Układy uplastyczniające wtryskarek. Część 2
W drugiej części artykułu zajmiemy się podstawowymi metodami oceny geometrii ślimaka. Analiza przeprowadzona zostanie w oparciu o konstrukcję uniwersalnego, trzy strefowego ślimaka - przedstawiona na przykładzie śruby 3-strefowej.
W poprzedniej części omówiona została podstawowa konstrukcja zespołu plastykującego i prawidłowy dobór ślimaka. Omówiono, w jaki sposób, w oparciu o objętość wtrysku należy dobrać średnicę ślimaka. W drugiej części artykułu zajmiemy się podstawowymi metodami oceny geometrii ślimaka. Analiza przeprowadzona zostanie w oparciu o konstrukcję uniwersalnego, trzy strefowego ślimaka - przedstawiona na przykładzie śruby 3-strefowej.
Rozwój geometrii ślimaka
Zastanawiając się nad geometrią ślimaka należy przede wszystkim odpowiedzieć na pytanie, jakie cele chcemy realizować przez opracowywanie określonej geometrii ślimaka? Czy zależy nam na zwiększeniu wydajności plastyfikacji, czy obniżeniu temperatury stopu tworzywa, a może potrzebujemy poprawy jakości mieszania? Proces staje się bardziej złożony, jeśli pożądane zmiany są tylko pośrednio powiązane z geometrią ślimaka lub można je przypisać kilku przyczynom jednocześnie. Sytuacja taka występuje np. w przypadku oczekiwania poprawy wytrzymałości na zużycie czy zwiększenia dokładności dozowania. Czasami wymagania w stosunku do ślimaka okazują się być sprzeczne ze sobą. W takich wypadkach należy wybrać cele priorytetowe.
Ugruntowaną praktyką jest optymalizacja geometrii ślimaka poprzez prowadzenie symulacji, przed wykonaniem pierwszych testów z pomocą ślimaków testowych. W WITTMANN BATTENFELD w tym celu wykorzystywane jest oprogramowanie PSI / REX opracowane i udoskonalane na bieżąco przez Uniwersytet w Padeborn. Oprogramowanie to pozwala na obliczanie geometrii ślimaków i symulację ich pracy.
Oprogramowanie komputerowe pozwala elastycznie zmieniać geometrię ślimaka i obrazować sam ślimak. Pracując na bazie uprzednio zdefiniowanych wyników można analizować pojawiające się trendy wywołane zmianami geometrii. Na koniec wyniki wszystkich obliczeń są zestawiane i porównywane. Odpowiednia geometria ślimaka jest tworzona od sumy informacji i dalej optymalizowana aż do najdrobniejszych szczegółów - aż do wyświetlenia pożądanego rezultatu.
W oparciu o uzyskane wyniki symulacji produkowane są ślimaki testowe, które poddawane są dalszemu badaniu w warunkach praktycznych. W zależności od złożoności samego projektu możliwym jest wykonanie kilku różnych ślimaków testowych. Wyniki testów są analizowane i prowadzą do wyboru optymalnej geometrii ślimakow. W przypadku, gdy wyniki nie spełniają oczekiwań należy powtórzyć proces symulacji.
Parametry opisujące geometrię ślimaka
Jako przykład do dalszych rozważań przyjmijmy ślimak o geometrii 3-strefowej. Geometrię ślimaka definiują następujące parametry:
DSC = średnica zewnętrzna ślimaka
L/D stosunek średnicy do długości ślimaka
lE = długość strefy zasilania
lK = długość strefy sprężania
lM = długość strefy dozowania
hE = wysokość zwoju w strefie zasilania
hM = wysokość zwoju w strefie dozowania
b = odstęp między zwojami
i = liczba zwojów
t = skok zwoju
e = szerokość zwoju
Kąt zarysu zwoju po stronie aktywnej
Kąt zarysu zwoju po stronie pasywnej
rtr = promień zarysu zwoju po stronie aktywnej
rntr = promień zarysu zwoju po stronie pasywnej
Liczba parametrów geometrycznych dla stosunkowo prostej konstrukcji ślimaka 3-strefowego pokazuje, jak duża ilość wariantów jest możliwa dla prostego typu ślimaka. W przypadku bardziej wyrafinowanych geometrii, takich jak te, które występują w ślimakach barierowych czy w ślimakach mieszających, liczba parametrów geometrycznych jest wielokrotnie większa.
Przykładowe obliczenia
Dla zobrazowania geometrii ślimaka posłużymy się uniwersalnym ślimakiem 3 strefowym o średnicy 50 mm. Przyjmuje się, ze długość strefy zasypu stanowi 50% całkowitej długości ślimaka. Natomiast długość stref sprężania i dozowania wynosi po 25% długości całkowitej ślimaka. Wysokość zwoju w strefie zasypu wyraża się w średnicy ślimaka i wynosi ona 0,1 D tj. 5 mm. Stosunek średnicy do długości ślimaka przyjmowany jest na poziomie 22.
Dla zdefiniowanego w ten wstępny sposób ślimaka możemy wykonać teraz kolejne obliczenia i symulacje pozwalające ocenić wpływ pozostałych parametrów na wydajność uplastyczniania, czy zdolność do budowy ciśnienia w procesie uplastyczniania.
Dalsze założenia dotyczą skoku dozowania i czasu cyklu. Dla potrzeb naszych obliczeń przyjęto skok dozowania 85 mm (co daje 158 g materiału) i czas cyklu 35s. Ciśnienie uplastyczniania przyjęte zostaje na poziomie 80 bar. Prędkość obwodowa ślimaka zaś na wartości 300 mm/s, co jest wartością reprezentatywną dla realnych warunków dozowania. Dodatkowo należy uwzględnić profil temperatur odpowiadający zalecanym temperaturom przetwórstwa dla danego typu materiału.
Po zdefiniowaniu powyższych parametrów możemy obliczyć profil krzywej ciśnienia i krzywej topnienia dla naszego ślimaka.
Dla wybranych wcześniej parametrów uzyskujemy w wyniku obliczeń wydajność plastyfikacji 12,49 g/s. Dla założonej przez nas drogi dozowania potrzebujemy 12,7 s dla uplastycznienia 158 g tworzywa. Uzyskany wynik czasu dozowania należy porównać z planowanymi czasami chłodzenia wypraski. Jeśli obliczony czas dozowania będzie krótszy niż planowany czas chłodzenia, możemy uznać ślimak za spełniający wymagania. Jeśli czas dozowania będzie jednak dłuższy to ślimak będzie ograniczał czas cyklu i będzie zmniejszał uzyskiwaną wydajność produkcji.
Obliczona wydajność uplastyczniania w g/s podawana bywa jako całkowita wydajność i jest wtedy wyrażana w kg/h. Wydajność uplastyczniania w kg/h wykorzystywana jest przy doborze urządzeń peryferyjnych np. suszarek.
Zdolność do budowy ciśnienia
Ciśnienie w układzie uplastyczniającym wzrasta poczynając od strefy zasypu a kończąc na czole ślimaka. W zależności od geometrii ślimaka na drodze tej może wystąpić jedno lub kilka maksymalnych wartości ciśnienia. Dla typowego ślimaka 3 strefowego ciśnienie zaczyna być budowane w okolicy L/D=2 i osiąga max wartość ca 160 bar dla L/D=14,5.
Proces topienia tworzywa (ASV)
Proces topienia materiału wizualizowany jest za pomocą dwóch krzywych: Udział fazy materiału będącego w fazie stałej ilustruje krzywa koloru czerwonego. Krzywa koloru niebieskiego pokazuje natomiast udział fazy stopionej. Dodatkowo na wykresach pojawiają się dwie krzywe pokazujące udział każdej z faz po zakończeniu fazy dozowania. W wyniku obliczeń przeprowadzonych dla ślimaka widać, ze na długości L/d=8 następuje całkowite stopienie materiału. (frakcja stopu ASV=1).
W ostatniej trzeciej części naszej serii artykułów oceniane zostaną wyniki obliczeń i nakreślone pierwsze kroki w kierunku optymalizacji geometrii ślimaka.
Filipp Pühringer, Wittmann Battenfeld
