採用不同注塑工藝的螺筒加熱技術提高效率並改善控制性能

   時間:2014-03-11 14:21:28
採用不同注塑工藝的螺筒加熱技術提高效率並改善控制性能簡介
      本文將加熱圈與通過插入絕熱層直接加熱螺筒的非接觸感應加熱新技術的能量效率和控制響應情況進行了比較,並對試驗室注塑成型機操作和台架試驗的定量……
採用不同注塑工藝的螺筒加熱技術提高效率並改善控制性能正文

本文將加熱圈與通過插入絕熱層直接加熱螺筒的非接觸感應加熱新技術的能量效率和控制響應情況進行了比較,並對試驗室注塑成型機操作和台架試驗的定量結果進行了討論。同時,本文考慮了螺筒直徑、表面條件和加熱圈類型對效率和控制響應的影響,最後還考慮了熱電偶深度這一影響因素。
概述
電動注塑機在過去的20年裡顯著改善了注塑機的能量效率。隨著這項技術被廣泛接受並日益成熟,面對不斷升高的能源成本,注塑行業面臨著必須探索節約能源的新方法來降低生產成本,以保持市場競爭力。
融體料流的加熱,尤其是螺筒加熱的出現給注塑行業帶來了很大的轉機。顯然,傳統的筒式加熱技術效率十分低下。在加熱圈消耗的能量中,通常有30%~70%是通過輻射和與周圍環境的對流浪費掉的。消除能量損失將會降低能量的利用率(即kW/kg),並使設備在使用同一能量傳輸設備時更快地預熱,從而縮短了停工時間,進一步提高了生產能力。
加熱圈的固有特性也阻礙了對溫度控制的響應,從而限制了對部件與部件之間質量一致性和使轉換時間最小化的改進。在加熱螺筒之前必須首先將加熱圈的溫度升至螺筒溫度之上,相應地,在冷卻螺筒之前也必須首先將加熱圈的溫度降至螺筒溫度以下。因此,加熱圈的蓄熱(質量×熱容)和加熱器與螺筒之間的接觸熱阻顯著提高了融體料流的熱慣性。
最近,通過使用質量更低的輻射加熱元件來替代加熱圈進行加熱,讓注塑行業中越來越多的人重新認識到了改進設備的重要性。
非接觸感應加熱是另一項具有顯著優勢的新技術。人們在數十年前就開始考慮使用帶有螺旋感應線圈的螺筒進行加熱,但應用情況欠佳。通常,人們都是使用效率低下的低頻電源,並將線圈直接與螺筒接觸,這樣反而破壞了應用感應加熱的優勢。螺筒中生成的熱量仍會向周圍環境擴散,而且線圈的蓄熱也沒能通過散熱被排除,與熱螺筒的接觸也增加了線圈的電阻,進一步破壞了效率的提高。
新型螺筒感應加熱技術
INDXTM螺筒加熱法(專利申請中)通過使用優化的高頻電源,並在螺筒與線圈之間插入一個絕熱層,很好地解決了上述問題,而且充分利用了感應加熱的全部潛力。全部熱量均是在螺筒內直接生成的,而且一直保留在工藝過程中,很好地消除了線圈的蓄熱。線圈的電阻損失也可以忽略不計,此時設備的外表面可直接用手觸摸。在此過程中,螺筒的加熱效率幾乎達到100%,對溫度控制的響應也得到了顯著改善。
試驗概況
通過將台架試驗裝置與實驗室注塑機的生產過程相結合的方法,對提高能量效率和改進工藝控制效果進行了各種定量測試,並獲得了相應的實驗結果取樣。其他的實驗室測試正在進行和設計中,並與系列生產型機器一樣受到監控。
用兩種方法對加熱系統的效率進行了評估:首先,分別對實驗注塑機的兩種加熱系統,即加熱圈和感應加熱進行加熱,比較它們加熱同樣材料和產量所必需的能量。接下來,使用兩種不同的螺桿類型,採用多種材料以恆定的速度生產出相同的零件。分別將加熱圈和感應加熱的台式螺筒部分的瞬時熱量輸入率(用放置在螺筒壁內的系列熱電偶進行測量)與瞬時電源消耗量進行了比較,兩種測試均觀察了控制響應的特點。在注塑機測試的過程中,通過使用相同的自動控制器來控制加熱圈和感應加熱,使產生的控制間隔時間和融流的溫度變化具有可比性。在台式螺筒的分段測試中,比較了加熱圈和感應加熱在啟動和關閉時熱量的輸入和排除以及輸入和輸出測試螺筒的滯後效應。
注塑機的測試步驟
測試是在東芝注塑機上進行的,該成型機的螺筒內徑(ID)為36mm,外徑(OD)為90mm,並帶有3個250mm長的溫度控制區。每個帶式加熱區包括4個MICA 型加熱圈,其消耗的功率約為3200W/區。每個感應區含有一個螺旋形線圈,該線圈靠一個可提供2000W電源的專用反向變流機進行供電。線圈纏繞在一個帶槽的塑料盤繞套管上,套管外包圍著一層介於套管與螺筒之間19mm厚的礦棉管隔熱層(如圖1所示)。


圖1 試驗室注塑成型機

將11個沿螺筒長度排列的裸露熱電偶安裝於20mm深的導熱水泥中,其中3個集中於3個加熱區,並在3個常用的自動調諧PID控制器中裝置了普通的開關以便於控制。
由多種不同材料(ABS、聚丙烯、低密度聚乙烯和高密度聚乙烯)為原料,通過使用兩種不同的螺桿類型(通用型和FusionTM),以循環周期為30s的生產效率生產出了一個40g的零件。加熱圈和感應的測試過程均使用了相同的加熱區溫度調節點,而且每次測試都用人工方式檢查出口的融流溫度,以確保質量的一致性。
通過監測單相(加熱圈)和3相(感應加熱)電流引出可實時跟蹤加熱系統的電流消耗情況,並間歇性地測量電源的供電電壓和功率因數(感應加熱)。採用福祿克(Fluke)數據採集系統,每隔1s對溫度和安培數測量一次。
通過比較在穩態生產條件下加熱圈和感應加熱的耗電量,可評估出加熱系統的相對效率。保持背壓恆定,並同時假定融流的粘性熱和從螺筒到機器外殼的傳導熱損失保持恆定,通過計算11個螺筒溫度的時域標準差可評估工藝的可變性。
螺筒分段測試的步驟
將12個熱電偶沿螺筒的中心線安裝於每個螺筒上,旨在完成對兩個螺筒尺寸的分段測試。6對熱電偶從外表面到內腔依次安裝,安裝的深度依次遞增。
在每個螺筒尺寸上都對MICA型和陶瓷型加熱圈進行了測試,試驗過程如下:
● 89mm/(外徑)×38mm/(內徑)×368mm/(長度)(3.5"×1.5×14.5)
4個直徑為50mm、功率為650W的MICA型加熱圈
4個直徑為50mm、功率為1500W的陶瓷型加熱圈
● 203mm/(外徑)×89mm/(內徑)×622mm/(長度)(8"×3.5×24.5)
8個直徑為50mm、功率為650W的MICA型加熱圈
6個直徑為50mm、功率為2000W的陶瓷型加熱圈
螺筒段的內腔和端部都是絕熱的,以防止圓柱形外筒表面或加熱圈自身的熱量損失。通過監測單相和3相電流消耗來跟蹤加熱系統的耗電情況,並間歇性地測量電源的供電電壓和功率因數,並採用福祿克數據採集系統,每隔0.1s對溫度和安培數測量一次。
作為操作溫度的函數,加熱圈的效率可通過計算每個時間增量內螺筒段的內能變化進行評估(使用6個環形元件的簡單有限差分分析法)。在螺筒和加熱器都是新的時候(此時產生的熱輻射損失最少),首先對MICA型加熱圈進行試驗,一旦螺筒和加熱器表面完全脫色併發生顏色變深(使用了約6h之後),約6h后再重複試驗, 最後在螺筒和加熱器表面塗成啞光黑色,使熱輻射損失達到最大。
在感應加熱試驗方案中,使用了一個由真空成形且帶有螺旋槽的絕熱套管,且套管的螺旋槽內還插入了專門的低電阻電感電纜。使用高頻變頻器為感應加熱線圈提供電能,並在感應加熱試驗期間將其輸出功率調節至與加熱圈提供給螺筒的熱量傳遞速率相等,這樣在加熱圈和感應加熱之間所觀察到的溫度響應時間差異就主要是由於供給熱量的方式不同導致的(而並非是供給熱量的多少所致,因為兩者的熱量值基本上恆定不變)。
注塑機的試驗結果
如圖2所示,在生產過程中,感應的功耗平均是加熱圈的31%,各區平均配電(功率分佈)的情況可從圖3中看出。


圖2 螺筒加熱功率消耗(W/Fusion型螺桿)


圖3 螺筒加熱功率消耗(W/通用型螺桿)

圖4所示為感應加熱和加熱圈在採用多個不同控制間隔穩定自動調諧PID控制器時的情形。當使用感應加熱時,由於進入材料內冷卻的影響,每個循環周期的溫度控制都能夠迅速平衡。這是因為相比於引入冷材料,在測量深度上的螺筒溫度更易受到感應加熱的影響。相比之下,加熱圈在如此短的周期間隙之內無法顯著地影響螺筒的溫度,因此PID控制只能以較長的間隔時間進行循環,從而生成一個較大、較緩慢且可區分的反饋溫度變化。


圖4 螺桿溫度與時間曲線(採用Fusion型螺桿)

從圖5可以看出,螺筒溫度的一致性隨位置的變化而變化。通過對圖4和圖5的對比分析可以得到,螺筒溫度的一致性與功率大小成正比,而與加入材料的接近度相近。通過對圖5兩條感應曲線(通用型螺桿和FusionTM螺桿)進行對比可以看出,通過螺桿設計可以進一步優化融流的一致性。


圖5 螺筒溫度差異與位置的關係

螺筒段試驗結果
由實驗台得到的試驗結果也加強並補充說明了注塑機試驗的結果。從圖6可以看出,在200℃~300℃這一加工範圍內,加熱圈的加熱效率相對於MICA型加熱器下降了40%~60%,卻比陶瓷型加熱器高10%~15%。此外,隨著加工溫度的升高,由環境輻射和對流導致的熱損失也隨之增加,從而進一步降低了加熱效率。從曲線圖上還可以得到,加熱圈的效率隨時間而下降,這是由於它們和螺筒在使用過程中會發生顏色變深和氧化現象,使得其表面發射係數不斷上升,從而導致了輻射損失的增加。


圖6 加熱圈效率與螺筒溫度關係圖

螺筒分段試驗解釋了為何在注塑機試驗期間使用感應加熱得到的控制效果最好。由圖7所示,在使用感應加熱時,將能量輸入外徑為89mm的螺筒幾乎是即時完成的,而且關閉電源時輸入螺筒的熱量也同時立即停止供應,同時由於環境因素導致的熱量損失是可以忽略的,因此功率輸入不可能為負。


圖7 熱量流入/流出螺筒(採用外徑為89mm的螺筒)

相比之下,在使用MICA型加熱器進行加熱時,需要超過2min才能使其熱量輸入速率達到最大值,而陶瓷型加熱器則需要約5min。同樣地,在關閉電源時,MICA型加熱器需要費時超過1min才能完全停止對螺筒的加熱,而陶瓷型加熱器則需要大約3min。產生這一滯后現象的原因是由於加熱圈在加熱螺筒之前自身也必須加熱,而且在螺筒冷卻之前它們必須首先冷卻。
由於整個螺筒壁還會出現熱滯后的差異,使用加熱圈進行加熱時反而會使控制挑戰變得更複雜。在打開和關閉電源時,溫度在螺筒壁的某個深度上會上升,而在另一個深度上可能會下降。這些現象也可以從圖8中看出,在時點「A」時電源呈關閉狀態,但整個螺筒壁直到在時點「B」處才開始冷卻。正如預測,陶瓷型加熱圈由「B~A」的時滯最大,且向系統加入的蓄熱物質最多,而感應加熱的時滯最小,基本上沒有添加任何蓄熱物質(實際上,螺筒自身就是絕熱元件)。


圖8 螺筒溫度響應(採用外徑為89mm的螺筒)

值得注意的是,使用感應加熱時螺筒壁的溫差極小,因此與加熱圈相比,感應加熱的控制性能對熱電偶深度也更不敏感。
結論
與加熱圈40%~60%的加熱效率相比,使用帶有絕熱層的感應螺筒進行加熱可將螺筒的加熱效率提高至接近100%。
由於消除了蓄熱物質對加熱系統的影響,感應加熱可加速溫度的響應時間(使用秒進行計數,而加熱圈則用分鐘進行計數),從而改善了控制的可預測性,降低了控制性能對熱電偶深度的敏感性。

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