WIRTUALNA WTRYSKARKA TWORZYW SZTUCZNYCH

Transkrypt

1 Leszek A. DOBRZAŃSKI, Rafał HONYSZ Politechnika Śląska Instytut Materiałów inżynierskich i Biomedycznych rafal.honysz@polsl.pl WIRTUALNA WTRYSKARKA TWORZYW SZTUCZNYCH Streszczenie. Wirtualna symulacja wtryskarki tworzyw sztucznych przybliża użytkownikowi budowę urządzenia i wprowadza w proces wtryskiwania tworzyw sztucznych. W poglądowy sposób symulacja pozwala zapoznać się z ogólną budową rzeczywistej wtryskarki tworzyw sztucznych oraz sposobem jej działania. Dzięki niej użytkownik może poznać podstawowe parametry wtryskiwania, a także najczęściej występujące wady wyprasek spowodowane nieprawidłowym ustawieniem parametrów ich produkcji bez fizycznego dostępu do rzeczywistej maszyny. VIRTUAL INJECTION MOULDING MACHINE Summary. Virtual simulation of injection moulding machine introduce the construction and implementation of the polymers injection moulding process. The illustrative simulation method allows the presentation of general construction of an actual injection moulding machine and the principle of the production process. With this user can learn about the basic parameters of the injection moulding, and the most popular product defects caused by incorrect setting of production parameters without physical access to the actual machine.

2 Wirtualna wtryskarka tworzyw WSTĘP Wirtualne laboratorium inżynierii materiałowej [1] to idea służąca dopełnieniu pracy studenta nad zdobyciem wykształcenia z dziedziny inżynierii materiałowej. W skład laboratorium wejdą programy komputerowe stworzone w różnych językach i technologiach (Flash, Java, Delphi, C++). Są one wirtualnym odwzorowaniem rzeczywistego sprzętu zainstalowanego w rzeczywistym laboratorium. Student na ekranie swojego komputera ma możliwość wykonania tych samych ćwiczeń, które pod okiem prowadzącego zajęcia można wykonać wyłącznie w laboratorium na uczelni. Programy komputerowe symulujące pracę rzeczywistych urządzeń są ich wiernym odwzorowaniem. Jest oczywiste, że symulacja nigdy nie osiągnie pełnej funkcjonalności rzeczywistego sprzętu, należy dążyć by program opisywał możliwie dużo funkcji i możliwości oryginału, w szczególności tych, które są wykorzystywane np. podczas szkolenia. W tym przypadku oddanie wierności działania jest szczególnie ważne, gdyż dla osób nieobeznanych z urządzeniem ma ona charakter poznawczy [2-4]. Studenci kształcący się przez sieć komputerową, na tzw. E-studiach lub nieposiadający możliwości skorzystania z rzeczywistego urządzeń badawczych, np. z powodu ich braku w danej placówce badawczej lub awarii, otrzymują dzięki wirtualnym laboratoriom możliwość nabycia umiejętności praktycznych będących naturalnym następstwem zdobywania wiedzy z podręczników, skryptów itp. [5-7]. Jednym z symulowanych urządzeń zainstalowanych w wirtualnym laboratorium inżynierii materiałowej jest wirtualna wtryskarka tworzyw sztucznych. 2. PROCES FORMOWANIA WTRYSKOWEGO TWORZYW SZTUCZNYCH Formowanie wtryskowe tworzyw sztucznych jest procesem cyklicznym, podczas którego materiał w postaci granulatu lub proszku zostaje uplastyczniony w cylindrze wtryskarki pod wpływem ciepła, a następnie wtryśnięty przez ślimak lub tłok do gniazd formujących. Tam tworzywo zestala się w obniżonej lub podwyższonej temperaturze, zachowując kształt gotowego wyrobu - wypraski. Po otwarciu formy następuje jej wyjęcie i proces może być prowadzony ponownie. Proces ten przeznaczony jest głównie do przetwórstwa tworzyw termoplastycznych, lecz stosowany również do przetwórstwa tworzyw termo - i chemo - utwardzalnych. Wtryskiwanie jest podstawowym procesem wytwarzania z tworzyw sztucznych gotowych wyrobów o masie od 0,01g do 70 kg. Został on wprowadzony po raz pierwszy na początku XX wieku, do przetwórstwa pierwszych termoplastycznych tworzyw sztucznych. Współczesne wtryskarki są skomplikowanymi, wielofunkcyjnymi maszynami do przetwórstwa tworzyw sztucznych. Ogólna budowa wszystkich ich typów jest podobna,

3 136 L.A. Dobrzański, R. Honysz ponieważ składają się one z pełniących tę samą rolę zespołów funkcjonalnych. W zależności od rodzaju przetwarzanego tworzywa, sposobu pracy, rodzaju formy itp., są dostosowywane do wymogów poszczególnych wariantów technologii w sposób konstrukcyjny bądź przez zastosowanie specjalnego wyposażenia technologicznego [8-12]. 3.WIRTUALNA SYMULACJA PROCESU WTRYSKU TWORZYWA SZTUCZNEGO Aby uruchomić wirtualną symulację potrzebny jest komputer osobisty klasy PC z dostępem do sieci internetowej. Po jej uruchomieniu na ekranie pojawi się okno główne podzielone na trzy zakładki: budowa wtryskarki prezentacja 3D proces technologiczny. Kliknięcie każdej z zakładek powoduje udostępnienie innego elementu symulacji. Poniżej zostały opisane jej poszczególne obszary. 3.1.Budowa wtryskarki Po kliknięciu w zakładkę budowy wtryskarki można zobaczyć jej wirtualny model. Po przesunięciu kursora myszki nad poszczególne części wtryskarki pojawiają się opisy elementów. Przykład został przedstawiony na rysunku 1. Rys.2. Okno symulacji przedstawiające budowę wtryskarki. Fig.2. Simulation window presenting the construction of moulding machine.

4 Wirtualna wtryskarka tworzyw Prezentacja 3D Po wybraniu zakładki prezentacji 3D użytkownik ma możliwość dokładnego obejrzenia modelu wtryskarki. Pod modelem umieszczono panel służący do manipulacji położeniem wirtualnej wtryskarki w przestrzeni trójwymiarowej Symulacja procesu wytwarzania Po uaktywnieniu zakładki procesu technologicznego użytkownik ma możliwość uruchomienia wirtualnego procesu wtryskiwania. Pierwszym krokiem jest wybór tworzywa sztucznego, z którego będą wykonywane wirtualne produkty. Do wyboru są: polietylen (PE), polipropylen (PP), polistyren (PS), polichlorek winylu (PVC). W rzeczywistej wtryskarce wybrane tworzywo sztuczne wsypuje się do leja zasypowego. Po wybraniu materiału, który od tej chwili będzie podświetlony w oknie symulacji, należy podać parametry jego przetwórstwa. Symulacja uwzględnia następujące parametry: T 1 - temperatura pierwszej strefy ślimaka, T 2 - temperatura drugiej strefy ślimaka, T 3 - temperatura trzeciej strefy ślimaka, T z - temperatura zasypu, T f - temperatura formy, T d - temperatura dyszy, P w - ciśnienie wtrysku, P d - ciśnienie docisku, P c przeciwciśnienie, O ś - obroty ślimaka, V s - szybkość wtrysku. W rzeczywistej wtryskarce powyższe parametry wprowadza się ręcznie za pomocą panelu sterowania zlokalizowanego przy bezpośrednio maszynie. W symulacji wartości parametrów określa się za pomocą odpowiednich pól (rysunek 2). Wartości można wprowadzać za pomocą myszy lub klawiatury. Symulacja jest zabezpieczona przed wprowadzeniem danych innych niż liczbowe. Również przejście do panelu parametrów bez wybranego materiału sygnalizowane jest błędem (rysunek 3).

5 138 L.A. Dobrzański, R. Honysz Rys.2. Okno symulacji służące do wyboru materiału i wprowadzanie parametrów wytwarzania. Fig.2. Simulation window used for material selection and manufacturing parameters inroduction Rys.3. Komunikaty błędów Fig.3. Error messages Ze względu na swoją prostotę symulowana maszyna pracuje wyłącznie w trybie ręcznym. Po wybraniu rodzaju materiału i wprowadzeniu do symulacji wartości wszystkich parametrów można przystąpić do symulacji procesu. W tym celu należy nacisnąć przycisk startu na rzeczywistej maszynie. W symulacji wybieramy przycisk z napisem rozpoczęcie symulacji znajdującym się w oknie symulacji procesu. Po zakończeniu wirtualnego procesu produkcji,

6 Wirtualna wtryskarka tworzyw jeżeli parametry zostały ustawione prawidłowo, pojawi się produkt prawidłowy (rysunek 4a). Jeśli wprowadzono nieprawidłowe parametry wyświetlony zostanie produkt wadliwy (rysunki 4bcdef). W zależności od rodzaju nieprawidłowości prezentacja uwzględnia kilkanaście rodzajów błędów wyprasek. Trzeba tutaj wyraźnie zaznaczyć, że symulacja wtryskarki pracuje w dużym uproszczeniu i może być stosowana na zajęciach niespecjalizacyjnych jako pomoc dydaktyczna dla studentów zaczynających dopiero poznawanie tego typu technologii. Prace o charakterze badawczym nie są możliwe Rys.4. Wyniki przeprowadzonej symulacji produkcji: poprawny i błędne Fig.4. Results of production simulation: correct and incorrect

7 140 L.A. Dobrzański, R. Honysz W świecie rzeczywistym podczas rzeczywistej produkcji, jednoznaczne określenie wady najczęściej nie jest możliwe. W wielu przypadkach wzrokowa identyfikacja wady jest niemożliwa (na przykład występowanie pęcherzy wewnętrznych). W związku z tym należy niejednokrotnie prześledzić całą drogę przetwórstwa tworzywa, począwszy od leja zasypowego a czasem nawet od gospodarki tworzywem aż do odpowietrzenia formy eliminując kolejno możliwości powstania danej wady. W fachowej literaturze diagnostyka błędów zajmuje kilkanaście a nawet kilkadziesiąt stron [8-12]. 3.PODSUMOWANIE Opracowanie wirtualnego stanowiska laboratoryjnego miało na celu odzwierciedlenie budowy i zasady działania rzeczywistej wtryskarki tworzyw sztucznych i cel ten został osiągnięty. Stanowisko zostało uruchomione, daje możliwość dostępu do niego nieograniczonej liczbie osób jednocześnie i jest dostępne na każdym stanowisku komputerowym podłączonym do sieci internetowej. BIBLIOGRAFIA Wirtualne laboratorium inżynierii materiałowej 2. L.A. Dobrzański, R. Honysz, Journal Of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 24/2 (2007) L.A. Dobrzański, R. Honysz, On the Implementation of Virtual Machines in Computer Aided Education, International Conference on Electronic Materials IUMRS-ICEM 2008, Sidney, Australia K. Stec, Symulacja komputerowa jako narzędzie wspomagające w laboratorium elektrotechniki teoretycznej, Materiały konferencyjne Zastosowania Komputerów w elektrotechnice, Poznań/Kiekrz 1996, s L.A. Dobrzański, R. Honysz, Materials Science Virtual Laboratory - Innovatory Didactic Tool in the Teaching of Material Engineering Performed by Traditional and e-learning Methods, Acta Mechanica Et Automatica 2/4 (2008) L.A. Dobrzański, R. Honysz, Archives of Materials Science and Engineering, 32/2 (2008) B. Bidziński, W. Gryga, J. Nalepa, Wirtualne stanowiska w laboratorium podstaw metrologii, Materiały konferencyjne XXXVI Międzyuczelnianej Konferencji Metrologów MKM, Kraków, H. Zawistowski, S. Zięba, Ustawianie procesu wtrysku, Plastech, Warszawa, A. Smorawiński, Technologia wtrysku, WNT, Warszawa, A. Smorawiński, Wtrysk elastomerów, Plastech, Warszawa, F. Johannaber, Wtryskarki: poradnik użytkownika, Plastech, Warszawa, Tworzywa sztuczne.