تزریق پلاستیک یکی از مقبول‌ترین جنبه‌های چاپ سه بعدی حذف هزینه‌های اولیه‌ی سنگین است. به دلیل نیاز به ساخت قالب‌های ویژه،قالب‌گیری تزریقی عموماً با هزینه‌های اولیه‌ی سنگینی همراه شده است. با این وجود، تحمیل این هزینه‌ها با توجه به طول عمر قالب و طول چرخه‌ی تولیدِ یک محصول به سادگی قابل جبران می‌باشند.

خلاصه

تزریق پلاستیک و پرینتر سه بعدی
یکی از مقبول‌ترین جنبه‌های چاپ سه بعدی حذف هزینه‌های اولیه‌ی سنگین است. به دلیل نیاز به ساخت قالب‌های ویژه،قالب‌گیری تزریقی عموماً با هزینه‌های اولیه‌ی سنگینی همراه شده است.

مقدمه :

با این وجود، تحمیل این هزینه‌ها با توجه به طول عمر قالب و طول چرخه‌ی تولیدِ یک محصول به سادگی قابل جبران می‌باشند. در حقیقت، هزینه‌ی اولیه به واسطه‌ی تولید انبوه یک محصول جبران و قطعه‌ی نهایی همواره با قیمتی مناسب به کاربر عرضه می‌گردد.

جدا از هزینه‌ی اولیه پایین‌ تر، چاپ سه بعدی همچنان با محدودیت‌هایی جدی روبرو است که می‌بایست در سال‌های پیش ‌رو بر آن‌ها فائق آید. چالش‌های نرم‌افزاری و فنی، این تکنولوژی را به فرآیندی گران و زمان‌بر بدل نموده است. چاپگرهای سه بعدی همچنان کمیاب‌اند و فرآیند تولید نسبت به دستگاه‌های تزریق پلاستیک از سرعتِ به مراتب پایین‌تری برخوردار است. در نهایت، از حیث تولید محصولات حجیم، چاپگر سه بعدی از محدودیت‌هایی رنج می‌برد. شرکت‌های فعال در عرصه‌ی چاپ سه بعدی نیز چنین کاستی‌هایی را به رسمیت شناخته و درصدد رفع آن‌ها بوده‌اند. چنانچه یکی از مطالعات صورت گرفته نشان می‌دهد، چاپ سه بعدی تنها جهت تولید حجم پایین قطعاتی با ابعاد فیزیکی کوچک گزینه‌ای درخور توجه است.

تزریق

مواد پلاستیکی خام معمولاً به شکل تکه‌های پلاستیک به دستگاه وارد و توسط واحد تزریق به سمت قالب رانده می‌شود. در حین این فرآیند، مواد بواسطه اِعمال حرارت و فشار ذوب و سریعاً به داخل قالب تزریق وارد می‌گردد. تجمع فشار پشت مواد، تراکم هرچه‌بیشتر آن در فضای داخلی قالب را در پی خواهد داشت. مقدار مواد لازم جهت پر نمودن کامل فضای قالب اصطلاحاً شات نامیده می‌شود. به دلیل جریان پیچیده و متغیر مواد در قالب، عموماً محاسبه و تخمین زمان تزریق دشوار می‌باشد. با این حال، این زمان می‌تواند با لحاظ نمودن حجم شات موردنیاز، فشار و قدرت تزریق، مورد ارزیابی قرار گیرد.

پیش از وارد شدن به پروسه تزریق پلاستیک، قطعات خود را با پرینت سه بعدی و یا ماشین کاری CNC نمونه سازی کرده و طرح خود را نهایی کنید.

تعیین کننده اصلی هزینه تزریق پلاستیک، قالب آن است. هزینه ساخت قالب تزریق پلاستیک به هندسه قطعه بستگی دارد. هرچه قطعه ساده تر باشد، ساخت قالب آن ارزان تر خواهد بود.

برای پیشگیری از نقص های احتمالی در قطعه، ضخامت دیواره ها را پیوسته طراحی کرده، برای دیواره های عمودی حتما حدود ۲ درجه زاویه انحراف درنظر بگیرید و همه گوشه های قطعه را نرم(Fillet یا Chamfer) درنظر بگیرید.

تزریق پلاستیک برای تولید بیش از ۱۰۰۰ قطعه به صرفه است اما راه حل های دیگری مثل استفاده از پرینت سه بعدی برای ساخت قالب می تواند هزینه ساخت را به طرز قابل توجهی پایین بیاورند.

معمولا این دید وجود دارد که قطعه ای که پرینت سه بعدی می شود در مقایسه با نمونه تزریق پلاستیک شده اش کیفیت و مقاومت کمتری دارد. به همین دلیل قبل از این که تصمیم به پرینت یک قطعه بگیریم باید تفاوت های مکانیکی قطعه پرینت شده و قطعه ای که تزریق پلاستیک می شود را بدانیم. در این جا به بررسی تفاوت قطعه تولید شده به روش SLS و قطعه تولید شده به روش تزریق پلاستیک و ارایه نتایج تست های مختلف می پردازیم.

جهت پرینت:

در این جا با انجام تست کشش به شما نشان می دهیم که جهت پرینت قطعه چه تاثیری برروی مقاومت قطعه خواهد گذاشت.

برای انجام تست کشش باید از استاندارد ASTM استفاده کرد. و قطعاتی که مورد آزمایش قرار می دهیم بر این اساس طراحی خواهند شد و از دو طرف در گیره دستگاه کشش قرار میگیرند. دستگاه کشش قطعه را در جهت طول می کشد و با افزایش نیروی اعمال شده هم زمان مقدار کرنش قطعه را نیز اندازه می گیرد تا زمانی که قطعه دچار شکست شود. در شکل زیر سه قطعه تست را مشاهده می کنید که در جهت های مختلف پرینت شده اند. جهت z که با فلش نشان داده شده است در واقع جهتی است که لایه ها برروی هم قرار می گیرند و قطعه را به وجود می اورند. همان طور که مشاهده می کنید قطعه پرینت شده در جهت z بیشترین لایه و قطعه پرینت شده در جهت y کمترین لایه را دارد.

چرا از تست کشش استفاده می کنیم:

تست کشش یکی از مهم ترین روش ها برای بررسی ویژگی های یک ماده است. با تست کشش می توان به مشخصاتی مثل مقاومت کششی ماده (tensile strength)و یا حداکثر توانایی کش امدن (maximum elongation) ماده رسید. این دو داده بسیار اهمیت دارند و برای مثال ماده ای با مقاومت بالا می تواند الانگیشن پایینی داشته باشد که نتیجه آن ماده سخت و تردی مانند سرامیک است.

نتایج تست کشش در جهت های مختلف پرینت:

در نمودار بالا نتایج تست کشش برای قطعه پرینت شده در جهت zوx را در دماهای مختلف مشاهده می کنید. دایره های سبز مقاومت کششی قطعات پرینت شده در جهت z و دایره های آبی مقاومت کششی قطعات پرینت شده در جهت x را نشان میدهد

این نمودار نشان میدهد که هم مقاومت کششی و هم ماکزیمم حد کشش (elongation) در نمونه های پرینت شده در جهت x (دایره های قرمز و آبی)کمی بالا تر از نمونه های پرینت شده در جهت z (دایره های سبز و بنفش) هستند. بیشترین اختلاف در دمای -60 درجه اتفاق می افتد که مقدار آن 10Mpa است.

وابستگی خواص قطعات پرینت شده به جهت پرینت یک حقیقت است. وقتی که قطعه پرینت شده را در جهت قرار گرفتن لایه ها تحت کشش قرار میدهیم مقاومت کمتری از خود نشان میدهد. در حالی که اگر در جهت حرکت لیزر (x,y) تحت کشش قرار بگیرند بار بیشتری را تحمل می کنند. این پدیده را در تصویر زیر بهتر می توانید مشاهده کنید.

در عکس سمت چپ چگونگی شکست در جهت قرار گیری لایه ها را نشان میدهد که در محل اتصال لایه ها اتفاق می افتد. تصویر سمت راست شکست در جهت حرکت لیزر را نشان میدهد همان طور که مشاهده می کنید برای شکست در این جهت تعداد زیادی از لایه های تشکیل شده باید بریده شوند.پس در واقع قطعات پرینت سه بعدی شده رفتاری ناهمسانگرد از خود نشان میدهند و خواص قطعه در جهت های مختلف با هم متفاوت است. البته اگر جدول را مشاهده کنید می بینید که این اختلاف زیاد نیست و حداقل در دمای محیط می توان قطعات پرینت سه بعدی شده را همسانگرد در نظر گرفت.

مقایسه مقاومت کششی قطعات درپرینت سه بعدی و تزریق پلاستیک:

برای فهمیدن تفاوت عملکرد قطعات پرینت سه بعدی و تزریق پلاستیک از نمودار تنش-کرنش استفاده می کنیم

نمودار بالا تفاوت یک قطعه پرینت شده به روش sls و همان قطعه به روش تزریق پلاستیک را نشان میدهد. در این نمودار قطعه پرینت شده در جهت x با قرمز در جهت z با سبز و قطعه تزریق پلاستیک شده با رنگ آبی نشان داده شده اند.

هر دو قطعه پرینت شده تنش بیشتری را نسبت به قطعه تزریق پلاستیک نشان میدهند. از نمودار بالا می توان فهمید که قطعات پرینت شده مقاومت مشابهی نسبت به قطعات تزریق پلاستیک دارند ولی در کرنش های پایین تری دچار شکست می شوند. این تحمل کرنش پایین را میتوان به ساختار درونی ماده نسبت داد. در مقایسه با قطعات پرینت شده قطعات تزریق پلاستیک دارای خلل و فرج کمتر و یکپارچگی بیشتری هستند در نتیجه نا به جایی های کمتری در قطعه برای رشد ترک وجود خواهد داشت.

در این تحقیق که توسط شرکت اسکالپتیو انجام شده است 5 نمونه که معمولا با روش تزریق پلاستیک تولید می شوند مورد آزمایش قرار گرفته اند. این پنج قطعه شامل یک مجسمه خروس، دستگیره گوپرو،بدنه کنترل تلویزیون،دستگیره ماشین و یک چرخدنده هستند. در جدول زیر می توانید اندازه این قطعات را مشاهده کنید.

در این جا قیمت تمام شده هر یک از پنج قطعه برای روش پرینت سه بعدی با استفاده از نرم افزار محاسبه شده است. در روش تزریق پلاستیک نیز قیمت تمام شده به ازای هر قطعه برای تیراژ های مختلف بررسی شده است.قیمت قطعات تزریق پلاستیک شده نیز با احتساب هزینه های اولیه تولید مثل ابزار، قالب و … محاسبه شده اند.درنمودار های زیر این دو قیمت را برای هر قطعه مشاهده می کنید. جایی که دو نمودار یکدیگر را قطع می کنند نشان دهنده تیراژی از قطعه است که اگر با روش تزریق پلاستیک تولید شود از لحاظ قیمت مشابه قطعه پرینت سه بعدی میشود. یا به بیان دیگر نشان دهنده تیراژی است که می توانید روی پرینتر سه بعدی به عنوان یک روش تولید اقتصادی حساب باز کنید.

نمودار زیر یک نمای کلی از جداول بالا را برای شما نمایش می دهد. هر 5 نمونه ازمایش را در این جدول مشاهده می کنید. ناحیه های ابی رنگ نشان گر هزینه تمام شده برای هر قطعه پرینت شده است، به دلیل این که برای پرینت سه بعدی یک قطعه نیاز به ابزار خاصی ندارید این هزینه فارغ از تعداد تیراژ ثابت خواهد بود. ناحیه زرد نشان دهنده هزینه تمام شده برای هر قطعه به روش تزریق پلاستیک و در تیراژ های مختلف است. همان طور که مشاهده می کنید به دلیل هزینه اولیه زیادی که برای شروع فرآیند ساخت در این روش نیاز داریم با زیاد شدن تیراژ هزینه هر قطعه هم کاهش پیدا می کند.

اگر این نواحی را تا مرکز دنبال کنید جایی که این دو ناحیه با هم برابر می شوند تعداد بیشینه تیراژی است که می توانید از پرینتر سه بعدی برای تولید استفاده کنید و اگر قصد تولید تعداد بیشتری قطعه را دارید باید از روش تزریق پلاستیک استفاده کنید.

نتیجه گیری:

این داده ها نشان میدهد که روش پرینت سه بعدی می تواند یک روش بهینه و ارزان قیمت تر از روش تزریق پلاستیک برای محصولاتی با تیراژ تا حدود 500 تا باشد. جنس استفاده شده در روش پرینت سه بعدی با تزریق پلاستیک تفاوت دارد و باید آن را نیز در نظر گرفت. همچنین قطعاتی که پرینت سه بعدی می شوند کیفیت و صافی سطح متفاوتی نسبت به روش تزریق پلاستیک دارند. باید حواستان به کیفیت سطح قطعات پرینت سه بعدی شده هم باشد.

کدام تکنولوژی مناسب با فعالیت شماست؟

هر دو تکنولوژیِ چاپ سه بعدی و قالب گیری تزریقی قادرند محصولاتی باکیفیت و از نظر هندسی پیچیده‌ای را تولید کنند. برای اینکه تصمیم‌گیری پیرامون انتخاب یکی از آن‌ها برای شما ساده‌تر شود، کافی است یک عامل اقتصادی مهم را در نظر داشته باشیم:

نقطه‌ی سربه‌سری. در تولید، این نقطه به معنای نقطه‌ی بازگشت هزینه‌های اولیه‌ی تولید در مدت‌زمانی معقول و قابل‌قبول است به گونه‌ای که بتوان آن فرآیند تولیدی را مقرون‌به‌صرفه به شمار آورد. علاوه بر این، ابعاد و هندسه‌ی قطعه از دیگر عوامل قابل ارزیابی می‌باشند. در مطالعه‌ی صورت‌گرفته توسط شرکت فرانسوی اسکولتئو، نقطه‌ی سربه‌سری در تولیداتی پایین‌تر از 1500 واحد تولید دچار افت محسوسی می‌شود. به بیان دیگر، اگر چرخه‌ی تولید شما کمتر از 1500 است، چاپ سه بعدی می‌تواند گزینه‌ای مقرون به صرفه قلمداد شود. در غیر این صورت، قالب گیری تزریقی گزینه‌ای هوشمندانه‌تر خواهد بود.

دستگاه تزریق پلاستیک چیست؟

قالب گیری تزریقی بر فرآیند تولید محصولات پلاستیکی تزریقی – بر مبنای ترموپلاستیک و ترموست‌ها – اطلاق می‌گردد مواد پس از وارد شدن به سیلندری داغ، میکس و سپس توسط مارپیچ به داخل کویته‌ی قالب، جایی که قطعه‌ی قالب گیری شده در آن سرد و سخت می‌گردد، رانده می‌شود. پس از طراحی یک قطعه توسط مهندس یا طراح صنعتی، قالب متناسب با قطعه توسط قالب‌ساز ساخته می‌شود. قالب‌های تزریق عموماً از فولاد یا آلومینیوم و طی ماشین‌کاریِ دقیقی ساخته شده تا منعکس‌کننده‌ی ویژگی‌های قطعه طراحی‌شده باشند. قالب‌گیری تزریق به منظور تولید طیف وسیع محصولات از کوچکترین اشیاء تا بدنه کامل اتوموبیل‌ها، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

کاربردهای قالب‌گیری تزریقی

در حال حاضر، قالب‌گیری تزریق پلاستیک روش ارجح در تولید قطعات پلاستکی محسوب می‌شود. قالب‌های تزریق در تولید طیف وسیعی از محصولات مانند لوازم الکتریکی منزل، ظروف، درب بطری‌ها، اجزای داخلی خودروها و بیشتر محصولات پلاستیکی موجود، نقشی اساسی ایفا می‌کنند. برخورداری از قابلیت ساخت قطعات چندکویته و در حقیقت تولید همزمان چندین محصول در مدت یک سیکل کاری، قالب‌گیری تزریق را به گزینه‌ای ایده‌آل جهت تولید حجم بالای محصولات بدل نموده است. دقت بالا، تکرار‌پذیری، طیف وسیع مواد مصرفی، هزینه نیروی‌کار کم، دورریز اندک و نیاز به ملزومات کم برای نهایی کردن محصولات پس از قالب‌گیری، همه و همه از مزایای قالب‌گیری تزریق پلاستیک محسوب می‌گردند. از معایب آن نیز می‌توان به هزینه بالای ماشین‌ابزار و نیاز به پیش‌نمونه (Prototype) اشاره کرد (از جائیکه برخی قطعات پیچیده ممکن است در طی فرآیند تزریق دچار مشکلاتی از قبیل تاب برداشتن یا سطح ناصاف شوند). نتیجتاً، در طراحی قطعات تزریق پلاستیک می‌بایست نکات قالب‌گیری دقیقی را لحاظ نمود.

تاثیر اندازه قطعه در قیمت:

در این آزمایش تاثیر اندازه قطعه برروی قیمت تمام شده هم در روش تزریق پلاستیک و هم پرینت سه بعدی بررسی شده است. برای انجام این کار قیمت تمام شده برای تولید یک جعبه خالی با پنج وجه مورد بررسی قرار گرفته است.

جدول زیر حداکثر تیراژ قابل قبول برای پرینت سه بعدی را در مقایسه با روش تزریق پلاستیک برای جعبه هایی با اندازه مختلف را نشان می دهد. در واقع داده های این جدول نشان دهنده نقطه تقاطع نمودار های هزینه تولید هر قطعه با پرینت سه بعدی و روش تزریق پلاستیک هستند.

این اطلاعات نشان می دهد که با افزایش اندازه قطعه کارایی پرینتر سه بعدی هم کاهش پیدا می کند. از قیمت بالا جعبه بزرگ می توان به راحتی کارایی پایین پرینتر سه بعدی در اندازه های بزرگ را متوجه شد. مقدار ماده مصرف شده و زمان کار پرینتر دو عامل مهم و تعیین کننده در هزینه قطعه هستند. افزایش ارتفاع قطعه به این معنی است که قطعه برای تولید شدن به زمان بیشتری نیاز دارد و مقدار ماده مصرفی هم بیشتر خواهد بود. همچنین اگر قطعه بزرگ باشد باعث می شود که نتوان آن را به صورت یکجا پرینت گرفت و در نتیجه نیاز به چند بار پرینت گرفتن و روشن کردن دستگاه خواهد داشت که خود باعث افزایش قیمت قطعه خواهد شد. این در حالی است که روش تزریق پلاستیک هیچ کدام از این محدودیت ها را ندارد. به طور خلاصه پرینت سه بعدی برای قطعات بزرگ صرفه اقتصادی خود را حفظ نخواهد کرد مگر این که تعداد قطعات مورد نظر کم باشد.

تاثیر پیچیدگی قطعه بر روی قیمت:

در اخرین و سومین تحقیق تاثیر افزایش پیچیدگی قطعه در هر دو روش پرینت سه بعدی و تزریق پلاستیک مورد بررسی قرار گرفته است. برای این کار یک جعبه تو خالی با پنچ وجه، یک جعبه با لبه داخلی، یک جعبه با لبه بیرونی و یک جعبه با دو سوراخ برای دو روش تزریق پلاستیک و پرینت سه بعدی مورد بررسی قرار گرفتند.

جدول زیر حداکثر تیراژ قابل قبول برای پرینت سه بعدی در مقایسه با روش تزریق پلاستیک برای جعبه مختلف را نشان می دهد که از بالا به پایین پیچیدگی جعبه ها افزایش پیدا می کند.

این جدول نشان می دهد که هر قدر پیچیدگی قطعه افزایش پیدا می کند استفاده از پرینتر سه بعدی به صرفه تر خواهد بود به این دلیل که با افزایش پیچیدگی قطعه هزینه اولیه مورد نیاز برای تولید قالب افزایش پیدا می کند. که یک جمله معروف هم در مورد پرینتر سه بعدی وجود دارد که می گوید “در پرینتر سه بعدی پیچیدگی رایگان است” چرا که حجم ماده استفاده شده تغییر نخواهد کرد. با افزایش پیچیدگی یک قطعه برای پرینت سه بعدی قیمت آن تغییری نخواهد کرد بلکه در بعضی موارد ممکن است قیمت آن را نیز کاهش دهد. در مورد جعبه با لبه های خارجی که با عنوان “Box with flange” در جدول نوشته شده است به دلیل این که لبه های خارجی سطح ساخت را در جهت xy افزایش داده اند قیمت تمام شده افزایش پیدا کرده است. چون افزایش سطح ساخت قیمت تمام شده قطعه پرینت سه بعدی را افزایش می دهد. به طور خلاصه هر قدر قطعه شما پیچیدگی بیشتری داشته باشد تولید آن به روش پرینت سه بعدی توجیه بیشتری خواهد داشت.

نتیجه گیری:

458
تعداد بازدید هفته اخیر
میزان مفید بودن این مطلب
★★★★★★★★★★ 9.1/10