Projektuj optymalnie

Części projektowane pod proces wtryskiwania mają odpowiednie zalecenia dotyczące ich konstrukcji. Stosowanie tych zaleceń, poza poprawą jakości części, ma również wpływ na zużycie energii elektrycznej podczas produkcji.

Różne rodzaje tworzyw mają różne zalecenia w zakresie długości przepływu w stosunku do grubości ścianki. Zrozumienie zachowania się tworzywa podczas przepływu dostarcza bezcennych informacji, które mają bezpośredni wpływ na koszty produkcji (Rysunek 2).

Grubość żebra u podstawy i jego wysokość to kolejny obszar projektu wypraski, dzięki któremu możemy zaoszczędzić energię podczas produkcji. Grube żebro wymaga dużych ciśnień, żeby nie wystąpiła wada, którą nazywamy wciągiem. Stosunek grubości żebra do podstawowej grubości ścianki powinien mieścić się w zakresie 40-60%. Natomiast wysokość żebra powinna być < 4x grubości ścianki (Rysunek 3).

Taki projekt wypraski daje możliwość uzyskania szerokiego okna procesowego, zapewnia niskie straty ciśnienia, co bezpośrednio wpływa na optymalną produkcję elementów wtryskiwanych.

Kontroluj suszenie tworzywa

Niektóre tworzywa termoplastyczne należą do grypy materiałów higroskopijnych (np. PA, PC, PET) co wymusza ich suszenie przed wykorzystaniem do produkcji. Faza suszenia tworzywa zużywa nawet 15% całkowitej energii zużywanej do przetwórstwa tworzyw sztucznych. Odpowiednie wykorzystanie suszarek i ich optymalne ustawienie może przynieść duże oszczędności energii. Punkt rosy suszarki ze złożem molekularnym powinien mieścić się w zakresie -25°C do -50°C. Im bliżej -50°C będzie ustawiony tym większe będzie zużycie energii, które nie spowoduje istotnego przyspieszenia suszenia.

Jeżeli istnieje możliwość zastosowania tworzywa niechłonącego wilgoci bez wpływu na właściwości wypraski to warto przemyśleć ten krok. Wybór niehigroskopijnych tworzyw sztucznych, tam gdzie jest to możliwe, przyczyni się do znaczących oszczędności w zużyciu energii elektrycznej.

Utrzymuj temperaturę formy ograniczając straty ciepła

Wykorzystanie do produkcji technicznego tworzywa (np. PA, POM) wymaga stosowania wysokich temperatur formy, nawet powyżej 100°C. Forma, która jest zamocowana na wtryskarce styka się z płytą maszyny całą powierzchnią mocującą. Tak duża powierzchnia styku powoduje istotny przepływ ciepła z formy do konstrukcji maszyny. Odbiór ciepła przez maszynę wpływa na pracę termostatu, który w takim przypadku będzie zużywał większą ilość energii w celu zapewnienia stabilnej temperatury formy.

Dobrą praktyką w opisanym powyżej przypadku jest stosowanie płyt izolacyjnych na formach wtryskowych, które zdecydowanie zminimalizują proces przepływu ciepła do konstrukcji maszyny (Rysunek 4).

Ogranicz starty ciepła na cylindrze wtryskowym

Maszyna wtryskowa wymaga dużej ilości energii do pracy. Rozgrzanie i utrzymanie temperatury cylindra wtryskowego pochłania jej znaczącą ilość. Maty termoizolacyjne pozwalają w znaczny sposób zniwelować występujące straty energii cieplnej (Rysunek 5). Zastosowanie mat termoizolacyjnych zmniejsza ilość energii elektrycznej używanej do ogrzania cylindrów wtryskarki nawet o 40% (Rysunek 6). Pieniądze zainwestowane w zakup mat termoizolacyjnych zwracają się już po kilku miesiącach.

Maty termoizolacyjne polecane są przede wszystkim tam, gdzie mamy mono produkcję lub ewentualne zmiany tworzywa nie wymuszają dużych zmian temperatury cylindra. Związane jest to z długim oczekiwaniem na wychłodzenie cylindra np. przy zmianie tworzywa z PA6.6 na PE (czyli obniżenie z temperatury ~290°C do temperatury ~210°C). Czas oczekiwania na zmniejszenie temperatury ma w takim przypadku bezpośredni wpływ na wydłużenie czasu przezbrojenia.

Inwestuj w ludzi

Efektywność energetyczna to nie tylko projekt wypraski czy sprzęt wykorzystywany do produkcji. Istotną rolę odgrywa także sposób funkcjonowania wtryskowni. Szkol swoich pracowników poprzez szkolenia wewnętrzne oraz zewnętrzne, które będą podnosić świadomość i przyczyniać się do oszczędności energii.

Kluczowe czynniki, o które powinien zadbać pracownik to m.in. reakcja na wszelkiego rodzaju wycieki tj. sprężonego powietrza, wody, oleju. Każdy taki ubytek medium wpływa na bezpieczeństwo pracy i zużycie energii. Ich szybka eliminacja pozwala podnieść efektywność funkcjonowania zakładu produkcyjnego.

Optymalnie ustawiony proces wtrysku to podstawa w każdej wtryskowni. Korzystając ze szkoleń z zakresu ustawiania parametrów wtrysku masz możliwość podniesienia kwalifikacji pracownika i przyczynienia się do zmniejszenia strat. Tego typu inwestycja podnosi również morale, które mają bezpośredni wpływ na zaangażowanie w pracy.

Podsumowanie

Włączenie oszczędzania to nie moda, to konieczność która umożliwi dalsze funkcjonowanie i rozwój firm z branży przetwórstwa tworzyw sztucznych.

Kilka przykładów przytoczonych w tym artykule, które mogą zwiększyć efektywność energetyczną wtryskowni zdecydowanie nie wyczerpuje wszystkich dostępnych opcji. Wdrażaj zmiany małymi, zdecydowanymi krokami – zacznij produkować efektywniej.

POBIERZ PDF: Włącz oszczędzanie na wtryskowni

Artykuł Włącz oszczędzanie pochodzi z serwisu ASCONS.

Prawidłowo zaprojektowane części formowane metodą wtrysku charakteryzują się możliwie jednakową grubością ścianki, kątami zbieżności i zaokrąglonymi narożnikami. Projektowanie narożników w poprawny sposób ma dwie podstawowe funkcje:

1. Poprawia przepływ stopu wokół naroża dzięki czemu możemy wypełnić gniazdo przy użyciu niższych ciśnień.
2. Zmniejsza naprężenia powstające w wyprasce.

Zanim omówimy zasady projektowania narożników, odpowiemy sobie na pytanie jaki mają one wpływ na deformację ścianki.

Dlaczego ścianka się deformuje?

Podczas wtrysku wypełniamy formę uplastycznionym stopem o temperaturze często przekraczającej 230°C. W wyniku kumulacji ciepła w narożniku i tworzenia się węzłów cieplnych na stemplu formy zwiększa się miejscowy skurcz. Błędnie zaprojektowany narożnik jest podatny na kumulowanie ciepła. Dlaczego? Ponieważ grubość ścianki w narożniku jest większa niż grubość wypraski. O ile? W zdecydowanej większości grubość ścianki w błędnie zaprojektowanych częściach można opisać poniższym wzorem:

s′ = √2 × s ≈ 1,4 × s

Żebyś łatwiej mogła/mógł zrozumieć powyższy zapis to zobacz jak to wygląda na poniższym rysunku:

Jeżeli teraz wyobrazisz sobie, że każdy kwadrat w grubości naszej ścianki oddaje ciepło do formy wtryskowej w kierunku stempla i matrycy to zauważysz, że:

1. Kwadrat biały oddaje ciepło do formy wtryskowej tylko z jednego swojego boku. Mówimy wtedy o standardowym odbiorze ciepła.
2. Kwadrat niebieski oddaje ciepło z dwóch swoich boków. Mamy tu do czynienia z intensywnym odbiorem ciepła.
3. Kwadrat czerwony? Nie oddaje ciepła z żadnego swojego boku. To oznacza, że mamy do czynienia z kumulacją ciepła.

W związku z większą ilością ciepła jaką musimy odprowadzić z wypraski, która jest błędnie zaprojektowana w narożniku najczęściej wydłużamy czas chłodzenia. To niestety niesie za sobą konsekwencje w postaci obniżenia naszych zysków ze sprzedaży powyższego produktu.

Oprócz powyższej straty w czasie cyklu możemy mieć do czynienia z różnymi wadami wyprasek. Są to m.in deformacje, o których wspomniałem wcześniej oraz z jamami skurczowymi (Rysunek 2). Jeżeli chcesz się dowiedzieć więcej na temat wad to zachęcam do przeczytania tych wpisów

Wady wyprasek, o których wspomniałem są w takich przypadkach trudne do usunięcia. To nie zmienia jednak faktu, że możemy je zmniejszać.

Jak próbować eliminować powyższą wadę za pomocą zmian parametrów? W zdecydowanej większości wyprasek możemy mieć wpływ na wielkość deformacji poprzez różnicowanie temperatur stempla i matrycy, a jeszcze lepiej kiedy mamy możliwość wyodrębnienia obiegu najbardziej zbliżonego do problematycznego obszaru. Dzięki tym zmianom wpływamy na temperatury Qw1 oraz Qw2 (Rysunek 1). Zmieniając te temperatury, zmieniamy szybkość chłodzenia konkretnych obszarów formy i tym samym zmniejszamy wielkość skurczów. Jednak nie zawsze można tą metodą uzyskać satysfakcjonujący efekt.

Zasady projektowania narożników

Najlepszą metodą na minimalizację deformacji oraz jam skurczowych będzie prawidłowy projekt narożnika. Zasada jest bardzo prosta. W celu eliminacji zgrubienia s` (Rysunek 1) należy tak zaprojektować narożnik, żeby odpowiadał on grubości ścianki s (Rysunek 1). W tym celu stosuje się promienie: większy na zewnątrz, mniejszy wewnątrz (Rysunek 3).

Dla grubości ścianki s zaleca się wykonanie promienia zewnętrznego R 1,5s oraz promienia wewnętrznego R 0,5s. Dzięki temu zmniejszymy efekt kumulacji ciepła oraz zmniejszymy naprężenia panujące w tym obszarze, co odwdzięczy się stabilną produkcją z mniejszym odpadem Od razu podpowiem, że istnieją wypraski, w których nie ma najmniejszych szans powyższe zalecenie, to nie zmienia jednak faktu, że w zdecydowanej większości można je stosować

Innym sposobem, ale również konstrukcyjnym jest taka budowa formy, która pozwoli na zwiększenie efektywnego odbioru ciepła z naroża. Przykładem może być przytoczone przeze mnie wydzielenie konkretnego obiegu chłodzącego newralgiczny obszar lub zastosowanie wstawek np. z brązu berylowego, które będą efektywniej odprowadzać skumulowane ciepło.

Podsumowując powyższy wpis mogę z pełną odpowiedzialnością powiedzieć, że nie wyczerpuje od wszystkich zasad projektowania narożników. Mam jednak nadzieję, że wyjaśni Ci powody powstawania jednego z rodzajów deformacji oraz umożliwi zweryfikowanie, czy czasem to nie błędna konstrukcja wyrobu jest powodem Twoich problemów

Artykuł Projektowanie narożników pochodzi z serwisu ASCONS.

Zawór składa się z sita i dwóch elementów łączonych metodą zgrzewania ultradźwiękowego (Rysunek 1).

Elementy składowe (z pominięciem filtra) wykonane są metodą wtrysku z PP (polipropylen) częściowo-krystalicznego z dodatkiem boru w postaci włókien mielonych w ilości 11% (BG 11). Tworzywo posiada odporność na ług sodowy, miedź i promieniowanie UV.

Problem:
Pojawiające się w procesie zgrzewania części, które nie przechodzą testu szczelności z bardzo często widocznym miejscem niezgrzanym (Rysunek 2).

Przeglądając statystykę produkcji możemy zauważyć zróżnicowanie w występowaniu wady w postaci nieszczelnego zgrzewu (Rysunek 3). Ilości produkowane są dostosowane do ilości zamawianych przez klienta.

W celu rozwiązania problemu z pojawiającymi się nieszczelnościami w produkcji stworzyliśmy interdyscyplinarny zespół, który rozpoczął swoją pracę od wykonania burzy mózgów na temat występującej wady (Rysunek 4). Nieocenionym wsparciem w rozwiązywaniu podobnych problemów jest wiedza i doświadczenie pracowników, którzy pracują bezpośrednio na montażu, gdzie ten defekt się pojawia.

Za najbardziej prawdopodobną przyczynę nieszczelności przyjęliśmy niedolew występujący na górnej części zaworu, który występuje w miejscu powstawania przecieku.
Niestety wada jest bardzo mała i trudno ja zauważyć gołym okiem.
W celu określenia jej wielkości posłużyliśmy się mikroskopem KEYENCE VHX-5000, który uwidocznił niedolew oraz pozwolił zmierzyć jego wielkość (Rysunek 5).

Czy niedolew o rozmiarze 257μm, który ciężko jest zauważyć może być przyczyną powstawania nieszczelności?
Analizując dalej ten problem należy zidentyfikować znaczenie ścianki na której pojawia się defekt.
Ścianka ta jest niezbędna w celu zgrzania zaworu. Odpowiada ona za koncentrację energii ultradźwiękowej i przyspiesza proces zgrzewania (Rysunek 6).

Kontroli została poddana także forma wtryskowa. Dokonaliśmy jej oględzin i zauważyliśmy, że po stronie matrycy zostało naniesione odpowietrzenie w sposób pozostawiający wiele do życzenia (Rysunek 7).

W celu określenia przyczyny powstawania niedolewu, który jak widać ma bardzo duży wpływ na proces zgrzewania i ostatecznie szczelność zaworu wykonaliśmy analizę zgodnie z diagramem Ishikawa (Rysunek 8).

Po wyznaczeniu możliwych przyczyn, za najbardziej prawdopodobną uznaliśmy nieprawidłowe odpowietrzenie formy wtryskowej, mając wiedzę jak ono wygląda na narzędziu.
W celu zobrazowania miejsca, w którym takie odpowietrzenie powinno się znajdować przyłożyliśmy wadliwą wypraskę do matrycy i zaznaczyliśmy miejsce, gdzie powinno być wykonane (Rysunek 9).

Zgodnie z literaturą odnośnie konstrukcji form wtryskowych i wykonywania kanałów odpowietrzających, matryca została oddana do działu narzędziowego w celu wykonania odpowietrzenia zgodnie z zaleceniami (Rysunek 10).

Kanały odpowietrzające zostały wykonane zgodnie z zaleceniami (Rysunek 11).

Po wprowadzeniu powyższej modyfikacji udało się zminimalizować ilość występujących wad na nieszczelność o około 99%.
Kolejnym efektem była poprawa powierzchni styku sonotroda-górny element zaworu (Rysunek 12).

Wnioski:
Ścianka służąca do koncentracji energii ultradźwiękowej w wypraskach wtryskiwanych musi być pozbawiona wszelkich defektów, gdyż jak widać niewielki niedolew może być przyczyną podwyższonej brakowości i ryzyka reklamacji.
W każdej formie zamyka się powietrze, które utrudnia wypełnianie narzędzia roztopionym polimerem dlatego zwracajmy uwagę na jakość odpowietrzeń w celu minimalizacji powstawania niedolewu lub przy skrajnie wysokich ciśnieniach – efektu Diesla.

Artykuł Analiza nieszczelności zaworu do urządzenia AGD pochodzi z serwisu ASCONS.

Czas cyklu jest parametrem, który podlega ciągłej kontroli ze względu na bezpośredni wpływ na wydajność produkcji. Jego wstępne określenie umożliwia kalkulację kosztów produkcji i szacunkowe określenie czasu trwania produkcji.

Powiedzenie „czas to pieniądz” w przypadku formowania wtryskowego jest jak najbardziej uzasadnione. Zmniejszenie o jedną sekundę czasu cyklu może znacząco zwiększyć opłacalność produkcji i obniżyć cenę części.

Na czas cyklu składają się:

• operacje maszynowe dotyczące ruchów mechanicznych wtryskarki,
• operacje technologiczne związane z prowadzeniem procesu wtryskiwania,
• operacje manipulacyjne podczas których odbywa się wysunięcie wtryśniętej wypraski.

Podstawowymi fazami czasu cyklu są (Rysunek 2):

1. Zamknięcie formy.
2. Dojazd agregatu wtryskowego.
3. Wtrysk.
4. Docisk.
5. Dozowanie/plastyfikacja.
6. Odjazd agregatu wtryskowego.
7. Chłodzenie.
8. Otwarcie formy.
9. Czas przerwy (w czasie przerwy odbywa się wyformowanie i ewentualny odbiór wypraski z przestrzeni roboczej formy, wkładanie zaprasek itp.).

Można zauważyć, że przy standardowym procesie wtrysku, największy wpływ na czas cyklu t_c ma czas chłodzenia t_ch. Przy produkcji wyrobów cienkościennych o czasie cyklu decyduje czas plastyfikacji t_pl.

Nowoczesne maszyny pozwalają na dokładną analizę czasu cyklu. Wybrane czasy przedstawiane są na prezentacji graficznej, na której możemy obserwować w czasie rzeczywistym przebieg całego cyklu produkcji wypraski.

Poza powyższymi fazami, na ustalenie czasu cyklu ma wpływ:

1. Konstrukcja wypraski (grubość ścianki, wysokość części – im dłuższa, tym większa konieczność otwarcia formy itp.).
2. Konstrukcja maszyny na której odbywa się produkcja (maszyna hydrauliczna, maszyna elektryczna).
3. Poziom wyszkolenia i zdolności operatora odpowiedzialnego za uruchomienie tego procesu.
4. Materiał z którego produkowana jest część.
5. Konstrukcja formy (standardowy układ chłodzący, konformalny układ chłodzący, system wypychania wypraski hydrauliczne lub pneumatyczne itp.).

Niedopuszczalne jest samowolne skracanie czasu cyklu przez niewykwalifikowany personel.
Skracając czas cyklu zmieniamy czas obciążenia termicznego materiału w cylindrze, wpływając na efektywność odbioru ciepła z wypraski podczas chłodzenia. Ma to bezpośredni wpływ na wielkość skurczu, a tym samym na ostateczną jakość części.

Artykuł Czas cyklu pochodzi z serwisu ASCONS.