Контроль качества при производстве пластмасс

Оптимальные параметры настройки оборудования имеют важное значение для качества получаемых пластмассовых изделий. Оптимизация процесса управления приводит к сокращению времени цикла и увеличению срока службы литьевых машин и форм. Однако часто этого оказывается недостаточно. При таком подходе не учитываются особенности заполнения формы, например, флуктуация вязкости перерабатываемого материала и изменение свойств окружающей среды, такие как температура и влажность в помещении. Поэтому представляется необходимым использовать соответствующие датчики в литьевых формах для контроля и, возможно, для управления технологическим процессом, а, следовательно, качеством продукции.

Наиболее важное влияние на качество отливаемых изделий оказывает состояние расплава после пластикации и соблюдение технологии заполнения формы, о чем можно судить по изменению давления и температуры.
Однако, установка датчиков приводит к увеличению стоимости формы, может оказаться источником дефектов на отлитых изделиях и вызвать затруднения при смене форм. Другая проблема в том, что каналы системы охлаждения и узел толкателя занимают значительное пространство, и это ограничивает выбор места для оптимального расположения датчиков. По этим причинам не существует стандартных способов для измерения параметров расплава в формах.

ДАТЧИКИ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ РАСПЛАВА

Термопары и термометры сопротивления, используемые для измерения и контроля температуры стенок формы, непригодны для измерения температуры расплава.
Температура расплава измеряется посредством регистрации собственного излучения расплава в определенном диапазоне длин волн. С этой целью внутри формы, заподлицо со стенкой, устанавливается пучок оптоволокна. Собственное излучение расплава поступает на радиационно-чувствительный детектор. По величине электрического выходного сигнала судят о температуре расплава.
Температуры расплава внутри форм могут быть измерены с высокой точностью (±1%) и быстротой (время отклика ≤10 миллисекунд), а также с хорошей воспроизводимостью при использовании оптического волокна, присоединенного к измерительному ИК — устройству. Диапазон измеряемых температур зависит от длины волны оптического волокна и находится либо между 70 и 260°С, либо между 177 и 427 °С.

ДАТЧИКИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ И ИХ РАСПОЛОЖЕНИЕ В ФОРМЕ

Давление в форме на разных этапах литья влияет на разные характеристики качества отливки. На стадии заполнения величина давления в пресс-форме влияет на текстуру отливок, ориентацию молекул, уровень кристаллизации, а также на термические и механические напряжения в расплаве. На компрессионной стадии от перепадов давления, его роста зависят полнота заполнения формующей полости, образование облоя. Стадия подпитки определяет вес и усадку отливок. Влиянию давления здесь подвержены ориентация макромолекул, затруднения с извлечением из-за деформации. Информативность мониторинга давления внутри формы в первую очередь зависит от расположения установленных датчиков.
Датчики измеряют давление во время впрыска, начиная с того момента, когда фронт потока достигает места их расположения, и затем на всем протяжении стадии подпитки (выдержки под давлением) до тех пор, пока усадка не приведет к потере контакта изделия с матрицей. С этой точки зрения датчики давления должны быть установлены вблизи впуска, чтобы контролировать формование отливки в течение максимально возможного периода. Расположение датчиков вблизи места впуска рекомендуется также при контроле изменения давления внутри формы.
Для определения степени заполнения датчики лучше устанавливать наоборот — вдали от места впуска. Также датчики давления лучше располагать вдали от впуска в формах, которые имеют очень длинные пути потоков расплава или потенциальные неплотности линии разъема со стороны, удаленной от впуска.
Для прямых и косвенных измерений внутреннего давления в форме выпускаются датчики различных конструкций, такие как пьезоэлектрические, тензометрические. При прямом измерении внутреннего давления в форме отверстие под датчик выполняется прямо в формующей полости, чтобы он соприкасался с расплавом. Головка датчика обычно имеет форму цилиндра или пластины. Она передает давление на находящийся позади нее измерительный элемент. Головку датчика давления можно в некоторой степени подогнать под профиль и текстуру формующей полости.
Пьезоэлектрические датчики давления отражают изменения сигнала пропорционально механической нагрузке, которая преображается с помощью расположенного ниже усилителя в соответствующую разность потенциалов. Даже при наименее удачном расположении точек измерения системная погрешность анализируемого сигнала не превышает 0,5%/мин. Влага и загрязнения линий передачи могут увеличить погрешность, поэтому очень важно содержать их в чистоте. Пьезоэлектрические измерительные системы пригодны для проведения динамических и квазистатических замеров и, следовательно, они должны быть приведены в определенное положение перед каждым измерением. Это может быть сделано автоматически с помощью сигнала с контролирующего устройства перед началом впрыска. Пьезоэлектрические датчики давления характеризуются высокой точностью, линейностью (≤ ±1% в диапазоне измерений) и низкой температурной погрешностью (≤ ±0,01%/°С); обычный диапазон измерений достигает 200 МПа при температуре от 200 до 350°С (в зависимости от модели).
Тензометрические детекторы (работающие на основе изменения сопротивления) не могут обеспечить столь же высокую частоту замеров как пьезоэлектрические, но их динамические характеристики вполне достаточны для наблюдения очень быстрых изменений внутреннего давления в процессе заполнения формы. За счет своей конструкции и используемых принципов измерения они пригодны как для статических, так и для динамических замеров. Изменения сопротивления, вызванные температурными изменениями в элементах тензометрических детекторов, компенсируются за счет того, что вся измерительная цепь, состоящая из датчика давления и усилителя, автоматически калибруется для каждого измерения. Калибровка происходит по сигналу контролирующего устройства перед началом впрыска. Суммарная погрешность, возникающая при измерениях с помощью тензометрических датчиков, составляет (≤ ±1%) в диапазоне измерений, а температурная погрешность варьируется в зависимости от модели от ± 0,02 до ± 0,04%/°С; обычный диапазон измерений находится не выше 150 МПа при 200°С.
Датчики прямого измерения давления оставляют на отлитом изделии следы. Этого можно избежать при использовании датчиков косвенного измерения давления расплава, расположенных под толкателями, который практически всегда есть в форме. Измеряется усилие, воздействующее на толкатель; для вычисления давления в формующей полости используется диаметр толкателя. При сборке и установке формы необходима тщательная подгонка толкателей, чтобы исключить влияние сил трения на результаты измерения.
Описанные выше датчики могут быть использованы для решения различных задач, связанных с производством.

КОНТРОЛЬ ДАВЛЕНИЯ В ФОРМУЮЩЕЙ ПОЛОСТИ

Наиболее полезная информация о производственном процессе может быть получена при измерении давления в формующей полости. Оптимизация режима с учетом изменения давления может во многом повлиять как на размеры, вес и внутренние свойства изделия, так и на время цикла и на износ литьевой формы. Измерения облегчают настройку оборудования в тех случаях, когда какая-либо форма работает на разных машинах. Наибольший интерес представляет линейный рост давления, означающий практически постоянную скорость фронта потока во время впрыска. Во время перехода от впрыска к подпитке также важен контроль давления: при слишком позднем переключении возникает пик давления и как следствие — облой; затруднения с извлечением детали; при слишком раннем переключении возможен риск повреждения оборудования или раскрытия формы, происходит заполнение под давлением подпитки, что приводит к недоливу, возникновению утяжин, оплавления поверхности и т.п.
С помощью датчиков давления можно быстро определить оптимальное положение точки перехода. Аналогичным образом можно определить точку застывания литника, т.е. тот момент, когда материал перестает поступать в форму, и подобрать время подпитки. Время выдержки до охлаждения — это время, протекающее вплоть до момента отделения изделия от формы, или иначе, время, в течение которого давление в матрице снижается до нуля. Весь процесс можно зарегистрировать, размещая датчики рядом с литником. Чем дальше помещаются датчики от оптимальной позиции, тем меньше удается получить информации о процессе. Помимо ручной корректировки процесса с помощью кривых давления, современные регулирующие устройства позволяют использовать давление в матрице для переключения впрыска на подпитку. Как только достигается пороговое значение, передается соответствующий сигнал. Такой способ переключения соответствует улучшению воспроизводимости. Прежде всего, он позволяет при измерении предусмотреть возможные отклонения.
Пороговую величину определяют обычно несколькими итерациями при испытаниях или с помощью моделирования. Возможно также автоматическое определение момента переключения по изменению давления непосредственно в рабочем режиме. Критерием для определения служит значительный рост давления; момент перехода от стадии впрыска к стадии выдержки под давлением определяется для текущего цикла. Эта методика позволяет системе автоматически реагировать на изменения в материале или процессе, без вмешательства извне.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В ФОРМУЮЩЕЙ ПОЛОСТИ

Наряду с измерением давления в формующей полости, которое является наиболее значимым параметром процесса литья под давлением, измерения температуры также можно использовать для получения важной дополнительной информации, позволяющей оптимизировать технологический процесс и повысить его устойчивость. Инфракрасные температурные датчики дают информацию о текущей температуре расплава у торца шнека и предупреждают возможные нарушения технологии, происходящие вследствие превышения допустимых пределов.
Для настройки системы охлаждения, контрольных измерений и мониторинга используется температура охлаждающей жидкости на выходе из формы. Однако реальную температуру стенки формующей полости можно измерить только с помощью термопар, вмонтированных в нее как можно ближе к поверхности. Слежение за этой температурой позволяет не только вовремя распознавать и компенсировать превышение допустимых пределов, но и активно изменять технологию в случае неправильных настроек регулирующих устройств и возмущающих воздействий окружающей среды.

ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА

Высокие требования к качеству отливаемых изделий вынуждают производителей осуществлять тщательную проверку выпускаемой продукции. Статистический контроль процессов, при использовании которого выводы о качестве процесса, качестве изделий и тенденциях их изменения делаются на основе случайных выборок, наиболее распространен в нашей стране. Противоречие между увеличением требований к качеству продукции цехов по литью пластмасс и выборочным характером статистического контроля приводят к необходимости применять постоянный мониторинг качества продукции. Для оперативного контроля применяются датчики, устанавливаемые в формах и на термопластавтоматах. Это дает возможность проводить 100% контроль качества, не проверяя каждую отливаемую деталь.
Ключом к расчету качественных характеристик является модель, которая описывает зависимость свойств отливаемого изделия от параметров процесса. Модель получают экспериментальным путем, учитывая знания о производственном процессе и используя статистические методы планирования эксперимента. На ее основании проводится оптимизация параметров процессов, а для поддержания необходимых значений — мониторинг технологического процесса.
На этапе проведения испытаний фиксируются параметра процесса, а полученные изделия маркируются так, чтобы при последующем моделировании обеспечить четкое соответствие между зафиксированными параметрами и пробными изделиями. По окончании испытаний определяют качественные характеристики отлитых изделий.
На основании информации о величинах качественных характеристик в зависимости от изменения параметров процесса строится математическая зависимость или модель. С помощью построенных моделей качество изделий оперативно определяется непосредственно во время литья, исходя из измерений параметров процесса в течение производственного цикла. Эту информацию можно использовать в целях 100% документирования информации о качестве и для отбраковки изделий, не удовлетворяющих заданным условиям. Более прогрессивной методологией является постоянное поддержание оптимальных параметров качества за счет оперативного изменения (управления) параметров процесса, рассчитываемых на основании модели, в зависимости от изменения того или иного параметра процесса