قالبهای تزریق پلاستیک

فهرست مطالب Facts and figures Why injection molding? Goals Advantages Disadvantages Overview of the injection molding process Equipment Materials consideration Critical operation parameters Mathematical modeling Mold flow analysis Commercial software

قالب های تزریق چیست؟ فرآیند تزریق مواد مذاب (اغلب پلاستیک) به یک قالب برای فرم گرفتن یک شکل. همینکه مایع تبدیل به جامد با شکل قالب شد، از قالب خارج میشود و به این ترتیب فرآیند تزریق خاتمه می یابد.

تعریف قالبگیری تزریقی (تعریف کلیفورد) ”process where by a solid thermoplastic material is heated until it reaches a state of fluidity, is then transferred under pressure (injected) into a closed hollow space (mold cavity), and then cooled in the mold till it again reaches a solid state, conforming in shape to the mold cavity.”

حقایق و ارقام تنها در ایالات متحده: Over 1.5 million jobs Fourth largest industry in US Over $90 billion dollars in sales Average rate of growth of 12% over the past 25 years

تاریخچه John Hyatt William Willert John Hyatt patented the first injection molder in 1872. Further advances were made in Europe through the 1920s. In 1951, William H. Willert invented the first molder machine to use a screw to provide continuous feed of liquid material. From the 1980s on, the most significant developments in injection molding have been in the area of computerization of the process. (Rosato & Rosato) I also invented the first synthetic material, Celluloid, which lead to many important advances in the plastics industry, including the injection molding industry. My invention, which allowed continuous injection, made injection+blow molding feasible and fast. This is the method used to create bottles, jars and many other containers. John Hyatt William Willert

اهداف تولید قطعات با کیفیت بالا و زیبا تولید با در نظر گرفتن خصوصیات مواد بدست آوردن حداکثر سود با کاهش دادن زمان سیکل کاری رسیدن به یک توازن مناسب بین کیفیت و هزینه

مزایا قابلیت تولید قطعات با تلرانس بسته قابلیت تولید قطعات با هندسه پیچیده قابلیت تولید قطعات با بافت سطحی متفاوت فرآیندی با قابلیت تکرار بسیار بالا هزینه کم در تولید با حجم بالا قابلیت تولید اتومات و در نتیجه کاهش هزینه کارگر قابلیت تولید اشکال مشبک امکان تقویت قطعات در ارتباط با قطعات دیگر

معایب هزینه اولیه بسیار بالای قالب، ماشین تزریق و تجهیزات جانبی اقتصادی بودن فقط در تولید با حجم بالا ضایعات بسیار بالا تولیدی با سطح رقابتی بسیار بالا

نمای کلی PART DESIGN MOLD EQUIPMENT MATERIAL

ماشین تزریق

تجهیزات ماشین تزریق تجهیزات جانبی Drier Chiller Heater Granulator Mixer/Blender Robots Mold change system

ماشین تزریق اجزای اصلی Injection system Mold system Clamping system Controls

شکل شماتیک ماشین و فرآیند تزریق * قسمت گیره بندی قالب قسمت تزریق * ماشین تزریق پلاستیک

سیستم تزریق وظیفه Plastification Injection (pump) انواع Conventional Piston type Screw type Reciprocating Screw

انواع مختلف ماشین های تزریق

دو نوع سیستم تزریق 1. Reciprocating Screw System مواد پلاستیکی ذوب شده توسط هیتر، با فشار توسط پیچ حلزونی به داخل قالب هدایت می شوند 2. Ram Injection Molding مواد پلاستیکی از قبل ذوب شده در قسمت ابتدایی، به داخل حفره هدایت شده و با نیروی پیستون با فشار به قالب تزریق می شود

سیستم پیچ حلزونی کاربرد بیشتری دارد، زیرا: - مذاب یکنواخت تر - میکس بهتر رزین با افزودنیها - فشار تزریق کمتر - زمان سیکل سریعتر - تنش کمتر در محصولات

سیستم گیره بندی (بستن قالب) Mechanical Clamping ارزانتر و با سرعت عمل بیشتر Hydraulic Clamping قابلیت اعمال مقادیر متنوع فشار

سیستم گیره بندی (ادامه) نیروی گیره بندی F = P x A p: injection pressure, psi A: cavity projected area, in2 F: clamping force, pounds 1 ton = 2000 pounds

سیستم گیره بندی (ادامه) - انواع ماشین ها: Small size machines 10-100 tons Medium size machines 100-500 tons Large size machines 500-10,000 tons

نیروی گیره بندی و هزینه ماشین

سیستم پیچی تزریق عملکرد سیکل تزریق طراحی پیچ پارامترهای فرآیند

طراحی پیچ (نسبت طول به قطر) L/D Ratio, General purpose 20:1 گام pitch تزریق رزین (نسبت طول به قطر) L/D Ratio, General purpose 20:1 (زاویه مارپیچ) Helix angle 17.8o

پارامترهای فرآیند

فرآیند تزریق 3- خنک شدن قطعه 1 -ذوب 2- تزریق 4- خارج شدن قطعه

پارامترهای فرآیند سرعت پیچ نرخ تزریق فشار تزریق دمای محفظه(Barrel) دمای قالب فشار برگشتی

سیکل دما / فشار نمودار فشار در یک قطعه تزریق شده Time(sec) Time(sec) نمودار فشار در یک قطعه تزریق شده نمودار دما در یک قطعه تزریق شده * زمان خنک کاری معمولاً وابسته به زمان سیکل تزریق است

دما و فشار قالب روی انقباض (shrinkage) قطعه 0.030 0.000 0.010 0.005 0.015 0.020 0.025 100 120 140 160 180 200 220 240 Mold Temperature (F) LDPE PP Nylon 6/6 PMMA Acetal Shrinkage 0.030 0.000 0.010 0.005 0.015 0.020 0.025 Shrinkage 6000 8000 10000 12000 14000 16000 Pressure on injection plunger (psi) Acetal LDPE Nylon 6/6 PP with flow 18000 PP across flow PMMA

قالب تزریق

نمای کلی PART DESIGN MOLD EQUIPMENT MATERIAL

Injection Molds

مفاهیم قالب گیری Basic mould consisting of cavity and core plate Nozzle Sprue Cavity Plate Core Plate Moulding Core Cavity Basic mould consisting of cavity and core plate Cavity Runner Gate Melt Delivery

Tooling for a plastic cup Knob Nozzle Runner Cavity Core Part Stripper plate

Tooling for a plastic cup Runner Part Cavity Nozzle Part Cavity Knob Stripper plate Runner Part Cavity Nozzle

Tooling * * * * * ** * * Source: http://www.idsa-mp.org/proc/plastic/injection/; ** http://www.hzs.co.jp/english/products/e_trainer/mold/basic/basic.htm (E-trainer by HZS Co.,Ltd.)

higher viscosity polymer = larger runners ملاحظات در طراحی قالب حفره ها: - تکی یا چند تایی - طراحی حفره وابسته به مشخصات طراحی قطعه، تجهیزات و بودجه سیستم است ):Runnersراهبرها ( - اندازه و شکل درست راهبرها وابسته به مشخصات پلیمر استفاده شده است higher viscosity polymer = larger runners

Mold Design Considerations گیت (gate): مسیر بین رانرها و کویته قالب چند نمونه گیت Edge Gate (در خط جدایش) low cost Tab Gate (گیت نواری) large parts Fan Gate (گیت لبه ای پهن) intermediate size part Ring Gate cylinder parts

موقعیت گیت Center gate: radial flow – اعوجاج زیاد Edge gate: بدون تاب 2.0 60 1.96 Sprue 60.32 2.0 1.976 Before shrinkage After shrinkage Air entrapment Gate Center gate: radial flow – اعوجاج زیاد Edge gate: بدون تاب Diagonal gate: radial flow – تاب برداشتن End gates: حداقل تاب

Where would you gate this part?

Weld line, Sink mark Mold Filling Solidified part Gate Weld line * Source: http://www.idsa-mp.org/proc/plastic/injection/injection_design_7.htm

Material

ملاحظات طراحی و نوع مواد هنگام انتخاب نوع مواد نکات زیر باید موردنظر قرار گیرد: مشخصات طراحی قطعه طراحی قالب خصوصیات مواد فاکتورهای انتخاب مواد: -Shrinkage -Thermal Properties -Viscosity -Viscoelasticy

Cost

آنالیز هزینه ملاحظات هزینه: Material and additives Tooling Cost Machine Cost Labor cost Finishing cost Injection Molded Parts

مدل کردن فرآیند

Modeling تشریح فرآیند چگونگی جریان مایع و انتقال حرارت مدل کردن جهت فیبرهای تقویتی

Viscous Shearing of Fluids F/A v/h 1 m Newtonian Viscosity Generalization: Injection molding “Shear Thinning” ~ 1 sec-1 for PE

Non-Isothermal Flow Flow rate: 1/t ~V/Lx Heat transfer rate: 1/t ~a/(Lz/2)2 Small value => Short shot For injection molding For Die casting of aluminum * Very small, therefore it requires thick runners

Heat transfer Note; aTool > apolymer 1-dimensional heat conduction equation : qx qx + Dqx Fourier’s law Boundary Conditions: The boundary condition of 1st kind applies to injection molding since the tool is often maintained at a constant temperature

Heat transfer Let Lch = H/2 (half thickness) = L ; tch = L2/a ; TW Tii t x +L -L Let Lch = H/2 (half thickness) = L ; tch = L2/a ; DTch = Ti – TW (initial temp. – wall temp.) Non-dimensionalize: Dimensionless equation: Initial condition Boundary condition Separation of variables ; matching B.C.; matching I.C.

Analytical Modeling Flow simulation in a center gated round mold

Computer Simulation

Flow Simulation Project Use MPI software Design project for the course