کتب و مقالات
فیلم های آموزشی
دوره های آموزشی

کد : ١٣۶٠٠
تاریخ انتشار : ١٣٩٧/٠۵/١۵
بازدید : ٣٣

آینده ی فرایند های پلیمری با شبیه سازی


نقش پلیمر ها و مهندسی پلیمر در آینده چه خواهد بود؟چگونه میتوانیم برای این آینده آماده شویم؟ چالش های اصلی برای بشر در آینده، انرژی و منابع، غذا، بهداشت، تحرک و زیرساخت و ارتباطات خواهد بود. و شکی نیست که پلیمرها نقش مهمی را در یافتن راه های موفق برای برخورد با این چالش ها بازی خواهند کرد. پلیمرها مواد هزاره جدید هستند و تولید قطعات پلیمری - سبز، پایدار، کارآمد، با کیفیت بالا، کم هزینه - امکان دسترسی بهتر به برترین راه حل ها را تضمین می کند.


آینده ی فرایند های پلیمری با شبیه سازی
سهم فرایند پلیمر در روبرویی با چالش های آینده، با مدلسازی و شبیه سازی آغاز می شود.تحقیق در فرایندهای پلیمری به واسطه تلاش قوی برای درک آنچه در فرایند های مختلف اتفاق میافتد،حاصل میشود و نتیجه می دهد.در حال حاضر شبیه سازی فرایند های پلیمری بسیار محبوب و مورد استفاده در بسیاری از موارد شبیه سازی جریان سه بعدی مانند روند پر کردن قالب های تزریق،مدلسازی اسکرو  و مدل های ریاضی برای درک ویژگی های ذوب در کانال های اسکرو،محاسبه ی انتقال حرارت در قالب و ... می باشد.

در اینده نیز،نیاز به شبیه سازی حتی بیشتر و عمیق تر خواهد شد.نه تنها شبیه سازی دقیق از خود فرایند نیز در دسترس خواهد بود بلکه ایجاد یک تولید مجازی کامل از ملکول ها و با آزمایش مجازی هدف خواهد بود.با مدلسازی ایده آل میتوان ترکیبات ایده آل را با استفاده از انواع پلیمر ها و فیلر ها شامل مواد غیر آلی و آلی و انواع اشکال مختلف ایجاد نمود. از طریق مدلسازی چند بعدی(از مقیاس اتمی تا نانومتری تا مقیاس میکروسکوپی) ، پیش بینی خواص نهایی چند گانه از این قسمت انجام می شود.در حال حاضر مقدار زیادی دانش و برنامه در این زمینه وجود دارد.اما جمع اوری این ها در یک فرایند مجازی قابل اعتماد مارا برای دهه های اینده آماده میشود.مسائلی که باید حل شوند عبارتند از:
- تأثیر نوع فیلر (پلیمر، معدنی، کربن)، شیمی در سطح، اندازه، شکل و نسبت سطح در رفتار فصل مشترک پرکننده- ماتریس چیست؟

- چگونه می توان روش های موجود را تطبیق داد؟ در نهایت، حتی روش های فرایندی جدید باید به منظور بهینه سازی توزیع، جهت گیری و خواص فصل مشترک  فیلرها (مثلا افت در کسر حجمی یا اندازه، بافت متناسب و غیره) توسعه یابد. آیا می توان این روش ها را به مقیاس تولید انبوه رساند؟

-چطور میتوان خواص چند منظوره ی اغلب متضاد را درک کرد(به  عنوان مثال، سختی بالا نیاز به پیوندهای قوی کووالانسی دارد، در حالیکه تجزیه پذیری زیستی نیاز به پیوند ضعیف دارد)؟ در این رابطه می توان از نانوکامپوزیت های طبیعی بهره  بگیریم؟ یکی دیگر از جنبه های استفاده گسترده از شبیه سازی، استفاده از سیستم های متخصص در فرآیند توسعه است. که از دانش تخصصی و داخلی استفاده میکند.

از شرکت ها و ترکیب این سیستم مدیریت محتوا با شبیه سازی قالب گیری تزریقی و اندازه گیری دقیق قطعات (شکل1) منجر به کاهش چشمگیر زمان های توسعه یافتن  می شود.

با کمک سیستم های مدرن دوربین، عیب یابی، از جمله در قالب گیری تزریقی توسعه می یابد. در آینده، ممکن است که سیستم های دوربین به طور خودکار نقص ها را  شناسایی کنند. با تبدیل تصاویر و پردازش داده ها در سیستم های متخصص،مشخصات دستگاه بلافاصله برای اطمینان از تولید بدون نقص تنظیم می شود (شکل 2).

عمیق تر: هرچند شبیه سازی فرایند قالب گیری تزریقی  به سطح بسیار بالا رسیده است، در شبیه سازی فرآیندهای پلیمری، هنوز در مساعلی مانند ضعف در توجه به وابستگی فشار داده های مواد، محدودیت هایی وجود دارد که منجر به ضعیف شدن پیش بینی های می شود . از آنجا که بسیاری از گروه های تحقیقاتی مشتاقانه روی این موضوعات کار می کنند و پیشرفت در ریاضیات و فن آوری کامپیوتر به ما کمک خواهد شد، آینده دانش جدید و راه حل های بهتر برای شبیه سازی ارائه خواهد داد.


 
شکل 1-سیستم های تخصصی نرم افزاری برای شبیه سازی قالب گیری تزریقی
 

شکل 2-مثال برای استراتژی عملیاتی برای یک سیستم عیب یابی در قالب گیری تزریقی
 
در تکنولوژی اکستروژن، ویژگی های تکنولوژیکی مشابه با آنهایی که در قالب گیری تزریقی هستند اهمیت زیادی دارند و تقاضای یکسان در مدل سازی و شبیه سازی وجود دارد.ماردونها و دای ها سریعا می توانند برآورد شوند، اما فرآیندهای اساسی مانند فرآیند ذوب در منطقه انتقال جامد، فرآیند تبدیل از گرانول یا پودر به ذوب هنوز به اندازه کافی درک نشده است.این مساله شبیه سازی را بسیار پیچیده و مشکل میکند، به ویژه هنگامی که به سیستم دو ماردون با عناصر مختلف ماردون(به عنوان مثال در ترکیب کننده استفاده می شود) و یا فیلم های چند لایه برای صنعت بسته بندی می آید. در این زمینه، در سال های آینده کارهای زیادی باید انجام شود تا پردازش مجازی به فرایند اکستروژن نزدیک شوند.

مدل های موجود تمایل دارند که فقط با ترموپلاستیک های آمورف کار کنند. سینتیک کریستالیزاسیون برای خنک سازی ترموپلاستیک های نیمه بلورین هنوز مسئله مهمی است که باید حل شود.با این وجود، شبیه سازی یک ابزار است که ما را به شدت به ایجاد فرآیندهای سریع، قابل اعتماد و اقتصادی در یک زمان بسیار کوتاه و با تقریبا هیچ چرخه توسعه، به طوری که کاهش زمان بر  بازار، هزینه ها و منابع مورد نیاز برای طراحی محصولات جدید و یا فرآیندهای جدیدتاثیر میگذارد.

 در شبیه سازی:در پایان همیشه مقادیر محاسبه شده و داده های اندازه گیری شده از آزمایشات بر روی ماشین ها همیشه وجود دارد. در آزمایشگاه تحقیقاتی معمولا استفاده از تجهیزات با سنسورهای مختلف برای به دست آوردن ایده آل و بیشتر از همه داده های قابل اطمینان درست از جایی که کیفیت محصول تعیین می شود - از خود ابزار آغاز میشود. اما در صنعت استفاده از سنسورها به دلایلی بسیار غیر معمول نیست، بنابراین این ابزار یک جعبه سیاه کنترل نشده باقی می ماند. در حال حاضر، در فرایندهای پلیمری، یک دستگاه فرایندی به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد و اغلب با سنسورهای زیادی تنظیم می شود که با مدار کنترل می شوند. برخلاف این واقعیت، در قالب هایی که کیفیت محصول را تشکیل می دهند، فقط چند سنسور نصب می شوند. در واقع، طیف وسیعی از انواع سنسورهای مختلف در قالب کوچک وجود دارد، شایعترین آنها سنسورهای دما و فشار است. هدف در آینده باید توسعه سنسورهای جدید برای ساخت قالب های هوشمندتر باشد. سنسورها باید در قالب به راحتی نصب شوند، باید چرخه عمر طولانی داشته باشند و باید دوره تبادل سریع (برای بهترین تعمیر و نگهداری) داشته باشند .تحقیقات اخیر در  قالب گیری تزریقی نشان داده است که، به عنوان مثال سیستم رانر داغ (شکل 3)، بخش کوچکی از تحقیق در قالب با پتانسیل بالایی از کیفیت محصول، است. سنسورهای جدید در ترکیب با سیستم های کنترل پیشرفته باید به استراتژی های کنترل جدید در فرایندهای پلیمری منجر شوند تا کارایی تولید را افزایش دهند.

داده های مواد

قابلیت اطمینان به  شبیه سازی جریان درفرایند  پلیمر به طور عمده بستگی به اطلاعات مواد ورودی، پارامترهای فرایند و مدل عددی دارد. به طور خاص، داده هاي رئولوژيكي پليمرها بيشترين تأثير را بر دقت تجزيه جريان دارند. برای تجزیه و تحلیل رفتار جریان و اندازه گیری داده ها با کیفیت بالا، برای بهینه سازی فرایند و شبیه سازی بهبود یافته اکستروژن و / یا قالب گیری تزریقی، سیستم خرد کننده با مبدلهای تحت فشار فشرده در امتداد کانال جریان ثابت شده است مناسب است. (شکل 4). این سیستم همچنین امکان استفاده از واحد قالب گیری تزریقی یا اکسترودر را برای فرایند ذوب فراهم می کند (اندازه گیری ویسکوزیته در سرعت برشی بالا در شرایط عملی به طور مستقیم در دستگاه فرایند انجام می شود). این امر تاریخچه ی ذوب را مورد محاسبه قرار می دهدو داده های سازگار تر را اندازه گیری می کند. علاوه بر این، می توان مواد قابل انعطاف و مواد جدیدی را با داده های کم یا غیرمستقیم، (مثلا مواد اولیه ریخته گری پودر (PIM) یا کامپوزیت های چوب پلاستیک (WPC) ،اندازه گیری کرد. در آینده، نیاز به اطلاعات فردی و بسیار دقیق داده شده، به دلیل استفاده روزافزون ترکیبات، به شدت افزایش خواهد یافت.

علاوه بر این، وابستگی فشار و درجه حرارت داده های دیگر مواد مانند هدایت حرارتی یک ماده برای شبیه سازی قالب گیری تزریق قطعات پلیمری مهم است. تا کنون وابستگی فشار هدایت حرارتی در شبیه سازی ها مورد توجه قرار نگرفته است. با این حال، نتایج تحقیق نشان می دهد که این تأثیر ناچیز نیست. شکل 5 نشان می دهد که افزایش فشار از 0 تا 80 MPa منجر به افزایش هدایت حرارتی تا 25٪ برای پلیمرهای نیمه بلوری می شود.

گوشه ها در فرایند پلیمری

اهمیت ودر نتیجه  بازار برای قطعات میکرو و نانوساختار پلیمر در سالهای اخیر به شدت افزایش یافته است. در حالی که حجم بازار کل تولید قطعات پلیمری میکرو و نانوساختار در حال افزایش چشم گیری است.


شکل 3 - شبیه سازی شار حرارتی در یک سیستم راهگاه داغ



شکل 4 - سیستم دای صفحه ای برای تجزیه و تحلیل خواص جریان پلیمرهای پلیمر های پرشده به طور مستقیم در دستگاه فرایند یا ریومتر مویینه با فشار بالا



شکل 5 - هدایت حرارتی برحسب دما و فشار ،برای PP پر نشده و PP پرشده با 30 درصد وزنی
CaCO3

 
سیستم ها (به عنوان مثال، هدهای inkjet)در  اجزای میکروفلوید (به عنوان مثال دستگاه های پزشکی برای تجزیه و تحلیل خون) به کار می روند.پیدا کردن این روش ها که اجازه تولید انبوه این برنامه ها را با هزینه های کم می دهد فرصت های زیادی را به ویژه برای مراقبت های بهداشتی پزشکی فراهم می آورد. پلیمرهای ترموپلاستیک ارزان تر از سیلیکون معمولی هستند و ویژگی های حرارتی، مکانیکی و الکتریکی منحصر به فردی دارند که به آنها اجازه می دهد تا در بسیاری از کاربردها استفاده شوند. علاوه بر این، چندین روش پیچیده تر برای تکرار کم هزینه ریزپردازنده ها وجود دارد و اجازه می دهد تا اتاق  خطوط تولیدکوچکتر باشد. این یک عامل مهم برای شرکت های کوچک است که می خواهند وارد این تجارت شوند،می باشد
.
اولین گام برای موفقیت در آینده این روش ها تعیین محدودیت هایی برای فرایند های پلیمری است. برخی نکات از این محدودیت ها را می توان در تحقیقات انجام شده در موسسه فناوری نانو پلیمر (INKA) در Windisch، سوئیس یافت. برای رسیدن به این محدودیت ها، یک ابزار با ساختارهای عرضی 18 نانومتر بر روی سیلیکون تولید شده است و از طریق قالب گیری تزریقی با استفاده از یک سیستم خنک کننده / گرمایش واریوترم (شکل 6) تکرار می شود.

ما تنها در ابتدای راه  تحقیقات اولیه تولید قطعات پلیمری میکرو و نانوساختار هستیم. و باید با عوامل اصلی روند در بخش های ساخت یافته به عنوان نقطه شروع آشنا شویم. این مهم است زیرا پارامترهای کلیدی در تولید ریزساختارها وجود دارد که در تولید قطعات جزئی پلیمری کم اهمیت هستند، به عنوان مثال، نیروهای تخلیه یا روش های مختلف خنک سازی / گرم کردن ابزار برای به دست آوردن بهترین نتایج اهمیت دارد.

یکی دیگر از مسائل مهم در محدوده فرایند پلیمری، تولید بخش های نازک غشا ، برای کاربردهای پزشکی یا صنعت الکترونیک است. از آنجایی که مذاب  به سرعت در هنگام تماس با سطح سردتر از حفره قالب به سرعت خشک می شود، برای تولید بخش های نازک دیواره سرعت تزریق بسیار بالا لازم است. محدودیت سرعت های تزریق معمول را می توان با روش بسیار امیدوارکننده قالب گیری تزریقی انبساطی (توسط Engel، اتریش) برطرف کرد. با بسته شدن نازل قبل از تزریق، فشار تا 250 مگاپاسکال می تواند تولید شود که پس از باز شدن نازل عمدتا مذاب  را در کویته منفجر می کند (شکل 7). نرخ برشی فوق العاده بالا - تا 1 میلیون ثانیه-طبق اصول این فرآیند باید با استفاده از شبیه سازی در این شرایط شدید، اندازه گیری داده های مواد و درک تخریب مواد مورد مطالعه قرار گیرد. بنابراین، قطعات آینده با دیوارهای فوق العاده نازک (تا کمتر از 0.3 میلیمتر و ضخامت نسبتا ضخامت / دیواره تا 450: 1) می توانند طراحی و تولید شوند.
 

شکل 7 - مراحل پردازش قالب گیری تزریق انبساطی
 
نتیجه
فرایند پلیمر یک میدان وسیع و بسیار جذاب برای علوم، تحقیقات و صنعت است. در دهه های گذشته گام مهمی برای به دست آوردن تکنولوژی های فرایندی پلیمر به سطح بالاتر از چیزی که  در حال حاضر هستند، برداشته شده است: مدل سازی و شبیه سازی نگاهی عمیق به فرآیندهای ممکن ایجاد کرده است، داده های ضروری مواد قابل دستیابی در سطوح بالا و سطح مربوط به پروسه  و مواد و فن آوری های جدید توسعه یافته است. با این حال، فن آوری های جدید هنوز در حال انتظار نیازمند توسعه بیشتر هستند و مواد جدید همیشه نیاز به استراتژی های نوآورانه فرایندی دارند.  دهه های آتی ما با چالش های بسیاری روبرو هستیم که با همکاری نزدیک بین مهندسی مکانیک، علوم مواد، الکترونیک، تکنیک کنترل، شیمی و غیره حل و فصل می شود، به طور خلاصه، مهندسی و علوم پلیمری!

 
برچسب: شبیه سازی فرایند, پلیمر , تزریق, اکستروژن, اکسترودر, pp, pe, pet, پلاستیک , لاستیک,

فرم ارسال نظر

ارسال نظر

نام:
 
آدرس ایمیل:
پیام:
 
    
عبارت امنیتی:
 

نظرات

موردی یافت نشد !
تصویر موجود نمیباشد