Projekt Hipermoulding: zmniejszenie czasu cyklu wtryskiwania

Dobiegł końca projekt badawczy o nazwie Hipermoulding, współfinansowany przez Unię Europejską w ramach 6 Programu Ramowego Badań i Rozwoju Technologicznego. Był on przeznaczony dla branży przetwórstwa tworzyw sztucznych. Cel projektu to: ekstremalne skrócenie cyklu czasowego procesów formowania wtryskowego przez wykorzystanie form wtryskowych i procesów formierskich o wysokiej wydajności. Teraz będzie wdrażany na skale przemysłową.

Przez trzy lata projekt Extreme Cycle Time Reduction of Injection Moulding Processes by using High Performance Injection Moulds and Moulding Processes, był realizowany przez konsorcjum ośrodków badawczo -rozwojowych, stowarzyszeń przemysłowych oraz małych i średnich przedsiębiorstw, działających w branży przetwórstwa tworzyw sztucznych.

Łącznie brały w nim udział 24 podmioty z Belgii, Hiszpanii, Holandii, Portugalii, Polski i Wielkiej Brytanii. Te polskie podmioty to firma Wadim Plast oraz Centrum Zaawansowanych Systemów Produkcyjnych CAMT z Politechniki Wrocławskiej, Towarzystwo Przetwórców Tworzyw Wielkocząsteczkowych z Częstochowy i Spółdzielnia Inwalidów Spamel. Projekt, który rozpoczął się jeszcze w grudniu 2004 r. opiewał na 4,4 mln euro.

Zdaniem uczestników właśnie dobiegł końca i skończył się sukcesem.

Wszystkie podmioty, które wchodziły w jego skład otrzymały oprogramowanie Hipermould związane z projektowaniem form wtryskowych z kanałami chłodzącymi konformalnymi. Oprogramowanie zostanie teraz sprawdzone w praktyce przemysłowej.

Na czym dokładnie polegał projekt Hipermould?

Był to projekt technologiczny, służący produkcji gniazd form wtryskowych. Jednym z jego głównych zadań było uzyskanie m.in. skróconego do minimum czasu chłodzenia oraz zminimalizowanie naprężeń tworzywa sztucznego w wypraskach.

Było to możliwe do osiągnięcia poprzez wykonanie w odpowiedni sposób kanałów chłodzących, przebiegających w jednakowej odległości od powierzchni gniazda. Pozwoliło to na szybkie i równomierne odprowadzenie ciepła z wypraski. Różnica polega tu na zastosowanej technologii w produkcji form.

Oto bowiem tradycyjna technologia polegała na wykonaniu kanałów chłodzących (rys. po lewej stronie) i wydrążeniu w bloku metalu kształtu, który odpowiada kształtowi wypraski. Główną wadą tej metody było nierównomierne odprowadzenie ciepła z wypraski, co w konsekwencji mogło prowadzić m.in. do nierównomiernych skurczów w wyprasce. Tymczasem w technologii Hipermoulding (rys. po prawej stronie) wykonanie kanałów chłodzących jest do zrealizowania poprzez zastosowanie metody przyrostowej (warstwa po warstwie) w produkcji gniazda. Uzyskuje się to poprzez spiekanie odpowiednio spreparowanych kryształków metalu za pomocą lasera w urządzeniu sterowanym komputerowo.

Na podstawie badań i analizy zjawisk cieplnych i mechanicznych występujących na wszystkich etapach wykonywania form, a także ich późniejszego użytkowania, zaproponowano więc metodę wytwarzania form z kanałami chłodzącymi dostosowanymi do kształtu gniazda formującego tzw. kanałami konformalnymi. Dzięki usytuowaniu kanałów chłodzących w optymalnej odległości od powierzchni gniazda formującego możliwe jest teraz duże lepsze i skuteczniejsze ochładzanie wypraski.

Innymi słowy mówiąc, w technologii Hipermoulding zakłada się, że możliwe jest wytwarzanie wkładek formujących przy pomocy metod warstwowych, nazywanych często technologiami Rapid Prototyping. Przykładem jest tu laserowe spiekanie proszków metali i wykańczanie ich powierzchni roboczej metodami obróbki skrawaniem szybkościowym (High Speed Cutting lub High Speed Machining). Najważniejszą cechą tak wytwarzanych wkładek formujących jest możliwość prowadzenia w nich kanałów chłodzących o dowolnych kształtach, np. przebiegających w tych miejscach formy, które wymagają lepszego odprowadzenia ciepła.

Kanały takie, zwane konformalnymi zapewniają lepsze warunki termodynamiczne procesu polimeryzacji niż ma to miejsce w tradycyjnych kanałach prowadzonych liniowo. To zaś może zdecydowanie polepszyć warunki procesu formowania wtryskowego, w tym skrócić czas cyklu, zwiększyć jakość wyprasek, zmniejszyć zużycie energii oraz przedłużyć żywotność form.

Efekty tego zabiegu są widoczne gołym okiem. Oto bowiem zastosowanie technologii Hipermouldingu przewiduje skrócenie czasu cyklu wtryskiwania nawet o ponad 30 proc. Wśród zalet technologii wymienia się też znaczne zmniejszenie zużycia energii podczas eksploatacji form wtryskowych - mówi się o około 30 proc. Wszystko to umożliwia natomiast redukcję o ok. 20 proc. kosztu jednostkowego związanego z wytwarzaniem wyprasek.

Na podstawie badań i analizy zjawisk cieplnych i mechanicznych występujących na wszystkich etapach wykonywania form, a także ich późniejszego użytkowania, została więc zaproponowana metoda wytwarzania form z kanałami chłodzącymi dostosowanymi do kształtu gniazda formującego tzw. kanałami konformalnymi. Dzięki usytuowaniu kanałów chłodzących w optymalnej odległości od powierzchni gniazda formującego możliwe jest obecnie duże lepsze i skuteczniejsze ochładzanie wypraski.

Warto wiedzieć, że w ramach realizowania projektu jego wykonawcy zajmowali się kilkoma kluczowymi zagadnieniami. Były to m.in. zagadnienia termodynamiki procesu wtrysku oraz umiejscowienia i konfiguracji konformalnych kanałów chłodzących. Dokonano tu m.in. oceny wpływu zjawisk termodynamicznych na czas cyklu, zużycie energii, czas życia formy i jakość wyprasek. Zbudowano testową formę o wybranej, reprezentatywnej geometrii i opracowano testowe oprogramowanie oparte na wiedzy dla wspierania projektanta form w określaniu optymalnej konfiguracji kanałów konformalnych.

Drugim zagadnieniem, z którym przyszło się zmierzyć wykonawcom było wytwarzanie hiper form technikami warstwowymi. W dalszej kolejności przeprowadzono optymalizację procesów formowania w hiper formach oraz dokonano analizy czasu cyklu i kosztów związanych z formowaniem wtryskowym w formach z chłodzeniem konformalnym. Wreszcie działania projektowe szły też w kierunku pomocy we wdrażaniu nowej technologii w przedsiębiorstwach poprzez szkolenia i rozpowszechnianie wyników projektu.

Na pytanie, co w praktyce oznacza zastosowanie oprogramowania Hipermoulding, przedstawiciele firmy Wadim Plast, która jak wspomniano brała udział w projekcie, odpowiadają, że przy użyciu tzw. "systemu doradczego" oprogramowania zaprojektowano i wykonano już wkładki formujące z kanałami konformalnymi do wytwarzania wyprasek produkowanych dotychczas metodą tradycyjną. W każdym przypadku przy zastosowaniu form Hipermoulding uzyskano wyraźną redukcję czasu cyklu wtryskiwania od 12 do 32 proc. Oprogramowanie przyniosło też możliwość oszacowania kosztów wytwarzania wyprasek.