Newsletter / TS Raport 
Zamów

Konstrukcja formy wtryskowej wspomagana analizami 

25 maja 2015

Rozwój konstrukcji formy wtryskowej wspomagany analizami symulacyjnymi na podstawie wyrobu „skrzynka na pieczarki”.

Obniżenie kosztów wytwarzania pozwala na redukcję ceny i zwiększenie konkurencyjności wyrobu. Firmy, które zdecydują się na taki krok, będą z łatwością odnosiły sukcesy.

Dlaczego skrzynka na pieczarki ?

Polska jest największym w Europie producentem pieczarek. W 2010 roku wyprodukowaliśmy ok. 250 tys. ton (~80 mln skrzynek rocznie). Wielkość produkcji całej Unii Europejskiej sięga ok. 1 mln ton. W Polsce jest kilkaset firm, które produkują pieczarki. Dochodzą jeszcze owoce miękkie jak śliwki, porzeczki itp. Drugim co do wielkości producentem pieczarek jest Holandia. Łącznie oba te kraje pokrywają połowę europejskiego rynku. Uprawą pieczarek w Polsce zajmuje się 3 tys. rodzin, ale w sumie z ich produkcją związanych jest 15 tys. osób. Pieczarkami zajmuje się ok. 2,5 tys. gospodarstw rolnych, ale 100 największych producentów wytwarza 90 % całej produkcji.
W związku z tak dużym zapotrzebowaniem na opakowanie, jakim jest skrzynka na pieczarki firma Wadim Plast postanowiła podjąć próbę optymalizacji procesu wytwarzania tego wyrobu. W branży opakowaniowej kluczowym czynnikiem decydującym o opłacalności wytwarzania danego wyrobu jest jego cena rynkowa. Możemy wyróżnić wiele czynników, które będą miały wpływ na jednostkowe koszty produkcji. Do najważniejszych należą – wtryskarka (jej siła zwarcia i szybkobieżność), forma wtryskowa, koszty materiałowe (masa wyrobu).

Analiza rynku i postawione cele
Przed rozpoczęciem optymalizacji firma Wadim Plast przeprowadziła analizę rynku i zapoznała się z możliwościami linii produkcyjnych obecnych na polskim rynku. Zauważono, że większość producentów skrzynek wykorzystuje wtryskarki o sile zwarcia 450T, masa skrzynki wynosi około 230-280g, a czas cyklu 10-16s. Po przeprowadzeniu wstępnych analiz postanowiono znacząco zredukować siłę zwarcia wtryskarki, obniżyć masę wyrobu końcowego i skrócić czas cyklu.

Jak tego dokonać?

  

Rys. 1. Schemat blokowy dla poszczególnych faz projektowania formy wtryskowej.

Zaprezentowany na powyższym rysunku schemat blokowy przedstawia kolejne fazy projektowania formy wtryskowej. Faza druga wyszczególnia kolejne kroki jakie powinien podjąć konstruktor narzędzia podczas projektowania. Aby dokonać tych analiz, niezbędne jest stosowanie programów symulacyjnych. Wadim Plast od lat z sukcesem wykorzystuje oprogramowanie Cadmould stworzone przez firmę Simcon GmbH. Cadmould posiada wszystkie niezbędne narzędzia do przeprowadzenia analizy wypełniania, docisku, chłodzenia, skurczu i paczenia się wyrobu oraz analiz strukturalnych i zaawansowanych analiz termicznych.

Analiza geometrii wyrobu
Pierwsze podjęte kroki dotyczyły analizy geometrii wyrobu, a głównie możliwości zmniejszenia jego masy przy zachowaniu dotychczasowej sztywności. Każda skrzynka napełniana jest 3kg pieczarek, w wyniku czego dochodzi do ugięcia dna skrzynki. Jeśli ugięcie to jest zbyt duże to kolejno ułożone skrzynki zaczynają uszkadzać górną warstwę pieczarek w skrzynce poniżej. Sytuacja ta niejednokrotnie doprowadza do reklamacji ze strony odbiorcy i zwrotu całej partii produkcyjnej.

Dlatego modyfikacje wyrobu nie mogą doprowadzić do utraty sztywności. Firma Wadim Plast przy pomocy oprogramowania Cadmould wykonała serię testów obciążenia skrzynki. Dzięki rozbudowanej bazie materiałowej można było zastosować  rzeczywisty i dokładny model materiału, który jest wykorzystywany do produkcji skrzynek. Podczas optymalizacji odchudzono ścianki i dno skrzynki tak, że masa obliczona na bazie modelu CAD 3d wynosiła około 190g. Uzyskano wynik ugięcia dna poniżej 10 mm, co uznano za wynik zadowalający.

Rys. 2. Analiza obciążenia skrzynki 3kg pieczarek. Obraz pokazuje maksymalne ugięcia dna.

Analiza reologiczna
Pytanie, które się nasuwa po dokonaniu optymalizacji kształtu – czy nowy odchudzony wyrób uda się prawidłowo wtrysnąć? Czy spadki ciśnienia podczas wypełniania nie będą zbyt wysokie (co może zaowocować koniecznością stosowania wtryskarki o większej niż przewidziana siła zwarcia)? Czy linie łączenia nie pojawią się w miejscach nieoczekiwanych (co może spowodować pękanie skrzynki)?

Odpowiedzi na wszystkie powyższe pytania (i wiele więcej) dostarczy nam analiza wypełniania gniazda formującego w programie Cadmould.

Większość form wtryskowych do produkcji skrzynek na pieczarki posiada czteropunktowy system dolotowy składający się z czterech dysz gorąco-kanałowych i jednego rozdzielacza. Wtrysk odbywa się bezpośrednio w wypraskę.  Przy pomocy analiz symulacyjnych sprawdzono jak będzie wyglądało wypełnianie gniazda formującego dla uzyskanej geometrii wypraski przy takim rozwiązaniu konstrukcyjnym.

           
Rys. 3. Spadki ciśnienia podczas wypełniania gniazda i siła zwarcia uzyskane dla czteropunktowego systemu gorącokanałowego

Spadki ciśnienia wyniosły około 730 bar a maksymalna siła zwarcia około 350 Ton. Powstają dwa pytania – dlaczego większość producentów wykorzystuje maszyny o sile zwarcia aż 450T i czy możliwe będzie zredukowanie tej siły maksymalnie do 280T?

Odpowiedź na pierwsze pytanie przychodzi podczas studiowania dokumentacji technicznej do istniejących form wtryskowych. Większość z nich ma pokaźne gabaryty uniemożliwiające umieszczenie formy na mniejszej wtryskarce. Czy zasadne jest budowanie form o tak dużych gabarytach? Na to i poprzednie pytanie znajdziemy odpowiedź w dalszej części tego artykułu.

Aby ograniczyć spadki ciśnienia podczas wypełniania gniazda i uniknąć problemów z liniami łączenia występującymi na bokach wypraski podjęto decyzję o zmianie ilości i lokalizacji punktów wtrysku. Wprowadzono dodatkowe punkty wtrysku i umieszczono je tak, żeby uzyskać optymalne efekty. Trafność tego rozwiązania zweryfikowano ponownie przy pomocy programu Cadmould.

     
Rys. 4.  Spadki ciśnienia podczas wypełniania gniazda i siła zwarcia uzyskane dla sześciopunktowego systemy gorącokanałowego

Analiza termiczna
Aby zagwarantować wydajną pracę formy, dokonano analizy termicznej narzędzia z uwzględnieniem położenia i geometrii kanałów chłodzących oraz rodzaju zastosowanych materiałów, z których zostały wykonane elementy formujące.

Ze względu na konieczność uzyskania krótkiego czasu cyklu zrezygnowano ze stosowania standardowych stali o relatywnie niskim współczynniku przewodności cieplnej (np. 1.2343 ~25 W/mK). Skupiono się na materiałach o wysokiej przewodności, jak stopy brązu (przewodność ponad 100 W/mK) oraz specjalnych stali narzędziowych o wysokich przewodnościach cieplnych (przewodność około 70 W/mK). Zaletą stopów brązu była zdecydowanie większa przewodność cieplna (ale czy, aż tak wysoka przewodność cieplna będzie w tym przypadku potrzebna?). Argumenty, świadczące przeciwko stosowaniu stopów brązu to:

  1. Wysoka cena materiału
  2. Zastosowanie wstawek ze stopów brązu w suwakach zwiększało znacząco całkowity gabaryt suwaków, a co za tym idzie gabaryt całej formy.
  3. Przy wykonaniu całego suwaka ze stopów brązu stwarzałoby ryzyko nadmiernego zużywania / zagniatania się suwaków na powierzchniach zamykających. Możliwe do uzyskania najwyższe twardości to poziom 44 HRc.

4.  Dodatkowym argumentem przeciwko stopom brązu był również wymóg nie stosowania metali kolorowych do kontaktu
z opakowaniami dla branży spożywczej.

Stale o wysokiej przewodności cieplnej wypadały tu o wiele korzystniej:

  1. Pomimo wykonania całych suwaków z jednolitego materiału, cena materiału na suwaki była niższa.
  2. Dzięki wykonaniu suwaków monolitycznych, udało się zmniejszyć ich gabaryt, a co za tym idzie gabaryt całej formy.
  3. Suwaki wykonane „z jednego kawałka” pozwoliły ograniczyć nakłady finansowe na obróbkę mechaniczną i montaż końcowy suwaków.
  4. W suwakach wykonanych z monolitu można wykonać prostszy układ chłodzenia, co również przekłada się na koszty wykonania narzędzia.

 
Rys. 5. Skomplikowany układ chłodzenia dla formy z suwakami wykonanymi na bazie wstawek ze stopów brązu


Rys. 6. Uproszczony układ chłodzenia wykonany w monolitycznych suwakach ze stali o wysokiej przewodności

Biorąc pod uwagę wszystkie wyżej wymienione aspekty i fakt, że stal można hartować do 52-54 HRc podjęto decyzję o wykorzystaniu tego materiału do budowy formy. Dodatkowym argumentem za wyborem tego rozwiązania było to, że analizy termiczne nie wykazały istotnych różnic w niezbędnym czasie chłodzenia dla obydwu rozwiązań. Oba rozwiązania gwarantowały uzyskanie czasu cyklu poniżej 8s. Istotny wpływ na wybór tego rozwiązania miało kryterium dotyczące wielkości wtryskarki – z analiz konstrukcyjnych wynikało, że ze względu na gabaryt formy narzędzie ze wstawkami ze stopów brązu będzie mogło być zawieszone na maszynie o sile zwarcia 350T, a forma ze stali o wysokiej przewodności zmieści się na maszynę o sile zwarcia 280T.

Analiza mechaniczna
Aby forma wtryskowa zmieściła się na wytypowaną wtryskarkę niezbędne było odchudzenie konstrukcji formy w taki sposób, aby była ona możliwie mała zachowując niezbędną sztywność. Dzięki analizie wypełniania można było rozpoznać, jakie siły wewnętrzne będą oddziaływały na elementy formujące i płyty. Przeprowadzono analizy sztywności wybranych elementów formy z wykorzystaniem danych wejściowych, pochodzących z analiz płynięcia. Tak pozyskane dane wejściowe gwarantowały uzyskanie precyzyjnych wyników.

Dzięki takiej optymalizacji udało się uzyskać rekordowo mały gabaryt formy przy zachowaniu niezbędnej sztywności. Forma posiada gabaryty 696x596x645 i masę poniżej 2,5 tony, co umożliwia bezproblemowe umieszczenie tego narzędzia na wtryskarce o sile zwarcia 280T.

     
Rys. 7. Analiza sztywności płyty matrycowej i stemplowej

Ponieważ do produkcji skrzynek została wytypowana wtryskarka elektryczna (ze względu na szybkość, możliwość realizacji ruchów równoległych i precyzję), w konstrukcji należało wyeliminować napędy hydrauliczne, które w produkcji opakowaniowej są niepożądane ze względu na prawdopodobieństwo wyciekania oleju i zanieczyszczenia wyrobu końcowego. Z tego powodu zdecydowano się na umieszczenie szczęk formujących po stronie ruchomej połówki formy i napędzanie ruchu szczęk z wyrzutnika wtryskarki. Potrzebny był drugi takt usuwania skrzynki w celu wypchnięcia jej spomiędzy szczęk. Do tego celu zastosowano wypychacze trzpieniowe.

Rozważano kilka konstrukcji napędu płyty wypychaczy – poprzez system dźwigniowy, przez silnik krokowy z przekładną łańcuchową. Ostatecznie zdecydowano się na zastosowanie przekładni zębatej napędzanej siłownikiem elektrycznym. Takie rozwiązanie znacząco uprościło konstrukcję (jest to element standardowy)i umożliwiło precyzyjne sterowanie ruchem i profilowanie prędkości.

    
Rys. 8. Rozważane rodzaje napędu płyty wypychaczy. Od góry – system  dźwigni napędzanych siłownikiem, silnik krokowy z przekładnią łańcuchową, przekładnia zębata z siłownikiem elektrycznym (rozwiązanie wybrane).

Podsumowanie
Firma Wadim Plast przeprowadziła działania rozwojowe formy do produkcji skrzynki na pieczarki. Podczas tego procesu
w Wadim Plast powstało wiele koncepcji tego typu formy, wykonano niezliczone ilości analiz symulacyjnych i przeprowadzono testy praktyczne mające na celu zweryfikowanie tych analiz.
W tym czasie również wykonano „w metalu” kilkanaście form,
które z powodzeniem pracują u klientów końcowych. Optymali-
zacji podlegały nie tylko rozwiązania mechaniczne zastosowane w formie, ale również konstrukcja układu chłodzenia, zastosowane materiały i rodzaje napędów.

Wynikiem naszej pracy jest narzędzie, które przy zachowaniu kryteriów dotyczących wydajności produkcji i konstrukcji wyrobu końcowego, otworzyło nowe możliwości związane z produkcją skrzynki na pieczarki. Najnowsza forma ma zwartą budowę, co umożliwia jej montaż na maszynie o sile zwarcia 280 Ton (typowa maszyna wykorzystywana przy produkcji skrzynek ma siłę zwarcia 450 Ton). Dzięki analizom numerycznym udało się zachować równie wysoką sztywność formy, co w przypadku narzędzi o dużo większych gabarytach. Taki efekt możliwy był do osiągnięcia tylko dzięki zastosowaniu nowoczesnych materiałów do budowy form, w tym np. specjalnej stali o wysokiej przewodności cieplnej (około 70 W/mK), czy nowoczesnego siłownika elektrycznego
napędzanego silnikiem servo, który wspomaga usuwanie wypraski. Również aspekt technologiczności wykonania formy nie zos-
tał pominięty. Dotychczas bardzo skomplikowany, pracochłonny
i kosztowny w wykonaniu układ chłodzenia został zastąpiony
znacząco prostszym gwarantującym wydajny cykl. Decyzja o takim uproszczeniu została podjęta po uprzednich analizach termicznych.

Dzięki świadomemu wykorzystaniu programu Cadmould udało się wykonać formę wtryskową spełniającą
wszystkie oczekiwania rynkowe:
1.  uzyskano czas cyklu poniżej 8s;
2.  masę wypraski poniżej 190g;
3.  możliwość produkcji na wysokowydajnej wtryskarce elektrycznej o sile zwarcia 280T;
4.  obniżono koszt wykonania formy wtryskowej.

Wszystkie wyżej wymienione działania doprowadziły do znacznej redukcji kosztów inwestycyjnych w nową linię wtryskową do produkcji skrzynek i znacząco zredukowały koszty wytwarzania tego produktu.

      
 

Autor: Paweł Jurkowski WADIM PLAST

Artykuł ukazał się w TS RAPORT nr 74/2015

Na górę