Jakość rzadko przychodzi sama

Świat formowania wtryskowego i jego standardy jakości znacząco zmieniły się w ciągu kilku ostatnich dziesięcioleci. Mimo iż w głowach niektórych przetwórców nadal uparcie utrzymują się różne dogmaty, istnieje jedna ogólna zasada: nie ma możliwości wykrywania i eliminowania braków wyprasek i jednocześnie kontroli i regulacji zmian procesu bez wykorzystywania czujników w gnieździe formy). Jest to warunek niezbędny dla niezawodnej, stabilnej i zautomatyzowanej produkcji.

Jednym z najczęstszych nieporozumień w przemyśle tworzyw sztucznych jest to, że jeśli mierzy się ciśnienie stopu w dyszy ślimaka, to można sobie poradzić bez rzekomo drogich czujników w formie. Takie podejście okazuje się jednak mało skuteczne pod wieloma względami. W przeciwieństwie do części formowanej w formie wtryskowej, stop tworzywa w dyszy ślimaka nigdy nie ochładza się podczas produkcji. Uniemożliwia to wyciągnięcie wniosków na temat jakości wypraski - np. jej zachowania podczas procesu skurczu.

Ponadto, w przypadku stosowania dysz zamykanych, ciśnienie stopu w dyszy ślimaka dostarcza informacji tylko tak długo, jak długo dysze te są otwarte. Poza tym, pomiar ciśnienia stopu w sposób naturalny nie pozwala na analizę przepływu stopu w formach wielogniazdowych lub w przypadku dużych elementów z wieloma punktami wtrysku.

Błędem o znacznie bardziej dalekosiężnych konsekwencjach jest "profil wtrysku". Od lat dziewięćdziesiątych wielokrotnie sugerowano, że proces przebiega poprawnie, jeśli profil ciśnienia w gnieździe zgadza się z określonymi wartościami odniesienia. W praktyce teoria ta często sprowadza się do kontroli maksymalnych wartości ciśnienia.

Po głębszym namyśle jest jednak oczywiste, że inny bilans temperaturowy - zarówno stopu, jak i na powierzchni formy - może prowadzić do zupełnie innych warunków. Mówiąc prościej, te same ciśnienia w gnieździe nie oznaczają, że wypraski są identyczne. Konsekwencją tego rozważania jest to, że te same ciśnienia w gnieździe w żadnym wypadku nie oznaczają tych samych odległości przepływu tworzywa w gnieździe. Balansowanie form wielogniazdowych w oparciu o określony próg ciśnienia powinno być zatem wykonywane ostrożnie.

Automatyczne rozpoznawanie frontu roztopionego tworzywa jest ...

Producenci wtryskarek i urządzeń do formowania wtryskowego od samego początku powtarzają jak mantrę, że jakość precyzji wypraski zależna jest od dokładności użytej wtryskarki.

Jest to o tyle niezwykłe, że zasada ta wydaje się zmieniać w ostatnich latach. Ponieważ Priamus System Technologies AG, z siedzibą w szwajcarskim, Schaffhausen jako producent systemów monitorowania i kontroli jakości realizował w ostatnich latach inną strategię [1], również pierwsi producenci wtryskarek zaczęli stosować podobne podejście.

Również i oni pracują w oparciu o zasadę, że dla zapewnienia stałej jakości wyprasek, parametry wtryskarki w trakcie produkcji muszą być dopasowywane w celu zbalansowania ciągłych wahań w procesie [2].

Dotyczy to w szczególności procesów automatycznego przełączania na ciśnienie docisku i samokorygujących się procesów automatycznego sterowania w systemie sterowania wtryskarki i gorących kanałów. Jednak w tym przypadku sama kontrola parametrów we wtryskarce, bez sprzężenia zwrotnego z gniazda może przynieść jedynie bardzo ograniczony efekt. Na przykład automatyczne balansowanie formy gorącokanałowej jest nadal niemożliwe bez czujników w formie.

Aby sprawdzić użyteczność i wydajność systemów sterowania procesami wykorzystujących czujniki w formie, Sulzer Mixpac AG w Haag w Szwajcarii zadeklarował gotowość do zastosowania i zbadania różnych systemów sterowania Priamus. Sulzer jest jednym z liderów w zakresie technologii produkcji materiałów jedno- i dwuskładnikowych. W swoim portfolio posiada różnego rodzaju mieszalniki i aplikatory do odmierzania, mieszania i dozowania klejów i uszczelniaczy oraz powłok stosowanych w branży medycznej, stomatologicznej, budownictwie i przemyśle.

Na potrzeby testów praktycznych, 4-gniazdowa forma gorącokanałowa została wyposażona w czujnik ciśnienia (typ: 6010BC) oraz czujnik temperatury (typ: 4010B). Producentem obu typów czujników jest Priamus System Technologies AG. Czujniki zostały rozmieszczone tak, aby upewnić się, że zachowanie przepływu lub lepkość są odpowiednio mierzone, monitorowane i automatycznie kontrolowane podczas produkcji (rys. 1).

Sama wypraska jest elementem mieszającym EBT 7.5-12-CV01, stosowanym do produkcji wszelkiego rodzaju związków dwuskładnikowych, np. do produkcji form dentystycznych, mostów tymczasowych lub cementu kostnego. Celem badań było utrzymanie optymalnej jakości części wypraski na stałym poziomie w rzeczywistych warunkach procesowych i pod wpływem zakłóceń.

... podstawą każdej kontroli procesu

Każda zmiana procesu - czy to z powodu zmian ustawień wtryskarki, niezbalansowania systemów gorącokanałowych, czy też zmian lepkości związanych z różnymi partiami tworzywa - nieuchronnie wiąże się z koniecznością ponownego ustawiania punktu przełączenia i ciśnienia docisku. Jeśli przełączanie nie jest automatycznie regulowane, każda zmiana oznacza, że wtryskiwane są różne ilości tworzywa, co nieuchronnie prowadzi do wahań jakości.

Systemy Priamus automatycznie rozpoznają, kiedy stopiony materiał napotka czujnik temperatury. Pozwala to kompensować różne prędkości przepływu w gnieździe, a punkt przełączenia i ciśnienie docisku jest automatycznie regulowane. Bez rozpoznania frontu stopionego tworzywa i automatycznej regulacji przełączania, automatyczne sterowanie procesem jest praktycznie niemożliwe do zrealizowania.

Automatyczne balansowanie systemu gorącokanałowego

Aby zapewnić jednoczesne wypełnienie wszystkich gniazd, szczególnie w przypadku form wielogniazdowych, zaleca się najpierw balansowanie gorących kanałów. System kontroli Priamus (typ: 7080A Fillcontrol Control H) dzięki wykryciu i analizie frontu stopionego tworzywa określa różne czasy napełniania dla każdego z gniazd. W stanie niezbalansowanym poszczególne dysze gorącokanałowe są automatycznie regulowane, aż do osiągnięcia identycznych czasów napełniania we wszystkich gniazdach (Rys. 2).

Jak wspomniano powyżej, profile ciśnienia nie mają liniowej zależności z profilami temperatury (Rys. 3). Dzieje się tak przede wszystkim dlatego, że sygnały z czujnika temperatury są wysyłane dokładnie w momencie dotknięcia go przez stop tworzywa. Z drugiej strony, różnica ciśnienia między gniazdami nie jest stała, ale zmienia się wraz z jego wzrostem.

W celu zilustrowania sposobu balansowania gorących kanałów, temperatury dysz gorącokanałowych zostały celowo mocno zmienione, a następnie automatycznie regulowane do stane zbalansowania. Jednocześnie, w celu optycznej kontroli różnych długości ścieżek przepływu (gorące kanały zbalansowanie i niezbalansowane) (Rys. 4), wybrano podstawowe ustawienia, w którym formowane wypraski nie są całkowicie wypełnione.

W zależności od geometrii wypraski, kilka milisekund różnicy w przepływie tworzywa pomiędzy gniazdami wystarcza do uzyskania stanu niezbalansowania. Wyniki pokazują, w jaki sposób zmienia się waga wyprasek z czterech gniazd, a następnie stopniowo przywracany jest stan zbalansowany przez system sterowania (Rys. 5).

Zmienność parametrów surowców i partii - codzienna procedura

Parametry każdej partii surowca podlegają większym lub mniejszym odchyleniom i jeśli proces nie jest balansowany, różnice w lepkości surowca mają wpływ na jakość wypraski. Przy stałych ustawieniach wtryskarki prowadzi to zazwyczaj do niepełnego wypełnienia gniazd (niedolewki) lub do przepełnienia (wypływki). Aby symulować to zachowanie, wymieszano dwa gatunki polipropylenu o różnych właściwościach płynięcia (stosunek: 80%/20%).

Na początku wtryskarka została uruchomiona z niezmieszanym polipropylenem bez kontroli dokonywanej przez Priamusa. Wartości lepkości zostały zachowane jako poziom odniesienia. Następnie przetwarzano zmieszany materiał i aktywowano regulację lepkości. System sterowania Priamus (typ: 7080A Fillcontrol Control M) steruje lepkością stopu z jednego cyklu do drugiego, automatycznie dostosowując prędkość wtrysku (szybkość ścinania)i temperaturę topnienia (naprężenie ścinające) [3].

W testach ponownie wybrano podstawowe ustawienie, przy którym wypraski nie są całkowicie wypełnione, aby umożliwić kontrolę wizualną nawet najmniejszych zmian w procesie. Analiza pokazuje, w jaki sposób bezpośrednio po wymieszaniu materiału zmienia się czoło przepływu tworzywa i waga wyprasek (Rys. 6). Dzięki załączeniu kontroli lepkości, pierwotna waga jest ponownie osiągana we wszystkich czterech gniazdach.

Sulzer Mixpac AG posiada w zakładzie Haag ponad 120 wtryskarek i prawie żadna forma nie jest zawsze używana tylko na jednej wtryskarce. Ze względu na tolerancje produkcyjne, zużycie i różne konfiguracje, nieuchronnie prowadzi to do różnic w jakości wyprasek.

Aby zasymulować użytkowanie formy na różnych wtryskarkach, na wtryskarce testowej wymieniono cylinder, a następnie za pomocą systemu Priamus (rys. 7) zostały przywrócone pierwotne parametry jakościowe wypraski. Osiągnięto to dzięki regulacji, za pośrednictwem interfejsu komputera wtryskarki lepkości, profilu ciśnienia docisku i temperatury formy przy określonym ciśnieniu.

Optymalizacja kosztów przy rozruchu procesu produkcyjnego

Monitorowanie i rejestrowanie temperatury gniazda daje dodatkową, opłacalną korzyść w postaci możliwości określenia osiągnięcia równowagi cieplnej w fomie. W zależności od złożoności wypraski, równowaga cieplna osiągana jest w czasie od 5 do 30 min. W konwencjonalny sposób - poprzez pomiar masy wypraski - jest to bardzo trudne do określenia. Podczas uruchamiania wtryskarki lub po przerwie w produkcji, równowaga cieplna może być bardzo łatwo i precyzyjnie określona za pomocą temperatury gniazda (Rys. 8), co pozwala na znaczną redukcję kosztów.

Streszczenie

Próby wykazały, że monitorowanie i automatyczne balansowanie gorącymi kanałami i wtryskarką za pomocą czujników w formie nie tylko zwiększa niezawodność procesu, ale również poprawia kontrolowaną jakość wyprasek (Tabela 1). Z drugiej strony, ustawienie stałych parametrów wtryskarki i systemu gorąco kanałowego, które nie reagują na wahania procesu i surowców, często prowadzi do powstawania wybrakowanych wyprasek.

Dzięki zastosowaniu, przede wszystkim, automatycznych systemów sterowania, możliwe jest teraz użytkowanie form wtryskowych na różnych wtryskarkach, w różnych zakładach produkcyjnych i uzyskanie tej samej jakości niezależnie od obsługującego personelu.

Podziękowanie

Autor składa wyrazy podziekowania Tobiasowi Tönzowi, ekspertowi technologii procesowej, Operations Production Technology, z firmy Sulzer Mixpac AG.

Literatura:

1. Bader, C.: Some Ways Lead to Rome, but Some Do Not. Kunststoffe international 104 (2014) 6, pp. 34-38
2. Bader, C.; König, E.; Schmidt, C.: Quality from the Depth of the Mold. Kunststoffe international 103 (2013) 6, pp. 22–25
3. Bader, C.; König, E.: Taking Control. Kunststoffe international 102 (2012), pp. 39–43

Autor

Mgr inż. (FH) Christopherus Bader jest od 2001 r. dyrektorem zarządzającym Priamus System Technologies AG, Schaffhausen, Szwajcaria; info@priamus.com