Перебазирование всего производства в Восточную Европу и Азию с низкими накладными расходами и уровнем заработной платы не может быть универсальным решением, даже если во многих случаях это целесообразно и неизбежно. Поэтому многим не крупным предприятиям, образующим основу нашей экономики, не остается ничего другого, кроме удешевления производственного процесса. Термостатирование и охлаждение открывают для этого целый ряд возможностей Для полного использования потенциала необходимо глобальное переосмысление возможностей использования этих процессов во всей технологической цепочке. Многообещающие концепции термостатирования и охлаждения формируются задолго до спецификации рабочих характеристик для термостатирующих устройств и охладителей и не ограничиваются установкой и вводом в эксплуатацию. Тот, кто серьезно и интенсивно занимается данными проблемами, должен в первую очередь задать себе ряд вопросов: что вообще скрывается за понятием «термостатирование формы», как оно повлияет на весь процесс и каковы его составляющие? После исчерпывающих ответов на основные вопросы, автоматически возникают следующие: какие технические решения предлагает рынок и какой партнер может реализовать общую масштабную концепцию?
Термостатирующие приборы - не только банальные «водонагреватели»
Конечно, не каждый переработчик задает себе такие вопросы, а индивидуальные ответы могут быть совершенно разными. Так, например, термостатирующий прибор является достаточно известным элементом одноименного процесса. Тот, кто не занимается этим ежедневно, не может себе представить, насколько много существует различных точек зрения и ожиданий в отношении того, как должен выглядеть такой термостатирующий прибор, какие функции он должен выполнять, и, естественно, сколько он может стоить. Один лишь вопрос о функции становится очевидным, если посмотреть в техническом словаре английский перевод. То, что там можно найти, как правило, не имеет ничего общего с термостатированием полимерных форм. Если спросить практиков отрасли, они назовут такие понятия как «mould heater» (нагреватель форм), «water heater» (водонагреватель) или «oil heater» (маслонагреватель), в производственной среде используются такие понятия, как «boiler» (бойлер) и «kettle» (котел). Ответы заставляют задуматься. Действительно ли значение термостатирующих приборов сводится к банальной функции нагрева воды? (Рис. 1).
Рис. 1. Механический «внутренний мир» термостата 
То, что такая точка зрения отчасти существует, подтверждает претензия переработчика, ранее уже описанная. Он жаловался на выход из строя термостатирующего прибора вследствие загрязнения рабочих каналов. Предприятие предпочло устройства с таким большим внутренним обводным каналом, что они самостоятельно бесперебойно перекачивали воду во внутреннем контуре при полностью закупоренных отверстиях в форме. Тем самым он добился того, что производство, характеризующееся излишне продолжительным циклом и высоким процентом брака, не отягощалось дополнительными простоями. Характерным можно считать тот факт, что у такого переработчика, по его словам, качество воды, естественно, в порядке, а при вложении средств в термостатирующие устройства решающее значение всегда имеет цена. Подходит ли такая точка зрения для противостояния постоянно растущему давлению издержек извне - вопрос более чем спорный. Очевидно, что понятие «термостатирование формы» требует иного определения, полностью охватывающего термический аспект процесса литья.
Термостатирование формы определяет качество производственного процесса
Важные свойства формованных деталей, такие как механическая прочность, качество поверхности, соответствие размеру и коробление определяются качеством термостатирования формы. В то же время ввиду наличия взаимосвязи с временем охлаждения оно определяет продолжительность цикла, а тем самым и рентабельность литьевого процесса (Рис. 2). Для установления достижимого времени охлаждения
Рис. 2. Время охлаждения при различных температурах стенок пресс-формы (базовые данные: исходный материал PC/ABS, температура плавления 260°С, температура извлечения из формы 90°С). 
необходимо задать максимальную температуру формованной детали, отвечающую требованиям и качества, и технологии. К сожалению, равномерное распределение температурного профиля по всей детали на практике встречается редко. Причиной этому является, как правило, по-прежнему распространенный сегодня среди небольших предприятий такой подход к расчету и конструктивному оформлению литьевой формы, при котором термодинамические аспекты играют второстепенную роль. Как следствие, в большинстве случаев возникает неравномерное распределение температуры по форме, которое приводит к неудовлетворительному качеству детали и излишне длительному охлаждению. Желаемое качество производства может обеспечить профессиональный подход с использованием инфракрасной спектроскопии с последующим термическим расчетом и модификацией термостатирования в форме (Рис. 3). Рис. 3. Термограммы технической формованной детали до и после термической оптимизации. Результат: устранение коробления формованной детали при одновременном очевидном сокращении времени цикла. Фото: GTT  
Рентабельное и стабильное производство высококачественных литых изделий могут обеспечить только термически оптимизированные литьевые формы. При этом определяющими параметрами на выходе термического расчета формы должны быть точное соблюдение и равномерное распределение температуры формы, а также максимально короткое время цикла при выполнении всех механических, размерных и оптических требований к формованной детали. Для достижения этих целей необходимы подробные расчеты.
Предпосылкой для правильного выбора рабочих параметров и производственных условий системы термостатирования, изготовленной по индивидуальному заказу, является точное знание термических условий в отдельных сегментах детали. Правда, проводимые с этой целью расчеты сложны, но их можно упростить с помощью специально разработанного программного обеспечения. Термостатирующие каналы моделируются в соответствии с результатами вычислений вокруг формованной детали. Поскольку зачастую форма самой детали и механическая конструкция пресс-формы не допускают выгодного с термической точки зрения расположения термостатирующих каналов путем сверления, дальнейшая оптимизация осуществляется посредством размещения каналов вблизи полости с помощью фрезерования и стыковки, а также за счет механических средств термостатирования (Рис. 4).
Рис. 4. Двухэтажная пресс-форма для технической формованной детали; пространственная околополостная интеграция термостатирующих каналов по технологии lntegrat-4D фирмы GWK 
Специальный способ изготовления допускает сверление как бы «из-за угла» и за счет сгибания отверстий, штифтов и других встроенных элементов позволяет создать в форме в среднем в три раза большую, по сравнению с традиционным сверлильным станком, поверхность теплообмена. Равномерное распределение термостатирующих каналов на различных уровнях вокруг формованной детали обеспечивает однородный температурный профиль и оптимальное качество процесса. Все большее число известных производителей пресс-форм используют эту повышающую продуктивность технологию, в серийном производстве пресс-форм для упаковочных изделий и технических фасонных деталей (Рис. 5).
Рис. 5. Панель формы с околополостными термостатирующими каналами, проложенными фрезерованием 
Термостатирование формы и производительность
Экономические преимущества оптимизации теплообмена в литьевой форме заключаются не только в очевидном сокращении времени охлаждения в среднем на 30%, но часто и в положительных побочных эффектах. Наряду с экономией мощности оборудования, которая может использоваться для производства других формованных деталей, во многих случаях повышение производительности устраняет необходимость покупки дополнительной пресс-формы и соответствующего оборудования. Это сопровождается сокращением занимаемой площади, потребности в периферийных устройствах, расхода электроэнергии и потребности в рабочей силе, что в кратчайшие сроки амортизирует дополнительные расходы на техническую оптимизацию термостатирования. Ввиду благоприятного воздействия на качество продукции, зачастую становится ненужной необходимая до сих пор последующая обработка формованных деталей. В примере с крыльчаткой вентилятора производители смогли отказаться от последующей балансировки благодаря жестким допускам на размер и отсутствию коробления (Рис. 6). Современные успешные технологии отличаются высокой гибкостью,
Рис. 6. Термограмма сегмента крыльчатки вентилятора до и после термической оптимизации. Результат оптимизации: достижение жестких допусков на размер, посредством ликвидации зон температурного максимума при одновременном сокращении времени цикла 
когда речь идет о выполнении пожеланий клиентов, в том числе и при малых объемах партий. Такая гибкость требует частой и отнимающей много времени смены инструмента, связанной с тем, что при использовании технических термопластов пресс-формы сначала должны нагреваться до высоких температур, необходимых для переработки. Значительной экономии времени можно достичь за счет точного планирования производства, учитывающего использование термостатирующих приборов для предварительного нагрева форм. Чем выше требуемая температура формы и чем больше ее вес, тем больше стоит задуматься о применении приборов предварительного нагрева. Таким образом, даже при использовании больших пресс-форм, например, в производстве автомобильных комплектующих, можно сократить простои, связанные со сменой инструмента, до нескольких минут. В этом случае концепция термостатирования уже включена в подготовительную фазу производства после подготовки литьевой пресс-формы, до литья первой формованной детали при помощи термостатирующих приборов (Рис.7). 
Рис. 7. Станция смены инструмента с термостатирующими устройствами, интегрированными в производственный процесс, для подогрева крупных пресс-форм.
Упомянутые ранее термостатирующие приборы начинают действовать уже на следующем технологическом этапе. Нет смысла напоминать, что они служат не только для нагрева воды, но и для точной регулировки температуры во всех областях литьевой формы. Оптимальные результаты термостатирования достигаются за счет использования сегментированного термостатирования нескольких областей - технологии, зарекомендовавшей себя на протяжении более чем десятилетнего применения на практике. Основной принцип этой технологии заключается в том, чтобы учесть передачу тепла от формованной детали на литьевую форму - различную на элемент поверхности - таким образом, чтобы достичь единого температурного профиля по всей детали. Каждый контур термостатирования должен иметь индивидуальное управление количеством и температурой для установки автономного режима работы. Благодаря прямому охлаждению достигается оптимальное качество формованной детали при максимально коротком времени цикла. Специальные многоконтурные устройства обладают преимуществами по занимаемой площади и стоимости монтажа. Оборудованные в соответствии с самыми современными коммуникационными технологиями, они могут быть наилучшим образом интегрированы в гибкие производственные модули (Рис. 8).
Рис. 8. Многоконтурная термостатирующая система «gwk integra» нового поколения с шестью независимыми контурами термостатирования, с насосами с электромагнитной муфтой, встроенным измерителем расхода жидкости и беспроводным интерфейсом Blue-Tooth для литьевых машин .
Безопасность производственного процесса
Для контроля производственного процесса на дисплее каждого контура, помимо заданной и фактической температуры, отображается расход жидкости и температура обратной воды, которые отслеживаются с помощью регуляторов. С помощью стандартных интерфейсов рабочие параметры передаются в устройство управления литьевой машины, вносятся в файл инструмента и сохраняются в протоколе качества. Ручное управление имеет интуитивно-понятную схему и осуществляется посредством центральной кнопки управления, которая по своему принципу действия напоминает кнопки управления современных автомобилей и бытовых приборов (Рис. 9).
Рис. 9. Центральное однокнопочное управление с четырехстрочной индикацией установочных и рабочих параметров для каждого отдельного контура термостатирования.
Особое значение для безопасности технологического процесса имеет протоколирование и контроль расхода жидкости. Изменения расхода жидкости указывают на изменения параметров термостатирования, влияющих на качество. Это могут быть ненадлежащим образом установленное или функционирующее оборудование, шланги, соединительные ниппели и быстроразъемные соединения, а также износ или выход из строя контактирующих с водой компонентов термостатирующих приборов. Однако самой распространенной причиной являются отложения органических и неорганических веществ в рабочих каналах, которые препятствуют теплопередаче. Загрязнение термостатирующих контуров сильно влияет на издержки на единицу продукции. С трудом достигнутые результаты оптимизации могут быть мгновенно уничтожены, если качеству воды не будет уделяться должное внимание. Основной принцип здесь таков: чем выше температура воды, тем быстрее протекают процессы коррозии и возникают отложения. Увеличение времени охлаждения до 60% и увеличение издержек производства более чем на 30% по сравнению с новым уровнем средств производства -не редкость.
Часто при смене инструмента сами по себе изначально чистые системы загрязняются. Во избежание этого необходимо чистить рабочие каналы перед установкой пресс-формы, а лучше перед закреплением, если позволяет схема организации производства. На практике это часто является причиной стойких загрязнений: чаще всего не полностью укомплектованным отделам технического обслуживания на многих предприятиях в условиях необходимости обеспечивать бесперебойное производство просто не хватает времени на такую форму профилактических работ. В этом случае эффективны современные очистительные устройства. Как правило, они управляют процессом чистки автоматически и таким образом освобождают персонал, занимающийся текущим ремонтом и обслуживанием. Кроме того, чистка термостатирующих каналов предлагается как внешняя услуга. Расходы на оба подхода к решению данной проблемы, по сравнению с восстановлением производительности и сохранением безопасности производственного процесса, сравнительно невелики. Однако чем больше интервалы чистки, тем более дорогостоящим может стать удаление сильно въевшихся отложений. Смотря по обстоятельствам, в особо тяжелых случаях необходимо прибегнуть к дополнительным механическим средствам очистки. Однако при регулярном применении химического очищения проточным способом и последующей нейтрализации поверхностей достигается хороший и устойчивый результат чистки (Рис. 10). Влияние правильного планирования и проведения технического обслуживания на производительность очевидно.
Рис. 10. Устройство для чистки пресс-форм «gwk moldclean». Неисправные элементы или полностью вышедшие из строя установки снижают коэффициент использования оборудования и при определенных обстоятельствах приводят к значительному ограничению пропускной способности. Как показывает практика, многие переработчики, к сожалению, пренебрегают техническим обслуживанием своих периферических средств производства и эксплуатируют охладители и термостатирующие устройства при постоянной нагрузке до тех пор, пока они не выходят из строя. Это безответственно уже потому, что термический КПД резко падает задолго до выхода оборудования из строя, что ведет к увеличению времени охлаждения и к ухудшению качества формованных деталелей.
Пиковые температуры летом требуют «тропического исполнения» оборудования
Условием безопасности производственного процесса является надежное функционирование обратного охлаждения агрегатов, используемых для термостатирования пресс-формы. Мало пользы, если в термостатирующей системе литьевой формы тепловая энергия, которая должна отводиться отформованной детали, оптимальным образом поглощается, но при этом не может полностью отводиться через систему обратного охлаждения. К сожалению, жаркие дни минувшего лета снова показали, что на практике дело часто обстоит по-другому. Выход из строя охладителей во многих случаях привел к тому, что возникла необходимость отключения литьевых машин. Это недопустимо в условиях современной конкуренции. Главной причиной стала не малая мощность охладителей, обусловленная финансовыми проблемами, а физические свойства охлаждающей жидкости, используемой во многих охладителях. Переход на экологичные охлаждающие жидкости, законодательно предписанный в Германии уже несколько лет назад без прямого указания заменителей, привел в переходный период к тому, что многие производители холодильных установок выбрали недорогие решения, которые во времена умеренных температур окружающей среды в наших широтах были полностью допустимы. Сегодня же переработчики должны ориентироваться на предельные условия со значительно увеличившимися периодами высоких температур окружающей среды. Это означает, что охладители и для местных клиентов должны разрабатываться в дорогом, но очень надежном при экстремальных температурах окружающей среды «тропическом исполнении» (Рис. 11). Мы можем констатировать, что высокий уровень производительности и
Рис. 11. Компактный охладитель воздушного типа серии Weco фирмы GWK (мощность 250 кВт), со стандартным оснащением экологически безвредной не содержащей хлора охлаждающей жидкостью R 134а, обеспечивающей высочайшую надежность при крайне высоких температурах окружающей среды конкурентоспособности, достигнутый с помощью всех упомянутых в данной статье средств, можно сохранить в течение длительного срока. Сейчас каждому становится ясно то, что уже давно известно многим специалистам предприятий, хорошо позиционированных с точки зрения конкуренции. Термостатирование формы - это не просто банальный нагрев холодной воды. В отличие от кофеварок и чайников это понятие, имеющее другие, очевидно, более значительные аспекты, подразумевает технологически требовательный путь назад к надежному, энергетически и экономически рациональному охлаждению нагретой воды. Тем самым на поставленный в заголовке вопрос «Необходимо ли новое определение термостатирования литьевой формы?» можно в принципе ответить отрицательно. Однако производственная практика показывает, что многие предприятия, по различным причинам, слишком нерешительны в использовании широкого круга возможностей, представленных на рынке и вследствие этого сами препятствуют дальнейшему развитию. Таким образом, вполне реальна опасность, что существование различных точек зрения на термостатирование литьевых пресс-форм приведет к образованию «двухклассового» общества среди переработчиков.
Гельмут Грис
GWK Gesellschaft Waerme Kaeltetechnik mbH gwk • Warme Kaltetechnik GmbH
Friedrich-Ebert-Str. 306-314, D-58566 Kierspe
Tel.: +49 (0) 2359/665-0
www.gwk.com |
