Czym jest w pełni elektryczna wtryskarka?

Czym jest w pełni elektryczna wtryskarka i czym różni się od hydraulicznej?

W pełni elektryczna maszyna do wtrysku napędza każdy oś ruchu – wtrysk, uplastycznianie, zamykanie, wyprężanie i przesuwanie – wykorzystując niezależne, elektronicznie sterowane serwosilniki, zamiast cylindrów hydraulicznych i pomp stosowanych w maszynach konwencjonalnych. W maszynie hydraulicznej, ciągle działająca pompa utrzymuje ciśnienie systemowe, a zawory hydrauliczne kierują tym ciśnieniem, aby uruchamiać każdą funkcję sekwencyjnie lub jednocześnie. W pełni elektrycznej maszynie, każdy serwosilnik uruchamia się tylko wtedy, gdy wymagana jest jego funkcja, pobierając energię na żądanie i odzyskując energię kinetyczną poprzez regeneracyjne hamowanie podczas deceleracji. Ta fundamentalna różnica architektoniczna napędza znaczące zalety maszyny elektrycznej w zakresie konsumpcji energii, precyzji, czystości i powtarzalności.

Eksploatowaliśmy zarówno maszyny hydrauliczne, jak i w pełni elektryczne w naszej fabryce, a różnice operacyjne są natychmiast zauważalne. Maszyny elektryczne są cichsze – brak ciągłego hałasu pompy hydraulicznej. Są czystsze – brak płynu hydraulicznego, który mógłby wyciekać, wymagać wymiany lub utylizacji. Uruchamiają się szybciej – brak czasu rozgrzewania oleju hydraulicznego. I są bardziej precyzyjne – sterowanie pozycją serwo zapewnia rozdzielczość i powtarzalność, których sterowanie zaworami hydraulicznymi po prostu nie może dorównać. Dla odpowiednich zastosowań maszyna elektryczna jest jednoznacznie lepszą technologią. Pytanie brzmi, czy dana aplikacja uzasadnia wyższy początkowy koszt kapitałowy.

Ile energii oszczędza maszyna w pełni elektryczna w porównaniu z hydrauliczną?

Zużycie energii to obszar, w którym w pełni elektryczne maszyny zapewniają najbardziej wymierną i największą przewagę. Konwencjonalna pompa hydrauliczna¹ o stałej wydajności pracuje bez przerwy z pełną prędkością, niezależnie od chwilowego zapotrzebowania maszyny. Podczas zamykania formy, chłodzenia i przestojów pompuje niemal pełny strumień, a zawory przelewowe rozpraszają nadmiar energii w postaci ciepła. Jest to skrajnie nieefektywne: maszyny hydrauliczne zużywają 50–80% mocy szczytowej nawet wtedy, gdy nie wykonują użytecznej pracy. Elektryczne serwonapędy pobierają natomiast energię tylko podczas przyspieszania obciążenia i odzyskują ją przy hamowaniu regeneracyjnym. W fazie chłodzenia, która stanowi 60–75% czasu cyklu, maszyny elektryczne pobierają jedynie minimalną moc potrzebną do zasilania opasek grzewczych.

W praktyce zmierzyliśmy oszczędności energii na poziomie 50–70% przy zastępowaniu maszyn hydraulicznych ich elektrycznymi odpowiednikami pracującymi w identycznych cyklach na tych samych produktach. Oszczędności kumulują się przy krótkich cyklach (gdzie udział czasu chłodzenia jest mniejszy, a udział ruchu maszyny większy) lub przy pracy wielu maszyn w zakładzie z rozliczaniem wspólnych kosztów energii. Poniższa tabela przedstawia benchmarki zużycia energii dla maszyn o równoważnej sile docisku w różnych typach maszyn:

Jakie korzyści pod względem precyzji i powtarzalności zapewniają maszyny elektryczne?

Przewaga precyzyjna maszyn elektrycznych wynika z fundamentalnej wyższości serwosterowania położeniem w pętli zamkniętej nad sterowaniem zaworami hydraulicznymi. Serwomotor z enkoderem optycznym zna swoje położenie z dokładnością do ułamka stopnia obrotu, co przekłada się na dokładność pozycjonowania ślimaka wtryskowego i osi zamykania poniżej milimetra. Układy hydrauliczne, nawet dobrze utrzymane i wyposażone w zawory proporcjonalne, cechują się nieodłączną zmiennością wynikającą ze zmian temperatury oleju, zużycia zaworów i wahań ciśnienia. W ciągu tysięcy cykli te niewielkie różnice kumulują się, powodując niepowtarzalność między wtryskami, która wpływa na masę, wymiary i jakość estetyczną części.

Zmierzylismy zmienność wagi wtrysku na maszynach elektrycznych pracujących na poliwęglanie optycznym na poziomie ±0,02 g – około 0,1% wagi wtrysku. Ta sama forma na maszynie hydraulicznej wykazuje zmienność ±0,08–0,12 g w podobnych warunkach. Dla części, w których kluczowa jest powtarzalność wymiarów – cienkościennych komponentów optycznych, precyzyjnych części urządzeń medycznych, obudów złącz o wąskich tolerancjach – ta różnica w powtarzalności bezpośrednio przekłada się na wyższe wskaźniki wydajności i mniej części niezgodnych ze specyfikacją. Poniższa tabela przedstawia benchmarki precyzji dla różnych typów maszyn:

Do jakich zastosowań najlepiej nadają się całkowicie elektryczne wtryskarki?

Maszyny w pełni elektryczne są jednoznacznym wyborem w zastosowaniach, w których priorytetem jest precyzja, czystość, koszt energii lub poziom hałasu. Elementy wyrobów medycznych — strzykawki, nasadki cewników i obudowy urządzeń do podawania leków — wymagają pracy bez zanieczyszczeń, którą w środowisku pomieszczenia czystego gwarantują tylko maszyny elektryczne. Elementy optyczne, w tym soczewki, światłowody i panele wyświetlaczy, wymagają powtarzalności między wtryskami, jaką może zapewnić tylko serwonapędowe sterowanie wtryskiem. Elementy elektroniki użytkowej — obudowy złączy, mechanizmy przycisków i przezroczyste ramki wyświetlaczy — korzystają z powtarzalności zapewniającej stałą jakość wizualną w milionach cykli. Kolejną domeną maszyn elektrycznych są opakowania cienkościenne, w których niezwykle szybki wtrysk według precyzyjnego profilu prędkości ma kluczowe znaczenie dla wypełnienia gniazda przed zamarznięciem tworzywa.

Maszyny elektryczne są mniej atrakcyjne przy bardzo dużych detalach (siła zwarcia powyżej 2000 ton), gdzie urządzenia hydrauliczne lub hybrydowe oferują przewagę kosztową, a także w masowej produkcji solidnych, niekrytycznych części, w której dodatkowa precyzja nie przekłada się na wartość biznesową. Silnik serwo² i układy śrub kulowych w maszynach elektrycznych są też bardziej wrażliwe na zanieczyszczone środowisko: wycieki chłodziwa, wióry metalowe i pył ścierny mogą uszkodzić precyzyjne elementy mechaniczne szybciej niż wytrzymałe cylindry hydrauliczne.

Jak wygląda porównanie całkowitego kosztu posiadania maszyn elektrycznych i hydraulicznych?

Początkowy koszt kapitałowy w pełni elektrycznej maszyny jest o 20–40% wyższy niż porównywalnej maszyny hydraulicznej. Ta premia zwraca się poprzez oszczędności kosztów operacyjnych w okresie użytkowania maszyny. Oszczędności energii w wysokości 6 000–13 000 $ rocznie (dla maszyny 250-tonowej pracującej na trzy zmiany) zwracają premię w ciągu 3–5 lat. Dodatkowe oszczędności pochodzą z wyeliminowania kosztów oleju hydraulicznego i filtrów (2 000–5 000 $ rocznie na maszynę), zmniejszonego zużycia wody chłodzącej (układy hydrauliczne generują znaczne ciepło, wymagając dodatkowej infrastruktury chłodzenia) oraz niższych kosztów konserwacji dzięki mniejszej liczbie elementów zużywalnych – brak uszczelnień hydraulicznych, zaworów czy konserwacji pomp. Modelujemy całkowity koszt posiadania dla wszystkich decyzji zakupu maszyn i w przypadku aplikacji o wysokim wykorzystaniu maszyny elektryczne konsekwentnie wykazują niższy 10-letni całkowity koszt pomimo wyższej ceny zakupu.

Profil utrzymania ruchu maszyn elektrycznych również znacznie się różni. Śruby kulowe³ i serwonapędy są bardzo niezawodne, ale wymagają okresowego smarowania, a z czasem także wymiany. Typowy okres wymiany śruby kulowej wynoszący 5–10 milionów cykli oznacza, że maszyna wykonująca 500 000 cykli rocznie będzie wymagała serwisu śruby po 10–20 latach — nadal w okresie eksploatacji urządzenia, lecz jest to koszt, który należy zaplanować. Uszczelnienia hydrauliczne, pompy i zawory proporcjonalne wymagają natomiast częstszej obsługi, szczególnie przy intensywnej eksploatacji.

Często zadawane pytania dotyczące całkowicie elektrycznych wtryskarek

Tak. Maszyny w pełni elektryczne przetwarzają wszystkie standardowe tworzywa termoplastyczne, polimery konstrukcyjne i wysokowydajne żywice specjalistyczne — ten sam zakres materiałów co maszyny hydrauliczne. Jednostka wtryskowa (cylinder, ślimak i opaski grzejne) pełni identyczną funkcję. Maszyny elektryczne mogą wytwarzać ciśnienie wtrysku do 2500 barów i osiągać wszystkie stosowane komercyjnie prędkości wtrysku, pokrywając pełny zakres wymagań materiałowych i konstrukcyjnych części.

Tak, znacznie. Maszyny hydrauliczne z pompami pracującymi bez przerwy zwykle generują hałas 70–80 dB(A). Maszyny w pełni elektryczne pracują przy 60–65 dB(A) — ze względu na logarytmiczny charakter skali decybelowej różnica jest odczuwalnie znacznie większa, niż sugerują liczby. W środowisku produkcyjnym z wieloma maszynami ograniczenie hałasu wyraźnie poprawia warunki pracy i zmniejsza zmęczenie operatorów oraz techników.

Maszyny hybrydowe wykorzystują sterowane serwonapędem pompy hydrauliczne o zmiennej wydajności zamiast konwencjonalnych pomp o stałym przepływie, dzięki czemu zużycie energii znajduje się mniej więcej w połowie między maszynami ze stałym układem hydraulicznym a w pełni elektrycznymi. Zapewniają większą efektywność energetyczną niż konwencjonalne maszyny hydrauliczne przy niższym koszcie inwestycyjnym niż wtryskarki w pełni elektryczne. Nadal sprawdzają się w zastosowaniach wymagających dużej siły zwarcia, gdzie technologia elektrycznych śrub kulowych napotyka trudności mechaniczne, oraz w zakładach, które nie są jeszcze gotowe na pełne przejście na napęd elektryczny.

Śruby kulowe wymagają okresowego smarowania (w nowoczesnych maszynach zwykle przez automatyczne układy smarowania), kontroli zużycia w terminach konserwacji i ostatecznie wymiany po 5–15 milionach cykli, zależnie od obciążenia. W naszych maszynach elektrycznych planujemy kontrolę śrub kulowych co 2 miliony cykli. Wymiana jest planowaną czynnością konserwacyjną z czasem na pozyskanie części, a nie awaryjną naprawą po uszkodzeniu, dlatego można nią zarządzać przy prawidłowym harmonogramie konserwacji zapobiegawczej.

Maszyny elektryczne są preferowane w mikroformowaniu wtryskowym. Precyzja wtrysku sterowanego serwonapędem — z rozdzielczością położenia ślimaka rzędu setnych części milimetra — jest niezbędna, gdy objętość wtrysku mierzy się w ułamkach grama. Z tego powodu specjaliści od mikroformowania niemal wyłącznie korzystają z maszyn elektrycznych. Wtryski poniżej jednego grama w cewnikach medycznych, elementach aparatów słuchowych i urządzeniach mikroprzepływowych wymagają precyzji sterowania wtryskiem, którą mogą zapewnić tylko maszyny elektryczne.

Maszyny w pełni elektryczne zazwyczaj osiągają krótsze całkowite czasy cyklu niż maszyny hydrauliczne z kilku powodów: napędzany serwomechanizmem ruch układu zamykania może być szybszy i dokładniej sterowany niż ruch hydrauliczny; jednoczesny ruch wielu osi (wtrysk podczas wypychania poprzedniej wypraski) łatwiej skoordynować za pomocą sterowników serwo; a szybsza i bardziej powtarzalna reakcja na zadane położenie skraca czas stabilizacji w każdej fazie. W przypadku typowego 30-sekundowego cyklu hydraulicznego dobrze zoptymalizowana maszyna elektryczna może osiągnąć 25–28 sekund — skrócenie czasu cyklu o 7–17%.

Podsumowanie

W pełni elektryczna wtryskarka zastępuje układy hydrauliczne konwencjonalnych maszyn niezależnymi serwonapędami każdej osi, zapewniając trzy przełomowe korzyści: redukcję zużycia energii o 50–70% dzięki poborowi mocy na żądanie i hamowaniu regeneracyjnemu, radykalnie większą precyzję dzięki sterowaniu położeniem serwomechanizmów w pętli zamkniętej z powtarzalnością poniżej milimetra oraz pracę zgodną z wymaganiami pomieszczeń czystych bez ryzyka zanieczyszczenia olejem hydraulicznym. Wyższy o 20–40% koszt zakupu w porównaniu z maszyną hydrauliczną zwraca się zwykle w ciągu 3–5 lat dzięki oszczędności energii i kosztów utrzymania, co czyni maszyny elektryczne lepszym wyborem pod względem całkowitego kosztu posiadania przy intensywnej produkcji precyzyjnych części. W naszym zakładzie stosujemy maszyny w pełni elektryczne do produkcji wyrobów medycznych, optycznych i precyzyjnej elektroniki użytkowej, gdzie ich osiągi uzasadniają inwestycję. W zastosowaniach wymagających precyzji i czystości maszyna w pełni elektryczna nie jest już opcją premium — jest standardem. Pełne omówienie zawiera nasz Kompletny przewodnik po formowaniu wtryskowym. Pełne omówienie zawiera nasz Kompletny przewodnik po formowaniu wtryskowym.

1. Pompa hydrauliczna: Urządzenie mechaniczne, które przekształca moc obrotową silnika elektrycznego w przepływ cieczy hydraulicznej pod ciśnieniem. W konwencjonalnych wtryskarkach pompa stale utrzymuje ciśnienie w układzie, aby za pośrednictwem zaworów rozdzielających napędzać zamykanie formy, wtrysk i wypychanie. ↩

2. Silnik serwo: Obrotowy lub liniowy element wykonawczy ze sterowaniem położeniem, prędkością i momentem w pętli zamkniętej, wykorzystujący elektroniczne sprzężenie zwrotne z enkodera. Precyzja i energooszczędna praca na żądanie sprawiają, że serwomotor jest podstawową technologią napędową w pełni elektrycznych wtryskarek. ↩

3. Śruba kulowa: Precyzyjny liniowy element wykonawczy, który przekształca ruch obrotowy serwomotoru w ruch liniowy za pomocą krążących kulek poruszających się w spiralnym rowku. We wtryskarkach elektrycznych śruby kulowe napędzają osie wtrysku, zamykania formy i wypychania z wysoką sprawnością oraz dokładnością pozycjonowania. ↩

Uzyskaj konkurencyjną wycenę, informacje zwrotne DFM i harmonogram produkcji od zespołu inżynierskiego ZetarMold.

Poproś o bezpłatną wycenę →