در صنعت طراحی و ساخت قطعات پلیمری، ترک‌خوردگی و شکست ناگهانی، از جمله دلایل پرتکرار برگشت محصول، نارضایتی مشتری و حتی توقف تولید محسوب می‌شوند. نکته قابل‌توجه اینجاست که بسیاری از این شکست‌ها نه به کیفیت پایین مواد یا مشکلات خط تولید، بلکه به اشتباهاتی رایج در طراحی و ماشین کاری بازمی‌گردند. اشتباهاتی که در اغلب موارد ناشی از درک ناکامل رفتار مهندسی پلیمرهاست؛ رفتاری که با مواد سنتی مثل فلزات تفاوت‌های جدی دارد. در ادامه به بررسی ۵ خطای مهم و رایج در طراحی و ماشین‌کاری قطعات پلیمری می‌پردازیم و نشان می‌دهیم چگونه با اصلاح این موارد، می‌توان دوام و عملکرد قطعات را به شکل چشمگیری بهبود داد.
تنش باقی‌مانده (Residual Stress) – دشمن خاموش قطعات پلیمری
تنش باقی‌مانده یکی از عوامل پنهان اما بسیار تأثیرگذار در شکست قطعات پلیمری است. زمانی‌که فرآیند ماشین کاری به‌درستی انجام نشود، یا از ابزار و پارامترهای نادرست استفاده گردد، تنش‌هایی درون قطعه ایجاد می‌شود که در ابتدا قابل‌مشاهده نیستند، اما با گذشت زمان، تحت تأثیر بارهای مکانیکی یا تغییرات دمایی، به ترک‌خوردگی یا شکست کامل منجر می‌شوند. این پدیده به‌ویژه در پلیمرهایی مانند پلی‌کربنات یا ورق پلی‌اتیلن سنگین بیشتر دیده می‌شود، چرا که حساسیت بالاتری نسبت به گرمای موضعی یا تغییر شکل دارند.
برای پیشگیری از بروز این تنش‌ها، لازم است فرآیند ماشین‌کاری به‌صورت دقیق و بر اساس ویژگی‌های خاص هر نوع پلیمر طراحی شود. استفاده از اینسرت تراشکاری تیز و ابزارهایی با زاویه مناسب، انتخاب سرعت برش و نرخ تغذیه مطابق با مشخصات مکانیکی پلیمر، و اعمال خنک‌کاری مؤثر، از جمله اقداماتی هستند که می‌توانند به‌طور چشمگیری از ایجاد تنش پسماند جلوگیری کنند. همچنین در مورد پلیمرهای حساس یا قطعاتی که تحت بار طولانی‌مدت قرار می‌گیرند، انجام فرآیند آنیلینگ پس از ماشین‌کاری برای کاهش تنش داخلی توصیه می‌شود.
رطوبت‌گیری ناکافی قبل از ماشین کاری
بسیاری از پلیمرها به‌ویژه میلگرد پلی‌آمید PA، دارای ساختاری هستند که امکان جذب رطوبت از محیط را دارند. این ویژگی به‌طور مستقیم بر عملکرد و پایداری ابعادی قطعه تأثیر می‌گذارد. زمانی که قطعه‌ای رطوبت جذب کرده باشد و سپس ماشین‌کاری شود، پس از تبخیر طبیعی یا مصنوعی رطوبت، ممکن است تغییر ابعاد، انحراف از تلرانس‌ها و حتی ترک‌خوردگی در سطوح داخلی اتفاق بیفتد. این پدیده در نگاه اول قابل تشخیص نیست، اما در کاربردهای دقیق یا مونتاژ قطعات، خود را به شکل عدم تطابق یا گسیختگی زودهنگام نشان می‌دهد.
برای جلوگیری از چنین مشکلاتی، لازم است قبل از ماشین‌کاری، قطعات پلیمری در محیط کنترل‌شده خشک شوند. این کار با استفاده از آون صنعتی و بر اساس زمان و دمای توصیه‌شده توسط تولیدکننده مواد انجام می‌شود. همچنین ذخیره‌سازی مواد در شرایط مناسب، استفاده از کیسه‌های ضد رطوبت، و بررسی درصد رطوبت داخلی با ابزار دقیق (مانند هیگرومتر) قبل از آغاز ماشین‌کاری از جمله اقداماتی هستند که به حفظ پایداری و عملکرد مکانیکی قطعه کمک می‌کنند.
طراحی زوایای تیز بدون در نظر گرفتن شعاع داخلی مناسب
یکی از اشتباهات بسیار رایج در طراحی قطعات پلیمری، به‌کارگیری زوایای تیز یا گوشه‌های بدون شعاع داخلی است. درحالی‌که چنین طراحی‌هایی در فلزات ممکن است مشکلی ایجاد نکند، در پلیمرها به‌دلیل ماهیت نرم‌تر و ساختار مولکولی متفاوت، باعث تمرکز تنش می‌شود. این تمرکز تنش در نقاط تیز، به‌خصوص تحت بار یا تغییرات دمایی، زمینه‌ساز ترک‌خوردگی تدریجی یا ناگهانی خواهد بود.
برای رفع این مشکل، طراح باید در تمامی زوایا و گوشه‌های قطعه، شعاع داخلی متناسب با ضخامت دیواره‌ها لحاظ کند. شعاع‌هایی در حدود ۱.۵ تا ۲ برابر ضخامت معمولاً عملکرد مناسبی دارند و تنش را در محل تقسیم می‌کنند. در عین حال، استفاده از نرم‌افزارهای تحلیل تنش مانند FEA کمک می‌کند تا نقاط بحرانی طراحی پیش از تولید شناسایی و اصلاح شوند. رعایت این اصول ساده اما حیاتی می‌تواند به‌طور مستقیم از ترک‌خوردگی و آسیب‌های عملکردی جلوگیری کند.
انتخاب نامناسب نوع پلیمر برای کاربرد موردنظر
یکی دیگر از دلایل اصلی شکست قطعات پلیمری، انتخاب نادرست ماده اولیه برای شرایط عملکردی آن است. هر پلیمر ویژگی‌های خاصی دارد؛ از استحکام مکانیکی و مقاومت شیمیایی گرفته تا مقاومت پلیمر در برابر UV. بسیاری از طراحان به‌اشتباه تصور می‌کنند که می‌توان از هر پلیمر در هر کاربردی استفاده کرد، درحالی‌که واقعیت مهندسی خلاف این است. به‌عنوان‌مثال، استفاده از پلی‌پروپیلن در محیط‌هایی با دمای بالا یا تماس دائمی با روغن صنعتی، یا انتخاب پلی‌کربنات برای قطعات تحت فشار مکانیکی بالا، از جمله اشتباهاتی هستند که به ترک‌خوردگی و شکست منتهی می‌شوند.
در فرآیند طراحی، باید خواص عملکردی موردنیاز به‌دقت مشخص و با ویژگی‌های مکانیکی، حرارتی و شیمیایی پلیمرها مقایسه شود. استفاده از دیتاشیت‌های معتبر، انجام تست‌های شبیه‌سازی شرایط محیطی، و مشورت با تأمین‌کنندگان متخصص مواد پلیمری، به طراح کمک می‌کند تا انتخابی دقیق و آگاهانه داشته باشد. این رویکرد نه تنها دوام محصول را افزایش می‌دهد، بلکه از بروز هزینه‌های ثانویه در مرحله تولید یا بهره‌برداری جلوگیری می‌کند.
نبود چک‌لیست طراحی و بازبینی مهندسی پیش از تولید
در بسیاری از پروژه‌های طراحی قطعات پلیمری، زمان و بودجه محدود باعث می‌شود مرحله بازبینی و کنترل کیفیت طراحی به‌درستی انجام نشود. این موضوع باعث می‌شود طراحان، به‌ویژه در پروژه‌های پرتکرار، برخی مفروضات را بدیهی فرض کرده و از بررسی دقیق آن‌ها چشم‌پوشی کنند. نتیجه این سهل‌انگاری، ایجاد ایراداتی است که به‌سادگی می‌توانستند با یک چک‌لیست مهندسی استاندارد شناسایی و رفع شوند.
استفاده از یک چک‌لیست کامل که شامل بررسی نوع ماده، شعاع‌ها، ابعاد بحرانی، روش تولید، تلرانس‌ها، ماشین کاری، و حتی فرآیند نگهداری مواد باشد، باعث می‌شود احتمال بروز خطا به‌شدت کاهش یابد. اجرای جلسات Design Review با حضور افراد فنی از واحدهای مختلف (طراحی، تولید، کنترل کیفیت) و ثبت مستندات تصمیم‌گیری‌ها، روشی حرفه‌ای برای اطمینان از کیفیت نهایی محصول است. چک‌لیست نه تنها راهنمای طراحی است، بلکه سندی قابل رجوع در مواجهه با ایرادات بعدی خواهد بود.
نتیجه‌گیری: طراحی آگاهانه، کلید دوام قطعات پلیمری
قطعات پلیمری به‌ظاهر ساده‌اند، اما رفتار مکانیکی، حرارتی و شیمیایی پیچیده‌ای دارند. عدم شناخت این ویژگی‌ها و طراحی بدون توجه به اصول خاص پلیمر، مستقیماً منجر به ترک‌خوردگی، شکست عملکردی و بازگشت محصول خواهد شد. با اصلاح پنج مورد اشاره‌شده در این مقاله، می‌توان از بسیاری از این مشکلات پیشگیری کرد و سطح اطمینان طراحی را به‌طور چشمگیری افزایش داد.
