انواع پلاستیکهای مورد استفاده در ساخت قطعات ماشینآلات و روشهای تولید آنها
پلاستیک دیگر صرفاً مترادف با بستهبندیهای یکبار مصرف نیست. در دنیای مهندسی و تولید، پلاستیک - به ویژه پلاستیکهای مهندسی - به طور گسترده به عنوان مادهای برای اجزای ماشینآلات مورد استفاده قرار میگیرد زیرا سبک، مقاوم در برابر خوردگی، قادر به کاهش ارتعاشات و دارای ضریب اصطکاک نسبتاً پایینی است. در برخی کاربردها، پلاستیک حتی میتواند جایگزین فلز شود تا هزینهها را کاهش دهد، مونتاژ را ساده کند و بهرهوری انرژی را افزایش دهد. با این حال، انتخاب نوع مناسب پلاستیک بسیار مهم است، زیرا هر پلیمر خواص مکانیکی، حرارتی و شیمیایی متفاوتی دارد. این مقاله در مورد انواع پلاستیکهای رایج مورد استفاده برای اجزای ماشینآلات و روشهای تولید آنها بحث میکند.
چرا از پلاستیک برای اجزای ماشین استفاده میشود؟
به طور کلی، پلاستیکهای مهندسی به دلیل مزایای زیر انتخاب میشوند: (1) سبک وزن بودن، در نتیجه کاهش بار روی قطعات متحرک، (2) خوردگی و مقاومت در برابر بسیاری از مواد شیمیایی، مناسب برای محیطهای مرطوب یا قرار گرفتن در معرض مایعات، (3) داشتن خواص "خود روان کننده" در برخی از انواع، در نتیجه کاهش نیاز به روانکاری، (4) میرایی ارتعاش و صدا بهتر از فلزات است، و (5) فرآیند شکلدهی آنها امکان ایجاد هندسههای پیچیده با هزینههای تولید انبوه پایین را فراهم میکند. با این حال، پلاستیکها محدودیتهایی نیز دارند، مانند مقاومت حرارتی متغیر، خزش بالقوه (تغییر شکل دائمی به دلیل بارهای طولانی مدت) و تغییرات ابعادی به دلیل جذب رطوبت در برخی از انواع.
۱) نایلون (PA6 و PA66)
ویژگیها: نایلون (پلیآمید) یکی از محبوبترین پلاستیکهای مهندسی برای اجزای ماشینآلات است. PA6 و PA66 استحکام کششی خوب، مقاومت در برابر سایش و استحکام بالایی دارند. نایلون اغلب برای چرخدندهها، بوشها، غلتکها، قرقرهها و سایر اجزای اصطکاکی استفاده میشود.
مزایا: مقاوم در برابر اصطکاک و سایش، پردازش نسبتاً آسان، قیمت متوسط.
معایب: آب را جذب میکند (رطوبتسنج) بنابراین میتواند منبسط شود و بر دقت ابعادی تأثیر بگذارد.
روش تولید: نایلون عموماً برای قطعات با جزئیات بالا (چرخدندهها، محفظههای کوچک) با قالبگیری تزریقی فرآوری میشود. برای قالبهای میلهای یا صفحهای که سپس ماشینکاری میشوند، نایلون از طریق اکستروژن به میلهها یا ورقها نیز موجود است.
۲) POM / استال (پلیاکسیمتیلن)
ویژگیها: POM به دلیل پایداری ابعادی، اصطکاک کم و مقاومت خوب در برابر خستگی شناخته شده است. این ماده در مکانیسمهای دقیق مانند چرخدندههای کوچک، بادامکها، یاتاقانهای پلاستیکی و اجزای کشویی بسیار رایج است.
مزایا: پایداری ابعادی (در شرایط مرطوب بهتر از نایلون)، سطح صاف، ماشینکاری آسان، مقاومت خوب در برابر سایش.
معایب: مقاومت کمتر در برابر اشعه ماوراء بنفش و برخی مواد شیمیایی؛ نیاز به کنترل فرآیند دارد زیرا میتواند در دماهای بالا تخریب شود.
روش تولید: POM اغلب برای تولید انبوه با قالبگیری تزریقی تولید میشود. برای نمونههای اولیه یا قطعات سفارشی، مواد میلهای/ورقهای POM اکسترود شده را میتوان با استفاده از دستگاه تراش/فرز ماشینکاری کرد.
۳) PTFE (تفلون)
ویژگیها: PTFE در مقاومت شیمیایی و دمایی عالی است و ضریب اصطکاک بسیار پایینی دارد. از آن برای آببندها، واشرها، واشرها، پدهای لغزنده و اجزایی که نیاز به خواص نچسب دارند استفاده میشود.
مزایا: کمترین اصطکاک در بین بسیاری از پلیمرها، مقاوم در برابر تقریباً همه مواد شیمیایی، مقاومت حرارتی نسبتاً بالا.
معایب: استحکام و سختی مکانیکی نسبتاً کم و مستعد خزش.
روش تولید: PTFE به دلیل ویسکوزیته مذاب بالا، معمولاً با قالبگیری تزریقی معمولی فرآوری نمیشود. رایجترین فرآیند، قالبگیری فشاری و به دنبال آن تفجوشی است. برای برخی از اشکال قطعات، اکستروژن ضربهای و به دنبال آن ماشینکاری نهایی نیز استفاده میشود.
۴) UHMWPE (پلی اتیلن با وزن مولکولی فوق العاده بالا)
ویژگیها: پلیاتیلن فوق سنگین (UHMWPE) به دلیل مقاومت بالا در برابر سایش و اصطکاک کم شناخته شده است. این ماده به طور گسترده در ریلهای کشویی، راهنماها، آسترها، ناودانها، چرخدندههای خاص و سطوح محافظ در معرض اصطکاک مداوم استفاده میشود.
مزایا: مقاومت سایشی بسیار بالا، مقاومت ضربهای، اصطکاک کم، مناسب برای کاربردهای لغزشی.
معایب: چسباندن آن دشوار است، سختی آن به اندازه POM/PA بالا نیست و تلرانسهای دقیق نیاز به توجه دارند.
روش تولید: عموماً از طریق قالبگیری فشاری یا اکستروژن رام به صورت ورق/میله ساخته میشود، سپس با ماشینکاری (CNC، تراش، فرز) برای رسیدن به شکل نهایی پردازش میشود.
۵) پلی کربنات (PC)
ویژگیها: پلی کربنات (PC) مقاومت ضربهای عالی و مقاومت حرارتی بالایی دارد. در قطعات ماشینآلات، از پلی کربنات در پوششهای ایمنی، محافظهای شفاف، محفظههای خاص و قطعاتی که نیاز به مقاومت در برابر ضربه دارند، استفاده میشود.
مزایا: شفاف، مقاومت ضربه بسیار بالا، پایدار در دماهای متوسط.
معایب: مستعد خراش و برخی حلالها؛ نیاز به طراحی خوب برای جلوگیری از ترک خوردگی ناشی از تنش.
روش تولید: معمولاً از طریق قالبگیری تزریقی برای اشکال پیچیده و اکستروژن برای ورقهای شفاف که سپس برش داده شده و به شکل محافظ ماشین (ترموفرمینگ) در میآیند.
۶) ABS (اکریلونیتریل بوتادین استایرن)
ویژگیها: ABS به طور گسترده برای ساخت محفظهها، پوششها، دستگیرهها و اجزای غیرسازهای تا نیمهسازهای در ماشینآلات استفاده میشود. این ماده به دلیل سهولت در پردازش و داشتن چقرمگی خوب، محبوب است.
مزایا: قالبگیری تزریقی آسان، پرداخت سطح خوب، هزینه نسبتاً پایین.
معایب: مقاومت حرارتی و شیمیایی پایینتر از برخی دیگر از پلاستیکهای مهندسی است؛ برای دماهای بالا یا اصطکاک شدید مناسب نیست.
روش تولید: تقریباً همیشه با قالبگیری تزریقی. ABS همچنین میتواند با چاپ سهبعدی (FDM) برای نمونههای اولیه یا قطعات ساده پردازش شود.
۷) PBT و PET (پلیاستر مهندسی)
ویژگیها: نسخههای مهندسی PBT (پلیبوتیلن ترفتالات) و PET (پلیاتیلن ترفتالات) در اجزای الکتریکی-مکانیکی، رابطها، چرخدندههای خاص و محفظههایی که نیاز به پایداری ابعادی و مقاومت حرارتی بهتری نسبت به ABS دارند، استفاده میشوند.
مزایا: پایداری ابعادی، مقاومت حرارتی نسبتاً خوب، مقاومت شیمیایی مناسب.
معایب: تحت شرایط خاص میتواند شکننده باشد؛ اغلب برای استحکام بالا به تقویت فایبرگلاس نیاز دارد.
روش تولید: عموماً قالبگیری تزریقی، اغلب به شکل پر شده با شیشه (فیبر شیشه) برای افزایش سختی و استحکام.
۸) PPS، PEEK و PEI (پلاستیکهای با کارایی بالا)
ویژگیها: این گروه در کاربردهای دشوار استفاده میشود: دماهای بالا، بارهای مکانیکی بالا و محیطهای شیمیایی خورنده. PEEK به طور گسترده در اجزای دقیق ماشینآلات، یاتاقانهای با کارایی بالا، عایقهای دمای بالا و حتی در کاربردهای صنعت نفت و گاز استفاده میشود. PPS در محیطهای شیمیایی و دمای بالا عالی عمل میکند، در حالی که PEI (به عنوان مثال، Ultem) به دلیل استحکام و مقاومت حرارتی با پایداری ابعادی خوب شناخته شده است.
مزایا: مقاومت حرارتی بسیار بالا، استحکام بالا، مقاوم در برابر مواد شیمیایی، مناسب برای کاربردهای حساس.
معایب: قیمت بالا، فرآیند نیاز به کنترل دقیق و ماشین آلات با دمای بالا دارد.
روش تولید: قالبگیری تزریقی تخصصی (قالبگیری در دمای بالا) برای تولید با حجم متوسط تا زیاد. برای قطعات تخصصی، فرمهای میله/ورق اکسترود شده موجود است و سپس ماشینکاری میشوند. در برخی موارد، چاپ سهبعدی در سطح صنعتی (مثلاً FFF برای PEEK/PEI) برای نمونههای اولیه و تیراژ تولید محدود استفاده میشود.
روشهای تولید پلاستیک برای اجزای ماشینآلات
۱. قالبگیری تزریقی
گلولههای پلاستیکی ذوب شده و سپس به قالب تزریق میشوند. مزایا: مناسب برای تولید انبوه، دقت بالا، زمان چرخه سریع و اشکال پیچیده. معمولاً برای POM، PA، ABS، PC، PBT، PPS و PEEK استفاده میشود.
۲. اکستروژن
پلاستیک ذوب شده و سپس از طریق قالب تحت فشار قرار میگیرد تا پروفیلهای پیوستهای مانند میله، ورق و لوله ایجاد شود. مناسب برای موادی که سپس به قطعات نهایی ماشینکاری میشوند.
۳. قالبگیری فشاری و پخت
پودر یا پیش فرم به داخل قالب فشرده شده و سپس حرارت داده میشود. این کار برای PTFE و UHMWPE رایج است، به خصوص زمانی که فرآیند مواد با قالبگیری تزریقی معمولی دشوار است.
۴. ماشینکاری (ماشینکاری/تراش/فرزکاری CNC)
بسیاری از اجزای ماشینهای پلاستیکی از میله/ورق ساخته شده و سپس برش داده شده و ماشینکاری میشوند، به خصوص برای حجمهای کوچک، نمونههای اولیه یا اجزای با ابعاد بزرگ مانند راهنماها، نوارهای سایش و بوشهای مخصوص.
۵. چاپ سهبعدی (تولید افزایشی)
برای نمونههای اولیه، جیگ/فیکسچرها یا تیراژهای تولید محدود استفاده میشود. مواد اولیه متفاوت هستند (ABS، PA، ترکیب PC و حتی PEEK/PEI در ماشینهای تخصصی). این روش انعطافپذیری ارائه میدهد، اما استحکام و دقت آن به فناوری چاپ و جهتگیری آن بستگی دارد.
بستن
پلاستیکهای مهندسی نقش حیاتی در ساخت اجزای ماشین، از چرخدندهها و بوشها گرفته تا آببندها، محفظهها و راهنماهای کشویی، ایفا میکنند. انتخاب موادی مانند PA، POM، PTFE، UHMWPE، PC، ABS، PBT/PET و PPS/PEEK/PEI نیاز به در نظر گرفتن بار، اصطکاک، دمای عملیاتی، قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی و الزامات دقت ابعادی دارد. در بخش فرآیند، قالبگیری تزریقی برای تولید انبوه برتری دارد، در حالی که اکستروژن، قالبگیری فشاری، ماشینکاری و چاپ سهبعدی بسته به شکل، حجم تولید و اهداف عملکرد، گزینههایی هستند. با ترکیب مناسب مواد و فرآیندها، پلاستیکها میتوانند عملکرد بالا و راندمان هزینه را در طراحیهای مدرن ماشین ارائه دهند.
