Przyczyny zużywania się układów uplastyczniających

Prezentujemy artykuł nadesłany przez Witolda Drożdża z firmy PMT SA.

Skutki zużycia lub uszkodzenia układu plastyfikacji zna dobrze większość użytkowników wtryskarek. Natomiast wiedza o "życiu wewnętrznym" cylindra jest mało rozpowszechniona. Niniejsze opracowanie ma na celu przybliżenie zależności w obszarze tworzywo-stal-parametry pracy układu plastyfikacji w celu zmniejszenia kosztów eksploatacji wtryskarki.

Zużywanie się elementów układów uplastyczniania zależy od następujących czynników:
1. przetwarzanych tworzyw
2. stali z których wykonany jest układ
3. geometrii ślimaka i końcówki
4. parametrów przetwórstwa.

Przyczyna 1 - Przetwarzane tworzywa

Niektóre rodzaje tworzyw lub dodatków mogą powodować szybką korozję i erozję układu uplastyczniania. Twarde wypełniacze, jak włókno szklane, kulki szklane, pigmenty nieorganiczne (TiO2 czy Cr2O3), są twardsze niż stal, przez co mają silnie erozyjne działanie, w zależności od parametrów pracy. Duże znaczenie ma też połączenie polimeru z włóknem szklanym. Przykładowo PA6.6 z włóknem szklanym powoduje kilkukrotnie silniejszą erozję niż np. PA6 + ws lub PBT+ ws.

Zużycie jest szczególnie intensywne, gdy tarcie polega na działaniu nieroztopionych granulek na elementy układu uplastyczniania. Dodatki te są dużo mniej szkodliwe i ich działanie jest słabsze, gdy tworzywo jest dobrze roztopione. Mniej szkodliwym dodatkiem jest talk i napełniacze kredowe, które wbrew pozorom w normalnych parametrach pracy nie są groźne. Korozję mogą spowodować także dodatki do tworzywa (np. uniepalniające) lub składniki niektórych barwników. Najczęściej są one nieszkodliwe, jeżeli nie ulegną degradacji.

Zawartość wilgoci i oddziaływanie resztek kwasowych lub produktów rozkładu
Tego typu działanie jest szczególnie częste przy tworzywach technicznych. Produkty degradacji np. PA czy POM mają działanie silnie korozyjne. Należy zwrócić tu uwagę, że do zupełnego zniszczenia np. ślimaka często wystarczy bardzo mała ilość produktów degradacji. Jakość tworzywa i wypraski są wtedy pozornie niepogorszone, a skutki degradacji niewidoczne.

Klasycznym przykładem jest też twarde PVC, które w określonych warunkach może wydzielać HCl. Chlorowodór w połączeniu z wilgocią powoduje powstanie kwasu solnego, który atakuje prawie wszystkie stale, łącznie (przy długotrwałym działaniu) z kwasoodpornymi. Podobnie jest z produktami degradacji PA, które są bardzo reaktywne. Innym przykładem może być pozornie nieszkodliwy ABS, który w wyniku degradacji (ścinanie lub przegrzanie) powoduje korozję stali azotowanej. To samo tworzywo przetwarzane w optymalnych warunkach nie powoduje żadnego zagrożenia.

Wysokie temperatury przetwórstwa
Temperatury powyżej 350 st. C mogą powodować odpuszczenie cieplne niektórych rodzajów stali. W wysokich temperaturach działanie wszelkich związków chemicznych powodujących korozję jest też bardziej intensywne. Dotyczy to szczególnie poliamidów.

Stosowanie regranulatu w różnej postaci
Stosowanie przemiałów powoduje przyspieszone zużywanie układu, szczególnie w strefie zasypu. Spowodowane jest to mieleniem nieregularnych kawałków tworzywa przez zwoje ślimaka, co daje w efekcie duże obciążenie mechaniczne i erozję zwojów.

Innym aspektem stosowania przemiałów jest ich niejednorodność. Frakcje lżejsze w postaci proszku uplastyczniają się za szybko, często tuż za zasypem. Większe kawałki długo pozostając ciałem stałym blokują strefę sprężania i utrudniają przepływ tworzywa przez ślimak. Często też tworzywo przylepia się do za wcześnie roztopionego proszku tworząc złogi i stagnację tworzywa. Zalegające złogi mogą z czasem powodować korozję rdzenia ślimaka. W przypadku oderwania się złogu może blokować on przepływ tworzywa przez ślimak i powodować nieregularne dozowanie.

Adhezja stygnącego stopu do stali
W przypadku, gdy np. PC zastygnie na ślimaku, bardzo mocno przykleja się do jego powierzchni. Jeżeli ślimak jest azotowany, przy ponownym uruchomieniu wtryskarki tworzywo to, odklejając się od ślimaka, wyrywa warstwę azotowaną (przy przetwórstwie PC konieczne jest zawsze przeczyszczenie cylindra po pracy innym tworzywem). Podobne w działaniu są niektóre odmiany PET i POM.

Przyczyna 2 - Stale, z których wykonane są elementy układu

Stale do azotowania
Większość układów wykonana jest ze stali azotowanej, co w przypadku przetwórstwa przeważającej ilości tworzyw jest wystarczające. Praktycznie prawie każdą stal można w odpowiednich warunkach zaazotować. Odporność na zużycie w normalnych warunkach pracy układu przy zastosowaniu zwykłych tworzyw daje jednak tylko azotowanie głębokie - minimum 0,5-0,6 mm. Cienkie warstwy azotowane (np. 0,1 mm) mogą spełniać swoje zadanie, tylko jeżeli położone są na specjalnym materiale. Inaczej mogą pękać lub odpadać ze względu na słabe związanie z podłożem. Zwykła stal doazotowana nie jest odporna na korozję. Przy przetwórstwie tworzyw technicznych, w skrajnych parametrach pracy, układ azotowany wystarczy na kilka dni lub tygodni.

Specjalne układy odporne na ścieranie i korozję są zwykle dużo droższe, jednak gwarantują żywotność równą kilku zespołom azotowanym.

Stale do hartowania i stellity
Ślimaki odporne na ścieranie i korozję wykonuje się przede wszystkim z różnego rodzaju stali hartowanych. Odporność na zużycie nie wynika jednak tylko z twardości.Praktyka pokazuje, że najbardziej odporne na działanie dodatków mineralnych nie są ślimaki najtwardsze, ale te, których stal jest "śliska", przy czym niekoniecznie musi być ona bardzo twarda. Przy większych średnicach (i - co za tym idzie - długościach) hartowanie jest bardzo trudne lub nieopłacalne. Praktycznie jedynym rozwiązaniem sprawdzonym w praktyce jest wykonanie ślimaka ze stali azotowanej (najlepiej o wysokiej zawartości Cr) i opancerzenie zwojów materiałem specjalnym.

Najlepsze efekty daje napawanie zwojów metodą TIG. Napawanie zwojów proszkami niesie duże ryzyko wykruszania się materiału. Proszki dają warstwę twardszą i dlatego wiele firm je stosuje. Jednak w praktyce ślimak napawany zwykłym stellitem 12 o twardości zaledwie ok. 48 HRC, w optymalnych warunkach przetwórstwa pracuje dłużej. Poważną wadą ślimaków napawanych jest niska odporność rdzenia. Niestety przy większych rozmiarach nie ma alternatywy. Istnieją inne rozwiązania uodparniania większych ślimaków na ścieranie i korozję, jednak metody te słabo zdają egzamin w praktyce lub są za drogie i stosowanie ich jest nieopłacalne.

Niekiedy stosuje się dodatkowe nałożenie na ślimak powłoki Cr lub z azotków chromu lub tytanu, jednak praktyka dowodzi, że są to mało skuteczne rozwiązania. Chrom zwiększa odporność na korozję, niemniej jednak w przypadku mechanicznego uszkodzenia powłoki korozja postępuje w tempie przyspieszonym, powodując odpadanie powłoki w miejscu uszkodzenia. Warstwa azotków jest bardzo cienka i zazwyczaj szybko pęka w wyniku rozszerzalności cieplnej podłoża, w wyniku czego odpada. Skutecznym rozwiązaniem jest pokrycie ślimaka węglikiem wolframu pod warunkiem, że grubość warstwy wyniesie nie mniej niż 0,1 mm. Skuteczne są ślimaki wykonane z bi-metalu (tj. rdzeń miękki, powłoka części roboczej ze spieków). Ich koszt jest jednak za wysoki, a żywotność porównywalna do elementów hartowanych.

Na rynku istnieją firmy, które oferują ślimaki specjalnie utwardzone w strefie narażonej na takie zużycie. Metoda ta faktycznie ogranicza zużywanie się zwojów, natomiast zużycie przenosi się na cylinder. Utwardzenie cylindra oznacza z kolei powrót do stanu wyjściowego, gdyż znowu trą o siebie elementy o jednakowej twardości.

Dobrze zaprojektowany układ plastyfikacji, oprócz odporności na zużycie i właściwej geometrii, powinien zużywać się w sposób nie zwiększający dodatkowo kosztów. Kolejność zużywania się powinna być następująca: końcówka ślimaka (najtańszy element, łatwy w wymianie), ślimak, na końcu cylinder jako najdroższy element. Niektóre firmy produkujące układy nie są tego świadome, w wyniku czego użytkownik otrzymuje np. wyjątkowo twardą końcówkę ślimaka, która zużywa się wyjątkowo powoli, ale za to wyciera cylinder warty 10 razy więcej.

Istnieją też rozwiązania polegające na zastosowaniu elementów ceramicznych. Najczęstsze jest stosowanie wstawek ze spieków do skrzydełek grota końcówki ślimaka. Jest to rozwiązanie skuteczne, z tym że tylko do momentu gdy wstawka nie wykruszy się (wstawki ceramiczne mają wysoką twardość, ale są kruche). Ślimaki z powłokami ceramicznymi istnieją, ale jest ich na tyle mało, że nie można dokonać ich oceny. Natomiast typowe ślimaki bi-metaliczne, oprócz tego, że są drogie, działają do momentu pierwszego pęknięcia warstwy bi-metalu, potem zaś zużycie następuje lawinowo. Z doświadczenia wynika, że z wyjątkiem specjalnych zastosowań (gdzie potrzeba wysokiej odporności na korozję i obklejanie tworzywem) ich żywotność może być nawet niższa od standardowych rozwiązań. Zamiast pracować nad wzrostem twardości, dużo lepiej jest opracować taką geometrię, która osłabia czynniki powodujące zużycie.

Kompozycje bi-metaliczne
Najpopularniejszym rozwiązaniem uodparniającym cylinder jest zastosowanie bi-metalu. Element ten wykonywany jest metodą odlewania odśrodkowego, dzięki czemu w otworze na ślimak osadza się twarda warstwa grubości ok. 2 mm. Cylindry typu bi-metal są odporne na działanie włókien szklanych, trochę gorzej jest z odpornością na korozję. Najsłabszą stroną cylindrów typu bi-metal jest niska odporność na wysokie ciśnienia i za mocne dokręcanie głowicy. Twarda warstwa ma przeważnie grubość 1,5–2 mm, pod nią jest materiał miękki. W przypadku wysokich ciśnień twarda warstwa pęka i następnie odpada (najczęściej na styku cylindra z głowicą). Takie same uszkodzenia powstają w wyniku niewłaściwego montażu głowicy cylindra.

Nowocześniejszym rozwiązaniem jest cylinder typu tri-metal. Niestety jest niewykonalny w większych średnicach. On jednak też może zostać uszkodzony w przypadku wysokich ciśnień. Jednak ze względu na to, że grubość twardej powłoki wewnętrznej wynosi tu 10 mm lub więcej, cylinder ten wytrzymuje znacznie wyższe ciśnienie niż bi-metal.

Przyczyna 3 - Geometria ślimaka i końcówki

Geometria ślimaka często jest niedostosowana do przetwarzanego tworzywa lub procesu technologicznego. Konkretnie chodzi o długość roboczą ślimaka, stopień sprężania, ilość, długość i rozlokowanie poszczególnych stref, a także o elementy dodatkowe (np. strefa intensywnego mieszania). Stosowanie ślimaka o niewłaściwej geometrii może powodować degradację tworzywa lub nawet uniemożliwić pracę.

W przetwórstwie metodą wtrysku najczęściej stosuje się ślimaki o geometrii trzystrefowej uniwersalnej, dostarczone przez producenta razem z wtryskarką. Przy niektórych tworzywach technicznych stosowanie takiej geometrii może doprowadzić do przedwczesnego zużycia układu. Jest to spowodowane tym, że tworzywa, szczególnie częściowo krystaliczne, topią się dalej od otworu zasypu, jak również są mniej ściśliwe. Specyficznym zjawiskiem jest też odchylanie się ślimaka od osi w wyniku miejscowego obciążenia mechanicznego przez nieroztopione jeszcze granulki, co powoduje tarcie o cylinder. Przyczyną może być np. za wysoki stopień sprężania lub też strefa sprężania umieszczona jest za blisko otworu zasypu. Dlatego też w ślimakach do tworzyw krystalicznych strefa sprężania powinna być przesunięta dalej, w celu uniknięcia zjawiska sprężania nieuplastycznionych granulek, a samo sprężanie powinno być słabsze niż w ślimakach uniwersalnych. Warto zwrócić na to uwagę i np. przy wymianie ślimaków zamówić nowy o geometrii dostosowanej do tworzywa.

Najbardziej obrazowym przypadkiem jest przetwórstwo twardego PVC na zwykłym ślimaku do termoplastów. W wyniku niedostosowania geometrii do tworzywa następuje częściowy rozkład i wydzielanie się chlorowodoru z opisanymi wcześniej skutkami. Jeżeli ślimak posiada strefę mieszającą, należy uwzględnić, że w tym miejscu tworzywo jest najbardziej narażone na ścinanie, jak również przegrzanie. Podobne ryzyko występuje także przy stosowaniu ślimaków barierowych, gdzie występuje większe ścinanie tworzywa niż w ślimaku klasycznym (tzn. to samo ścinanie co w ślimaku konwencjonalnym i ścinanie dodatkowe powstałe w wyniku przejścia przez zwój będący barierą).

Jeżeli tylko jest to możliwe, zamiast stosowania ślimaka z elementem mieszającym lepiej zastosować ślimak wydłużony (np. więcej niż 25D). Efekt w większości przypadków jest praktycznie ten sam, a możliwości degradacji tworzywa mniejsze. Nie powinno się też w ogóle stosować stref intensywnego mieszania w przetwórstwie tworzyw technicznych.

Złe rozwiązanie konstrukcji końcówki ślimaka
Najważniejsze elementy konstrukcji końcówki to pole przekroju przepływu (musi być dostosowane do wydatku ślimaka) i skok zamknięcia. Za mały przepływ (poniżej 80% przepływu przez ostatni zwój na ślimaku) może utrudniać zamykanie i powodować degradację tworzywa przez ścinanie. Z kolei za duży przepływ może powodować nierównomierne zamykanie zaworu zwrotnego, szczególnie przy dużych średnicach. Skok zamknięcia również musi być zrównoważony. Za duży opóźnia zamknięcie, za mały powoduje ścinanie i wzrost ciśnienia zakłócający zamykanie. Znane są przypadki, że niektóre geometrie końcówek uniemożliwiają poprawne zamykanie lub też powodują powstawanie wysokiego ciśnienia tworzywa przed pierścieniem zamykającym. Końcówka wówczas zużywa się mechanicznie w wyniku tarcia pierścienia o skrzydełka grota. Nie istnieje jednak żadne rozwiązanie uniwersalne nadające się do wszystkich rodzajów pracy i tworzyw, pomimo że istnieją dziesiątki różnych konstrukcji końcówek ślimaka.

Przyczyna 4 - Parametry przetwórstwa

Ustawienie parametrów maszyny jest determinowane w pierwszej kolejności rodzajem produktu i tworzywa, z którego jest on wykonany. Często wiadomo, że praca przy parametrach, optymalnych z punktu widzenia wydajności produkcji, doprowadzi do szybkiego zużycia układu, ale nie ma innego wyboru.

Przy przetwórstwie metodą wtrysku należy zwracać uwagę na:

• Obroty ślimaka - im wyższe, tym ścinanie tworzywa jest większe. Ponadto skraca się czas uplastyczniania. Jeżeli tworzywo nie zdąży się roztopić przed strefą sprężania, częściowo roztopiony
  granulat zaczyna zalegać przed tą strefą, a nierównomierny nacisk na oś ślimaka powoduje erozję zwojów. Dodatkowo mogą wystąpić problemy z powtarzalnym zamykaniem się zaworu zwrotnego. Podobny efekt występuje w wyniku pracy na za niskich temperaturach. Do przetopienia granulatu, oprócz odpowiedniej ilości ciepła potrzebny jest też czas, a on z kolei zależy właśnie od obrotów ślimaka. Źle dobrane obroty to najczęstsza przyczyna przedwczesnego zużycia przy przetwórstwie wszystkich tworzyw. Generalnie zaleca się takie ustawienie, aby prędkość liniowa nie przekraczała 12 m/min. Przy ślimakach dłuższych lub o mniejszym sprężaniu dopuszczalne jest 15 m/min. Wyższe prędkości wymagają specjalnego dostosowania geometrii ślimaka.
• Objętość wtryskiwanego tworzywa - w miarę wzrostu wtryskiwanej objętości ślimak musi się bardziej wycofywać – droga uplastyczniania się skraca, występuje efekt, jak podany wyżej.
• Przeciwciśnienie - im większe, tym wyższe muszą być obroty ślimaka. Ponadto wysokie przeciwciśnienie powoduje silny docisk pierścienia zamykającego do skrzydełek iglicy powodując ich ścieranie. Ubocznym efektem może też być brak powtarzalności zamykania się zaworu.
• Temperatura - należy tak ustawić profil temperatur na cylindrze, aby tworzywo przy określonych obrotach ślimaka przechodziło w stan ciekły w odpowiednim miejscu (tzn. odpowiadającym strefie sprężania na ślimaku) i jednocześnie nie uległo degradacji termicznej. Jest to szczególnie ważne przy przetwórstwie tworzyw częściowo krystalicznych, które wymagają większej ilości ciepła. Pamiętać przy tym należy że temperatury na cylindrze a temperatura masy tworzywa na ślimaku to nie to samo. Dlatego niekiedy można nastawiać wyższe temperatury od zalecanych przez dostawcę granulatu. Należy pamiętać, że ciepło potrzebne do przejścia tworzywa w stan ciekły pochodzi w większości od ścinania, a ok. w 30-40% od grzałek. Brak ciepła z grzałek może być zastąpiony tarciem, z tym że towarzyszy temu za duże ścinanie z wiadomymi skutkami. Innym aspektem pracy w za niskich temperaturach jest za duża lepkość tworzywa i związany z tym mechaniczny opór. Efektem jest wytarcie się zwojów lub nawet ukręcenie się ślimaka jak również wytarcie skrzydełek końcówki po pewnym czasie pracy.

Z praktyki wynika, że w większości firm tworzywa są przetwarzane w za niskich temperaturach i do tego przy za wysokich obrotach ślimaka. Jest to główna przyczyna coraz większego zapotrzebowania na nowe układy uplastyczniania i regeneracje.

Powyższe zalecenia są szczególnie istotne przy przetwórstwie tworzyw technicznych tj. o budowie częściowo krystalicznej i z wypełniaczami mineralnymi.

Przedwczesne zużycie ślimaka spowodowane parametrami przetwórstwa można łatwo rozpoznać oglądając zużyty element. Jeżeli widoczne są prostopadłe do osi ślimaka bruzdy na wierzchołku zwoju lub też charakterystyczny "grzybek", oznacza to, że występuje jakiś czynnik, który powoduje odchylenie ślimaka od osi. Również przebarwienia powierzchni ślimaka (szczególnie w kolorze fioletowym) zaraz za zasypem świadczą o występowaniu "korka" – tworzywo nie może przesuwać się, stoi w miejscu i trze o obracający się ślimak. Dalszym etapem tego zjawiska jest erozja zwojów postępująca aż do ich całkowitego zaniku.

Patrząc na całokształt możliwych przyczyn zużywania się układów uplastyczniających od razu widać, że są one ze sobą powiązane. W przypadku stwierdzenia zbyt szybkiego zużycia należy w pierwszej kolejności ustalić jego przyczyny, aby nie było "powtórki z rozrywki". Warto także inwestować w dostosowanie układu do potrzeb przetwórstwa zarówno pod względem geometrii jak też zabezpieczenia przed ścieraniem i korozją. Efekt w postaci właściwej jakości produktu i bezawaryjnej pracy powoduje, że taka inwestycja zwraca się w niedługim czasie.