В последние годы на оборудовании для производства полимерных пленок все чаще устанавливают дорогостоящие системы контроля толщины продукции. Стоимость таких систем достигает десятков тысяч долларов. Так, к примеру, цена емкостной системы измерения толщины пленки Kundig's K-100 Twin достигает $100,000. Если система дополняется исполнительным устройством для управления толщиной пленки, то ее цена может достигать 200000 Евро. При этом только в США таких систем устанавливается, по данным Джона Вайза, представителя немецкой фирмы Reifenhauser в США,  не менее сотни в год. 

 

 

 

Разработкой и производством систем контроля толщины пленок занимаются такие специализированные фирмы, как Micro-EpsilonMesstechnik GmbH , Octagon Process Technology GmbHKundigPlast-ControlSolveTechTSM Control Systems, NDC.



Появляются все новые модификации систем, позволяющие управлять качество пленки на уровне микронов и долей микрона отклонения толщины от заданного значения. Возникает закономерный вопрос, чем оправдано и как окупается применение столь дорогостоящего оборудования?



ПОТРЕБИТЕЛЬ ХОЧЕТ..

Полимерные пленки имеют ряд важных для переработчиков и конечных потребителей показателей: механическую прочность, жесткость, способность противостоять проколу и раздиру, прозрачность или, наоборот, равномерность прокраса, свариваемость и т.д. Помимо этого, переработчики оценивают и качество рулонов пленки, оцениваемое геометрией рулона и плотностью намотки. Все это необходимо для того, чтобы при переработке пленки в упаковку иметь возможность использовать высокопроизодительное, имеющее рабочие скорости до 500 м/мин, оборудование для нанесения печати и ламинирования. Высококачественная пленка позволяет получать прочные и равномерные сварные швы на скоростных пакетосварочных машинах. Нужно высокое качество и при скоростной групповой упаковке в термоусадочную пленку, и при упаковке продукции в стрейч-пленку.

Показателями качества могли бы служить лабораторные показатели: отклонения толщины, светопропускания и прозрачности и другие физико-механические показатели. Однако на практике для проверки качества пленки часто используются, в зависимости от назначения материала, различные прикладные методы, позволяющие напрямую оценить ее функциональная пригодность. Пакеты испытывают на механическую прочность, наливая в них воду и выдерживая определенное время. Упаковку с сухой смесью сбрасывают с определенной высоты. Сварные швы испытывают на герметичность. Термоусадочную пленку испытывают на коэффициенты усадки и остаточную прочность. Испытывают пленку и на скоростных машинах для нанесения рисунка, сварки и ламинирования. Иногда технологи просто кладут аккуратно вырезанный кусок пленки на стол и по тому, насколько ровно он лежит, определяют, можно ли использовать данную пленку для ламинирования. Окрашенную пленку рассматривают на просвет - неравномерность окраса говорит о неравномерности перемешивания красителя или о неравномерной толщине. Существует множество подобных испытаний. Данные лабораторных исследований также принимаются во внимание, но в конечном счете потребитель выбирает поставщика по комплексу важных для него свойств.

Сегодня, когда помимо отечественных производителей пленки, свои услуги предлагают многочисленные поставщики импортной продукции, переработчики могут выбирать самые лучшие материалы. При этом разница в цене пленки часто отходит на второй план, поскольку удельная стоимость упаковки или другой пленочной продукции по сравнению со стоимостью упаковываемой продукции, как правило, невысока. Специалисты просто хотят иметь конкурентоспособную продукцию.

Заметным стимулом к снижению разнотолщинности пленки послужил повсеместный переход переработчиков от покупки рулонов пленки по весу к покупке пленки по площади. В этих условиях разброс толщины ударяет по карману производителей в значительно большей степени, чем по карману переработчиков пленки.

Кажется очевидным, что во многих случаях качество пленки напрямую связано с ее толщиной. Однако эта зависимость далеко не прямая. Вопреки пословице, полимерная пленка далеко не всегда рвется там, где она тоньше.

Теоретическая прочность изделий гибкоцепных полимеров (например, полиэтилена) невысоки и составляют доли процента от теоретических значений. Так, прочность при разрыве неориентированного полиэтилена равна 20-30 МПа, ориентированного достинает 0,5..1,0 ГПа, что соответствует прочности стали того де сечения, а теоретическая прочность при разрыве полиэтилена составляет 15-20 ГПа (Научные и технологические основы получения высокопрочных и высокомодульных материалов из гибкоцепных полимеров: Сб. научн.тр./ Под ред. В.П.Будтова, Г.Д.Мясникова Л-.ОНПО Пластполимер, 1982. 140с.).Такой прочности удалось бы достичь, если удалось сориентировать все молекулярные цепочки полимера параллельно вектору нагрузки. Однако, поскольку на молекулярном уровне структура полимерной пленки напоминает не плетеную ткань, а войлок, прочность пленки определяется не прочностью нитей - молекулярных свяей, а прочностью сцепления молекул между собой.

В процессе получения полимерной пленки происходит частичная ориентация полимерных молекул вдоль линий, по которым происходит вытягивание материала. Однако время релаксации полиэтилена очень мало, поэтому необходимая ориентация быстро пропадает. И только перед затвердеванием охлаждаемой пленки, когда релаксация замедляется, материал запоминает направление вытягивания и упрочняется.

Особенности получения пленки таковы, что в самую последнюю очередь вытягиваются самые горячие участки пленки. Они оказываются самыми тонкими, но их удельная прочность и жесткость могут быть выше, чем у более толстых соседних участков. Этот феномен называется самоармированием.

Этот эффект можно наблюдать и в домашних условиях. Если взять кусочек полиэтиленовой пленки и аккуратно начать его растягивать, можно наблюдить фазовый переход пленки в более тонкую. Этот процесс удается повторять несколько раз. За счет ориентации прочность вытянутой пленки растет быстрее, чем уменьшается ее толщина.

Что из этого следует? А следует то, что изменение толщины пленки не в полной мере отражает изменение ее свойств. На приведенном рисунке это иллюстрируется двумя кривыми. Нижняя кривая соответствует толщине пленки, а верхняя - прочности пленки на разрыв в соответствующих точках.

Таким образом, пленка с отклонением толщины от заданного значения в пределах 3-4% имеет, как правило, значительно более высокую конкурентоспособность, чем пленка с отклонением толщины в 5-6%. Сегодня, в условиях высокой конкуренции, такой незначительный, совершенно незаметный неспециалисту рост разброса значений толщины приводит к тому, что из пленки с большим разбросом невозможно получить продукцию с качественным многоцветным рисунком и прочными сварными швами, а попытка ламинирования с использованием пленки с такой разнотолщинностью приводит к 100% браку.

Данный пример показывает, почему усилия производителей пленки направлены на повышение качества и стабильности свойств, в том числе такого важного свойства, как стабильность толщины.



ПРОИЗВОДИТЕЛЬ МОЖЕТ

Производитель пленки стремится обеспечить стабильно высокое качество поставляемой пленки. В тех случаях, где важна только прочность, этого можно добиться, оптимизируя толщину и состав пленки. Использование более дорогих материалов и увеличение толщины дают рост прочности. Однако в структуре производственных затрат при выпуске пленки примерно 80% расходов приходится на сырье. Запасы сырья за год многократно, иногда десятки раз, оборачивается, а экономия растет по экспоненциальному закону. Сырье сегодня в среднем стоит около 1 Евро за килограмм. Поэтому при ежемесячной потребности в сырье производителя средней руки в размере 200 т, уменьшении расхода сырья на 1% даст годовую экономию всего в 26 тыс. Евро, а уменьшение расхода на 10% даст эффект уже в 620 000 Евро!

По этим причинам производителю приходится балансировать на тонкой грани, выбирая между экономией и качеством. Эта эквилибристика вслепую приводит к потерям в виде брака или даже к потере репутации надежного поставщика качественной продукции. Таким образом, толщину пленки нужно измерять.



СРЕДНЯЯ ТЕМПЕРАТУРА ПО БОЛЬНИЦЕ

Измерение толщины основано на анализе сигналов, поступающих от датчиков, действие которых основано на различных физических принципах. Помимо редко сегодня применяемых механических толщиномеров, существуют толщиномеры, работа которых основана на измерениях отражаемого или поглощаемого пленками электронного-, гамма-, оптического излучения или времени распространения в пленках ультразвукового излучения. Наибольшее распространение сегодня получили измерительные системы основанные на измерениях диэлектрических потерь у пленочных материалов.

Однако, для оценки толщины важно выбрать не только подходящий принцип измерения, но и эффективную методику интерпретации полученных результатов. Проблема состоит в том, что измерять толщину пленки не так просто, как это кажется на первый взгляд.

Сечение пленки можно условно представить в следующем виде:

Если теперь замерить толщину и найти значения с максимальной и минимальной толщиной



то мы получим оценку разнотолщинности пленки R= (Rmax - R min)/2. Для высококачественной пленки со средней толщиной 100 микрон этот показатель может достигать значения 10 микрон или 10%. При оценке качества полимеров обычно пишут 100мкм +/-5%. По сути, это «средняя температура по больнице, которая, как известно, всегда равна 36.6 градуса». Нам же надо найти самого «больного» пациента. А вот это как раз не так то просто сделать. И вот почему.

Измерение толщины пленки, как и любое измерение, всегда производится с определенной погрешностью.



На практике используются различные физические принципы измерения толщины пленок. Толщину можно измерить механическим путем с помощь микрометра, либо путем измерения сигнала, прошедшего сквозь пленку или отраженного от нее.



        

  Механическое измерение                                     Измерение сигнала



Из вышеприведенных рисунков видно, что ни один из применяемых способов не дает точного значения измеряемой толщины. При этом, если измеренный сигнал усредняет значения толщины в пятне измерения, то механическое измерение в реальности измеряет значения “пиков”, игнорируя информацию о “впадинах” в пятне измерения.

К чему приведет погрешность измерения? Допустим, метод измерения не имеет достаточной степени разрешения.

Объект измерения

 

 

Образ объекта

 

 

 

На приведенном выше рисунке показано, как и чем образ, полученный в результате недостаточно точных измерений, отличается от оригинала. Очевидно, что важнейшая информация о микронеровностях поверхности при недостаточной точности измерения будет просто потеряна. К чему это приведет на практике? Приведет это к тому, что данные показатели придется измерять не во время, а после изготовления продукции. А для измерения таких показателей, как коэффициент трения, светопропускания, мутности, глянца, прочности, потребуется использовать дорогостоящее лабораторное исследование.

 

Повышение точности измерения теоретически позволяет решить эту проблему, хотя до практического воплощения дело может дойти нескоро. Но борьба за уменьшение площади пятна измерения имеет большое практическое значение и по другим соображениям, которые можно проиллюстрировать следующими примером.

 

На рисунках приведен схематический пример двух увеличенных образцов сечения пленки. Минимальные и максимальные значения толщины у обоих образцов совпадают, но затраты материала на изготовление указанных образцов будут совершенно разными. Парадоксально, но если оценивать разнотолщинность двух приведенных образцов по принятым в отрасли методам и стандартам измерения толщины пленок, то оба представленных на рисунках образца будут иметь одинаковую разнотолщинность!

Как видим, проблема заключается в методе оценки. Существующие методики определения разнотолщинности дают оценку максимума и минимума толщины стандартного образца, измеренного в заданных точках, чего недостаточно для оценки качества и стоимости производства. А как было показано ранее, именно качество пленки и стоимость ее производства интересует потребителя и производителя.

Определением и оценкой неровностей поверхности материалов человечество, по крайней мере та его часть, которая имеет отношение к производству и обработке материалов, занимается столетиями. Аналогичную инженерную задачу приходится, например, решать при оценке шероховатости поверхности металла.

Для измерения шероховатости профиля поверхности специальным прибором – профилометром. Полученные при анализе профиля численные значения оцениваются, например, по методам Ra, R или Rz.



По методу Ra находят среднее арифметическое значение скалярных величин замеренных отклонений от условной средней линии. По методу среднеквадратичных отклонений R наибольший вес при оценке приобретают максимальные значения. Наиболее часто применяется упрощенный, но наименее надежный метод Rz, по которому находят среднее суммы 5 максимумов и 5 минимумов. Все три метода покажут разные результаты оценки одного и того же профиля.

Современные методы измерения и численной обработки уже позволяют давать еще более точные оценки качества поверхности на основании анализа данных измеренного профиля.

Для оценки диапазона толщин в технике указываются допуски абсолютных размеров или класс точности, который определяет допустимое относительное отклонение заданной величины.

Сегодня, когда появилась возможность достаточно точно измерять данные о профилях толщины пленки, должны быть усовершенствованы и методы обработки информации. Прежде чем перейти к обсуждению этой стороны вопроса, рассмотрим применяемые и перспективные методы измерения толщины пленки.



КАК СЕГОДНЯ ИЗМЕРЯЮТ ТОЛЩИНУ

Основной метод, применяемый сегодня для оценки толщины пленки, основан на разной диэлектрической проницаемости воздуха и полимера. Емкость конденсатора с разомкнутыми пластинами изменяется в зависимости от толщины проходящей мимо пластин пленки, что может быть измерено.

Данный метод имеет много недостатков. Для точного измерения необходимо, чтобы датчик скользил по поверхности пленки без зазора, что затрудняет измерение данным способом пленок, содержащих ЭВА, металоценовые полиэтилены низкой плотности и другие современные материалы с высоким коэффициентом трения. На выставке Kunstoffmachienen-2004 впервые появились разработки фирм Octagon Process Technology GmbH и Micro-Epsilon Messtechnik GmbH на основе емкостных датчиков, которые позволяют измерять толщину полимерной пленки с точностью до долей микрона без непосредственного контакта с пленкой. Пока это очень дорогие решения.

 

Другие недостатки емкостного принципа измерения толщины заключаются в необходимости длительной калибровки датчиков и периодической рекалибровки в процессе работы, появление ошибок из-за изменения зазора, влажности или других случайных факторов, зависимости показаний при измерении толщины некоторых полимеров от температуры.

Этих недостатков лишены датчики, основанные на применении бета- или гамма-излучения. Применение подобных датчиков ограничено только соображениями безопасности, но этого вполне достаточно, чтобы свести преимущества данных методов к минимуму.

Достаточно перспективны термостабилизированные инфракрасные датчики, которые позволяют точно измерять толщину не только прозрачных, но и окрашенных пленок на основе полиолефинов.

 

Сегодня эти датчики все еще редко применяются из-за высокой цены, однако можно ожидать более широкого применения подобных датчиков в обозримом будущем.

 

Измерение толщины непосредственно в процессе производства пленки позволяет с минимальными потерями и отходами выйти на режим производства кондиционной продукции в процессе запуска и отладки технологии. Одновременно происходит документирование технологического процесса, что позволяет предотвратить попадание бракованной продукции к заказчику. На основе анализа массива данных о толщине получаемой пленки можно принимать обоснованные решения о снижении запаса толщины. Системы на основе инфракрасных датчиков поставляются, например, североамериканской фирмой NDC и стоят примерно 50 тыс.долларов США.

 

 

ПРОФИЛАКТИКА

 

Во-первых, следует отметить, что возникновение разнотолщинности полимерных пленок в процессе их производства обусловлено многими факторами. Причинами поперечной разнотолщинности могут быть несовершенство фильерной головки или неотрегулированность ширины щели по её периметру, несовершенство системы подачи и распределения воздуха для наружного и внутреннего охлаждения (если эта система по какой-то причине не обеспечивает равномерной по периметру подачи воздуха), нагары (продукты частичной термоокислительной деструкции экструдируемых полимеров) на кромках щели фильеры или в каналах фильеры вблизи выхода из щели, неоднородность по периметру температуры расплава, вытекающего из щели фильеры, которая может иметь место при возникновении неисправности в нагревателях фильеры и т.п.

 

Все причины можно разделить на две большие группы: случайные и постоянные.

 

Первая группа факторов потому так и называется, что вызвана совершенно непрогнозируемыми причинами, длительность действия которых не может быть ни коим образом предсказана.Например, относительно кратковременное искажение формы получаемого пленочного рукава под действием случайно возникшего перепада давления воздуха в рабочей зоне производства, что, естественно, приведет к возникновению разнотолщинности в пленке. Какой реакции в этом конкретном случае можно ожидать от комплексной системы контроля и регулирования разнотолщинности пленки? В лучшем случае пассивной, сводящейся лишь к отражению имевшегося факта. Активная реакция автоматизированной системы регулирования в рамках рассматриваемого случая по исправлению ситуации не может быть реализована по определению: система регулирования не может (не должна, во всяком случае) активно реагировать на прошедшее событие. В противном случае, она будет исправлять ситуацию, которой на самом деле уже давно нет, со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями.

 

Не рассматривая пока детально принципов регулирования разнотолщинности получаемых рукавных пленок и разнообразных технических решений для реализации такого регулирования, следует сделать вывод о том, что комплексные системы автоматизированного контроля и управления разнотолщинностью производимой полимерной пленки при реализации случайных причин возникновения этой разнотолщинности оказываются абсолютно бесполезными в том плане, что выполняют лишь функцию контроля толщины пленки без ее регулирования. Но эту функцию в оборудовании можно осуществлять с помощью более простых, а следовательно, и более дешевых систем, осуществляющих только контроль толщины пленки.

 

Теперь оценим эффективность использования комплексных систем автоматизированного контроля и управления разнотолщинности производимой полимерной пленки в случае постоянно действующих, регулярных факторов, вызывающих ее появление.

 

Для устранения регулярных факторов иногда достаточно их выявить и провести регулировку или замену несовершенной части оборудования. Делается это путем корелляционного анализа данных об изменения толщины. Начинается такой анализ с разложения профилограммы на гармоники по методу Фурье. Сквозняки и несимметричность щели круглой фильеры увеличивают весовой коэффициент первой гармоники, не влияя на гармоники более высокого порядка. Это легко объяснить – одностороннее охлаждение рукава приводит к увеличению толщины пленки с одной стороны. В результате на круговой диаграмме возникает один пик и один провал, который будет лучше всего виден при рассмотрении именно первой гармоники. А если, к-примеру, велико влияние гармоники 8 порядка, то надо искать постоянно действующий элемент конструкции с соответствующим числом факторов. Обычно выбирать не приходится. В данном примере это может быть спиральный распределитель, если он имеет 8 каналов, или 8-канальная система подвода охлаждающего воздуха.

 

Трудно не согласиться с мнением тех специалистов, которые утверждают, что как бы хорошо не был сконструирован формующий инструмент для производства рукавных пленок (кольцевые экструзионные головки) последние всегда будут иметь разнотолщинность.

 

Дальнейшая логика вполне понятна: хочешь снизить разнотолщинность - используй оборудование оснащенное комплексными системами автоматизированного контроля и управления толщиной производимой полимерной пленки. В этой, казалось бы, логичной цепочке опущен самый существенный момент: действительно разнотолщинность в получаемых рукавных пленках будет присутствовать, но нет никаких оснований утверждать, что нельзя целенаправленно сконструировать инструмент, который будет обеспечивать получение пленок с разнотолщинностью в рамках заданного параметра. В подтверждение этого рассмотрим конкретный пример.

Одной из основных постоянно действующих причин, приводящей к разнотолщинности пленок, является неравномерный по периметру расход расплава полимера на выходе из формующего кольцевого зазора экструзионной головки. Это обусловлено особенностями конструкции головки, а вернее, конструкцией такого ее элемента, который носит название спиральный раздатчик (распределитель). Функция этого конструктивного элемента состоит в том, чтобы обеспечить как можно более равномерное распределение потока поступающего расплава полимера из экструдера в головку по периметру ее кольцевой щели.

 

В зависимости от того насколько грамотно был реализован подход к его конструированию, и будет зависеть конечный результат, т. е. разнотолщинность получаемой пленки. В настоящее время практически все производители пленочного оборудования при его конструировании используют прикладные компьютерные программы, обеспечивающие моделирование процессов течения расплавов полимеров в каналах рабочих органов оборудования и формующего инструмента. Результаты такого моделирования и ложатся в основу дальнейшей разработки конструкции того или иного элемента, поскольку они позволяют оценить влияние свойств перерабатываемых материалов, геометрических характеристик рассматриваемых конструктивных элементов, расходных характеристик течения на качественные характеристики получаемого продукта.

 

Но адекватность результатов такого моделирования зависит от релевантности математических моделей, используемых в программных продуктах. Анализ существа этих моделей показывает, что в подавляющем большинстве случаев в них используются неадекватные реологические уравнения состояния перерабатываемых полимерных сред, что практически обесценивает получаемые результаты.

 

В качестве примера можно привести тот факт, что использование реологического уравнения состояния в виде степенного закона приводит к погрешностям, измеряемым десятками процентов. Естественно, что использование результатов моделирования на базе таких представлений о реологическом поведении полимерных сред не может дать удовлетворительного конечного результата, поскольку повлечет за собой ошибочное принятие решения на этапе конструирования. И наоборот, использование адекватных реологических уравнений состояния, учитывающих вязкоэластические свойства расплавов полимеров в условиях их нестационарного течения, приводит в конечном итоге к вполне приемлемым результатам.

 

На рисунках 1 и 2, для примера, приведены зависимости разнотолщинности полимерных пленок из ПЭНП, полученных при экструзии расплава полимера через головки со спиральными раздатчиками, сконструированными на базе различных представлений о реологическом поведении полимерной среды.

Рис. 1. Разнотолщинность пленки в поперечном сечении рукава

( спиральный раздатчик экструзионной головки сконструирован

с учетом только вязких характеристик

 

Разработкой и производством систем контроля толщины пленок занимаются такие специализированные фирмы, как Micro-EpsilonMesstechnik GmbH , Octagon Process Technology GmbHKundigPlast-ControlSolveTechTSM Control Systems, NDC.



Появляются все новые модификации систем, позволяющие управлять качество пленки на уровне микронов и долей микрона отклонения толщины от заданного значения. Возникает закономерный вопрос, чем оправдано и как окупается применение столь дорогостоящего оборудования?

ЛЕЧЕНИЕ

По методу регулирования разнотолщинности пленки все предлагаемые системы можно разделить на три группы: регулирование с помощью нагревателей, встраиваемых в зоне формующей кольцевой щели экструзионной головки; регулирование с помощью нагретого или охлажденного воздуха, а также скорости обтекающего рукав воздушного потока; комбинированное регулирование, включающее перечисленные выше методы.

 

Сегодня в большинстве случаев поперечная толщина регулируется локальным нагревом соответствующих секторов экструзионной головки в зоне формующей щели. Долгие годы монопольным владельцем патента на данную систему была немецкая фирма Windmoeller & Hoelscher, в связи с чем применение данного способа сдерживалось.

 

Несмотря на, казалось бы, разные подходы к решению рассматриваемой проблемы, все методы объединены общим принципом, заключающимся в целенаправленном изменении термомеханического (релаксационного) состояния полимера на конкретных участках формования пленки и в конкретных локальных зонах.

 

Как уже отмечалось выше, основной причиной, обусловливающей возникновение поперечной разнотолщинности пленок, является неравномерность расхода расплава полимера по периметру кольцевой формующей щели экструзионной головки. Эта неравномерность вызвана неоднородным полем перепадов давления, существующим в зоне спирального раздатчика экструзионной головки, которое не успевает выравниваться и в зоне ее формующей щели. Учитывая тот факт, что расход является не только функцией перепада давления, но и реологических параметров полимера (времени релаксации, эластического модуля сдвига), зависящих от температуры, можно попытаться использовать это обстоятельство: локально дополнительно нагревать те зоны формующей щели экструзионной головки, на которых толщина пленки, а следовательно и расход полимера больше (максимумы на кривой рис. 1). Этот принцип регулирования толщины пленки и заложен в соответствующий метод с использованием кассетных нагревателей. Теперь попробуем оценить эффективность данного технического решения.

 

Во-первых отметим, что существующие ограничения по локальности зоны нагрева (как правило, несколько миллиметров) не позволяют ощутимо поднимать температуру в этой зоне по отношению к средней температуре. В противном случае со временем произойдет искажение всего температурного поля, что непременно затронет и соседние участки (минимумы на кривой рис. 1), на которых этот эффект нежелателен. Следовательно, и это во-вторых, локальный перегрев в заданной зоне должен быть относительно небольшим, что в целом не позволяет эффективно (до необходимой степени) разогреть полимер, поскольку время его пребывания в зоне дополнительного нагрева очень мало. Более того, даже если бы и удалось решить проблему эффективного локального разогрева полимера в зоне формующей щели кольцевой экструзионной головки, то это все равно не будет приносить желаемого эффективного результата по регулированию толщины пленки, поскольку эластический модуль сдвига расплава полимера, определяющий его напряженное состояние, зависит от температуры линейно (и весьма слабо в регулируемом диапазоне температур), а напряжения с деформациями связаны нелинейной зависимостью. Таким образом, при заданном напряженном состоянии уменьшение модуля сдвига полимера за счет его разогрева, например, на 20% приведет лишь к тому, что толщина пленки уменьшится на 4,5%. Последнее означает, что возможности регулирования толщины пленки данным методом весьма ограничены. Таким образом, можно констатировать, что хотя принципиально данный метод и позволяет осуществлять регулирование толщины производимых пленок, но его практическая эффективность с учетом уже отмеченной стоимости таких автоматизированных систем регулирования весьма низка, особенно в случаях производства толстых пленок и пленок, раздуваемых из экструдируемых трубчатых заготовок с большим (более 20%) разбросом толщины. В качестве подтверждения этого вывода можно привести тот факт, что использование такой системы регулирования толщины пленки на оборудовании, экструзионная головка которого без регулирования толщины дает ее рассеяние в диапазоне +/- 12% ( рис. 1), практически снижает это рассеяние только до уровня +/- 8% и не достигает даже уровня того оборудования, на котором применяется рационально сконструированный формующий инструмент ( рис. 2), и которое практически не требует никакого регулирования. Отметим, что абсолютная разнотолщинность пленок, получаемых на самом современном оборудовании, может быть очень мала, от +/-3 до +/- 7%.

 

При реализации метода регулирования толщины пленки с помощью воздуха принцип остается тот же самый: локальное изменение термомеханического состояния полимера в необходимых зонах. Для этого экструзионная головка оснащается секторным воздушным кольцом, через отдельные отверстия которого подается холодный или нагретый воздух. За счет этого отдельные зоны пленочного рукава либо охлаждаются, либо дополнительно нагреваются, что ведет к изменению релаксационного состояния полимера в этих зонах. Последнее обстоятельство приводит соответственно к снижению или увеличению деформаций полимера в этих зонах при раздувании пленочного рукава, что и обеспечивает возможность регулирования толщины пленки.

 

По сути этот метод ничем не отличается от рассмотренного выше: лишь локальное тепловое воздействие на полимер перенесено из зоны формующего инструмента в зону формообразования (раздувания) пленочного рукава. Отсюда все те же ограничения по эффективной возможности метода при регулировании разнотолщинности пленки. Более того, следует обратить внимание на то обстоятельство, что этот метод регулирования толщины пленки имеет и еще одно весьма существенное ограничение. Суть проблемы в том, что напряженно-деформационное состояние раздуваемого пленочного рукава, являющегося по сути безмоментной оболочкой, описывается известным уравнением Лапласа, согласно которому геометрические параметры оболочки взаимосвязаны с ее напряженным состоянием и избыточным давлением в ее полости. Таким образом, даже локальные изменения напряженного состояния оболочки за счет изменения температуры полимера в многочисленных локальных зонах будут приводить к интегральному изменению ее геометрических размеров. Например, уменьшение толщины пленочного рукава будет приводить к увеличению его диаметра. Поскольку последний также имеет вполне определенные допуск, не превышающий, как правило, одного процента, то и возможность регулирования толщины пленки будет лежать в пределах того же порядка.

 

Изложенное выше показывает, что предлагаемые отдельными производителями технические методы решения проблемы разнотолщинности рукавных полимерных пленок за счет включения в оборудование дорогостоящих автоматизированных систем регулирования не всегда являются эффективными и требует проведения тщательного технико-экономического анализа.

 

РАЗНОТОЛЩИННОСТЬ БЫВАЕТ И ПРОДОЛЬНОЙ

 

Поперечная разнотолщинность сильно влияет на скорость и качество процессов переработки пленки, таких, как нанесение рисунка, сварка и ламинирование. Однако с точки зрения экономии сырья нет разницы между продольной и поперечной разнотолщинностью. При этом регулирование продольной разнотолщинности достигается более простыми способами.

 

Причинами продольной разнотолщинности может быть неравномерная во времени подача полимерного расплава из щели фильеры вследствие несовершенства экструзионных прессов, систем дозирования, колебаний температуры охлаждающего воздуха.

Для выявления продольной разнотолщинности датчик толщины можно закрепить в тракте экструзионно-выдувной машины стационарно, в то время как для определения разброса в поперечном направлении он должен перемещаться в поперечном к направлению движения полотна направлении (причем с максимально возможной скоростью).

 

Продольная регулировка достигается путем изменения подачи материала за счет управления оборотами главного привода или за счет уменьшения подачи сырья в загрузочный бункер с использованием автоматизированных систем дозирования.

 

По словам Марка Андерсона, менеджера продаж фирмы Plast-Control Inc. до 100% европейских производителей пленки имеют гравиметрические системы управления продольной разнотолщинностью, многие из них имеют также системы управления поперечной разнотолщинностью. Производители пленок в США отстают от европейцев примерно на 5 лет, имея такие системы в 30% и 5% случаев, соответственно.

 

Как показывает практика, любые мероприятия по управлению качеством пленочной продукции окупаются достаточно быстро. Период окупаемости составляет от 5-6 месяцев для систем управления продольной толщиной, до 2-3 лет при использовании систем поперечного регулирования в результате одной лишь экономии дорогостоящего сырья. Помимо этого, непрерывный контроль практически исключает производство некондиционной продукции, позволяет снизить влияние человеческого фактора, что дает дополнительный эффект, требующий индивидуальной оценки.

Использование систем контроля и управления качеством позволит продлить срок службы быстро морально стареющего оборудования 10-20-летней давности. Однако впереди нас ждет борьба за доли процента и доли микрона, которые превращаются в десятки процентов рентабельности производства. В этих условиях наибольшим уровнем конкурентоспособности будет обладать современное оборудование нового поколения, спроектированное с использованием совершенных методов расчета и оснащенное современными электронными системами управления качеством.

 

Бердышев Б.В., дтн, Смышляев А.Р., ктн

 

В работе использовались материалы интернет-изданий Арсенал Индестрии (www.engineering.ru) Plastcs Technology (www.plasticstechnology.com), Индустрия Полимеров (www.polymerindustry.ru)

@Mail.ru
Copyright 2005 - 2017 CONTROLPLAST