Zalety i wady wtryskarek elektycznych

2008-07-18

W artykule przedstawiono ogólne informacje o wtryskarkach z napędem całkowicie elektrycznym oraz scharakteryzowano zalety i wady tych maszyn przetwórczych w porównaniu z wtryskarkami o innej konstrukcji.

Wtryskarki elektryczne (ang. all-electric injection molding machines) stanowią najnowszą i najnowocześniejszą odmianę maszyn do przetwórstwa tworzyw metodą wtryskiwania. W liczącej ponad sto trzydzieści lat historii tych maszyn przetwórczych 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 wyparły wtryskarki hydrauliczne.

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

Znaczący wpływ na wykorzystanie napędu elektrycznego we wtryskarkach miały czynniki związane z ochroną środowiska oraz wykorzystaniem zasobów energetycznych, między innymi takie, jak mniejsze zużycie energii przez maszynę, niższy poziom hałasu, mniejsza emisja ciepła do otoczenia oraz brak użycia oleju hydraulicznego [3, 12]. We wtryskarkach elektrycznych, podobnie jak w innych wtryskarkach, 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 [2, 5].


Rys. 1. Zakresy rozkładu masy wyprasek otrzymywanych w kolejnych cyklach przetwórczych: a) Battenfeld; b) Milacron; c) Krauss-Maffei [8]

Zalety

Wtryskarki elektryczne przewyższają klasyczne maszyny z napędem hydraulicznym praktycznie pod każdym względem. Porównywanie maszyn o podobnych parametrach użytkowych (siła zamykania formy i objętość wtryskiwania) jednoznacznie wskazuje na lepsze właściwości wtryskarek elektrycznych, ocenianych według wielu kryteriów, wśród których ważniejsze to wskaźniki energetyczne, technologiczne, ekonomiczne i jakościowe, a także ekologiczne oraz ergonomiczne.

Podstawową zaletą wtryskarek elektrycznych, rozpatrywaną z punktu widzenia jakości i dokładności otrzymywanych wyprasek wtryskowych, jest przede wszystkim bardzo wąski zakres rozkładu masy wyprasek otrzymywanych w kolejnych cyklach przetwórczych. Różnica między skrajnymi wartościami masy wyprasek jest zdecydowanie mniejsza niż w wypraskach pochodzących z wtryskarek hydraulicznych (rys. 1). Ocenia się, że 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 [8, 9]. Następną z cech charakterystycznych dla wtryskarek elektrycznych jest duża dynamika pracy i szybkość ruchów elementów wtryskarki w poszczególnych fazach procesu.


Rys. 2. Wykres prędkości wtryskiwania (Ferromatic) [8]

Dzięki bezpośredniemu napędowi z silników typu High Torque jest możliwe osiąganie czasu fazy wtrysku o wartości dziesiątych części sekundy oraz czasu całego cyklu procesu wtryskiwania poniżej 3 sekund [8]. Ponadto w układzie narzędziowym o konstrukcji trójpłytowej kolumny prowadzące stały się elementami służącymi jedynie do wytworzenia siły zamknięcia formy, pochodzącej od naprężeń sprężystych powstałych na skutek odkształcania się kolumn.

Zadaniem precyzyjnego prowadzenia formy wtryskowej zostały obarczone prowadnice liniowe, znajdujące się na korpusie wtryskarki, współpracujące z elementami ślizgowymi, związanymi konstrukcyjnie z płytą ruchomą. Rozdzielenie w dźwigniowym mechanizmie zamykająco-otwierającym funkcji wytworzenia siły oraz funkcji pozycjonowania płyty ruchomej pozwoliło na wydatne skrócenie czasu zamykania i otwierania formy, który w tak zwanym cyklu suchym osiąga wartość poniżej 1,5 sekundy [8, 9]. Kolejna z zalet wynikająca z napędu elektrycznego to bardzo krótki czas opóźnienia ruchu poszczególnych podzespołów wtryskarki przy jednoczesnym zachowaniu dużej dokładności przesuwu oraz wysokiej tolerancji ich położenia (na poziomie 0,01 mm), w szczególności płyty ruchomej, dzięki czemu uzyskuje się znaczne zmniejszenie zużycia formy wtryskowej. Zastosowanie ultradźwiękowych metod pomiaru położenia oraz prędkości płyty ruchomej wraz z jednoczesnym monitorowaniem wartości siły zamykania formy przy pomocy czujników piezoelektrycznych umożliwia aktywną ochronę formy wtryskowej przed przeciążeniami lub uderzeniem [11].


Rys. 3. Przebieg poszczególnych operacji wykonywanych podczas realizacji cyklu wtryskiwania (Battenfeld) [8]

Indywidualny napęd ruchu obrotowego ślimaka w fazie uplastyczniania umożliwia zwiększenie wydajności uplastyczniania w porównaniu z maszynami z napędem hydraulicznym o około 40%. Jednocześnie rośnie prędkość obrotowa ślimaka o około 30% w stosunku do maszyn z napędem hydraulicznym. Zwiększa się także możliwe do osiągnięcia ciśnienie wtryskiwania, przeciętnie o około 25% [8, 9]. Oddzielny napęd ruchu prostoliniowego ślimaka w fazie wtrysku pozwala na wydatne zwiększenie prędkości wtryskiwania do wartości 300 mm/s i większych (rys. 2), co w porównaniu z wtryskarkami z napędem hydraulicznym daje wzrost nawet o 80% [8]. Uzyskanie poszerzenia zakresu parametrów przetwórstwa we wtryskarkach elektrycznych, połączone z zaawansowanymi systemami sterowania wtryskarką, umożliwia realizację nowych lub dotychczas niedostępnych metod wtryskiwania, w tym mikrowtryskiwania, wtryskiwania elastomerów oraz tworzyw, których wtryskiwanie jest utrudnione, na przykład poliwęglanów [1, 10].


Rys. 4. Różnica w zużyciu energii między wtryskarką elektryczną i hydrauliczną o porównywalnych możliwościach przetwórczych: a) Battenfeld, b) Krauss-Maffei [8]

Ponadto 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, także równocześnie, przyczyniając się do wydatnego skrócenia czasu całego cyklu procesu wtryskiwania (rys. 3) [8, 9]. Takie rozwiązanie w przypadku wtryskarek hydraulicznych było niemożliwe lub utrudnione. Przykładem elastyczności w synchronizacji wzajemnych ruchów poszczególnych podzespołów wtryskarki, w efekcie której uzyskuje się znaczące skrócenie czasu cyklu przetwórczego, może być rozpoczęcie fazy wtrysku jeszcze przed całkowitym zaryglowaniem formy wtryskowej (Demag) [8, 9]. Inny przykład to jednoczesne rozpoczęcie w fazie ochładzania wypraski ruchu wstecznego ślimaka (dozowania) wraz z odsunięciem dyszy wtryskowej, przy czym równolegle następuje otwarcie formy wtryskowej i usunięcie wypraski (Battenfeld, Krauss-Maffei). W efekcie uzyskuje się skrócenie czasu całego cyklu procesu wtryskiwania o około 30% [8, 9].


Rys. 5. Porównanie zużycia energii przez wtryskarkę z napędem hydraulicznym, hybrydowym, hybrydowym z pompą o zmiennej wydajności oraz z napędem całkowicie elektrycznym [8]

Rozdzielenie napędu poszczególnych podzespołów układu uplastyczniającego pozwala na uruchamianie odpowiednich silników elektrycznych na krótki okres czasu jedynie we właściwych fazach procesu wtryskiwania, wykluczając charakterystyczne dla wtryskarek z napędem hydraulicznym straty energii na ruchy jałowe, dzięki czemu uzyskuje się znaczne obniżenie zużycia energii przez maszynę przetwórczą (rys. 4) [4, 12]. Analogiczna sytuacja występuje w układzie narzędziowym, w którym silnik napędzający zespół zamykająco- otwierający oraz silnik zapewniający ruch wyrzutnika są włączane na krótko jedynie we właściwej fazie procesu wtryskiwania. Cykliczne czasowe uruchamianie poszczególnych silników elektrycznych pozwala na zmniejszenie zużycia energii średnio o 25% w porównaniu z nowoczesnymi wtryskarkami hybrydowymi oraz hydraulicznymi wyposażonymi w pompy o zmiennym wydatku, natomiast zmniejszenie energochłonności w odniesieniu do klasycznych wtryskarek hydraulicznych o porównywalnych parametrach sięga aż od 50 do 60% (rys. 5) [9]. Na zaskakująco wysoką, sięgającą od 80 do 90%, sprawność wtryskarek elektrycznych ma wpływ także mniejsze zużycie energii koniecznej do chłodzenia podzespołów wtryskarki, a także odzyskiwanie energii kinetycznej podczas hamowania płyty ruchomej [8].

Konstrukcja silnika elektrycznego typu High-Torque umożliwia użycie go jako bezpośredniego źródła napędu, z pominięciem niezbędnych do tej pory przekładni pasowych lub zębatych. Silniki elektryczne tego typu są bezpośrednio chłodzone wodą, dzięki czemu wyeliminowano dotychczasową konieczność stosowania wentylatorów. Rozwiązanie takie oprócz poprawienia ogólnego bilansu energetycznego wtryskarki skutkuje ponadto zmniejszeniem drgań i poziomu hałasu wytwarzanego przez maszynę, co jest korzystne z punktu widzenia ergonomii stanowiska pracy. Ocenia się, że przeciętny poziom hałasu emitowanego przez wtryskarkę z napędem elektrycznym nie przekracza 65 dB (rys. 6), co odpowiada natężeniu dźwięku wydawanego przez drukarkę laserową [9].


Rys. 6. Natężenie dźwięku wokół wtryskarki elektrycznej [8]

Wyeliminowanie z konstrukcji wtryskarki elektrycznej 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 [7, 8]. Całkowita likwidacja narażonego na przecieki układu hydraulicznego pozwoliła wtryskarkom z napędem elektrycznym na osiągnięcie bardzo wysokiej klasy czystości [4, 9], jednocześnie wskazując na ekologiczne aspekty konstrukcji tych maszyn przetwórczych – brak zanieczyszczenia olejem i konieczności utylizacji zużytego medium, niską emisję ciepła do atmosfery oraz – co jeszcze raz należy podkreślić – nieporównywalnie niższe zapotrzebowanie na energię.

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 [2, 5]. 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. Inną z wad wtryskarek elektrycznych są 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.

Źródło: TOMASZ JACHOWICZ - Tworzywa Sztuczne i Chemia Nr 3 - MAJ/CZERWIEC 2008 r.