Pobierz Rozwój sposobów chłodzenia form wtryskowych i więcej Schematy w PDF z Inżynieria tylko na Docsity!
R
ozwój technik wytwarzania i znaczącej roli przetwór- stwa tworzyw sztucznych powoduje konieczność ana- liz możliwości rozwoju tej dziedziny. Przedsiębiorstwa chcąc zachować konkurencyjność, a tym samym wyjść naprzeciw tendencji ciągłego doskonalenia, zobowiązane są do szerszego spojrzenia na ten problem. Jako dziedzina wytwarza- nia, przetwórstwo tworzyw sztucznych, charakteryzuje się wyso- ką wydajnością, możliwością otrzymywania wyrobów o niemal dowolnych kształtach, a gdy proces ten jest właściwie stero- wany, wypraski mogą odznaczać się wysoką jakością wykona- nia – określenie to dotyczy wielu różnych cech jak: właściwości mechaniczne, cieplne, optyczne, obejmując tak samo charak- terystykę strukturalną. W szczególności proces wtryskiwania tworzyw stosowany jest w praktycznie każdej gałęzi przemysłu, począwszy od artykułów gospodarstwa domowego, branży auto- motive, a na zaopatrzeniu sprzętu medycznego kończąc.
ELEMENTY SKŁADOWE PROCESU WTRYSKIWANIA Proces wtryskiwania w ujęciu ogólnym charakteryzuje się rów- nowagą, przy czym wszystkie jego składowe są współzależne. Zmiana jednego z czynników składowych powoduje powstanie nowych warunków wytwarzania. Regulacja oraz sposób organizacji procesu wtryskiwania pole- ga na uzyskaniu i utrzymaniu stabilnego układu, w którym czyn- niki przedstawione na rysunku 1, spowodują, że wytwarzane wy- praski odznaczają się umowną, wymaganą jakością. Stabilność całego procesu ma przyczyniać się do zachowania powtarzalno- ści, co również w dużym stopniu przekłada się na właściwości wyrobów [8]. W zależności od potrzeb użytkownika, firmy oferujące urządze- nia dostosowują je, tworząc konfiguracje różniące się rozwiąza- niami konstrukcyjnymi, co z kolei przekłada się na odmienne systemy sterowania oraz rodzaje wykorzystanego napędu. Nie- zależnie od przeznaczenia i wymagań postawionych co do kon- strukcji, wykonania, istnieją pewne zespoły funkcjonalne, które występują w każdej wtryskarce. Obecne wtryskarki wyposażone są w system mikroprocesoro- wego sterowania elektronicznego co pozwala na [8]: l cyfrowe nastawy i zapis parametrów procesu, sterowane bez- pośrednio z poziomu monitora; l możliwość zmian parametrów maszyny w funkcji czasu, miej- sca oraz drogi; l badanie oraz rejestrację odchyłek pomiędzy wartościami zada- nymi, a rzeczywistymi;
l adaptację poprzez dobór temperatury do zmian w funkcji cza- su – w przypadku przerwy w pracy; l optymalizację parametrów wejścia przez stosowanie nowych systemów komputerowych.
FORMA WTRYSKOWA Wszystkie funkcje oraz zadane parametry wtryskarki są przy- porządkowywane działaniu formy wtryskowej. Jej zadaniem jest ukształtowanie geometrii wyrobu, ale również zapewnie- nie właściwej wewnętrznej budowy. Badania [4] wykazały, że próg 75% błędów związanych z wyrobem, kształtowany jest poprzez błędy popełnione w fazie projektowania wyrobu lub formy. Dokładność wykonania formy odpowiadająca 0,3–0, tolerancji wyrobu klasyfikuje formy wtryskowe jako narzędzia precyzyjne [8]. Każda pojedyncza forma wtryskowa jest traktowana jako pro- totyp wymagający przeprowadzenia prób oraz badań przed odbio- rem. Koszt formy jako części wykonanej w sposób uwarunkowany od założeń klienta, może niejednokrotnie przekraczać koszt zaku- pu wtryskarki. Należy zwrócić uwagę na konieczność przystoso- wania budowy wtryskarki do budowy formy lub rodzaju produkcji. Budowę formy przedstawiono na rys. 3. Niezależnie od założeń konstrukcyjnych wyrobu oraz jego budowy, każdą formę charak- teryzują dwa układy funkcjonalne. Mechaniczny warunkujący zdol-
Rozwój sposobów
chłodzenia form wtryskowych
Mateusz Sołtysik, Aleksander Moczała
W artykule przedstawiono doskonalenie procesu wtryskiwania, zaprezentowano innowacyjność technologiczną w postaci ukła- du chłodzenia z wykorzystaniem kanałów konformalnych, która uzyskiwana na drodze metody przyrostowej pozwala na poprawę jakości i czasu cyklu wtrysku. Efektami, płynącymi z przeprowadzonej analizy, będą walory jakościowe i wydajnościowe, a przy tym zostanie zwrócona uwaga na aspekty ekonomiczne.
Rys. 1. Składowe procesu oraz zależności pomiędzy nimi. Źródło: opracowanie własne na podstawie [8]
ność pracy formy jako narzędzia oraz technologiczny odpowiadają- cy w sposób bezpośredni za kształtowanie wyrobu [8, 9]. Zespoły mechaniczne formy [8,9]: l korpus – obudowa mająca za zadanie odbiór wszystkich obcią- żeń zewnętrznych i wewnętrznych, przy jednoczesnym zacho- waniu współosiowości stempli i matryc; l zespoły wypychaczy – jako ogół mechanizmów biorących udział w uwolnieniu wypraski z gniazda formującego. Stosowane jako wysuwane lub wykręcane; l napędy – wyróżnia się silniki, siłowniki niezależne od ruchów maszyny oraz cięgna, zaczepy, zderzaki jako zależne od ru- chów maszyny.
BILANS CIEPLNY FORMY Forma wtryskowa stanowi układ zamknięty, w którym ciepło jest dostarczane do wewnątrz przez temperaturę tworzywa i od- prowadzane na zewnątrz przez układ chłodzenia. Całość odbywa się w następującej kolejności [5,9]: l ciepło przepływa do ścian wypraski z całej objętości, l ciepło przepływa ze ścian wypraski na powierzchnię gniazda, proces zachodzi poprzez szczelinę powstałą w wyniku skurczu tworzywa, l ciepło przepływa w głąb formy, l ciepło przepływa z formy do ośrodka chłodzącego i równocze- śnie przepływa do zewnętrznej powierzchni formy, l ciepło zostaje odprowadzone na zewnątrz z chłodziwem. Bilans cieplny formy można przedstawić, posługując się wzo- rem (1): ∑ Q = Q (^) pl + Qw + QT + Qs = 0 (1) gdzie: Q (^) pl – ciepło dostarczone przez stopione tworzywo; Qw – ciepło pozostałe w wyprasce; QT – ciepło doprowadzone i od- prowadzone przez układ chłodzenia; Qs – ciepło doprowadzone i odprowadzone przez otoczenie.
Rys. 2. Podstawowe elementy konstrukcyjne formy wtryskowej wg [8]- oznaczono: 1 - tuleja wlewowa; 2 - kanał wlewowy; 3 - zaczep wlewka; 4 - przewężka; 5, 6, 7 - wstawki formujące matrycy; 8, 9 - wstawki formujące stempla; 10 - tuleja prowadząca; 11- kołek prowadzący; 12 - pierścień centrujący formę; 13 - płyta podpierająca; 14 - płyta mocująca; 15 - tuleje podpierające; 16 - zderzak; 17 - sprężyna powrotna zderzaka; 18- wypychacze; 19 - płyta wypychaczy; 20- płyta podpierająca wypychacze; 21 - wypychacz wlewka; 22-26 - kanały chłodzące
R E K L A M A
stemplowych oraz matrycowych o małej grubości wyfrezowa- nych kanałów może powodować obniżenie właściwości wytrzy- małościowych. Chłodzenie konformalne Opisane wcześniej metody chłodzenia form wtryskowych zali- czane są do tradycyjnych – konwencjonalnych metod, jednakże w dobie rozwoju technologii coraz większy rozgłos zyskuje za- gadnienie chłodzenia konformalnego [3, 5, 8, 10]. Możliwości technologii addytywnej spowodowały częstsze powstawanie układów chłodzenia opartych na kanałach konformalnych. Wy- korzystanie technologii przyrostowej pozwala na poprowadzenie kanałów blisko powierzchni formujących, będących jednocze- śnie dostosowanym do kształtu wypraski. Kolejnym aspektem jest możliwość zastosowania dowolnego kształtu takiego kana- łu, gdzie przekrój poprzeczny może przyjmować dowolne kształty, przyczyniające się do sprawniejszego odbioru ciepła wypraski. W obliczu rozrostu przetwórstwa tworzyw sztucznych coraz czę- ściej zastosowanie znajdują formy, które mają zagwarantować równomierne chłodzenie. Dowolną geometrię kanałów konfor- malnych można zrealizować wykorzystując technologię napawa- nia, gdzie wiązka lasera poprowadzona po metalicznym prosz- ku powoduje jego stopienie. W metodzie DMLS ( Direct Metal Laser Sintering ) wkładka formująca jest budowana warstwowo, a promień lasera jest skupiany tylko na tych miejscach, które mają zostać połączone z wcześniejszą warstwą [2]. Zastoso- wanie chłodzenia konformalnego przyczynia się do znacznego skrócenia czasu cyklu przez intensyfikację chłodzenia w całej objętości wypraski. Dodatkowo pozwala na zmniejszenie defor- macji wyprasek przez dynamiczny i równomierny odbiór ciepła, a tym samym pozwala na wyższą precyzję w kontroli tempera-
Rys. 6. Konformalny układ chłodzenia w odniesieniu do konwencjonalnego [10]
Rys. 8. Zestawienie map zniekształceń przykładowych wyprasek dla chłodzenia wg [3]: A – chłodzenie konformalne, czas cyklu 7,90 s; zniekształcenie 0,22 mm B – chłodzenie konwencjonalne, czas cyklu 20,86 s; zniekształcenie 0,24 mm C – chłodzenie konwencjonalne, czas cyklu 8,90 s; zniekształcenie 0,54 mm
tury formy. Przykład konformalnego układu chłodzenia został przedstawiony na rysunku 6 [6, 10] oraz efekty zastosowania na rysunku 7. Konformalny układ chłodzenia zakłada poprowadzenie kana- łów układu chłodzenia w stałej odległości, tak aby zapewniał równomierność chłodzenia. Warto zaznaczyć również, iż przepro- wadzona symulacja jest przewidziana dla ponad 20-sekundowe- go czasu cyklu. Kluczem do zachowania powtarzalności wymiarowej jest za- chowanie powtarzalności skurczu, co wykazane zostało w pracy J. Gabor, J. Kovac [2]. Przedstawione dane na wykresie pozwalają na zaobserwowanie mniejszego zamrożenia naprężeń, co faktycznie powinno przekła- dać się na wartość skurczu, a tym samym na stopień deformacji wypraski. Aby mogła zostać przeprowadzona analiza porównawcza punkty pomiarów w obu przypadkach były takie same. Opierając się na badaniach J. Zhang, J Wang, J. Lin Q. Guo, K. Chen L. Ma [10], wykazano współzależność temperatury oraz skurczu wypraski. Autorzy [1, 3] proponują metodę symulacji procesu wtrysku i reakcji mechanicznej części z tworzywa sztucznego poprzez zintegrowanie Moldflow™ i Ansys™. W efekcie skurcz jako rodzaj naprężeń po- wstający podczas spadku temperatury, w określonych warunkach produkcyjnych może być kontrolowany, a jego ukierunkowanie może przełożyć się na polepszoną jakość wypraski, co również pokazano w pracy S. Kitayama, H. Miyakawa, M. Takano oraz S. Aiba [3]. Po- niżej zestawiono analizowaną mapę zniekształceń wypraski przed zastosowaniem układu z chłodzeniem konformalnym oraz po im- plementacji [3]. Analiza kosztów pokazuje, że wykonanie chłodzenia trady- cyjnego jest tańsze i nie wymaga stosowania zaawansowanej R E K L A M A
technologii przyrostowej. Poniżej przedstawiono wykres porów- nawczy obrazujący opłacalność danego wariantu w odniesieniu do obliczonego progu rentowności na analizowanym wybranym przykładzie [6]. Niższe koszty wytworzenia związane są również z krótszym czasem wykonania takiej formy w przeciwieństwie do innowacyj- nego wariantu z chłodzeniem konformalnym, gdzie koszty stałe obarczone są dużą sumą kosztów związaną z wykonawstwem i zastosowaniem chłodzenia konformalnego, którego z kolei krótszy czas cyklu powoduje, że końcowa opłacalność przedsię- wzięcia jest ściśle zależna od planu produkcyjnego oraz ilości zleceń, które mogą zostać zrealizowane szybciej [6].
PODSUMOWANIE W dobie rozwoju technik wytwarzania oraz bardziej znaczącej roli metod produkcji przyrostowej, coraz częściej realizowane są inwestycje w nowoczesne metody optymalizacji procesów wytwórczych, które mają zapewnić nie tylko lepsze parametry użytkowe produktów, ale mają także przyczyniać się do skróce- nia czasu ich wytworzenia i redukcji kosztów. Przeprowadzona analiza pozwoliła na przedstawienie tendencji rozwoju techniki chłodzenia form wtryskowych. Implementacja techniki przyrosto- wej, co zostało wykazane, może mieć pozytywny wpływ na polep- szenie jakości wypraski. Biorąc pod uwagę genezę powstawania deformacji, chcąc zmniejszyć negatywne działanie skurczu, ko- niecznym jest, aby zadbać o kontrolę nad rozkładem naprężeń, w taki sposób, aby analizowany rozkład był równomierny. Efekty te są możliwe właśnie poprzez optymalizację procesu chłodzenia wypraski, na co pozwala zastosowanie m.in. chłodzenia konfor- malnego. Poza zachowaniem walorów jakościowych produktów,
Rys. 7. Wykres skurczu dla chłodzenia konwencjonalnego i konformalnego [6]
Rys. 9. Wykres zależności progu rentowności od kosztów rozpatrywanych wariantów [6]
efektywne chłodzenie wpływa na kluczowy parametr wydajności procesu – czas cyklu. Analizowany przypadek wykorzystania in- nowacyjnego chłodzenia pozwolił na skrócenie czasu cyklu do około 37%.
LITERATURA [1] J. Fu, Y. Ma: Computer-aided engineering analysis for early-ejected plastic part, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2018) 98:2389–2399. [2] J. Gabor, J. Kovac: Analyzing the warpage in the injection molding using SLS tool inserts, AMST’02 Advanced Manufac- turing Systems and Technology: Proceedings of the Sixth International Conference, 2002 (pp.449-456). [3] S. Kitayama, H. Miyakawa, M. Takano, S. Aiba: Multi-ob- jective optimization of injection molding process parameters for short cycle time and warpage reduction using conformal cooling channel, The International Journal of Advanced Ma- nufacturing Technology (2017), 88:1735–1744, London. [4] M. Kompf: Durch Qualitet und Technologie zum Mehrwerter. Kunststoffe 11/2000. [5] P. Muszyński, K. Mrozek, P. Poszwa: Wybrane metody chło- dzenia form wtryskowych, Mechanik 2016, nr 8–9/2016. [6] M. Sołtysik: Kształtowanie procesów wytwarzania elemen- tów wykonanych z tworzyw sztucznych, Praca dyplomowa, Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej, Wydział Budowy Maszyn i Informatyki, Kierunek: Zarządzanie i Inżynieria Produkcji, 2019. [7] WITTMANN-GROUP - www.wittmann- group.com/uploads/ tx_wpsidebar/BFMOLD_en.pdf, 04.11.2019 r. [8] H. Zawistowski, S. Zięba: Ustawianie Procesu Wtrysku, Wydawnictwo PLASTECH, Warszawa 2015. [9] H. Zawistowski, D. Frenkler: Konstrukcja form wtryskowych do tworzyw termoplastycznych, Wydawnictwa Naukowo – Tech- niczne, Warszawa 1984. [10] J. Zhang, J. Wang, J. Lin, Q. Guo, K. Chen, L. Ma: Multiob- jective optimization of injection molding process parameters based on Opt LHD, EBFNN, and MOPSO, The International Jour- nal of Advanced Manufacturing Technology (2016) 85:2857–
inż. Mateusz Sołtysik dr inż. Aleksander Moczała Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej Wydział Budowy Maszyn i Informatyki Katedra Inżynierii Produkcji
