Ciekawą technologią stosowaną w przetwórstwie tworzyw sztucznych jest wtrysk wielokomponentowy. Nie jest to oczywiście żadna nowość, bo tego typu rozwiązania stosowane są od kilkudziesięciu lat; przy czym wczesna technologia w tym zakresie znacznie się różni od dzisiejszych rozwiązań. Na czym polega istota wtrysku wielokomponentowego?

Wtrysk wielokomponentowy początkowo polegał na wtrysku tworzyw o różnych kolorach. Z biegiem czasu technologia mocno się rozwinęła i obecnie umożliwia produkcję wyprasek o bardzo różnorodnej konstrukcji – stosuje się współcześnie przynajmniej kilkanaście sposobów kombinacji tworzyw. Do najpopularniejszych przykładów zastosowań należy m.in. produkcja wyprasek o warstwie wierzchniej wykonanej z tworzywa wzmocnionego i o rdzeniu z tworzywa niewzmocnionego. Inne przykłady to m.in. detale o twardej wierzchniej warstwie i miękkim rdzeniu (lub na odwrót), o warstwie zewnętrznej z tworzywa pełnowartościowego i rdzeniu z recyklatów (lub tworzywa o gorszych parametrach), a także wypraski o warstwie wierzchniej nie przewodzącej prądu elektrycznego i rdzeniu przewodzącym.

Zalety wtrysku wielokomponentowego są wielorakie – technologia ta umożliwia połączenie różnych materiałów bądź kolorów w całość odznaczającą się wysokimi walorami mechanicznymi bądź dekoracyjnymi. Z drugiej strony, dzięki możliwości zastosowania surowców o różnej jakości do poszczególnych warstw produktu końcowego rozwiązanie to przyczynia się do obniżenia kosztów produkcji.

O możliwościach współczesnej technologii wtrysku wielokomponentowego może świadczyć najnowsze rozwiązanie zaprezentowane przez niemiecką firmę Zahoransky Formenbau. Ostatnio producent form wtryskowych pochwalił się nową formą do produkcji szczoteczek do zębów, umożliwiającą wtrysk siedmiu komponentów. Jak utrzymuje Zahoransky, jest to pierwsze w świecie rozwiązanie tego typu, pozwalające na produkcję szczoteczek w czterech barwach bez konieczności zatrzymywania wtryskarki w celu zmiany koloru. Jak się okazuje, nie jest to jedynie popis możliwości technicznych, lecz bardzo przydatna innowacja, bowiem w dotychczasowych rozwiązaniach przestój związany ze zmianą koloru mógł trwać nawet dwie godziny.

zahoransky5

Tytułowa wielkość wtryskarek dotyczy nie tylko rozmiarów samych maszyn, lecz detali przez nie produkowanych, choć oczywiście te parametry są ze sobą skorelowane. Jak wiadomo, wagę najmniejszych elementów produkowanych przez wtryskarki liczy się w gramach. Jak wygląda drugi biegun tej skali?

W 2008 roku firma Engel poinformowała, że wyprodukowała właśnie największą wtryskarkę świata. Mierząca 25 metrów długości maszyna duo 5500 waży 585 ton, do czego należy doliczyć jeszcze 160-tonową formę. Siła docisku wynosi 55000 kN. Została ona skonstruowana na zlecenie firmy Graf, producenta zbiorników podziemnych. „Detale” wytwarzane przez urządzenie ważą nawet do 150 kg!

engel2

 

Wydaje się, że jak dotąd rekord Engla nie został pobity. Zresztą, produkcja gigantycznych wtryskarek nie jest celem samym w sobie, ale zawsze stanowi odpowiedź na konkretne zapotrzebowanie klientów.

Jednym z podstawowych problemów, z jakimi zmagają się przetwórcy tworzyw, jest zużycie energii przez wtryskarki. Zależy ono oczywiście od wielu czynników, m.in. siły zwarcia i wieku maszyny. Dla wtryskarek starszego typu (powyżej 5 lat) przyjmuje się, że przy uwzględnieniu średniej siły zwarcia (wyliczonej jako średnia wszystkich pracujących maszyn) wynoszącej 6,5 tys. kN moc wynosi ok. 45 kW. Czy to dużo?

Aby odpowiedzieć na to pytanie, warto sięgnąć do szacunkowych danych dotyczących zapotrzebowania na prąd ze strony niemieckich firm tworzywowych. Choć wyliczenia dotyczą starszych, bardziej energochłonnych maszyn, to pozwalają zorientować się w rozmiarze zużycia prądu przez przetwórców. Szacunkowe dane wskazują, iż w Niemczech pracuje obecnie 50 tys. maszyn o sile zwarcia w zakresie od 2 tys. do 54 tys. kN, które są starsze niż pięć lat i rocznie działają przez ok. 5,5 tys. godzin. Jeśli przyjmie się średnią siłę zwarcia na poziomie 6,5 tys. kN i moc 45 kW, to okazuje się, że roczne zużycie prądu wyniesie 12,5 tys. GWh mocy przyłączonej 2250 MW. Te liczby robią wrażenie, tym bardziej, jeśli przeliczy się je na pieniądze – średniej wielkości wytwórnia zapłaci za prąd rocznie nawet kilkaset tysięcy euro. Czy można w jakiś sposób zredukować te koszty?

Oczywiście, jednym z rozwiązań jest zakup nowoczesnego, coraz bardziej energooszczędnego sprzętu. Producenci maszyn od kilku lat prześcigają się w zapewnieniach o efektywności produkcji i rzeczywiście, nowe maszyny mają coraz lepsze parametry zużycia energii. Ale przetwórcy posiadający starszy park maszynowy także nie są bezsilni w tej sytuacji – na rynku pojawiają się technologie umożliwiające optymalizację pracy starszych wtryskarek pod kątem zużycia energii. Dla przykładu – technologia EtaControl firmy Oni umożliwia zaoszczędzenie prądu na poziomie od 20 do 53 proc., co w przypadku zakładu posiadającego 11 wtryskarek o siłach zwarcia od 3,5 tys. kN do 36 tys. kN pracujących powyżej 6 tys. godzin rocznie mogłoby oznaczać oszczędność ponad 200 tys. euro w skali roku.

Podstawowe funkcje układu zamykania wtryskarki (inaczej: zespołu zamykająco-otwierającego, Z-O) to zapewnienie prawidłowego ruchu elementów konstrukcyjnych formy, dostosowanego do określonych faz procesu wtryskiwania, oraz wytworzenie wymaganej siły zamykania formy, która uniemożliwi jej uchylenie podczas fazy wtrysku. Do innych zadań układu zamykania zaliczyć można zagwarantowanie wymaganej wartości skoku stołu wtryskarki, umożliwienie uzyskania określonej wartości siły otwierania formy (która umożliwi efektywne usuwanie wyprasek z formy oraz zapobiega zakleszczeniu się elementów formy). Ponadto, układ zamykająco-otwierający ma za zadanie zapewnić występowanie w układzie narzędziowym wyłącznie naprężeń sprężystych wynikających z sił występujących w procesie wtrysku. Układ Z-O zabezpiecza również odpowiednią trwałość, funkcjonalność i niezawodność podzespołów maszyny i powinien zawierać urządzenie zabezpieczające przed przypadkowym uruchomieniem wtryskarki.

Zespoły zamykająco-otwierające klasyfikuje się ze względu na szereg kryteriów, wśród których wyliczyć należy:

  • pochodzenie siły zamykania formy. Wyróżnia się tu dwie grupy zespołów – w pierwszej z nich siła zamykania pochodzi od wewnętrznych naprężeń sprężystych w elementach składających się na zespół. Cechą charakterystyczną jest tu występowanie mechanizmu dźwigniowego. W drugiej grupie siła zamykania pochodzi z zewnątrz, od iloczynu ciśnienia czynnika roboczego i powierzchni czynnej tłoka;
  • rodzaj napędu służącego do wytworzenia siły zamykania. Wyróżnia się tu układy mechaniczne, ciśnieniowe (hybrydowe) oraz mechaniczne nowej generacji (elektryczne);
  • długość obwodu siły zamykania. Wyróżniamy tu zespoły, które działają w długim oraz krótkim obwodzie siłowym;
  • rodzaj obwodu siły zamykania. Można tu wyróżnić zespoły działające w rozdzielanym i nierozdzielanym obwodzie siłowym (w tej ostatniej grupie występują rozwiązania kolumnowe i bezkolumnowe);
  • kinematykę układu narzędziowego wtryskarki. Uwzględniając to kryterium, wyróżnia się zespoły jedno- i dwustopniowe (prostego i podwójnego działania).

 

We wszystkich wtryskarkach przebieg procesu wtrysku jest podobny i składa się z kilku następujących po sobie etapów:
  • W pierwszej fazie cyklu następuje zamknięcie połówek formy przymocowanych do stołów wtryskarki. W tym momencie zespół zamykający przesuwa ruchomy stół przesuwany po prowadnicach.
  • Następnie połówki formy zamykają się  przy użyciu pełnej siły zamykania.
  • Kolejnym etapem jest dosunięcie cylindra wtryskowego do formy. W tym momencie dysza cylindra styka się z tuleją wtryskową formy.
  • Następnie suw roboczy ślimaka bądź tłoka powoduje wtryśnięcie uplastycznionego tworzywa do formy.
  • Następuje uzupełnienie skurczowego ubytku tworzywa w formie przez docisk, który jest wywołany niewielkim przesunięciem ślimaka bądź tłoka.
  • Ślimak (bądź tłok) odsuwa się, ewentualnie odsuwa się też cylinder wtryskowy.
  • Następuje redukcja siły zamykającej formę, jej otwarcie i usunięcie wypraski.
W przypadku wtryskarek ślimakowych ślimak wprawiany jest w ruch obrotowy. Tworzywo pobierane jest z zasobnika, a następnie przesuwane do przedniej części cylindra. Pod wpływem ciśnienia uplastycznionego tworzywa ślimak przesuwa się w tylne położenie.
We wtryskarkach tłokowych tłok odsuwany jest do skrajnie tylnego położenia. Następuje wtedy zasypanie cylindra kolejną porcją tworzywa. W tym czasie wypraska jest chłodzona.

W ostatnich tygodniach dniach kluczowym i powszechnym tematem rozmów była temperatura. To dobry pretekst, aby przyjrzeć się problematyce układu chłodzenia wtryskarki.

Stosowane w branży urządzenia chłodnicze służą do obniżania temperatury kluczowych podzespołów wtryskarki oraz formy wtryskowej. Chłodzeniu podlegają m.in. strefa zasypu tworzywa, olej hydrauliczny w układzie napędowym wtryskarki czy forma wtryskowa.

Systemy chłodzenia uwzględniają często podział energii chłodzenia na dwie części, a więc związanej z procesem technologicznym (formą wtryskową) oraz związanej z chłodzeniem oleju wtryskarek hydraulicznych. Taki podział wynika z różnych warunków odbioru ciepła oraz różnej energochłonności wymienionych procesów. Przypomnijmy, że do chłodzenia oleju wtryskarki potrzeba ok. 60-80 proc. całkowitej energii chłodzenia. Obniżanie temperatury form wymaga znacznie mniej energii – jedynie 20-40 proc. całkowitej energii.

Trzeba pamiętać, że sposób chłodzenia, jaki będzie zastosowany, zależy przede wszystkim od materiału, który będzie podlegał przetwarzaniu. Tworzywa masowe, jak np. PS, PP czy PE, wymagają zazwyczaj niższej temperatury chłodziwa niż tworzywa techniczne, jak PBT, PA czy PC.

Taki podział energii wynika z tego, że przedstawione procesy wymagają różnych warunków odbioru ciepła (temperatury, wydajności przepływu, ciśnienia) oraz z różnej energochłonności (do chłodzenia oleju wtryskarki potrzeba aż około 60-80%, a do chłodzenia form znacznie mniej, bo 20-40% całkowitej energii chłodzenia). Jak wiadomo, sposób chłodzenia procesu technologicznego zależy głownie od rodzaju przetwarzanego materiału. Tworzywa techniczne, np. PBT, PA PC, wymagają zazwyczaj wyższej temperatury medium chłodzącego niż tworzywa do produkcji masowej, takie jak PS, PP, PE.

Ważnym aspektem chłodzenia oleju we wtryskarkach jest utrzymanie jego optymalnej lepkości. Nieodpowiednia temperatura może spowodować problemy w pracy maszyny – zbyt wysoka wywoła zbyt szybkie zużycie uszczelniaczy i doprowadzi do nieszczelności układu hydraulicznego, podczas gdy zbyt niska temperatura wiąże się z nadmiernym wzrostem energii, spowodowanym zbyt dużymi oporami ruchu w układzie hydraulicznym. Optymalna temperatura oleju powinna wynosić ok 45 st. C, a zatem do jego chłodzenia można użyć chłodziwa o temperaturze ok. 30-35 st. C. Jednak ze względu na fakt, iż niektórzy producenci umieszczają w produkowanych wtryskarkach zbyt małe wymienniki ciepła, niekiedy temperatura medium chłodniczego musi być niższa i utrzymywać się w granicach 20-25 st. C.

Od momentu opatentowania pierwszej wtryskarki tłokowej w latach 70. XIX wieku dokonał się olbrzymi postęp w dziedzinie konstrukcji tych maszyn. Dostrzegalny on jest między innymi w zakresie budowy układu sterowania. W latach 90. XX wieku wprowadzono do produkcji wtryskarki CNC, czyli zaopatrzone w sterowanie komputerowe (Computerized Numerical Control). I choć maszyny ze sterowaniem konwencjonalnym posiadają pewne zalety (np. to, że układ można regulować i serwisować samodzielnie) to jednak standardem jest współcześnie produkcja wtryskarek sterowanych elektronicznie, dzięki którym ustawianie parametrów oraz monitorowanie i kontrolowanie procesu znacznie się uprościły.

Jakie konkretnie zalety posiada elektroniczne sterowanie wtryskarek? Przede wszystkim pozwala na numeryczne ustawienie wszystkich parametrów procesu oraz sterowanie wszystkimi funkcjami maszyny. Co bardzo ważne, podobnie ułatwione jest uzyskanie informacji o przyczynie awarii. Wszystkie parametry zapisywane są w pamięci komputera wtryskarki. Elektroniczne sterowanie pozwala na śledzenie na ekranie wykresów parametrów procesu oraz rejestrację wszystkich danych o pracy maszyny. Komputerowa obsługa procesów pozwala też na podłączenie sterowania peryferiów, łączenie gniazd czy dokonywanie obróbki elastycznej. Procesy podlegają optymalizacji dzięki samoczynnemu dostosowywaniu się maszyn do zmiennych warunków zewnętrznych. I w końcu, co istotne, dzięki stałemu rozwojowi technologicznemu pakiet programów sterujących można rozszerzać, co pozwala na dłuższą eksploatację maszyny.

Trzecim podstawowym układem wtryskarki jest układ narzędziowy. Składa się on z zespołu narzędzia obejmującego formę wtryskową i oba stoły wtryskarki oraz z zespołu zamykająco-otwierającego obejmującego prowadnicę, dźwignie, siłowniki hydrauliczne i płytę oporową.
Możemy wyróżnić trzy podstawowe typy układów narzędziowych: hydrauliczny, dźwigniowo-hydrauliczny oraz mechaniczny.
Zaletą układu hydraulicznego jest jego wysoka sprawność oraz duże siły zamykania. Korzystny jest również fakt, iż jest to układ sztywny. Natomiast wadą takiego rozwiązania jest  rozbudowany układ hydrauliczny.

Układ dźwigniowo-hydrauliczny odznacza się wysoką sprawnością i efektywnością energetyczną. Podobnie jak układ hydrauliczny, jest to układ sztywny. Do wad tego typu układów należą ograniczone możliwości kinematyczne układu.

Układy mechaniczne to układy szybkie. Charakteryzują się zwartą budową, precyzyjnym sterowaniem oraz niskim poziomem emisji hałasu. W ich przypadku wadą jest ograniczona sztywność układu mechanicznego.

Podobnie jak w przypadku układów uplastyczniających, także zespoły napędowe wtryskarek różnią się, a zastosowanie konkretnego rozwiązania niesie ze sobą określone konsekwencje. Przyjrzyjmy się dwóm popularnym układom napędowym:

Hydrauliczny zespół napędu składa się z kilku podzespołów, których liczba jest równa liczbie siłowników i silników hydraulicznych. W skład każdego takiego podzespołu wchodzą: rozdzielacz, regulator ciśnienia, regulator przepływu, zawory zwrotne oraz zawory bezpieczeństwa. Podzespoły są zazwyczaj zasilane przez dwie pompy, z których jedna ma duży wydatek i niskie ciśnienie, druga zaś – mały wydatek i wysokie ciśnienie. Zaletą stosowania układu hydraulicznego jest możliwość pracy o charakterze ciągłym przy zmiennych i ekstremalnych obciążeniach. Do wad natomiast należy zaliczyć konieczność okresowej wymiany oleju, filtrów i uszczelek.

Elektryczny układ napędu jest stosowany w ostatnich latach często ze względu na oszczędność energii, która może sięgnąć nawet 25 proc. W przypadku tego typu wtryskarek olej jest wykluczony jako nośnik energii. Napęd elektryczny jest układem precyzyjnym, szybkim, o łatwej regulacji, nie wymagającym instalacji hydraulicznej. Ale jego wadą jest stosunkowo wysoki koszt oraz brak możliwości pracy w zmiennych warunkach i skrajnych obciążeniach.

Jednym z kryteriów podziału wtryskarek jest typ układu uplastyczniającego. Każdy z nich posiada pewne wady i zalety:

Układ tłokowy charakteryzuje się prostą budową i dużą objętością wtrysku. Daje on możliwość przetwarzania polimerów o dużej lepkości, a stosuje się go w małych maszynach. Do wad układu tłokowego należą m.in. długi czas uplastycznienia, rosnący proporcjonalnie do średnicy tłoka oraz słaba homogenizacja termiczna materiału. Układ ten może powodować degradację termiczną tworzyw wrażliwych.

Układ ślimakowy odznacza się krótkim czasem uplastycznienia oraz dobrą homogenizacją termiczną tworzyw. W efekcie otrzymujemy lepszą efektywność ekonomiczną. Ale układ ten posiada też wady – ma skomplikowaną budowę, a objętość wtrysku jest ograniczona skokiem ślimaka. W układach ślimakowych nie można przetwarzać tworzyw o dużej lepkości oraz kompozytów z długim włóknem.

Układ hybrydowy pozwala dobrą homogenizację tworzywa oraz dużą objętość wtrysku, ale odznacza się skomplikowaną konstrukcją, składa się bowiem z dwóch jednostek połączonych ze sobą funkcjonalnie.

 

Podział wtryskarek można przeprowadzać rozmaicie, w zależności od kryterium, które weźmiemy pod uwagę. Zazwyczaj wyróżnia się następujące typy maszyn do wtrysku:

  • biorąc pod uwagę zastosowany napęd, wyróżniamy wtryskarki hydrauliczne, elektryczne i hybrydowe;
  • uwzględniając ilość agregatów wtryskowych, możemy wyróżnić wtryskarki jedno- i wielokomponentowe;
  • pod względem położenia agregatu wtryskowego wtryskarki dzielą się na poziome, pionowe i kątowe;
  • z uwagi na zespół uplastyczniania wtrysku mówimy o wtryskarkach ślimakowych, ze wstępnym uplastycznianiem i tłokowych;
  • biorąc pod uwagę zespół zamykania wyróżniamy wtryskarki z zamykaniem tłokowym, kolanowym i śrubowym;
  • ze względu na rodzaj przetwarzanego tworzywa można wyróżnić wtryskarki do termoplastów, elastomerów i tworzyw termoutwardzalnych.

Formowanie wtryskowe nie byłoby możliwe bez zastosowania zaawansowanego narzędzia – formy wtryskowej. Umożliwia ono wypełnienie płynnym tworzywem gniazd formujących, których kształt odzwierciedla kształt produkowanego wyrobu. Ponadto, forma wtryskowa ma za zadanie odprowadzenie ciepła od gorącego tworzywa oraz usunięcie wyprasek w sposób szybki i powtarzalny.

Ze względu na sposób doprowadzenia tworzywa formy wtryskowe dzieli się na formy zimno- i gorącokanałowe.
Formy zimnokanałowe cechują się niższym kosztem niż w przypadku form gorącokanałowych ze względu na mniejszą ilość wymaganego osprzętu. Większa jest natomiast objętość tworzywa potrzebna do wypełnienia formy; ponadto występuje tu zawsze odpad w postaci wlewka, który może później zostać ponownie przetworzony. Większy jest również pobór mocy oraz ilość pracowników obsługi wtryskarki.

Tymczasem w przypadku form gorącokanałowych, choć ich koszt jest zwykle dużo wyższy niż form zimnokanałowych, to wtryskiwany materiał jest lepiej wykorzystywany ze względu na brak odpadów. Formy gorącokanałowe są jednak bardziej narażone na zanieczyszczenia niż formy zimnokanałowe, także koszt ich napraw jest wysoki.

Formowanie wtryskowe (ang. injection moulding) jest obok wytłaczania jedną z głównych metod produkcji wyrobów z plastiku. Jest to szybka metoda pozwalająca na produkcję dużej ilości identycznych detali. Wtrysk odpowiada za znaczącą część wszystkich produkowanych przedmiotów z tworzyw sztucznych. Praktycznie wszystkie sektory produkcji używają tej metody do produkcji szerokiej gamy wyrobów: od mikroelementów używanych w wyrobach AGD do dużych części takich jak np. zderzaki samochodowe, od wyrobów jednorazowych do skomplikowanych detali technicznych.

Wtryskarka jest urządzeniem przeznaczonym do formowania tworzyw sztucznych termoplastycznych metodą wtrysku.

Podstawowe podzespoły wtryskarki:

  • układ wtryskowy: ogrzewany cylinder, ślimak, napęd
  • układ zamykania formy – zamykanie i otwieranie formy
  • układ sterowania – realizacja cyklu pracy, kontrola parametrów maszyny

Wtryskarka to  najbardziej charakterystyczna maszyna, bez której trudno sobie dziś wyobrazić współczesny przemysł przetwórstwa tworzyw sztucznych.  Wtryskarki służą do produkcji różnorakich wyrobów w tworzyw sztucznych, od niewielkich detali, jak choćby zakrętki, po wielkogabarytowe elementy jak np. zderzaki dla przemysłu samochodowego. W uproszczeniu działanie wtryskarki polega na wtłoczeniu do formy wtryskowej płynnego tworzywa (np. polietylenu czy polipropylenu), jego uformowanie  i zastygnięcie, a następnie usunięcie z formy gotowego detalu.