plastik-ambalaj.com

Tam elektrikli enjeksiyon kalıplama makineleri yüksek performansa hazır

Tam elektrikli plastik enjeksiyon makineleri uzun yıllar boyunca yüksek enerji tasarrufu ve hassasiyet sundukları için kullanılmış olsalar da, artık günümüzde yüksek performans ve yüksek hız gerektiren uygulamalarda kendilerine yer ediniyorlar. 3 saniyenin oldukça altında çevrim sürelerine ulaşılıyor. Ancak ilgili şartları sağlamak makine tasarımına büyük önem verilmesini gerektiriyor.

Bu kadar düşük çevrim sürelerine ulaşacak, yüksek performanslı, tam elektrikli enjeksiyon makineleri geliştirmek yalnızca kapasite meselesi değildir. Bu daha çok bileşenleri ve onların birbiriyle etkileşimlerini en uygun hale getirmeyi gerektirir. 3,5 saniyelik çevrim süresine eşlik eden yük ve ivmelenmedeki büyük değişiklikler sebebiyle, manivelalı kelepçeden millere motordan koruyucu parçalara kadar bütün makine bileşenleri ciddi gerilime maruz kalır. Bu derece düşük çevrim süreleri mekanik yükü arttırmanın yanı sıra kurulu kapasite ve tahrik bileşenlerinin güç kaynağındaki hassas eş zamanlı eksen hareketleri açısından ilgili boyutlandırılmalarına uyarlamalar yapılmasını gerektirir. Bu durum mekanik sürtünmeye maruz kalan parçaların yağlanmasında da geçerlidir – yağlama genellikle ısıyı dağıtmak için kullanılır. Bu yeterli değilmiş gibi yükler makinenin boyutuyla doğru orantılı olarak artar.

Bütün, parçalardan önemlidir

Tam elektrikli yüksek performanslı makineler sadece paketleme endüstrisinin değil aynı zamanda tıbbi teknolojinin de ihtiyacıdır. Bu nedenle de ilgili endüstriye özel ölçütlerin tasarımın içine uygulanması gerekir. İlk adım kapama ünitesi  için motor seçimidir çünkü kısa çevrim sürelerinin bel kemiği motordur. Günümüzde mafsallı tip kapama ünitelerinde yüksek mekanik dönüşümü nedeniyle miller ağırlıklı olarak tercih edilmektedir. Bu tip sürücülerin pek çok çeşidi bulunmaktadır (Şekil 1).  Kayış kasnak sistemi ile dönen mil (çeşit 1) düşük dairesel eylemsizlik momenti dolayısıyla en yüksek devingen tepkiyi verir. Maliyet verimliliği en yüksek olan birleşim budur ancak dönen milden fırlayan yağlar nedeniyle temizlik konusunda sorunlar yaşamaktadır. Dahası bu çözüm çok yüksek tahrik momentleri altında sınırlarına ulaşır, örneğin büyük kelepçeleme birimlerinde kayış ile aktarılabilecek güç sınırlıdır.

Tam tersine döner somun işlemin çok temiz gerçekleştirilmesini sağlar. Burada mil, döngüsel değil çizgisel hareketler yaptığından yağlamada kullanılan madde sadece damlar. Genellikle somun ya doğrudan tahrik (çeşit 2) ya da kayış (çeşit 3) ile harekete geçirilir. Buradaki bir dezavantaj dönen somunun eylemsizlik momentinin büyüklüğünün motor momentiyle dengelenmesi gerekliliğidir. Bir doğrudan tahrik ile birleştirildiğinde bu çözüm sessizliği ve düşük enerji tüketimi ile öne çıkar. Doğrudan tahrikin ayırt edici özelliği motor ya da mil yatağı üzerinde etki eden radyal kuvvetler olmadan saf moment aktarımıdır. Sonuç olarak paketleme ve tıp teknolojilerinin yüksek performanslı uygulamalarının ihtiyaçlarını karşılayan en iyi çözüm bu yöntemdir.

Yüksek verimlilik, yapısal sadelik: Bilyeli vida

Döngüsel hareket, çizgisel harekete genellikle mil sistemleri ile dönüştürülür. Farklı tip millerin verimliliğinin analiz edilmesinin ardından ENGEL yüksek performanslı uygulamalarda bile bilyeli vida kullanmaya karar vermiştir. Bunlar rulmanlı vidalardan daha verimlidir. Dahası, örneğin krameyer ve pinyon çözümlerine kıyasla daha uygun maliyetle bir araya getirilebilir..

İlk tasarımlar krank tahriki kullanmayı öngörmüş ancak makineler çok maliyetli ve büyük olmuştu. Bilye vidalı millerin tasarımındaki gelişmeler yeniden değerlendirme yapılmasını sağladı. Modern yüksek hızlı miller yüksek hız ve yükleri karşılayabilirler. Ancak miller kalite anlamında çok büyük ölçüde çeşitlenir ve en iyi ürünlerin seçimi ciddi deneyim gerektirir. 

Denenmiş ve doğru, ama yine de gelişime açık: Manivelalı kelepçe 

Makine gücünü kelepçe tarafında arttıracak beklenmeyen kapasite uzun süredir tamamen denenmiş ve tamamlanmış bir bileşen olarak kabul edilen manivelalı kelepçede bulunmuştur.  ENGEL e-motion makinelerinde manivelalı kelepçe contalı tiptedir. Böylece üretim temiz olmakla kalmaz aynı zamanda sürtünme azalır, bakım maliyetleri asgariye iner ve enerji tüketimi düşer.

Her eklem noktasının kendi dozaj ögesine sahip olduğu dolaşımlı yağlama tasarımı sayesinde bu mümkün olur. Kapalı yağlama tasarımlarında olduğu gibi kirin sisteme pompalanması engellenir. Eksik yağlamayı engellemek için, yağlayıcı her bir eklem noktasına bulon yoluyla ayrı ayrı sağlanır (ENGEL patentlidir) ve atılır (Resim 2). Ayrı olarak patentli conta ile birleştiğinde ortaya çıkan sonuç eklem noktasının sürekli yağ ile dolu olmasıdır. Sürekli yağ tabakası yatak bileşenlerinin yıpranmasını azaltır ve açılma ve kapanma hareketleri sırasında yaşanan yük değişimlerinde yatak levhasını yağlar ve daha yüksek hızlar sağlar. Bu nedenle yeniden dolaşımlı yağlama tasarımı daha yüksek devingen tepki ve daha uzun parça ömrünün temelidir.

Bir diğer artı ise yeniden dolaşımlı yağlama sayesinde doğan tasarruflardır: yağın sık sık değişmesi ya da yeniden doldurulması gerekmez (Şekil 3). Geleneksel sistemlerde yağlayıcı tüketimi ve yağ kirlenmesi çevrim sayısıyla doğrudan değişir, çevrim süresinin yarıya inmesi için iki kat yağlayıcı gerekmektedir. Servo elektrik tahrik de yine parça ömrünü uzatır. Makine hareketleri, özellikle de ivmelenme ve ivme değişimleri ile belirlenen hareket profilleri yükte önemli bir azalma sağlayacak kadar hassas biçimde kontrol edilebilir. 

Elektro mekanik tahrik aktarma organları sayesinde kelepçeleme birimi daha yüksek rijidite  ve konumlanma tutarlılığına ulaşır. Genelde mil tahrikleri daha tekrarlanabilir hareket dizileri sağlar. Hidrolik tahrik sistemlerinde enerji aktarımı sıvısı akışkandır ve akışkanlık ısı ile değişir, ancak elektromekanik güç aktarımında bu durum geçerli değildir. Bu durum tam elektrikli enjeksiyon kalıplama makinelerinde enjeksiyon hareketine ek olarak kelepçe ve püskürtücü hareketlerinde de görülebilir. Hareketlerdeki konumlandırma tutarlılığı derece olarak arttıkça artarda hareket aralıkları için bekleme süreleri azalır.

ENGEL e-motion makinelerinde kalıp taşıyıcı kılavuz raylarda hareket eder bu da pek çok makine tasarımda kullanılan aşırı kararlı rot çubuğu tasarımına kıyasla daha az sürtünme üretir. ENGEL, rot çubuksuz makinelerle olan deneyimi sayesinde tam elektrikli plastik enjeksiyon  makinelerine bu kılavuz ray tasarımının öncülüğünü yapmaktadır.

Elektrikli enjeksiyon birimlerinde geniş yelpaze 

Enjeksiyon birimi tarafında ise ulaşılabilir performans düzeyini genellikle motor, kontrolör ve miller belirler.  Yüksek güçle bileşen yüksek devingen tepki nedeniyle 50 mm ve üzerindeki geniş çaplı enjeksiyon vidalarını hareket ettirmek için elektromekanik tahriklerde çok milli çözümler kullanılmaktadır (Şekil 4). Tekli mil, kontrolör ya da motorlarla bu söz konusu performans şartlarını yakalamak normalde mümkün değildir, çünkü standart bileşenler bu işi yapacak kapasitede olmamaktadır. Yüksek yük dayanımına sahip modern kontrolör kalıpları gerekli gücü sağlar.

Yüksek enjeksiyon performansı için motorları da geliştirmek gerekliydi. Özellikle düşük eylemsizliğe sahip motorların kullanımı, tam elektrikli makinelerin yüksek performans sınıfında karlı bir biçimde yararlanmasını sağlayacak şekilde bölgedeki tahrik sürelerini birkaç milisaniyelere inmesini sağlamıştır.

Servo motorun tam performans potansiyeli kullanılacak olursa, kontrolör seçilirken kontrolör ve motor arasındaki etkileşim göz önünde bulundurulmalıdır. Örneğin, DC bağlantı voltajı azami ulaşılabilir hızı ve bu nedenle azami motor torkunda enjeksiyon sıklığını etkiler. Doğru motor bobinini seçmek tork oranının akıma göre optimize edilmesini sağlar ve böylece enjeksiyon hızının dinamiklerinin gelişmesini sağlar. Tork ayrıca yüksek hızlarda alan zayıflatılmasıyla da arttırılabilir. Bütün bu önlemler, yüksek enjeksiyon hızlarında devingen tepkiyi ve enjeksiyon basınçlarını geliştirmeye yarar. 

Çoklu millerin kullanımı elektromekanik olarak birbirilerine bağlanmalarını gerektirir. Akıllı kontrol sistemleri gerekli hız ve tork senkronizasyonunu sağlar.

Şu anda ENGEL, elektrikli enjeksiyon birimlerinde 105 milimetreye varan vida çapları ve 800 mm/s’ye varan enjeksiyon hızları ile  piyasadaki en geniş yelpazeyi sunmaktadır. Artık 55 milimetreye kadar çaplı vidalarla 500 mm/s enjeksiyon hızlarına ulaşılmaktadır. 80 milimetreye kadar çaplar için enjeksiyon hızları 300 mm/s civarındadır ve azami 105 mm vida çapında 200 mm/s de ulaşılabilmektedir. ENGEL çözümlerini pek çok rakip ürünün klasik makine tasarımlarından özellikle de Japon ürünlerinden ayıran önemli bir gerçek bütün bu rakamların yüksek basınçta alınmış olmasıdır (Şekil 5). Yüksek performans segmenti yüksek hız yerine ivmelenme ve kısa aralık süreleri gibi devingen tepkiye daha fazla bağlıdır. Yine de varsayılan enjeksiyon vuruşu üzerinden belirtilen azami enjeksiyon hızlarına sınırlı ivmelenme dolayısıyla ulaşılamaz.

Performans iyileştirmeleri, tam elektrikli plastik enjeksiyon makinelerinin kullanım alanlarını oldukça genişletmiştir. Çoklu kavite ya da istifli kalıplama temelinde yüksek akış yolu uzunluklarına ve yüksek vuruş ağırlıklarına sahip ince duvarlı parçaların üretiminde  işlemciler artık yalnızca bir akümülatör çözümünde ihtiyaç duyar. Teknik olarak, özellikle de küçük vida çapların için alternatif elektromekanik olasılıklar mevcuttur. Örneğin bireysel üreticiler henüz ekonomik olarak makul olmayan ve bu nedenle gölgede kalan deneysel çizgisel tahrikleri tekrar tekrar sunmuştur. 

Müşteri faydasının belirlediği teknoloji 

1998 yılında ENGEL piyasaya tam elektrikli enjeksiyon makineleri süren Avrupa’nın ilk plastik enjeksiyon makineleri üreticisiydi. Daha sonra bu makineleri yüksek performans ve hız gerektiren sektörün ihtiyaçları doğrultusunda yenilemeye devam etti. Günümüze dek ENGEL toplamda 3500’ün üzerinde tam elektrikli makine, dolayısıyla da 17000’in üzerinde mil üretmiştir. Bu makinelerin büyük çoğunluğu yüksek performanslı uygulamalarda kullanılmakta ve bu nedenle oransız olarak zorlanmıştır.

Uzun yıllara dayanan tecrübeleri kullanarak 3 saniyeden daha kısa çevrim sürelerine sahip ekonomik tasarımlar geliştirilmiştir. ENGEL’in her seferinde boyutlandırma için kullandığı yük verisi, kurum içi test ekipmanı üzerindeki hata oranları ve gerçek kullanım ömürleri sayesinde edindiği deneyimlerden doğmuştur. Ezbere dayalı bir yaklaşım aşırı boyutlu, verimsiz ortalama çözümler doğurabilirdi: çünkü mil tasarımı, örneğin geleneksel olarak sadece yük oranına bağlıdır. Ancak bir milin tasarımı kurulum koşullarına, yağlama ve soğutmaya, tahrik türüne, mil yapısına, hız katsayısına ve ancak bunlardan sonra yük oranına göre belirlenir. Yük oranı bu durumda kesin olmayan, yalnızca göreceli bir değer işlevi görür.  

ENGEL’in tam elektrikli enjeksiyon makinesi maksimum verimlilikle birlikte en yüksek çıktı oranlarının üstesinden gelmek için tasarlanmıştır. ENGEL e-cap, kapak ve conta üretiminin spesifik ihtiyaçlarını gidermek için geliştirilen, denenmiş ve güvenilir tam elektrikli ENGEL e-motion makinelerine dayanmaktadır (Şekil 6). Makinenin 4,200 kN’lik bir versiyonu 96 kavitelik bir kalıpta bir saatte 130,000’in üzerinde kapak üretmektedir. Örnek olarak çevrim süresi 2.7 saniyedir. Bu, artırılmış bir püskürtme gücü ve özellikle hızlı bir kelepçe tahrikine sahip, özel olarak uyarlanmış bir enjeksiyon birimi ile mümkün olmuştur. Yılda 8000 saat çalışma süresi ve 0,1 sent/kWh enerji fiyatıyla, elektrikli tahrik hidrolik makinelere kıyasla 40000 Euro’dan fazla (-%55) enerji tasarrufu sağlama kapasitesine sahiptir (Şekil 7)

Sonuç 

ENGEL e-motion tasarımına ilişkin içerikte ve ENGEL e-cap örneğinde gösterildiği gibi yüksek performanslı uygulama sektörünü de elektriklendirmek için üç unsur gereklidir: her bir makine bileşeninin optimizasyonu, özellikle büyük makineler söz konusu olduğunda güç hale gelen bütün bileşenlerin mükemmel şekilde etkileşimde olması durumu, elektrikli makinelerin tasarımında uzun yıllardan gelen deneyim. Teknik yenilikler yapmaya yönelik bu istek, sunduğu düşük enerji tüketimi, yüksek hareket hassasiyeti, kısa çevrim süresi ve temizlik imkanları sayesinde sonuç olarak özellikle medikal uygulamalar için kullanıcıya fayda sağlamaktadır. ENGEL 5,000 kN’ye kadar bir kelepçeleme kuvvetine sahip farklı endüstriyel ihtiyaçlar için tam elektrikli makineler sunan Avrupa’daki tek plastik enjeksiyon makinecisi üreticisidir.        

* Dr. Gerhard Dimmler,

Ürün Araştırma ve Geliştirme

Bölümü Başkanı,

* Friedrich Mairhofer,

e-Motion ve e-Max

Ürün Müdürü

* Werner Kappelmüller, Ürün

Geliştirme Bölümü Başkanı

* Stefan Eppich, Ürün

Geliştirme Bölümü

Grup Lideri

ENGEL AVUSTURYA