Программа бережного и экономичного обращения со шнеками

Пластикационные системы литьевых машин должны отвечать определенным требованиям, которые могут быть различными в зависимости от свойств перерабатываемых материалов – от легкотекучих, частично кристаллических термопластичных полимерных материалов (ПМ) до высоковязких, наполненных ПМ с температурами плавления до 450 °С. В статье обсуждаются ограничения, с которыми могут столкнуться переработчики при использовании стандартных шнеков, а также перспективные возможности, предоставляемые шнеками с трехзонной геометрией.

Если в производстве упаковок или изделий медицинского назначения выбор литьевой машины осуществляется в точном соответствии с требованиями, предъявляемыми к конкретной области применения, то при изготовлении изделий общетехнического назначения (например, для автомобилестроения) спектр требований зачастую оказывается значительно более широким. Одно и то же пластикационное устройство должно быть пригодным для переработки различных ПМ, с разной дозой впрыска и при различном времени цикла. На малых и средних литьевых машинах, как правило, используются шнеки с трехзонной геометрией, в которых примерно 50% их длины приходится на зону загрузки и примерно по 25% на зоны сжатия и дозирования. Установлено, что наиболее приемлемая величина шага винтовой линии шнека должна быть примерно равна его диаметру. Степень сжатия, т. е. отношение длины зоны загрузки к длине зоны дозирования, обычно варьируется в пределах от 2,1 до 2,5. При выборе размеров шнека решающее значение отводится двум факторам – времени tпл пребывания ПМ при температуре выше температуры плавления и производительности дозирования.

Стандартные шнеки геометрически выполнены, как правило, таким образом, чтобы обеспечить возможность переработки максимально широкого спектра ПМ. Среднее значение tпл (tпл.ср) составляет 2–6 мин, за которые ПМ должен полностью расплавляться. При этом даже переработка высоковязких ПМ не должна сопровождаться их перегревом, создающим опасность термодеструкции. Кроме того, при определении геометрических параметров шнеков необходимо предусмотреть возможность переработки высоконаполненных ПМ без заметного увеличения износа шнека. Значение tпл.ср может быть в первом приближении вычислено по формуле (1) (см. вставку). Пластикационные шнеки литьевых машин используются не только для дозирования, но и для выполнения других стадий литья под давлением – впрыска, создания давления подпитки, декомпрессии расплава. Поэтому максимальное полезное время дозирования tдоз.max меньше времени tц полного цикла на величину, соответствующую затратам времени на вышеперечисленные процессы - выражение (2).

Минимальная требуемая производительность шнека Gдоз.min рассчитывается по выражению (3) с учетом массовой дозы впрыска m и продолжительности дозирования tдоз.max. Время дозирования не только ограничивается необходимостью выполнения вышеуказанных процессов, но и находится в определенной зависимости от конструкции приводной системы литьевой машины. Если при открывании и закрывании литьевой формы, а также во время выталкивания готового изделия или извлечения его роботом не может выполняться параллельное дозирование с помощью независимого вспомогательного привода шнека, то подготовка расплава должна осуществляться во время периода охлаждения.

Время пребывания в расплаве определяет качество изделия

В качестве исходных данных для определения диаметра шнека узла пластикации в качестве граничных условий используются максимальное и минимальное значения tпл.ср, обеспечивающие требуемое качество расплава с высокой гомогенностью по температуре и составу. Максимальное значение tпл.ср соответствует допустимому интервалу времени, при превышении которого механические и (или) оптические свойства готового изделия начинают ухудшаться из-за деструкции перерабатываемого ПМ. Это граничное значение в значительной степени зависит от фактической температуры расплава ПМ. Минимальное значение tпл.ср соответствует наименьшему интервалу времени, необходимому для полного расплавления ПМ в процессе его перемещения к переднему концу шнека и обеспечения гомогенности расплава по температуре. Чем больше масса впрыска и чем меньше время цикла, тем меньше время пребывания ПМ в узле пластикации и тем выше производительность G литьевой машины. Под термином «производительность» в данном случае следует понимать общее количество ПМ, перерабатываемого в единицу времени и рассчитываемого по выражению (4).

По мере повышения G и уменьшения tпл.ср увеличивается неравномерность распределения температуры в расплаве ПМ с одновременным ее некоторым снижением. В качестве примера данные для стандартного шнека диаметром 60 мм и легкотекучего полипропилена (ПП). При времени цикла 20 с и ходе дозирования, равном удвоенной величине диаметра шнека (соответствует tпл.ср ≈ 66 с), в расплаве остаются нерасплавленные частицы ПМ, которые, с одной стороны, резко ухудшают механические свойства изделия, а с другой стороны, нарушают

стабильность процесса дозирования. Это может привести к увеличению отклонения фактических значений крутящего момента и времени дозирования от заданных значений. Кроме того, значительно повышается интенсивность износа шнека, обратного клапана и цилиндра. Нерасплавленные частицы твердого ПМ во время процесса впрыска попадают в пространство между прижимным и запорным кольцами обратного клапана, в результате чего под воздействием давления впрыска в соответствующих местах возникают высокие давления, которые могут стать причиной появления пластических деформаций. Подобные следы от твердых частиц материала в конце концов приводят к тому, что обратный клапан утрачивает способность надежно (герметично) закрываться в процессе впрыска.

При чрезмерно продолжительном времени tпл пребывания ПМ в расплавленном состоянии механические свойства готовых изделий ухудшаются вследствие термической или термоокислительной деструкции ПМ. Предельно допустимые значения tпл в основном зависят от свойств перерабатываемого ПМ, его фактической температуры и распределения значений tпл в пределах всей зоны движения расплава. Минимальное значение tпл для стандартных трехзонных шнеков с постоянным отношением их длины L к диаметру D (L/D) определяется:

• технологическими параметрами (давлением подпитки, частотой вращения шнека и распределением температуры по длине цилиндра);
• вязкостью, теплопроводностью и энтальпией ПМ;
• диаметром шнека.

Чем меньше диаметр D шнека, тем меньше и возможное минимальное значение tпл. Причиной этого является то, что по мере уменьшения шага витков шнека увеличивается скорость сдвига в расплаве ПМ и улучшается распределение в нем тепла. В связи с этим при уменьшении D менее существенными становятся различия в эффективности расплавления ПМ между стандартными шнеками с трехзонной геометрией и шнеками со сложной геометрией, например, барьерными. Необходимая для процесса расплавления тепловая энергия при переработке ПМ, склонных к прилипанию к стенкам цилиндра и шнека, подводится главным образом за счет внутреннего трения в ПМ из-за деформаций сдвига, оздаваемых вращающимся шнеком. Значительно меньшее количество энергии (примерно 20 %) поступает от нагревательных лент материального цилиндра.

При переработке частично кристаллических ПМ с низкой вязкостью расплава необходимо учитывать два обстоятельства. Во-первых, по сравнению с переработкой аморфных ПМ, приходится подводить дополнительное количество энергии для расплавления кристаллических зон. Во-вторых, в связи с более низкой вязкостью расплава уменьшается количество энергии, подводимой за счет внутреннего трения.

Таким образом, для достижения требуемой температуры материала должно подводиться дополнительное количество энергии путем теплопередачи от внешнего источника – стенок цилиндра. Выполнение этого условия связано с определенными ограничениями, обусловленными низкой теплопроводностью ПМ как в твердом, так и в расплавленном состояниях. По мере повышения производительности наблюдается снижение температуры перерабатываемого материала. К частично кристаллическим ПМ относятся, например, полиамиды (ПА), ПП и полиоксиметилен (ПОМ). Наряду со снижением температуры по мере повышения производительности процесса эти ПМ характеризуются различным характером поведения при граничных условиях переработки. В частности, при переработке ПА увеличиваются колебания времени дозирования, а в случае ПОМ повышается износ шнека. Если в зоне сжатия при переработке ПОМ не подводится достаточное количество энергии, то образуются своеобразные клинья из твердого материала, которые прижимают шнек к стенке материального цилиндра. Большая величина возникающего при этом давления может привести даже к механическому контакту между этими элементами узла пластикации. При этом исчезает смазывающее действие образующейся из возвращающегося расплава пленки между спиральными витками шнека и стенкой цилиндра.

Риск повышенного износа тем выше, чем более текучим является перерабатываемый ПОМ. В наиболее неблагоприятной ситуации все это уже через несколько часов работы может привести к образованию следов износа на поверхности материального цилиндра и витках шнека.

С повышением сдвигового воздействия снижается потребление энергии

На современных литьевых машинах, оснащенных энергосберегающими приводными системами, – например, на полностью электрических машинах или гидравлических машинах с сервоэлектрическими приводами насоса – на нагревание используется уже до 50% от всей потребляемой энергии. За счет эффективной изоляции материального цилиндра потери нагревательной энергии могут быть снижены на 20–30%. Потери энергии зависят также от площади поверхности излучения. Таким образом, чем меньше площадь наружной поверхности материального цилиндра, т. е. чем меньше длина шнека и наружный диаметр цилиндра, тем ниже будут потери энергии. Если рассматривать узел пластикации, это означает, что минимальное удельное потребление энергии Wуд достигается при работе с производительностью G, максимально приближенной к предельно допустимой. С повышением G увеличивается энергопотребление привода шнека, но еще в большей степени снижается Wуд, что объясняется тем, что потери энергии – прежде всего, нагревательной – распределяются на большее количество перерабатываемого ПМ.

В связи с этим возникает важный вопрос: как следует изменить геометрические характеристики шнека, чтобы при сохранении его прежней длины и диаметра можно было повысить его производительность при переработке легкотекучих, частично кристаллических ПМ?

Оптимизация процесса расплавления ПМ

Чтобы повысить предельную границу производительности, необходимо обеспечить максимальную эффективность процесса расплавления, т. е. увеличить долю внутренней энергии деформаций сдвига в перерабатываемом ПМ. Ключевую роль в решении этой задачи могут сыграть три фактора:

• степень сжатия;
• высота профиля витков шнека;
• число витков шнека.

Уменьшение высоты профиля витков шнека в зоне дозирования по сравнению с высотой профиля витков в зоне загрузки обеспечивает повышение степени сжатия и соответственно давления расплава. В результате повышается сдвиговое воздействие витков шнека на материал и увеличивается количество подводимой к нему за счет этого энергии. В то же время результаты практической работы свидетельствуют о том, что такой подход обеспечивает (в частности, при переработке ПП) лишь весьма незначительное увеличение предельной производительности и приемлемого хода дозирования.

Еще одним негативным следствием повышения степени сжатия в случае шнека с трехзонной геометрией является увеличение интенсивности его износа. По этой причине шнеки с увеличенной степенью сжатия не рекомендуется использовать для переработки наполненных ПМ. Еще одна возможность увеличения выделяемой в расплаве внутренней энергии заключается в уменьшении высоты профиля витков шнека как в зоне дозирования, так и в зоне загрузки. В результате этого снижается относительная транспортирующая способность шнека, однако этот недостаток может быть компенсирован за счет увеличения шага витков в зонах расплавления и дозирования.

Преимущества новых двузаходных шнеков

Повысить интенсивность расплавления ПМ можно при использовании двузаходного шнека. В этом случае между витками шнека образуются два параллельных канала, в результате чего ширина канала уменьшается в два раза по сравнению с однозаходным шнеком. Следствием этого является уменьшение ширины слоя твердого ПМ и толщины пленки расплава между массой твердого ПМ и стенкой цилиндра, что способствует повышению сдвигового воздействия на материал в этой зоне. В дополнение к этому облегчается передача тепловой энергии от материального цилиндра в твердый ПМ. Результаты переработки ПОМ с применением шнека со стандартной геометрией позволяют отчетливо выявить деформацию слоя твердого материала (его ширина увеличивается), что с большой вероятностью может привести к образованию клиньев из твердого материала и повышенному износу рабочих органов машины.

Еще одно преимущество двузаходного шнека становится очевидным при анализе распределения давления в шнековом канале. В области задних (пассивных) поверхностей спирали шнека давление имеет минимальную величину, а в области передних (активных) поверхностей – максимальную. В результате в случае однозаходного шнека создается несимметричное распределение давления, вызывающее опасность отклонения шнека. Замена однозаходного шнека двузаходным позволяет уменьшить различия в давлении по обе стороны спирали в пределах каждого ее витка. Характерное для двузаходного шнека расположение каналов между витками обеспечивает симметричность распределения давления, благодаря чему в значительной степени предотвращается опасность бокового отклонения шнека, а следовательно, и повышенного износа как шнека, так и материального цилиндра.

Уменьшение глубины каналов между витками и связанное с этим уменьшение объема каналов предопределяют сокращение времени пребывания ПМ в этих каналах. При постоянной температуре перерабатываемого ПМ это означает снижение интенсивности теплового воздействия на ПМ и, как следствие, повышение качества расплава и изготавливаемых изделий. Наличие второго витка оказывает негативное влияние только в зоне загрузочного отверстия, так как ухудшаются условия захватывания гранулята ПМ. С учетом этого начальный участок шнека в области зоны загрузки выполняется однозаходным.

Новая серия шнеков двузаходной конструкции, изготовленных компанией ENGEL Austria GmbH, была оптимизирована для условий переработки легкотекучих термопластов. Повышение производительности, достигаемое при использовании этих новых шнеков с уменьшенной глубиной каналов между витками, может достигать (в частности, при переработке ПА) 70 %.

Заключение

Шнеки со стандартными геометрическими характеристиками все еще достаточно широко применяются на малых и средних литьевых машинах. Важным их преимуществом является универсальность использования. Они позволяют изготавливать высококачественные изделия из широкого ассортимента ПМ. Если же возможности их применения при переработке определенных видов ПМ оказываются ограниченными, то эффективность процесса пластикации может быть повышена путем целенаправленного изменения геометрических характеристик шнеков. Повышение производительности и снижение энергопотребления при равных и даже меньших капиталовложениях могут быть обеспечены за счет использования уменьшенных по габаритам узлов пластикации. Потенциальные возможности для дальнейшего повышения производительности открывают барьерные шнеки и шнеки со смесительно-сдвиговыми головками. В то же время их использование связано с увеличением объема инвестиций и опасностью повышенного износа, в частности, при переработке наполненных ПМ. В этом случае следует предварительно тщательно взвесить все «за» и «против».

Георг Штайнбихлер, Эрих Хохрайтер