תכנון מוצר הנדסי
בתכנן חלקי פלסטיק, הצלחת התכנון תלויה בגורם מרכזי אחד; כמה טוב אנחנו משתמשים במגוון התכונות של החומרים הפלסטיים ושיטות העיבוד שלהם לקבלת תוצאות אופטימאליות.
על המתכנן לבחור את השרף הפלסטי, תוך כדי הבנת הפוטנציאל המלא של החומר הנבחר, להבטחת קבלה של חלק מוזרק אשר ישביע רצון הן מבחינה פונקציונאלית והן מבחינה תמחירית.
החומרים הפלסטיים נשלטים על ידי אותם חוקים פיסיקאליים ואותם כללים של תכנון נכון, כמו חומרים אחרים. עקרונות אלו יכולים להיות מיושמים במקרה בו תכונות הפולימר מתאימות לסביבת הפעולה בו המוצר משמש.
חשוב מאוד לדעת ולהבין על מה המוצר או החלק הסופי צריכים לשמש ותחת אלו תנאים ונסיבות, לפני שתהליך בחירת החומר תוכל להתבצע.
הבנת התכונות של חומרים
ישנו הבדל גדול בין התכונות, שיטות העיבוד והשימושים של חומרים המיוצרים על ידי התעשיות השונות. אין חומר בודד שיכול לשמש לכל האפליקציות השונות. כל תכונה חדשה ויוצאת דופן המפותחת עבור חומר מסוים פותחת את הדלת לאפליקציות חדשות, טכנולוגיות וחידושים אשר מובילים לשיפור היעילות והאיכות של המוצר המוגמר עבור המשתמש הסופי.
על מתכנני המוצרים להשוות את תכונות המשפחות השונות של חומרים (מתכות, תרמופלסטיים, גומי וכו'), מכיוון שלכל חומר יש תכונות שונות אשר פותחו עבור שימושים מסוימים, תעשיות שונות ותהליכי עיבוד שונים. לכל החומרים יש יתרונות וחסרונות (תכונות, תהליכים, ואיכות), אשר גורמים לקושי להשוואה של עלויות המוצר המוגמר בהסתמך על חומרים ותהליכים שונים.
תכונות החומר קשורות קשר ישיר לשימוש הסופי של המוצר, כאשר חומר אחד יותר מתאים מחומר אחר.
בחירת החומר הנכון
בחירת החומר הנכון עבור יישום נתון זו משימה קשה. בדרך כלל ניתן רק לצמצם את הבחירה לשניים או שלושה מתמודדים כאשר הבחירה הסופית של החומר המתאים נקבעת על ידי ניסוי ובדיקה.
לעיתים הבחירה בחומר מסוים נקבעת לפי תנאים כמו זמינות חומר הגלם (בהתאם ללוח הזמנים של הפרויקט) או החומר הזול ביותר, בחירה באחת מאפשריות אלו אינה מובילה תמיד ליישום מוצלח או ללקוח מרוצה.
נקודה חשובה נוספת בבחירת חומרים פלסטיים באה לידי ביטוי כאשר היישום הנתון אינו מתאים לייצור מחומר פלסטי. לפעמים הלקוח או המתכנן/מעצב מתאהבים ברעיון של שימוש בחומר פלסטי מבלי להבין את תכונות החומר הפלסטי או אם חומר פלסטי אפילו מתאים ליישום הנתון.
הדבר נכון גם ליישום בו תכנון מסוים עבד בצורה טובה עם אלומיניום או מתכת ועכשיו רוצים להעבירו לחומר פלסטי. כאן חשוב להבין מה הלקוח מצפה שהמוצר או החלק יעשו.
לפני שניתן יהיה לספק תשובה מתאימה יש לחשוב על מספר דרכי פתרון שונים:
• הצעד הראשון והחשוב ביותר הוא להגדיר בצורה מדויקת את הדרישות המבוקשות מהיישום הנתון.
• הצעד השני הוא לנסות ולהתאים את הדרישות הללו לתכונות של החומרים הנתונים.
בכדי שנוכל לבצע את תהליך בחירת חומר הגלם ממגוון רחב של חומרים (פלדה, אלומיניום, נחושת, מגנזיום, פולי קרבונט, חומר אקרילי, ניילון, פולי אצטל וכו') עלינו לענות על חלק או כל השאלות הבאות לצורך הגדרת היישום בצורה הברורה ביותר, ככל שנגדיר את היישום בצורה טובה יותר יגדל הסיכוי לקבלת חומר מתאים יותר עבורו.
• אופן בחירת השאלות ישתכלל עם הניסיון ביישומים מסוימים והניסיון המצטבר.
• יש להתייחס לגורמים נוספים המשפיעים על המוצר במיוחד בזמן האריזה והמשלוח.
תהליך בחירת החומר
1. באיזה עומס יצטרך החלק לעמוד:
– האם על התכנון לעמוד בעומסים גבוהים.
– מה יהיה העומס הגבוה ביותר המופעל.
– מהו המאמץ הגבוה ביותר בתוך החלק.
– באיזה סוג של מאמץ מדובר (נגיפה, מתיחה וכו')
– כמה זמן על החלק לעמוד במאמץ הנתון.
– מהו אורך החיים הצפוי של התכנון או החלק.
* חומרים תרמוסטים מתפקדים בצורה טובה בדרך כלל תחת עומס. חומרים תרמופלסטים מחוזקים, כמו לדוגמא פוליאסטר תרמוסטי, מתפקדים באופן מספק.
2. האם על התכנון או החלק לעמוד בפני אימפקט:
– האם החלק יהיה נתון לאימפקט.
– איזה מבחן/נתון אימפקט מדמה בצורה הטובה ביותר את היישום הנתון.
* חומרים פלסטיים שעברו למינציה, כמו אפוקסי עם סיבי זכוכית, מלמין או פנולים הם בעלי עמידות טובה לאימפקט. פולי קרבונט ופוליאתילן UHMW גם הם מצטיינים בעמידות לאימפקט.
3. האם על התכנון או החלק יופעל עומס מחזורי (התעייפות):
– האם החלק יהיה נתון לעומסים שונים.
– האם העומס המשתנה הוא מתיחה או לחיצה.
– מה יהיו ערכי המאמץ.
– מהו עובי החלק אשר יעבור מתיחה/לחיצה.
– עד כמה יעבור החלק מעוות.
* חומרים כמו פוליאצטל וניילון, טובים בדרך כלל בשימושים בהם ישנו עומס מחזורי.
4. באיזה טמפרטורה על החלק לעבוד ובמשך כמה זמן:
– מהי הטמפרטורה הגבוהה ביותר שבה ישמש החלק.
– מהי הטמפרטורה הנמוכה ביותר שבה ישמש החלק.
– כמה זמן יהיה על החלק להיות בטמפרטורות אלו.
– האם על החלק לעמוד בפני אימפקט בטמפרטורות נמוכות.
* הטמפרטורות הקיצוניות שהחלק עלול לעבור יכולות להתרחש בזמן המשלוח, חום גבוה במשלוח ימי וקור קיצוני בזמן משלוח אווירי.
5. האם החלק יהיה חשוף לכימיקלים או ללחות (עמידות כימית):
– האם החלק יהיה חשוף ללחות יחסית נורמלית, אם לא, באיזה אחוזי לחות מדובר.
– האם החלק ישמש מתחת למים (או יכיל מים), אם כן, באיזו טמפרטורה.
– האם החלק יהיה חשוף לאדים.
– האם החלק יעבור צביעה או ציפוי.
– האם החלק יהיה שקוע או במגע עם ממסים או חומרים כימיים, אם כן, אלו חומרים.
– האם החלק יהיה חשוף לאדים וגזים של ממסים וחומרים כימיים, אם כן, אלו חומרים.
– האם החלק יהיה חשוף לחומרים מזיקים אחרים.
– האם החלק יהיה חשוף לשפכים תעשייתיים.
– האם החלק יעבור ניקוי בעזרת ממסים ודטרגנט, אם כן, אלו חומרים.
– האם דרושה עמידות להתנפחות בסביבה מסוימת.
* חומרים תרמוסטיים ותרמופלסטיים גבישיים מציגים בדרך כלל עמידות טובה לחומרים כימיים.
6. האם החלק ישמש בתכנון חשמלי:
– מהו הזרם לו יהיה החלק חשוף.
– האם יהיה זה זרם ישיר או זרם חילופין.
– אם מדובר בזרם חילופין, באילו תדירויות מדובר.
– היכן יהיה ממוקם מקור הזרם (משני צדי החלק או על צד אחד).
– האם על החומר לבצע פרוק של חשמל אלקטרוסטטי.
– מהו תקן הבעירה שעל החלק לעמוד בו (UL94).
* הכנסת פחם יכולה לגרום לעליה במוליכות החומר. בנוסף, ניתן לצפות את החלק בחומר מוליך או בפולימר מוליך לצורך פירוק חשמל אלקטרוסטאטי.
7. האם החלק ישמש כמסב או יצטרך לעמוד בפני שחיקה:
– האם החלק ישמש כמסב.
– אם כן, מה יהיה העומס, קוטר המסב, החומר ממנו בנוי הציר, רמת הגימור של הציר והסל"ד.
– באלו תנאי שחיקה, שפשוף או שריטה יהיה על החלק לעמוד.
* חומרים עם תוספים להפחתת השחיקה כמו PTFE, גרפיט ומולי-בידניומ-די-סולפיד, מציגים בדרך כלל שחיקה פחותה ביישום.
8. האם החלק יצטרך לשמור על צורתו ומידותיו (יציבות ממדית):
– איזו סוג של יציבות ממדית דרושה.
– האם ישנה דרישה לדיוק ממדים גבוה.
– האם ישנה דרישה לסיבולת מידות(Tolerance) הדוקה.
– האם דרושה יציבות ממדית לאורך זמן, אם כן, לכמה זמן.
– האם ישנה דרישה לישרות או עקמומיות קריטית.
* ביישום בו דרושה יציבות ממדית גבוהה, חומרים פלסטיים עשויים שלא להתאים מכיוון שחומרים פלסטיים עוברים שינויים גדולים יותר ממתכת בתנאי סביבה שונים.
9. האם החומר יצטרך לעבור מתיחה וכפיפה מרובים:
– האם נדרשות תכונות גומיות (אלסטיות) מהחומר.
– האם על החומר לאפשר מתיחה.
* חומרים גמישים כמו לדוגמא חומרים וינילים גמישים, אוריטאן, גומי או אלסטומרים תרמופלסטיים יכולים לשמש ביישום זה.
10. האם על החלק לעבור בדיקות תקינה:
– עמידות לקרינת UV .
– עמידות בפני הוצאת עשן.
– תקינה רפואית (FDA, EC)
– בדיקות טעם/ריח.
* יש לוודא שלחומר יש את האישורים המתאימים מהרשויות ולא רק אישור של היצרן. הלקוח עשוי לדרוש אישור לתקינת החומר.
11. האם על החומר או היריעה לעמוד בפני חדירות נוזלים וגזים:
– האם על החומר להיות בעל חדירות נמוכה לנוזלים וגזים.
– בפני אלו נוזלים או גזים על החומר לעמוד.
* דרישות אל חשובות באריזת מזון וביישומים רפואיים.
12. האם החלק יהיה חשוף לקרינה:
– האם החומר יהיה חשוף לקרינה, אם כן, לאיזה סוג, לאיזו כמות ולכמה זמן.
* מדובר ביישומים צבאיים, שרות ציבורי (כור גרעיני) וביישומים רפואיים (עיקור).
13. האם על החומר להיות בעל צבע או מראה מיוחד:
– איזה צבע דרוש מהחומר.
– האם עליו להתאים מבחינת צבע במכלול חלקים מחומרים שונים.
– האם דרוש מרקם מסוים על פני השטח.
* יש לנסות ולהשתמש בצבענים אשר זמינים בכל עת מהספק. צבעים מיוחדים עלולים להיות קשים להשגה וכמובן יקרים יותר כאשר מדובר בכמויות קטנות.
* צבענים עלולים לגרום גם לשינוי בתכונות החומר כתוצאה משינוי גבישיות (גודל וצורת הגבישים).
14. האם נדרשות תכונות אופטיות מהחלק או היריעה:
– האם על החומר להיות שקוף אם כן מהי רמת השקיפות הדרושה.
– האם על החומר לאפשר מעבר של אורכי גל מסוימים, אם כן, אלו אורכי גל.
* לפולי קרבונט ולחומרים אקריליים יש תכונות אופטיות טובות מאוד.
15. האם החלק ישמש מחוץ לבית:
– באילו תנאי סביבה על החומר לעמוד ולכמה זמן.
* לחומרים אקריליים עמידות טובה בתנאי סביבה שונים.
16. האם החומר יצטרך לשמש למיסוך קרינה אלקטרומגנטית:
– באיזה סוג של קרינה על החומר לעמוד (EMI, RFI).
– מה הם אורכי הגל שעל החומר למסך.
– האם המחסום לקרינה הוא מתוך או מחוץ לחלק.
* שימוש במלאני פחם או פריט, ופולימרים מוליכי חשמל עשוי לעזור במקרים אלו.
17. האם על החומר לאפשר יציאה של גזים:
– האם נדרש חדירות למעבר גזים דרך החומר, אם כן, מאיזה סוג.
– האם נדרשת מניעת מעבר גזים דרך החומר, אם כן, מאיזה סוג.
– האם מעבר הגזים הוא מתוך החלק או היריעה החוצה.
– האם מעבר הגזים הוא מחוץ לחלק או היריעה פנימה.
* מבנה רב שכבתי עם חומרים שונים בעלי תכונות שונות יכול לשמש כפתרון.
הודעה למשתמשים במדריך זה: המידע במסמך זה ניתן בתום לב, ולמיטב ידיעתי, המידע הניתן במסמך זה מדויק, אולם אינני לוקח אחריות לגבי הדיוק או השלמות של מידע זה.
דרור רוזנר – מהנדס פלסטיק (25.09.06)
http://plastix.co.il/plastic-articles-details.asp?news_id=102