روش های اتصال دهی بدون چسب (6)

تثبیت با حلال

تثبیت با حلال (Solvent cementing) یک روش ساده و تجاری برای اتصال دهی ترموپلاست های غیر کریستالی است. در تثبیت با حلال، با استفاده حلال، سطح زیرلایه نرم می شود و بدین وسیله می توان دو زیرلایه را اتصال داد. حلال در سطح نفوذ می کند و موجب می شود تا زنجیره های پلیمری به راحتی حرکت کنند. از آنجایی که قطعات با فشار به هم نزدیک شده اند، پلاستیک نرم شده در حلال، در هم نفوذ می کنند. نیروهای جاذبه ی واندروالسی موجب می شوند تا مولکول های بین دو قطعه، به صورت متحد در آیند. قطعات سپس در مکان مورد نظر نگه داشته می شوند تا زمانی که حلال از ناحیه ی اتصال، تبخیر شود.
اتصال های تولیدی با این روش که بر روی مواد مشابه ایجاد شده اند، حساسیت کمتری نسبت به سیکل های گرمایی دارند. علت این مسئله این است که هیچ تنشی در سطح مشترک این اتصال ها ایجاد نمی شود. وقتی دو پلاستیک غیر متشابه با این روش به هم متصل شوند، اتصال چسبی عموماً مناسب است زیرا مشکلات تطابق حلال و پلیمر را ندارد. اتصال های ایجاد شده با حلال در برابر تخریب محیطی مقاومت دارند. این مقاومت مشابه خود زیرلایه می باشد. استحکام اتصال ایجاد شده به این روش نیز در حدود 85 % استحکام پلاستیک اولیه است. حلال ها موجب می شوند تا استحکام پیوند قابل توجهی در زمان کوتاه فراهم آید. این مسئله با تبخیر سریع حلال رخ می دهد.
اتصال دهی حلالی یک روش مناسب برای تمام پلاستیک های آمورف است. این روش در اصل برای اتصال دهی ABS، اکریلیک، سلولز، پلی کربنات، پلی استایرن، پلی فنیلن اکسید و وینیل ها، استفاده می شود. جوشکاری حلالی برای ترموپلاست های کریستالی، مناسب نیست. این روش بر روی پلی اولفین ها، فلئوروکربن ها و سایر پلیمرهای مقاوم در برابر حلال جواب نمی دهد. جوشکاری حلالی عملکرد متوسطی را بر روی نایلون و استال دارد. جوشکاری حلالی نمی تواند برای اتصال دهی ترموست ها، استفاده شود. این روش برای اتصال دهی پلاستیک های محلول به زیرلایه های متخلخل نیز استفاده می شود. این زیرلایه های متخلخل می توانند چوب و کاغذ باشند.
محدودیت اصلی این روش، احتمال بروز ترک در زیرلایه های پلاستیکی خاص می باشد. ترک خوردن تنشی و یا خردشدگی (crazing) در حقیقت تشکیل میکروترک ها بر روی سطح قطعات پلاستیکی می باشد که در واقع به دلیل تنش های داخلی باقیمانده ایجاد می شوند. این تنش های باقیمانده به دلیل فرایند قالب گیری ایجاد می شود. تماس با حلال می تواند منجر به بروز تنش هایی شود که نتایج فاجعه باری بر روی ترک خوردن قطعه دارد. وقتی این مسئله وجود داشته باشد، آنیل کردن قطعه ی پلاستیکی در یک دمای مناسب می تواند موجب از بین رفتن این تنش ها شود. دمای مورد استفاده اندکی کمتر از دمای شیشه ای شدن پلیمر است. زمان آنیل باید به اندازه ی کافی بالا باشد تا بدین صورت کل قطعه در دمای آنیل، قرار گرفته و تنش گیری شود. یکی دیگر از محدودیت های جوشکاری با حلال، این است که بسیاری از حلال ها، آتش گیر و یا سمی هستند و باید نکات ایمنی را در زمان استفاده از آنها، به کار ببریم. تهویه ی مناسب نیز رد زمان اتصال دهی قطعات بزرگ باید وجود داشته باشد.
تثبیت با حلال باید با توجه به پارامتر حلالیت پلاستیک مورد استفاده، انتخاب شود. حلال مورد استفاده برای اتصال دهی می تواند یک حلال خالص و یا ترکیبی از حلال ها باشد (جدول 1).

این متداول است که از یک مخلوط از حلال های با سرعت خشک شدن سریع و حلال های با سرعت سرد شدن کند، استفاده شود تا بدین صورت، میزان ترک خوردن قطعه، کاهش یابد. تثبیت با حلال، می تواند تا 25 % از وزن کل قطعه ی ایجاد شده را تشکیل دهد. این بخش های اتصال دهنده، می توانند کل شکاف را بپوشانند و شرینکیج کمتری ایجاد کنند. قطعاتی که به هم متصل می شوند، در صورت نیاز باید تنش گیری و آنیل شده باشند. برای اتصال دهی با این روش، سطح باید تمیز باشد و به طور مناسب به هم تطبیق یابند. لبه های بسته ی این دو زیرلایه باید به خوبی به هم متصل شوند. حلال معمولا با برس و یا سرنگ، بر روی سطح مشترک زیرلایه اعمال می شود. در برخی موارد، سطح ممکن است در داخل حلال فروبرده شود. به هر حال، استفاده از حلال باید با دقت مناسبی انجام شود زیرا استفاده از یک میزان بیشتر حلال موجب می شود تا اثر قابل توجهی بر روی استحکام قطعه ایجاد شود. بعد از اینکه ناحیه ی تماس دو زیرلایه نرم شد، قطعات بر روی هم ثابت می شوند و تحت فشار ثابت قرار داده می شود تا اتصال خشک شود. فشار باید کم و یکنواخت باشد به نحوی که اتصال تحت تنش نباشد. بعد از سخت شدن اتصال، فشار آزاد میشود. یک عمل آوری در دمای بالا ممکن است برای تنش گیری و افزایش استحکام اتصال، ضروری باشد پارامترهای فرایندی دقیق برای جوشکاری حلالی، معمولاً بوسیله ی سعی و خطا تعیین می شود. این پارامتر ها به نوع پلیمر، شرایط اعمال و نوع و میزان حلال مورد استفاده، وابسته می باشد.
قطعه ی اتصال یافته نباید تا زمانی که حلال به طور کامل خارج می شود، تحت تنش قرار گیرد و یا بسته بندی شود. تبخیر کامل حلال ممکن نیست در طی چند ساعت و یا چند روز، رخ دهد. برخی از بخش های اتصال یافته ممکن است در دماهای بالا عمل آوری شوند تا بدین صورت خروج حلال از سطح، افزایش یابد.

روش اتصال دهی مکانیکی

مثال های زیادی وجود دارد که در آنها، اتصال دهی با چسب، جوشکاری گرمایی و یا تثبیت با حلال مقدور نمی باشد. علت این مسئله، این است که طراحی بهینه برای اتصال مقدور نیست، هزینه ها و پیچیدگی کار بالاست و یا مهارت و منابع مربوطه برای این اتصال دهی، موجود نمی باشد. یکی دیگر از دلایل مربوط به استفاده از اتصال های مکانیکی، این است که دو زیرلایه ی نامتجانس قابلیت اتصال دهی را داشته باشند. خوشبختانه، وقتی این وضعیت اتفاق می افتد، طراح می تواند هنوز از بست مکانیکی به عنوان یک راه حل، استفاده کند.
در اصل دو روش برای مونتاژ مکانیکی قطعات پلاستیکی، وجود دارد. اولین روش، استفاده از بست هایی مانند پیچ یا چفت و بست ها و روش دوم، استفاده از قطعات تداخلی می باشد که عموماً برای پلاستیک های ترموپلاست، استفاده می شوند. روش آخر را همچنین روش " طراحی برای مونتاژ" نیز می گویند. این ممکن است که طراح سعی کند تا کل محصول به عنوان یک قطعه ی یکپارچه قالب گیری شود و یا طراحی به گونه ای باشد که قطعات متعدد یک نمونه، در هم فشرده و فیت شوند. به هر حال، محدودیت های مکانیکی اغلب برای اتصال دهی یک قطعه به قطعه ی دیگر، وجود دارد. برای اتصال دهی مکانیکی، انواع بست های مکانیکی وجود دارد که برای فلزات طراحی شده اند. این بست ها برای پلاستیک ها، نیز قابلیت استفاده دارند. بست های نمونه وار برای پلاستیک ها، عبارتند از پیچ ها، پرچ ها، قطعات رزوه ای و سایر قطعات پیچی.
مشابه چسب ها و جوش ها، ملاحظات خاصی باید در زمینه ی استفاده از بست های مکانیکی، در نظر گرفته شود. علت این مسئله، طبیعت مواد پلاستیکی می باشد. باید مراقب بود که از تمرکز تنش بر روی قطعه، جلوگیری شود. خزش مکانیکی می تواند موجب کاهش بار قابل تحمل سیستم طراحی شده، شود. اتصال های پلاستیکی ایجاد شده با بست های مکانیکی، نیازمند موارد زیر می باشند:
• یک ارتباط قوی
• موادی که در محیط، پایدار باشند
• هندسه ی پایدار
• تنش های مناسب در قطعات شامل نیروهای قید و بندی محکم
علاوه بر ایجاد استحکام مناسب در اتصال، اتصال های چفت و بستی مکانیکی، نباید بلغزند، جدا شوند، تحت نوسان قرار گیرند و یا ساییده شوند. اتصال هایی که به خوبی طراحی شوند، بدون هیچ مشکلی به کار خود ادامه می دهند. طراحی قطعات پلاستیکی بر اساس چفت و بست مکانیکی، در اصل به نوع پلاستیک، وابسته می باشد.

چفت و بست مکانیکی

انواع مختلفی از بست های مکانیکی می تواند برای اتصال دهی قطعات پلاستیکی، مورد استفاده قرار گیرد. این موارد عبارتند از:
• پیچ و مهره
• مهره خود رزوه
• پرچ
• بست های فنری و کلیپ ها
عموماً وقتی قطعات غیر متشابه، به هم مونتاژ می شوند، بست های مکانیکی، مورد استفاده قرار می گیرد. بست های مکانیکی با استحکام بالا می توانند موجب بروز تمرکز تنش بر روی قطعه ی پلاستیکی شود. بنابراین، باید گشتاور ایجاد شده کنترل گردد. این کار بر طبق اصول طراحی پیش تعریف شده ای، انجام می شود. در جایی که گشتاور نتواند کنترل شود، انواع مختلفی از واشرها می توانند مورد استفاده قرار گیرند.

پیچ و مهره ی مکانیکی

قطعات قالب گیری شده از جنس مواد پلاستیکی، برخی اوقات با استفاده از پیچ و مهره مونتاژ می شوند. برخی اوقات نیز واشر برای جلوگیری از تمرکز تنش، مورد استفاده قرار می گیرد. شکل 1 نشاندهنده ی روش های غیر صحیح برای ایجاد اتصال های مکانیکی قطعات پلاستیکی می باشد. می توان اینسرت هایی نیز پیش از قالب گیری به قطعه اضافه شود. در حقیقت پیش از قالب گیری اینسرت وارد قالب می شود و سپس رزین وارد قالب شده و اطراف اینسرت را می گیرد. به هر حال، این روش موجب افزایش زمان سیکل کاری می شود.
وقتی در یک کاربرد، پیچ مورد استفاده را بخواهیم به کرار باز کنیم، باید از اینسرت های داخل قالبی استفاده کنیم. شیارهای درشت نیز می تواند با استفاده از قالب بر روی ماده ایجاد شود. شیار شماره ی 32 و ریزتر نباید مورد استفاده قرار گیرد چون موجب می شود تا تنش قابل توجهی به نمونه اعمال شود. اگر بخش ثابت کننده، از جنس فلز باشد، گشتاور بیش از اندازه موجب شکسته شدن قطعه می شود. اینسرت های ایجاد شده پس از قالب گیری در چهار نوع مختلف، تولید می شوند: نوع پرسی، نوع انبساطی، خود اتصالی و شیار ساز. اینسرت های فلزی نیز در گستره ای از اشکال و اندازه ها، موجود می باشند. اینسرت ها به طور نمونه وار در برآمدگی و فرورفتگی های پیش تعیین شده، قرار داده می شوند تا بدین صورت، به خوبی مورد استفاده قرار گیرند. برخی از اینسرتها، در مکان مورد نظر، فشرده می شوند و برخی دیگر به منظور افزایش استحکام، و محدود شدن تنش، با روش های خاص اعمال می شوند. اینسرت ها معمولاً در قطعات ترموپلاستیک با استفاده از ادوات جوشکاری التراسونیک، متصل می شوند (شکل 4c بخش دوم این مقاله). عموماً بخش خارجی اینسرت، به گونه ای طراحی می شود که در داخل پلاستیک نفوذ کند و این بخش ها در پیکربندی های مختلفی ساخته می شوند. بست های مکانیکی در هر جایی استفاده شوند، باید توجهات خاصی در زمینه ی سری این بست ها، اتخاذ گردد. سری های مخروطی که سری مسطح نامیده می شوند، موجب بروز تنش های نامناسبی می شوند و نباید مورد استفاده قرار گیرند. سری پیچ و مهره ها نیز باید به اندازه ی کافی مسطح باشد (شکل 2) تا بدین صورت تنش تولید شده بیشتر فشاری باشد. واشرهای مسطح نیز در این بخش ها، پیشنهاد می شوند. در واقع این واشرها زیر مهره قرار می گیرند تا بدین شکل، تمرکز تنش را کاهش دهند.

پیچ های خود رزوه

این پیچ ها، می توانند هم به صورت برشی و هم رزوه ساز، کار کنند. برای انتخاب یک پیچ خود رزوه، طراح باید بداند که کدام پلاستیک برای تولید قطعه، استفاده می شوندو همچنین مدول الاستیک ماده نیز چه میزان است. مزیت استفاده از این نوع پیچ ها، عبارتست از:
• در دسترس بودن و سهولت دسترسی
• هزینه ی پایین
• نرخ تولید بالا
• سرمایه گذاری ابزاری پایین
محدودیت اصلی این پیچ ها، عدم استفاده ی مجدد بعد از اولین مونتاژ می باشد. این پیچ ها، بریده می شوند و یا موجب ایجاد یک شیار جدید در سوراخ می کنند. از این رو، یکنواختی ساختار به هم می خورد.
پیچ های خود رزوه در پلاستیک های نرم تر و داکتیل تر، مورد استفاده قرار می گیرند که مدول آنها زیر 200000 پاسکال باشد. یک سری از این پیچ ها بربای پلاستیک ها طراحی و ساخته شده است (شکل 3). پیچ های خود رزوه، در طی عملیات رزوه کردن، جایگزین ماده ی پلاستیکی می شوند. این نوع از پیچ ها، موجب ایجاد تنش های داخلی بالایی در قطعه می شوند و برای قطعاتی که با رزین های ضعیف تولید شده اند، پیشنهاد نمی شوند. نوع پیچ در واقع بر روی میزان تنش ایجاد شده در قطعه مؤثر است.
استحکام بخش مونتاژ شده با این نوع پیچ ها، می تواند با کاهش قطر پیچ ها افزایش یابد (در مورد پلاستیک های داکتیل). همچنین این استحکام می تواند بواسطه ی افزایش میزان درگیر شدن دنده های پیچ نیز افزایش یابد. افزایش قطر پیچ نیز یکی از عوامل مؤثر بر روی این افزایش استحکام است. مشکل متداول ایجاد شده در مورد این نوع از پیچ ها، ترک خوردن برآمدگی پیچ می باشد. این مسئله می تواند با کاهش اندازه ی پیچ ، تغییر در پیکربندی دنده های پیپچ و یا تغییر در نوع پلاستیک مورد استفاده در تولید قطعه، بهبود یابد.
پیچ های برنده تر در مورد پلیمرهای سخت تر استفاده می شود و می تواند ماده را به خوبی برش دهد و به داخل فرو رود. به هر حال، این پیچ ها، نباید به طور مکرر نصب و خارج شوند.

پرچ ها

پرچ ها در حقیقت اتصالات دائمی را با هزینه ی پایین تولید می کند. بار مهار شده باید مینیمم باشد تا بدین صورت از اعوجاج نمونه جلوگیری شود. برای توزیع بار، پرچ های دارای سری بزرگتر باید با واشر استفاده شوند. سری ها باید سه برابر قطر میله ی پرچ باشند.
اتصال های کامپوزیتی پرچ شده باید به گونه ای طراحی شوند که از بارگذاری پرچ در حالت کششی، جلوگیری شود. عموماً یک حفره ی یک دوم اینچی، که بزرگتر از سری پرچ است، برای اتصال های کامپوزیتی، مناسب می باشد. یک تعداد از طراحی های پرچ به صورت تجاری برای هواپیماها و ساختارهای فضایی ثبت اختراع شده اند.

بست های فولادی فنری

بست های فولادی فنری (شکل 4) می توانند برای نگهداشتن بارهای سبک، مورد استفاده قرار گیرند. بست های فولادی فنری به سادگی بر روی ستون قالب، فشرده می شوند. این ستون باید حداقل شعاعی برابر 0.38 میلی متر داشته باشد. شعاع های بزرگ می تواند منجر به ایجاد یک سطح مقطع ضخیم شود و بدین صورت حفراتی در قالب پلاستیکی، پدید آید.

طراحی بست های داخلی

این اغلب متداول است که از مکانیزم بست در طراحی خود قالب، استفاده شود. دو روش متداول برای انجام این کار، استفاده از بست های سطح مشترک می باشد که با فشار و یا انقباض نمونه، در محل مورد نظر قرار می گیرد. در جایی این روش بتواند مورد استفاده قرار گیرد، به طور قابل توجهی به طبیعت ماده ی پلاستیکی و میزان آزادی قطعه ی طراحی شده، وابسته می باشد.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.

منبع مقاله :
Handbook of adhesives and sealants/ Edxard M. Petrie