از برنامه های کاربردی ازجمله خودروسازی، بسته بندی، هوا فضا و محصولات مصرفی فراهم می کند. توسعه پردازش EPP علاوه بر فراهم نمودن امکان بازیافت محصولات EPP، به کاهش اثرات منفی زیست محیطی در تولید و دفع محصولات EPP نیز کمک می کند. صنعت خودرو در 30 سال گذشته به راحتی EPP را پذیرفته است. در این صنعت از EPP در ساخت قطعاتی مانند ضربه گیر، جاذب انرژی و پنل های صندوق عقب استفاده می‌شود. استفاده از EPP در صنعت خودرو از سال 2001 تا 2011 به طور قابل ملاحظه ای افزایش یافته است. از توسعه فناوری قالب گیری نیز در فضای داخلی خودرو ازجمله صندلی، پشتی صندلی و اجزای پیشگیری کننده از آسیب به سر کاربرد دارد. در شکل زیر افزایش استفاده از EPP در صنعت خودرو از سال 1998 تا 2008 نشان داده شده است.

شکل 1:

این روند روبه رشد احتمالا ادامه خواهد یافت زیرا سبک وزن بودن EPP به طور فزاینده ای برای دستیابی به الزامات اقتصادی سوخت در سال‌های آینده ضروری است. اگرچه صنعت خودرو ازلحاظ تاریخی پذیرنده اصلی EPP بوده است، اما استفاده از EPP در صنایع غیر خودروسازی نیز به سرعت درحال افزایش است. خواص جذب انرژی موجب شده است تا از EPP در تولید محصولاتی مانند لباس‌های ورزشی برای محافظت از ورزشکاران در برابر آسیب و زمین خوردن در زمین های بازی استفاده شود. همچنین در طیف گسترده ای از دیگر محصولاتی مانند تجهیزات ورزشی و بالشتک، مبلمان، اسباب بازی و حتی صنعت هواپیماهای بدون سرنشین نیز به دلیل چگالی کم از EPP استفاده می شود.

نتیجه گیری

این مقاله با قالب‌گیری فوم مهره‌ای EPS و EPP در مقیاس کوچک امکان‌سنجی قالب گیری فوم های مهره ای کم‌هزینه را مورد بررسی قرار داد. در کاربردهای تحقیقاتی دو نوع قالب آزمایش شد؛ یکی با استفاده از روش فتوپلیمریزاسیون Vat و دیگری با استفاده از تکنیک ساخت رشته فیوژن. هر دو  قالب علاوه بر اجازه نفوذ بخار به شکل مهره، مقداری همجوشی مهره‌ها را نیز تسهیل می‌کردند. مهره ها در حفره قالب بارگذاری شده و سپس قالب بسته و محکم شد. بخاردهی با استفاده از دستگاه بخار تعبیه شده در قالب به مدت پنج دقیقه انجام شد. نتایج حاصل از این آزمایش در شکل زیر ارائه شده است.

شکل 2:

اگرچه از یک عامل آزاد کننده در قالب استفاده شد، زبری سطح قالب دوم موجب چسبندگی و جلوگیری از پراکندگی مناسب مواد به تمام قسمت های قالب شد. این زبری سطح نشان دهنده چالش قالب‌گیری است که به دلیل زبری سطح، به بررسی بیشتری نیاز دارد. فرایند پیش گسترش دانه های EPS به سرمایه گذاری قابل توجهی در مخازن تحت فشار گرم به منظور گسترش کنترل شده و مداوم مهره ها نیاز دارد. به همین دلیل، انتخاب مواد یا خرید یک ماده از پیش منبسط شده برای استفاده درطی چند روز پرهزینه است. هر دو گزینه مانع از عملی بودن این برنامه در آزمایشگاه می شود. یک چالش کلیدی در فرایند بخار، کنترل دقیق و تکرارپذیر جریان بخار ازطریق دستگاه قالب شیرهای کنترل و تنظیم کننده های فشار مورد نیاز برای کنترل دمای بالا و بخار فشار است که به آسانی، هرچند با هزینه قابل توجهی برای کاهش پیچیدگی و هزینه دستگاه بخار، تنظیم کننده های فشار اولیه و شیرهای دستی استفاده شده در دسترس هستند. اگرچه این امر هزینه را به میزان قابل توجهی کاهش داد اما دقت در کنترل فرایند آسیب به طور قابل ملاحظه ای آسیب دید. فعال کردن دستی هر شیر می تواند باعث ایجاد بی نظمی در زمان بندی شود و درنتیجه، بخاردهی ناسازگار تنظیم کننده های فشار پایین تر نیز موجب افزایش فشار کنترل، کاهش تکرارپذیری و تنوع در شرایط بخار می شود. این طرح از یک مخزن تحت فشار کوچک و صفحه داغ با درنظر گرفتن هزینه و فضا استفاده کرد. صفحه داغ کوچک موجب افزایش زمان راه اندازی دستگاه قبل از قالب گیری شد. ظرفیت بخار کم نیز حجم و مدت زمان بخاردهی ممکن را محدود می کند. در عملیات قالب گیری، این ظرفیت بخار کمتر با نیاز به گرم کردن جرم حرارتی و جعبه قالب افزایش می یابد. مشکل حجم بخار می تواند به آسانی با افزایش ظرفیت گرمایش باکمک دستگاه گرمایش بزرگتر و افزایش حجم مخزن تحت فشار برطرف شود. محدودیت‌های کنترل را نیز می‌توان با خرید دقیق تر تنظیم کننده ها و ادغام یک طرح کنترل مناسب با یک این راه حل تکرارپذیر برطرف کرده و کیفیت فرایند قالب‌گیری را افزایش داد. با این حال، این کار باعث بهبود هزینه ها به میزان قابل توجهی می شود. درنتیجه، افزایش هزینه ممکن است از مزایای آن فراتر رود.