ARBURG: Jak rychlost vst�ikov�n�, vst�ikovac� objem a doba pln�n� koreluj� s v�konem vst�ikovac� jednotky

Krom� vst�ikovacího objemu a rychlosti jsou rozhodujícími faktory p�i výb�ru stroje také doba pln�ní a hmotnost díl�. Ní�e si uká�eme, pro� výkon není v�dy výkon, ale fyzika je v�dy fyzika.

Názorn� to lze ukázat na p�íkladu �idi�e automobilu: p�edpokládejme, �e n�kdo se chystá na dovolené p�ejet Alpy. Chce pou�ít silné SUV, sportovní kabriolet a navíc p�ív�s s nákladem. Ob� vozidla mají zhruba stejný výkon 250 kW, tj. p�ibli�n� 350 koní. Jak se na klikatých alpských silni�kách bude chovat SUV a jak si vychutná zatá�ky ve spor�áku? A jak se zm�ní chování sportovního vozu, kdy� se za n�j p�ipojí p�ív�s? Bude projí�d�t zatá�ky se stejnou lehkostí? Zkušeného motoristu pravd�podobn� ihned napadne správná odpov��.

Chování elektrického a hydraulického stroje ale takhle intuitivn� p�edpovídat neumíme - proto se na to poj�me podívat v tomto �lánku.

P�eneseme-li tuto analogii do sv�ta tvá�ecích proces� vst�ikování, odpov�di nejsou v sou�asné dob� nijak zvláš� jasné. Jedním z d�vod� je zm�na technologie pohon� a dodavatel�, kte�í stále �ast�ji p�icházejí z oblasti obráb�cích stroj�. Výsledkem je, �e vst�ikovací rychlost pro vst�ikovací osu je v n�kterých p�ípadech udávána lineárn� v mm/s a v jiných objemov� v cm³/s. Další konven�ní údaje z bro�ury se týkají pr�m�ru šneku, objemu vst�ikovací dávky a vst�ikovacího tlaku. Technicky opodstatn�né hodnoty jsou ty, které jsou skute�n� dosa�eny p�i plném zatí�ení stroje p�i protitlaku 2000 bar� a zdvihu šneku 1 D. V�tšina (evropských) forem a šnek� je také p�izp�sobena tomuto mechanickému zatí�ení.

Údaje z bro�ury pro srovnání stroj�

Poznámky pod �arou v technických listech, které uvád�jí „teoretické“ volnob�né rychlosti bez tlakového faktoru nebo s omezenou dobou dotlaku, jsou mén� významné. Zda jsou takové teoretické hodnoty v bro�u�e nebo na obrazovce �ídicího systému skute�n� dostate�né k realizaci po�adovaných vst�ikovacích �as� se strojem ve skute�ném procesu, z toho nelze vyvodit. Nap�íklad „teoretická“ volnob�ná rychlost 1 000 mm/s jednoduše znamená: podle datového listu se motor m��e otá�et dostate�n� rychle, aby bylo teoreticky dosa�eno uvedené rychlosti po celou dobu zdvihu šneku – ovšem bez zohledn�ní protitlaku ve form�, do které plast „dobrovoln�“ nevtéká. �ím rychlejší je vst�ikování, tím vyšší je protitlak, a tedy i tlak pot�ebný pro vst�ikování. Krom� toho samoz�ejm� není mo�né najet na dotlak plnou rychlostí, proto�e forma by se bez zpomalení nevyhnuteln� zcela p�etí�ila. Této hodnoty se proto ve vlastním procesu nikdy nedosáhne.

Hydraulické versus elektrické vst�ikovací jednotky

Moderní hydraulické vst�ikovací jednotky vy�adují relativn� malý s rezervou dimenzovaný systémový tlak, aby bylo mo�né vyu�ít plný vst�ikovací tlak (2000 bar�) p�i maximální naprogramované rychlosti. Tak jsou alespo� koncipovány sou�asné datové listy hydraulických vst�ikovacích jednotek. Pro rychlé a p�esné vst�ikování jsou hydraulicky pohán�né vst�ikovací jednotky obvykle vybaveny servoventilem a z hlediska dynamiky se tém�� neliší. Zatímco zde lze vyu�ít akumulovanou energii a vysoký špi�kový výkon, výkon pot�ebný pro elektrické pohony je v�dy dodáván p�ímo ze sít� do vst�ikovací osy a špi�ky šneku. Navíc u komer�n� dostupných hydraulických vst�ikovacích jednotek nehraje setrva�ná hmotnost konstrukce prakticky �ádnou roli (na rozdíl od elektromechanických �ešení).

Dalším rozhodujícím faktorem elektromechanických systém� je vlastní setrva�nost. Tu je t�eba p�ekonat, aby bylo mo�né zrychlit hnací sou�ásti v�etena nebo p�evodovky a servomotoru na po�adované kone�né otá�ky. Zpravidla se k tomuto ú�elu musí vyu�ít alespo� 50 % instalovaného výkonu pohonu a dostupného to�ivého momentu. Dynamika servoelektrických p�ímých pohon� závisí do zna�né míry na mechanické konstrukci. Spole�nost Arburg vyvíjí a vyrábí pro své stroje �ady Alldrive a Hidrive vlastní planetové šroubové pohony, které jsou mimo�ádn� odolné proti zatí�ení a mají dlouhou �ivotnost (obr. 1).

Obr. 1: P�ímé pohony, jako jsou planetové šroubové pohony, jsou velmi p�esné a odolné.

Ani� bychom se ztráceli v technických detailech, u elektrických vst�ikovacích jednotek hraje klí�ovou roli mechanické provedení a konstruk�ní princip a následn� i cílové provedení. Dynamika a špi�kový výkon, kterých lze u t�chto stroj� dosáhnout, mají významný vliv na cenu stroje a technické mo�nosti ve vst�ikovacím procesu.Nebo abychom z�stali u p�irovnání zmín�ného na za�átku: 800 kg vá�ící sportovní automobil, který pot�ebuje rozjet p�ív�s s 2,5tunovým SUV, ji� nem��e zrychlit z 0 na 100 km/h za 3 s. Tedy pokud jej v�bec ješt� doká�e táhnout v 15 % sklonu, ani� by se kola protá�ela.

Všechno dobré p�ichází ve t�ech – r�zné výkonnostní t�ídy

V sou�asné dob� lze podle doby pln�ní hrub� rozd�lit aplikace a pro n� vhodné vst�ikovací stroje do t�í t�íd (tabulka 1). V�tšinu všech aplikací tvo�í technické vst�ikované díly s dobou pln�ní 0,3 s a výrazn� delší. Pro tuto oblast jsou obecn� navr�eny a ideální hydraulické standardní stroje s p�ímým pohonem. Aplikace s extrémn� krátkými dobami pln�ní pod 0,1 s jsou spíše doménou speciáln� upravených vst�ikovacích stroj�, které zdaleka nenabízí ka�dý výrobce. Pat�í mezi n� nap�íklad tenkost�nné vysokoteplotní díly z PEEK pro klasický spot�ební a elektronický pr�mysl. Jedním z p�íklad� jsou nabíjecí zástr�ky pro chytré telefony.

Tabulka 1: Doba pln�ní u tenkost�nných díl� se obvykle pohybuje v rozmezí 0,1 a� 0,3 s.

Klasickými aplikacemi s dobou pln�ní p�ibli�n� 0,1 a� 0,3 s je zde zpracování polyolefin� do tenkost�nných obalových díl�, jako jsou kelímky (obr. 2), kbelíky nebo šroubovací uzáv�ry s pom�rem délky natékání k tlouš�ce st�ny 100 a� 300:1. Takové tenkost�nné aplikace vy�adují vysokou dynamiku. Proto se v tomto segmentu dosud ve velké mí�e pou�ívaly hydraulické stroje s technologií hydraulických akumulátor�. Trendem jsou zde však i p�ímo pohán�né elektrické nebo hybridní vysokovýkonné stroje. Zde se odd�luje zrno od plev, proto�e pojem „vysoký výkon“ je pru�ný a relativní. 

Obr. 2: Pro vysokorychlostní aplikace s krátkou dobou vst�ikování jsou typické tenkost�nné p�edm�ty, jako jsou kulaté kelímky, zde s �ty�dutinovou zkušební formou.

Trojrozm�rné myšlení: velikost šneku jako ovliv�ující faktor

Dosa�itelná vst�ikovací rychlost v mm/s je jedním z charakteristických ukazatel� technického výkonu vst�ikovacího stroje. Pou�ití jednotky mm/s vlastn� pochází z pr�myslu obráb�cích stroj�, kde popisuje lineární rychlost posuvu osy. V rozm�ru km/h je tento p�ístup vhodnou jednotkou SI pro maximální dosa�itelnou rychlost pohybu motorového vozidla, nikoli však pro vst�ikování. Zde je situace zásadn� odlišná. Je tomu tak proto, �e vst�ikovací jednotka stroje neplní v milimetrech, ale vst�ikuje do dutin formy objem v podob� tekuté plastové taveniny. Zde vstupuje do hry velikost šneku (obr. 3).

Obr. 3: �ím menší je šnek, tím vyšší je rychlost posuvu [mm/s] pot�ebná ke vst�íknutí stejného objemu kapalné plastové taveniny [cm3/s].

Stejný vst�ikovací stroj m��e být vybaven r�znými šneky. P�i stejné rychlosti posuvu to vede k r�zným objem�m toku za jednotku �asu, dokud není vst�íknut po�adovaný objem. V Evrop� jsou navíc pr�m�ry obvykle odstup�ovány po 5 mm, tj. 25, 30, 35 mm atd. Jiní výrobci dávají p�ednost standardním �adám s pr�m�ry nap�. 28, 32 a 46 mm, tak�e p�ímé srovnání z hlediska procesních schopností pouze na základ� rychlosti posuvu nemá smysl.

Parametr doba pln�ní

Pro p�íslušnou praktickou aplikaci je nakonec d�le�itý objem plastové taveniny, který lze vst�íknout za jednotku �asu, tj. doba, po kterou se „kolá� pe�e“, ne� materiál ztuhne. Tento plnicí proces je charakterizován dobou pln�ní, na ní� jsou zalo�eny i simulace pln�ní. P�íslušnou prom�nnou je tedy objem vst�ikování za jednotku �asu, známý jako vst�ikovací objem (Q). Ji� od vývoje prvních �ídicích systém� na konci 70. let 20. století udává spole�nost Arburg související fyzikální jednotku vst�ikování jako vst�ikovací objem v cm³/s a pou�ívá ji jako parametr datového listu po celá desetiletí. Milníkem v nov�jší dob� bylo zavedení �ídicího systému Gestica v roce 2016 (obr. 4).

Obr. 4: Snímek obrazovky systému Gestica z probíhajícího testu v zákaznickém centru Arburg. P�i výrob� kulatých kelímk� o objemu 500 ml z PP s mo�ností IML byla optimalizována doba vst�ikování na 0,13 s (�lutý pruh ve spodní �ásti obrázku).

Na n�j lze p�enést i data pro simulaci pln�ní. Simulace pln�ní m��e být provedena p�ímo na obrazovce pomocí funkce „aXw Control FillAssist“ (obr. 5).

Obr. 5: Vizualizace simulace pln�ní na �ídicím systému stroje. Barevný pruh dole ozna�uje vst�ikovaný objem.

V�tšina stroj� m��e pracovat s maximálním zdvihem šneku 3,5 a� 4,5 D, co� má však význam pouze pro silnost�nné díly a pro doby pln�ní v �ádu sekund. Zejména v oblasti tenkost�nných díl� lze v p�ípad� b�ných t�ízónových šnek� a pou�itelné kapacity pr�toku materiálu obvykle pou�ít jako vst�ikovací objem p�ibli�n� 1 D zdvihu šneku. Doba pln�ní, které se p�i vst�ikování dosahuje p�i zdvihu šneku 1 D, je proto skv�lým klasifika�ním znakem bez ohledu na mno�ství materiál� a ší�ku spektra díl�. B�hem této doby musí být vst�ikovací jednotkou do formy vst�íknuto více ne� 95 % tekuté plastové taveniny.

Pro proces pln�ní je pro danou vst�ikovací jednotku a stroj rozhodující, kolik objemu taveniny dorazí do formy b�hem dostupné doby pln�ní. To je další d�vod, pro� se v datových listech týkajících se plast� uvádí objem vst�ikovaného materiálu v cm³/s místo rychlosti posuvu v mm/s (obr. 6). 

Obr. 6: Snímek obrazovky systému Gestica pro nastavení parametr� procesu. Cílová hodnota pro vst�ikovací objem je 1924,2 cm3/s, maximální cílová hodnota pro tlak 1800 bar.

Tato hodnota je tedy standardizována s odpovídajícím pr�m�rem šneku a lze ji snadno vypo�ítat z hlavy pro po�adovaný plastový díl: za p�edpokladu hustoty 1 g/cm³ , objemu dílu 50 cm³ a po�adované doby pln�ní 0,1 s. To zpo�átku vede ke vst�ikovacímu objemu minimáln� 500 cm³/s. U elektrických pohon�, které musí být urychlovány a aktivn� brzd�ny nezanedbatelnými setrva�nými hmotnostmi, je t�eba tuto hodnotu vynásobit koeficientem 2 (tj. profil vst�ikování se skládá pouze z fáze zrychlení a zpomalení). V tomto p�ípad� by tedy hodnota v datovém listu vhodná pro tuto aplikaci (bez poznámky pod �arou) m�la být p�ibli�n� 1 000 cm³/s. 

Vst�ikovací objem versus rychlost posuvu

Pokud je to ji� n�jaký ten pátek od vaší maturity z fyziky: pro danou rychlost posuvu a pr�m�r šneku (p�epo�tený na cm) lze vst�ikovací objem vypo�ítat následovn�:

Q = Pí × ¼ D² × v

Q = vst�ikovací objem [cm³/s]
Pí ≈ 3,14
D = pr�m�r [cm]
v = rychlost [cm/s]

Pokud je rychlost posuvu nap�íklad 200 mm/s (= 20 cm/s), vyplývají pro šneky o pr�m�ru 35 a 28 mm následující vst�ikovací objemy:

• 35 mm: 3,14 × ¼ x 3,5² cm² x 20 cm/s = 192,33 cm³/s
• 28 mm: 3,14 x ¼ x 2,8² cm² x 20 cm/s = 123,09 cm³/s

Aby bylo mo�né dosáhnout vst�ikovacího objemu 192 cm³/s i se šnekem o pr�m�ru 28 mm, musela by být rychlost posuvu 313 mm/s místo 200 mm/s – p�ibli�n� 1,5krát vyšší ne� u šneku o pr�m�ru 35 mm. Záv�r: �ím menší je šnek, tím vyšší jsou rychlosti posuvu [mm/s] pot�ebné ke vst�íknutí stejného objemu plastové taveniny [cm³/s].

Pro odhad, která vst�ikovací jednotka je vhodná pro danou aplikaci, je t�eba znát dobu pln�ní, hmotnost dílu nebo vst�ikovací dávky a p�ípadn� hustotu materiálu. Z tohoto d�vodu má tém�� ka�dý technolog v kapse malou váhu. Je to proto, �e na rozdíl od m�rné hmotnosti plastové taveniny lze snadno ur�it skute�nou hmotnost vytvrzeného dílu. Zpravidla ji lze ztoto�nit s objemem, který má být vst�íknut p�i hustot� 1 g/cm³ (nap�. u polyolefin�), aby bylo mo�né zhruba odhadnout vhodnost podle datového listu (p�esný výpo�et podle PvT diagramu provádí u moderních stroj� �ídicí systém).

Výb�r vhodné vst�ikovací jednotky

Op�t jednoduchý p�íklad výpo�tu: p�edpokládejte, �e vyráb�né kuli�kové pero vá�í 5 g. Vynásobte tuto hmotnost sou�ásti po�tem dutin (nap�. 8) a p�i�t�te hmotnost vtoku (nap�. 30 g). V p�íkladu to znamená hmotnost vst�ikovací dávky 70 g. Doba pln�ní 0,5 s vede ke vst�ikovacímu objemu p�ibli�n� 70 cm³ za 0,5 s, co� odpovídá p�ibli�n� 2 x 70/0,5 = 280 cm³/s pro elektrické pohony podle výše uvedeného pravidla. Z datového listu nyní snadno zjistíte, která vst�ikovací jednotka dosahuje objemu vst�ikovací dávky 70 cm³ a vst�ikovacího objemu nejmén� 280 cm³/s p�i zdvihu šneku 1D. Tímto zp�sobem lze nekomplikovan� ur�it vhodnou vst�ikovací jednotku. Pokud jsou však v bro�u�e místo vst�ikovacích objem� uvedeny rychlosti v mm/s, budete muset pou�ít kalkula�ku.

Euromap: Standardizované velikosti vst�ikovacích jednotek

Jako tém�� standardní datový list se ustálilo ozna�ení vst�ikovacích jednotek dle popisu Euromap 1. Jedná se o sou�in maximálního zdvihového objemu v cm³ a maximálního vst�ikovacího tlaku v kilobarech. Toto klasifika�ní �íslo se pak pou�ívá také pro porovnání ceny a výkonu. P�íklad: Vst�ikovací jednotka 800 podle popisu Euromap má v mnoha p�ípadech pr�m�r šneku 50 mm, zdvih 200 mm a maximální vst�ikovací tlak 2000 bar.

Vzhledem k tomu, �e zdvih je u elektrických pohon� ekonomi�t�jší ne� síla, pou�ívají r�zní výrobci pro daný index Euromap menší pr�m�ry šneku. D�sledkem toho je, �e v souladu s pom�rem �tvercové plochy je t�eba realizovat v�tší zdvih, pom�r délka/pr�m�r a odpovídající vyšší rychlosti posuvu, aby p�i daném vst�ikovacím objemu a dob� pln�ní vznikl ve form� stejný díl. Pro tenkost�nnou aplikaci s nap�. vst�ikovaným objemem 100 cm³ (cca 1D zdvih) a dobou pln�ní 0,2 s se po�ítá s pr�tokem a� 1000 cm³/s (p�i nastavení vst�ikování pouze ve dvou fázích, tj. zrychlení a okam�itého zpomalení). P�i pou�ití šneku o pr�m�ru 50 mm by bylo dosa�eno odpovídající rychlosti posuvu 510 mm/s, zatímco p�i pr�m�ru 45 mm by to bylo 630 mm/s. P�esto�e toto zvýšení o cca 23 % vypadá na datovém listu lépe, z hlediska technologie procesu jsou ob� varianty identické.

Maximální výkon na špi�ce šneku

Ozna�ení efektivního výkonu u vst�ikovacích jednotek uvedených v popisu Euromap 4 se bohu�el neprosadilo v datových listech, proto�e skute�ný pohyblivý špi�kový výkon na šneku by byl parametrem, který by se promítl i do ceny, alespo� u p�ímo pohán�ných vst�ikovacích jednotek.

Pro výkon platí následující:

L= P/10 x Q

L = výkon [W]
P = tlak [bar]
Q = vst�ikovací objem [cm³/s]                     

Ve výše uvedeném p�íkladu je to 200 kW bez ohledu na pr�m�r šneku. Aby bylo mo�né dosáhnout tohoto špi�kového výkonu na konci šneku, musí se celý systém nejprve zrychlit. Jak ji� bylo uvedeno, u p�ímých elektrických pohon� hraje klí�ovou roli konstrukce.

Zde op�t vstupuje do hry st�edoškolská fyzika a s ní Newtonovy zákony setrva�nosti. Pro urychlení setrva�nosti vy�adují všechna dnes známá technická provedení p�ídavné síly odpovídající 0,5 a� 1násobku zat�ovací síly. U výše uvedené tenkost�nné aplikace je tedy rychle dosa�eno špi�kového výkonu motoru 400 kW. Zde p�ichází na �adu na za�átku zmín�ný prázdninový p�íklad a otázka, která kombinace má skute�n� smysl.

S menším šnekem a tedy i menší plochou je t�eba vyvinout menší sílu pro stejný tlak. Je také otázkou, zda lze maximální tlak vyu�ít i v pr�b�hu celé fáze vst�ikování. �ist� tenkost�nné vst�ikovací jednotky, které jsou ur�eny pouze pro krátké doby pln�ní a špi�kový výkon, jsou mén� vhodné pro doby pln�ní 10 s, jaké jsou vy�adovány nap�íklad u tlustost�nných optických sou�ástí. Zde by za�aly kmitat nebo by se p�eh�ívaly kv�li vst�ikovacímu tlaku a dotlaku, který je t�eba udr�ovat po dlouhou dobu – podobn� jako kabriolet, který uvízl v dopravní zácp� v pr�smyku s unášenou spojkou.

Zajímavá je proto zejména otázka, kolik mechanického výkonu se skute�n� dostane na konec šneku p�i po�adované rychlosti. A v p�ípad� tenkost�nných aplikací také to, jak dynamicky nebo staticky lze tento výkon �ídit. V p�ípad� osv�d�ených hydraulických vst�ikovacích jednotek byla po mnoho let vyvíjena technologie akumulátor� spolu se servoventily s velmi nízkou setrva�ností. Pro výše uvedený p�íklad by zde bylo zapot�ebí pouze asi 20 kW trvalého nabíjecího výkonu. U moderních elektrických p�ímých pohon� skute�n� existují n�které technologické pokusy o �ešení problému špi�kového výkonu prost�ednictvím mechanické nebo elektrické meziakumulace energie. Dosud se však skute�n� prosadilo pouze �ešení vyu�ívající k tomuto ú�elu „napájecí sí�“. Tento dodate�ný výkon má vliv na cenu elektrických pohon� a ty se pohybují ve zcela jiném cenovém rozp�tí. Navíc od ur�ité velikosti setrva�nost skute�n� „se�ere“ špi�kový výkon, a proto se elektrické vst�ikovací jednotky alespo� zatím nestaví ve všech velikostech (obr. 7).

Obr. 6: Servoelektrické pohony, které jsou zde instalovány ve vst�ikovací jednotce velikosti 290, pracují velmi efektivn�. Špi�kový výkon pro dynamické aplikace se neúm�rn� zvyšuje s velikostí vst�ikovací jednotky.

Navzdory všem t�mto výzvám je trend p�echázet na elektrický pohon i u klasických trvalých zakázek s dobou pln�ní v rozmezí 0,1 a� 0,3 s (balicí aplikace). Zde to, obrazn� �e�eno, neznamená pouze zdolávání pr�smyku s t�kým p�ív�sem, ale ujetí statisíc� kilometr� s ním.

Navzdory všem t�mto výzvám je trend p�echázet na elektrický pohon i u klasických trvalých zakázek s dobou pln�ní v rozmezí 0,1 a� 0,3 s (balicí aplikace). Zde to, obrazn� �e�eno, neznamená pouze zdolávání pr�smyku s t�kým p�ív�sem, ale ujetí statisíc� kilometr� s ním.

Záv�r

Pro vst�ikování je d�le�itý objem vst�ikovací dávky a doba pln�ní. Souvisejícím ukazatelem je vst�ikovací objem v cm³/s – pravideln� m��ený p�i protitlaku 2000 bar�. Vst�ikovací objem lze snadno vypo�ítat z aplikace a podle datového listu zpravidla zvolit vhodnou vst�ikovací jednotku. Neexistuje �ádný datový list o tom, jak jsou navr�eny elektrické vst�ikovací jednotky. Nicmén� je také d�le�ité, jaká t�ída je po�adována. Má být stroj navr�en spíše pro trvalý výkon nebo pro špi�kový výkon? Obojí sou�asn� toti� nemá smysl.