Wtryskarki - hybrydowe czy elektryczne, nowe czy używane?

Formowanie wtryskowe jest jednym z najważniejszych procesów masowej produkcji wyrobów z tworzyw termoplastycznych, zwykle bez konieczności dodatkowej obróbki wykończeniowej. Mianem wtryskarki określa się zaś jedno z najważniejszych i najbardziej wielofunkcyjnych narzędzi do produkcji wielkoseryjnej. Obecnie większość urządzeń do formowania wtryskowego to wtryskarki uniwersalne, które w określonych granicach mogą przyjmować wszystkie typy form. Ekonomika tego procesu jest doskonała w przypadku wyrobów o złożonej geometrii, co daje procesowi wtryskiwania przewagę nad innymi technikami.

Sama zasada formowania wtryskowego jest bardzo prosta (co nie oznacza, że sam proces również jest prosty!). Tworzywo sztuczne jest podgrzewane, aż do postaci lepkiego stopu, który jest wtryskiwany pod ciśnieniem do zamkniętej formy, która określa kształt wytwarzanego produktu. Tam materiał jest schładzany, aż powróci do postaci stałej, następnie forma jest otwierana i gotowy element jest z niej wyjmowany.

O procesie wtrysku

Wtrysk tworzyw sztucznych jest procesem coraz częściej stosowanym we wszystkich gałęziach przemysłu. Składają się na to takie czynniki jak:

• ekonomia – proces ten umożliwia pełną automatyzację produkcji wyrobów
• możliwość produkowania przedmiotów o bardzo skomplikowanych kształtach
• proces wtryskiwania prowadzi do stworzenia gotowego wyrobu – powierzchnia nie wymaga obróbki.

Ze względu na specyficzne własności samych tworzyw, wtryskiwanie jest bardzo złożonym procesem technologicznym.

Parametry procesu

Do najważniejszych parametrów procesu wtryskiwania zalicza się: temperaturę, która zależy od temperatury formy, ciśnienia tłoka wtryskowego i szybkości wtrysku; ciśnienie; czas wtrysku, który zależy od wydajności uplastyczniania, ciśnienia oraz temperatury i szybkości wtrysku. Wspomniane parametry decydują o wydajności procesu, jakości wyprasek, własnościach mechanicznych wyrobu i jego zastosowaniu. Dobór tych parametrów zależy od kształtu i wielkości wypraski, rodzaju i własności użytego tworzywa, sprawności pracy wtryskarki.

Zalety

• wytwarzanie skomplikowanych wyrobów w jednym procesie technologicznym
• mały (bądź żaden) udział obróbek wykańczających
• wysoka jakość i powtarzalność właściwości wyrobów
• możliwość pełnego zautomatyzowania, komputerowego sterowania i kontroli procesu.

Wady

• wysoki koszt wtryskarek i niejednokrotnie dorównujący mu koszt oprzyrządowania (form), powodujący wydłużenie czasu amortyzacji i wysokie koszty uruchamiania produkcji
• technologia opłacalna tylko przy produkcji wielkoseryjnej i masowej
• konieczność wysokich kwalifikacji pracowników nadzoru technicznego, którzy muszą znać specyfikę przetwórstwa tworzyw sztucznych
• konieczność zachowania wąskich tolerancji parametrów przetwórstwa
• długi czas przygotowania produkcji ze względu na pracochłonność wykonania form wtryskowych.

Wtryskarki

Ogólna budowa wszystkich typów wtryskarek jest podobna, ponieważ składają się one z pełniących tę samą rolę zespołów funkcyjnych. W zależności od rodzaju przetwarzanego tworzywa, sposobu pracy, rodzaju formy itp., są dostosowywane do wymogów poszczególnych wariantów technologii w sposób konstrukcyjny bądź przez zastosowanie specjalnego wyposażenia technicznego. Wielkość wtryskarki i jej możliwości wytwórcze charakteryzuje siła zamykania, objętość wtrysku i wymiary przestrzeni, w której mocowana jest forma wtryskowa. Przystosowanie wtryskarki do danego tworzywa zazwyczaj odbywa się poprzez drobne zmiany konstrukcyjne lub jej uzbrojenie w dodatkowe elementy wyposażenia. Producenci wtryskarek oferują bardzo szeroki wybór typoszeregu maszyn, które pozwalają na wykonanie założonych zadań.

Elementy wtryskarek

Tworzywo sztuczne znajduje się w leju buforowym, z którego przemieszcza się poprzez ruch obrotowy ślimaka w kierunku wtrysku. Sam ślimak podzielony jest z kolei na 3 strefy: pierwszą, gdzie następuje wstępne uplastycznienie tworzywa; drugą, gdzie następuje sprężanie – tworzywo zmienia stan na płynny oraz zostaje spiętrzone; w trzeciej zaś, ostatniej strefie, tworzywo jest homogenizowane. Tutaj już płynne tworzywo zostaje ujednorodnione i jest gotowe do wtrysku. Element wtryskarki, za pomocą którego odbywa się uplastycznienie tworzywa, nazywany jest cylindrem, na którym znajdują się elektryczne elementy grzejne.

Układ wyformowania i zamykania

Po wykonaniu ciekłego wtrysku do formy powstaje wypraska, która następnie zostaje wyformowana poprzez układ wypychania. Wyróżniamy układy mechaniczne, hydrauliczne i pneumatyczne, wykorzystujące do działania wysokie ciśnienie. Samo zamknięcie formy na czas wtrysku realizowane jest poprzez układ zamykania hydraulicznego lub elektrycznego. W zależności od potrzeb produkcyjnych zespół uplastyczniania i wtryskiwania jest wymienny; zwany jest agregatem wtryskowym. Rodzaj budowy tego zespołu określa również nazwę całej wtryskarki.

Zespoły zamykania i otwierania formy

Forma wtryskowa mocowana jest do płyt mocujących wtryskarki. Jedna z nich, nieruchoma, jest przymocowana do korpusu wtryskarki, druga zaś, ruchoma, przesuwana jest po kolumnach prowadzących (lub – we wtryskarkach bezkolumnowych – po prowadnicach umieszczonych na korpusie). Funkcje ruchu i wywarcia niezbędnej siły zamykania realizowane są przez następujące systemy napędowe:

• kolumnowo-dźwigniowy, w przypadku którego stół ruchomy jest przesuwany przez system
• kolanowo-dźwigniowy, najczęściej 5-punktowy (przegubowy), uruchamiany pojedynczym siłownikiem hydraulicznym. System ten charakteryzuje duża szybkość ruchu oraz niewielki wydatek oleju (energii)
• bezpośrednio hydrauliczny, w przypadku którego płyta ruchoma jest przesuwana przez wielostopniowy zespół siłowników hydraulicznych. Do realizacji szybkiego przesuwu służą siłowniki o małej średnicy tłoczyska i długim skoku, natomiast duże siły zamykania uzyskuje się za pomocą siłowników o dużej średnicy
• hybrydowy, wykorzystujący elementy obu systemów: do realizacji szybkiego przesuwu płyty ruchomej stosuje się zespół kolumnowo-dźwigniowy lub śrubę napędową, bezpieczną siłę zamknięcia uzyskuje się przez zastosowanie 1 centralnego lub 4 – po jednym na każdą kolumnę – siłowników o krótkim skoku, zwanych poduszkami hydraulicznymi
• przez śrubę pociągową przesuwaną przez rotację nakrętki kulkowej obracanej elektrycznym silnikiem w sposób bezpośredni lub pośredni przez pas zębaty.

Typy wtryskarek ze względu na układ uplastyczniający

Wtryskarki tłokowe

Tworzywo przeciskane jest między grubym cylindrem a wewnętrznym rozdzielaczem, zwanym torpedą (ogrzewane i uplastyczniane). Powodowało to duże straty ciśnienia, brak wymieszania, a tym samym i homogenizacji tworzywa, bardzo niedokładne dozowanie, brak możliwości przetwarzania tworzyw czułych termicznie, trudności z ogrzewaniem masy tworzywa większej niż 500 gramów na cykl, dlatego maszyny te zostały wycofane z produkcji przemysłowej. Rozwiązanie to jest nadal stosowane tylko w małych wtryskarkach laboratoryjnych.

Cykl wtrysku wtryskarki tłokowej

1. Szybkie zamknięcie przymocowanych do stołów wtryskarki połówek formy, przy czym ruchomy stół przesuwany jest po prowadnicach przez zespół zamykający.
2. Zamknięcie połówek formy pełną siłą zamykania.
3. Dosunięcie cylindra wtryskowego do formy tak, aby dysza cylindra zetknęła się z tuleją wtryskową formy.
4. Suw roboczy ślimaka lub tłoka wtryskowego, powodujący wtryśnięcie uplastycznionego tworzywa do formy.
5. Uzupełnienie skurczowego ubytku tworzywa w formie przez docisk wywołany niewielkim przesunięciem ślimaka lub tłoka wtryskowego.
6. Odsunięcie ślimaka lub tłoka i ewentualne odsunięcie cylindra wtryskowego, uplastycznienie tworzywa.
7. Zredukowanie siły zamykającej formę.
8. Otwarcie formy i usunięcie wypraski (kształtki).

W przypadku wtryskarki tłokowej tłok odsuwany jest do tylnego skrajnego położenia, następuje zasypanie cylindra następną, odmierzoną porcją tworzywa i w tym czasie ma miejsce chłodzenie wypraski.

Wtryskarki ze wstępnym uplastycznieniem

W przypadku tych wtryskarek stosuje się wstępne uplastycznienie przez ślimak umieszczony w dodatkowym cylindrze połączonym z cylindrem wtryskowym. Przed czołem tłoka znajduje się tworzywo już uplastycznione. Wtryskarki tego typu stosuje się, gdy konieczne jest bardzo wysokie ciśnienie i szybkość wtryskiwania. Są one jednak znacznie droższe od standardowych wtryskarek obecnie produkowanych.

Wtryskarki ślimakowe

Obecnie przy pojemności wtryskiwania powyżej 20 cm3 stosowane są wyłącznie zespoły ślimakowe, w których obracający się ślimak uplastycznia tworzywo, a wtryskiwanie odbywa się pod wpływem jego przesuwu powodowanego przez siłownik hydrauliczny. Przebieg uplastyczniania tworzywa jest podobny do występującego przy wytłaczaniu, z tą różnicą, że ślimak obracając się gromadzi tworzywo przed swoim czołem, a równocześnie pod wpływem ciśnienia tego tworzywa przesuwa się do tyłu. Osiągnięcie określonego miejsca drogi wycofania oznacza, że została uplastyczniona odpowiednia porcja tworzywa i następuje wyłączenie obrotów ślimaka.

Wtryskarki elektryczne a inne

Wtryskarki elektryczne stanowią najnowszą i najnowocześniejszą odmianę maszyn do przetwórstwa tworzyw. W liczącej ponad 130 lat historii maszyn do formowania wtryskowego, wtryskarki z bezpośrednim napędem elektrycznym już zajęły znaczące miejsce, a ich pozycja wśród wtryskarek z napędem hydraulicznym bądź hybrydowym sukcesywnie się umacnia. Dzięki wielu zaletom charakteryzującym napęd elektryczny, w grupie maszyn o małej i średniej sile zamykania formy wtryskarki elektryczne w chwili obecnej mają wiodącą rolę i skutecznie wypierają wtryskarki hydrauliczne.

Pierwsze, zakończone niepowodzeniem, próby stosowania bezpośredniego napędu elektrycznego w poszczególnych układach funkcjonalnych wtryskarki sięgają końca lat 50. XX w. (Milacron), natomiast początek ich współczesnego rozwoju datuje się na połowę lat 80. (Fanuc). Zmiany w budowie maszyn tego typu zintensyfikowały się w latach 90., a dynamika innowacyjnych modyfikacji w konstrukcji poszczególnych układów wtryskarek elektrycznych nie maleje do dziś.

Znaczący wpływ na wykorzystanie napędu elektrycznego we wtryskarkach miały czynniki związane z ochroną środowiska oraz wykorzystaniem zasobów energetycznych, m.in. takie jak: mniejsze zużycie energii przez maszynę, niższy poziom hałasu, mniejsza emisja ciepła do otoczenia czy brak oleju hydraulicznego.

We wtryskarkach elektrycznych, podobnie jak w innych, niezależnie od rodzaju napędu, zastosowanego rozwiązania konstrukcyjnego, rozmiarów i przeznaczenia, wyróżnia się następujące układy funkcjonalne: uplastyczniający, napędowy i narzędziowy. Wszystkie z tych układów są wyposażone w podzespoły sterujące i regulacyjne, zapewniające prawidłowość pracy poszczególnych układów oraz wtryskarki jako całości, które wyodrębnia się w czwarty układ, zwany układem sterowania i regulacji. Wtryskarki elektryczne przewyższają klasyczne maszyny z napędem hydraulicznym praktycznie pod każdym względem.

Zalety

• lepsze właściwości wtryskarek elektrycznych, ocenianych według wielu kryteriów, takich jak np. wskaźniki energetyczne, technologiczne, ekonomiczne i jakościowe, a także ekologiczne oraz ergonomiczne
• bardzo wąski zakres rozkładu masy wyprasek otrzymywanych w kolejnych cyklach przetwórczych (rozrzut masy wyprasek otrzymywanych na wtryskarkach z napędem całkowicie elektrycznym nie przekracza 0,1–0,2% średniej masy wypraski, podczas gdy we wtryskarkach hydraulicznych mogą to być wartości nawet 10-krotnie większe)
• duża dynamika pracy i szybkość ruchów elementów wtryskarki w poszczególnych fazach procesu
• wyeliminowanie wentylatorów jest równoznaczne z brakiem zawirowań i turbulencji powietrza, które unosiły pył materiałowy oraz cząsteczki oleju, w efekcie czego we wtryskarkach hydraulicznych często dochodziło do zanieczyszczenia przestrzeni roboczej wtryskarki i wnętrza formy wtryskowej
• całkowita likwidacja narażonego na przecieki układu hydraulicznego, co dało bardzo wysoką klasę czystości, wskazując tym samym na ekologiczne aspekty konstrukcji – brak zanieczyszczenia olejem i konieczności utylizacji zużytego medium, niską emisję ciepła do atmosfery, nieporównywalnie niższe zapotrzebowanie na energię
• bardzo krótki czas opóźnienia ruchu poszczególnych podzespołów wtryskarki przy jednoczesnym zachowaniu dużej dokładności przesuwu oraz wysokiej tolerancji ich położenia (na poziomie 0,01 milimetra), dzięki czemu uzyskuje się znaczne zmniejszenie zużycia formy wtryskowej
• indywidualny napęd ruchu obrotowego ślimaka w fazie uplastyczniania umożliwia zwiększenie wydajności uplastyczniania w porównaniu z maszynami z napędem hydraulicznym o około 40%
• oddzielne sterowanie ruchem obrotowym i prostoliniowym ślimaka oraz ruchem całego układu uplastyczniającego pozwala na włączanie poszczególnych ruchów składowych w układzie uplastyczniającym w dowolnym momencie cyklu wtryskiwania, przyczyniając się tym samym do skrócenia czasu całego cyklu procesu wtryskiwania
• rozdzielenie napędu poszczególnych podzespołów układu uplastyczniającego pozwala na uruchamianie odpowiednich silników elektrycznych na krótki czas jedynie we właściwych fazach procesu wtryskiwania
• cykliczne czasowe uruchamianie poszczególnych silników elektrycznych pozwala na zmniejszenie zużycia energii średnio o 25% w porównaniu z nowoczesnymi wtryskarkami hybrydowymi oraz hydraulicznymi, a zmniejszenie energochłonności w odniesieniu do klasycznych wtryskarek hydraulicznych o porównywalnych parametrach sięga aż od 50 do 60%
• silniki elektryczne są bezpośrednio chłodzone wodą, dzięki czemu wyeliminowano dotychczasową konieczność stosowania wentylatorów. Poprawia to bilans energetyczny wtryskarki jak i skutkuje zmniejszeniem drgań oraz poziomu hałasu wytwarzanego przez maszynę (ocenia się, że przeciętny poziom hałasu emitowanego przez wtryskarkę z napędem elektrycznym nie przekracza 65 dB, co odpowiada natężeniu dźwięku wydawanego przez drukarkę laserową).

Wady

Podstawową wadą wtryskarek z napędem całkowicie elektrycznym jest ograniczona konstrukcją silników elektrycznych wartość osiąganej siły zamykania formy, wobec czego w grupie wtryskarek o dużej i bardzo dużej sile zamykania nadal wiodącą rolę odgrywają wtryskarki z napędem hydraulicznym. Z uwagi na wymiary zewnętrzne dużych wtryskarek masa poszczególnych zespołów i podzespołów oraz związany z nimi moment bezwładności są na tyle znaczące, że moc osiągana ze współczesnych silników elektrycznych jest niewystarczająca, aby zapewnić poprawną realizację procesu wtryskiwania.

Do wad wtryskarek elektrycznych należą nadal większe koszty wykonania, na skutek czego te maszyny przetwórcze są droższe od maszyn hydraulicznych lub hybrydowych, aczkolwiek z biegiem lat różnica w cenie między maszynami z tych grup sukcesywnie maleje.

Nowa wtryskarka czy wręcz przeciwnie?

Skompletowanie odpowiedniej linii produkcyjnej to proces skomplikowany i czasochłonny dla każdego zakładu produkcyjnego. Wybór i rozmieszczenie maszyn oraz urządzeń do obróbki danego tworzywa wymagają opracowania szczegółowego projektu, który uwzględni nie tylko rodzaj końcowego produktu i przebieg poszczególnych etapów produkcji, ale także bilans zysków i strat takiej inwestycji. I te kwestie należy wziąć pod uwagę, bez względu na to czy zaopatrujemy się w nową, czy też używaną maszynę.

Koszty zakupu wtryskarki można znacznie ograniczyć, wybierając używane wtryskarki – są dużo tańsze, jednak mogą być często pozbawione ochrony serwisowej, a źródło ich pochodzenia często bywa "nieznane". Do zalet inwestycji w używaną wtryskarkę należy przede wszystkim oszczędność. Takie obniżenie kosztów produkcji jest istotne nie tylko dla długo prosperujących zakładów, ale również dla początkujących firm, które borykają się z problemem ograniczonego budżetu oraz wysokimi kosztami wejścia w biznes.

Dzięki korzystnym cenom używanych maszyn nie ma potrzeby wybierać między ceną a jakością, a środki można zainwestować w trwałe urządzenia dobrej klasy. Starsze modele zwykle cechują się podobną skutecznością, co ich nowsze odpowiedniki, a niekiedy można liczyć na tańsze usługi serwisowe, większą dostępność części zamiennych oraz surowców.

Przy zakupie maszyny używanej, działającej wcześniej w innym zakładzie produkcyjnym, czasami istnieje możliwość jej obejrzenia. Przeważnie maszyny takie są przetestowane na różnych surowcach, dzięki czemu można przewidzieć, jak podczas obróbki zachowa się dane tworzywo, co pozwala ocenić użyteczność danego modelu, biorąc pod uwagę jakość i sposób wykonania produktu.

Istnieje też możliwość sprawdzenia poprawnego działania samej maszyny i zaobserwowania najlepszego ustawienia i połączenia z innymi elementami linii produkcyjnej. Korzystając z informacji dotyczących wcześniej stosowanych ustawień, można skrócić czas potrzebny na optymalizację procesu technologicznego.

Niekiedy przy zakupie nowego urządzenia od producenta czas oczekiwania na montaż i dostawę może wynosić nawet 3–6 miesięcy. Maszyny używane przeważnie znajdują się w stanie gotowym do natychmiastowego użytku.

Należy pamiętać, że zakup używanych urządzeń – tak jak każde rozwiązanie – posiada również swoje słabe strony. Aby wykluczyć duży stopień zużycia, ewentualne braki lub ukryte usterki, przed zakupem należy przeprowadzić fachową ekspertyzę i przegląd techniczny sprzętu. Zadbane i regularnie kalibrowane narzędzia mogą sprawnie funkcjonować przez wiele lat. Warto zwrócić uwagę na fakt, że dana maszyna może wykazywać bardzo niewielki stopień zużycia. Urządzenia są sprzedawane z wielu przyczyn, niekiedy czysto logistycznych, np. zmiana dostawcy, branży, surowca, czy remont zakładu produkcyjnego. Nieprzyjemnych niespodzianek związanych z zakupem można też uniknąć wybierając zaufanego pośrednika – firmę, która zajmuje się takimi sprawami.

Należy również uważać na tzw. lifting wtryskarki – zdarza się i tak, że przed wystawieniem na sprzedaż wtryskarka np. jest przemalowana i starannie wyczyszczona. Niestety, jakość urządzenia po takim zabiegu nie ulega większej poprawie. Zdarzają się również przypadki, że wtryskarki zostały poddane jakiejś "globalnej" modernizacji. Wówczas sprzęt wydaje się być jak nowy – podczas tego tzw. "remontu" wymieniane lub regenerowane są newralgiczne i najbardziej narażone na uszkodzenia części. Z reguły ważnym jest sprawdzenie, czy urządzenie nie ma mikropęknięć.

Istnieje wiele możliwości zakupu urządzeń z drugiej ręki; wystarczy śledzić informacje i ogłoszenia dotyczące upadłości lub zmiany lokalizacji istniejących zakładów przemysłowych, licytacji przeprowadzanych przez agentów w domach aukcyjnych czy komorniczych. Popularnym ostatnio rozwiązaniem są sklepy internetowe i portale aukcyjne. Korzystanie z powyższych możliwości jest komfortowe, a zgromadzenie wielu różnorodnych ofert w jednym miejscu pozwala na znaczną oszczędność czasu i pieniędzy. Przy wyborze warto kierować się wiarygodnością portalu, konkurencyjnością cen i wszechstronnością ofert.

Nowe maszyny mają załączone instrukcje obsługi – taka instrukcja to dobra podstawa i źródło wiedzy dla ludzi zajmujących się obsługą wtryskarek, jednak powinni to być doświadczeni specjaliści, znający obsługę takich maszyn i techniczny język, jaki stosowany jest w tego typu opracowaniach. Nie zawsze wygląda to tak "różowo" w przypadku zakupu wtryskarek używanych; tutaj często się zdarza, że sprzedający zwyczajnie nie dołączy stosownej dokumentacji, bo została zgubiona, zniszczona itd. W takiej sytuacji kupujący najczęściej szukają dokumentacji w internecie, co nie zawsze jest skuteczne.

Doświadczeni specjaliści mogą posiłkować się dokumentacją podobnych maszyn, ale wiedzą już, jak zinterpretować i przełożyć informacje tak, aby nie uszkodzić zakupionej maszyny. Pozostali muszą liczyć tylko na wsparcie firm zajmujących się naprawami i serwisem wtryskarek, a takie usługi są często bardzo drogie i zwykle na długi czas wstrzymują pracę maszyny.

Podsumowanie

Postęp techniczny przypadający na XX i XXI w. stawia przed nami coraz to nowsze wyzwania w wielu dziedzinach nauki i przemysłu. Branża przetwórstwa tworzyw sztucznych rozrasta się w nieprawdopodobnym tempie, celem zaspokajania potrzeb rynku.

Tworzywa sztuczne oraz ich przetwarzanie jest dosyć młodą, lecz bardzo intensywnie rozwijającą się dziedziną przemysłu chemiczno-maszynowego. Wtryskiwanie tworzyw termoplastycznych jest jedną z najbardziej rozpowszechnionych metod przetwórstwa tworzyw polimerowych. Stosując tę technologię można wytwarzać detale o bardzo skomplikowanych kształtach.

Podobnie jak w każdej innej gałęzi biznesu, także i tutaj poszukuje się nowoczesnych rozwiązań, które pozwolą nam produkować taniej, szybciej i jednocześnie spełniać rygorystyczne normy jakościowe. Patrząc na ostatnie lata, możemy zaobserwować stale utrzymujące się trendy, pokazujące to, że zaufaniem klientów nadal cieszy się używanie wtryskarek.

Istnieje nieformalna lista rankingowa producentów wtryskarek (podobnie jak w przypadku samochodów). Poważni wytwórcy wtryskarek opierają ich rozwój na prowadzonych w sposób ciągły badaniach eksploatacyjnych, analizie rynku i rozwiązań konkurencji oraz postępie technologii we własnych działach rozwojowych. Przy zakupie należy wykorzystać ich doświadczenie.

Wtryskarki ze względu na szereg swoich zalet będą zyskiwać na popularności. Wraz ze wzrostem znaczenia w produkcji dokładności, czystości i energooszczędności będą coraz częściej wybierane przez polskie firmy. Otrzymanie perfekcyjnie wykonanej partii produktu w możliwie najkrótszym czasie to marzenie każdego producenta. Przedsiębiorca musi wiedzieć, czego oczekuje od maszyny: czy wyjątkowej dokładności, gwarancji stabilności procesu, czy dużej szybkości i wysokiego przyspieszenia.