Powtarzalne wytwarzanie kształtek z materiału pierwotnego przy zachowaniu niezmiennie wysokiej jakości części jest najnowocześniejsze, ale zwykle stawia wysokie wymagania technologii sterowania. Jeśli chodzi o treści przetwarzane, takie jak recyklat poprzemysłowy (PIR), recyklat pokonsumencki (PCR) i bioplastiki, materiał i właściwości przetwarzania mogą się znacznie różnić. Koncepcje sterowania, które zapewniają stałe napełnianie formy, a ostatecznie stałą jakość produktów końcowych, są zatem niezbędne do efektywnego wykorzystania recyklatów. W tym celu firma Arburg opracowała cyfrowe funkcje pilotażowe dla swoich sterowników maszyn, które utrzymują stabilny proces formowania wtryskowego w fazie wtrysku i docisku.
Różne komitety, ruchy i inicjatywy naciskają na ustanowienie systemów recyklingu w obiegu zamkniętym. Nawet jeśli nie jest to jeszcze ekonomicznie opłacalne, celem jest znaczne ograniczenie zużycia zasobów kopalnych w perspektywie średnio- i długoterminowej. W tym kontekście przetwarzanie recyklatu staje się coraz ważniejsze. Jednak rosnąca gama materiałów, ich różne pochodzenie i sposób przygotowania, a także ich niejednorodne zachowanie podczas przetwarzania sprawiają, że jest to wyzwanie (rys. 1). To samo może dotyczyć wariantów z partii na partię z materiałem pierwotnym lub nieodpowiednio przygotowanym granulatem, na przykład z powodu nierównomiernego lub niewystarczającego wysuszenia materiału.
Z chemicznego punktu widzenia recyklaty są tworzywami sztucznymi, podobnie jak konwencjonalne materiały pierwotne, z tą różnicą, że były już gotowymi produktami, które miały okres użytkowania, a następnie zostały ponownie przetworzone. Wciąż jednak bez odpowiedzi pozostaje wiele pytań dotyczących tego, czy i w jaki sposób recyklaty mogą być wykorzystywane tak skutecznie i niezawodnie jak materiały pierwotne. Przetwórcy muszą zmierzyć się z nowym zestawem wyzwań.
Recyklaty są trudne w przetwórstwie ze względu na ich niejednorodne właściwości. Kształt i jakość niejednorodnego materiału mają wpływ na proces topienia.
Wyzwanie "Czarne skrzynki"
Z punktu widzenia maszyny, formowanie wtryskowe składa się z dwóch dużych "czarnych skrzynek", które znacząco wpływają na stabilność procesu i jakość części. Dzieje się tak, ponieważ sama maszyna nie ma wiedzy na temat
- który materiał jest podawany do leja samowyładowczego, lub
- co dzieje się między dwiema płytami montażowymi formy.
Są to dwa główne wyzwania, jeśli chodzi o niezawodne sterowanie parametrami procesu, takimi jak postęp temperatury masy formierskiej oraz postęp temperatury i profil ciśnienia w formie. Największą różnicą między przetwarzaniem recyklatów a materiałem pierwotnym jest to, że właściwości i cechy materiału, takie jak jakość mechaniczna, kolor i zapach, mogą się różnić w ramach dostawy lub zamówienia w szerszym zakresie. Ponieważ w większości procesów recyklingu nie można obecnie przypisać jasnej specyfikacji materiałowej do granulatu pochodzącego z recyklingu, podczas konfiguracji maszyny nie jest dostępny arkusz danych, co znacznie utrudnia przetwarzanie.
Sterowniki Gestica i Selogica do wtryskarek Allrounder są jednak wyposażone w funkcje pilotażowe, które przeciwdziałają na przykład wahaniom lepkości stopu: "aXw Control ReferencePilot" i "aXw Control RecyclatePilot" mogą wykrywać i niezawodnie wyrównywać nierówności oraz aktywnie kontrolować trwający proces wtrysku, aby utrzymać jak najbardziej równomierne wypełnienie formy i zapewnić stałą jakość części pomimo dużych zmian (rys. 2).
Niezawodne przetwarzanie recyklatów stawia wysokie wymagania technologii sterowania wtryskarek.
Proces topnienia jako czynnik wpływający
Jednorodny i stabilny proces topienia jest ważnym czynnikiem wpływającym na produkcję dobrych części. Zaczyna się od możliwie najbardziej równomiernego podawania materiału do ślimaka plastyfikującego. Kształt i jakość recyklatu odgrywają tu ważną rolę. Jeśli materiał ma postać granulatu, plastik z recyklingu może być na ogół przetwarzany, podobnie jak materiał pierwotny bez konieczności stosowania dodatkowego sprzętu. Sytuacja jest inna w przypadku płatków i ponownie zmielonego materiału. Płatki mogą się znacznie różnić pod względem wielkości i kształtu. Z drugiej strony materiał mielony, czyli materiał z części z tworzywa sztucznego, które zostały tylko rozdrobnione za pomocą młynka do wlewów, składa się z fragmentów o różnych rozmiarach, najlepiej o wielkości ziarna od dwóch do pięciu milimetrów. Ziarnom tym zwykle towarzyszy drobniejszy materiał, aż do materiału podobnego do pyłu włącznie. Aby zapewnić stabilny proces topienia, należy usunąć wszelki pył z ponownie zmielonego materiału.
Pakiet recyklatu do materiału mielonego i płatków
Do przetwarzania ponownie zmielonych materiałów i płatków firma Arburg oferuje pakiet recyklatu z możliwością doposażenia, który łączy w sobie funkcje programowe i sprzętowe. Wśród funkcji oprogramowania znajdują się wielostopniowe parametry rozruchu oraz cyfrowa funkcja wspomagania "aXw Control ScrewPilot", która zapewnia precyzyjne i stabilne napełnianie formy. Jeśli chodzi o wyposażenie sprzętowe, zmodyfikowany moduł cylindra umożliwia nieprzerwane podawanie nawet materiałów o słabym przepływie. Ślimak plastyfikujący o zmodyfikowanej, głębszej geometrii o wysokim stopniu ściskania (HC) zapewnia jednorodną obróbkę (rys. 3). Rowki w strefie podawania ułatwiają wciąganie materiału, pomimo jego nieregularnego kształtu, i stabilne przenoszenie do przodu. Śruba posiada również powłokę CrN, która ogranicza tworzenie się osadów i zużycie spowodowane nieoczekiwanymi ciałami obcymi.
Ślimaki plastyfikujące o zmodyfikowanej geometrii i odpornej na ścieranie powłoce CrN nadają się do przetwarzania recyklatów ściernych.
ScrewPilot: Koncepcja sterowania dla procesu rdzeniowego "forma napełniająca"
Napełnianie gniazda formy w powtarzalny sposób z cyklu na cykl jest podstawą stałej jakości komponentów. Skuteczną koncepcją sterowania w tym zakresie jest funkcja pilota "aXw Control ScrewPilot" lub "śruba z regulacją położenia", w której proces napełniania jest dostosowywany do wymagań ścieżki przepływu w kilku etapach za pomocą ruchu ślimaka o regulowanej prędkości. Koncepcję tę można porównać do asystenta jazdy w samochodach: jeśli ruch (w tym przypadku) odbiega od zaprogramowanej prędkości z powodu wpływów zakłócających (tutaj na przykład zmian lepkości stopionego tworzywa sztucznego), jest on regulowany w sposób, który zapewnia, że odległość zostanie nadal pokonana w wyznaczonym czasie. Aktywne przyspieszanie i hamowanie dynamicznie kompensuje wpływy zakłócające, dzięki czemu do wnęki wprowadzana jest stała ilość stopu. Dynamika ta okazała się szczególnie przydatna przy dużych przepływach objętościowych wtrysku, zwłaszcza jeśli chodzi o zapobieganie skokom ciśnienia i przepełnieniu poprzez ukierunkowane i szybkie hamowanie.
ReferencePilot: Sterowanie w fazie utrzymywania ciśnienia
Faza docisku ma również kluczowe znaczenie dla jakości części. Zazwyczaj jest on wykonywany jako quasi-statyczny, kontrolowany ciśnieniowo proces, z optymalnymi parametrami określonymi wcześniej przez technika ustawiającego maszyny. Nie bierze się pod uwagę krótkotrwałych wpływów podczas bieżącej produkcji, takich jak wahania lepkości stopionego materiału (spowodowane przez recyklaty, smary lub dodatki barwiące) lub długotrwałe zużycie, np. zaworu zwrotnego i innych elementów mechanicznych. W dłuższej perspektywie może to prowadzić do zmian ciśnienia we wnęce, a tym samym do nieregularnej jakości części.
Z tego powodu już w 1988 roku firma Arburg opracowała funkcję regulacji procesu wtrysku, która jest zintegrowana ze sterownikiem i reguluje krzywą ciśnienia docisku w czasie rzeczywistym za pomocą czujnika ciśnienia w formie. Ta funkcja oprogramowania była stale rozwijana i jest obecnie znana jako "aXw Control ReferencePilot". ReferencePilot wykorzystuje krzywą odniesienia wartości nominalnej dobrej części jako podstawę do aktywnej regulacji w fazie ciśnienia trzymania, w której aktualne ciśnienie trzymania jest dostosowywane zgodnie z ciśnieniem wewnętrznym. Czujnik ciśnienia umieszczony jak najbliżej wlewu w formie jest wymagany jako powiązany osprzęt. Sposób jej działania jest porównywalny z jazdą autonomiczną: nawet z GPS i znaną trasą pojazd nadal potrzebuje dodatkowych aktywnych czujników, aby móc bezpiecznie poruszać się w ruchu drogowym. Tylko w ten sposób można wykryć np. nieprzewidziane wyboje, roboty drogowe lub innych użytkowników drogi.
spotykają się na Konferencji Recyklingowej 2025
Ciśnienie w gnieździe formy jako czynnik wpływający
Aby móc szybko przeciwdziałać wpływom zakłócającym i aktywnie równoważyć zmiany ciśnienia, oprogramowanie odbiera sygnały dotyczące ciśnienia w gnieździe formy, które są rejestrowane w czasie rzeczywistym przez czujnik. Dzięki temu ReferencePilot może regulować wewnętrzną krzywą ciśnienia od aktualnej wartości rzeczywistej do żądanej wartości nominalnej. Gdy do sterowania używany jest ReferencePilot, warunki ciśnienia w formie są precyzyjnie dostosowywane z wtrysku na wtrysk, aby dopasować się do wartości referencyjnej, przy czym wartość rzeczywista jest podnoszona do wartości nominalnej (rys. 4). Skutkuje to stałą masą wtrysku i niezmiennie wysoką jakością części, bez konieczności ręcznej interwencji podczas parametryzacji procesu.
ReferencePilot wykorzystuje czujniki do sterowania procesem formowania wtryskowego w fazie docisku od punktu przełączania (zdjęcie po lewej, zielona krzywa wartości rzeczywistej). Krzywa nacisku w gnieździe formy dobrej części służy jako odniesienie do wartości nominalnej (ilustracja po prawej, żółta krzywa).
Wymagany skalibrowany czujnik ciśnienia
Aby móc korzystać z ReferencePilot, muszą być spełnione dwa warunki:
- Wtryskarka musi być wyposażona w "aXw ScrewPilot", który jest standardem dla elektrycznych i hybrydowych maszyn Allrounder.
- W komorze formy musi być wystarczająco dużo miejsca, aby zainstalować czujnik ciśnienia.
Sam czujnik powoduje dodatkowe wydatki; Ponadto potrzebna jest specjalistyczna wiedza i czas, aby ponownie skalibrować go dla każdego procesu konfiguracji i regularnie konserwować. Tylko w ten sposób można mieć pewność, że urządzenia pomiarowe z wewnętrznym czujnikiem ciśnienia są w pełni funkcjonalne i dostarczają prawidłowe sygnały.
Jeśli wszystkie wymagania są spełnione, proces formowania wtryskowego można szybko i niezawodnie ustabilizować dzięki współdziałaniu czujnika i funkcji pilota. Liczba cykli rozruchowych może być znacznie zmniejszona i jest mniej odpadów. Rezultatem jest dłuższy, bezproblemowy czas produkcji, mniej dalszych procesów testowych i zwiększona wydajność produkcji. W zależności od przypadku zastosowania, inwestycja w system czujników może szybko się zwrócić.
ReyclatePilot: Sterowanie w fazie wtrysku
Alternatywą jest nowa funkcja "aXw Control RecyclatePilot", która steruje procesem formowania wtryskowego bezpośrednio w fazie wtrysku lub napełniania formy wyłącznie na podstawie danych ze standardowego systemu czujników maszyny (rys. 5). W porównaniu do ReferencePilot, który odbiera sygnały bezpośrednio z gniazda, RecyclatePilot ma dłuższy częściowy obwód sterujący. Niemniej jednak oferuje szereg wyraźnych zalet:
- Nie ma potrzeby stosowania dodatkowych czujników.
- Funkcję pilota zintegrowaną ze sterownikiem można aktywować po prostu naciskając przycisk.
- Funkcja wykorzystuje sprawdzony system czujników wewnątrz maszyny, który wystarczy kalibrować co kilka lat.
- Ta funkcja pilota równoważy krótkoterminowe zmiany między ujęciami, a także między cyklami.
W procesie obróbki materiałów o różnej jakości RecyclatePilot zapewnia stabilne napełnianie formy w fazie wtrysku.
Sterowanie procesem za naciśnięciem jednego przycisku
Operator początkowo optymalizuje ustawienia procesu w zwykły sposób, aby osiągnąć wymaganą jakość dobrej części. Odniesienie to jest przekazywane do funkcji pilota za pomocą polecenia sterującego. Dodatkowe polecenie aktywuje RecyclatePilot, który następnie analizuje zachowanie wtrysku, wykrywa charakterystyczne punkty i odchylenia w procesie wtryskiwania oraz zapewnia, że wtryskiwana objętość, a tym samym wypełnienie formy pozostają stałe. Odbywa się to poprzez porównanie wzorca zdarzeń w tym samym cyklu z odniesieniem wprowadzonym podczas fazy wtryskiwania i, w razie potrzeby, dostosowanie punktu przełączania w krótkim czasie. Ponadto korekta objętości dozowania sprawia, że cały proces jest bardziej stabilny w dłuższej perspektywie i między cyklami.
Studium przypadku: Comb
Różne właściwości materiału i lepkość w procesie formowania wtryskowego są szczególnie widoczne podczas produkcji bez wlewów bez docisku dociskującego. Powoduje to różne stopnie niepełnego wypełnienia formy, jak pokazuje przykład "grzebienia do włosów". Część została uformowana wtryskowo z PA6 w trzech wariantach materiałowych – materiał pierwotny, recyklat w postaci granulatu oraz materiał ponownie zmielony. Stopień wypełnienia formy można zobaczyć na podstawie ciężaru części (rys. 6):
- Grzebień wykonany z pierwotnego materiału nie został w pełni uformowany w formie, ponieważ został celowo wyprodukowany bez nacisku i służył jako odniesienie.
- W przypadku wypraski wykonanej z granulatu recyklatu waga pozostała stała, ale była znacznie niższa niż w przypadku materiału pierwotnego.
- W przypadku ponownie zmielonego materiału zaobserwowano również znaczne różnice w masie części.
W przykładzie z "grzebieniem do włosów" wypełnienie formy na podstawie masy części pokazuje, w jaki sposób wartości granulatu recyklatu (żółta linia) i ponownie zmielonego materiału (niebieska linia) mogą zostać podniesione do poziomu materiału pierwotnego (zielona linia) po aktywacji RecyclatePilot (ilustracja po prawej).
Zmieniło się to praktycznie po naciśnięciu przycisku z aktywnym sterowaniem za pomocą RecyclatePilot (rys. 7). Teraz masa części była stała i prawie taka sama dla wszystkich trzech wariantów. Na przykładzie tego studium przypadku firma Arburg wykazała, że cyfrowa funkcja pilota może zrównoważyć wynikające z tego różnice w wypełnieniu formy, zwiększając w ten sposób znacznie zarówno niezawodność procesu, jak i jakość części. Ta znaczna poprawa w zakresie wypełniania form skutkuje również wysokim poziomem niezawodności formy.
RecyclatePilot wyrównuje różnice materiałowe, zwiększając w ten sposób niezawodność procesu i jakość części – co widać po wypełnieniu grzebienia do włosów, wyprodukowanego w wariantach materiałowych bez docisku.
Konkluzja
Sterownik jest "mózgiem" wtryskarki i może zapewnić operatorom kompleksowe i aktywne wsparcie. Dzięki cyfrowym funkcjom pilotażowym, takim jak RecyclatePilot i ReferencePilot, można znacznie zwiększyć niezawodność procesu podczas przetwarzania recyklatów dzięki aktywnej kontroli w fazach wtrysku i ciśnienia podtrzymania. Profil wtrysku i proces napełniania wypraski pozostają stabilne i odpowiadają określonemu referencji.
Oczywiście nie jest możliwe przezwyciężenie nieodpowiednich właściwości materiałowych recyklatów we wszystkich obszarach, co oznacza, że istnieją ograniczenia co do tego, jak bardzo można poprawić jakość części. Wiedza i doświadczenie ze strony użytkownika są nadal kluczowe dla określenia, która koncepcja przyniesie dobre wyniki dla danego procesu. W przyszłości nadrzędne metody wspierane przez sztuczną inteligencję mogą zapewnić dodatkową pomoc w tym zakresie.
Autor: Dr Thomas Walther, dyrektor ds. rozwoju procesów w firmie Arburg
Jeżeli recyklingujesz / wytwarzasz / zbierasz / sortujesz odpady z tworzyw - nie może Cię tam zabraknąć. To największe w Polsce spotkanie recyklerów i przetwórców tworzyw. Ta Konferencja to coś więcej niż cykl prelekcji. To wydarzenie skupione wokół networkingu i wiedzy. To tutaj możesz zaprezentować swoją ofertę, znaleźć eksperta lub pracownika, podzielić się doświadczeniem lub problemem, z nadzieją na jego rozwiązanie. Znajdziesz tu inspiracje do dalszej pracy, odbiorcę lub wykonawcę Twoich recyklatów, a także poszerzysz lub uporządkujesz swój branżowy intelekt. Kliknij i zarejestruj swój udział w Konferencji.
