Siła zamykania
Istotny parametr w procesie wtrysku
Siła zamykania jest podstawowym parametrem w procesie wtrysku i ma istotne znaczenie dla przebiegu całego procesu. Wielkość siły zamykania jest często pierwszym parametrem branym pod uwagę przy wyborze, czy też zakupie nowej wtryskarki. Właściwe określenie i optymalizacja siły zamykania pozwala na przebieg procesu bez zakłóceń oraz zapewnia zużycie energii na optymalnym poziomie.
SIŁA ZAMYKANIA jest postrzegana w dwojaki sposób, z jednej strony jest to wartość charakteryzująca wielkość wtryskarki, a z drugiej ważny parametr procesu wtrysku. Siła zamykania wtryskarki ma duże znaczenie, gdy podejmowana jest decyzja o zakupie maszyny, jak również przy jej doborze do produkcji konkretnej wypraski. Podczas wdrażania nowej wypraski do produkcji należy wziąć pod uwagę różne czynniki wpływające na wartość siły zamykania. Obliczenie siły zamykania jest niezbędne do prawidłowego doboru wtryskarki i jej jednostki zamykania.
Z punktu widzenia procesu siła zamykania jest to suma sił działających na kolumny wtryskarki (rozciąganie) po zakończeniu zamykania, a przed rozpoczęciem procesu wtrysku. Siła zwierająca jest sumą sił działających na kolumny (rozciąganie) przy wtrysku tworzywa do formy. Siła rozwierająca zaś to wynik maksymalnego ciśnienia wewnątrz formy pomnożonego przez rzut powierzchni wypraski. Resztkowa siła zamykania jest różnicą pomiędzy siłą rozwierającą a zwierającą. Siła ta powinna być dodatnia, aby nie doszło do otwarcia formy. Maksymalna dostępna siła utrzymująca formę w stanie zamkniętym jest siłą zamykania wtryskarki.
Wg norm Euromap siła zamykania jest podawana w kN. W praktyce czyściej wyrażana w tonach, stąd można spotkać się także z określeniem tonaż maszyny. Siła zamykania jest jednym z najczęściej pomijanych parametrów procesu wtrysku. Wtryskarka wybrana do wtrysku określonej wypraski musi dysponować siłą zamykania z co najmniej 10-15% zapasem od wymaganej (obliczonej). Jeśli ciśnienie tworzywa jest za wysokie w odniesieniu do siły zamykania utrzymującej formę zamkniętą, forma otworzy się, a stop wypłynie w płaszczyźnie podziału tworząc wypływkę (grat). Pojawiająca się wypływka nie zawsze jest spowodowana za niską siłą zamykania lecz także za małą sztywnością formy (np. za cienkie płyty formujące i/lub podporowe, słabo podparte powierzchnie formujące i podatne na ugięcie).
Zdarzają się sytuacje, że siła zamykania jest ustawiona na maksymalną wartość lub blisko niej. Jest to poważny błąd i może prowadzić do uszkodzenia wtryskarki, powodować kłopoty z odpowietrzaniem formy bądź jej uszkodzenie, a także zwiększyć zużycie energii. Ustawiona siła zamykania powinna mieć wartość uzyskaną z obliczeń dla danej wypraski.
Gdy siła zamykania zostanie ustawiona za wysoka i pozostanie taka bez dalszej optymalizacji i krytyczne wymiary mieszczą się w zakresie tolerancji, ale są bliskie jednej z wartości granicznych, wówczas niektóre z nich mogą łatwo znaleźć się poza polem tolerancji.
Zmiana siły zamykania powoduje zmiany maksymalnej objętości wtrysku i ciśnienia w gnieździe, szybkości chłodzenia, a także wymiarów wyprasek. Często bywa tak, że w celu przywrócenia tolerancji wymiarów wprowadza się inne ustawienia różnych parametrów, bez korekty siły zamykania.
Za wysoka siła zamykania powoduje zatykanie odpowietrzeń, uszkodzeń powierzchni podziału, wstawek formujących, większego zużycia i mniejszej żywotności formy. Poza tym przyczynia się do większego zużycia energii i wyższych kosztów oraz skrócenia żywotności maszyny. To z kolei prowadzi do częstszych przestojów, napraw i strat finansowych dla wtryskowni.
Zbyt mała powierzchnia form i siła zamykania ustawiona w okolicy maksimum mogą prowadzić do trwałego odkształcenia, pęknięcia płyt mocujących lub innych uszkodzeń wtryskarki, np. ramy. Zaleca się dobierać formy do wtryskarki tak, aby w miarę możliwości ich wymiary miały ok. 70% lub więcej odległości między kolumnami. Niektórzy producenci wtryskarek podają w danych technicznych minimalne wymiary płyt form dla danej wielkości maszyny (rys. 2.).
Obliczanie siły zamykania
Obliczenie siły zamykania nie jest trywialne i wymaga uwzględnienia kilku czynników. Obecnie dla znacznej części wyprasek przeprowadzane są symulacje płynięcia tworzywa w formie, które pozwalają również obliczać precyzyjne wartość siły zamykania. Natomiast w innych przypadkach do obliczenia orientacyjnej wartości siły zamykania można skorzystać z formuły >>.
Obliczenie powierzchni rzutu wytrysku: Pierwszym zadaniem jest w miarę dokładne określenie powierzchni rzutu wypraski. Gdy dysponujemy dokumentacją CAD, zadanie jest ułatwione. W obliczeniach należy dodać powierzchnię zimnych kanałów (systemów GK nie uwzględnia się). W przypadku form piętrowych należy uwzględnić tylko rzut wyprasek z jednej płaszczyzny (w kolejnych płaszczyznach siły rozwierające wzajemnie znoszą się). Należy także uwzględniać powierzchnie formowane za pomocą suwaków skośnych. Natomiast nie uwzględnia się rdzeni i szczęk prostopadłych do osi zamykania formy.
Oszacowanie ciśnienia wewnątrz formy: Gdy forma jest wyposażona w czujnik ciśnienia zabudowany w formie (obecnie stosunkowo rzadko spotykane) mamy możliwość dokładnego obliczenia wymaganej siły zamykania. Przy oszacowaniu ciśnienia wewnątrz formy należy uwzględnić spadki ciśnienia zależnie od rodzaju wypraski. Dla uzyskania dobrze wypełnionej wypraski ciśnienie na końcu drogi płynięcia powinno być na poziomie 150-200 barów, a dla wyprasek cienkościennych ok. 300 barów (rys. 3 i 4).
Dla dokładniejszego określenia ciśnienia wewnątrz formy należy także wziąć pod uwagę inne czynniki, takie jak dane tworzywa tj. jego lepkość (wskaźnik szybkości płynięcia MFI/ MFR), obecność dodatków (włókna wzmacniające, środki uniepalniające i inne) geometria wypraski, tj. grubość ścianki (im cieńsza ścianka tym wyższe ciśnienie), długość drogi płynięcia, liczbę i wielkość (przekrój) przewężek oraz ich umiejscowienie na wyprasce, orientację wypraski w formie (różna wielkość rzutu powierzchni rys. 5), zastosowaną technikę wtrysku, np. wtrysk kaskadowy wymaga mniejszych ciśnień.
Dostępne dane techniczne nt. ciśnienia wewnątrz formy (w literaturze technicznej i dane producentów tworzyw (tabela 1) mają charakter orientacyjny i nie uwzględniają wszystkich istotnych czynników występujących w praktyce, które należy brać pod uwagę.
Optymalizacja siły zamykania
Zasadniczym celem optymalizacji jest ustalenie siły zamykania najlepiej dostosowanej do wymagań dla danego procesu. Optymalizacja siły zamykania może być prowadzona np. przez stopniowe zmniejszanie ustawionej wartości zamykania na maszynie i obserwowanie zmiany masy wyprasek (wtrysku). Optymalna siła zamykania jest określana w punkcie, w którym waga wtrysku zaczyna wyraźnie rosnąć (rys. 6). Natomiast gdy siła zamykania jest ustawiona za nisko, jej korekta następuje natychmiast, ponieważ skutki są widoczne jako wypływki.
Innym sposobem optymalizacji siły zamykania przez jej zmniejszanie jest obserwacja oddychania (uchylenia) formy podczas wtrysku pod kątem występowania gratu (wypływki). Jest to nieco trudniejsze w realizacji i wymaga doświadczenia w interpretacji wyników. Wartości oddychania formy odczytujemy z czujników zamontowanych na formie (rys. 7). W większych formach wymagane jest zamontowanie kilku czujników. Dopuszczalne uchylenie formy zależy od wymagań jakościowych dla wypraski, wtryskiwanego tworzywa i wielkości maszyny (siły zamykania). Przy produkcji małych wyprasek technicznych oddychanie formy może wynosić ok. 0,01 mm, a dla większych wyprasek wynosi ok. 0,06 mm (tabela 2). Pojawienie się gratu na obserwowanej wyprasce wyznacza graniczną wartość siły zamykania.
Podsumowanie
Siła zamykania jest jednym z kluczowych parametrów, który ma istotny wpływ na cechy wyprasek jak wymiary czy masa. Jest to parametr bardzo często pomijany i niedoceniany w działaniach optymalizacyjnych. Optymalizacja siły zamykania może przynieść korzystny wpływ na jakość wyprasek (zmniejszenia ilości wad) oraz wymierne korzyści finansowe wynikające z oszczędności energii, wydłużenia żywotności maszyn i form. Jeśli wtryskarka dysponuje opcją pomiaru zużycia energii, rezultaty obniżenia siły zamykania będą widoczne natychmiast. Potrzeba optymalizacji nie zawsze jest od razu widoczna. Zwłaszcza że negatywne skutki są rozłożone w dłuższym przedziale czasowym. Poza tym nie zawsze zostają one przypisane negatywnemu oddziaływaniu zwiększonej siły zamykania.
Andrzej Zwierzyński
Literatura:
1. Johannaber F. Michaeli W., Handbuch Spritzgießen. Carl Hanser Verlag, München, Wien 2002
2. Johannaber F., Wtryskarki., Poradnik użytkownika, Plastech, Warszawa
3. Zawistowski H. Zięba S.,Ustawianie procesu wtryskiwania tworzyw termoplastycznych, Plastech 2015
4. Kulkarni S., Robust Process Development and Scientific Molding, Carl Hanser Verlag, Munich 2017
5. Bichler M., Processgrößen beim Spritzgießen, Hüthig Verlag, 2001
6. Spritzgiessen. Kurz und bündig. Materiały techniczne f-my, Sumitomo(SHI) Demag, Wiehe, Schwaig
7. Stitz S. Keller W., Spritzgießtechnik .Verarbeitung-Maschine-Peripherie, Hanser, München 2001
8. Zwierzyński A., Efektywne wykorzystanie wtryskarek, PlastNews 3/2012
9. Zwierzyński A., Kryteria technologiczne procesu wtryskiwania zróżnicowanych grup wyrobów, PlastNews 2/2009
