Capitolul 1 Teza Master (2) [309835]

1.1. Descrierea generală a unei mașini de turnat prin injecție

Concepte generale:

Fig.1.1 Granule de materiale termoplastice

(sursa: www.smartechsrl.eu)

Pentru a [anonimizat] o mașină de turnat prin injecție și o matriță (formă).

Fig.2.1 Exemplu de o mașină de turnat prin injecție

(sursa: www.bmb-spa.com)

Fig.1.3 Exemplu de o matriță cu 8 amprente

Principii de bază:

Granulele din materialul termoplastic se topesc la temperaturi cuprinse între 200-250 °C pentru a fi lichefiate.

Fiecare tip de material termoplastic (polipropilenă, polietilenă, policarbonat, metacrilat, poliamidă 6 – [anonimizat], poliester etc.) are caracteristica de a [anonimizat] a pierde caracteristicile acestora. [anonimizat], termoplasticul se topește de fiecare dată când este încălzit.

Amestecul de material termoplastic topit este "injectat" în cavitățile matriței unde este răcit în forma dorită.

Ciclu detaliat:

Fig.1.4. Secțiunea longitudinală a [anonimizat]: 1) planul de reacție, 2) închiderea cu dublă genuncheră, 3) extractor hidraulic, 4) planul mobil, 5) semi-matrița mobilă, 6) semi-matrița fixă, 7) duza de injecție, 8) planul fix, 9) camera de plastifiere, 10) rezistențe electrice pentru încălzire, 11) termocupluri, 12) șurubul alternant de plastifiere, 13) cilindrul de plastifiere, 14) coș pentru material, 15) pistonul de injecție,16) cilindrul de injecție, 17) motor hidraulic, 18) bază.

Materialul termoplastic este plasat în interiorul "coșului" (14) de unde cu gravitația cade în "cilindrul de plastifiere" (13). Șurubul de plastizare (12) [anonimizat] a [anonimizat]. În timpul acestei faze numită "plastifiere", materialul granulat este topit complet prin acțiunea de încălzire a "rezistențelor electrice de încălzire" (10) plasate pe partea exterioară a [anonimizat], datorită unui profil particular al filetului șurubului. Când materialul topit (sau amestecul) [anonimizat]-o [anonimizat] "vârful". [anonimizat] a cilindrului deoarece gaura de ieșire din față a cilindrului, denumită "duza de injecție" (7), este închisă. Șurubul de plastifiere trebuie să se deplaseze înapoi pentru a da loc amestecului topit în zona cilindrului dintre duză și vârf. Atunci când cantitatea de compus plastifiat este suficientă pentru a [anonimizat]. [anonimizat] (plasticul rece injectat în ciclul precedent) prin deschiderea ei prin mutarea "matriței mobile" (5) și expulzarea pieselor reci din cavități cu ajutorul "extractorului" (3); matrița este închisă cu cavitățile goale gata să primească amestecul topit care este plasat în cilindrul de plastifiere în cantitatea predeterminată. Forma trebuie să fie închisă cu o forță suficientă pentru a evita impactul injectării topiturii (de obicei zeci sau sute de tone). Pentru a continua cu injectarea amestecului în matriță, șurubul de plastifiere se mișcă înainte fără a se roti. Ca urmare a acestei deplasări, supapa vârfului se închide care împiedică întoarcerea amestecului spre filetul șurubului și care este forțat să treacă prin duza de injecție corespunzător deschisă. Amestecul trece prin canalele de alimentare până când umple complet cavitățile matriței. Forma este răcită cu o circulație forțată de apă rece, care trebuie să îndepărteze căldura din topitură pentru a aduce materialul termoplastic înapoi la temperatura camerei. În timpul fazei de răcire, scade temperatura topiturii: prin această variație crește densitatea, adică volumul său scade. Pentru a evita formarea de goluri în interiorul pieselor turnate se folosește "presiunea de susținere": șurubul continuă să exercite o presiune mai mică asupra materialului injectat pentru a compensa "contracția" materialului plasticul care se răcește.

Închiderea matriței

Apropierea duzei de injecție

Injecția amestecului în matriță

Rotirea șurubului de plastifiere

Deschiderea matriței

Expulzarea piesei turnate

Fig.1.5 Fazele unui ciclu de turnare

Indice de consum

Mașinile de turnare prin injecție a materialelor termoplastice au fost inițial realizate cu sisteme hidraulice. Acest sistem de manipulare a fost îmbunătățit și rafinat pentru a atinge nivelurile ridicate de producție de turnare cu o înaltă productivitate. Odată cu creșterea productivității am observat o creștere a consumului de energie electrică, pentru care am ridicat problema durabilității economice a acestei alegeri. Pentru a face o comparație corectă din punct de vedere al consumului de energie electrică, trebuie să luăm în considerare raportul consumului de energie electrică pentru prețurile produselor:

(1.1)

Prin măsurarea consumului de energie al mașinii de turnat prin injecție de înaltă productivitate, cu cât este mai mic timpul ciclului, cu atât mai mic este indicele de consum, deoarece, odată cu creșterea consumului, crește productivitatea instalației. Singura limită devine calitatea deoarece reducerea prea multă a timpului de ciclu de turnare, în timp ce răcirea matriței are nevoie de mai multă apă rece ajungem la condițiile limită pentru care materialul nu se poate răci suficient în matriță care nu-și va menține forma dorită.

Exemplu de calcul a indicelui de consum al unei mașini cu acționare hidraulică:

Considerăm turnarea unei cutii pentru DVD, în cristal de polistiren, pe o mașină de turnat cu acționare hidraulică produsă de BMB modelul KW250 /1300, cu matriță de 6 amprente:

Tabelul.1.1 Analiza indicelui de consum la schimbarea timpului de ciclu.

După cum reiese din scăderea timpului de ciclu de turnare, crește consumul de energie electrică, dar crește și mai mult productivitatea sistemului: odată cu micșorarea timpului de ciclu scade și indicele de cunsum.

De câțiva ani producătorii au început să construiască mașini de turnat prin injecție bazate pe unități de acționare electrice.

De asemenea, în cazul mașinilor electrice, este necesar să se recurgă la îmbunătățiri pentru creșterea productivității. Nu numai că este vorba de creșterea capacității de putere electrică a mașinii prin utilizarea motoarelor mai mari, dar este necesar să se recurgă la dispozitive mecanice speciale pentru a se asigura că uzura nu duce la o întreținere grea și scumpă a părților de transmisie a mișcărilor într-un timp relativ scurt.

De asemenea, software-ul de control trebuie să implementeze corecții speciale pentru a controla cu precizie nu numai mișcările și pozițiile, ci și vitezele și presiunile.

În ciuda costului de producție mai mic al unei mașini cu acționare electrică, decât a celei cu acționare hidraulică, merită verificată diferența dintre consumul electric utilizat pentru producere, spre obținerea datelor în câți ani va fi amortizat costul de achiziție prin economisirea de energie electrică.

În cazul turnării piesei examinate anterior, consumul devine:

Tabelul 1.2 Analiza indicelui de consum la o mașină cu acționare electrică.

De asemenea, trebuie să se considere că în cazul mașinii acționate electric nu există uleiul din circuitul hidraulic și, prin urmare, se economisește povara răcirii sale. Cunoașterea cantității de căldură care necesită de a fi eliminată din sistemul hidraulic și coeficientul de performanță COP a mașinii frigorifice utilizate pentru răcirea acestuia, consumul electric al frigiderului este valabil:

(1.2)
O economie suplimentară în utilizarea mașinii de turnat prin injecție cu acționare electrică constă în reducerea deșeurilor datorită preciziei mai mari a mașinii electrice atât în timpul funcționării normale, cât și în faza de început a producției.

1.2. Acționarea hidraulică a mecanismelor la mașina de injectat mase plastice în matriță

Motorul hidraulic este o mașină proiectată pentru a transforma energia furnizată de o sursă în energie mecanică prin intermediul unei pompe care creează o presiune a uleiului de motor. Presiunea obținută din ulei generează o forță în raport cu suprafața, ceea ce face ca motorul să se rotească sau să deplaseze sarcina. Este posibil să se determine în mod ideal puterea, și prin urmare, și cuplul generat de motorul hidraulic prin calcularea puterii: luând în considerare pierderile de sarcină zero, atunci puterea generată de motorul electric egală cu puterea necesară motorului hidraulic, pentru a acționa mișcările mașinii.

Fig.1.6. Motor hidraulic cu pistoni în stea cuplat direct la șurubul de plasticizare

(sursă: www.bmb-spa.com)

Din cuplul oferit se calculează debitul absorbit (l/min), adică cantitatea de ulei necesară pentru a garanta funcționarea corectă a pompei și de a asigura rotirea motorului hidraulic:

(1.3)

De aici se obține capacitatea cilindrică necesară:

(1.4)

Este necesar de luat în considerare că un motor hidraulic funcționează numai cu un ∆p, adică cu o diferență de presiune dintre intrare și ieșire așadar ce se referă la motorul hidraulic trebuie să se țină cont de:

(1.5)

Deci formula pentru calculul volumului de ulei necesar motorului hidraulic pentru a face un anumit număr de rotații rpm, și care este necesară pentru dimensionarea pompei de alimentare cu ulei este:

(1.6)

C = capacitatea volumetrică a motorului în cm3

∆p = diferența de presiune la intrare și la ieșire

ηm = randamentul mecanic ~ 98%

Este necesar să se calculeze debitul masic și deplasarea pentru a determina mărimea motorului și cantitatea de ulei cerută: costul întreținerii uleiului este unul dintre elementele care afectează costurile de producție în procesul de turnare cu prese hidraulice. Un indice important care influențează decizia de a cumpăra o mașină specifică este eficiența: într-un motor hidraulic eficiența generală este dată de produsul randamentului volumetric și de eficiența mecanic-hidraulică. În plus față de pierderile mecanice cauzate de frecare, datorită pierderilor de presiune în interior și în exterior, eficiența este redusă, ceea ce va afecta performanța mașinii.

Sistemul hidraulic este compus din trei elemente fundamentale: grupul de generatoare care se ocupă de transformarea energiei; grupul de control, care condiționează uleiul de motor și îl menține la presiunea și temperatura prestabilite; în final, grupul de utilizare constând din dispozitive de acționare (pistoane) de diferite tipuri.

Componentele unui motor hidraulic sunt:

Unitate hidraulică. Conectat, prin conductele acoperite, în toate zonele de presare mecanice ale presei. Se compune dintr-o pompă cu scufundare care presurizează uleiul, un manometru pentru controlul presiunii, motorul asincron trifazat și un schimbător de căldură (pentru a crește eficiența motorului);

Rezervorul de ulei. Receptor de capacitate adecvată pentru a disipa căldura generată în timpul funcționării mașinilor. În interiorul rezervorului există un senzor pentru verificarea presiunii și a temperaturii uleiului, care este esențială pentru funcționarea corectă a sistemului;

Pistoni sau actuatori hidraulici. Ei transformă energia produsă de pompă în energie mecanică;

Acumulatoare. Acestea sunt dispozitive care stochează energia pentru a le livra numai atunci când este cerută de circuit;

Supape. Există supape pentru verificarea presiunii lichidului de motor (presiune maximă, pierderi de presiune) și supape pentru controlul debitului (non-returnare, reglementare și distribuție). Datorită utilizării regulatoarelor, este posibil să se ofere o logică de funcționare sistemului hidraulic, garantându-i siguranța;

Uleiul de motor sau lichidul. Este componenta care interacționează cu toate elementele unui motor hidraulic; are funcția de a transporta energia de la generator la utilizator (în acest caz pistonul); în plus, uleiul de motor are rolul de a lubrifia articulațiile elementelor mecanice și de a elimina căldura, reducând costurile pentru sistemele de răcire suplimentare.

Fig. 1.7. Elementele de acționare ale mașinii hidraulice.

1.2.1. Principiul de funcționare a unui motor hidraulic

Energia pornește de la motorul asincron trifazat, un dispozitiv care convertește energia electrică în energie mecanică, care pune pompa în mișcare. Energia acumulată sub formă de compresie într-un lichid este practic zero, deoarece uleiul de motor este un fluid incompresibil. Din formula de lucru pentru sistemele închise se vede că: astfel lucrul acumulat este egal cu zero deoarece volumul nu se schimbă. Dacă luăm în considerare sistemul cu ieșire și, prin urmare, lucrul necesar pentru pomparea lichidului în pompă, este minim.

Este necesară prezența acumulatorilor, pentru stocarea energiei mecanice și livrarea acesteia atunci când este necesar, pentru a compensa pierderile de sarcină în timpul tranzitorilor. Acumulatorii sunt componente care conțin azot în interior și acționează ca un "plămân" al uleiului: îl mențin în mișcare constantă, astfel încât să varieze viteza cu care acesta circulă în circuit, ceea ce determină presiunea interioară. Pistoanele sunt conduse de uleiul de motor sub presiune și pornesc șurubul de plastifiere, făcându-l să efectueze o mișcare de translație. Unitatea de comandă se află în partea anterioară a unității de plasticizare (în partea dreaptă a mașinii) și alimentează atât unitatea de injecție, cât și unitatea de închidere a mașinii, de aceea un singur motor garantează mișcarea tuturor componentelor mașinii cu acționare hidraulică.

Puterea necesară alimentării pompei, care corespunde puterii necesare funcționării motorului, este:

(1.7)

Deci: puterea pompei hidraulice, dată de produsul presiunii [Pa] și viteza de curgere a fluidului motor furnizat [lt/s].

Motorul descris este montat pe mașinile de turnat prin injecție care sânt compuse din toate componentele descrise precedent. Puterea generată de motorul hidraulic generează forțele necesare pentru a deplasa șurubul de plasticizare spre zona de injecție; în același timp, asigură forța de strângere a unității de închidere, ceea ce permite închiderea matriței. Un sistem hidraulic unic, dotat cu unitate de control, furnizează energia necesară pentru toate componentele mecanice, datorită trecerii fluidului de motor prin țevi acoperite și izolate.

Limitele de funcționare ale unei mașini de turnat prin injecție acționată hidraulic sunt:

Forță de închidere între 900 și 70000 kN;

Capacitatea de injecție între 350 și 65000 cm3.

1.2.2. Avantajele și dezavantajele mașinii de turnat prin injecție cu acționare hidraulică.

Fluidul motor care curge de-a lungul circuitului hidraulic, în plus față de generarea energiei pentru funcționarea componentelor, are de asemenea funcția de a elimina căldura și de a reduce frecarea dintre articulațiile mecanice: aceasta face posibilă de a nu utiliza instalații suplimentare pentru răcire și pentru lubrifiere. O instalație auxiliară presupune costuri mai mari, prin urmare, din punct de vedere economic, utilizarea uleiului de motor este mai ieftină deoarece un singur element îndeplinește trei funcții.

Având în vedere dezvoltarea tehnologică care a implicat sectorul hidraulicii cu câteva decenii în urmă, putem considera un motor hidraulic ca un dispozitiv de utilizare zilnică, astfel încât costurile asociate acestuia sunt mai mici decât a unui motor electric, așa cum a fost deja efectuat un studiu pentru a minimiza costurile de producere a unui motor de acest tip; atunci costul de achiziție al unui sistem hidraulic de acționare este redus comparativ cu costul unui sistem electric cu aceeași ieșire de putere.

Mai mult decât atât, în ceea ce privește avantajele, mașinile acționate electric au forțe mai mici decât cele hidraulice cu aceeași putere a motorului, de aceea au presiuni de injecție chiar mai mici.

Dezavantajul major al unei mașini de turnat prin injecție cu acționare hidraulică care ne-a împins către o evoluție tehnologică a procesului de turnare este consumul de energie electrică. Motorul hidraulic este totuși conectat la o unitate electrică externă care funcționează la puterea sa maximă în fiecare fază a procesului de turnare: chiar și când mecanismele staționează (de exemplu: în faza de răcire), presiunea uleiului trebuie să fie maximă pentru a menține cele două jumătăți de matriță blocate. Dacă apare o pierdere de putere, matrița se deschide, generând o piesă turnată cu defecte sau rebut. Lucrul la putere maximă înseamnă costuri mari pentru consumul de energie electrică.

Pentru a lua în considerare printre dezavantaje este și utilizarea uleiului de motor, care își pierde caracteristicile vâscoase după 8000-9000 de ore de lucru și, prin urmare, trebuie înlocuit. Utilizarea uleiului de motor, pe lângă creșterea costurilor de întreținere datorate înlocuirii uleiului, are un impact negativ asupra mediului cauzat de perderile fluidului motor.

În plus, pistoanele și alte componente ale unității de comandă (acumulatori, supape, garnituri de etanșare și filtre) trebuie să fie în continuă mentenanță pentru a evita fenomenele de scurgere. Mentenanța preventivă este esențială deoarece, în cazul în care scurgerile de ulei nu sunt vizibile cu ochiul liber, în plus față de pierderea eficienței în producție, este posibil, de a pune în primejdie siguranța operatorilor pentru riscul de jeturi foarte inflamabile. Costul întreținerii preventive este semnificativ care afectează costul producției.

La turnarea prin injecție, sunt necesare viteze mari de progresare pentru a reduce la minim timpul ciclului, dar pentru curse prelungite și rapide, sunt afectate negativ din cauza viscozității uleiului și pierderile de sarcină asociate acestuia. Acest factor limitator al pierderilor de putere din cauza fricțiunii este întotdeauna prezent într-o mașină hidraulică, astfel încât eficiența mașinii va fi întotdeauna mai mică decât oa unei mașini electrice cu aceeași putere instalată, afectând negativ productivitatea (amintiți-vă că prin căderi de presiune înseamnă că presiunea de injecție este redusă, cu posibilitatea de a obține piese de rebut într-un procent mai mare). Energia disipată prin frecare se transformă în căldură, care încălzește uleiul de motor, pierzând caracteristicile ideale necesare.

Se poate considera ceea ce se întâmplă într-un circuit hidraulic, ca și cum ar fi într-o "cutie neagră": este creată o idee orientativă prin calculele și controlul manometrului asupra valorilor presiunilor interne, cursei de progresare, temperaturilor etc, ele sunt variabile care pot fi calculate cu formule adecvate, acestea nu sunt măsurate. Imposibilitatea instalării senzorilor în interiorul componentelor hidraulice implică valori ale variabilelor inexacte, care afectează în mod negativ repetabilitatea procesului și controlul. O problemă frecvent întâlnită se află în poziția închiderii matriței și a poziției șurubului alternant: un control de poziție inexact nu garantează că după n cicluri, ciclul n+1 are o poziție, a jumătății matriței mobile, identică cu cea inițială, care, în limita cazului, poate genera și o piesă neconformă.

O analiză finală a aspectelor negative, dar nu mai puțin importantă, se referă la zgomotul sistemului: o mașină de turnat prin injecție proiectată cu acționare hidraulică are un nivel ridicat de zgomot în comparație cu un motor electric, care depășește adesea chiar nivelul permis de reglementări. Un nivel ridicat de zgomot afectează mai ales concentrația operatorilor care trebuie să urmărescă mașina, reducând nivelul de eficiență a producției.

1.3. Acționarea electrică a mecanismelor de la mașina de injectat mase plastice în matriță

Motorul electric este un dispozitiv complet electric care convertește energia furnizată de rețeaua electrică trifazată în energie mecanică, presupunând că motorul însuși este un actuator.

Motorul electric este compus dintr-un stator și un rotor, care joacă un rol diferit în cazul unui motor asincron sau sincron. Statorul este partea fixă a motorului și este echipat cu două înfășurări pentru fiecare fază a tensiunii furnizate, în timp ce rotorul scurtcircuit plasat în interiorul statorului este liber să se rotească de-a lungul aceluiași arbore de rotație a statorului.

În principalele caracteristici ale dispozitivelor (asincrone), viteza de rotație a rotorului generată de forța electromotoare indusă în întrefier adică în spațiul de aer dintre stator și rotor este întotdeauna mai mică decât cea a câmpului magnetic genereată de înfășurările statorice, care este constantă.

Puterea generată de un motor asincron este dată de:

(1.8)

cu cuplul C exprimat în N/m și ω este viteza unghiulară de rotație în rad/s.

Într-un motor sincron, se produce condiția de sincronizare dintre rotor și stator: ambele componente pornesc același arbore de rotație la aceeași viteză unghială ω, care este dată de frecvența rețelei (rețineți că ω=2πf, unde f este frecvența rețelei de alimentare ). În acest caz, nu mai există fenomene de alunecare, adică diferența dintre viteza relativă a câmpului magnetic generată de înfășurările statorului și viteza relativă a rotorului.

Preferăm utilizarea celei de-a doua categorii de motoare pentru cea mai bună performanță în ceea ce privește precizia, fiabilitatea și cuplul; în plus, aceste sisteme sunt mai puțin zgomotoase și au o durată de viață utilă mai mare a componentelor mecanice (valabile pentru motoare fără perii, brushless). Dispozitivele sincrone utilizate la turnarea prin injecție pot fi de două tipuri: motoare de la care transmisia se efectuează prin curea sau motoare directe (liniare).

Sistemele de transmisie tradiționale constau în motoare montate în afara mașinii (într-o poziție mai înaltă decât partea de injecție) conectate la șurubul cu bile printr-un reductor de viteză. Reductorul este un mecanism capabil să modifice raportul de viteză și raportul de cuplu prin utilizarea a două sau mai multe roți dințate care reușesc să transfere puterea de la un motor de tip rotativ la partea mașinii care va trebui să efectueze o mișcare de translație.

Să luăm în considerare formula (1.8) care calculează puterea de ieșire de la utilizator; dacă se dorește ca cuplul să crească, cu aceeași putere la ieșire, trebuie doar să reducem viteza unghiulară. Se ia o roată secundară care acționează ca un reductor cu o dimensiune egală cu jumătate din prima roată, atunci vitez ω2 va fi egală cu . Dacă echivalăm C1ω1=C2ω2 (presupunând că motorul oferă aceeași putere) obținem o valoare a cuplului egală cu C2 = 2C1.

Pentru transmiterea cuplului de la un arbore la altul sunt folosite așa numitele curele sincrone care sunt caracterizate printr-o dantură interioară (din acest motiv ele sunt în mod normal identificate ca curele dințate). Profilul danturii are forme diferite, în funcție de tipul de curea, pentru a obține performanțe diferite în ceea ce privește cuplul transmis, zgomot redus și eficiență. Capacitatea de transmitere a energiei este, evident, garantată de angrenajul dințării centurii cu o roată dințată adecvată. Acestea sunt numite sincrone deoarece, spre deosebire de curelele trapezoidale, nu poate exista o alunecare între centură și scripete, determinând astfel o precizie excelentă de poziționare și o viteză precisă sincronă între scripete și centură.

Sistemul tradițional cu reductor nu este cea mai avantajoasă, deoarece necesită multă întreținere și lubrifiere: dacă curelele de transmisie sunt uzate, acestea sunt supuse la pierderi de putere în timpul fazei de transmisie. De asemenea, are un impact negativ asupra mărimii și zgomotului mașinilor: un motor pe două niveluri (cu reductor) implică un spațiu mai mare ocupat în cadrul structurii încăperii.

Fig.1.8. Sistemul tradițional cu reductor și curea

Motorul direct este preferat în raport cu transmisia curelei, deoarece reductorul care urma să fie aplicat pe curea este eliminat, totodată întreținere cu risc mai mare de uzură, prin urmare mai mult spațiu și mai puțină flexibilitate în asamblare.

Sistemele directe sunt dispozitive din punct de vedere tehnic mai inovatoare: introducerea lor în lumea mașinilor de turnat materii plastice a avut loc abia acum câțiva ani, de fapt, nivelul de perfecționare a motoarelor directe nu a fost încă atins. Motoarele directe realizează mișcarea rotativă fără transmisie mecanică. Acestea sunt dispozitive sincrone trifazate cu excitație permanentă și, spre deosebire de motoarele cu transmisie tradițională, ele constau doar dintr-un rotor și un stator: reductorul de viteză și centurile au fost eliminate. Servomotorul în sine generează energia mecanică necesară sarcinii.

Performanța unui motor direct este influențată de numai două variabile: cuplul de acționare și momentul inerției în raport cu axa de rotație. Este de remarcat faptul că, spre deosebire de motorul tradițional, în calculul performanțelor nu mai există variabile fizice care să modifice capacitatea motorului. Pe de altă parte, în motorul direct, există o supraîncălzire ridicată datorită efectului Joule: prin urmare, este necesar să se instaleze un sistem auxiliar de răcire pentru motor.

Fig. 1.9. Motor brushless cuplat direct la șurubul de plasticizare

(sursa: www.bmb-spa.com)

Absența componentelor mecanice permite depășirea limitelor tehnologice, cum ar fi:

Se elimină fenomenul uzurii, reducerea fricțiunii, defectele ciclice minore ale mișcării, oscilațiile minore și inerția mai mică;

Zgomot redus din cauza răcirii cu apă și nu mai este cu aer;

Creșterea eficienței energetice a motorului și a eficienței transmisiei mișcării. Dacă considerăm în mod ideal o eficiență a motorului direct 𝜂dir=1, eficiența aceluiași motor cu curele tradiționale, cu aceeași putere, va fi 0,8 <𝜂indir< 0,9;

Mai puțin spațiu ocupat: un motor direct nu mai este dispus pe două nivele, ci în același plan cu șurubul de plastifiere. Având mai puțin spațiu ocupat înseamnă mai mult spațiu pentru instalarea altor mașini în același loc și un cost mai mic de montare a motorului, având în vedere structura cea mai simplă;

Mai puțină întreținere;

Controlul poziției: spre deosebire de sistemul de comandă al unui motor tradițional, bazat pe condițiile mecanice ale reductorului de viteză (jocuri, fricțiuni, geometrii), controlul unui sistem direct cu buclă închisă permite stabilirea unor limite de înaltă precizie și insuperabile în ceea ce privește poziția.

Fig.1.10. Motor sincron trifazat SIMOTICS cu sistem de răcire cu apă.

(sursa: mall.industry.siemens.com)

Este important să se facă distincția între opțiunile tehnologice pentru construcția mașinilor de turnat prin injecție produse pentru piața europeană și nu cea japoneză: prima se îndreaptă spre o gamă de motoare directe, cele mai recente brevete fiind Torque(fig.1.10.); în timp ce în Japonia preferă un sistem tradițional de centuri.

După cum se poate vedea din figura (1.11), în comparație cu o mașină de turnat prin injecție acționată hidraulic care generează aceleași presiuni de injecție și de închidere,respectiv pentru una cu acționare electrică sunt necesare mai multe motoare: două poziționate în unitatea de plasticizare (unu pentru încărcare și unu pentru injecție) și două în grupul de închidere, respectiv pentru închiderea însăși și pentru a contracara presiunea de injecție care la rândul său tinde de a deschide matrița.

Impactul economic al celor patru servomotoare electrice este considerabil în faza investițională de achiziție a mașinilor, însă permite o recuperare rapidă într-o perioadă de timp relativ scurtă datorită productivității ridicate grație eficienței maxime și costurilor de întreținere preventivă practic zero.

Pentru conversia mișcării de rotație generată de motorul cuplat direct sau de la reductorul cu curele, șuruburile cu bile recirculante sunt poziționate între șurubul de plasticizare și motorul însuși, care, la rândul său, transformă mișcarea rotativă într-o mișcare de translație prin care face ca șurubul să se miște către duza de injecție. În mașinile de turnat prin injecție mai inovative din punct de vedere tehnologic se montează șuruburile recirculare performante cu role, care au o suprafață de contact mai mare și care permite transportul unei cantități mai mari de energie, minimizând uzura componentelor mecanice.

O caracteristică bună care poate favoriza achiziționarea unei mașini acționată complet electric este întreținerea: sistemul electric instalat nu are nevoie de aceeași întreținere preventivă ca o unitate hidraulică, astfel încât, în cazul ideal, costurile de întreținere pot fi considerate practic zero. Pe de altă parte, dacă o componentă a unuia dintre servomotoare ar avea probleme, este necesar să se înlocuiască întregul motor, ceea ce ar avea un impact negativ asupra bugetului anual.

Fig.1.11. Schema unei mașini acționate electric

O altă caracteristică importantă a mașinilor cu acționare electrică este sistemul de control al vitezei: datorită controlului cu buclă închisă cu encodere optice poziționate în interiorul unității de injectare, este posibilă realizarea unei "raze X" în interiorul mașinii; măsurând precis valorile presiunii, temperaturii și vitezei la fiecare punct. Această caracteristică are o importanță fundamentală în ceea ce privește eficiența producției, deoarece garantează o repetabilitate excelentă a ciclului de producție, datorită preciziei absolute a poziției matrițelor și cunoașterii precise a variabilelor interne în timpul fiecărei faze a procesului.

Ca și în cazul mașinilor de turnat prin injecție cu acționare hidraulică, mașinile cu motoare directe sau tradiționale cu curele sunt compuse din toate componentele descrise în subcapitolul precedent. Ele diferă de cele hidraulice pin sistemul de acționare a elementelor mecanice, la care este complet electric.

Limitele operative ale unei mașini de turnat prin injecție cu acționare electrică sunt:

Forță de închidere între 700 și 37000 kN;

Capacitatea de injecție între 250 și 41000 cm3

1.3.1. Economisirea energiei

Economisirea energiei este cel mai mare avantaj a mașinilor cu acționare electrică: în aceeași mașină cu acționare hidraulică, uleiul utilizat pentru transmiterea energiei trebuie să funcționeze întotdeauna la presiunea maximă, astfel încât consumul de energie electrică a motorului care furnizează energie la toate circuitele hidraulice este maxim; într-o mașină acționată electric, pe de altă parte, energia furnizată este maximă numai în fazele de deschidere și închidere a matriței și în timpul injecție. În celelalte secvențe de întreținere se poate considera consumul de energie practic nul.

Dacă se calculează media puterii instantanee în ambele mașini, este ușor de văzut cum într-o mașină cu acționare hidraulică energia livrată este întotdeauna maximă (ceea ce se traduce într-un consum maxim de energie electrică), în timp ce într-o mașină cu acționare electrică puterea medie livrată este de aproximativ 50% mai mică.

Fig.1.12. Comparația consumului de energie a unei mașini cu acționare hidraulică și a unei cu acționare electrică

Mai mult, în timpul frânării sistemului de închidere, energia este recuperată și returnată sub forma unui curent electric. Soluția cu motor electric a făcut posibilă eliminarea consumului de energie electrică ca un cost predominant. De exemplu, conform (fig. 1.11), vedem că consumul mediu al unei mașinicu acționare hidraulică este de aproximativ 6,5 kWh, în timp ce pentru aceeași mașină cu acționare electrică, care produce același produs, având un consum mediu de aproximativ 2 kWh.

1.3.2. Reducerea consumului de apă / ulei

Mașinile de turnat prin injecție hidraulice au nevoie de ulei de motor pentru a transmite energia, lubrifia și răci componentele mecanice ale mașinilor. În mediu, o mașină conține circa 700 de litri de fluid de motor, care trebuie să fie înlocuit cu ulei nou la fiecare 8000 de ore de lucru. Acest lucru nu se întâmplă în cazul mișinilor acționate electric: transmisia mișcării are loc datorită energiei electrice convertite în mecanică. Nu există lichid de motor care curge în interiorul circuitului.

Fig. 1.13. Economisirea de apă a două mașini hidraulice și electrice în comparație

Totuși, mașina va avea nevoie de o mică instalație externă pentru răcirea matrițelor (de obicei cu apă) poziționate în grupul de închidere. Mai mult decât atât, este întotdeauna prezent un sistem de lubrifiere a îmbinărilor și de funcționare a extractoarelor. Pentru funcționarea acestor ultime componente este esențial să existe un rezervor mic cu fluid de motor: uleiul sub presiune obținut împinge înainte pistoanele necesare pentru a acționa extractoarele către centrul matriței. Pe piață există, de asemenea, soluții cu extractoare pneumatice, dar acestea sunt mai puțin precise decât cele hidraulice.

Se poate spune astfel că, chiar dacă mașinile de turnat prin injecție cu acționare electrică necesită un sistem auxiliar de apă, debitele de apă și fluid necesare pentru funcționare sunt neglijabile în comparație cu cele ale unei prese hidraulice. De asemenea, trebuie remarcat faptul că, dacă este aleasă o mașină cu un motor direct, este necesar un sistem pentru a elimina căldura generată de efectul Joule și în zona de injecție, ceea ce nu este necesar pentru mașinile tradiționale acționate de motoare cu reductor.

După cum sa explicat în interviul acordat de compania producătoare de software de supraveghere Piovan, pentru a monitoriza consumul de energie și de apă, pe piață sunt prezente diverse programe, cum ar fi monitorul consumului de energie de către „Winenergy”. Acest software permite măsurarea utilizării efective a energiei, atât a mașinii în întregime cât și a unei instalații specifice, conectat la o serie de instrumente de măsurare capabile să detecteze date referitoare la diferite mărimi fizice, cum ar fi puterea, energia electrică, energia termică, debitul de fluid, temperatura, care oferă grafice referitor la consumul real în wați. Faptul de a cunoaște datele privind consumul trebuie considerat un avantaj deoarece permite evaluarea modului în care trebuie să se intervină corect pentru a reduce la minim rebutul producției companiei.

1.3.3. Avantaje și dezavantaje mașinii de turnat prin injecție cu acționare electrică

Dezavantajele descrise mai sus pentru o mașină cu acționare hidraulică sunt punctele forte ale unei mașini cu acționare electrică: mai întâi trebuie să subliniem economiile de energie de circa 50% din energia electrică; în al doilea rând eliminarea costurilor de întreținere. Următoarele sunt îmbunătățiri considerabile privind: eficiența producției, repetabilitatea, precizia, zgomotul, reducerea timpului ciclului, calitatea superioară a produsului.

Evident, și mașinile cu acționare electrică au unele dezavantaje, care pot avea un impact puternic asupra alegerii unei mașini cu acționare electrică: datorită tehnologiei sofisticate utilizate pentru construcția lor (în special pentru servomotoarele directe), costurile pentru proiectarea și producerea componentelor, au un impact considerabil asupra investiție care este mult mai mare decât pentru o mașină cu acționare hidraulică care generează aceeași putere.

Un al doilea punct negativ este legat de întreținerea extraordinară: în cazul unei defecțiuni a motorului, dacă înainte era posibilă înlocuirea componentelor specifice (de exemplu un acumulator) cu aceste mașini acționate electric în totalitate, este obligatoriu să fie schimbat motorul întegral, costul acestuia fiind semnificativ mai mare.

Mai mult decât atât, o limită care poate afecta în unele cazuri este energia furnizată: cu aceeași capacitate al motorului, mașinile cu acționare electrică nu sunt încă capabile să se potrivească cu mașinile cu acționare hidraulică în ceea ce privește puterea.

Precizia absolută a fost obținută în mașinile de turnat prin injecție cu acționare electrică datorită introducerii sistemelor informatice de control. Sistem de control CNC până în anii '80, dispozitivele CNC au fost montate pe mașini de prelucrare cu precizie ridicată. În zilele noastre sunt asamblate pe mașinile de turnat prin injecție tehnologic avansate, cum ar fi cele cu acționate electric. De fapt, mașinile echipate cu Computer Numerical Control sunt considerate toate ca mașini-unelte: nu mai este necesară setarea profilurilor de viteză de deschidere și închidere, doar setarea poziției și vitezei; CNC va continua să atingă poziția setată cu viteza corectă și precizia absolută. Sistemele controlate cu CNC garantează o eficiență maximă a producției, precizia și fiabilitatea poziției absolute.

Presiunea cavității: senzorii de presiune direct sau indirect sunt plasați în matriță: cele directe sunt introduse în interiorul matriței; indirecte, mai sofisticate și utilizate pentru producția de articole mici, sunt poziționate în spatele pinului extractor. Măsurarea presiunii în interiorul tuturor cavităților matriței (adică tendința de presiune în toate amprentele) este sinonimă cu calitatea și optimizarea procesului de producție la scară largă. Ceea ce permite de a avea informații importante despre procesul de turnare, controlul producției și analiza calității produsului, este ca și cum am putea vedea ce se întâmplă în interiorul matriței.

Măsurarea presiunii cavității are un dublu avantaj: trece corect de la presiunea de injectare la presiunea de susținere, stabilizând procesul de turnare; permite monitorizarea presiunii cavității pentru a se asigura că fiecare figură este umplută corect și funcțional, aducând producția la o eficiență maximă. Sistemele de control al presiunii folosesc curbele pentru tendința de presiune din fiecare cavitate care semnalizează orice neregularitate. Senzorii sunt o componentă indispensabilă pentru companiile care operează în sectoare cu caracteristici de calitate destul de stricte: în sectorul automobilelor, stabilitatea proceselor de producție și trasabilitatea acestora trebuie garantate.

1.4. Mașinile cu dublă acționare supranumite hibride

În unele cazuri de turnare mai complexă din punct de vedere tehnic se poate întâmpla ca nu se recomandă fabricarea articolului fie cu o mașină hidraulică, fie cu o mașină electrică. Pentru a rezolva această necesitate, a fost introdus un compromis între cele două mașini la începutul anilor 2000, ceea ce face posibilă combinarea caracteristicilor ambelor: se naște mașină hibridă.

Diferența fundamentală față de celelalte două mașini de turnat prin injecție descrise anterior este tipul de unitate. În unitatea de injectare există un motor electric pentru acționarea șuruburilor cu role de recirculare și un motor hidraulic pentru antrenarea șurubului de perforare; în unitatea de închidere, pe de altă parte, există două motoare pentru închiderea acționată electric.

Datorită utilizării servomotoarelor electrice, mașina garantează o reducere excelentă a consumului de energie (în jur de 30% – 40%), cu recuperarea energiei în timpul frânării. De asemenea, menține toate calitățile unei mașini cu acționare electrică, cum ar fi: precizie mare, optimizarea timpilor ciclului, viteza mare, controlul numeric simplu și intuitiv, zgomot redus, repetabilitatea procesului, eficiența.

Aspectul negativ al mașinilor hibride este același ca și la mașinile hidraulice: o creștere a costurilor legate de întreținerea preventivă cauzată de introducerea unității hidraulice a motorului hidraulic și o reducere a acurateței mașinii, cauzată de prezența uleiului. Prin urmare, o mașină hibridă, cum ar fi o mașină hidraulică, nu va fi potrivită pentru producerea de produse farmaceutice.

O analiză care compară o mașină hibridă și o mașină acționată hidraulic arată datele referitoare la consumul de energie electrică din tabel:

Tabelul 1.3. Comparația consumului a unei mașini hibride și a uneia hidraulice

Este ușor de observat diferențele care caracterizează tipul de acționare a mașinilor de turnat prin injecție:

Mașina de turnat prin injecție cu acționare hidraulică: motor unic hidraulic care acționează unitatea de injecție și unitatea de închidere, conectate la diferite părți mecanice prin conducte acoperite și protejate.

Mașina de turnat prin injecție acționată electric: două motoare electrice pentru unitatea de injectare (unu pentru șuruburile cu recirculare de bile / role, unu pentru antrenarea șurubului de plasticizare) care poate fi directă sau tradițională cu curele, două motoare brushless fără perii pentru grupul de închidere.

Mașina de turnat prin injecție cu dublă acționare (hibridă): este o combinație a celor precedente. Un motor electric direct sau tradițional pentru funcționarea șuruburile cu recirculare de bile / role, în unitatea de injectare, un motor hidraulic pentru șurubul de perforare, în timp ce în grupul de închidere există două motoare brushless fără perii pentru cursa de închidere/deschidere a matriței, totalul a trei motoare electrice și unul hidraulic.

1.5. Situația actuală privind acționările la mașina de injectat mase plastice din punct de vedere a eficienței energetice

Locul mașinilor tradiționale de turnat prin injecție îl preiau mașinile energo-eficiente care au capacitatea de a economisi 30-50% chiar în unele cazuri până la 70% din consumul de energie. Mecanismele de turnare prin injecție eficiente din punct de vedere energetic au fost disponibile de aproape trei decenii, iar dispozitivele de economisire a energiei, cum ar fi servopompele, izolația camerei de plasticizare, au fost utilizate pe mașinile de turnat prin injecție pentru aceeași perioadă.

După ani de condiții de producere mai lentă, sa ajuns la o concurență de piață la care producătorii sunt nevoiți să scadă prețurile, dar totodată, pentru a se menține trebuie mărite volumurile producerii. Asta fiind o explicație justificată dece producătorii sunt recent conștienți de importanța economisirii de energie. Există, de asemenea, o tendință de creștere a utilizării mașinilor cu acționare electrică în europa unde rata acestora continuă să reprezinte doar 15% – 20% din vânzările de mașini de turnat prin injecție, în timp ce mașinile hidraulice și cele hibrid reprezintă 80% – 85% pe un studiu pentru Euromap. În Japonia însă 80% din vânzările mașinilor de turnare prin injecție sunt toate cu acționare electrică față de 20% hidraulice și hibride, iar în S.U.A. vânzările sunt aproximativ 50/50.

Fig. 1.14. Numărul mașinilor de turnat prin injecție în Europa în procente.

(sursa:Euromap)

Atât pentru producătorii de echipamente, cât și pentru echipamentele ulterioare, dispozitivele de bază pentru economisirea energiei pe mașinile de turnare prin injecție sunt unități de frecvență variabile, cunoscute și ca invertoare și servo-drive-uri. Motoarele standard cu curent alternativ pot fi echipate cu convertizoare cu frecvență variabilă pentru a controla viteza motorului, astfel încât motorul să se rotească exact la turația necesară pentru a pompa presiunea corectă a uleiului pentru proces.

Energia electrică directă, cu o unitate de frecvență variabilă și un motor AC, va fi cu 50% mai eficientă din punct de vedere energetic decât sistemele hidraulice tradiționale și cu 20% -30% mai eficientă decât servo-hidraulica modernă pentru orice funcție a mașinii, deoarece sistemul hidraulic pierde între 20% și 30% din energie la cele două conversii. Mai întâi, energia electrică este transformată în energie hidraulică; apoi energia hidraulică este transformată în energie mecanică. Deoarece plasticizarea folosește cea mai multă energie, transformarea plasticizării în energie electrică economisește cel mai mult. De asemenea, reduce dimensiunile pompelor hidraulice rămase necesare și cantitatea de ulei hidraulic dintr-o mașină hibridă.

Un motor de cuplu sincron cu cuplare directă în locul de un invertor / motor de curent alternativ cu reductor, economisește energia pierdută în reductor (1,5% -2% din energia pentru această funcție). Motoarele electrice pierd aproximativ 8% din energie la conversia puterii de rotație în putere liniară, de obicei cu un șurub convențional cu bilă.

Toate mașinile acționate electric au și limite de dimensiune datorită costului mare al motoarelor. Cea mai mare mașină electrică este de 33000 kN forță de strângere, față de 70000 pentru cele mai mari mașini hidraulice. Cei de la compania JSW au construit mașini cu presiune electrică de 33000 de kN pentru aplicații auto. Pentru a atinge acestă forță cu acționarea electrică, a fost novoie de a utiliza patru motoare mari în sincronizare. Cele mai multe mașini electrice sunt mai mici de 3500 kN. Peste această mărime, hibridele cu servo hidraulică devin mai rentabile.

Un alt motiv pentru care injecția hidraulică este încă populară în Europa este că hidraulica are o densitate de energie de aproximativ cinci ori mai mare decât motoarele electrice. Mult se utilizează de asemenea sisteme hidraulice pentru operațiunile de bază, astfel încât pe mașinile hibride europene se folosesc de obicei hidraulica pentru injecție și forța de strângere realizată cu pompe servo-hidraulice eficiente energetic. Economisirea principală de la punerea în funcțiune a dispozitivelor de turație variabilă provine de la oprirea pompelor în timpul răcirii, care poate fi de lungă durată pentru piesele mari.

Hidraulica bine controlata este mai silențioasa și mai rece. Spune „Siemens” într-o publicație din 2012 descrie retehnologizarea unei mașini hidraulice cu servomotoare, după care uleiul hidraulic a scăzut în temperatură cu 10 grade C (35 ° C mai jos de 45 ° C), iar răcirea uleiului "practic nu mai era necesară".

"Viitorul va avea nevoie de mai mult de un sistem" (Werner Knoedler).