کمی کردن مشکل طراحی قطعات پلاستیکی

در ادامه مبحث طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی به بررسی مشکل کمی کردن طراحی این قطعات پرداخته می شود.

به منظور ارزیابی ویژگی های ساختاری یک قطعه یا جزء پلاستیکی، طراح ابتدا باید مسئله(های) طراحی سازه را به وضوح تعریف کند و موارد را به شکلی قرار دهد که بتوان آن را به صورت تحلیلی ارزیابی کرد.

طراح باید قبل از شروع هر نوع محاسبات سازه ای، تعدادی از عوامل را ارزیابی و مشخص کند. این عوامل عبارتند از:

 هندسه قطعه

 نوع ساپورت یا مهار

 شرایط بارگذاری

 شرایط محیطی

 رفتار مواد/خواص مکانیکی

 عوامل ایمنی

 

هنگامی که این موارد کمی سازی شدند، طراح می تواند یک سری محاسبات طراحی را انجام دهد، نتایج را بررسی کند، طرح را تغییر دهد، دوباره محاسبه کند، و بر روی جزئیات طرح تکرار کند تا نتایج مورد نظر به دست آید.

در فرآیند طراحی قطعات پلاستیکی، کمی کردن مشکلات طراحی یک مرحله حیاتی است که به طراحان کمک می‌کند تا ویژگی‌های ساختاری قطعه را به دقت ارزیابی کنند. این فرآیند شامل تعریف و کمی‌سازی عوامل مختلف است که بر عملکرد و ساختار قطعه تأثیر می‌گذارند. در ادامه، به تفصیل به این عوامل اشاره می‌شود:

عوامل کمی‌سازی شده در طراحی

1. هندسه قطعه:
– شکل و ابعاد: هندسه قطعه شامل شکل، ابعاد، و زوایای آن است که بر توزیع تنش و استحکام قطعه تأثیر می‌گذارد.
– تأثیر بر استحکام: هندسه نامناسب می‌تواند منجر به نقاط ضعف در قطعه شود که در شرایط بارگذاری، احتمال شکست را افزایش می‌دهد.

2. نوع ساپورت یا مهار:
– نقش در تثبیت: ساپورت‌ها یا مهارها به تثبیت قطعه در شرایط مختلف کمک می‌کنند و از ایجاد تنش‌های ناخواسته جلوگیری می‌کنند.
– تأثیر بر پایداری: انتخاب نوع مناسب ساپورت می‌تواند پایداری قطعه را در برابر بارهای مختلف افزایش دهد.

3. شرایط بارگذاری:
– انواع بار: بارهای مختلفی مانند بارهای استاتیکی، دینامیکی، و ضربه‌ای می‌توانند بر قطعه تأثیر بگذارند.
– تأثیر بر طراحی: درک شرایط بارگذاری کمک می‌کند تا طراح بتواند قطعه را به گونه‌ای طراحی کند که در برابر این بارها مقاومت داشته باشد.

4. شرایط محیطی:
– دما و رطوبت: تغییرات دما و رطوبت می‌توانند بر خواص مکانیکی پلاستیک تأثیر بگذارند و باعث تغییر در استحکام یا انعطاف‌پذیری شوند.
– مواد شیمیایی: در محیط‌هایی که مواد شیمیایی وجود دارد، مقاومت شیمیایی پلاستیک نیز باید در نظر گرفته شود.

5. رفتار مواد/خواص مکانیکی:
– استحکام کششی و فشاری: خواص مکانیکی پلاستیک مانند استحکام کششی و فشاری در طراحی قطعه مهم هستند.
– مدول الاستیسیته: مدول الاستیسیته نشان‌دهنده انعطاف‌پذیری پلاستیک است و در شرایط بارگذاری دینامیکی مهم است.

6. عوامل ایمنی:
– استانداردهای ایمنی: رعایت استانداردهای ایمنی برای اطمینان از عملکرد مطمئن قطعه ضروری است.
– خطرات احتمالی: شناسایی خطرات احتمالی و طراحی قطعه به گونه‌ای که این خطرات را به حداقل برساند، از مهم‌ترین وظایف طراح است.

فرآیند کمی‌سازی و طراحی

پس از کمی‌سازی این عوامل، طراح می‌تواند یک سری محاسبات طراحی را انجام دهد. این فرآیند شامل مراحل زیر است:

– محاسبات اولیه: انجام محاسبات برای ارزیابی اولیه طرح.
– بررسی نتایج: تحلیل نتایج برای شناسایی نقاط ضعف یا نیاز به اصلاح.
– اصلاح طرح: تغییر در طرح بر اساس نتایج به دست آمده.
– تکرار محاسبات: انجام محاسبات مجدد پس از اصلاح طرح تا زمانی که نتایج مطلوب حاصل شود.
– تکرار فرآیند: تکرار این فرآیند تا زمانی که طرح بهینه و مطمئن حاصل شود.

این فرآیند تکراری به طراح کمک می‌کند تا قطعه‌ای با عملکرد مطلوب و حداقل خطرات طراحی کند.

 

طراحی قطعات پلاستیکی با روش المان محدود

پیشتر بیان شد که طراحی قطعات پلاستیکی با روش المان محدود و روش تحلیلی می تواند یک رویکرد بسیار مناسب باشد که به کاهش زمان برای طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی کمک بسیاری می کند. البته باید در نظر داشت که روش المان محدود بسیار ارجح تر می باشد.

مثالی از مجموعه تیرهای ضربه ای را در نظر بگیرید. طراحی ساختاری مجموعه‌های snap-fit ​​یک مشکل طراحی است که در بسیاری از قطعات پلاستیکی با آن مواجه است. تیرهای ضربه‌ای که مستقیماً در قطعات پلاستیکی قالب‌گیری می‌شوند، در طول مونتاژ محصول به طور مختصر یا لحظه‌ای منحرف می‌شوند و سپس در قسمت جفت‌گیری در قسمت زیرین قرار می‌گیرند (شکل 1).

تنش‌ها و کرنش‌های مرتبط با عملیات مونتاژ را می‌توان با استفاده از فرمول‌های مهندسی کلاسیک که برای تیرهایی که در معرض خمش هستند (در این مورد یک تیر یک سرگیردار) به دست آمده است، تخمین زد. فرمول ها با استفاده از مفروضاتی ، مانند طول تیر به طور قابل توجهی بیشتر از عمق تیر، به دست می آیند و بنابراین تنش های خمشی غالب است. سپس فرمول ها ممکن است برای تیرهایی که نسبت L/h نسبتاً زیادی دارند، دقیق باشند. با این حال، هنگامی که فرمول های کلاسیک برای تیرهای نسبتاً کوتاه اعمال می شود، نتایج می تواند گمراه کننده باشد و باعث خطای قابل توجهی شود به عنوان مثال برای تیرهایی که نسبت L/h نسبتاً پایینی دارند. یک مطالعه المان محدود نشان داده است که خطاهای مرتبط با تئوری خمشی کلاسیک با کاهش نسبت ابعاد تیر افزایش می یابد.

 

شکل 1. تیر یک سر گیردار ضربه ای

 

تکنیک‌های FEA را می‌توان به‌جای رویکرد کلاسیک در اینجا برای به دست آوردن توصیف دقیق‌تری از تنش‌ها و کرنش‌های مرتبط با انحراف تیر یا ضربه‌ به تیرهای یک سرگیردار استفاده کرد. هندسه کل قسمت پلاستیکی یا بخش قطعه با استفاده از نرم افزار طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) مدل سازی شده است و یک شبکه المان محدود که از یک سری المان ساده به هم پیوسته در رئوس یا گره ها تشکیل شده است، بر روی این هندسه قرار می گیرد.

تعداد عناصر یا چگالی مش استفاده شده در آنالیز به عواملی مانند نرخ تغییر کرنش در آن ناحیه خاص از قطعه و ظرفیت کامپیوتر بستگی دارد. تراکم مش را می توان در مناطق مشکل دار مانند گوشه هایی که غلظت تنش بالا است افزایش داد. سپس شرایط/بارهای مرزی یا محدودیتی بر روی شبکه عناصر یا مدل کامپیوتری اعمال می‌شود و پاسخ بر حسب تنش، کرنش و انحراف زمانی که رایانه صدها معادله را به طور همزمان حل می‌کند، ایجاد می‌شود.

در حالت ایده‌آل، FEA برای قطعات پلاستیکی باید شامل اثرات ناشی از رفتار تنش-کرنش غیرخطی برای کاربردهای با کرنش بالا مانند اتصالات محکم باشد. این تکنیک‌های تحلیل ساختاری مبتنی بر کامپیوتر قادر به مدیریت هندسه‌های پیچیده‌تر و شرایط بارگذاری یا به طور کلی موقعیت‌هایی هستند که استفاده از فرمول‌های کلاسیک مناسب نیست. تکنیک های تجزیه و تحلیل FEA به ویژه برای کاربردهای دینامیکی مفید هستند زیرا هم انتقال حرارت و هم رفتار کرنش تنش را می توان در نظر گرفت.

صرف نظر از تکنیک تحلیلی مورد استفاده توسط طراح، دقت نتایج به‌دست‌آمده (به عنوان مثال، همبستگی آنها با عملکرد واقعی محصول) مستقیماً با توانایی طراح در تعیین کمیت مشکل طراحی به درستی مرتبط است. طراح باید مجموعه وسیعی از اطلاعات را به دست آورد و اطلاعات را تا حدی ساده کند که برای تحلیل مورد استفاده مناسب باشد.

به عنوان مثال، تجزیه و تحلیل غربالگری اولیه را می توان با استفاده از هندسه های ساده شده انجام داد، در حالی که هندسه های واقعی تر (و پیچیده تر) و تحلیل های ساختاری مبتنی بر کامپیوتر برای محاسبات طراحی نهایی و حیاتی تر استفاده می شوند.

 

 

شکل 2. فرمول های خمشی کلاسیک برای تیرهای باریک به خوبی کار می کنند، اما برای تیرهای کوتاه مناسب نیستند، جایی که انحراف برشی و دیواره قابل توجه است.

امروزه استفاده از روش المان محدود با توجه به گسترش تکنولوژی ساخت رایانه ها با سرعت های بسیار بالا، برای طراحی و ساخت قطعات پلاستیکی بسیار مقرون به صرفه می باشد.

طراحی قطعات پلاستیکی بر اساس تجربه

در ادامه مبحث طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک به موضوع طراحی قطعات پلاستیکی بر اساس تجربه و همچنین طراحی آن ها بر اساس آزمایشات تجربی پرداخته هواهد شد. البته هیچ جایگزینی برای تجربه طراحی وجود ندارد، با این حال، تکامل پویای صنعت پلاستیک منجر به کمبود طراحان با تجربه در زمینه طراحی محصولات پلاستیکی شده است.

از لحاظ تاریخی، طراحی قطعات پلاستیکی بر اساس تجربیات گذشته یا قوانین کلی بوده است. این رویکرد طراحی به طور گسترده برای طراحی محصولات پلاستیکی، به ویژه برای قطعاتی که برای استفاده در کاربردهای سازه ای، غیر سازه ای یا بسیار سبک طراحی شده اند، استفاده شده است.

با استفاده از این رویکرد، تصمیمات طراح بر اساس تجربیات گذشته است، اعم از خوب و بد می باشد. در واقع با استفاده از این رویکرد ، طراحان بسیار با تجربه، در کار با مواد آشنا و هندسه های معمول طراحی ممکن است کاملاً موفق باشند.

با این حال، هنگامی که طراح با محصولی با شکل بسیار متفاوت روبرو می شود، یا محصولی که با استفاده از مواد پلاستیکی جدید یا ناآشنا ساخته می شود، تجربه قبلی او ممکن است کم یا بی فایده باشد.

این احتمال وجود دارد که تعداد زیادی از محصولاتی که با استفاده از این رویکرد طراحی شده‌اند، طراحی نامناسبی داشته باشند، که منجر به شکست زودرس محصول در طول سرویس، یا احتمالاً در هنگام مونتاژ محصول می‌شود.

از سوی دیگر، قطعه ای که با ضریب اطمینان بالا طراحی شده است ممکن است در سرویس به خوبی عمل کند، اما ممکن است طراحی کارآمدی نباشد. عملکرد این قطعه با ضریب اطمینان بالا طراحی شده به عنوان یک تجربه خوب توسط طراح محصول تلقی می شود و بر تصمیمات طراحی محصول آینده تأثیر می گذارد. قطعه با ضریب اطمینان بالا طراحی شده ممکن است در سرویس خراب نشود، اما ممکن است:

 پیچیده تر از نیاز باشد،

 استفاده از مواد بیشتر از نیاز باشد،

 دارای  دیواره های بیش از حد ضخیم است که منجر به مشکلات چرخه تولید / کیفیت می شود و

 تولید آن گران تر از گزینه طراحی مناسب تر قطعه باشد.

در حالی که هیچ جایگزینی برای تجربه وجود ندارد، شانس کمی برای دستیابی به طراحی سازه بهینه تنها با استفاده از قوانین سرانگشتی وجود دارد.

 

 طراحی با رویکرد آزمایش تجربی

یک طراح قطعه همچنین ممکن است تصمیم بگیرد که مفاهیم طراحی یک قطعه پلاستیکی را صرفاً بر اساس آزمایش تجربی انجام شده بر روی نمونه اولیه قطعات پلاستیکی ارزیابی کند. این رویکرد دارای ارزش قابل توجهی است و احتمالا محافظه کارانه ترین مسیر برای طراحی قطعه خواهد بود.

طراحی سازه ای که صرفاً بر اساس تجزیه و تحلیل نمونه اولیه و طراحی مجدد تکراری باشد به احتمال زیاد منجر به طراحی قابل اعتماد می شود، مشروط بر اینکه کیفیت نمونه اولیه نماینده کیفیت قطعه تولید باشد و شرایط خدمات پیش بینی شده را بتوان شبیه سازی و ارزیابی کرد.

با این حال، این رویکرد گران است و شاید مهمتر از آن، می تواند یک دوره زمانی بیش از حد طول بکشد، به خصوص اگر اثرات طولانی مدت مانند رفتار خزش یا ثبات محیطی ارزیابی شود. قطعات نمونه اولیه واقعی، از نظر عملکرد ساختاری، ابعادی و محیطی، تنها در صورتی می توانند تولید شوند که سیستم مواد تولیدی (حاوی تمام مواد افزودنی) با استفاده از تکنیک تولید واقعی ، پردازش شود.

ابزارآلات نمونه اولیه مورد نیاز برای تولید این قطعات نمونه واقعی نسبتاً گران است و ساخت آن ممکن است هفته ها یا حتی ماه ها طول بکشد. هنگامی که از قطعات نمونه اولیه قالب گیری شده استفاده می شود، هزینه ها و زمان مرتبط با چندین تکرار طراحی (اصلاحات قالب) می تواند بیش از حد باشد.

نمونه‌های اولیه ماشین‌کاری‌شده، نمونه‌های اولیه ریخته‌گری یا نمونه‌های اولیه تولید جسم جامد (نمونه‌های اولیه سریع) را می‌توان برای آزمایش اولیه استفاده کرد. با این حال، عملکرد ساختاری قطعات تولید شده با استفاده از این تکنیک ها واقعاً نماینده عملکرد قطعه قالب گیری شده نخواهد بود.

توسعه محصول صرفاً بر اساس این رویکرد تجربی عموماً عملی نیست و می‌توان آن را عملکرد مهندسی ضعیف در نظر گرفت زیرا بسیاری از تکرارهای اولیه و طراحی اولیه را می‌توان از قبل با استفاده از تحلیل‌های مهندسی مناسب پیش‌بینی کرد.

توجه به این نکته مهم است که از مرحله نمونه اولیه توسعه محصول پلاستیکی نمی توان به طور کلی اجتناب کرد، زیرا تأیید آزمایشی یک طرح مهندسی همیشه توصیه می شود (یا ممکن است توسط مراکز نظارتی خاص مورد نیاز باشد). با این حال، هزینه و زمان مرتبط با ساخت قطعه اولیه یا ابزارآلات می تواند به طور قابل توجهی با ترکیب یک تحلیل مهندسی سازه در مراحل اولیه فرآیند طراحی محصول پلاستیکی کاهش یابد.

نوع طراحی قطعه پلاستیکی بر پروسه طراحی و ساخت قالب های تزریق پلاستیک بیشترین تاثیر را دارد. زیرا هندسه همواره بالاترین اهمیت را در نوع طراحی قالب دارد.