При настройке новой, либо уже работающей пресс-формы, оператору приходится сталкиваться со множеством переменных, но есть один параметр, требующий особого внимания, — это настройка температурных зон материального цилиндра.
Работникам, обслуживающим машину, не хочется попусту тратить время и ждать, когда машина прогреется, поэтому они просто задают требуемую температуру по зонам при подготовке к началу работы.
Вопрос в том, что нужно понять, какая температура расплава вам необходима и какой температурный режим зон нагрева цилиндра позволит получить желаемое? Большинство согласятся, что правильная температура расплава — существенный фактор, влияющий на качество изделий и стабильность технологического процесса.
Неправильные настройки температуры приводят к перерасходу материала, браку, вследствие некорректных размеров изделия, коробления, ожогов на поверхности, черных вкраплений, материал может терять свои свойства, а производитель терпит убытки.
Термопластавтоматы имеют 4 или более зон нагрева. Основными являются: передняя, задняя, центральная и зона подачи материала. Также необходимо следить за температурой тела и наконечника сопла (Рис.1). Оператор начинает с выбора целевой температуры расплава. Если ранее данный материал не использовался, необходимо ознакомиться с рекомендациями производителя.
Даже если вы ранее уже работали с подобным материалом, следует изучить инструкцию производителя, ведь ошибка, допущенная в самом начале, может испортить остаток дня и стоить дополнительных денег. Обычно указывается диапазон температур, рекомендуемых к работе: например, для полукристаллических полимеров это 230–265 °С. Следует придерживаться среднего значения, в данном случае 250 °С, оно и является целевой температурой расплава.
Настройка температур по зонам
Следующий этап — настройка температур по зонам. Это уже немного сложнее, так как в процессе наладки необходимо учитывать противодавление, которое является очень важным параметром и заслуживает отдельного обсуждения.
В рамках данного обсуждения предположим, что задано противодавление 4,83 МПа (не гидравлическое давление), так как данный полимер не стеклонаполненный и достаточно термически стабилен. Нельзя установить противодавление 0,34 МПа или 0,69 МПа, так как гидравлические машины имеют коэффициент усиления, о котором нужно помнить и который нужно использовать при настройке противодавления для воспроизводимого процесса. По моему опыту, в 95% спецификаций поставщиков противодавление указано некорректно.
Перед установкой температурного профиля необходимо изучить некоторые нюансы шнека и материала. Это поможет определиться с настройками. Стандартный шнек общего назначения, используемый в нашей индустрии, фактически является совершенно бесполезным, хотя в реальном мире их применение широко распространено.
Шнек состоит из трех секций (Рис. 2):
- Зона подачи. Обычно составляет порядка половины длины резьбы шнека. Здесь смешиваются и прессуются гранулы, попадающие в материальный цилиндр через загрузочную горловину. Также материал немного подогревается перед подачей в зону пластикации. Глубина между рабочими гранями резьбы шнека в зоне подачи достаточно велика, и вместе с гранулами туда попадает и воздух, который необходимо спускать через горловину подачи, так как попадание воздуха может повлечь дефекты поверхности изделий.
- Зона пластикации/компрессии. Данная зона составляет 25% от длины резьбы шнека, здесь материал плавится и подготавливается к впрыску.
- Зона дозирования. Данная зона также составляет около 25% от длины резьбы шнека, здесь материал проталкивается вперед и создается противодавление.
Рассмотрев основы конструкции шнека, перейдем к рассмотрению особенностей полимеров, влияющих на процесс плавления материала. Термопластичные пластмассы могут быть аморфными или полукристаллическими. Аморфные материалы, такие как АБС и HIPS, плавятся постепенно, как масло, и легко размягчаются. Полукристаллические же полимеры, такие как полипропилен, полиэтилен и нейлон тают как лед и остаются твердыми до достижения температуры плавления. Также они имеют скрытую теплоту плавления, то есть требуют определенного количества энергии, чтобы достигнуть точки плавления, а затем еще дополнительной порции энергии, чтобы расплавиться. Для плавления полукристаллических пластмасс зачастую требуется вдвое больше энергии, чем для плавления аморфных. Например, для плавления полистирола необходимо около 370 кДж/кг, в то время как для полипропилена — 580–700 кДж/кг. Получается, что расплавить полукристаллический полимер гораздо сложнее, чем аморфный.
Таким образом, при настройке температуры зон нагрева цилиндра необходимо учитывать и особенности конструкции шнека и свойства материала.
Как же все это работает?
- Настройка зоны подачи: здесь начинается процесс плавления, в данной зоне производится отвод воздуха, и важно, чтобы здесь гранулы не начали слипаться. Данная зона наряду с остальными должна контролироваться ПИД-регулятором. Для полукристаллических полимеров я бы рекомендовал задать температуру 60 °С. Это теплее, чем многие предполагают, и при данной температуре хорошо осуществляется вентиляция, что позволяет избежать конденсации летучих веществ, а также благодаря тому, что данная температура ниже точки размягчения полимеров, не происходит спекание материала.
- Настройка задней зоны: в данном случае мы рассматриваем полукристаллический полимер, поэтому необходимо учитывать объем впрыска. Если объем впрыска составляет порядка 50% от общего объема, необходимо помнить, что зона подачи в этом случае уменьшается, так как объем впрыска достаточно большой. Таким образом и время нахождения материала в зоне подачи сокращается, что увеличивает нагрузку на зону пластикации, ведь эта зона для нормальной работы требует большое количество энергии, которую может и не получить. Если объем впрыска составляет большую часть от объема материального цилиндра, то следует установить более высокую температуру на заднюю зону, например, 255 °С. Если же объем впрыска составляет менее 40% от общего объема, то будет достаточно и 240 °С, что позволит избежать образования расплава уже в зоне подачи, так как это ухудшает вентиляцию. Для аморфных полимеров нет необходимости увеличивать температуру задней зоны.
- Настройка центральной и передней зоны: для достижения равномерности расплава обе эти зоны настраиваются на температуру плавления, в нашем случае 250 °С. Температура зоны дозирования должна быть такой же, как и температура зоны пластикации, если температура передней зоны меньше, то могут возникать проблемы с однородностью расплава. Изучив детали цикла можно сделать вывод, что объем расплава, составляющий дозу впрыска, находится в передней зоне очень короткий промежуток времени, буквально секунды. Если температура передней зоны будет ниже температуры плавления, то некоторое количество материала будет иметь температуру ниже, ведь пластик обладает плохой теплопроводностью.
Задача состоит в том, чтобы после получения расплава поддерживать его температуру на том же уровне. Расплав не находится в передней зоне цилиндра, в теле или наконечнике сопла продолжительное время, но если их температура отличается от целевой, то это может повлечь различные дефекты на поверхности отливок, такие как помутнение, разводы, неравномерность глянца и другие.
Настройка температуры тела и наконечника сопла — весьма трудоемкая задача, так как в большинстве случаев приходится сталкиваться с некорректной работой нагревательных элементов, температурных контроллеров, плохой изоляцией термопар и другими проблемами, которые делают корректную настройку температур практически невозможной.
Необходимо установить целевую температуру, сделать пару циклов, сформировать очередную дозу и максимально отодвинуть назад узел впрыска. Для сопла следует использовать максимально длинную термопару. Подождите пока температура стабилизируется, извлеките термопару примерно на 5 см и сделайте повторный замер температуры. Повторяйте данную манипуляцию до тех пор, пока термопара полностью не окажется внутри сопла. Если наблюдается отклонение температуры более чем на 10 °С, то необходимо искать причину и устранять ее. Если же температура относительно стабильна, то нужно определить разницу с целевой температурой и отрегулировать заданное значение соответственно.