قالب گیری تزریقی دوست دار محیط زیست: ایجاد توان بیش تر برای صرف انرژی کم تر

برگردان: هانیه میانه رو
شرکت مهندسی-بازرگانی سحر

سال های متمادی سازندگان دستگاه های قالب گیری تزریقی تلاش های بسیار زیادی را جهت بهبود بازدهی مصرف انرژی این نوع دستگاه ها به عنوان یکی از پر مصرف ترین فرآیندهای صنعت پلاستیک، انجام داده اند و توانسته اند با به کارگیری روش های متفاوتی از جمله به کارگیری موتورهای دور متغیر و پمپ های دبی متغیر مصرف انرژی دستگاه را در حدود 50-30 درصد کاهش دهند. چه، بسیاری از دستگاه¬های قالب¬گیری تزریقی از موتورهای با دور ثابت استفاده می¬کنند که حتی در زمان بی¬کاری فرآیند تزریق نیز پمپ¬های هیدرولیکی دستگاه را به کار می¬اندازند و منجر به اتلاف انرژی قابل توجهی در طی این مرحله می¬گردند. در حالی که با استفاده از موتورهای دور متغیر و پمپ¬های دبی متغیر می¬توان برونداد پمپ¬ها را با نیاز هیدرولیکی هر مرحله از فرآیند تزریق تنظیم کرد و به بهبود قابل توجهی در مصرف انرژی دستگاه دستگاه دست پیدا کرد.
حال سوالی که در این باره مطرح می¬شود این است که علاوه بر اصلاحات انجام گرفته تاکنون، چگونه می¬توان به صرفه-جویی انرژی بیش¬تری دست پیدا کرد؟
جدیدترین اصلاحات انجام گرفته بر روی دستگاه¬های قالب¬گیری تزریقی شامل استفاده از گرم¬کن¬ها و پمپ¬های پر بازده بوده است که هر چند به میزان اصلاحات اصلی قبلی موجب بهبود بازدهی دستگاه نشده¬اند، اما باز هم در صرفه¬جویی مصرف انرژی تاثیرگذار بوده¬اند.
دستگاه¬های قالب¬گیری تزریقی تمام برقی نسبت به نوع ترکیبی و هیدرولیکی مصرف انرژی کم¬تری دارند اما در حال حاضر دستگاه¬های تمام برقی تنها 20-15 درصد از فروش بازار اروپا را به خود اختصاص داده¬اند در حالی که 85-80 درصد باقی مانده مربوط به فروش دستگاه هیدرولیکی و ترکیبی است. در ژاپن، از سال 1984 که دستگاه¬های تمام برقی وارد بازار شده¬اند تا کنون، تقریباً 80 درصد فروش بازار را به خود اختصاص داده¬اند. در ایالات متحده امریکا نیز کم¬تر از نیمی از فروش دستگاه¬های تزریق مربوط به نوع تمام برقی است. این اعداد و ارقام در 5 سال اخیر نیز تغییر چندانی نکرده¬اند به خصوص که بهبود قابل توجهی در مصرف انرژی دستگاه¬های ترکیبی صورت گرفته است.
مصرف انرژی دستگاه¬های قالب¬گیری تزریقی:
یک دستگاه قالب¬گیری تزریقی هفت عملکرد اصلی دارد که هر کدام به میزان مشخصی انرژی مصرف می¬کنند: نرم¬سازی، گرمایش سیلندر، حرکت کفه¬های قالب، تزریق، فشار گیرش، پراندن قطعه تولیدی به بیرون و سرمایش قطعه.
بازدهی مصرف انرژی در حقیقت تنها یک عملکرد مربوط به دستگاه نیست. معمولاً بازدهی انرژی با واحد کیلووات ساعت بر کیلوگرم ماده¬ی فرآیند شده بیان می¬شود و برای هر قطعه¬ی تولید وابسته به دمای مذاب، وزن قطعه، زمان چرخه، اندازه دستگاه و بازدهی دستگاه ، متفاوت است. به عنوان مثال برای قطعات دیواره نازک با زمان چرخه¬ی کوتاه، انرژی مصرفی ویژه 3/. کیلووات ساعت بر کیلوگرم و برای قطعات ضخیم¬تر که زمان چرخه طولانی تری دارند، انرژی مصرفی ویژه¬ی 6/0 کیلووات ساعت بر کیلوگرم بسیار کارآمد محسوب می¬شود.
برای برآورد میزان انرژی مصرفی هر کدام از مراحل تزریق، موسسه¬ی SKZ در آلمان یک دستگاه تمام برقی 100 تنی که جعبه¬ای 83 گرمی از جنس ABS را در مدت زمان 9/16 ثانیه تولید می¬کرد مورد بررسی قرار داد. نتایج این اندازه¬گیری نشان می¬دهند که مرحله¬ی نرم¬سازی 48%، گرمایش سیلندر 17%، گیرش 12%، تزریق 11% و جابجایی خطی کفه¬های قالب و سرمایش قطعه 4% از انرژی مصرفی کل دستگاه را به خود اختصاص می¬دهند(شکل 1). انرژی مصرفی ویژه برای تولید قطعه¬ی ذکر شده با این دستگاه 384/0 کیلووات ساعت بر کیلوگرم بوده است.

شکل (1): سهم بخش¬های مختلف فرایند تزریق در مصرف انرژی دستگاه قالب¬گیری تزریقی تمام-برقی
درصد مصرف¬های ذکر شده برای قطعات مختلف متقاوت است. اما برای تمامی قطعات، عمده¬ی انرژی مصرفی مربوط به گرمایش سیلندر است. مدیر شرکت سومیتومو در این باره می¬گوید: “اگر تنها بازدهی موتور دستگاه را بهبود بدیم و در مورد بازدهی گرم¬کن¬های سیلندر کاری انجام ندهیم، میزان انرژی مصرفی توسط گرم¬کن¬های سیلندر افزایش خواهد یافت. در برخی موارد انرژی مصرفی گرمایش سیلندر را در برخی دستگاه¬های بسیار کارآمد تمام برقی می¬توان تا 50% کاهش داد.”گرم¬کن¬های سیلندر تزریق تنها مصرف¬کننده¬ی انرژی در دستگاه هستند که متحرک نیستند. عایق¬بندی سیلندر حداقل تا حدود 25% میزان مصرف انرژی را کاهش می¬دهد.
هر چند جایگزینی گرم¬کن¬های نواری متداول با گرم¬کن¬های تابش امواج فروسرخ(infrared heaters) هزینه¬بر است، اما این کار موجب صرفه¬جویی بیشتر در مصرف انرژی (در حدود 45-40 درصد) می¬گردد که حدود دو برابر صرفه¬جویی انرژی توسط عایق¬بندی سیلندر است.
برخی شرکت¬¬های سازنده¬ی دستگاه تزریق، از فناوری خاصی در گرم¬کن¬های خود استفاده می¬کنند که حدود 60-30 درصد صرفه¬جویی انرژی بیش¬تری را نسبت به گرم¬کن¬های نواری به همراه دارند. برخی سازندگان هم گرم¬کن¬های نواری را در محل نزدیک¬تری نسبت به مذاب قرار داده اند که موجب بهبود بازدهی گرمایش شده است.

بهینه¬سازی بازدهی موتور:
موتورهای با قابلیت تغییر بسامد (Invertor) و موتورهای سروویی که روی پمپ¬های هیدرولیکی نصب می¬شوند، دو دسته از تجهیزاتی هستند که تاثیر بسیار زیادی بر کاهش مصرف انرژی دستگاه¬های قالب¬گیری تزریقی می¬گذارند. موتورهای با قابلیت تغییر بسامد، می¬توانند سرعت موتورهای AC استاندارد را کنترل کنند و در زمان¬های لازم این سرعت را به صفر برسانند. موتورهای سروویی که روی پمپ¬های هیدرولیکی نصب می¬شوند، سرعت چرخش پمپ را کنترل می-کنند و امکان توقف پمپ در چرخه¬هایی که نیاز به فشار زیاد روغن وجود ندارد را فراهم می¬کنند.
استفاده از موتورهای بسپار متغیر، نسبت به نوع هیدرولیکی قدیمی، حدود 50 درصد و نسبت به موتورهای هیدرولیکی که توسط موتور سروو کنترل می¬شوند، 13-10 درصد، مصرف انرژی کم¬تری به همراه دارد. چه، حتی بهترین و کارآمدترین موتورهای هیدرولیکی به علت تبدیل انرژی¬های مختلف به یکدیگر انرژی تلف می¬کنند: در ابتدا توان الکتریکی به توان هیدرولیکی تبدیل می¬شود، سپس توان هیدرولیکی به توان مکانیکی تبدیل می¬شود. از آن¬جا که نرم¬سازی بسپار بیش¬ترین انرژی دستگاه را مصرف می¬کند، به حرکت در آوردن ماردان توسط توان الکتریکی در دستگاه¬های بزرگ، موجب صرفه-جویی قابل توجهی در مصرف انرژی خواهد شد. به علاوه این اصلاح موجب کاهش اندازه¬ی دیگر پمپ¬های هیدرولیکی و کاهش روغن هیدرولیک مورد نیاز دستگاه خواهد شد.
نوع موتور الکتریکی ماردان نیز تفاوت قابل توجهی در بازدهی دستگاه ایجاد می¬کند. استفاده از یک موتور الکتریکی مستقیم با آهنربای دائمی، به جای موتورهای AC قابل کنترل با تغییر بسپار، تا حدود 2 درصد موجب صرفه¬جویی در مصرف انرژی می¬گردد.
موتورهای سروویی که توسط یک آمپلی¬فایر کنترل می¬شوند نیز می¬توانند جایگزین موتورهای AC بسپار متغیر شوند. موتورهای سروو دقیق¬تر کار می¬کنند و بازدهی مصرف انرژی بالاتری نیز دارند. اما گران¬قیمت هستند. موتورهای سرووی بزرگ (بزرگ¬تر از kw 100) و موتورهای با آهنربای دائمی، به علت داشتن مس و دیگر فلزات کم¬یاب، گران قیمت هستند.
با تولید برق از کاهش دور موتور دستگاه، می¬توان انرژی لازم برای حرکات خطی مانند باز و بسته شدن گیره دستگاه را فراهم کرد که موجب صرفه¬جویی در مصرف انرژی دستگاه می¬گردد. با این کار می¬توان 60-50 درصد انرژی مصرفی توسط جابجایی¬های گیره را بازیابی کرد. به علاوه با این روش می¬توان اوج مصرف انرژی واحد تولیدی را کاهش داد. یک موتور الکتریکی در زمان باز و بسته کردن قالب افزایش و کاهش دور پیدا می¬کند. در زمان کاهش دور، دستگاه این افت انرژی را به عنوان برق ذخیره می¬کند و در مراحل دیگر مورد استفاده قرار می¬دهد.

بهینه¬سازی بازدهی پمپ¬ها:
یک عامل مهم در صرفه¬جویی مصرف انرژی دستگاه تزریق اضافه کردن یک موتور سرووی سرعت متغیر برای کنترل برونداد پمپ است که امکان توقف پمپ در زمان سرمایش قطعه را فراهم می¬آورد. در نمایشگاه Fakuma سال 2014، شرکت wittman-battenfeld نسل جدیدی از دستگاه¬های قالب¬گیری تزریقی ترکیبی خود که با موتور سرووی Bosch Rexroth تجهیز شده بودند را ارائه کرد. این دستگاه¬ها که از ژانویه 2015 در نیروی گیره‌های 25 تا 150 تن وارد بازار شدند، از سازوکار ثبت شده¬ی KERS بهره می¬برند که می¬توانند انرژی موتور سروو- هیدرولیکی را هنگام کاهش دور موتور ذخیره و آن را صرف گرمایش سیلندر و یا باز و بسته شدن قالب کنند.
از آن جا که موتورهای هیدرولیکی تقریباً 5 برابر موتورهای الکتریکی ذخیزه¬ی انرژی دارند، توانایی افزایش شتاب سریع¬تر دور موتور را نیز دارا هستند. به همین علت گاهی واحدهای هیدرولیکی برای دستگاه¬های تزریق سرعت بالا نسبت به نوع الکتریکی ترجیح داده می¬شود.
یک دلیل دیگر برای این که هنوز هم عملکردهای هیدرولیکی در بسیاری از دستگاه¬های تمام برقی به کار گرفته می¬شود این است که بسیاری از قالب¬های موجود از بازویی¬های هیدرولیکی استفاده می¬کنند و این موضوع استفاده از عملکردهای هیدرولیکی را اجتناب¬ناپذیر می¬سازد.
افزودن موتور سروو به پمپ¬های هیدرولیکی امکان استفاده از پمپ¬های دنده¬ای ارزان قیمت¬تر به جای پمپ¬های پیستونی جابجایی متغیر را را فراهم می¬سازد. هر چند همه¬ی شرکت¬های سازنده¬ی دستگاه تزریق با این موضوع موافق نیستند.
کاهش اصطکاک در خطوط روغن، چند¬راهه¬ها (manifold) و نقاط اتصال لوله¬ها، موجب صرفه¬جویی در مصرف انرژی می¬گردد. سامانه¬های هیدرولیکی کنترل شده تحت شرایط دمایی کم¬تری کار می¬کنند و روغن هیدرولیکی تحت دمای کم-تر طول عمر بیش¬تری دارد. به علاوه برخی سازندگان دستگاه¬ها از چندراهه¬های هیدرولیکی با دو شیر به جای خطوط با قطر بیش¬تر استفاده می¬کنند که با این کار هم دمای روغن هیدرولیکی مصرفی در دستگاه کاهش پیدا می¬کند و هم مصرف انرژی تا حدود 30 درصد کاهش پیدا می¬کند.
سازندگان پمپ¬ها هم همواره به دنیال ساختن پمپ¬هایی با سر و صدای کم¬تر و کارآمدتر بوده¬اند. به علاوه پیشرفت¬های اخیر در بخش نرم¬افزار دستگاه و سامانه¬ی کنترلی آن موجب کارآمدی و بهینه¬سازی دستگاه شده است.
سازندگان دستگاه¬های قالب¬گیری تزریقی، اخیرا نرم¬افزارهای جدیدی برای بهینه¬سازی مصرف انرژی دستگاه طراحی کرده-اند که به صورت خودکار سرعت ماردان و دیگر پارامترهای دستگاه را برای دست¬یابی به مصرف انرژی کم¬تر بهینه می¬کنند.
حال سوالی که اینجا مطرح می¬شود این است که پردازنده¬ها تا چه میزان بر کاهش مصرف انرژی دستگاه تاثیرگذار هستند؟ پاسخ کوتاه به این سوال این است که میزان حقیقی صرفه¬جویی مصرف انرژی وابسته است به نوع قطعه و زمان چرخه و نه فقط بادزهی دستگاه. یک دستگاه قالب¬گیری تزریقی تمام برقی برای تولید قطعات کوچک با برونداد کم، دستگاهی ناکارآمد محسوب می¬شود. در حالی که هر دستگاهی که برونداد بیش¬تری داشته باشد، در تولید قطعات بزرگ کارآمدی بیش¬تری نیز از خود نشان خواهد داد. بنابراین پیکربندی صحیح دستگاه¬های برقی و ترکیبی وابسته است به اندازه قطعه و میزان برونداد آن.
بدیهی است که پارامترهای دستگاه باید با توجه به قطعه¬ی تولیدی تنظیم شده باشند تا دستگاه برای تولید آن قطعه بیش-ترین بازدهی را داشته باشد. به عنوان مثال اگر 300 تن از نیروی گیره¬ی یک دستگاه 600 تنی برای تولید یک قطعه مورد نیاز باشد، باید تنظیمات فشار روغن در دستگاه به گونه¬ای باشد تا نیروی گیره¬ی دستگاه در نهایت به همان 300 تن برسد. تنظیمات مربوط به دما، فشار تزریق و سرعت ماردان نیز به همن صورت است. به عنوان مثالی دیگر، با توجه به هندسه¬ی قطعه¬ی تولیدی می¬توان سرعت چرخش ماردان را کاهش داد تا با زمان لازم برای سرمایش قطعه هماهنگ شود.

مرجع:
[1]. Jan H. Schut, Eco-molding: more power for less energy, Plastics engineering magazine, April 2015.
http://read.nxtbook.com/wiley/plasticsengineering/march2015/coverstory_ecomolding.html

منبع: ماهنامه بسپار/شماره 154/خرداد ماه 1394
شکل ها در نسخه مربوطه در آرشیو مجلات قابل دسترسی است.