نویسنده و طراح صنعتی: هوشنگ فنائیان
واحد تحقیق و توسعه: ماشین‌سازی بارز روشن

چکیده

طراحی پرس‌های حرارتی سابلیمیشن در ابعاد متوسط و عریض، صرفاً به معنی افزایش ابعاد یک پرس کوچک نیست. با افزایش سطح کفه، مسائل مهندسی پیچیده‌تری مانند یکنواختی فشار، خمش صفحه، توزیع حرارت، بازیابی دمایی، مصرف انرژی و هماهنگی حرکت مکانیکی اهمیت بیشتری پیدا می‌کنند.

در این مقاله، معماری مورد استفاده در پرس‌های سابلیمیشن «بارز روشن» با تمرکز بر سه بخش اصلی بررسی می‌شود: توزیع نیروی فشاری توسط چند سیلندر پنوماتیک، طراحی کفه حرارتی آلومینیومی و مدیریت چندناحیه‌ای توان الکتریکی.

هدف این رویکرد، دستیابی به فشار مؤثر و یکنواخت، کاهش اختلاف دمای نقاط مختلف کفه، ساده‌سازی نگهداری مکانیکی و در برخی ابعاد، امکان بهره‌برداری از دستگاه با شبکه برق تک‌فاز است.

۱. مسئله اصلی در پرس‌های حرارتی عریض

در فرایند سابلیمیشن، کیفیت انتقال تصویر به پارچه یا سطح پلیمری به چهار متغیر اصلی وابسته است:

• دمای مناسب؛
• زمان تماس کنترل‌شده؛
• فشار کافی و یکنواخت؛
• ثبات موقعیت متریال در زمان باز و بسته شدن پرس.

در پرس‌های کوچک، ایجاد این شرایط نسبتاً ساده‌تر است. اما با افزایش طول و عرض صفحه، احتمال ایجاد اختلاف فشار بین مرکز و لبه‌ها، خمش کفه، نقاط سرد و حرکت زاویه‌ای فک افزایش می‌یابد.

در نتیجه طراحی پرس‌های عریض به یک مسئله هم‌زمان سازه‌ای، پنوماتیکی، حرارتی و الکتریکی تبدیل می‌شود.

۲. معماری چندسیلندر پنوماتیک و توزیع نیروی فشاری

یکی از راهکارهای مورد استفاده در ماشین‌های بارز روشن، افزایش تعداد نقاط اعمال نیرو متناسب با ابعاد کفه است.

در این ساختار، به جای متمرکز کردن کل نیروی محرک در یک نقطه، چند سیلندر پنوماتیک در موقعیت‌های محاسبه‌شده قرار می‌گیرند تا نیرو در سطح وسیع‌تری توزیع شود.

نیروی نظری تولیدشده توسط یک سیلندر پنوماتیک در کورس رفت از رابطه زیر قابل محاسبه است:

F=P×AF=P\times A

و با توجه به سطح پیستون:

A=πD24A=\frac{\pi D^2}{4}

بنابراین:

F=P×πD24F=P\times\frac{\pi D^2}{4}

که در آن:

F نیروی نظری سیلندر،
P فشار هوای ورودی،
و D قطر داخلی پیستون است.

برای یک سیلندر با قطر ۶۳ میلی‌متر و فشار هوای ۶ بار:

A≈0.003117 m2A \approx 0.003117\,m^2

و در نتیجه:

F≈1870 NF\approx 1870\,N

خواهد بود که تقریباً معادل ۱۹۰ کیلوگرم‌نیرو است.

این مقدار، نیروی نظری یک سیلندر است و نیروی واقعی سامانه تحت تأثیر اصطکاک داخلی، فشار واقعی شبکه، شرایط آب‌بندی و دینامیک حرکت قرار دارد.

۳. از نیروی جک تا فشار واقعی روی سطح کفه

در طراحی پرس، صرفاً دانستن نیروی سیلندر کافی نیست.

پارامتر مهم‌تر، فشار متوسط ایجادشده روی سطح کار است:

p=FtotalAplatenp=\frac{F_{total}}{A_{platen}}

به همین دلیل با افزایش ابعاد کفه باید تعداد، محل و فاصله سیلندرها به گونه‌ای انتخاب شود که علاوه بر تأمین نیروی کل، خمش و عدم تقارن فشار نیز کنترل شود.

در معماری ماشین‌های بارز روشن، بسته به اندازه دستگاه از پیکربندی‌هایی مانند:

• یک سیلندر مرکزی در دستگاه‌های کوچک؛
• دو سیلندر خطی در صفحات کشیده‌تر؛
• چهار سیلندر با آرایش متقارن ۲×۲؛
• و آرایه‌های شش تا هشت سیلندر در پرس‌های بسیار عریض

استفاده می‌شود.

هدف از این تقسیم نیرو، کاهش گشتاورهای نامتقارن و حفظ موازی بودن صفحات در زمان اعمال فشار است.

۴. کنترل حرکت و جلوگیری از انحراف زاویه‌ای فک

سیلندر پنوماتیک باید وظیفه ایجاد نیرو را انجام دهد؛ اما بهتر است نقش هدایت دقیق مکانیکی صرفاً به میله پیستون جک واگذار نشود.

به همین دلیل در طراحی‌های بارز روشن از شفت‌های راهنمای سخت‌کاری‌شده یا هاردکروم همراه با بوش‌های مقاوم به سایش استفاده می‌شود.

در برخی مدل‌ها قطر شفت‌های راهنما در محدوده ۱۶ تا ۲۵ میلی‌متر انتخاب می‌شود.

استفاده از بوش‌های فسفربرنز می‌تواند مزایایی مانند مقاومت سایشی مناسب، حرکت نرم و تحمل مناسب بارهای رفت‌وبرگشتی ایجاد کند.

وظیفه این مجموعه، حفظ مسیر عمودی کفه و جلوگیری از حرکت زاویه‌ای در زمان بسته‌شدن یا بازشدن پرس است.

این موضوع در سابلیمیشن اهمیت خاصی دارد، زیرا جابه‌جایی جزئی کاغذ ترانسفر نسبت به پارچه می‌تواند باعث ایجاد پدیده Ghosting یا سایه‌افتادگی در تصویر شود.

۵. انتخاب متریال کفه حرارتی

کفه پرس حرارتی باید هم‌زمان چند وظیفه را انجام دهد:

1. انتقال حرارت؛
2. توزیع نسبتاً یکنواخت حرارت؛
3. مقاومت در برابر تغییر شکل؛
4. تحمل سیکل‌های متوالی گرم و سرد شدن؛
5. حفظ صافی سطح در طول کار.

در برخی طراحی‌های بارز روشن از آلیاژهای آلومینیوم سری 6000 و 7000 استفاده می‌شود.

آلیاژ AA6061

آلیاژ 6061 به دلیل ترکیب مناسب قابلیت ماشین‌کاری، جرم پایین، مقاومت مکانیکی و هدایت حرارتی قابل قبول، گزینه‌ای مناسب برای بسیاری از صفحات حرارتی است.

هدایت حرارتی این خانواده آلیاژی معمولاً در حدود:

150−170 W/m.K150-170\,W/m.K

قرار دارد.

آلیاژ AA7075

7075 آلیاژی با استحکام مکانیکی بسیار بالاتر است و استفاده از آن می‌تواند در بخش‌هایی که مقاومت در برابر خمش یا تنش سازه‌ای اهمیت بیشتری دارد، مزیت ایجاد کند.

انتخاب نهایی آلیاژ نباید صرفاً بر مبنای هدایت حرارتی صورت گیرد؛ بلکه ضخامت صفحه، طول آزاد، آرایش سازه نگهدارنده، تنش حرارتی و نیروی فشاری نیز باید هم‌زمان بررسی شوند.

۶. اهمیت ضخامت و سختی خمشی کفه

در پرس‌های عریض، افزایش ضخامت صفحه فقط باعث افزایش وزن نمی‌شود؛ بلکه نقش مهمی در مقاومت صفحه در برابر خمش دارد.

اگر صفحه بیش از حد نازک باشد، حتی با وجود چند سیلندر، امکان ایجاد تغییر شکل موضعی وجود خواهد داشت.

از طرف دیگر افزایش بیش از حد ضخامت باعث افزایش جرم حرارتی می‌شود و زمان گرم‌شدن اولیه دستگاه را افزایش می‌دهد.

بنابراین طراحی مناسب، یک نقطه تعادل بین:

سختی سازه‌ای + جرم حرارتی + سرعت بازیابی دما + مصرف انرژی

است.

۷. ایزولاسیون حرارتی و کنترل اتلاف انرژی

تمام انرژی تولیدشده توسط المنت نباید به سازه دستگاه منتقل شود.

هدف اصلی، هدایت حداکثری انرژی حرارتی به سمت سطح کاری و کاهش اتلاف حرارت از پشت کفه است.

در ماشین‌های بارز روشن، استفاده از عایق صنعتی در بخش فوقانی مجموعه حرارتی، یکی از روش‌های کاهش اتلاف انرژی است.

پشم سنگ صنعتی، در صورت انتخاب مناسب ضخامت و دانسیته، می‌تواند انتقال حرارت به اجزایی مانند:

• شفت‌های راهنما؛
• بوش‌ها؛
• سازه فولادی؛
• قطعات پنوماتیکی

را کاهش دهد.

کاهش دمای این اجزا می‌تواند در افزایش عمر بعضی قطعات و محدود کردن انتقال حرارت ناخواسته به سازه مؤثر باشد.

۸. چرا یک سنسور دما برای کفه عریض کافی نیست؟

در یک کفه کوچک، یک سنسور مرکزی ممکن است اطلاعات قابل قبولی از وضعیت دما ارائه کند.

اما در یک سطح عریض، دمای مرکز الزاماً نماینده دمای تمام صفحه نیست.

ممکن است کنترلر عدد ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد را نمایش دهد، در حالی که گوشه یا لبه‌ای از کفه چند درجه سردتر یا گرم‌تر باشد.

برای کاهش این مشکل، یکی از رویکردهای مهندسی تقسیم صفحه به چند زون حرارتی است.

۹. کنترل حرارتی چندناحیه‌ای

در معماری چندزون، سطح گرم‌کننده به چند بخش تقسیم می‌شود.

برای نمونه:

زون چپ → سنسور و کنترلر مستقل

زون مرکز → سنسور و کنترلر مستقل

زون راست → سنسور و کنترلر مستقل

هر ناحیه می‌تواند توسط کنترلر و رله حالت جامد SSR مجزا مدیریت شود.

در صورت استفاده واقعی از کنترلرهای PID، هر حلقه کنترل می‌تواند با توجه به دمای اندازه‌گیری‌شده، توان زون مربوط به خود را تنظیم کند.

مزیت این ساختار آن است که افزایش یا کاهش دما در یک بخش الزاماً باعث تغییر مشابه در تمام سطح نمی‌شود.

۱۰. طراحی المنت و مفهوم چگالی توان

یکی از پارامترهای مهم در مهندسی کفه حرارتی، توان کل المنت نیست؛ بلکه نحوه توزیع آن توان در واحد سطح نیز اهمیت زیادی دارد.

چگالی توان را می‌توان به صورت زیر تعریف کرد:

q′′=PAq''=\frac{P}{A}

که در آن:

P توان حرارتی الکتریکی،
و A سطح گرم‌شونده است.

افزایش بیش از حد چگالی توان می‌تواند نقاط داغ موضعی ایجاد کند و کاهش بیش از حد آن ممکن است زمان گرم‌شدن و بازیابی حرارت را افزایش دهد.

بنابراین هندسه مسیر المنت، فاصله بخش‌های حرارتی، ضخامت صفحه و محل سنسورها باید در کنار هم طراحی شوند.

۱۱. امکان بهره‌برداری تک‌فاز در برخی پرس‌های عریض

یکی از اهداف طراحی برخی مدل‌های بارز روشن، محدود کردن توان الکتریکی مورد نیاز به سطحی است که امکان استفاده از شبکه تک‌فاز را فراهم کند.

برای مثال اگر جریان واقعی دستگاه:

I=19AI=19A

و ولتاژ شبکه:

V=220VV=220V

باشد، توان تقریبی بار مقاومتی برابر است با:

P=V×IP=V\times I

و بنابراین:

P≈4.18kWP\approx4.18kW

خواهد بود.

در برخی طراحی‌های بارز روشن، برای ابعاد تا حدود ۱۵۰×۱۴۰ و ۱۵۰×۱۵۰ سانتی‌متر، هدف مهندسی محدود کردن جریان کاری به کمتر از ۲۰ آمپر در شبکه ۲۲۰ ولت تک‌فاز بوده است.

این ویژگی در صورت تأیید توسط اندازه‌گیری واقعی جریان، دمای سطح و زمان بازیابی حرارتی، می‌تواند مزیت مهمی برای کارگاه‌هایی باشد که دسترسی آسان به برق سه‌فاز ندارند.

۱۲. توان کمتر الزاماً به معنی عملکرد بهتر نیست

در ارزیابی پرس حرارتی باید از مقایسه صرفاً بر مبنای کیلووات خودداری کرد.

توان پایین تنها زمانی یک مزیت واقعی است که دستگاه همچنان بتواند:

• به دمای تنظیم‌شده برسد؛
• دمای صفحه را در سیکل‌های پی‌درپی حفظ کند؛
• پس از تماس با متریال سرد دمای خود را بازیابی کند؛
• و اختلاف دمای سطح را در محدوده قابل قبول نگه دارد.

بنابراین شاخص مهم‌تر از «توان نامی کمتر»، مفهوم کارایی حرارتی سیستم است.

طراح و سازنده ماشین‌آلات چاپ و انتقال حرارتی
ماشین‌سازی بارز روشن