قالب‌گیری چرخشی

قالب‌گیری چرخشی به نام‌های Rotomolding , Rotocasting شناخته می‌شود. این روش، فرآیندی برای تولید قطعات پلاستیکی تو خالی است. رقابت‌هایی بین این دو روش و روش‌های قالب‌گیری دمشی، گرماشکل‌دهی و قالب‌گیری تزریقی وجود دارد. البته قالب‌گیری چرخشی مزایای ویژه‌ای از جمله میزان کم‌تنش‌های پس ماند و قالب‌های نسبتاً ارزان را دارا است. علاوه بر این از نظر تولید قطعات یک تکه، توخالی و بزرگ (بزرگ‌تر از ۲ متر مکعب) رقبای کمی در برابر این روش وجود دارد. این روش بیشتر برای تولید مخازن شناخته شده‌است اما می‌تواند برای تولید محصولات پزشکی پیچیده، اسباب بازی‌ها و دیگر وسایل بکار رود.
در سال ۱۹۹۵، بازار آمریکای شمالی حدود ۳۶۴ هزار تن با ارزش ۱۲۵۰ میلیون دلار و در اروپا ۱۰۱ هزارتن بوده‌است که در سال ۱۹۹۷ در اروپا این مقدار به ۱۷۳ هزار تن رسیده‌است. در سال ۱۹۹۷، ارزش بازار آمریکای شمالی ۱۶۵۰ میلیون دلار بوده‌است. بازار آمریکا در دههٔ ۹۰ رشد ۱۰ تا ۱۵ درصدی را در هر سال داشته‌است. در دهه‌های اخیر با پیشرفت ماشین آلات و قالب‌ها توجه زیادی به این صنعت شده‌است و سرمایه‌گذاری‌های زیادی بر روی آن صورت گرفته‌است.

فرایند قالب‌گیری چرخشی

اساس فرایند شامل وارد کردن مقدار مشخصی از پلاستیک به صورت پودر، دانه به قالب توخالی و پوسته مانند است. قالب حول دو محور اصلی با سرعت‌های نسبتاً کم چرخیده یا لرزانده می‌شود. پلاستیک درون قالب به دیوار چسبیده و یک لایه را بر سطح قالب ایجاد می‌کند. چرخش قالب در حین مرحله سرمایش نیز ادامه پیدا می‌کند تا پلاستیک شکل مطلوبش را بگیرد و جامد شود. هنگامی‌که پلاستیک به اندازه کافی سخت شد، سرمایش و چرخش متوقف شده تا قطعه پلاستیکی را از قالب خارج کنند. در این مرحله، چرخه فرایند دوباره تکرار می‌شود. این روش با قالب‌گیری گریزانشی به خاطر سرعت‌های پایین چرخش (۴ تا ۲۰ دور در دقیقه) متفاوت است.
تقریباً همه محصولات تجاری که با این روش تولید می‌شوند جزو خانوادهٔ پلاستیک‌های گرمانرم هستند. هرچند که می‌توان از گرما سخت‌ها نیز استفاده کرد. در میان پلاستیک‌های گرمانرم، بیشتر از بسپارهای نیمه بلورین و مخصوصاً پلی الفین‌ها استفاده می‌شود.

مواد مورد استفاده

در حال حاضر، پلی‌اتیلن در بسیاری از انواع آن، حدود ۸۵ تا ۹۰ درصد بسپارهای مورد استفاده در قالب‌گیری چرخشی را شامل می‌شود. گونه‌های شبکه‌ای شده پلی اتیلن نیز در قالب‌گیری چرخشی استفاده می‌شوند. نرماسل PVC نیز حدود ۱۲ درصد مصرف جهانی را در بر می‌گیرد.
محصولات با کارایی بالا مثل نایلون تقویت شده با الیاف و بدنه‌های هواپیما از جنس PEEK نیز پتانسیل تولید با این فناوری را دارند اما در حال حاضر جز بسیار کوچکی از صنعت را در بر می‌گیرند. تلاش‌هایی برای استفاده از الیاف در قطعات قالب‌گیری چرخشی صورت گرفته‌است اما گزارش‌های کمی از تجاری شدن این محصولات وجود دارد. فرایند جدید قالب‌گیری چرخشی شامل فرایند با فشار اتمسفری است که از پودر ریز استفاده می‌کند و قطعات تقریباً بدون تنشی را نتیجه می‌دهد. در مورد بسپار مورد استفاده نیز ضروریست که بتواند دماهای بالا را برای مدت طولانی تحمل کند.
به دلیل عدم وجود فشار، قالب‌ها معمولاً دیواره‌های نازک دارند و به همین دلیل هزینه تولید آن‌ها نسبتاً پایین است. دستگاه‌های جدید با چند بازو، امکان تولید با استفاده از قالب‌های مختلف با شکل‌ها و اندازه‌های مختلف را به‌طور هم‌زمان می‌دهند. با طراحی مناسب قالب می‌توان قطعات پیچیده‌ای را که تولید آن با روش‌های دیگر مشکل یا غیرممکن است مانند جعبه‌های دو جداره با پنج وجه را تولید کرد. با کنترل فرایند صحیح و طراحی قالب مناسب، ضخامت دیواره قطعات بدست آمده با روش‌های قالب‌گیری چرخشی بر خلاف قالب‌گیری دمشی یا گرما شکل‌دهی دو صفحه‌ای، کاملاً یکنواخت خواهد بود. علاوه بر آن محصولات تولیدی عاری از نقطه و خط و جوش خواهد بود و نیازی به عملیات تکمیلی ندارد.
این روش دارای معایبی به شرح زیر است: زمان تولید بالا، امکان انتخاب محدود مواد مورد استفاده، هزینه بالای مواد به دلیل استفاده از افزودنی‌های خاص، همچنین استفاده از مادهٔ پودر شده و مشکل بودن قالب‌گیری بعضی از شکل‌ها.

ماشین‌های قالب‌گیری چرخشی

روش‌های زیادی برای دستیابی به اهداف ضروری مثل چرخش قالب، حرارت دادن و سرمایش وجود دارد. طبق تخمین‌های زده شده، تقریباً ۴۰ درصد ماشین‌های قالب‌گیری چرخشی در آمریکا دست‌ساز هستند. از ۶۰ باقیمانده، ۷۰ درصد بیش از ۱۰ سال و ۴۰ درصد بیش از ۲۰ سال عمر دارند. درصد ماشین‌های دست‌ساز در دیگر نقاط دنیا بیشتر است. از آنجایی که قطعات قالب‌گیری دمشی محدوده حجمی از ۰٫۰۵ تا ۱۰۰۰۰ لیتر را در بر می‌گیرند، لذا دسته‌بندی کلی ماشین‌ها دشوار است. وجوه مشترک همهٔ فرایندها شامل چرخاندن، حرارت دادن و سردکردن است. همچنین خارج کردن محصول و بارگذاری دوبارهٔ پلاستیک به قالب نیز مورد نیاز است. اما همه ماشین‌ها نیاز به مراحل گرمایش و سرمایش ندارد. اگر از مایع واکنشگری مثل اپوکسی یا رزین پلی استر غیر اشباع دارای مادهٔ پخت استفاده شود، تشکیل ساختار تک لایه بدون حرارت دهی خارجی انجام می‌شود.

پیشرفت‌های اخیر در زمینهٔ قالب‌گیری چرخشی

دانشگاه کوئینز (Queen s) در Belfast در ایرلند شمالی، سال‌های متمادی پیشرو در توسعه سیستم‌های کنترلی و مدلسازی فرایند قالب‌گیری چرخشی بوده‌است. در اوایل دهه ۱۹۹۰، یک گروه تحقیقاتی در کوئینز سیستم Rotolog را برای نمایش دمای هوای درون قالب توسعه وگسترش داد که این سیستم در حال حاضر توسط شرکت ماشین‌سازی آمریکایی Ferry, k-kontrol, Datapag در این زمینه به بازار آمده‌اند. این محصولات امکان کنترل زیادی را به فرایند کار می‌دهد اما صنعت هنوز این فناوری‌های جدید را به اندازهٔ کافی مورد استفاده قرار نداده است.
گروه دانشگاه کوئینز همچنین روش کاری برای بهبود داخلی و سطح سوراخ دار با افزایش فشار داخل قالب و مقاومت آن حل کردن گازها در پلاستیک ارائه داده است که پیش تر این مشکل به عنوان یک مشکل غیرقابل اجتناب در نظر گرفته می‌شد.
پیشرفت‌های اخیر در زمینهٔ فناوری قالب‌گیری چرخشی منجر به فرآیندهایی با کاهش هزینه‌هایی انرژی تا ۷۰ درصد و چرخه‌های زمانی نصف حالت متداول شده‌است. از جمله این پیشرفت‌ها می‌توان به حرارت دهی با امواج مایکرو ویو و سردکردن داخلی با پاشش آب به درون قطعه اشاره کرد.
یکی از همکاران فعال با این مرکز دانشگاهی، Rototek است که طراحی و ساخت ماشین آلات مربوط به خود را انجام می‌دهد که یک سیستم کنترل فرایند برای این ماشین آلات و همچنین برای دیگر سازندگان و دستگاه‌های قالب‌گیری چرخشی ارائه می‌دهد. ماشین کاملاً خودکار Leoard از Persica در برگامو ایتالیا، با سیستم حرارت دهی روغن و خنک‌کنندگی آب شاید بتوان یکی از پیچیده‌ترین و در عین حال کاراترین ماشین‌های قالب‌گیری چرخشی از نظر حرارت دهی در بازار داشت.
شرکت ماشین‌سازی Rototek از برزیل نیز ماشین‌های بزرگی از نوع Rak- and- Rall را ارائه می‌کند؛ که دارای گرمخانه‌ای با ۷ متر طول، ۳ متر عرض است و برای تولید مخازن ذخیره‌سازی بزرگ بدنهٔ قالب و… بکار می‌رود.

محصولات خلاقانه قالب‌گیری چرخشی

یکی از محصولات خلاقانه برای جلوگیری و ممانعت از جاری شدن سیل بکار می‌رود. این محصول شامل قطعات به هم متصل شونده‌ای است که با استفاده از پلی اتیلن با چگالی متوسط در شرکت Oakand Plastics در بیرمنگام و با استفاده از قالب‌گیری چرخشی ساخته شده‌است. این محصول همانند سدی در برابر سیل عمل کرده و دارای وزن سبک و راحتی حمل و نقل است که قابل استفاده به صورت دایمی و موفق و جایگزینی برای کیسه‌های شن متداول می‌باشد. تعداد کمی از این محصول قبل از طوفانی کاترینا در می‌سی‌سی‌پی مورد استفاده قرار گرفتند که این نمونه‌ها بعد از طوفان هم هنوز وجود دارند؛ و وظیفهٔ خود را به خوبی انجام می‌دهند.
یکی دیگر از محصولات جالب از شرکت Rotock، یک سفال تهویه پشت بام است که با همکاری شرکت ساختمان‌سازی Red land تولید شده‌است. این طرح که جایزه طراحی را نیز برده است. از یک روش دارای ثبت اختراع برای قالب‌گیری درونه‌ایی ۱۲ برای تهویهٔ کباب پز بکار می‌رود؛ که با این کار دیگر نیاز به سرهم کردن قطعات بعد از تولید نیست. نمونه‌های قدیمی این پوشش‌های پشت بام توسط قالب‌گیری تزریقی ارائه می‌شدند که روش جدید برای تهیه آن‌ها به صرفه تر و محصول نهایی محکم تر است.

ایتالیا پیشرو در این مسیر

ماشین سازان ایتالیایی فعالیت زیادی در این‌گونه ماشین‌ها دارند. نام‌های پیشرو شامل Caccia Enginering در سامارات Polivin Rotomaching در سرانو و Roto Plastic International در بینات است. این شرکت در توسعهٔ محصولات خود بیشتر به دنبال کنترل بهبود یافته تر هستند.
مدلهای Roaut با دو بازو از شرکت Caccia برای کنترل چرخهٔ خودکار دارای PLC و همچنین کنترل دمای داخلی قطعه هستند.
Roto Plastic نیز Temp logger را به عنوان یک مجموعه در ماشین آلات خود ارائه می‌کند؛ که به فرایند کار امکان افزایش تکرارپذیری فرایند. کاهش نوسانات در مصرف مواد. بهبود سودمندی را می‌دهد. هم‌چنین این محصول تولید قطعات چندلایه با استفاده از مواد مختلف را در صورت نیاز میسر ساخته است. Templogger هم‌چنین بهبود دیگر قسمت‌های ماشین را نیز میسر ساخته است. از جمله این مواد می‌توان به چرخش هوا درون گرمخانه اشاره کرد. با اصلاح جهت و مقدار جریان هوا، قالب‌ها می‌توانند به‌طور مؤثری حرارت داده شوند. همچنین این قابلیت را ایجاد کرده‌است تا اندازهٔ مشعل‌ها را بر روی ماشین ها تغییر دهد. علاوه بر آن، سامانه‌ای برای سرمایش با دمش هوا را توسعه داده است و می‌توان زمان‌های سرد شدن را تا ۲۰ درصد کاهش دهد.
شرکت Polivini نیز اخیراً یک سیستم ثبت شده‌ای را ارائه کرده‌است؛ که داده‌های واقعی را بر روی دماهای هوا و مواد در طول تمام چرخهٔ تولید (حرارت دهی و سرمایش) فراهم می‌کند. در این سیستم هنگامیکه پارامترهای پایه‌ای فرایند را تعین می‌کنید. ماشین به‌طور خودکار خودش را با هرگونه تغییری در شرایط کاری شامل دمای محیط مواد مورد استفاده هماهنگ می‌کند. به علاوه بر آن این شرکت بازدهی سامانهٔ هوای گرم را بهبود داده است. تا برای قالبهای با اندازه‌ها و شکل‌های مختلف قابل تطبیق شود.