Temperature control in plastic injection moulds
ในการผลิตชิ้นงานฉีดพลาสติก อุณหภูมิของแม่พิมพ์มีผลโดยตรงต่อทั้งคุณภาพของชิ้นงานและระยะเวลาการผลิตในแต่ละรอบ ดังนั้นการควบคุมอุณหภูมิให้เหมาะสมระหว่างการแปรรูปเทอร์โมพลาสติก จึงเป็นปัจจัยสำคัญที่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของกา รผลิตบทความนี้จะอธิบายการทำงานของระบบควบคุมอุณหภูมิ รวมถึงข้อดีที่ได้จากการนำระบบนี้มาใช้งาน
คุณภาพของชิ้นงานฉีดพลาสติกขึ้นอยู่กับการควบคุมสภาพอุณหภูมิภายในเครื่องได้ดีแค่ไหน ซึ่งครอบคลุมทั้งความสมดุลความร้อนของแม่พิมพ์ รวมถึงอุณหภูมิของกระบอกฉีดและสกรู
การควบคุมอุณหภูมิของแม่พิมพ์มีหน้าที่หลัก
- ทำให้แม่พิมพ์ร้อนถึงอุณหภูมิที่เหมาะสมสำหรับ
- การทำงานรักษาอุณหภูมิของแม่พิมพ์ให้คงที่ระหว่างการผลิต
สมดุลความร้อนของแม่พิมพ์ฉีดพลาสติก
แม่พิมพ์จะได้รับความร้อนเป็นจังหวะตามรอบการฉีดจากวัสดุที่ถูกฉีดเข้าไป ความร้อนนี้จะถูกถ่ายเทผ่านตัววัสดุและเหล็กของแม่พิมพ์ไปยังผิวของช่องควบคุมอุณหภูมิ จากนั้นความร้อนจะถูกส่งต่อไปยังตัวกลางถ่ายเทความร้อนที่ไหลเวียนอยู่ (เช่น น้ำหรือ น้ำมัน)เครื่องควบคุมอุณหภูมิจะทำหน้าที่ระบายความร้อนออกจากตัวกลางนี้ แล้วส่งตัวกลางที่ถูกทำให้เย็นลงกลับเข้าสู่ระบบหมุนเวียนอีกครั้ง
ผลกระทบของการควบคุมอุณหภูมิต่อชิ้นงานฉีดพลาสติก
การควบคุมกระบวนการทางความร้อนที่ดีสามารถสังเกตได้จากคุณภาพของชิ้นงานฉีดพลาสติกที่สม่ำเสมอ และระยะเวลาการผลิตต่อรอบที่เหมาะสม เนื่องจากอุณหภูมิของแม่พิมพ์มีผลต่อคุณภาพผิว การหดตัว การบิดงอ และการไหลตัวของวัสดุตัวอย่างผลกระทบมีดังนี้
- รอยยุบ (sink marks) และฟองอากาศ (blowholes) มักเกิดเมื่อแม่พิมพ์มีอุณหภูมิสูงเกินไป
- ความเงาของผิวชิ้นงานไม่สม่ำเสมอ อาจเกิดจากอุณหภูมิแม่พิมพ์ที่สูงเกินไป
- การบิดงอ (warping) อาจเกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิในแม่พิมพ์กระจายไม่สม่ำเสมอ หรือมีความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างวัสดุกับแม่พิมพ์สูง
- การเกิดเจ็ตติ้ง (jetting) อาจเกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิของแม่พิมพ์ต่ำเกินไป
การควบคุมอุณหภูมิของแม่พิมพ์ให้สม่ำเสมอและเหมาะสม จะช่วยลดข้อบกพร่องจากการฉีดให้น้อยที่สุด
ระบบควบคุมอุณหภูมิประกอบด้วย 3 ส่วนหลัก ได้แก่ แม่พิมพ์ เครื่องควบคุมอุณหภูมิ และตัวกลางถ่ายเทความร้อน ซึ่งทั้งสามส่วนต้องทำงานสอดคล้องกันจึงจะได้ประสิทธิภาพสูงสุด
ตัวแม่พิมพ์เองต้องมีพื้นที่ผิวของช่องควบคุมอุณหภูมิที่เพียงพอ และขนาดหน้าตัดของช่องต้องไม่เล็กเกินไป เพราะหากเล็กเกินไปจะทำให้เกิดการสูญเสียแรงดันสูง ส่งผลให้ต้องใช้เครื่องควบคุมอุณหภูมิที่มีปั๊มกำลังสูงและมีต้นทุนเพิ่มขึ้น ซึ่งเป็นจุดที่สามารถลดค่าใช้จ่ายได้ นอกจากนี้ ตัวกลางถ่ายเทความร้อนควรมีความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างทางเข้าและทางออกของแม่พิมพ์น้อยที่สุด โดยค่าที่เหมาะสมไม่ควรเกิน 3 °C
การออกแบบระบบที่เหมาะสมจะช่วยลดข้อบกพร่องในการฉีดได้จำนวนมาก และยังช่วยลดระยะเวลาการผลิตต่อรอบ ส่งผลให้ประสิทธิภาพการผลิตดีขึ้น ตัวอย่างเช่น ทุก ๆ การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิแม่พิมพ์ 1 °C จะทำให้เวลาในการทำความเย็นเพิ่มขึ้นประมาณ 2% โดยเฉลี่ย
ทั้งสองปัจจัยนี้ช่วยลดต้นทุนการผลิตได้อย่างชัดเจน
ในส่วนของเครื่องควบคุมอุณหภูมิ จำเป็นต้องควบคุมอุณหภูมิของแม่พิมพ์ให้อยู่ในช่วงที่แคบ โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 5 ถึง 20 °C ขึ้นอยู่กับวัสดุและชิ้นงาน ซึ่งต้องอาศัยระบบควบคุมที่แม่นยำ และความสามารถในการให้ความร้อน การระบายความร้อน และการสูบจ่ายที่เหมาะสม
ตัวกลางถ่ายเทความร้อนควรมีคุณสมบัติในการถ่ายเทความร้อนที่ดี เพื่อให้สามารถระบายความร้อนในปริมาณมากได้อย่างรวดเร็ว
การใช้น้ำเป็นตัวกลางในการระบายความร้อนมีความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจ โดยทั่วไปแล้วน้ำมีคุณสมบัติในการถ่ายเทความร้อนได้ดีกว่าน้ำมัน จึงเหมาะสำหรับใช้งานในระบบควบคุมอุณหภูมิ หากไม่มีข้อจำกัดพิเศษ สามารถใช้งานได้ที่อุณหภูมิแม่พิมพ์สูงถึงประมาณ 90 °C และสำหรับช่วง 90 ถึง 250 °C สามารถใช้น้ำแบบแรงดันได้ ส่วนในกรณีที่อุณหภูมิสูงกว่า 90 หรือ 250 °C ตามลำดับ จะนิยมใช้น้ำมันเป็นตัวกลางถ่ายเทความร้อน
ในการเลือกเครื่องควบคุมอุณหภูมิสำหรับงานฉีดพลาสติก สมรรถนะของระบบควบคุมอุณหภูมิจะถูกกำหนดจากปัจจัยหลักดังต่อไปนี้:
Parameter
วัสดุที่ใช้ผลิต
น้ำหนักของแม่พิมพ์และเวลาในการอุ่นเครื่อง
ปริมาณการผลิตต่อหน่วยเวลา
ความแตกต่างของอุณหภูมิภายในแม่พิมพ์
สภาพแรงดันและการไหลในแม่พิมพ์
Purpose
อุณหภูมิของแม่พิมพ์
ตัวกลางถ่ายเทความร้อน
กำลังการระบายความร้อน
อัตราการไหลแรงดันของปั๊ม
เครื่องควบคุมอุณหภูมิทำหน้าที่อะไร?
อุณหภูมิภายในแม่พิมพ์จะมีความแตกต่างกันในแต่ละจุด และยังเปลี่ยนแปลงเป็นรอบตามจังหวะการฉีดอีกด้วย สำหรับคุณภาพของชิ้นงานฉีดพลาสติก สิ่งสำคัญคือระดับอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงตามรอบนี้ต้องคงที่ตลอดทั้งโพรงแม่พิมพ์
ระหว่างการผลิต เครื่องควบคุมอุณหภูมิจะทำหน้าที่รักษาอุณหภูมิผิวแม่พิมพ์ทั้งค่าต่ำสุดและค่าสูงสุดให้คงที่ พร้อมทั้งควบคุมไม่ให้อุณหภูมิช่วงนี้เปลี่ยนแปลงสูงขึ้นหรือต่ำลง
สำหรับการควบคุม มีอยู่ 3 วิธีหลัก ได้แก่
1.การควบคุมอุณหภูมิของตัวกลาง
วิธีนี้เป็นวิธีที่ใช้กันมากที่สุด และให้ความแม่นยำเพียงพอสำหรับการใช้งานส่วนใหญ่
2.การควบคุมอุณหภูมิของแม่พิมพ์
วิธีนี้จะมีการติดตั้งตัววัดอุณหภูมิ (temperature probe) เหมาะสำหรับกรณีที่ต้องการควบคุมอุณหภูมิของแม่พิมพ์ให้คงที่ในช่วงที่แคบมากเป็นพิเศษ
3.การควบคุมแบบแคสเคด (Cascade control)
เป็นการผสมผสานสองวิธีข้างต้นเข้าด้วยกัน เพื่อให้การควบคุมอุณหภูมิในแม่พิมพ์มีประสิทธิภาพและแม่นยำยิ่งขึ้น
เครื่องควบคุมอุณหภูมิช่วยประหยัดต้นทุนได้อย่างไร?
ผู้ที่ใช้งานเครื่องควบคุมอุณหภูมิอย่างถูกต้อง จะสามารถใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีได้อย่างเต็มที่ และช่วยให้การผลิตคุ้มค่ามากขึ้นในทุกขั้นตอน ดังนี้
- ในช่วงเริ่มการผลิต แม่พิมพ์จะมีอุณหภูมิพร้อมใช้งานทันที ช่วยลดของเสียในช่วงเริ่มต้น
- การควบคุมอุณหภูมิที่เหมาะสมระหว่างการผลิต ช่วยลดของเสียที่อาจเกิดขึ้น เช่น การบิดงอ รูโพรง รอยเส้น หรือการไหลของวัสดุที่ไม่สมบูรณ์
- หลังจากหยุดการผลิต สามารถกลับมาผลิตได้เร็วขึ้น และเข้าสู่จังหวะการผลิตปกติได้ไว
- โดยรวมจะได้ชิ้นงานคุณภาพสูงขึ้น ผิวงานดีขึ้น และมีความเค้นต่ำ ทำให้ผลิตชิ้นงานที่มีความแม่นยำสูงได้
- การลดของเสียยังช่วยลดต้นทุนด้านการแก้ไขงาน วัสดุ และของเสีย
เครื่องควบคุมอุณหภูมิยังใช้ระบบหมุนเวียนน้ำแบบปิด แทนการใช้น้ำใหม่ตลอดเวลา ซึ่งช่วยลดปัญหาตะกรันและการปนเปื้อนของจุลินทรีย์ ส่งผลให้ค่าบำรุงรักษาและซ่อมแซมลดลง อีกทั้งการควบคุมอุณหภูมิที่สมดุลยังช่วยลดการสึกหรอของแม่พิมพ์ โดยรวมแล้ว ปัจจัยทั้งหมดนี้ช่วยให้สามารถลดต้นทุนได้อย่างชัดเจน พร้อมกับได้ชิ้นงานที่มีคุณภาพสูงขึ้น