Walcarki do polimerów i gumy

Walcarki laboratoryjne do polimerów i gumy w badaniach materiałowych, rozwoju receptur i próbach technologicznych

Walcarki laboratoryjne do polimerów i gumy są wykorzystywane do mieszania, walcowania, homogenizacji oraz przygotowania próbek w badaniach materiałowych i pracach badawczo-rozwojowych. Umożliwiają prowadzenie prób na relatywnie niewielkiej ilości materiału przy jednoczesnej kontroli temperatury, szczeliny, prędkości walców i obciążenia mechanicznego procesu.

Rodzina SiTech3D LM obejmuje trzy wielkości urządzeń. LM-150/320 jest kompaktowym, wysoko instrumentowanym stanowiskiem R&D. LM-200/400 łączy funkcje laboratoryjne z większą obciążalnością i skalą próby, natomiast LM-250/500 jest przeznaczona do wysokich obciążeń i badań scale-up.

Wspólna architektura rodziny obejmuje dwa niezależnie sterowane napędy walców, regulację szczeliny po obu stronach, pomiar położenia i siły po lewej i prawej stronie oraz możliwość rejestracji parametrów procesu. Dzięki temu walcarka może pełnić nie tylko funkcję urządzenia do przygotowania materiału, ale również stanowiska do prowadzenia badań porównawczych i analizy przebiegu walcowania.

Dlaczego walcarki do polimerów i gumy muszą pracować w szerokim zakresie temperatur

Polimery, elastomery i mieszanki gumowe wymagają różnych warunków cieplnych. W przypadku wielu tworzyw konieczne jest podgrzanie materiału do temperatury zapewniającej odpowiednie uplastycznienie i możliwość stabilnego prowadzenia procesu. Mieszanki gumowe, zwłaszcza zimne lub wysoko napełnione, mogą natomiast generować znaczne ilości ciepła wskutek deformacji i ścinania, dlatego istotna staje się również zdolność układu do kontrolowanego chłodzenia.

LM-150/320 wykorzystuje elektryczny, wielostrefowy system grzewczy oraz aktywne chłodzenie i może pracować do 300°C. Modele LM-200/400 i LM-250/500 mogą być wyposażone w wodne układy grzewczo-chłodzące do 140°C albo olejowe układy termostatujące do 300°C. Pozwala to dobrać sposób kontroli temperatury do właściwości materiału i charakteru prowadzonej próby.

Znaczenie szczeliny roboczej, friction ratio i równoległości walców

Jednym z podstawowych parametrów procesu jest szczelina pomiędzy walcami. W tej strefie materiał jest ścinany, deformowany, uplastyczniany i mieszany. Zmiana szczeliny wpływa między innymi na obciążenie mechaniczne układu, warunki przepływu, temperaturę materiału i sposób tworzenia wałka materiału przed szczeliną, określanego jako rolling bank.

Walcarki LM wykorzystują niezależną regulację lewej i prawej strony szczeliny oraz niezależny pomiar położenia obu stron. Sterowanie umożliwia aktywną korekcję równoległości walców oraz kompensację zmian geometrii wynikających z rozszerzalności cieplnej.

Drugim istotnym parametrem jest friction ratio, czyli stosunek prędkości powierzchniowych obu walców. Niezależne napędy pozwalają regulować prędkość każdego walca i zmieniać friction ratio również podczas procesu. Wpływa to na warunki ścinania, sposób deformacji materiału, zachowanie rolling banku oraz prowadzenie pasma na powierzchni walca.

Rys. 1. Schemat walcowania i mieszania materiału na walcarce dwuwalcowej.

Zależności pomiędzy szczeliną, temperaturą, rolling bankiem i friction ratio opisano szerzej w artykule Stan mieszania gumy w walcarce dwuwalcowej.

Napęd główny walców i wysoki moment obrotowy w pracy z materiałami wymagającymi

Walcowanie gumy, kompozytów i materiałów wysoko napełnionych może wymagać wysokiego momentu także przy niewielkiej prędkości obrotowej. Dlatego każdy walec serii LM jest napędzany niezależnie, a jego prędkość i moment mogą być mierzone osobno.

Silniki wykorzystują obce chłodzenie niezależne od prędkości obrotowej. Rozwiązanie ma szczególne znaczenie podczas długotrwałej pracy przy małej prędkości i wysokim obciążeniu, gdy chłodzenie zależne wyłącznie od obrotów wału byłoby mniej skuteczne.

Siła pomiędzy walcami jest dodatkowo mierzona niezależnie po lewej i prawej stronie na zespołach łożyskowych. Pozwala to obserwować nie tylko poziom obciążenia, ale również jego asymetrię, na przykład podczas wprowadzania zimnej lub twardej mieszanki tylko na część szerokości walców.

System regulacji temperatury walców dla polimerów i gumy

Powtarzalność procesu wymaga kontroli temperatury walców niezależnie od zmian obciążenia i ilości ciepła generowanego podczas walcowania. W urządzeniach LM temperatura jest mierzona wielopunktowo, a cyfrowy układ regulacji steruje grzaniem i chłodzeniem odpowiednio do konfiguracji konkretnego modelu.

LM-150/320 wykorzystuje elektryczne grzanie strefowe i wymuszony przepływ powietrza przez wnętrze walców. W LM-200/400 i LM-250/500 stosowane są układy cieczowe. W zależności od konfiguracji możliwe jest również zastosowanie niezależnych agregatów grzewczo-chłodzących dla każdego walca.

Pomiar temperatury walców może być uzupełniony o bezkontaktowy pomiar temperatury samego materiału, dzięki czemu można niezależnie obserwować warunki cieplne układu roboczego i przetwarzanej mieszanki.

Mechanizm automatycznego mieszania i ergonomia pracy operatora

Programowalny stock blender, czyli automat mieszający, wykorzystuje napędzaną rolkę dociskową przemieszczającą się ruchem posuwisto-zwrotnym wzdłuż walca. Rolka odrywa pasmo materiału od powierzchni walca, zawija je i ponownie kieruje do obszaru roboczego, realizując kontrolowane mieszanie poprzeczne.

Zakres przemieszczania rolki, jej prędkość obrotowa, czas pracy oraz liczba cykli są programowane z poziomu sterowania walcarki. Parametry mogą być zapisane jako część receptury, co ogranicza wpływ ręcznej techniki operatora i umożliwia powtarzanie tego samego sposobu prowadzenia materiału podczas kolejnych prób.

Napęd rolki posiada pomiar momentu obrotowego. Rejestrowany moment opisuje opór występujący podczas odrywania, zawijania i prowadzenia materiału, a przy zdefiniowanych warunkach badania może być wykorzystywany do ilościowej analizy jego przylegania do powierzchni walca.

Stock blender jest standardowym wyposażeniem LM-150/320. W LM-200/400 i LM-250/500 jest dostępny jako element konfiguracji stanowiska.

Rys. 2. Programowalny stock blender do automatycznego mieszania i prowadzenia materiału.

Walcarka jako urządzenie pomiarowe i stanowisko badawcze

Walcarka laboratoryjna może dostarczać znacznie więcej informacji niż tylko temperatura i prędkość walców. W urządzeniach LM możliwa jest jednoczesna obserwacja momentu każdego walca, siły po lewej i prawej stronie, położenia obu stron szczeliny, prędkości walców oraz temperatury układu roboczego.

Stanowisko może zostać dodatkowo wyposażone w maksymalnie cztery bezkontaktowe czujniki procesowe. Poszczególne punkty mogą być skonfigurowane jako czujniki temperatury IR, czujniki odległości albo jako kombinacja obu typów, odpowiednio do celu prowadzonego badania.

Czujniki IR umożliwiają pomiar temperatury materiału niezależnie od temperatury walców. Czujniki odległości mogą natomiast mierzyć wysokość rolling banku. Zastosowanie kilku punktów pomiarowych umożliwia dodatkowo analizę jego profilu i asymetrii wzdłuż szerokości roboczej.

Połączenie tych sygnałów z pomiarem momentu stock blendera pozwala analizować przebieg procesu na podstawie wielu niezależnych wielkości i porównywać kolejne formulacje przy zachowaniu zdefiniowanych warunków walcowania.

Integracja z systemami uczelni, laboratorium i firmy

Walcarki LM mogą pracować jako element większego środowiska badawczego lub technologicznego. Sterowanie PLC czasu rzeczywistego, rejestracja parametrów oraz pamięć receptur wspierają prowadzenie powtarzalnych prób i dokumentowanie ich warunków.

POWERLINK, Ethernet i OPC UA stanowią standardową warstwę komunikacyjną urządzeń. OPC UA umożliwia wymianę danych z systemami nadrzędnymi oraz integrację stanowiska z infrastrukturą cyfrową laboratorium lub zakładu, w tym z systemami MES i LIMS.

Takie rozwiązanie pozwala wykorzystywać walcarkę zarówno jako samodzielne stanowisko laboratoryjne, jak i jako część szerszego systemu gromadzenia i analizy danych procesowych.

Bezpieczeństwo pracy i ochrona układu roboczego

Walcarki laboratoryjne LM są wyposażone w systemy bezpieczeństwa zgodne z EN 1417. Przy dostępnym zasilaniu sieciowym realizowane są funkcje zatrzymania, awaryjnego rozsunięcia oraz kontrolowanego rewersu walców.

Maszyny wykorzystują dwa odrębne tory zasilania rezerwowego. Jeden zapewnia niezależne zasilanie automatyki 24 V DC, natomiast drugi dostarcza energię potrzebną do wykonania awaryjnego rozsunięcia walców po zaniku zasilania podstawowego.

Niezależnie od układów elektrycznych każda strona walców może zostać rozsunięta mechanicznie za pomocą standardowego klucza nasadowego. Lewa i prawa strona mogą być przemieszczane niezależnie, dzięki czemu zwiększenie szczeliny jest możliwe również bez zasilania elektrycznego.