Opakowania cienkościenne - Deformacje wyprasek 

Rynek opakowań od wielu lat został zdominowany przez wypraski cienkościenne. Miliardy opakowań produkowanych głównie z PP o pojemnościach od kilku mililitrów (przy grubości ścianki ok. 0,4 mm) do kilkudziesięciu litrów (przy grubości ścian od 0,8 do 1,5 mm) z każdym rokiem stają się coraz lżejsze przy tych samych gabarytach i pojemnościach. Wymagania ekologii i silna konkurencja w tym sektorze spowodowały, że wytwórcy zostali zmuszeni do obniżania masy i skracania czasu cyklu. Wytwarzanie wyprasek cienkościennych sprawia i narzędziowniom i wtryskowniom różne problemy.

W tym artykule omówimy problem wichrowania się wyprasek o niewielkiej wysokości, do których należą pokrywki pojemników. Jako przykład posłuży nam rodzina pojemników do żywności o kilku pojemnościach, gdzie pokrywki wtryskiwane są w technologii IML (injection molding labeling).

Od momentu uruchomienia produkcji, jak zwykle pojawiło się sporo problemów, które dosyć szybko zostały rozwiązane wspólnie przez narzędziownię, dostawcę robota i wtryskownię. Jednak mimo wielu prób, problem wichrowania się pokrywek, nie został rozwiązany pozytywnie. Przyjrzymy się problemowi wichrowania pokrywek na przykładzie pojemnika 0,8 L.

WYPRASKA

Wypraska produkowana jest z PP Moplen o wskaźniku płynięcia MFI=50 z etykietą polipropylenową o grubości 0,05 mm. Gabaryty wypraski to 187x123x9 mm, grubość ścian 0,65 mm, a masa wypraski 16,5 gr.

FORMA WTRYSKOWA

Forma została poprawnie zbudowana – jest odpowiednio sztywna, posiada ryglowanie stempla względem matrycy, wtrysk przez stempel ze względu na etykietę, napęd ramy spychającej przez siłowniki hydrauliczne. Na elementy formujące została zastosowana stal 1.2738 HH w stanie ulepszonym ~44 HRC i przewodności termicznej 35 W/mK. W umowie narzędziownia dała gwarancję na czas chłodzenia max 3 s i 1 mln cykli.

Układ chłodzenia został wykonany tradycyjnie przez wiercenie otworów, co przy cyklu 4 s, temperaturze wody zasilającej formę 13°C i odpowiednim przepływie wody, daje rozkład temperatur na powierzchni formującej w zakresie od 19 do 48°C (moment wyrzucania wypraski z formy). Widzimy, że naroża wewnętrzne w porównaniu do pozostałej powierzchni są cieplejsze o ok. 8°C. 

Przyjęta koncepcja chłodzenia (gorące kanały, materiały i temperatura wody) pozwala na osiągnięcie założonego czasu chłodzenia 3 s.

STANOWISKO PRODUKCYJNE - WTRYSKARKA, ROBOT IML, FORMA

Forma pracuje na wtryskarce: VICTOR VC 180 z akumulatorem, o sile zwarcia 180 T w towarzystwie robota do zakładania etykiet.

Parametry procesu:
Czas wtrysku – 0,4 s
Czas docisku – 0,2 s,
Ciśnienie docisku – 400 bar
Czas chłodzenia – 3,5 s
Czas wejścia i wyjścia chwytaka – 3,1 s
A więc czas cyklu wynosi – ok. 7 s

ANALIZY SYMULACYJNE

Aby rozwiązać problem, najpierw należy zrozumieć zjawiska, przyczyny i skutki, które towarzyszą naszemu procesowi. Bez poznania istoty tych zjawisk nigdy nie zrozumiemy procesu i będziemy działać po omacku. Do poznania zjawisk które zachodzą w formie służą programy symulacyjne, w naszym przypadku Cadmould firmy Simcon. Na początek spróbujemy wyjaśnić przyczyny wichrowania się wypraski. Wszystkie obliczenia zostały przeprowadzone dla parametrów procesu stosowanych we wtryskowni. Ze względu na dużą czasochłonność obliczeń w analizie, zrezygnowano z zamodelowania kanałów chłodzących i temperatura powierzchni formującej (stała i niezmienna w czasie) została przyjęta 25°C. Jest to sytuacja wyidealizowana, ale zależy nam nie tyle na rzeczywistych wynikach, co na tendencjach.

Eksperyment 1 - model pokrywki zgodny z projektem

Widać, że przyczyną wichrowania wypraski jest rozkład skurczu - środek wypraski ma większy skurcz niż obrzeże. W następnych eksperymentach obliczeniowych spróbujemy odwrócić ten trend, czyli będziemy szukać takiego rozwiązania, które pozwoli uzyskać większy skurcz na obrzeżu niż na środku wypraski.

WNIOSEK

Pogrubianie obrzeża zwiększa jego skurcz i zmniejsza nieco deformacje, ale dalej pozostają one na zbyt wysokim poziomie. Wydaje się, że jest to dobry kierunek, ale jak widać nie prostuje zdecydowanie wypraski. Musimy szukać innego rozwiązania.

Eksperyment 4 - Zmieniamy grubość dna wypraski

WNIOSEK
Powiększenie grubości dna koperty nie tylko, że nie zmniejszyło deformacji, ale przyniosło skutek negatywny. Rozkład skurczu pogorszył się, a deformacje wzrosły.

Eksperyment 5 - Modyfi kacja grubości dna pokrywki pozwalająca na minimalizację jej deformacji

Grubość dna pokrywki została ukształtowana w taki sposób, aby uzyskać zbalansowane wypełnianie wypraski. Polega to na tym, że front płynącego tworzywa powinien dopłynąć do obrzeży wypraski w tym samym czasie.

WNIOSEK

Tak ukształtowane dno pozwala 4 do 5 razy zmniejszyć deformacje wypraski w porównaniu do geometrii wyjściowej. Jeśli skończyły się nam pomysły na modyfi kowanie geometrii, możemy zastanowić się nad znalezieniem odpowiednich parametrów procesu.

MODYFIKACJE PARAMETRÓW PROCESU

Z praktyki wiemy, że czas wtrysku dla wyprasek cienkościennych powinien być możliwie krótki. Dla naszej pokrywki nie powinien przekraczać 0,2s. Problem ze skracaniem czasu wtrysku polega na tym, że w formie została zastosowana dysza otwarta, a względy estetyczne obszaru wlewka nie pozwalają na zwiększenie jego średnicy. Przy czasie wtrysku poniżej 0,4s dochodzi do przypalania etykiety, w obszarze przewężki pojawia się czarna plamka.

Takie wypraski wymagają stosowania dysz zamykanych mechanicznie z przewężkami o średnicy kilku milimetrów. Wielkość przewężki zależy od masy wypraski, im większa wypraska tym większa przewężka. Ze względu na brak dyszy zamykanej zaczniemy eksperymentować z fazą docisku.

Eksperyment 6
Znalezienie takiego profi lu docisku (wielkość ciśnienia i czas jego działania), aby uzyskać prostą wypraskę. Do analiz została wytypowana pokrywka o geometrii jak w eksperymencie I, tzn. jak w modelu wyjściowym. Po kilkunastu próbach została wykonana analiza z dociskiem 400 bar i czasem trwania docisku 1,6 s.

Wyniki eksperymentu:

CZAS NA PODSUMOWANIE

Jeśli chcemy być konkurencyjni w produkcji wyprasek cienkościennych, to musimy spełnić kilka warunków:

• produkcja powinna odbywać się na wtryskarkach szybkobieżnych (z akumulatorem) lub szybkich maszynach elektrycznych
• forma musi być poprawnie zbudowana, a układ chłodzenia musi zapewnić intensywny odbiór ciepła od wypraski
• wypraska musi posiadać geometrię przeciwdziałającą powstawaniu deformacji
• medium chłodzące musi być podawane przez termostat lub chłodziarkę stanowiskową; tylko takie rozwiązanie zapewni powtarzalną dla każdego cyklu temperaturę formy, a różnica pomiędzy zasileniem a powrotem nie powinna być większa niż 4°C

Jeśli któryś z powyższych warunków nie jest spełniony, to możemy ratować się odpowiednio dobranymi parametrami procesu, ale wtedy zawsze tracimy (rośnie czas cyklu).

Autor Jerzy Dziewulski - Wadim Plast

Artykuł ukazał się w PlastNews nr 11/2015 oraz w TS Raport 76/2016