Programy komputerowe służące do modelowania procesów

Transkrypt

1 Badania przy wtryskiwaniu część 2 Jacek Iwko, Roman Wróblewski, Ryszard Steller Badania porównawcze modelu z rzeczywistym zachowaniem wtryskarki W artykule przedstawiono weryfikację modelu komputerowego polimerów przy wtryskiwaniu z wykorzystaniem nowego stanowiska badawczego. Dokonano badań porównawczych wtryskiwania POM, gdzie porównano i doświadczalne i modelowe ciśnienia i temperatury polimeru wewnątrz cylindra, ponadto wartości poboru mocy przez ślimak, momentu obrotowego na ślimaku, wydajności i czasu cyklu wtryskowego. Wyniki pokazują, iż model komputerowy bardzo dobrze przewiduje i wyjściowe przy wtryskiwaniu, a średnie błędy prognostyczne nie przekraczają 10%. Model ten, występujący pod postacią zwykłego programu komputerowego, może mieć wobec tego zastosowanie do przewidywania zachowania tworzyw sztucznych w cylindrze ślimaka przy różnych wartościach ów wejściowych wtryskiwania. Programy komputerowe służące do modelowania procesów przemysłowych stają się narzędziami coraz częściej i chętniej wykorzystywanymi nie tylko przez naukowców, lecz przede wszystkim przez konstruktorów i technologów. Przyczyniają się one przede wszystkim do oszczędności ekonomicznych przedsiębiorstwa, eliminując zarówno nakłady finansowe na budowę prototypów maszyn czy urządzeń, jak również oszczędzając czas pracowników na naukę obsługiwania maszyn oraz przewidywania właściwości wyrobów. W dzisiejszych czasach komercyjne programy symulacyjne są jednym z podstawowych narzędzi projektowych i konstrukcyjnych, umożliwiając zarówno przewidywanie zachowania się materiałów czy konstrukcji w określonych warunkach, jak również analizę zjawisk zachodzących podczas przebiegu różnych procesów przemysłowych. Znajdują one również szerokie zastosowanie w przetwórstwie tworzyw sztucznych. Wykorzystanie modeli komputerowych do symulacji procesów przemysłowych będzie uzasadnione wyłącznie wtedy, gdy modele te zostaną zweryfikowane doświadczalnie, co zapewni ich podstawową przydatność. Doświadczalna weryfikacja takich modeli polega ogólnie na stworzeniu stanowiska badawczego, złożonego z maszyny wraz z odpowiednim narzędziem, w której należy umieścić odpowiednie elementy mierzące i wyznaczane przez badany model. Po uruchomieniu maszyny i zebraniu odpowiedniej ilości danych pomiarowych należy porównać dane pomiarowe z odpowiednimi wartościami generowanymi przez model. W dalszej części badań nad modelem następuje, jeśli jest to wymagane, modyfikacja modelu w kierunku poprawy zgodności jego przewidywań z ami pracy rzeczywistych maszyn lub urządzeń. W wyniku badań nad procesem polimerów przy wtryskiwaniu autorzy stworzyli model komputerowy opisany wcześniej w literaturze [1 4], który w sposób kompleksowy opisuje zachowanie się polimeru w cylindrze wtryskarki. Model opisuje strefę transportu tworzywa stałego począwszy od zasobnika, następnie strefę stapiania wstępnego oraz właściwego. Stworzony model symulacyjny ślimakowego przy wtryskiwaniu nie został dotychczas sprawdzony doświadczalnie. Jego wstępna weryfikacja dokonana została w uproszczony sposób poprzez pomiar czasu ruchu obrotowego cofającego się ślimaka w trakcie wtryskiwania różnych termoplastów. Wynika z tego, iż podstawowym mankamentem stworzonego modelu jako ewentualnego narzędzia do optymalizacji wtryskiwania ślimakowego był brak jego pełnej weryfikacji. Wymaga ona porównania generowanych przez model komputerowy wyjściowych z odpowiednimi ami pracy realnej jednostki uplastyczniającej wtryskarki. Temu zagadnieniu poświęcony jest niniejszy artykuł. BADANIA Badania porównawcze przeprowadzono w celu zweryfikowania poprawności oraz dokładności wskazań modelu symulacyjnego. Model ten na podstawie wprowadzonych danych wejściowych, obejmujących ę geometryczną ślimaka, y robocze wtryskarki oraz y materiałowe przetwarzanego polimeru, wyznacza wszystkie ważne i, jak przebiegi ciśnienia i temperatury tworzywa w cylindrze, wydajność, moc pobraną przez ślimak, czas rotacji ślimaka i czas cyklu wtryskowego, moment obrotowy na ślimaku i jednostkową ilość energii niezbędną dla tworzywa. Badania te przeprowadzono na specjalnie do tego celu stworzonym stanowisku badawczym do pomiarów ów wyjściowych polimerów przy wtryskiwaniu. Stanowisko to, opisane szczegółowo w poprzedniej części artykułu ( Tworzywa Sztuczne w Przemyśle Nr 2/2015; przyp. red.), zbudowane jest z odpowiednio oprzyrządowanej wtryskarki ślimakowej Battenfeld Plus 350/75, połączonej z modułem zbierającym i przetwarzającym dane oraz z komputerem umożliwiającym zapis i wyświetlanie w czasie rzeczywistym zebranych wyników pomiarowych. Podstawowe dane techniczne wtryskarki wykorzystanej w badaniach przedstawiono w tabeli 1. Badania doświadczalne przy wtryskiwaniu przeprowadzono wykorzystując pięć różnych polimerów: 83

2 LDPE, HDPE, PP, PS oraz POM, odznaczających się łatwością przetwórstwa wtryskowego. Było to istotne z punktu widzenia dużej rozpiętości ów wtryskiwania zmienianych podczas badań, które przedstawiono w tabeli 2. Zmiennymi ami były: 1. ciśnienie (wartości od 4 24 MPa); 2. czas postoju ślimaka w położeniu tylnym (liczony od momentu zakończenia fazy rotacji do rozpoczęcia fazy wtrysku, zmienny w przedziale 8 50 s); 3. prędkość obrotowa ślimaka (zmienna w zakresie 30 70% prędkości maksymalnej ślimaka). Poniżej przedstawione zostaną wyniki porównania doświadczalnych przy wtryskiwaniu dla poliformaldehydu (POM) z ami generowanymi przez model komputerowy, o którym wspominano wcześniej. Wyniki porównania dla pozostałych polimerów, dla których również przeprowadzono podobne badania, są jakościowo bardzo podobne, a średnie różnice nie odbiegają od tych wskazanych dla POM. Stąd też wobec dużej ilości wyników pomiarowych zdecydowano się na przedstawienie tylko dla poliformaldehydu. Porównane zostaną następujące i wyjściowe : 1. profile ciśnienia masy polimeru w cylindrze; 2. profile temperatury polimeru w cylindrze; 3. moc pobrana przez ślimak w etapie pobierania tworzywa; 4. wydajność wtryskiwania; 5. średni moment obrotowy na ślimaku w etapie pobierania tworzywa; 6. czas cyklu wtryskowego. Tabela 1. Parametry wtryskarki Battenfeld Plus 350/75 średnica ślimaka [mm] 25 L/D 17 długość strefy zasilania/sprężania/dozowania 14/4/4 [ilość zwojów] głębokość kanału w strefie zasilania/dozowania [mm] 4,1/1,9 skok linii śrubowej ślimaka [mm] 19 szerokość zwoju [mm] 3,7 maks. siła zwarcia [kn] 350 maks. objętość wtrysku (PS) [cm 3 ] 49 maks. ciśnienie wtrysku [MPa] 157,5 Badania przy wtryskiwaniu dla danego polimeru prowadzono, zmieniając we wskazanym zakresie jeden z ów podanych w tabeli 2 i utrzymując pozostałe y na stałym poziomie, równym środkowej wartości spośród wymienionych. Pozostałe, stałe y wtryskiwania przedstawiono w tabeli 3. Na rysunkach 1 6 przedstawiono porównanie modelowych POM z ami pracy rzeczywistej wtryskarki. Kolorem czerwonym zaznaczono wyniki doświadczalne, natomiast niebieskim wartości wygenerowane przez model symulacyjny. Z uwagi na cykliczny (a więc nieustalony) przebieg wtryskiwania, przedstawione wyniki odnoszą się do tego momentu cyklu wtryskowego, który występuje tuż przed zakończeniem obrotów ślimaka. Ten moment odpowiadający maksymalnemu wypełnieniu kanału ślimaka tworzywem stałym jest krytyczny z punktu widzenia wartości podstawowych przy wtryskiwaniu i ma decydujące znaczenie dla takich procesów jak kształtowanie się profili ciśnienia i temperatury na długości ślimaka, pobór mocy przez ślimak, wielkość momentu obrotowego ślimaka czy wydajność. 1. Zmienne ciśnienie W pierwszej części badań zmieniano ciśnienie w układzie uplastyczniającym wtryskarki. Pozostałe y pro- Tabela 2. Parametry zmieniane podczas wtryskiwania POM ciśnienie [MPa] wartość czas postoju ślimaka [s] wartość prędkość obrotowa ślimaka [obr/min] wartość Tabela 3. Stałe y robocze wtryskiwania POM ciśnienie wtrysku [MPa] 70 ciśnienie docisku [MPa] 35 czas docisku [s] 4 skok ślimaka przy wtrysku [mm/il. zwojów] 45/2,5 temperatura cylindra (I/II/III strefa) [ o C] 210/210/210 temperatura formy [ o C] 45 Rys. 1. Porównanie profili ciśnienia (na górze) i temperatury (na dole) w procesie wtryskiwania ciśnieniach pp 84

3 cesu utrzymywano na stałym poziomie, tj. prędkość obrotowa ślimaka v = 240 obr./min oraz czas postoju ślimaka w położeniu tylnym t p = 20s. Na rys. 1 przedstawiono porównanie profili ciśnienia i temperatury na długości ślimaka dla ciśnienia równego odpowiednio 4, 10 oraz 24 MPa. Natomiast na rys. 2 przedstawiono porównanie innych : mocy pobranej przez ślimak, wydajności, momentu obrotowego na ślimaku oraz czasu cyklu wtryskowego. Rys. 2. ciśnieniach Rys. 3. Porównanie profili ciśnienia (na górze) i temperatury (na dole) w procesie wtryskiwania czasach postoju ślimaka t p Rys. 4. czasach postoju ślimaka t p 85

4 Porównanie teoretycznych i doświadczalnych dla wtryskiwania POM przy zmiennym ciśnieniu wskazuje na bardzo dobre przewidywanie przez model zachowania układu uplastyczniającego. Model komputerowy bardzo dobrze przewiduje profile ciśnienia oraz temperatury, przy czym różnice profili temperatur są niezależne od ciśnienia i na całej długości pomiarowej są rzędu 5 10 o C. Model bardzo dobrze przewiduje również inne i wtryskiwania przy zmiennym ciśnieniu jak moc pobraną przez ślimak, moment obrotowy na ślimaku czy czas cyklu wtryskowego. Różnice w profilu doświadczalnym i modelowym wydajności również nie przekraczają 10%. 2. Zmienny czas postoju ślimaka Na rysunkach 3 oraz 4 porównano i przy wtryskiwaniu dla POM dla zmiennego czasu postoju tp ślimaka w położeniu tylnym. Czas ten jest w przybliżeniu równy czasowi chłodzenia wypraski w gnieździe formy. Analiza rysunków 3 oraz 4 wskazuje, iż model komputerowy (krzywe niebieskie) jest praktycznie nieczuły na zmienne wartości czasu postoju ślimaka tp. Wskazują na to stałe wartości mocy i momentu obrotowego, niezależne od zadanej wartości tp oraz praktycznie identyczne profile modelowe ciśnienia i temperatury dla t p = 8, 20 oraz 50s. Charakterystyki doświadczalne (krzywe czerwone) charakteryzują się pewną niewielką zmiennością. Widzimy nieznaczny spadek wartości mocy i momentu obrotowego, jak również niewielki wzrost wartości ciśnienia oraz temperatury POM w cylindrze wraz ze wzrostem czasu postoju ślimaka w położeniu tylnym t p. Spadek wydajności wynika oczywiście ze zwiększania się całkowitego czasu cyklu wtryskowego, który jak widać na rys. 4, jest o ok. 10s większy od czasu postoju ślimaka, który może być utożsamiany z czasem chłodzenia wypraski w formie. Na wspomniane 10s składają się wszystkie pozostałe etapy cyklu wtryskowego. 3. Zmienna prędkość obrotowa ślimaka Rysunki 5 oraz 6 przedstawiają porównanie POM przy zmiennej prędkości obrotowej ślimaka v. Zaobserwować można bardzo dobre przewidywanie przez model wartości temperatury polimeru w cylindrze, mocy pobranej przez ślimak oraz czasu cyklu. Różnice w profilach teoretycznych i doświadczalnych momentu obrotowego i wydajności nie przekraczają 10%. Największe rozbieżności obserwuje się przy porównaniu profili ciśnienia dla niedużych prędkości obrotowych, gdzie różnice w punkcie maksimum ciśnienia są rzędu 20%. Wraz ze zwiększaniem się prędkości obrotowej ślimaka różnice te maleją praktycznie do zera. Bardzo ważnym em w badaniach nad procesem polimerów przy wtryskiwaniu jest względna szerokość złoża stałego (SBP), która określa ilość nieuplastycznione- Rys. 5. Porównanie profili ciśnienia (na górze) i temperatury (na dole) w procesie wtryskiwania prędkościach obrotowych ślimaka v Rys. 6. prędkościach obrotowych ślimaka v 86

5 go polimeru w przekroju poprzecznym kanału ślimaka. W ramach powyższych prac zostały również podjęte próby określenia SBP przy pomocy techniki wyciągania ślimaka z cylindra. Technika ta pozwala na stosunkowo łatwe wysunięcie ślimaka z wytłaczarki. Jednak badania wykazały, że przy pomocy tej techniki wyciągnąć ślimak wtryskowy jest bardzo trudno. Obecność dyszy wtryskowej oraz elementów konstrukcyjnych układu zamykania powodowały, iż czas wyciągnięcia ślimaka wtryskowego był zbyt długi. Minimalny czas wyjęcia ślimaka uzyskany podczas badań wynosił ok. 3 minut. Tak długi czas spowodował, że obecny w ślimaku polimer po jego wyjęciu był całkowicie uplastyczniony na całej długości ślimaka. Ponieważ pomiar SBP jest bardzo ważny w kompleksowej ocenie przy wtryskiwaniu, zdecydowano się wykonać w cylindrze w początkowej jego części tzw. szklane okna, przez które będzie możliwy podgląd zachowania granulatu polimerowego w cylindrze. Prace te są w trakcie realizacji. PODSUMOWANIE W wyniku prac nad komputerowym modelem polimerów przy wtryskiwaniu stworzone zostało nowe stanowisko do pomiaru wyjściowych tego. Stanowisko umożliwia odczyt wszystkich podstawowych ów wyjściowych (za wyjątkiem względnej szerokości złoża stałego). Doświadczalna weryfikacja stworzonego wcześniej modelu komputerowego na tym stanowisku z zastosowaniem poliformaldehydu pokazała, iż model komputerowy bardzo dobrze przewiduje przebieg wyjściowych, jak ciśnienia i temperatura polimeru w cylindrze, pobór mocy przez ślimak, moment obrotowy na ślimaku, wydajność oraz czas cyklu wtryskowego. Średnie różnice ilościowe przebiegów teoretycznych i doświadczalnych są mniejsze od 10%. Wskazuje to na fakt, iż istniejący model symulacyjny, działający jako odrębny program komputerowy, można z powodzeniem zastosować w technice wtryskowej do przewidywania zachowania tworzyw sztucznych w cylindrze ślimaka przy różnych wartościach ów wejściowych. LITERATURA [1] R. Steller, J. Iwko: Modelowanie polimerów przy wtryskiwaniu: I - założenia oraz strefa transportu tworzywa stałego, Polimery, 2008, 11/12, 836. [2] R. Steller, J. Iwko: Komputerowa symulacja polimerów. Cz. 1, Dążąc do optimum, PlastNews, 2009, 5, 72. [3] R. Steller, J. Iwko: Komputerowa symulacja polimerów. Cz. 2, Teoria a praktyka, PlastNews, 2009, 6, 42. [4] R. Steller, J. Iwko: Modelowanie polimerów przy wtryskiwaniu: II strefa stapiania, Polimery, 2011, 1, 51. Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki, nr wniosku N N dr inż. Jacek Iwko, dr inż. Roman Wróblewski Wydział Mechaniczny, Katedra Odlewnictwa Tworzyw Sztucznych i Automatyki prof. dr hab. inż. Ryszard Steller Wydział Chemiczny Wydziałowy Zakład Inżynierii i Technologii Polimerów Politechnika Wrocławska ul. Wybrzeże Wyspiańskiego 27, Wrocław REKLAMA 87