Laboratoryjne wtryskarki elektryczne o wysokiej precyzji kontroli procesu wtrysku

Elektryczny napęd tłoka z serwonapędem i śrubą kulową

W laboratoryjnych wtryskarkach elektrycznych SiTech3D ruch tłoka jest realizowany przez serwonapęd współpracujący z mechanizmem śruby kulowej. Układ ten przekształca kontrolowany ruch obrotowy silnika w ruch liniowy tłoka i pozwala programować jego położenie, skok, prędkość oraz dynamikę ruchu.

Cykl może obejmować wielostopniowe profile prędkości, programowane rampy przyspieszania i hamowania oraz zadawanie siły działającej na tłok. Siła jest wyznaczana na podstawie pomiaru momentu serwonapędu i parametrów mechanizmu śruby kulowej. Po zakończeniu fazy wtrysku program może przejść do docisku albo kontrolowanego uwolnienia obciążenia.

Elektryczny napęd tłoka jest szczególnie użyteczny wtedy, gdy przebieg ruchu i obciążenia ma stanowić kontrolowany element eksperymentu. Jest to jeden z podsystemów platformy MIM, dobierany razem z układem wtryskowym, termiką, formą, automatyką i wymaganym zakresem rejestracji danych.

Jak działa elektryczny układ napędu tłoka?

Serwomotor steruje ruchem śruby kulowej, która przekształca ruch obrotowy w liniowe przemieszczenie tłoka. Informacja o położeniu pochodzi ze sprzężenia zwrotnego serwonapędu, a znana kinematyka mechanizmu pozwala powiązać pozycję wału silnika z położeniem tłoka.

Dzięki temu układ sterowania nie ogranicza się do określenia pozycji początkowej i końcowej. Ruch może zostać podzielony na kolejne odcinki, dla których definiowane są różne prędkości, przyspieszenia oraz warunki zakończenia danej fazy.

Programowany profil ruchu zamiast jednej prędkości wtrysku

Prędkość tłoka może być zadawana bezpośrednio i zmieniana podczas jednego cyklu. Poszczególnym odcinkom skoku można przypisać różne wartości prędkości oraz określić sposób przejścia pomiędzy nimi poprzez rampy przyspieszania i hamowania.

Pozwala to kształtować przebieg ruchu w zależności od geometrii formy, właściwości materiału i celu eksperymentu. Początkowa część napełniania może być realizowana inaczej niż środkowa lub końcowa faza skoku, bez konieczności sprowadzania całego procesu do jednej wartości prędkości.

Sterowanie siłą na podstawie momentu serwonapędu

Serwonapęd dostarcza dokładnej informacji o swoim momencie obrotowym. Znając moment oraz parametry mechanizmu śruby kulowej, układ sterowania może wyznaczać odpowiadającą mu siłę liniową działającą na tłok i realizować zadaną wartość siły w zakresie roboczym urządzenia.

Nie jest to bezpośredni pomiar siły za pomocą osobnego przetwornika tensometrycznego. Wartość siły wynika z pomiaru momentu serwonapędu oraz modelu kinematycznego i mechanicznego układu napędowego. Takie rozróżnienie ma znaczenie przy interpretacji danych procesowych.

Położenie, prędkość, siła i ciśnienie opisują różne zjawiska

Parametry elektrycznego napędu tłoka są ze sobą powiązane, ale nie są równoważne. Położenie określa miejsce, w którym znajduje się tłok, prędkość opisuje tempo jego ruchu, moment serwonapędu jest podstawą do wyznaczania siły liniowej, natomiast ciśnienie materiału zależy dodatkowo od geometrii układu i oporów przepływu.

Siła tłoka nie jest tym samym co ciśnienie w formie

Dla znanej powierzchni czynnej tłoka można obliczyć nominalne ciśnienie odpowiadające zadanej sile:

Zależność ta opisuje warunki na powierzchni tłoka. Nie oznacza, że taka sama wartość ciśnienia występuje w dyszy, układzie wlewowym i gnieździe formy. Podczas przepływu stopu powstają spadki ciśnienia zależne między innymi od geometrii kanałów, lepkości materiału, temperatury i prędkości przepływu.

Jeżeli wymagane jest określenie rzeczywistego ciśnienia w konkretnym miejscu toru materiału, potrzebny jest odpowiedni pomiar w tym miejscu.

Programowany skok a objętość przemieszczanego materiału

Znajomość położenia tłoka pozwala programować jego skok, a dla cylindra o stałym przekroju geometryczna objętość przemieszczenia wynika z powierzchni tłoka i jego drogi:

Nie jest to automatycznie objętość gotowej próbki. W bilansie należy uwzględnić dyszę, układ wlewowy, geometrię formy oraz przebieg docisku. Dlatego dobór układu wtryskowego powinien odnosić się do całego toru materiału, a nie wyłącznie do wymiarów końcowej kształtki.

Docisk albo kontrolowane uwolnienie obciążenia

Po zakończeniu fazy wtrysku program nie musi realizować jednej z góry określonej sekwencji. Układ może przejść do zadanej fazy docisku albo do kontrolowanego zmniejszenia obciążenia i uwolnienia tłoka.

Pozwala to dopasować końcową część cyklu do charakterystyki materiału, konstrukcji formy i celu eksperymentu. Parametry ruchu, czas oraz zadawana siła mogą być elementami jednej receptury technologicznej.

Powtarzalność ruchu napędu a powtarzalność próbki

Serwonapęd pozwala dokładnie odtwarzać zaprogramowany przebieg ruchu i obciążenia tłoka. Nie oznacza to jednak automatycznie uzyskania identycznych próbek. Na stan materiału wpływają również jego przygotowanie, wilgotność, historia termiczna, temperatura cylindra i formy, geometria przepływu oraz warunki chłodzenia.

Wartość elektrycznego napędu polega na ograniczeniu jednej z istotnych składowych zmienności procesu: sposobu realizacji ruchu i obciążenia tłoka. W połączeniu z kontrolą pozostałych warunków oraz rejestracją danych pozwala to prowadzić dobrze zdefiniowane serie eksperymentalne.

Napęd tłoka jest jednym z podsystemów wtryskarki

Elektryczny układ napędu odpowiada za ruch i obciążenie tłoka, ale nie realizuje wszystkich funkcji urządzenia. Proces wtrysku wymaga współpracy kilku odrębnych podsystemów, które razem tworzą stanowisko laboratoryjne.

Kiedy warto zastosować elektryczny napęd tłoka?

Rozwiązanie to jest szczególnie użyteczne wtedy, gdy eksperyment wymaga programowania przebiegu ruchu, wielostopniowych profili prędkości, kontrolowania dynamiki, zadawania siły albo budowania własnych sekwencji wtrysku, docisku i uwolnienia.

Nie oznacza to, że napęd elektryczny jest rozwiązaniem uniwersalnie lepszym od pneumatycznego. Oba warianty realizują ruch i siłę w inny sposób i powinny być dobierane do wymagań konkretnego procesu. Jeżeli właściwy jest układ pneumatyczny, odpowiednią grupę stanowią laboratoryjne wtryskarki pneumatyczne.

Jeżeli materiał przed wykonaniem próbki wymaga mieszania, homogenizacji lub przygotowania w procesie wytłaczania, należy rozważyć stanowiska łączące wytłaczanie i wtrysk. Szerszy wybór technologii rozpoczyna się w kategorii wtryskarek laboratoryjnych i systemów przygotowania próbek.

FAQ

Co daje zastosowanie serwonapędu i śruby kulowej?

Pozwala przekształcić kontrolowany ruch serwomotoru w programowany ruch liniowy tłoka. Dzięki temu można definiować położenie, skok, prędkość, dynamikę ruchu i przebieg kolejnych faz cyklu.

Czy prędkość tłoka może zmieniać się podczas jednego wtrysku?

Tak. Jeden cykl może składać się z kolejnych odcinków realizowanych z różnymi zadanymi prędkościami oraz programowanymi rampami przejścia pomiędzy nimi.

Jak wyznaczana jest siła tłoka?

Układ wykorzystuje pomiar momentu serwonapędu i parametry mechanizmu śruby kulowej do wyznaczenia odpowiadającej mu siły liniowej. Siła może być zadawana w zakresie roboczym przewidzianym dla danej konfiguracji.

Czy siła tłoka jest tym samym co ciśnienie w formie?

Nie. Z siły i powierzchni tłoka można obliczyć nominalne ciśnienie odpowiadające warunkom na tłoku, ale lokalne ciśnienie materiału zmienia się wzdłuż toru przepływu.

Czy po wtrysku można realizować docisk?

Tak. Po zakończeniu fazy wtrysku program może przejść do docisku albo do kontrolowanego uwolnienia obciążenia, zależnie od zaprogramowanego przebiegu procesu.

Czy elektryczna wtryskarka laboratoryjna służy tylko do mikropróbek?

Nie. Zakres możliwych kształtek zależy od konkretnego modelu, cylindra, tłoka, skoku oraz zastosowanej formy. Elektryczny wariant napędu określa sposób sterowania ruchem tłoka, a nie wielkość wykonywanej próbki.

Czy serwonapęd odpowiada za regulację temperatury?

Nie. Serwonapęd odpowiada za ruch i obciążenie tłoka. Temperatura jest kontrolowana przez odrębny układ pomiarowo-regulacyjny, a system automatyki synchronizuje poszczególne funkcje stanowiska.