מחמם או מקרר? זו השאלה! – עקרונות בבקרת טמפרטורה בתבנית / דודי כהן, סו-פאד

בקרת הטמפרטורה בעלת השפעה חשובה על איכות המוצר ורווחיות התהליך

אחד הפרמטרים החשובים ביותר בתהליך ההזרקה הוא בקרת טמפרטורת התבנית. לטמפרטורה זו חשיבות מכרעת על איכות המוצר המתקבל וכן על תפוקת המכונה וזמן המחזור. היא מהווה אבן מאזניים בין הצלחה או כישלון בייצור, רווח או הפסד.

הדרך הברורה להשפעה על טמפ' התבנית היא ע"י מחמם התבניות, שבניגוד לשמו, דווקא מקרר את ההיתך הפלסטי אשר מוזרק לתוך המובלעת. אולם, שליטת הטמפ' מורכבת בהרבה מכיוון שהיא מושפעת מגורמים רבים: טמפ' הסביבה, טמפ' נוזל הקירור, ספיקת הנוזל, איכות המים, טמפ' ההיתך הנכנס, תכנון גיאומטרי של תעלות הקירור, מיקום ומבנה, ניקיון התעלות והמעברים, מקדם מעבר החום של התבנית עצמה, תכנון וסוג צנרת הולכת נוזל הקירור עד לפתח התבנית, אופי החיבורים השונים ועוד.

על מנת להכניס קצת סדר בנושא, מקיימת חברת SU-PAD הישראלית ימיי עיון מקצועיים לתעשייה. ימים אלו מספקים ראייה מקיפה על הנושא ומקנים כלים מעשיים לעבודה נכונה וכן לאפיון ורכישה חכמה של הציוד המתאים תוך חישוב פינוי החום הרצוי והספק החום של מחמם התבניות. במאמר זה ננסה לחלוק כמה עקרונות בסיסים המוצגים בימיי עיון אלו. פירוט והרחבה נוספים ניתן לקבל תוך קשר ישיר עם החברה.

מחמם או מקרר זו השאלה?

כאמור, מחמם התבניות מחזיק בשם מתעתע. למעשה, פועל המחמם לחימום התבנית אך ורק בתחילת העבודה. לאחר שאנחנו מגיעים לייצור יציב, המחמם בעצם עובד כמקרר ההיתך. הטמפרטורה הרצויה תלויה בסוג החומר בו עובדים כאשר הטמפרטורה עולה עבור פולימרים הנדסיים בעלי ביצועים גבוהים כגון PEEK, PI, PFA, LCP ועוד. עבור פולימרים פשוטים לעבודה, כגון PP או PE, מספיקים לעיתים מי הקירור המפעליים והצורך במחמם התבניות מתייתר.

השפעת טמפ' התבנית על איכות המוצר המוזרק

טמפ' התבנית בעלת השפעה ניכרת על איכות המוצר. היא משפיעה כמובן על מידות המוצר הסופי, על עיוותים, מאמצים פנימיים, איכות פני שטח, מבנה המולקולרי, אוריינטציה, אחוז גבישיות וכיוצא מזה – תכונות מכניות.

שינוי טמפ' התבנית לעומת טמפ' ההיתך בצילינדר

קיימות שתי דרכים לשליטה ישירה על טמפ' החומר: האחת, שינוי טמפ' החומר בצילינדר והשנייה, שינוי טמפ' המדיום בתבנית. אם נשווה לרגע את שני הפרמטרים האלו נוכל לראות כי בעוד שפרמטר הלחץ בשקע מגיב בצורה זהה גם לשינוי הטמפ' בתבנית וגם לשינוי הטמפ' בצילינדר, הטמפ' בשקע מתנהגת אחרת. היא כמעט ואינה רגישה לשינוי הטמפ' בצילינדר אך שינוי טמפ' קירור התבנית משפיע עליה בצורה חדה.

נפלאות הספיקה – מכשיר אחד לשליטה על אזורי קירור שונים

אזורים שונים בתבנית מצריכים לעיתים פינוי חום שונה. במצב זה ניתן להשתמש בכמה מחממי תבניות שונים אך עלותם גבוהה. פתרון נוסף, המצמצם את השימוש במספר מחממי תבניות הוא שימוש במחמם בודד כאשר הטמפרטורה השונה באזורים נשלטת על ידי שינוי ספיקת המים בתעלות.

לשם כך הוציאה חברת HB TERM השוויצרית, המיוצגת על ידי SU-PAD את ה-Flow 5 (תמונה 1). מדובר במערכת ברזים חכמים, הממוקמים בכל מעגל בנפרד. נקודת כניסת המים ויציאת המים  בכל מעגל  מצוידת בתרמוקפל. כך ניתן לשלוט במדוייק על הספיקה וכתוצאה מכך, על הטמפרטורה של כל מעגל בנפרד. הפתרון מייתר את השימוש במחממים רבים וכן את הצורך בתרמוקפלים בתבנית עצמה. המכשיר מתאים עד לטמפרטורת מים של °C180. היתרון בשימוש במים ולא בשמן הינו יעילות פינוי החום ובטיחות.

תמונה 1: מערכת Flow 5 של HB TERM לשליטה על הספיקה והטמפרטורה של אזורים שונים בתבנית

שיקולים בפינוי חום בתבנית

מרחק תעלות הקירור

המרחק המומלץ בין תעלת קירור אחת לשניה, וכן בין תעלת הקירור לפני שטח התבנית (תמונה 2), מושפע על ידי קוטר התעלה על פי נוסחה 1:

נוסחה 1: המרחק המומלץ למיקום תעלות הקירור.

תמונה 2: אילוסטרציה לחישוב המרחק הרצוי בין תעלת קירור אחת לשניה, וכן בין תעלת הקירור לפני שטח התבנית

חישוב הספק החימום והקירור הרצוי

על מנת לעבוד בצורה תקינה, יש לוודא שהספק המכשיר, תואם להספק הדרוש לעבודה. יש להבין כי גם יכולת החימום וגם יכולת הקירור של בקר הטמפרטורה חשובות. החימום חשוב לשלב תחילת העבודה שבה נרצה להגיע לעבודה מהירה בטמפרטורה הנדרשת. הספק החימום תלוי בטמפ' החדר, טמפ' התבנית הרצויה, מסת התבנית, מקדם הולכת החום של החומר ממנה עשויה התבנית, זמן החימום הרצוי ועוד. ניתן לחשבו במדויק על פי נוסחה 2. הקירור נחוץ לשלב העבודה הרציפה בה יש לסלק את חום ההיתך מהתבנית. הספק הקירור תלוי בטמפ' ההיתך בהזרקה, טמפ' ההיתך בחליצה ובתפוקת חומר הגלם לשעה. ניתן לחשבו על פי נוסחה 3.

נוסחה 2: לחישוב הספק החימום של בקר הטמפרטורה

נוסחה 3: לחישוב הספק הקירור הרצוי של בקר
הטמפרטורה.

לצאת מהפינה

פינות במוצר מהוות נקודה רגישה ויש להתייחס בהתאם בתכנון פינוי החום. קיימות שתי דרכים סטנדרטיות להגברת פינוי החום בפינה: האחת, לקרב את תעלת הקירור לפני השטח והשנייה, לעבור למתכת בעלת מקדם העברת חום יעיל יותר (קופר בריליום). דרך שלישית, אפשרית על ידי בידוד מעגל הקירור של הפינה ושינוי בספיקת המים על ידי מערכת Flow 5, על מנת ליצור בו פינוי חום יעיל יותר (תמונה 3).

תמונה 3: השוואה בין ספיקה אחידה לשינוי ספיקת המים בפינת המוצר על מנת להשיג קירור אפקטיבי יותר ללא צורך בקירוב התעלה או במעבר לקופר בריליום

שיקולים בבחירת צנרת

לבקר הטמפ' שני מעגלי מים, האחד אל וחזרה מהתבנית והשני אל מערכת קירור המים המפעלית. קיימים סוגים רבים של צנרת להובלת המים במעגלים אלו (טבלה 1) כאשר בבחירה הנכונה, יש לקחת בחשבון שיקולים כלכליים ובטיחותיים למשתמש. אם העבודה אינה מגיעה לטמפ' גבוהות ניתן בהחלט להסתפק בצינורות פשוטים ואין טעם להשקיע בצנרת יקרה.

טבלה 1: ההבדלים בין סוגי צנרת הולכת נוזל הקירור.

מחברים, אביזרים ונפילת לחץ במעגל הקירור

לספיקת נוזל הקירור השפעה גדולה על טמפ' התבנית. מחבר או אביזר המורכב בצנרת גורם לנפילת הלחץ ומשפיע על הספיקה. על מנת להתגבר על כך, מעלה המשאבה של בקר הטמפרטורה את הלחץ ההתחלתי אולם יכולת הפיצוי שלה מוגבלת ויש לבדוק כי החיבורים השונים לא פוגעים בסופו של דבר בתהליך.

על פעילות המשאבה בפיצוי נפילת הלחץ ניתן לשים תג מחיר המהווה את ההשקעה האנרגטית בפעולתה. החיסכון הכספי המושג עקב צנרת זולה או מחברים רגילים עולה לפעמים ביוקר – כאשר מכניסים למשוואה גם את ההוצאות האנרגטיות. מעבר לצינור 10 (במקום 6) יכול לחסוך עשרות יורו בשנה, למעגל בודד. נכפיל זאת במספר המעגלים בתבנית, ובמספר המכונות ברצפת הייצור, ונראה כי הסכומים המתקבלים משמעותיים.

מסיבה זו, ממש מומלץ לא להשתמש בחיבורי מים מהירים, עם או בלי שסתום אל חוזר. אלו גורמים לנפילת לחץ גבוהה ומצמצמים חתך מעבר המים. את נפילת הלחץ ניתן לקחת מגרפים המתאימים לחיבורים השונים, התלויים בסוג הצינור (DN9, DN13, DN19).

הגנה תרמית לצנרת

הגנה תרמית לצנרת הנה בראש ובראשונה עניין בטיחותי. אולם, אם נבחן את החסכון האנרגטי המתקבל מהגנה שכזו נוכל לראות כי במקרים רבים יש גם הצדקה כלכלית להגנה. שיקולים אנרגטיים עומדים לנגד עינינו גם באיגוד צינורות, פעולה המצמצמת את האיבוד האנרגטי לסביבה ועלותה זניחה. איגוד זה משמעותי גם כאשר מדובר על צינורות מבודדים והוא יכול לצמצם את אובדן האנרגיה בחצי.

לסיכום,

בקרת טמפרטורה היא עניין מורכב, התלוי בפרמטרים רבים ומשפיע על התוצר הסופי, איכותו וריווחיותו. חברת SU-PAD מקיימת במשרדיה ימיי עיון מקצועיים בנושא זה, כמו גם רבים אחרים והציבור מוזמן.

למידע נוסף: SU-PAD, דודי כהן, 052-333-4740, [email protected]