05. června 2019 08:38

Ve správný čas na správném místě – Tepelné tváření fólií prostřednictvím infračervených halogenových zářičů s inovativním algoritmem

Cíl ohřevu fólie při tepelném tváření se zdá jednoduchý – má být co nejrychlejší, přesně definovaný a celoplošný. Každý výrobce zařízení se s tímto úkolem vypořádává po svém.
FRIMO pro tento účel vyvinulo koncept zvaný Time Shifted Heat Control (= časově posunutá regulace ohřevu, dále také TSHC). Jeho základem je vlastní výpočtový algoritmus vycházející z několika desetiletí zkušeností s optimálním zpracováváním různých typů fólií.

Koncept TSHC se skládá z halogenových infračervených zářičů pracujících individuálně a efektivně. Jednotlivé zářiče je možné snadno a rychle vyměnit.

Při tepelném tváření je plošný polotovar nahřát zpravidla prostřednictvím infračervených systémů, kontaktního či konvenčního ohřevu, popř. kombinací výše uvedených, a následně vyformován pomocí vakua. Zatímco u běžných ohřevů dosahují relativně pomalé topné dlaždice teplot 400 °C a topná křemíková tělesa se spirálovým drátem do 600 °C, infračervené halogenové trubice s plynnou náplní se pohybují v oblasti 2 400 °C. Využívány jsou také pro své široké vlnové spektrum a rychlou reakci. Naproti tomu alternativní způsoby ohřevu jsou řízeny elektrickým příkonem. Jejich nevýhodou tak je, že je jím ovlivněno jejich vyzařovací spektrum i stupeň účinnosti.
Nejen z důvodu tlaku na efektivitu tvářecího procesu vyvinulo FRIMO Freilassing koncept ohřevu, které využívá halogenové zářiče na nejvyšší možnou úroveň a umožňuje přesné zacílení na daný materiál (obrázek 1). Označení Time Shifted Heat Control přitom již naznačuje, že mezi použité proměnné patří také čas sepnutí a doba ohřevu zářiče. Rozhodující je ale přitom vlastní výpočtový algoritmus. Jeho prostřednitvím jsou postupně aktivovány jednotlivé zářiče, a to při zohlednění součinnosti okolí, resp. přesahů jejich pole účinnosti.
Způsob provozu zářičů bez zohledňování jejich vzájemného ovlivňování a přesahu na principu „pokus – omyl“ by vykazoval větší či menší známky nepřesnosti a neefektivity. FRIMO proto vyvinulo algoritmus, který vypočítává vliv každého jednotlivého zářiče a posuzuje jej v kontextu celého okolí. Díky tomuto know­‑how jím vybavené stroje šetří energii, čas a také požadavky na plochu.

Další výhody ohřevu fólie pomocí TSHC
Výsledkem vývoje časově posunuté regulace ohřevu představuje FRIMO průmyslové řešení, které s sebou přináší řadu výhod. Obsluha zařízení může zadat cílovou hodnotu teploty fólie jednoduše ve stupních Celsia (obrázek 3). Naproti tomu u běžných systémů je zapotřebí zadat procentní hodnotu výkonu zářiče, přičemž požadovaná teplota nahřátí fólie je dosažitelná zpravidla až pomocí opakovaného dolaďování parametrů. U TSHC zprostředkovává algoritmus autonomně nejoptimálnější čas sepnutí i výkon každého jednotlivého zářiče. V případě potřeby je možné samozřejmě i nastavení různých teplot v různých oblastech plochy polotovaru. Systém zároveň disponuje zpětnou kontrolou, která upozorní na fyzikálně nedosažitelné teploty, či jejich nereálné přechody. Algoritmus bere v potaz dokonce i zpětný odraz tepla produkovaný upínacím rámem.
Díky této individuální regulaci jednotlivých zářičů během celého procesu ohřevu je docílena přesná reprodukce nastavených hodnot na ovládacím panelu do skutečné teploty fólie v celé její ploše (obrázky 2 a 4). Charakteristické vlastnosti rozdílných typů fólií jsou jednorázově automaticky načteny při testovacím chodu, uloženy a integrovány do algoritmu při všech dalších výrobních cyklech. Vedle použitého materiálu (TPO, PVC atd.) a tloušťky fólie hraje roli např. také barva či použitá plniva. Tento kalibrační chod může být v případě potřeby zopakován i při použití nových šarží daného typu fólie.

Obr. 1: Příklad tepelného tělesa vakuového lisu vybaveného TSHC

Obr. 2: Spínací sekvence za 1, 3 a 4,5 sekundy

Menší požadavky na plochu a vyšší flexibilita
Na konci ohřevné fáze jsou všechny zářiče naráz vypnuty a obratem začínají chladnout. Tím je zajištěno, že v případě případného zastavení cyklu není potřeba odklopit či odjet s celým tepelným tělesem mimo fólii – tak jak to bylo nezbytné dříve. Výsledkem je velká úspora plochy (půdorysu) zařízení.
V určitých aplikačních případech mohou být jednotlivé zářiče nastaveny tak, že je dosaženo různých teplot v různých oblastech plochy fólie. Smyslupné je to např. v případě nároků na různé protažení fólie v různých oblastech vyráběného dílu. Díky faktu, že zářiče chladnou bezprostředně po fázi ohřevu, je možný také různý teplotní obraz mezi jednotlivými zdvihy, např. při střídavé výrobě pravých a levých dílů. U jiných konvečních typů ohřevů (topných dlaždic či křemíkových zářičů) tato flexilita chybí.
Dodatečnou výhodu ve flexibilitě výroby nabízí nový systém díky případným proměnným časům cyklů. Při změněném taktu zařízení tak může čas ohřevu zůstat konstantní. U inline zařízení musely být dříve při zrychlení či zpomalení taktu upraveny odpovídajícím způsobem také parametry ohřevu. Díky TSHC je čas ohřevu jednoduše spuštěn v jiný moment, čímž může zůstat i při jiných taktech výroby nezměněn.

Obr. 3: Jednoduché zadání absolutní hodnoty teploty fólie ve stupních Celsia

Obr. 4: Příklad homogenní distribuce teploty po nahřátí fólie

Úspora energie a kratší čas cyklu
Rychle zapnuté resp. vypnuté zářiče nesnižují pouze riziko požáru. Díky vysokému stupni účinnosti, při kterém je využito maximální množství zářičů, je možné docílit redukce délky taktu i spotřeby energie až o 40 %. Zářiče nemusejí být před zahájením výrobního cyklu zdlouhavě nahřívány a během výroby či krátkých zarážek udržovány ve standby režimu, čímž nedochází ke zbytečnému zahřívání okolí. Díky optimální regulaci ohřevu dle vlastností polotovaru a odpadnutí zahřívací fáze, je možné výrábět dobré kusy hned od prvního cyklu.
Halogenové zářiče jsou dodávány jako standardizované „bezúdržbové“ moduly, což umožňuje jejich výměnu obsluhou zařízení v rámci sekund (titulní obrázek). Při výměně není zapotřebí žádné speciální kvalifikace, např. elektrikáře. Řídicí systém automaticky podává informaci na ovládacím panelu o případné nutnosti výměny určitého zářiče.

Shrnutí
Koncept TSHC výrazně zjednodušuje dosažení správné teploty na celé ploše fólie. Při zadání absolutní hodnoty teploty ve stupních Celsia propočítá výše uvedený algoritmus čas sepnutí i vypnutí každého jednotlivého zářiče. Přitom je zohledněn i vliv okolních zářičů a geometrie upínacího rámu. Tím vznikne cyklicky reprodukovaný teplotní obrazec.
TSHC bylo již mnohokrát aplikováno v sériové výrobě a dokladovatelně snižuje čas cyklu i nároky na spotřebu energie. Kromě toho je jednoduché na údržbu a snižuje nároky na plochu zařízení. Systém je možné dovybavit též do stávajících zařízení. TSHC je vhodné převážně pro náročné typy aplikací, typicky např. pro automobilové interiéry.

www.frimo.com