Walcarki do gumy

Walcarki laboratoryjne do gumy w badaniach mieszanek elastomerowych i próbach technologicznych

Walcarki laboratoryjne do gumy są wykorzystywane do mieszania, walcowania, homogenizacji, mastykacji oraz przygotowania próbek z mieszanek gumowych, elastomerów i silikonu. W laboratoriach R&D i kontroli jakości służą również do oceny zachowania mieszanki podczas procesu oraz przygotowania pasów i arkuszy do dalszych badań mechanicznych, reologicznych i technologicznych.

W zastosowaniach gumowych szczególne znaczenie ma zdolność do pracy z materiałami generującymi wysokie opory mechaniczne, wysoki moment przy niewielkiej prędkości, kontrola temperatury walców, precyzyjna regulacja szczeliny oraz możliwość niezależnego sterowania prędkością obu walców. Parametry te wpływają na warunki ścinania, uplastycznianie materiału, tworzenie rolling banku, homogenizację oraz powtarzalność procesu.

Rodzina obejmuje LM-150/320 do kompaktowych badań R&D, LM-200/400 jako uniwersalne stanowisko laboratoryjno-technologiczne oraz LM-250/500 przeznaczoną do wysokich obciążeń i badań scale-up.

Dlaczego walcarki do gumy wymagają innej konfiguracji niż walcarki do polimerów

Mieszanki gumowe, elastomery i silikony zachowują się podczas walcowania inaczej niż wiele tworzyw termoplastycznych. Szczególnie zimne, twarde lub wysoko napełnione mieszanki mogą stawiać bardzo duży opór deformacji. Jednocześnie znaczna część energii mechanicznej dostarczanej do materiału podczas ścinania i odkształcania jest przekształcana w ciepło.

Dlatego w zastosowaniach gumowych równie ważne jak ogrzewanie jest kontrolowane chłodzenie. LM-150/320 wykorzystuje elektryczny układ grzewczy oraz aktywne chłodzenie powietrzem. W LM-200/400 i LM-250/500 mogą być stosowane wodne układy grzewczo-chłodzące pracujące do 140°C. Jeżeli proces wymaga wyższej temperatury, modele te mogą być również wyposażone w olejowy układ termostatujący do 300°C.

Znaczenie szczeliny roboczej, frykcji i prowadzenia mieszanki gumowej

Jednym z podstawowych parametrów walcowania gumy jest szczelina pomiędzy walcami. W tej strefie mieszanka jest ścinana, deformowana, uplastyczniana i przemieszczana. Zmiana szczeliny wpływa na obciążenie mechaniczne układu, temperaturę materiału, warunki przepływu oraz wielkość i zachowanie rolling banku.

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

Istotnym parametrem procesu jest również frykcja walców, określana jako friction ratio, czyli stosunek prędkości powierzchniowych obu walców. Niezależne napędy pozwalają regulować prędkość każdego walca i zmieniać friction ratio także podczas pracy. Wpływa to na warunki ścinania, ilość energii mechanicznej przekazywanej do mieszanki, zachowanie rolling banku oraz sposób prowadzenia 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.

Wysoki moment obrotowy i stabilny napęd w pracy z mieszankami gumowymi

Mieszanki gumowe mogą generować bardzo wysokie opory mechaniczne, zwłaszcza na początku procesu, podczas wprowadzania zimnego materiału oraz przy dużej zawartości napełniaczy. Z tego względu każdy walec serii LM wykorzystuje własny, niezależnie sterowany napęd.

Silniki mają obce chłodzenie niezależne od ich prędkości obrotowej. Pozwala to zachować skuteczne chłodzenie napędu także podczas długotrwałej pracy z wysokim momentem przy małych prędkościach.

Prędkość i moment każdego walca są mierzone niezależnie. Moment może być dzięki temu wykorzystywany nie tylko do kontroli obciążenia napędu, ale również jako parametr opisujący zmiany oporu mieszanki podczas kolejnych etapów walcowania.

Walce są osadzone w łożyskach wahliwych, które umożliwiają kompensację zmian kątowego ustawienia zespołów łożyskowych pod obciążeniem. Ma to szczególne znaczenie podczas niesymetrycznego naporu zimnej lub twardej mieszanki. Siła działająca pomiędzy walcami jest równocześnie mierzona niezależnie po lewej i prawej stronie, co pozwala obserwować rzeczywisty rozkład obciążenia układu roboczego.

Regulacja temperatury walców w zastosowaniach do gumy i silikonu

Kontrola temperatury podczas walcowania gumy nie polega wyłącznie na doprowadzaniu ciepła. Energia mechaniczna dostarczana do mieszanki podczas deformacji i ścinania może powodować jej intensywne nagrzewanie, dlatego układ termiczny musi również skutecznie odbierać powstające ciepło.

W LM-200/400 i LM-250/500 wodne układy grzewczo-chłodzące mogą pracować w zakresie 20-140°C i dobrze odpowiadają wielu procesom prowadzonym z gumą, elastomerami i silikonem. W zależności od konfiguracji możliwe jest również zastosowanie niezależnych agregatów grzewczo-chłodzących dla każdego walca.

Temperatura walców jest mierzona wielopunktowo i regulowana cyfrowo. Układ pomiarowy może zostać dodatkowo rozszerzony o bezkontaktowe czujniki IR obserwujące bezpośrednio temperaturę przetwarzanej mieszanki.

Mieszanie, mastykacja, homogenizacja i przygotowanie pasa gumowego

Walcarka laboratoryjna do gumy może realizować różne etapy przygotowania materiału. W zależności od rodzaju mieszanki może służyć do mastykacji, homogenizacji, domieszania składników, prowadzenia kolejnych przejść przez szczelinę, kontrolowanego chłodzenia oraz przygotowania pasa lub arkusza do dalszych badań.

Istotnym elementem procesu jest sposób prowadzenia materiału na walcach. Wielkość rolling banku, sposób zawijania pasma, liczba przejść przez szczelinę, friction ratio, temperatura oraz czas poszczególnych etapów wpływają na stan mieszanki i powtarzalność otrzymywanych wyników.

Mechanizm automatycznego mieszania mieszanki

Programowalny stock blender 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 procesu, co ogranicza wpływ ręcznej techniki operatora i umożliwia odtwarzanie tego samego sposobu prowadzenia mieszanki podczas kolejnych prób.

Napęd rolki jest wyposażony w pomiar momentu obrotowego. Rejestrowany moment opisuje opór występujący podczas odrywania, zawijania i prowadzenia materiału i przy zdefiniowanych warunkach procesu 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 może być dobierany jako element konfiguracji stanowiska.

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

Walcarka do gumy jako urządzenie pomiarowe i stanowisko kontroli procesu

Walcarka laboratoryjna LM może być wykorzystywana nie tylko jako urządzenie do przygotowania mieszanki, ale również jako instrumentowane stanowisko badawcze. Możliwa jest jednoczesna rejestracja momentu obu walców, siły po lewej i prawej stronie, położenia obu stron szczeliny, prędkości oraz temperatury procesu.

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

Czujniki IR umożliwiają obserwację temperatury samej mieszanki niezależnie od temperatury walców. Czujniki odległości mogą mierzyć wysokość rolling banku, a zastosowanie kilku punktów pomiarowych umożliwia także analizę jego profilu i asymetrii wzdłuż szerokości roboczej.

Połączenie tych sygnałów z pomiarem momentu stock blendera pozwala porównywać receptury, obserwować zmiany zachowania materiału w czasie oraz prowadzić kolejne próby w zdefiniowanych i możliwych do odtworzenia warunkach.

Integracja z systemami uczelni, laboratorium i firmy

Walcarki LM wykorzystują sterowanie PLC czasu rzeczywistego i rozproszoną architekturę automatyki. Rejestracja parametrów oraz pamięć receptur wspierają prowadzenie powtarzalnych prób i dokumentowanie warunków procesu.

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

Bezpieczeństwo pracy przy walcowaniu mieszanek gumowych

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 być rozsuwana mechanicznie za pomocą standardowego klucza nasadowego. Lewa i prawa strona mogą być przemieszczane niezależnie, dzięki czemu zwiększenie szczeliny jest możliwe również bez zasilania elektrycznego.