در دنیای تولید، قالب‌های مرگ (dies) قهرمانانی بی‌نام هستند که به بی‌شمار محصولات شکل می‌دهند. با این حال، اشتباه بزرگی است که فکر کنیم تمام قالب‌ها یکسان هستند. این موضوع شبیه تفاوت بین ابزارهایی است که برای شکل‌دهی فلز استفاده می‌شوند و آن‌هایی که برای شکل‌دهی پلاستیک به کار می‌روند و هر دو نوع کاملاً متفاوت هستند و برای پاسخگویی به رفتارهای متفاوت مواد و نیازهای تولید محصولات، طراحی شده‌اند. شناخت تفاوتهای اصلی بین قالب‌های فلز کاری و قالب‌های پردازش پلاستیک برای مهندسان، طراحان و تولیدکنندگان امری مهم است.
1. چالش اصلی: رفتار مواد
قالب‌های فرم‌دهی فلزی: این قالب‌ها با مشکل تغییر شکل پلاستیکی در حالت جامد روبرو هستند. بین قطعات قالب ورق یا سیم‌پیچ فلزی (به عنوان مثال، فولاد، آلومینیوم، مس) قرار داده می‌شود. استفاده از فشار بسیار زیاد (تن‌بندی) باعث می‌شود فلز به طور دائمی تغییر شکل دهد، خم شود، کشیده شود، برش خورد یا به شکل ممکنی درآید بدون اینکه ذوب شود. این فرآیند تمرکز دارد بر اینکه مقاومت تسلیم (yield strength) فلز غلبه شود و با رفتار فنری (spring back) (اقدام فلز برای کمی بازگشت به شکل اولیه) کنترل شود.
قالب‌های پردازش پلاستیک (قالب‌ها): این قالب‌ها با مواد مذاب یا مواد بسیار نرم کار می‌کنند. گرانول‌های پلاستیکی تا زمانی که بتوانند مانند یک مایع ویسکوز جریان یابند، ذوب می‌شوند. این ماده مذاب سپس تحت فشار به داخل یک حفره قالب تزریق یا هدایت می‌شود. پلاستیک در قالب منجمد می‌شود و شکل نهایی خود را به خود می‌گیرد. این امر به دلیل دشواری در کنترل دینامیک جریان، اطمینان از پر شدن کامل حفره، کنترل فرآیند خنک‌کنی به گونه‌ای که عیوب به حداقل ممکن برسد (مانند فرورفتگی یا تابیدگی) و همچنین اینکه بتوان قطعه سفت شده را به راحتی خارج کرد، اتفاق می‌افتد.
2. اولویت‌های طراحی و ساخت قالب
قالب‌های فلز کارتنی (استمپینگ):
●استحکام و مقاومت در برابر سایش: بیشترین اهمیت. قالب‌ها باید بتوانند ضربه‌های بزرگ و گاه به گاه خارج کردن و جایگزین کردن، گیر کردن و سایش ناشی از تماس فلزی متحرک را تحمل کنند. فولادهای ابزار (مانند D2، A2) یا حتی کاربید به طور معمول استفاده می‌شوند و اغلب به سختی بسیار بالایی به مقیاس راکول C سفت می‌شوند.
●دقت در فاصله: عمل برش شامل یک فاصله بسیار کوچک بین سنبه و ماتریس در عملیات برش است تا از ایجاد خرطومه بیش از حد و/یا آسیب به ابزارهای مورد استفاده جلوگیری شود.
●کاربرد فشار: طراحی به گونه‌ای است که انتقال تن‌های زیاد را با استفاده از عناصر سازه‌ای قوی (سنبه‌ها، ماتریس‌ها، پایه‌ها) به‌خوبی انجام دهد.
●در بیشتر موارد: قالب‌های راکاری با اشکال مختلف، به‌ویژه مربوط به حالت‌های خم کردن یا برش ساده، به پیچیدگی‌های گسترده‌ای که در قالب‌های پلاستیکی وجود دارد نیاز ندارند.
●قالب‌های پردازش پلاستیک (مدل‌ها):
●حفره و هسته پیچیده: قالب شکل هندسی خارجی (حفره) و داخلی (هسته) پیچیده مقاله پلاستیکی مشورت شده را تعیین می‌کند. ممکن است این پیچیدگی بسیار بالا باشد.
●سیستم خنک‌کننده: سیستم داخلی کانال‌های خنک‌کننده (آب یا روغن) ضروری است. خنک‌کننده بهینه و یکنواخت مستقیماً با زمان چرخه و کیفیت قطعه رابطه دارد.
●سیستم گیتینگ: ریلهای راهنما، کانال‌های راهنما و دریچه‌ها که از طریق آنها پلاستیک مذاب از نازل ماشین وارد حفره می‌شود. طراحی این بخش‌ها بر الگوهای جریان، فشار پرکنندگی و ظاهر قطعات تأثیر می‌گذارد.
● سیستم خروجی: پین‌ها، غلاف‌ها یا بالابرها با دقت در محل قرار می‌گیرند تا قطعه سفت شده را از قالب خارج کنند و همچنان سالم نگه دارند.
● تهویه: تهویه از طریق کانال‌ها یا سوراخ‌های کوچک انجام می‌شود تا هوای محبوس شده هنگام ورود مذاب به حفره خارج شود و از سوختگی یا پرنشدن قطعه جلوگیری شود.
● مواد: ممکن است از فولادهای سخت‌کاری شده (P20، H13، S7) یا فولادهای زنگ‌نزن انواع مختلف استفاده شود، اما کیفیت سطح و مقاومت در برابر خوردگی (به ویژه در برخی پلاستیک‌ها) نیز عوامل مهمی محسوب می‌شوند.
3. محیط تولید
قالب‌گیری فلزی: این کار معمولاً روی دستگاه‌های پرس مکانیکی یا هیدرولیکی انجام می‌شود. این فرآیندها معمولاً بسیار سریع عمل می‌کنند (در یک دقیقه می‌توانند صدها قطعه را تولید کنند که از ساده‌ترین اجزا تشکیل شده‌اند). این فرآیند معمولاً در حالت سرد انجام می‌شود، هرچند برخی فرآیندهای خاص شکل‌دهی با گرم کردن همراه هستند. اصطکاک و سایش اغلب با استفاده از روان‌کننده‌ها کاهش می‌یابد.
پردازش پلاستیک: این فرآیند عمدتاً با استفاده از دستگاه‌های قالب‌گیری تزریقی انجام می‌شود، همچنین روش‌های دیگری مانند قالب‌گیری دمشی، قالب‌گیری فشاری و غیره نیز وجود دارند. خود فرآیند با مقدار قابل توجهی گرما همراه است: ذوب پلاستیک و سپس سرد کردن آن در قالب. زمان یک چرخه بسته به اندازه قطعه و ضخامت دیواره‌ها می‌تواند از چند ثانیه تا چند دقیقه متغیر باشد. کارایی سیستم خنک‌کننده تأثیر زیادی روی زمان چرخه دارد. عوامل روان‌کننده ممکن است در این فرآیند نیز استفاده شوند، هرچند به اندازه روان‌کننده‌های فرآیند قالب‌گیری فلزی رایج نیستند.
4. عمر مفید و مکانیسم‌های سایش
قالب‌های فلزچینی (Metal Stamping Dies): سایش اصطکاکی - عمدتاً بین فلز و فولاد ابزار، چسبندگی-گالینگ (galling). خراش‌ها موجب کند شدن لبه‌ها می‌شوند. ترک خستگی نیز به دلیل تنش‌های دوره‌ای بالا اتفاق می‌افتد. نگهداری شامل تیز کردن مجدد، تعویض قسمت‌های فرسوده یا قرار دادن درجات (inserts) است. عمر مفید این قالب‌ها معمولاً با شمارش صدها هزار یا میلیون‌ها ضربه و با نگهداری مناسب اندازه‌گیری می‌شود.
قالب‌های پردازش پلاستیک (قالب‌های ریخته‌گری / مولدها): انواع سایشی که در این حوزه دیده می‌شود شامل سایش توسط پرکننده‌های اصطکاکی در پلاستیک‌ها، خوردگی ناشی از برخی پلیمرها یا آب خنک‌کننده و در صورت وجود، فرسایش ناشی از ذوب پلاستیک با سرعت بالا است. یکی از خواص ظاهری که تحت تأثیر تخریب پولیش سطح حفره قرار می‌گیرد، ظاهر قطعه است. نگهداری شامل پولیش مجدد، تعمیر آسیب‌های سطحی و رفع گرفتگی لوله‌ها یا شکاف‌های خنک‌کننده است. عمر مفید این قالب‌ها نیز به‌طور کلی بسیار طولانی است (از چند صد هزار تا چند میلیون سیکل)، اگرچه بسیار به نوع پلاستیک مورد استفاده و همچنین نگهداری آنها بستگی دارد.
چرا این تمایز اهمیت دارد
انتخاب فلسفه نادرست از طراحی قالب به منظور ماده، تنظیمی برای شکست است. یک قالب مورد استفاده در استمپاکت کردن ماده از فلز فاقد خطوط خنک‌کننده و گیتینگ مورد نیاز پلاستیک است. یک امپرسیون (فشردگی) در پلاستیک نمی‌تواند در برابر ارتعاشات استمپاکت فولاد مقاومت کند. اینها تفاوتهای اساسی هستند؛ تغییر شکل حالت جامد و پردازش ذوب، نیاز به بهینه‌سازی خنک‌کاری و شکاف مناسب، مدیریت جریان و مدیریت اسپرینگ بک، و درک صحیح این موارد برای:
● طراحی ابزارآلات موثر و مقاوم.
● بهینه‌سازی فرآیندهای تولید.
● انتخاب مواد مناسب برای خود قالب.
● رفع بهینه مشکلات تولید.
● برآورد دقیق هزینه‌های ابزارآلات و قطعات.
اگرچه هر دو نوع قالب‌های مجزا ابزارهای دقیقی هستند که در تلاش‌های تولید انبوه ضروری می‌باشند، طراحی، ساخت و عملکرد آنها توسط فیزیک کاملاً متفاوتی کنترل می‌شود که در آن فلزات و پلاستیک‌ها از طریق ماشین‌کاری اولیه به قطعه نهایی تغییر می‌کنند. این یک تفاوت اساسی است که فرصت‌های بزرگی را در تولید ایجاد می‌کند.