Newsletter / TS Raport 
Zamów

Systemy GK WADIM PLAST i SEIKI 

01 czerwca 2017

W czasach coraz silniejszej konkurencji i nieograniczonej podaży na coraz ciaśniejszy rynek firma może się utrzymać i rozwijać dzięki właściwym i śmiałym decyzjom. Dlatego już w 2004 roku Wadim Plast podjął decyzję o uruchomieniu własnej produkcji systemów GK. Wiązało się to z uruchomieniem wysokokapitałowych inwestycji w wyspecjalizowane maszyny, jak wiertarka do długich otworów, tokarskie centrum numeryczne i centra frezarskie. Decyzję ułatwiła świadomość posiadania wiedzy o systemach GK, nabytej na szkoleniach u naszych partnerów oraz doświadczeniu zdobytemu dzięki ścisłej współpracy z naszymi klientami i na własnej wtryskowni.

W 2016 roku nasz najważniejszy partner - PSG GmbH z Niemiec - z którym ściśle kooperowaliśmy przy produkcji i sprzedaży systemów GK, zmieniła właściciela. Nowy właściciel ze względu na własną sieć dystrybutorów, postanowił zrezygnować ze współpracy z firmą Wadim Plast. Z tego względu poszerzyliśmy dotychczasową ofertę, poprzez uruchomienie nowych asortymentów i wejście w kooperację z japońskim producentem systemów GK, firmą Seiki Corporation. Seiki jest globalnym producentem GK, który jako jedyny na świecie w swoich rozwiązaniach stosuje dysze z przewężką zamykaną termicznie. To unikalne rozwiązanie pozwala na ominięcie wielu problemów związanych z poprawną pracą formy na trudnych tworzywach jak POM, PA66, PBT, PEEK,PES, itp. (więcej o Seiki na końcu artykułu).

DYSZE GK - WADIM PLAST

W momencie rozpoczęcia prac projektowych zostały postawione dwa podstawowe cele:

- jakość naszych systemów GK musi być porównywalna z ofertą europejskich dostawców,

- cena naszego systemu musi być konkurencyjna, bo inaczej nie mamy szans na pozytywną reakcję rynku.

Każda firma produkująca systemy gorącokanałowe zmaga się z problemami technicznymi i kosztami produkcji. Bardzo często obniżki kosztów dokonuje się upraszczając konstrukcję wyrobu i technologię wytwarzania. Takie uproszczone konstrukcje zwykle tracą na jakości. Dlatego proces projektowania i wdrażania produktu został poprowadzony wielotorowo.

Ze względu na wymagane walory produktu, w procesie projektowania wykorzystano najnowocześniejsze narzędzia analityczne w postaci programów MES (metoda elementów skończonych). Bardzo ważny parametr, jakim jest stały rozkład temperatury wzdłuż kanału dyszy, jest najpierw modelowany a następnie doświadczalnie weryfikowany.

Schemat z Rys.1 pokazuje kolejność postępowania przy modelowaniu rozkładu temperatur w dyszy gorącokanałowej. Najpierw powstaje koncepcja geometryczna dyszy zapisana w CAD 3D. Następnie dysza zostaje wstawiona do uproszczonej formy wtryskowej razem z wypraską.

Rys.1 Schemat modelowania rozkładu temperatur metodą MES.

 

Ta geometria jest podstawą do stworzenia siatki MES. Następnie muszą zostać nałożone warunki brzegowe i początkowe. Dla tak przygotowanego modelu obliczeniowego trzeba przeprowadzić dziesiątki analiz, zmieniając założenia, aż zostanie dopracowany wariant o najlepszych parametrach użytkowych. W kolejnych analizach zmieniamy:

- pierwotnie wytypowane materiały (typ stali, stopu brązu, spieku molibdenu czy wolframu)

- pierwotną geometrię, np. w celu likwidacji mostków cieplnych

- pierwotną wielkość mocy grzejnej i jej gęstość wzdłuż kanału dyszy.

Proces projektowania dyszy GK odbywa się w pętli: koncepcja - analiza - decyzja - synteza, aż do skutku, to znaczy osiągnięcia przez model założonych parametrów użytkowych.

Widać, że wstępna koncepcja dyszy nie nadaje się do zastosowania, różnica temperatur mierzona w kanale dyszy jest rzędu 80 °C. Dla prostych tworzyw jak PP, PE być może dałoby się taką dyszę zastosować, ale dla tworzyw technicznych jak POM, PBT, PA66 po pierwszych wtryskach dojdzie do degradacji stopu.

Aby uzyskać zadowalający wynik końcowy musimy badać kolejne kombinacje wielu zmiennych wejściowych, co powoduje konieczność wykonania wielu pętli obliczeniowych.                                                                                                                         

Idąc tą ścieżką ostatecznie dostajemy koncepcję dyszy, która jest najbliższa naszemu ideałowi. Jest to cenny materiał porównawczy, wyjaśniający termikę dysz, który pozwala uniknąć wielu błędów z tym związanych, jako że ludzkie oko nie widzi przepływu energii. Dopiero technik uzbrojony w odpowiednie narzędzie jest w stanie zajrzeć tam, gdzie wzrok nie sięga - i nigdy nie dotrze z powodu naszej ludzkiej ułomności - ten zakres fal podczerwonych jest niedostępny naszym oczom. Prawidłowo zamodelowany w MES proces przepływu ciepła, otwiera przed nami głębię informacji, które pozwalają zaprojektować prawie optymalne rozwiązanie. Dlatego wszystkie wyniki naszych badań zostały zabezpieczone przed wglądem przez osoby niepowołane.

Rys. 2 Rozkład temperatur dla dyszy GK z Rys.1 po wprowadzonych zmianach.

Jest to wynik optymalizacji termiki dyszy z Rys.1 uzyskany po wielu kombinacjach. Po zmianie geometrii i materiałów, różnica temperatur mierzona w kanale dyszy jest rzędu 30 °C, co jest całkiem niezłym wynikiem. Wydaje się, że taka dysza mogłaby obsługiwać większość tworzyw, nawet technicznych. Analizując rozkład temperatur na mapie termicznej z Rys. 2, widać miejsce ucieczki ciepła od nakładki dyszy. Jest to styk nakładki z pierścieniem centrującym, który dociska nakładkę do kołnierza dyszy. Już wiemy, że musimy przekonstruować ten fragment.

Ten żmudny etap jest nieodzowny, aby do następnego etapu badań laboratoryjnych na rzeczywistym fizycznym obiekcie, przekazać możliwie bezbłędne rozwiązanie. Jeżeli planujemy zawrzeć w naszej ofercie kilka typów dysz o różnych długościach, to mamy do przeanalizowania kilkadziesiąt przypadków, a to kończy się wykonaniem kilkuset analiz.

Prawdziwa weryfikacja naszych założeń i obliczeń odbywa się na wtryskarce z wykorzystaniem specjalnej formy testowej zbudowanej do tego zadania - Rys.3.

Rys. 3. Forma testowa do pomiaru rozkładu temperatur wzdłuż kanału dyszy.

W tym celu dla każdego typu dyszy wykonujemy kilka modeli fizycznych wybranych z najlepszych rozwiązań uzyskanych z modelowania w MES. Modele fizyczne praktycznie nie różnią się od docelowej konstrukcji przewidzianej do pracy w rzeczywistej formie wtryskowej. Wybieramy modele, które trafią do ostatecznego sprawdzianu, jakim jest praca dyszy w formie w normalnych warunkach produkcyjnych. Dysza musi przepracować z całą grupą tworzyw, dla których została przewidziana.

Taką samą metodologię stosujemy do projektowania dyszy w aspekcie reologicznym i mechanicznym.

Po przeprowadzeniu serii pomiarów temperatury na formie testowej założonej na wtryskarce (Rys. 4), podejmowana jest decyzja o uruchomieniu konkretnego modelu i wprowadzeniu go do długotrwałych testów w warunkach produkcyjnych na wtryskowni.

Rys. 4. Stanowisko na wtryskarce do testów i pomiaru temperatur badanych dysz.

Do długotrwałych prób technicznych na wtryskowni w warunkach produkcyjnych zostały wybrane dwa typy dysz :

Rys. 5. Typ2 - dysza z komorą izolacyjną uszczelniona w obszarze przewężki.

Rys. 6. Typ1- dysza z komorą izolacyjną uszczelniona na obudowie.

Metodę pomiaru temperatury pominę, żeby nie zanudzać czytelnika, ważne są wyniki pomiarów, które uzyskujemy w rzeczywistych warunkach pracy dyszy. Pokażemy kilka przykładów wyników pomiarów w formie testowej dla rzeczywistych warunków pracy.

Rys. 7. Przykład pomiarów uzyskanych z formy testowej dla dyszy Typ1 w początkowym stadium prac.

Rys. 8. Przykład pomiarów uzyskanych z formy testowej dla dyszy Typ2 w początkowym stadium prac.

Okazało się, że oba rozwiązania pod względem jakościowym są prawie równorzędne, aczkolwiek dysza Typ 1 posiada przewagę nad Typ 2, dzięki łatwiejszemu wykonaniu komory dyszy w formie i znacznie łatwiejszej eksploatacji. Dysza Typ 2 wymaga wykonania otworu pod styk z tulejką centrującą w bardzo wąskiej tolerancji. Błędy wykonawcze, nieuważny montaż i niewłaściwa eksploatacja formy kończą się wyciekiem tworzywa i wyłączeniem formy z produkcji – Rys. 9. Natomiast dysza Typ 1 zawsze posiada większą średnicę zewnętrzną przy tej samej średnicy kanału co Typ 2 oraz nieco trudniejszą procedurę zmiany koloru.

Rys. 9. Zalanie systemu tworzywem spowodowane uszkodzeniem uszczelnienia (styk tulejki centrującej z komorą) w obszarze przewężki dla dyszy Typ 2.

Ze względu na pewne tradycje, dysza Typ 1 jest w przemyśle bardzo rozpowszechniona i dalej chętnie stosowana, stąd decyzja o kontynuacji jej produkcji po wprowadzeniu istotnych zmian konstrukcyjnych. Zmiany te miały na celu poprawę termiki.

W ten sposób powstała nowa rodzina dysz. Dysze Typ 1 posiadają średnice zewnętrzne 22, 26 i 40 mm. Dysze Typ 2 posiadają średnice zewnętrzne 16, 20 i 29 mm. Każda dysza może zostać wyposażona w końcówki z różnych materiałów, np. odporne na ścieranie przy tworzywach napełnionych twardymi wypełniaczami jak minerały i włókno szklane. Wszystkie dysze mogą pracować do temperatury 400 °C i być obciążone ciśnieniem do 180 MPa. Masa wtrysku mieści się pomiędzy 0,5 a 2000 g. (Tabela poniżej).

 

ROZDZIELACZE GK - WADIM PLAST

Takie same cele projektowe jak dla dysz zostały postawione również dla rozdzielaczy. Ogrzewanie za pomocą grzałek rurkowych wprasowanych w kanały o odpowiednim profilu zapewniło jednorodne ogrzewanie rozdzielacza przy wysokiej trwałości grzałek. Geometria, moc grzałek oraz ilość stref grzewczych są każdorazowo analizowane pod kątem zarówno wielkości rozdzielacza jak i wymogów przetwórczych tworzywa, które będzie wtryskiwane.

Ceramiczny pierścień podporowy (ceramika cyrkonowa posiada najniższą przewodność przy najwyższych parametrach mechanicznych) znakomicie separuje rozgrzany rozdzielacz od zimnej płyty i zapewnia prawidłowy docisk rozdzielacza do dysz, co zapobiega wyciekom tworzywa.

Tuleje rozdzielające dzięki precyzyjnemu wykonaniu, bezbłędnie realizują zmianę kierunku i rozdział przepływu tworzywa bez martwych stref i zalegania stopu. We wszystkich rozdzielaczach kanały, którymi płynie stop są wiercone wiertłami lufowymi na specjalistycznej wiertarce do długich otworów. Tylko taka technologia wiercenia zapewnia wysoką gładkość powierzchni otworów.

Oczywiście cały system kanałów jest projektowany i analizowany w programie symulacyjnym Cadmould. Tylko analiza reologiczna pozwala tak dobrać średnice kanałów, że można osiągnąć kompromis pomiędzy spadkiem ciśnienia, kryterialną prędkością ścinania i czasem zalegania stopu w systemie.

Pokażemy, na przykładzie wypraski nie technologicznej, (tzw. fl iptop - wypraska o bardzo zróżnicowanej grubości ścian, zawias ma zwykle gr. 0,2-0,3 mm), jak ważna jest lokalizacja wlewka na wyprasce i jak ważna jest konfiguracja kanałów w rozdzielaczu.

ZAPYTANIE KLIENTA NA SYSTEM GK

Rys.10. Pokazane temperatury w wyprasce na koniec fazy wypełniania.

Klient chciał ukryć ślad po wlewku w pobliżu zawiasu i słusznie zakładał, że prosty niezbalansowany rozdzielacz w formie 16 gniazdowej będzie najtańszy. Efekt jest taki, że zawias jest częściowo nie wypełniony (granatowe kropki pokazują miejsca, gdzie front płynącego tworzywa zamarzł), temperatura stopu w zawiasie spada poniżej NF (No Flow) nawet do 40 °C. Na takiej formie produkcja jest niemożliwa lub bardzo utrudniona. Zawias po kilku przegięciach pęknie. Dobrze zaprojektowane zawiasy integralne z PP, przy prawidłowo zbudowanej formie i odpowiednich parametrach procesu wytrzymują ok. 2 mln. przegięć. Przy tak niezbalansowanym rozdzielaczu i tak zlokalizowanym wlewku, żeby uzyskać w miarę trwały zawias, należy wielokrotnie zwiększyć prędkość wtrysku. Wtedy zaczynają się problemy z odpowietrzeniem formy i przekroczeniem granicznej prędkości ścinania, co objawia się wadami optycznymi na wyprasce. Również moc napędu wtryskarki może być za mała do zrealizowania tak dużej prędkości wtrysku.

PIERWSZA PROPOZYCJA DOSTAWCY SYSTEMU GK

Rys. 11. Temperatury w wyprasce przy nowej lokalizacji wlewka.

W pierwszej kolejności dostawca systemu zaproponował klientowi przesunięcie wlewka jak najdalej od zawiasu. Widzimy, że przy tej samej prędkości wtrysku zawiasy zostały wypełnione. Jednak dalej temperatura zawiasu spada poniżej NF, z tym że teraz do ok 140 °C. Również ze względu na brak balansu rozdzielacza, każda wypraska a zatem i każdy zawias jest inaczej wypełniany. Istnieje duże prawdopodobieństwo, że w części wyprasek z każdego cyklu zawiasy będą pękały.

DRUGA PROPOZYCJA DOSTAWCY SYSTEMU GK

Rys. 12. Temperatury w wyprasce przy nowej lokalizacji wlewka.

Dostawca systemu zaproponował klientowi kolejną modyfikację formy. Lokalizacja wlewka pozostaje jak w pierwszej propozycji, natomiast rozdzielacz został zbalansowany geometrycznie. Spadek ciśnienia jak i prędkości przepływu stopu od ustnika wtryskarki do każdej wypraski są teraz identyczne. Efekt jest taki, że wszystkie zawiasy posiadają porównywalną temperaturę powyżej NF, nie niższą jak 230 °C przy stosunkowo niewysokiej prędkości wypełniania. Oczywiście koszt rozdzielacza, a więc całego systemu, jest wyższy. Ale zyski klienta są następujące:

- produkuje tylko dobre wypraski, żaden zawias nie pęka,

- przy małej prędkości wtrysku nie pojawiają się problemy z odpowietrzeniem formy,

- przy małej prędkości wtrysku nie pojawiają się problemy z jakością powierzchni wypraski.

Tego typu wypraski produkuje się w dziesiątkach i setkach milionów sztuk. Porównajmy teraz koszty wadliwej produkcji z nieco wyższym kosztem formy. Okazuje się, że produkcja na dobrej, trochę droższej formie, może dać klientowi dodatkowe spore zyski.

Wszystkie podane wyżej warunki projektowe i wykonawcze oraz inne, na opis których nie ma miejsca w krótkim artykule, gwarantują bezawaryjną pracę systemów w najtrudniejszych warunkach nie tylko dla tworzyw pospolitych, jak PE,PP,PS, ale także dla technicznych. Wszystkie nowe rozwiązania przed wprowadzeniem na rynek są wcześniej testowane w warunkach produkcyjnych we wtryskowni Wadim Plast.

Jako przykład może posłużyć test zmiany koloru. Zmiana koloru jest jednym z poważniejszych problemów, z którym borykają się wtryskownie.

Dysze z ,,nowej rodziny” zależnie od typu surowca i barwnika, pozwalają na zmianę koloru już po 10 do 40 cykli. Rys.13 górna część zdjęcia - PC/ABS, przejście z barwnika białego na niebieski oraz z niebieskiego na biały. Dolna część zdjęcia - PP, przejście z barwnika perłowego na naturalny. Autor zna sytuacje, kiedy należało wykonać 300 cykli i więcej, a w skrajnych wypadkach forma musiała pracować całą dobę, aby wypraski pozbyły się smug ze starego koloru.

Najlepszą gwarancją dla tego produktu jest już kilka tysięcy systemów wykonanych przez Wadim Plast, pracujących bezawaryjnie na rynku. I co najciekawsze - za bardzo przyzwoitą cenę. I co najważniejsze - jest to produkt polski.

Rys. 13. Test zmiany koloru przeprowadzony dla dyszy WP 16.

SYSTEMY GK - SEIKI

Jak wspomniano wcześniej, Wadim Plast podejmuje współpracę z japońską firmą Seiki Corporation w celu umożliwienia polskim  firmom rozwiązywanie najtrudniejszych tematów, których jest coraz więcej i z każdym rokiem będzie przybywać. Tym unikalnym rozwiązaniem Seiki jest termiczne otwieranie i zamykanie przewężki przez zastosowanie dodatkowej grzałki na końcówce Rys.14.

Rys.14. Idea rozwiązania dyszy z dodatkową grzałką na końcówce.

Rys.15. Cykl pracy dyszy z dodatkową grzałką na końcówce.

Cykl pracy dla takiej dyszy i rozkład temperatur w kanale pokazuje Rys.15. Na górnym lewym wykresie widzimy, jak zmienia się temperatura końcówki w zależności od strumienia mocy, zasilającego dodatkową grzałkę, zlokalizowaną blisko przewężki. Efekt, jaki można uzyskać dzięki takiemu rozwiązaniu, pokazuje Rys.16.

Rys.16. Po lewej stronie wypraska wtryskiwana dyszą tradycyjną, po prawej dyszą z grzałką na końcówce.

Pokazane dysze z dodatkowym grzaniem końcówki to tylko mały fragment oferty Seiki. Wszystkich zainteresowanych całą ofertą tej, nieznanej jeszcze szerzej na polskim rynku firmy, odsyłam na stronę www.seiki-hot.com i do kolegi Michała Kurleto na adres: michal.kurleto@wadim.com.pl

Wadim Plast od 22 lat oferuje polskim klientom systemy GK od wybranych europejskich dostawców, a od 13 lat są to również systemy własnej produkcji. Nie tylko oferujemy ten trudny technicznie produkt, ale skutecznie wspieramy klientów i użytkowników poprzez ścisłą współpracę na każdym etapie uruchamiania nowego produktu. Podążając razem z klientem, w każdym kolejnym kroku łańcucha wdrożeniowego wyrobu i formy, wspomagamy klienta w podjęciu właściwej decyzji. Poczynając od pełnej analizy technologicznej wypraski (wykonujemy symulacje w programie Cadmould i sprawdzamy, np. poprawność lokalizacji przewężki, deformacje wypraski, dobór wtryskarki), poprzez ofertę na system GK, za który bierzemy pełną odpowiedzialność, aż po ścisłą współpracę z konstruktorem formy i narzędziownią w zakresie poprawnej zabudowy i montażu systemu oraz wtryskownią, gdzie towarzyszymy technologowi przy wdrażaniu procesu i rozruchu formy.

Autor: Jerzy Dziewulski

Artykuł ukazał się w TS RAPORT 79/2017

Na górę