قالبگیری تزریقی پودر فلزات

تکنولوژی قالبگیری تزریقی پودر فلزات

MIM

Metal Injection Molding

 در فرآیند های قالبگیری ( Molding processes)، رزینها، پودرها و دانه های پلاستیکی را می توان به محصولات مفید تبدیل نمود. نکته مشترک در همه فرآیندها ی قالب گیری این است که در تمام این فرآیند ها از نیرو Force استفاده می شود. در قالب گیری مواد پلاستیکی پودری و دانه ای باید از نیروی زیادی استفاده کرد. ولی پرکردن قالب با رزین مایع احتیاج به نیروی به مراتب کمتر دارد.

فرآیند قالب گیری پلاستیک ها بسیار زیاد است به همین دلیل ما درباره سه گروه اصلی این فرآیندها یعنی قالب گیری تزریقی Injection، فشاری Compression و انتقالی Transfer به صورت مختصر مباحثی ارائه داده ایم.

قالب‌گیری تزرقی (Injection molding)

قالب‌گیری تزریقی (Injection molding) یکی از رایج‌ترین روش‌های تولید قطعات پلاستیکی است. بدنه تلویزیون‌ها، مانیتور‌ها، دستگاه پخش CDها، عینک‌ها، مسواک‌ها، قطعات خودرو و بسیاری قطعات دیگر با این روش ساخته می‌شوند.

قالب‌گیری تزریقی را می‌توان برای همه ترموپلاست‌ها به جز پلی تترافلوروتین (PTFE)، پلی‌ایمید، بعضی پلی استر‌های آروماتیک و بعضی پلاستیک‌های خاص دیگر به کاربرد.

ماشین‌های قالب‌گیری تزریقی (IMM) خاص ترموست‌ها را می‌توان برای ساخت قطعاتی از جنس فنولیک، ملامین، اپوکسی، سیلیکون، پلی‌استر و الاستومر‌ها استفاده کرد. در قالب‌گیری تزریقی همه این مواد، گرمای کافی به دانه‌های پلاستیکی اعمال می‌شود تا بتوانند درون قالب و گذرگاه‌های آن ” جاری ” شوند. پس این ماده به درون یک قالب بسته با فشار تزریق می شود تا همه حفره قالب را پر کرده و فرم مورد نظر را به خود بگیرد. پس از سرد شدن ماده و انجماد کامل آن، قالب باز شده و پیشنهاد بیرون انداز، قطعه کار پلاستیکی را از قالب خارج میکنند.

ماشین های تزریق به صورت افقی و عمودی ساخته می شوند که نشان دهنده جهت باز و بسته شدن قالب می باشد.

در ماشینهای تزریق افقی پس از باز شدن قالب قطعه کار به پایین می افتد و از طریق یک کانال یا نوار نقاله از ماشین خارج می شود. در ماشینهای تزریق عمودی این اتفاق نمی افتد. معمولا از ماشین های تزریق عمودی برای کاشت قطعات فلزی در ماده پلاستیکی استفاده می شود.
ماشین های تزریق عمودی فضای کمتری نسبت به ماشینهای افقی اشغال می کنند و با توجه به چند ایستگاهی بودن قالب آنها، هزینه استهلاک قالب در آنها پایین تر است در ماشین های تزریق پلاستیک د و قسمت مهم وجود دارد: واحد تزریق Injection unit و واحد قفل کننده قالب Clamping unit .

واحد تزریق(Injection unit)

وظیفه این واحد، ذوب کردن پلاستیک و تزریق آن به داخل قالب است. در این واحد قطعاتی از قبیل قیف تغذیه، پوسته مارپیچ، در وپوش انتهایی پوسته، نازل، مارپیچ، شیر یک طرفه، نوارهای گرم کننده ، موتور گردش مارپیچ و سیلندر هیدرولیکی برای حرکت رفت و برگشتی مارپیچ تعبیه شده است.سیستم کنترل ماشین می تواند حرارت اعمالی به پلاستیک، زمان گردش و حرکات رفت و برگشتی مارپیچ را کنترل کند.

عملکرد میله مارپیچ، تعیین کننده، سرعت و بازدهی ذوب کردن دانه های پلاستیکی می باشد.

واحد قفل کنند ۵ قالب ( Clamping unit)
وظیفه این واحد باز کردن و بستن قالب و همچنین بیرون انداختن Ejecting قطعه کار از قالب است. دو روش رایج برای تامین نیروی قفل کننده قالب، استفاده از نیروی هیدرولیک به صورت مستقیم و یا استفاده از یک مکانیزم قفل کننده زانؤیی بامحرک هیدرولیکی میباشد

مشخصات ماشینهای تزریق (Clamping tonnage)
قماشین های قالب گیری تزریق  عبارتند از ظرفیت تزریقShot size و تناژ قفل کردن قالب (Clamping tonnage).

 ظرفیت تزریق

ظرفیت تزریق عبارت است از حداکثر مقدار مواد پلاستیکی که ماشین می تواند در هر سیکل به داخل قالب تزریق کند با توجه به اینکه چگالی پلاستیکهای مختلف با هم تفاوت دارد باید یک استاندارد برای مقایسه تعریف شود. پلی استایرین به عنوان پلاستیک استاندارد برای این ارزیابی پذیرفته شده است.

 تناژقفل کردن قالب

تناژ قفل کردن، حداکثر نیرویی است که ماشین می تواند به قالب وارد کند. از نظر تناژ می تواند ماشینهای تزریق را به سه گروه کوچک، متوسط و بزرگ دسته بندی کرد. در ماشینهای کوچک تناژ، قفل کردن حداکثر ۹۹ تن است. تناژ ماشینهای متوسط
۱۰۰-۲۰۰۰و تناژ ماشینهای تزریق بزرگ بالاتر از ۲۰۰۰ تن است. ماشینهای تزریق بزرگ که به صورت استاندارد ساخته می شوند. ممکن است تناژی معادل ۱۰۰۰۰ تن نیز داشته باشد.

مراحل قالب گیری تزریقی
هر سیکل از عملیات تزریق پلاستیک پنج مرحله دارد.

۱- بسته شدن قالب

۲- با حرکت خطی میله مارپیچ رو به جلو، شیر یک طرفه ای که در انتهای مارپیچ قرار دارد، به پلاستیک ذوب شده اجازه نمی دهد به عقب برگردد، بنابراین میله مارپیچ با این حرکت ، پلاستیک داغ مذاب را به داخل حفره قالب می فرستد.

۳- میله مارپیچ، اعمال فشار به پلاستیک را آنقدر ادامه می دهد که پلاستیک داخل موادتا پلاستیک در روزنه ورودی قالب نیز منجمد شود و بدین ترتیب ارتباط فشار قطع گردد. طولانی شدن بیشتر زمان، باعث اتلاف وقت می شود.

۴- فشار تزریق قطع شده و میله مارپیچ شروع به گردش می‌کند تا مواد مذاب جدید را از قیف تغذیه نماید. گردش میله ادامه یافته و مواد روبه جلو رانده‌می‌شود تا در سیکل بعدی حجم کافی از مواد پلاستیکی برای تزریق به قالب مهیا گردد. سپس میله اندکی به عقب حرکت می‌کند تا مواد پلاستیک مذاب به داخل کانالقالب نریزد.

۵- قالب باز شده و بینهای بیرون انداز قطعه کار را بیرون می‌اندازند.

مزایای قالب‌گیری تزریقی

۱- تعداد تولید بالا.
۲- امکان کاشت قطعات فلزی و غیر فلزی در پلاستیک.
۳- امکان تولید قطعات کوچک با فرم‌های پیچیده و تلرانس‌های ابعادی دقیق.
۴- امکان استفاده از بیش از یک نوع ماده پلاستیکی در یک قطعه.
۵- عدم نیاز اغلب قطعات تولیدی به عملیات تکمیلی.
۶- امکان استفاده مجدد از ضایعات پلاستیکی تولیدی.
۷- امکان تولید قطعات سازه‌ای از فوم به روش قالبگیری تزریقی واکنشی.
۸- قابلیت اتوماسیون کامل فرآیند.

معایب قالب‌گیری تزریقی

۱- عدم امکان تولید برای تعداد کم.
۲- ماشین‌های تزریق گران هستند.
۳- رقابت در این عرصه تولید زیاد است.
۴- فرآیندی پیچیده است.

قالب گیری مواد ترموست دانه ای و صفحه ای

قالب‌گیری فشاری (Compression molding)

یکی از قدیمی‌ترین فرآیند‌های شکل دادن مواد ترموست، قالب‌گیری فشاری (Compression molding) است.
در این روش ماده پلاستیکی در حفره قالب قرار داده‌شده‌ و با اعمال حرارت و فشار، شکل می‌گیرد. قاعدتا از این روش برای فرم دادن مواد ترموست استفاده می‌شود، ولی گاهی مواد ترموپلاستیک را نیز می‌تواند با این روش تولید کرد.

این روش شبیه روش تولید کلوچه است. با اعمال فشار و حرارت به ماده پلاستیکی، این ماده همه قسمت‌های قالب را پر می‌کند. با اعمال گرما، پلاستیک سخت می‌شود و می‌توان آن را از قالب خارج نمود.
عملیات قالب‌گیری فشاری معمولا شش مرحله اصلی دارد:
۱- تمیز کردن قالب و مالیدن ماده جدا کننده (در صورت نیاز) درون حفره قالب.
۲- قرار دادن قطعه پیش فرم داخل قالب.
۳- بسته شدن قالب.
۴- باز کردن قالب به اندازه کمی تا گاز‌های ایجاد شده بتوانند تخلیه شوند (تنفس قالب).
۵- اعمال حرارت و فشار برای عمل‌آوری کامل مواد (زمان نگهداری قالب در حالت بسته).
۶- باز کردن کامل قالب و برداشتن قطعه کار و قرار دادن آن برروی فیکسچر سرد.

 مزایای روش قالب‌گیری فشاری

۱- کاهش مقدار دور ریز مواد.
۲- هزینه پایین ساخت قالب.
۳- قابلیت انجام فرآیند به صورت دستی و اتوماتیک.
۴- امکان تولید قطعات گرد و بزرگ.
۵- به حداقل رساندن جریان مواد درون قالب و کاهش ایجاد تنش در قطعه کار و سایش در سطوح قالب.
۶- در ساخت قالب‌های چند حفره‌ای نیازی به بالانس بودن سیستم تغذیه ماده اولیه نیست.

معایب روش قالب‌گیری فشار

۱-عدم امکان تولید قطعات پیچیده.
۲- قطعات کاشتنی داخلی پلاستیک و پین‌های بیرون انداز ممکن است در این فرآیند آسیب ببینند.
۳- پیچیدگی‌های فرم قطعه کار را باید حذف کرد.
۴- زمان سیکل هر قالب‌گیری ممکن است طولانی شود.
۵- قطعات اسقاط شده و زایدات قالب‌گیری را نمی‌توان مجددا استفاده کرد.
۶- زایده‌بری قطعات ممکن است دشوار باشد.
۷- بعضی از قسمت‌های قالب ممکن است پر نشوند و دقت ابعادی قطعه کار ممکن است همیشه تابعی از ابعاد قالب نباشد.
۸- برای اتوماسیون عملیات شاید لازم باشد از تجهیزات اضافی استفاده شود. قطعاتی که می‌شود با این روش تولید کرد عبارت است از ظروف غذاخوری، دکمه‌ها، قلاب‌ها، قطعات لوازم خانگی، مخزن‌های بزرگ و بسیاری قطعات الکتریکی.

 قالب‌گیری انتقالی (Tranfer molding)

این روش از زمان جنگ جهانی دوم شناخته شد. این روش را با نام‌های دیگری نظیر قالب‌گیری پلانجری، قالب‌گیری تزریقی انتقالی، قالب‌گیری ضربه‌ای نیز می‌شناسند.

در این روش مواد پلاستیکی ابتدا به یک مخزن در خارج از قالب ریخته شده و در آنجا به صورت یک توده ذوب شده در می‌آید که در نهایت به داخل قالب رانده می‌شود. با توجه به مایع بودن پلاستیک به هنگام ورود به قالب می‌توان عملیات کاشت قطعات فلزی را نیز با این روش انجام داد. قطعات با شکل بیجیده دقیق نیز با این روش قابل تولید است.
قالب‌های مورد استفاده در این روش، دو نوع هستند.

۱- قالب‌هایی با کانال واسطه (Pot or Sprue mold)
۲- قالب‌های پلانجری (Plunger mold)
قالب‌گیری پلانجری از این بابت با قالب‌های دارای کانال واسطه متفاوت است که در قالب‌های پلانجری، مواد پلاستیکی زیر پلانجر مستقیما به داخل حفره‌های قالب رانده می‌شوند، در صورتی که در قالب‌های دارای کانال واسطه، مواد از طریق این کانال به حفره‌های اصلی قالب منتقل می‌گردد. قطعات ساخته شده با قالب‌های پلانجری،دورریز کمتری دارند

مزایای فرآیند قالب‌گیری انتقالی
۱- ایجاد سایش کمتر در قالب.
۲- می توان قطعات با فرمهای پیچیده (با دیواره نازک و سوراخ‌های کوچک) را تولید کرد. امکان کاشت قطعات فلزی در ماده پلاستیکی نیز وجود دارد.
۳- زواید پیرامون قطعه کار در این روش،کمتر از قالب‌گیری فشاری است.
۴- چگالی قطعات ساخته شده به این روش، بیشتر و یکنواخت‌تر از قالب‌گیری فشاری است.
۵- چند قطعه کار را می‌توان همزمان قالب‌گیری نمود.
۶- زمان سیکل قالب‌گیری و شارژ مواد اولیه، کوتاهتر از روش قالب‌گیری فشاری است.

معایب فرایند قالبگیری انتقالی
۱- زواید چسبیده به قطعه کار از موضع کانال‌های ورود و توضیع مواد به قالب، بیشتر است.
۲- قالب‌ها و تجهیزات مورد استفاده در قالب‌گیری انتقالی گران هستند.
۳- باید محل‌هایی برای خروج گاز‌ها و هوای قالب در نظر گرفته شود.
۴- زواید چسبیده به قطعه کار باید جدا گردد.

 

چند نمونه از قالب گیری :

 

 

با وجود اینکه از نظر تاریخی متالوژی پودر از قدیمی‌ترین روشهای شکل دادن فلزات است، اما تولید در مقیاس تجارتی با این روش، از جدیدترین راههای تولید قطعات فلزی است. در دوران باستان از روشهای متالوژی پودر برای شکل دادن فلزاتی با نقطه ذوب بالاتر از آنچه در آن زمان داشتند، استفاده می‌شد. اولین بار در اوایل قرن نوزدهم بود که پودر فلزات با روشی مشابه آنچه امروزه بکار می‌رود، با متراکم نمودن به صورت یکپارچه در آورده شد.

متالوژی پودر فرایند قالب گیری قطعات فلزی از پودر فلز توسط اعمال فشارهای بالا می‌باشد. پس از عمل فشردن و تراکم پودرهای فلزی، عمل تف جوشی در دمای بالا در یک اتمسفر کنترل شده، انجام پذیرفته که در آن فلز متراکم، جوش خورده و به صورتساختمان همگن محکمی ‌پیوند می‌خورد. با توجه به گفته های بالا تکنیک برتر در متالورژی پودر از mim میتوان نام برد. در روش MIM قطعاتی که تحت اعمال فشار شکل پذیر نیستند، به صورت تزریق پودرو پلیمر شکل میگیرد. متالورژی پودر، فرایند قالبگیری قطعات فلزی توسط فشارهای بالا برای تولید دقیقتر و سریع اشکال می باشد.

پس از تراکم پودرهای فلزی عمل زینترکردن در دمای بالا در یک کوره با اتمسفر (فشار) کنترل شده انجام می شود که در آن فلز متراکم جوش خورده و در حالت جامد به صورت ساختمان همگن محکمی به هم پیوند می خورد. خواص فیزیکی ماده  متراکم زینتر شده شبیه به خواص فلز سازنده اصلی است. عمل زینتر کردن معمولا در حدود ۸۰ تا ۹۰ درصد نقطه ذوب پودر فلزات تشکیل دهنده قطعه انجام می­گیرد تا امکان چسبیدن ذره ها در امتداد فصل مشترکشان وجود داشته باشد. تراکم پودر به وسیله پرس کردن همزمان سنبه های بالایی وپایینی، تحت فشارهایی درحدود  kg/cm ۴۲۱۸ ۲ انجام می شود.

 مزایای متالورژی پودر:

از جمله مزایای این روش می توان به صرفه جویی در هزینه تولید قطعات پیچیده،بهره وری بیشتر،امکان دستیابی به دقت های بالا،امکان اتوماسیون تولید و همچنین تولید برخی از قطعات خاص و دستیابی به ویژگی های منحصر به فرد همچون ابزارهای کاربایدی و در نهایت سهولت در تولید با استفاده از موادی که استفاده از آنها در دیگر فرآیندهای ساخت مشکل است همچون فلزات دیرگداز و واکنش پذیر اشاره کرد.

 محدودیت های متالورژی پودر:

معمولا برای قطعات با تقارن محوری یا با هندسه ساده استفاده نمی شود.همچنین به علت هزینه بالای پودر مواد فلزی فرایند MIM فرایند هزینه بری است.از دیگر محدودیت های این فرایند می توان به محدودیت در اندازه و ابعاد قطعات تولیدی،محدودیت در تغییر ضخامت و همچنین عدم تولید لبه و گوشه های تیز اشاره کرد.

 فرایند MIM:

فرایند MIM مطابق روش های زیر دسته بندی می گردد:

(PIM)Powder Injection Moldingفرایند منحصر به فردی است که می توان پودرهای مواد فلزی،سرامیک و سرمت را به قطعه تبدیل نماید.در صورتی که این فرایند برای شکل دهی قطعات فلزی استفاده شود،آن را (MIM) Metal Injection Molding می نامند.

در این روش پودر مواد را با یک مجموعه ماده پلیمری مخلوط می کنند و یک توده قابل تزریق به وجود می آورند که آن را Feedstock می نامند.Feedstock حاصل را توسط ماشین های تزریق معمولی تزریق کرده تا قطعه خام ( Green Body ) به دست آید.پس از تزریق،قطعه خام را چسب زدایی کرده و ماده پلیمری (چسب) موجود در قطعه را برطرف می نمایند.قطعه چسب زدایی شده را Brown Body می نامند که به منظور افزایش استحکام و خواص مکانیکی توسط کوره هایی با اتمسفر کنترل شده، سینتر می گردد. شکل زیر مراحل ساخت قطعه به روش MIM را نشان می دهد.

در مرحله چسب زدایی، بخش زیادی از جزء پلیمری از قطعه برطرف می شود. اگر تمامی ماده پلیمری از قطعه خام گرفته شود، قطعه ریزش کرده و از هم می پاشد. به همین دلیل ماده پلیمری دیرگداز که معمولا ۱۰ درصد وزنی کل جزء پلیمری را تشکیل می دهد، در مرحله چسب زدایی برطرف نمی شود و در قطعه باقی می ماند تا شکل آن را حفظ نموده و قطعه به مرحله سینترینگ برسد. در مراحل اولیه سینترینگ، ماده پلیمری دیرگداز هم برطرف می شود. مواد اولیه پودری روش MIM ریزتر از متالورژی پودر معمولی هستند. معمولا ذرات پودر زیر ۱۰ میکرون می باشند. در شکل زیر فلوچارت فرایند MIM نشان داده شده است:

کاربرد های فرایند MIM:

قابل استفاده بودن برای محدوده وسیعی از مواد، تولید قطعات کوچک و پیچیده، ایجاد جزئیات و تیراژ انبوه به ویژه در فلزات با قابلیت شکل دهی و ماشینکاری سخت از مزیت های مهم تکنولوژی MIM به شمار می آیند. در شکل زیز به شماتیکی از رابطه بین پیچیدگی قطعات و حجم تولید را برای چندین روش مختلف اشاره شده است.

MIM معمولا برای ساخت قطعاتی از جنس فلز و آلیاژهایی که دمای ذوب آن ها بالای ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد است استفاده می گردد. تلرانس ابعادی قطعات ساخته شده با این روش در شرایط معمولی۳/ ۰ درصد بوده که برای حالتهای خاص به۱ / ۰ درصد هم می رسد.

از MIM معمولا برای تولید قطعات ساده استفاده نمی گردد چرا که روش های دیگر مانند متالورژی پودر معمولی ،ریخته گری دقیق و تحت فشار(دایکست) برای این نوع تولیدات مناسب تر است. هر چقدر پیچیدگی قطعه بیشتر شود استفاده از MIM ارجحتر و اقتصادی تر است خصوصا اگر قطعات نیاز به عملیات تکمیلی بعدی مانند سنگ زنی،ماشینکاری،سوراخکاری و غیره داشته باشند.

بدلیل نیاز به تنظیمات و هزینه ابزار و تجهیزات،تولید سالیانه قطعات با این روش حداقل بین ۲۰۰۰ تا ۵۰۰۰ عدد در نظر گرفته می شود.بطور معمول بیش از۵۰۰۰ قطعه در سال برای تولید با این روش مناسب است.برای تولید بیش از۱۰۰۰۰۰ قطعه در سال نیز به دلیل نیاز به تعمیر و بازسازی مجدد ابزارها هزینه تولید چندان کاهش پیدا نمی کند.هزینه تولید قطعات توسط MIM تقریبا ۶ تا ۳۰ برابر هزینه پودر اولیه را شامل می شود.  برخی کاربرد های MIM و خواص کلیدی مورد نظر:

منابع:

۱٫ASM Handbook_ Powder Metallurgy_ vol. 7 _ 9 th Edition 1993

۲٫M.G.Randall and A.Bose _ Injection Molding of Metals and Ceramics _ 1997

۳٫C.M.Beebhas and R.G.Ford _ Ceramic Injection Molding _ Chapman&Hall _ 1995

۴٫B.A.Mathew and R.Mastromatteo _ MIM for automotive applications _ Technical Report _  vol. 57 _  pp.20 _ 2002

۵٫K.M.Kulkami _ Metal powders and feedstocks for MIM _ Metal Powder Report _ vol. 57 _ pp.38 _ 2002

۶٫F.Petzoldt _ Investigation of different Stainless Steel MIM feedstocks with a novel binder system _ Metal Powder Report _ vol. 47 _ pp.56 _ 1992

۷٫A.C.Goncalves _ Metallic PIM using low pressure _ Journal of Materials Processing Technology _ vol. 118 _ pp.193 _ 2001