تُعتبر القوالب في عالم التصنيع بطولات غير معترف بها تمنح أشكالاً لا تحصى للمنتجات. ومع ذلك، فإن الاعتقاد بأن جميع القوالب متساوية يُعد خطأً كبيراً. فالأمر يشبه الفرق بين الأدوات المستخدمة لتشكيل المعادن وتلك المستخدمة لتشكيل البلاستيك، وهي أدوات مختلفة تماماً تُصمم لمعالجة سلوكيات مختلفة للمواد ومتطلبات تصنيع المنتجات. من المهم أن يكون لدى المهندسين والمصممين والمصنعين معرفة بالاختلافات الرئيسية بين قوالب تشكيل المعادن وقوالب معالجة البلاستيك.
1. التحدي الأساسي: سلوك المادة
قوالب التشكيل المعدني: تواجه هذه القوالب مشكلة التشوه البلاستيكي في الحالة الصلبة. بين مكونات القالب يتم وضع ورقة معدنية أو لفافة (على سبيل المثال: الفولاذ، الألومنيوم، النحاس). استخدام ضغط هائل (بالتون) يجبر المعدن على التشكل بشكل دائم، حيث ينثني، يستطيل، يقطع أو يُسحب ليشكل شكلاً محتملاً دون أن يذوب. ينصب التركيز هنا على التغلب على حد الخضوع (مقاومة الخضوع) للمعدن والتعامل مع ظاهرة الرجوع المرن (الانعكاس) التي تتمثل في ميل المعدن للعودة قليلاً إلى شكله الأصلي.
قوالب حقن البلاستيك: تعمل هذه القوالب مع مواد مصهورة أو مُنَاعَمَة بشكل كبير. يتم إذابة حبيبات البلاستيك حتى تصبح قابلة للانسياب مثل سائل لزج. بعد ذلك يتم ضغط هذا البلاستيك المنصهر أو دفعه داخل تجويف القالب. يتجمد البلاستيك داخل القالب ويأخذ الشكل النهائي المطلوب. يعود السبب في ذلك إلى الصعوبة التي تُواجه في التحكم بديناميكيات الانسياب، والتأكد من اكتمال ملء التجويف، والتحكم بعملية التبريد بطريقة تقلل من العيوب (مثل الانكماش أو التشويه) وتتيح إخراج القطعة المتصلبة بسهولة.
2. أولويات تصميم وبناء القوالب
قوالب ختم المعادن:
● القوة ومقاومة البلى: لها أولوية قصوى. يجب أن تتحمل القوالب تأثيرات هائلة ومتكررة، واحتكاكات معدنية م abrasive، واحتباساً واحتكاكاً متكرراً. تُستخدم عادةً فولاذ الأدوات (مثل D2، A2) أو حتى الكاربايد، ويتم تصلبها عادةً إلى درجة صلادة عالية جداً على مقياس روكويل C.
●دقة التخليص: يتضمن العمل القصي فجوة صغيرة جداً بين المثقب والقالب في عمليات القطع لتجنب حدوث تجعيد زائد أو إلحاق الضرر بالأدوات المستخدمة.
●تطبيق الضغط: يهدف التصميم إلى نقل الأطنان بشكل فعال من خلال العناصر الهيكلية القوية (المثاقب، كتل القوالب، الأحذية).
●في كثير من الأحيان: لا تتطلب قوالب التشكيل بالضغط لأنواع عديدة من الأشكال، وخاصة المرتبطة بعمليات الثني أو القطع العادية، التعقيدات الكبيرة التي تتطلبها قوالب البلاستيك.
●قوالب معالجة البلاستيك (القوالب):
●التجويف والقلب المعقدان: يحدد القالب الهندسة الخارجية المعقدة (التجويف) والداخلية (القلب) للمنتج البلاستيكي المطلوب. ويمكن أن يكون هذا التعقيد مرتفعاً جداً.
●نظام التبريد: إن وجود نظام داخلي لممرات التبريد (بالماء أو الزيت) هو ضرورة. حيث أن التبريد المحسّن والمستمر له علاقة مباشرة بزمن الدورة وجودة القطعة.
●نظام بوابة الحقن: القناة الرئيسية، والقنوات الجانبية، والبوابات التي يتم من خلالها توجيه البلاستيك المنصهر إلى تجويف القالب الخارج من فوهة الجهاز. ويؤثر التصميم على أنماط الجريان، وضغط التعبئة، ومظهر القطع.
●نظام الإخراج: توضع المسامير، والجواريب، أو الرافعات بدقة في أماكنها لطرد القطعة المبردة خارج القالب مع الحفاظ عليها سليمة.
●التهوية: تتم التهوية باستخدام قنوات أو ثقوب صغيرة لتحرير الهواء المحبوس عندما يملأ البلاستيك المنصهر التجويف، لتجنب الاحتراق أو عدم التعبئة الكاملة.
●المادة: قد تكون من الصلب المقوى (P20، H13، S7)، أو الفولاذ المقاوم للصدأ بأنواعه المختلفة، ولكن أيضًا تلعب درجة نعومة السطح ومقاومته للتآكل (وخاصة في بعض أنواع البلاستيك) دورًا مهمًا.
3. بيئة الإنتاج
تُنفَّذ الطباعة المعدنية عادةً على آلة ضغط ميكانيكية أو هيدروليكية. تكون هذه العمليات سريعة للغاية (يمكن إنتاج مئات القطع في الدقيقة لقطع أساسية). هذه عملية باردة عادةً، على الرغم من وجود عمليات تشكيل خاصة تُنفَّذ باستخدام الحرارة. تُقلَّل الاحتكاك والتآكل عادةً باستخدام مواد تزييت.
معالجة البلاستيك: تُنفَّذ هذه العملية بشكل رئيسي باستخدام آلات الحقن، وكذلك بطرق أخرى مثل النفخ أو التشكيل بالضغط. تتميز هذه العملية بكمية كبيرة من الحرارة: إذابة البلاستيك تليها عملية التبريد داخل القالب. يمكن أن يختلف الدورة بين ثوانٍ ودقائق حسب حجم القطعة وسماكة الجدران. يكون تأثير كفاءة التبريد كبيرًا على زمن الدورة. قد تُطلق مواد تزييت مرة أخرى، على الرغم من أنها ليست شائعة بنفس قدر مواد التزييت المستخدمة في الطباعة المعدنية.
4. عمر التآكل وآلياته
قوالب التشكيل المعدني: يتعرض للتآكل بسبب الاحتكاك بين المعدن وفولاذ الأدوات، كما يعاني من التصاق معدني (galling)، وتتعرض الزوايا الحادة للاهتراء وتصبح غير حادة. كما تظهر شقوق تعب نتيجة الإجهادات الدورية العالية. يمكن إجراء صيانة تتمثل في تجديد الحدة، أو استبدال المناطق المهترئة، أو إدخال إدخالات (inserts). ويُقاس عمر القالب عادةً بمئات الآلاف أو ملايين الضربات إذا تم صيانته بشكل جيد.
قوالب معالجة البلاستيك (المردودات): أنواع التآكل التي قد تحدث تشمل التآكل الناتج عن المواد المالئة الم abrasive في البلاستيك، والتآكل بسبب بعض البوليمرات أو مياه التبريد، وقد يحدث أيضًا تآكلًا بسبب سرعة تدفق مادة البلاستيك المنصهرة. كما تتأثر خاصية جمالية وهي مظهر القطعة النهائية بسبب تدهور درجة اللمعان على سطح التجويف. تتضمن الصيانة تلميع الأسطح، وإصلاح التلف السطحي، وتنظيف خطوط التبريد أو منافذ التهوية. وتكون أعمار هذه القوالب عمومًا طويلة أيضًا (مئات الآلاف إلى ملايين الدورات)، على الرغم من أنها حساسة للغاية لنوع البلاستيك المستخدم وكذلك لمستوى الصيانة.
لماذا تهم هذه الفروق
إن اختيار فلسفة تصميم القالب غير الصحيحة للمواد هو إعداد مسبق للفشل. إن القالب المستخدم في ختم المواد المعدنية لا يحتوي على هذه الخطوط التبريدية والبوابات التي تتطلبها البلاستيك. كما أن الأثر المطبوع في البلاستيك لن يتحمل اهتزازات ختم الصلب. هذه هي الاختلافات الأساسية؛ التشوه الحالة الصلبة ومعالجة الانصهار، وضرورة تحسين التبريد والانتباه الدقيق للتداخل، وإدارة التدفق وإدارة الارتداد، ويجب فهمها من أجل:
● تصميم أدوات فعالة ودائمة.
●تحسين عمليات التصنيع.
●اختيار المواد المناسبة للقالب نفسه.
●استكشاف مشاكل الإنتاج وحلها بكفاءة.
●تقدير دقيق لتكاليف الأدوات والأجزاء.
على الرغم من أن كلا النوعين المختلفين من القوالب هما أدوات دقيقة ضرورية في جهود الإنتاج الكمي، فإن تصميمها وبناؤها ووظيفتها تخضع لفيزياء مختلفة بشكل جذري، حيث يتم تغيير المعادن والبلاستيكات من خلال التشغيل الآلي الخام إلى القطعة النهائية. هذه هي الفجوة الأساسية التي تخلق فرصاً كبيرة في التصنيع.