کدام قالبگیری دمشی برای پت مناسب تر است؟ تک مرحله ای یا دو مرحله ای

مقدمه

به ­طور کلی استفاده از روش  قالبگیری دمشی (بادی) برای تولید طیف گسترده­ای از محصولات به کار گرفته می ­شود. از جمله:

تولید انواع شیشه های شیر، قوطی­ های پلاستیکی روغن،ظروف وشیشه های پلاستیکی انواع نوشیدنی، ظروف مواد شوینده و بهداشتی و ...

فرآیندهای دمشی متفاوتی ازجمله رانشگری (اکستروژن)، تزریقی و کششی وجود دارند که فرآیند دمشی کششی اصلی­ترین روش برای تولید بطری­ های پرمصرف PET است که در ادامه به تفصیل مورد بررسی قرار می ­گیرد.

تعریف کلی فرآیند قالبگیری دمشی -کششی:

این فرآیند شباهت بسیار زیادی به روش قالبگیری دمشی تزریقی دارد با این تفاوت که در این تکنیک،
پیش از فرآیند دمش و شکل­ گیری نهایی، پیش شکل (preform) در جهت محوری تحت کشش قرار گرفته و کشیده می ­شود.

اما این کشش محوری چه اهمیتی داشته و چه ویژگی برای محصول به ارمغان می  اورد؟

کشش محوری  پیش شکل قبل از فرآیند دمش نهایی، منجر به آرایش ­یافتگی زنجیره های بسپار شده
و همین امر منجر به تقویت خواص محصول می ­شود.
به ­عبارت دیگر ارتقاء خواصی همچون:
استحکام ضربه، سفتی، شفافیت و سدگری (barrier) مناسب محصول در برابر انواع گازها را به وجود می  اورد.
توضیح آنکه ارتقاء خاصیت سدگری در ظروف مواد غذایی مسئله­ای بسیار با اهمیت است
چراکه منجر به نگهداری مناسب مواد غذایی داخل ظروف نگهداری و عدم فساد و تجزیه آنها می ­گردد.
از دیگر مزایای کشش محصول در این روش، کنترل بیشتر و بهتر بر روی یکنواختی ضخامت دیواره محصولات نسبت به سایر روش­ها بوده
که همین امر امکان طراحی ظروف بزرگتر را بدون نگرانی و دغدغه از نقص­های احتمالی در دیواره محصولات میسر می ­سازد.

چهار پلاستیک اصلی و پرکاربردی که با این روش فرآیند می ­شوند عبارتنداز:

پلی­ پروپیلن (PP)، پلی­ وینیل ­کلراید (PVC)، پلی اتیلن­ ترفتالات (PET) و پلی ­اکریلونیتریل (PAN)

به­ طور کلی دو روش برای فرآیند قالب­گیری دمشی-کششی وجود دارد:

الف) فرآیند تک مرحله ­ای

ب) فرآیند دو مرحله­ ای

به ­طور خلاصه می ­توان گفت که در فرآیند تک­ مرحله­ ای، پیش شکل تهیه شده پس از فرآیند قالب­گیری تزریقی، بلافاصله تحت فرآیند سرمایش قرار نمی ­گیرد این درحالی است که در فرآیند دو مرحله ­ای، پیش شکل به صورت مجزا آماده­ سازی و تهیه شده و پس از آن مجددا گرما داده می ­شود.
سپس وارد مرحله سرمایش شده و تا دمای مورد نظر (اصولا دمای محیط) خنک می ­شود. در نهایت، پیش شکل، تحت فرآیند دمش قرار گرفته تا شکل نهایی محصول حاصل شود.

به ­منظور تهیه و تولید بطری­های PET، لازم است تا ابتدا  پیش شکل به روش فرآیند قالب­گیری تزریقی تهیه شده و پس از آن تحت فرآیند دمشی-کششی قرار گیرد.
به عبارت دیگر، این مراحل می ­توانند در یک ماشین انجام شوند که در این صورت فرآیند تک مرحله­ ای نامیده شده و یا مراحل به­ صورت مجزا مورد بررسی قرار گیرند، که در نتیجه فرآیند دو مرحله­ای مدنظر خواهد بود. هر یک از فرآیندهای نام­ برده شده مزایا و معایبی دارند
که تولیدکنندگان با توجه به نیاز و همچنین طیف محصولات مورد نظرشان باید مناسب­ترین فرآیند را انتخاب نمایند.
در ادامه هر یک از فرآیندهای تک مرحله­ ای و دو مرحله­ به تفصیل مورد بررسی قرار خواهند گرفت.

فرآیند تک ­مرحله­ ای قالب­گیری دمشی-کششی چه ویژگی هایی دارد؟

ماشین و تجهیزات مکانیکی این فرآیند مشابه تجهیزات قالب­گیری تزریقی است. ابتدا  پیش شکل مورد نظر داخل قالب ­های تزریق تهیه شده و تا زمانی که تحت فرآیند دمش قرار گیرد، گرم نگه­داشته می ­شود. سپس  پیش شکل توسط یک میله (rod) در جهت محوری کشیده شده و نهایتا تحت دمش قرار می ­گیرد تا شکل نهایی محصول حاصل شود. بطری شکل­ دهی شده تحت سرمایش قرار گرفته و پس از تکمیل فرآیند توسط پران­های تعبیه شده (ejection) از قالب خارج می ­شود.

مزایای این روش عبارتند از :

• محصول نهایی (بطری) فاقد هرگونه لکه و یا عیب ظاهری است (که البته این مورد وابسته به رعایت کلیه اصول شکل­ دهی است اما به ­طور کلی، این دسته از نواقص، در این روش به میزان حداقل گزارش می ­شوند).

• کنترل مناسب و صحیح بر روی فرآیند تولید پیش شکل (کنترل طراحی، ساخت و کیفیت)

• امکان تولید بطری­های با طول زیاد (نسبت طول به عرض بالا)، به ­واسطه کنترل مناسب شرایط تولید و به­ ویژه مرحله پیش شکل

• انعطاف­ پذیری مناسب.

مزایای گفته شده استفاده از این روش را برای تولید کلیه بطری­های PET به ­ویژه انواع ظروف و بطری­های نگه­داری مواد غیر آشامیدنی مناسب می ­سازد (نیاز به طراحی خاص). اما با این وجود معایبی نیز وجود دارد که عبارتند از:

• چرخه (سیکل) تولید طولانی مدت

• مشاهده نایکنواختی در ضخامت دیواره محصولات

• بالا بودن زمان کارکرد ماشین تولید (اکثرا ۲۴ ساعته) برای کاهش میزان ضایعات تولیدی

نایکنواختی مشاهده شده در دیواره محصولات، ناشی از گرمای تولید شده برشی و موجود در مذاب پلاستیک است. کنترل دمای مذاب از راهکارهای موجود برای کاهش و رفع این نقص است. البته استفاده از راهگاه های (runner) داغ نیز می ­تواند مفید باشد و اختلاف پروفیل دمایی را به حداقل میزان ممکن برساند.

فرآیند دومرحله­ای قالبگیری دمشی -کششی شامل چه مراحلی است ؟

مهم­ترین تفاوت این تکنیک با فرآیند تک مرحله­ ای، وجود مرحله گرمایش مجدد  پیش شکل تهیه شده است. به­ طور کلی این تکنیک شامل مراحل زیر است که هر یک به­ طور جداگانه بحث خواهند شد.

الف) قالب­گیری تزریقی پیش ­شکل (تهیه پیش شکل)

ب) گرمایش پیش ­شکل                                                                          

پ) قالبگیری دمشی -کششی پیش شکل گرما دیده

الف) قالب­گیری تزریقی  پیش شکل

ابتدا طی فرآیند قالب­گیری تزریقی، پیش ­شکل تک­لایه و یا چندلایه تولید می ­شود. (طراحی لایه ها با توجه به مصرف و کاربرد بطری تولیدی صورت گرفته و وابسته به خاصیت سدگری (barrier) محصول خواهد بود).

برخی از ماشین­های تزریق حاوی تعداد زیادی قالب بوده و طی هر مرحله (shot)، توانایی تولید بیش از ۹۶ قطعه (پیش شکل) را خواهند داشت. پیش ­شکل­های تولیدی انبارش شده تا نهایتا توسط ماشین قالب­گیری دمشی-کششی به ­طور مستقل و جداگانه، تحت دمش قرار گرفته و شکل ­دهی نهایی شوند.

روش تولید دو مرحله­ای این امکان را برای تولیدکنندگان فراهم می ­سازد تا  پیش شکل مورد نظر و مناسب نیاز خود را از شرکت­های تولیدکننده پیش شکل، خریداری کرده و تنها تحت فرآیند نهایی شکل­دهی (استفاده از ماشین دمشی-کششی) قرار دهند و محصول نهایی را به فروش رسانند. به ­عبارت دیگر در این شرایط، تولید کننده نگرانی از دغدغه های بی­شمار فرآیند قالب­گیری تزریقی و تهیه و ساخت  پیش شکل نداشته و تنها فرآیند شکل­دهی نهایی را که کمترین ریسک ممکن را در بر دارد، به­عهده می ­گیرد. شکل ۲ تصویری از انواع مختلف پیش شکل­ها را نشان می ­دهد.

ب) گرمایش  پیش شکل های پری فرم

پیش از فرآیند شکل­دهی نهایی، گرمایش  پیش شکل تهیه شده ضروری است. بسیاری از خواص محصول نهایی وابسته به این مرحله خواهد بود. در این قسمت، هدف ایجاد انرژی گرمایی و پروفیل دمایی مناسب و یکنواخت در ابعاد هندسه مختلف پیش شکل یعنی طول و دیواره آن است تا مشکلات ناشی از تفاوت پروفیل دمایی (موجود در فرآیند تک مرحله­ای) ایجاد نشود و محصولی با خواص مناسب حاصل گردد. بنابراین یکی از مهم­ترین مسائل پیش رو در این بخش، ایجاد پروفیل گرمایی یکنواخت در اطراف  پیش شکل است. به ­منظور تولید گرما از آون­های مادون قرمز استفاده شده و  پیش شکل­ها برای جذب گرمای یکنواخت در حال چرخش خواهند بود. از سوی دیگر در این مرحله جریان هوا نیز به ­صورت همرفتی (convection) طراحی شده تا پروفیل دمایی، یکنواختی بیشتری داشته و گرمای بیش از حد منجر به سوختگی برخی از نقاط  پیش شکل نشود.

پس از مرحله گرمایش به  پیش شکل زمان داده می ­شود تا دمای آن از طریق فرآیند همرفتی محیط و به صورت طبیعی به دمای پایین­تر (اصولا دمای محیط) برسد.

با توجه به طراحی و استفاده از ماشین مناسب، اصولا زمان مرحله گرمایش  پیش شکل­ بین ۲۵-۱۵ ثانیه طراحی می ­شود. بنابر مطالعات انجام شده، بهینه زمان خنک شدن  پیش شکل و پایین آمدن دمای آن باید بین ۴۰-۶۰ درصد زمان مرحله گرمایش طراحی شود.

پ) قالبگیری دمشی -کششی پیش ­شکل گرمادیده

پیش ­شکل­های گرمادیده داخل قالب­های ماشین دمشی-کششی قرار گرفته و در جهت محوری کشیده می ­شوند، پس از آن فرآیند دمشی انجام شده تا شکل نهایی محصول حاصل شود.

مزایای فرآیند دو مرحله­ای عبارت است از:

• ظرفیت تولید بالا. امکان تولید ۷۲۰۰۰-۱۰۰۰ بطری در ساعت

• چرخه تولید بالا (سیکل زمانی کوتاه)

• عدم نایکنواختی در دیواره بطری­ها به واسطه مرحله پیش­گرمایش و کنترل دمایی مناسب

• امکان انتخاب طراحی­های متنوع و مناسب به ­واسطه خرید  پیش شکل از تولیدکنندگان گوناگون

• رفع مشکلات و نگرانی­های طراحی در مرحله قالب­گیری تزریقی  پیش شکل، به ­واسطه خرید انواع آماده آن

• امکان قطع فرآیند تولید در هر زمان بدون ایجاد ضایعات

از جمله معایب این روش عدم همخوانی و مناسب بودن طراحی  پیش شکل خریداری شده با قالب ماشین دمشی- کششی است که بدین منظور پیش از انتخاب و خرید  پیش شکل باید محدوده طراحی قالب ماشین دمشی-کششی موجود را مد نظر قرار داد. در صورت بی­توجهی به این مورد امکان رویت معایبی هم­چون پلیسه و یا تاب ­برداشتگی در محصول دور از انتظار نخواهد بود. البته یکی از راهکارهای موجود برای رفع این نقص که امروزه در صنعت بسیار پرکاربرد است، پوشاندن نقص­های مذکور به­وسیله آستری و یا برچسب­های الصاقی به­ بطری­های تولیدی است.

در حال حاضر بیش از ۸۰% بطری­های نوشیدنی موجود در بازار به روش فرآیند دو مرحله­ای قالبگیری دمشی - کششی تولید می ­شوند و انتخاب فرآیند تولید ۲۰% باقی­مانده نیز کاملا اختیاری و با توجه به صلاح­دید تولیدکنندگان انجام می ­پذیرد.

شناخت ماشین­های صنعتی و تجاری این حوزه

حین خرید ماشین­آلات و تجهیزات فرآیند قالب­گیری دمشی-کششی، توجه به این نکته ضروری است که برخی از ماشین­ها قابلیت استفاده برای طیف گسترده­تری از پلاستیک­ها همچون: پلی­پروپیلن، پلی­کربنات، پلی اتیلن ­نفتالات و پلی اتیلن ­ترفتالات بازیافتی را دارند این در حالی است که طراحی برخی دیگر از ماشین­ها امکان قالب­گیری تعداد محدودی از پلاستیک­ها مثل PET وPEN  را در اختیار تولیدکنندگان قرار می ­دهد. از شرکت­های پیشتاز در زمینه ساخت ماشین ­آلات و تجهیزات فرآیندهای تک­ مرحله ­ای و دو مرحله ­ای قالبگیری دمشی -کششی، شرکت ASB Nissei است.

یکی از سوالات متداول در این بخش آن است که چرا با وجود ارزان­تر بودن ماشین­آلات فرآیند قالبگیری دمشی -رانشگری(اکستروژن)، فرآیند قالبگیری دمشی -کششی مناسب­تر است؟

در روش قالبگیری دمشی - کششی، بطری تهیه شده استحکام و شفافیت بیشتری داشته و از سوی دیگر سبک­تر نیز هست، پارامترهایی که برای تولید بطری­های حاوی مواد غذایی و آشامیدنی ضروری است و تنها با این روش فرآیند، قابل دست­یابی است. به ­عبارت دیگر دست­یابی به برخی از طراحی­ها و خواص، تنها با استفاده از روش فرآیند قالبگیری دمشی -کششی میسر است که از آن جمله ساخت ظروف و بطری­ های پرمصرف PET است.

نوشته: فاطمه ارشادی