Konstrukcja ślimaka decyduje o jakości wypraski

Prezentujemy tekst Bogdana Zabrzewskiego, szefa Battenfeld Polska na temat konstrukcji ślimaka jako czynnika decydującego o jakości wypraski i ślimakach o specjalnej konstrukcji.

W zależności od rodzaju prowadzonej produkcji konstrukcja jednostki plastyfikującej może mieć decydujące znaczenie dla osiąganych wyników ekonomicznych i jakościowych. W szczególności dzieje się tak przy produkcji detali o dużych gramaturach wtrysku. Wtedy wydajność jednostki plastyfikującej ma decydujące znaczenie dla osiąganych wyników. Jest istotne, aby układ plastyfikujący zapewnił optymalną homogenizację tworzywa oraz wydajność plastyfikacji.

W przypadku, gdy produkowane są detale o stosunkowo długich czasach chłodzenia, wtryskarka ma zazwyczaj dostateczny zapas czasu, by przeprowadzić fazę dozowania. Znacznie gorzej jest, gdy mamy do czynienia z produkcją charakteryzującą się krótkimi czasami cykli.

W takich przypadkach zależeć powinno na maksymalnym skróceniu czasu dozowania przy zachowaniu dobrej homogenizacji tworzywa. By spełnić te wymagania trzeba odwołać się do specjalnych rozwiązań konstrukcyjnych układów plastyfikujących. Konstrukcje te mają na celu uzyskanie wysokiej wydajności plastyfikacji, dobrej homogenizacji tworzywa oraz, co często jest przyczyną wielu problemów, szybką zmianę kolorów lub rodzajów przetwarzanego tworzywa.

Problemy właściwego wybarwienia wyrobów, przy ograniczonym czasie plastyfikacji występują szczególnie często przy produkcji detali masowych wykonywanych z trudno płynących poliolefin. Stosowane najczęściej trójstrefowe ślimaki o standardowej konstrukcji nie pozwalają na pogodzenie wymagań jakościowych i wydajnościowych prowadzonej produkcji.

Rozwiązaniem może być zastosowanie ślimaków o specjalnej konstrukcji.
Właśnie jako rozwiązanie takich problemów Battenfeld zaoferował wtryskarki wyposażone w ślimaki barierowe. Ślimaki specjalne oferowane są w wielkościach 50 - 260 mm średnicy.

Ślimaki specjalne, nazywane dalej barierowymi, wyróżniają się w stosunku do trzystrefowych standardowych ślimaków inną konstrukcją strefy wtrysku. Na końcu strefy sprężania ślimak znajduje się obszar kanałów śrubowych, zaś na końcu kanałów umieszczono elementy mieszające. W standardowych ślimakach w obszarze tym mogą występować nieuplastycznione ziarna tworzywa.

Dzięki rozdzieleniu strugi tworzywa następuje dodatkowe mieszanie, co powoduje poprawienie homogenizacji i zatrzymanie frakcji o większych średnicach. Następnie ślimak wyposażony zostaje w strefę dodatkowego mieszania. Występujące naprężenia ścinające powodują dodatkową termiczną homogenizację, co wpływa na ujednorodnienie struktury strugi.

Przeprowadzane próby oraz doświadczenie z zastosowania ślimaków barierowych potwierdziły ich własności i przewagę nad konwencjonalnymi ślimakami.

Dzięki zastosowaniu ślimaków barierowych uzyskano poprawę jakości powierzchni wyprasek, lepszy rozkład barwników, równomierną jakość powierzchni, zwiększoną wydajność plastyfikacji co pozwoliło na skrócenie czasu dozowania, potwierdzenie uniwersalności ich zastosowania do różnych typów tworzyw, mniejsze zużycie energii potrzebnej do plastyfikacji danej porcji tworzywa, ograniczenie braków wyprasek odrzuconych z uwagi na wady jakościowe, ograniczenie ilości braków powstających przy zmianie typu lub koloru wtryskiwanego tworzywa.

Ślimaki barierowe wykazują swe zalety zwłaszcza w procesach wtrysku charakteryzujących się dużą dawką dozowania, potrzebą stosowania wysokich prędkości obrotowych ślimaka oraz krótkimi czasami chłodzenia.

Ślimaki barierowe stosuje się nie tylko w przetwórstwie poliolefin, ale i produkcji opakowań i AGD. Specjalne układy plastyfikujące znalazły również zastosowanie w produkcji detali technicznych.

Przykładem może być wtrysk zderzaków samochodowych oraz elementów kuchni lub pralek. Dzięki podniesieniu płynności tworzywa, polepszeniu wybarwienia uzyskuje się korzyści ekonomiczne. Ślimaki barierowe można stosować w szerokim zakresie zastosowań różnorodnych tworzyw termoplastycznych.

Przy produkcji wyprasek, co do których stawiane są wymagania jakościowe w stosunku do ich powierzchni częstym problemem jest uzyskanie jednolitego wybarwienia.

Chcąc zapewnić odpowiednią kolorystykę detalu staramy się oddziaływać na proces plastyfikacji tworzywa lub niwelujemy problemy poprzez dodanie większych ilości masterbaczy. Obie metody związane są niestety z dodatkowymi kosztami prowadzonej produkcji. W pierwszym przypadku zwykle następuje zwiększenie czasu cyklu w drugim zmuszeni jesteśmy stosować większe ilości drogiego masterbacza. Ślimaki barierowe pozwalają na poprawę efektu wybarwienia przy ograniczeniu ilości stosowanego masterbacza oraz przy obniżeniu ciśnienia plastyfikacji i skróceniu czasu dozowania.

Dzięki ślimakom o specjalnej konstrukcji można w znaczący sposób zredukować koszty produkcji przy jednoczesnym podniesieniu jej jakości. Innym czynnikiem przemawiającym za zastosowaniem ślimaków barierowych jest zmniejszenie problemów związanych ze zmianą przetwarzanych tworzyw.

Często zmiana koloru produkowanego detalu związana była z koniecznością przetryskiwania układów plastyfikujących specjalnymi tworzywami czyszczącymi. Pomimo tej czynności często na detalach w „nowym” kolorze pojawiały się wtrącenia lub pozostałości „starego” koloru. Ślimaki barierowe są projektowane, by uniemożliwić zaleganie "starego" tworzywa. Ich konstrukcja umożliwia szybkie i pozbawione strat przejście na nowy materiał.

Wraz z nowymi konstrukcjami ślimaków barierowych Battenfeld rozwinął konstrukcję zaworów zamykających końcówek ślimaków. Nowe rozwiązania umożliwiają szybszą wymianę tworzyw oraz zapewniają zwiększoną żywotność elementów.

Zawory zwrotne końcówek uniemożliwiają zaś wsteczny przepływ tworzywa w fazie wtrysku. Stosowane zwykle końcówki są zbudowane tak, by pierścień zwrotny przy wzroście ciśnienia tworzywa przed czołem ślimaka nacisnął na pierścień oporowy i spowodował zamknięcie drogi dla wstecznego ruchu strugi tworzywa. W fazie dozowania wysokie ciśnienie w strudze tworzywa, w strefie sprężania ślimaka powoduje przesunięcie pierścienia zwrotnego i otwarcie drogi dla przepływu tworzywa do przestrzeni przed czoło ślimaka.

Końcówka ślimaka obraca się w tym czasie z taką samą prędkością jak ślimak. Sam pierścień zamykający w skutek tarcia tworzywa o powierzchnię cylindra nie obraca się jednak lub obraca się z małą prędkością obwodową.

Ten ruch względny pomiędzy końcówką ślimaka a pierścieniem może powodować zwiększone zużycie powierzchni elementów. Efekt ten wpływa również ujemnie na stabilność procesu. Szczególnie dobrze można to zaobserwować w przypadku ślimaków o dużych średnicach. Zawodność działania zaworu zwrotnego prowadzi do zwiększenia ilości odpadów i podnosi koszty produkcji.

Dlatego też Battenfeld w dużej ilości swych dużych maszyn oferuje specjalne końcówki ślimaków, zamykane zaworem kulkowym. Końcówki te w porównaniu do konwencjonalnych zaworów zwrotnych pozwalają na znacznie szybszą zmianę koloru lub rodzaju przetwarzanego tworzywa. W przypadku zaworu kulowego strumień płynącego tworzywa nie koncentruje się w środkowej części, lecz przepływa przez szereg bocznych otworów umieszczonych na obwodzie. Powstające w otworach ciśnienie uniemożliwia zaleganie tworzywa oraz prowadzi do polepszenia homogenizacji.

Konstrukcja zaworu zwrotnego jest tak wykonana, by wyeliminować „martwe” strefy, w których zalega „stare” tworzywo. Wielkość kanałów w zaworze zwrotnym jest tak dobrana, by na skutek większych naprężeń ścinających występujących w strudze tworzywa nie powodować nadmiernego wzrostu temperatury tworzywa a równocześnie umożliwić prawidłowe działanie zaworu w fazie docisku.

Zastosowanie specjalnych jednostek plastyfikujących umożliwia poprawę jakości produkowanych wyprasek i prowadzi do uzyskania wymiernych oszczędności prowadzonej produkcji. Dlatego warto jest przeprowadzić analizę zasadności zastosowania takich układów w planowanej produkcji.

Bogdan Zabrzewski, Battenfeld Polska