Что такое полностью электрическая машина для литья под давлением?

Что такое полностью электрический термопластавтомат и чем он отличается от гидравлического?

Полностью электрическая литьевая машина приводит каждую ось движения — впрыск, пластификацию, смыкание, выталкивание и перемещение узла впрыска — независимыми сервомоторами с электронным управлением вместо гидравлических цилиндров и насосов, используемых в обычных машинах. В гидравлической машине постоянно работающий насос поддерживает давление в системе, а гидравлические клапаны направляют его для последовательного или одновременного выполнения каждой функции. В полностью электрической машине каждый сервомотор включается только тогда, когда требуется его функция, потребляет энергию по запросу и рекуперирует кинетическую энергию посредством регенеративного торможения при замедлении. Это фундаментальное архитектурное различие обеспечивает существенные преимущества электрической машины в энергопотреблении, точности, чистоте и воспроизводимости.

На нашем заводе работают и гидравлические, и полностью электрические машины, и эксплуатационные различия очевидны сразу. Электрические машины тише — нет постоянного шума гидронасоса. Они чище — нет гидравлической жидкости, которая может протечь, требует замены и утилизации. Они запускаются быстрее — не нужно прогревать масло. И они точнее — сервоприводное управление положением обеспечивает разрешение и повторяемость, недостижимые для гидравлических клапанов. Для подходящих применений электрическая машина однозначно превосходит технологически. Вопрос лишь в том, оправдывает ли применение более высокие первоначальные капитальные затраты.

Сколько энергии экономит полностью электрическая машина по сравнению с гидравлической?

Наиболее заметное и легко измеримое преимущество полностью электрических машин — энергопотребление. Обычный гидравлический насос постоянной производительности¹ непрерывно работает на полной скорости независимо от потребностей машины: при смыкании, охлаждении и простое он подаёт почти полный поток, а предохранительные клапаны рассеивают избыточную энергию в виде тепла. Это крайне расточительно: даже без полезной работы гидравлические машины потребляют 50–80 % своей пиковой мощности. Электрические сервоприводы, напротив, расходуют энергию только при разгоне нагрузки и возвращают её при торможении благодаря рекуперации. Во время охлаждения, занимающего 60–75 % цикла, электрическим машинам требуется лишь минимальная мощность для поддержания температуры нагревательных поясов.

На практике мы измеряли экономию энергии в 50–70% при замене гидравлических машин электрическими аналогами, выполняющими идентичные циклы на тех же изделиях. Экономия накапливается при коротких циклах (где доля времени охлаждения ниже, а доля движения машины выше) или при работе нескольких машин на предприятии с общей стоимостью электроэнергии. В таблице ниже приведены ориентиры энергопотребления для машин эквивалентного тоннажа разных типов:

Какие преимущества в точности и повторяемости дают электрические машины?

Преимущество электрических машин в точности обусловлено принципиальным превосходством замкнутого сервоуправления положением над управлением гидравлическими клапанами. Серводвигатель с оптическим энкодером определяет своё положение с точностью до долей градуса поворота, что обеспечивает субмиллиметровую точность позиционирования шнека впрыска и оси смыкания. Гидравлические системы, даже хорошо обслуживаемые и оснащённые пропорциональными клапанами, имеют внутреннюю изменчивость из-за изменения температуры масла, износа клапанов и колебаний давления. За тысячи циклов эти небольшие отклонения накапливаются в нестабильность от цикла к циклу, влияющую на массу, размеры и внешний вид детали.

На электрических машинах, перерабатывающих поликарбонат оптического класса, мы измерили отклонение массы впрыска ±0.02 g — примерно 0.1% массы впрыска. Та же полость на гидравлической машине в аналогичных условиях показывает отклонение ±0.08–0.12 g. Для деталей, где критична стабильность размеров, — тонкостенных оптических компонентов, прецизионных деталей медицинских устройств, корпусов разъёмов с жёсткими допусками — эта разница в повторяемости напрямую повышает выход годной продукции и сокращает число деталей вне спецификации. В таблице ниже приведены показатели точности для разных типов машин:

Для каких применений лучше всего подходят полностью электрические термопластавтоматы?

Полностью электрические машины — очевидный выбор для применений, где приоритетны точность, чистота, энергозатраты или уровень шума. Компоненты медицинских изделий — шприцы, втулки катетеров, корпуса устройств доставки лекарств — требуют работы без загрязнений, которую в чистых помещениях гарантируют только электрические машины. Оптическим компонентам, включая линзы, световоды и панели дисплеев, необходима межцикловая стабильность, доступная только при сервоприводном управлении впрыском. Детали потребительской электроники — корпуса разъемов, кнопочные механизмы, прозрачные рамки дисплеев — выигрывают от повторяемости, обеспечивающей стабильное косметическое качество на миллионах циклов. Еще одна сильная область электрических машин — тонкостенная упаковка, где для заполнения полости до застывания критически важен чрезвычайно быстрый впрыск с точным профилем скорости.

Электрические машины менее привлекательны для очень крупных деталей при усилии смыкания свыше 2 000 тонн, где гидравлические или гибридные машины выгоднее, а также для массового производства прочных неответственных деталей, где доплата за точность не приносит коммерческой пользы. Сервомотор² и шарико-винтовые передачи электрических машин также чувствительнее к загрязнённой среде: утечки охлаждающей жидкости, металлическая стружка и абразивная пыль повреждают прецизионные механические узлы быстрее, чем массивные гидроцилиндры.

Как сравнивается совокупная стоимость владения электрическими и гидравлическими машинами?

Первоначальная стоимость полностью электрической машины на 20–40% выше сопоставимой гидравлической. Эта надбавка окупается за счёт снижения эксплуатационных расходов в течение срока службы машины. Экономия энергии в размере $6,000–$13,000 в год для машины усилием 250 тонн, работающей в три смены, окупает надбавку за 3–5 лет. Дополнительная экономия обеспечивается отсутствием расходов на гидравлическое масло и фильтры ($2,000–$5,000 в год на машину), снижением расхода охлаждающей воды — гидравлические системы выделяют много тепла и требуют дополнительной инфраструктуры охлаждения — и меньшими затратами на обслуживание благодаря сокращению числа изнашиваемых компонентов: отсутствуют гидравлические уплотнения, клапаны и обслуживание насосов. При всех решениях о покупке машин мы моделируем совокупную стоимость владения, и в применениях с высокой загрузкой электрические машины стабильно показывают меньшую 10-летнюю полную стоимость, несмотря на более высокую цену покупки.

Требования к обслуживанию электрических машин тоже существенно отличаются. Шарико-винтовые передачи³ и сервоприводы очень надёжны, но нуждаются в периодической смазке и со временем — в замене. Типичный ресурс ШВП в 5–10 миллионов циклов означает, что при 500 000 циклов в год обслуживание потребуется через 10–20 лет: это укладывается в срок службы машины, но такие расходы следует планировать. Гидравлические уплотнения, насосы и пропорциональные клапаны требуют внимания чаще, особенно при интенсивной эксплуатации.

Часто задаваемые вопросы о полностью электрических термопластавтоматах

Да. Полностью электрические машины перерабатывают все стандартные термопласты, инженерные полимеры и специальные высокоэффективные смолы — тот же диапазон, что гидравлические. Функции узла впрыска (цилиндра, шнека, нагревателей) идентичны. Электрические машины создают давление до 2,500 bar и все коммерчески значимые скорости впрыска, охватывая полный спектр материалов и деталей.

Да, существенно. Гидравлические машины с постоянно работающими насосами обычно создают 70–80 dB (A). Полностью электрические работают при 60–65 dB (A); из-за логарифмической шкалы децибел разница ощущается сильнее, чем показывают числа. В производстве с несколькими машинами это значительно улучшает условия труда и снижает усталость операторов и техников.

В гибридных машинах вместо обычных насосов с постоянной подачей используются регулируемые гидравлические насосы с сервоуправлением, что снижает энергопотребление примерно до среднего уровня между полностью гидравлическими и полностью электрическими машинами. Они энергоэффективнее обычных гидравлических машин и требуют меньших капитальных затрат, чем полностью электрические. Такие машины остаются подходящим решением для установок большого тоннажа, где технология электрического шарико-винтового привода сталкивается с механическими ограничениями, а также для предприятий, не готовых полностью перейти на электрическую технологию.

Шариковинтовые передачи требуют периодической смазки (на современных машинах обычно автоматической), проверки износа в интервалы обслуживания и последующей замены после 5–15 миллионов циклов в зависимости от нагрузки. На наших электрических машинах мы проверяем ШВП каждые 2 миллиона циклов. Замена является плановым обслуживанием с учетом срока поставки деталей, а не аварийным ремонтом, поэтому ею можно управлять при правильном графике профилактики.

Электрические машины предпочтительны для микролитья. Точность сервоуправляемого впрыска с разрешением положения шнека в сотых долях миллиметра необходима, когда объём дозы измеряется долями грамма. Поэтому специалисты по микролитью почти исключительно используют электрические машины. Дозы менее грамма для медицинских катетеров, компонентов слуховых аппаратов и микрофлюидных устройств требуют точности управления, доступной только электрическим машинам.

Полностью электрические машины обычно обеспечивают меньшую общую продолжительность цикла, чем гидравлические, по нескольким причинам: движение узла смыкания с сервоприводом может быть быстрее и точнее управляться, чем гидравлическое; одновременное движение по нескольким осям (впрыск при выталкивании предыдущей отливки) легче координировать сервоконтроллерами; более быстрый и стабильный выход на заданные положения сокращает время установления на каждом этапе. Для типичного 30-секундного гидравлического цикла хорошо оптимизированная электрическая машина может обеспечить 25–28 секунд — сокращение продолжительности цикла на 7–17%.

Резюме

Полностью электрическая машина заменяет гидравлические системы обычных термопластавтоматов независимыми сервоприводами каждой оси и даёт три принципиальных преимущества: снижение энергопотребления на 50–70 % благодаря питанию по требованию и рекуперативному торможению; резко более высокую точность благодаря замкнутому контуру управления положением с субмиллиметровой повторяемостью; возможность работы в чистых помещениях без риска загрязнения гидравлическим маслом. Надбавка к капитальным затратам в 20–40 % по сравнению с гидравлическими машинами обычно окупается за 3–5 лет за счёт экономии энергии и обслуживания. Поэтому при интенсивном выпуске прецизионных деталей электрические машины выигрывают по совокупной стоимости владения. На нашем производстве они используются для медицинских изделий, оптики и точной потребительской электроники, где преимущества оправдывают инвестиции. Когда точность и чистота критичны, полностью электрическая машина — уже не премиальная опция, а стандарт. Подробности приведены в нашем полном руководстве по литью под давлением. Подробности приведены в нашем полном руководстве по литью под давлением.

1. Гидравлический насос: механическое устройство, преобразующее вращательную мощность электродвигателя в поток гидравлической жидкости под давлением. В обычных термопластавтоматах насос постоянно поддерживает давление в системе для смыкания, впрыска и выталкивания посредством распределительных клапанов. ↩

2. Сервомотор: вращательный или линейный привод с замкнутым контуром управления положением, скоростью и крутящим моментом по электронной обратной связи от энкодера. Точность и энергоэффективность по требованию делают сервомотор основным приводом полностью электрических термопластавтоматов. ↩

3. Шарико-винтовая передача: прецизионный линейный привод, преобразующий вращение сервомотора в поступательное движение посредством циркулирующих шариков в винтовой канавке. В электрических термопластавтоматах ШВП с высокой эффективностью и точностью перемещают оси впрыска, смыкания и выталкивания. ↩

Получите конкурентную цену, рекомендации DFM и график производства от инженерной команды ZetarMold.

Запросить бесплатное предложение →