



Święcąca do niedawna triumfy obróbka strumieniowo-ścierna dziś powoli staje się przeżytkiem. Jej miejsce zajmują bardziej nowoczesne metody czyszczenia, takie jak czyszczenie suchym lodem czy ablacja laserowa. Co je łączy? Przede wszystkim niska inwazyjność i minimalny wpływ na środowisko.
Artykuł ukazał się nr 2/2021 „Plastime Magazine”
Już sama nazwa obróbki strumieniowo-ściernej zdradza jej największe wady: ze względu na użycie ścierniwa podawanego pod dużym ciśnieniem, a niekiedy wymieszanego dodatkowo z cieczą (wodą) czyszczenie tą metodą może negatywnie wpływać na strukturę obrabianego komponentu. Jest to zresztą jedna z cech, która powoduje, że piaskowanie chętnie stosowane jest w procesach przygotowania detali do dalszej obróbki (np. malowania). Usuwanie niedoskonałości powierzchni – istotne w wielu branżach – w przetwórstwie tworzyw sztucznych, a konkretnie: procesach czyszczenia komponentów maszyn do formowania wtryskowego i wytłaczania oraz samych form wtryskowych może mieć jednak katastrofalne skutki, uszkadzając strukturę komponentów i obniżając ich trwałość.
Podobnie zresztą rzecz się ma z alternatywnym wobec piaskowania sodowaniem: co prawda powszechnie uznaje się, że soda jest mniej szkodliwa zarówno dla ludzi, jak i dla środowiska naturalnego, a dodatkowo całkowicie rozpuszcza się w wodzie, ale swego rodzaju „eksplozja”, która towarzyszy uderzaniu cząsteczek sody o czyszczoną powierzchnię, również nie pozostaje dla niej obojętna. Dlatego w ostatnich latach na popularności – i to skokowo – zyskują alternatywne metody czyszczenia maszyn i form, które, choć określane jako nowoczesne, mają niekiedy za sobą kilka dekad rozwoju w cieniu bardziej popularnej obróbki strumieniowo-ściernej. O ich nowoczesności decyduje jednak coś innego: wszystkie są nieinwazyjne, ekologiczne, a co najważniejsze – nie wymagają demontażu elementów maszyny.
Granulaty czyszczące
Jednym z największych marzeń przetwórców polimerów jest bez wątpienia to, aby maszyny czyściły się same. Możliwość taką w pewnym sensie oferują granulaty czyszczące, czyli środki o działaniu mechanicznym lub mechaniczno-chemicznym, które – wprowadzane do układu plastyfikującego wtryskarki, wytłaczarki lub rozdmuchiwarki – pod wpływem wzrostu temperatury miękną, wychwytują i wiążą znajdujące się w układzie zanieczyszczenia. Metoda ta umożliwia szybkie usuwanie złogów węglowych, zdegradowanego tworzywa oraz pigmentów, dzięki czemu świetnie sprawdza się zarówno w przypadku potrzeby szybkiej zmiany koloru lub obrabianego tworzywa, jak i poprawy jakości detalu końcowego, w tym m.in. pozbycia się czarnych kropek i smug. Granulat można także zastosować przed dłuższym przestojem maszyny, aby zapobiec degradacji w jej wnętrzu pozostałości tworzywa.
Ogromną zaletą tej metody jest fakt, że nie wymaga ona specjalnego przygotowania ani samego granulatu, ani maszyny: produkt wprowadzany jest do układu plastyfikującego w takiej formie, w jakiej został dostarczony przez producenta i może pracować w tej samej temperaturze, w której przetwarzane było poprzednie tworzywo. Co więcej, nie wymaga przetrzymania w maszynie i nie wpływa na strukturę jej komponentów. Nie ma bowiem właściwości ściernych: w przypadku granulatu o działaniu mechanicznym za wychwytywanie zanieczyszczeń odpowiedzialne są siły adhezji powstające na skutek mięknięcia materiału. Z tego względu po powrocie do temperatury wyjściowej można go wykorzystać ponownie, co sprawia, że metoda ta jest wyjątkowo przyjazna środowisku.
Nieco inaczej sprawa się ma z granulatami uzupełnionymi o związki chemiczne, takimi jak Ultra Plast SP i SP+ szwajcarskiej firmy Ultra System. Środki te stosowane są do usuwania szczególnie trudnych zabrudzeń, w tym również z systemów gorących kanałów. Dobrze radzą sobie z pozostałościami niemal wszystkich polimerów, w tym przetwarzanych w temperaturach do 380°C. A dzięki rozszerzaniu się i tworzeniu struktury pianki wnikają dokładnie we wszystkie zakamarki układu. Nie mogą być jednak stosowane wielokrotnie.
Chemiczny charakter tego procesu nie powoduje jednak, że materiał jest mniej bezpieczny dla otoczenia. Granulat renomowanych producentów jest z reguły nietoksyczny, nie emituje szkodliwych gazów ani nieprzyjemnych zapachów, a w wielu przypadkach posiada także certyfikaty CE i FDA uprawniające go do kontaktu z żywnością.
Zasadniczo granulaty czyszczące klasyfikuje się na podstawie trzech kryteriów: rodzaju obsługiwanego procesu (wtrysk, wytłaczanie, rozdmuch, compounding), typu tworzywa, a także zakresu temperatur pracy. Na rynku dostępne są też specjalne granulaty do czyszczenia maszyn po obróbce tworzyw konstrukcyjnych i wysokotemperaturowych. Dlatego dobierając środek czyszczący, trzeba dokładnie zwrócić uwagę na jego przeznaczenie.
Czyszczenie suchym lodem
Jedynym chyba mankamentem granulatów czyszczących jest fakt, że poza wyjątkami (jak np. wspomniany Ultra Plast SP+) mogą być one wykorzystywane do czyszczenia układów plastyfikujących, ale nie samych form wtryskowych. W tym ostatnim przypadku lepiej sprawdzi się kolejna z nieinwazyjnych metod in situ, tj. czyszczenie suchym lodem.
Suchy lód to nic innego jak dwutlenek węgla w postaci stałej powstały przez rozprężenie fazy ciekłej w ciśnieniu atmosferycznym. W procesie tym część ciekłego CO2 przekształca się w gaz, a pozostała część – w ciało stałe, które następnie jest prasowane do postaci bloczków lub rozdrabniane do postaci granulek. Pellet taki cechuje się bardzo niską temperaturą (-78,5°C) – dużo niższą niż temperatura zamarzniętej wody, dzięki czemu, „wdmuchiwany” w czyszczoną powierzchnię, powoduje szok termiczny i rozrywanie połączeń między warstwą zanieczyszczeń a podłożem. Wysoka energia kinetyczna tego procesu sprawia, że średnia prędkość rozpylania suchego lodu wynosi 150 m/s, choć w niektórych przypadkach może sięgnąć nawet 300 m/s. Słowo „rozpylanie” nie zostało tu zresztą użyte przypadkowo: w momencie uderzenia o powierzchnię CO2 zmienia bowiem stan skupienia ze stałego na gazowy (sublimacja) z pominięciem fazy ciekłej, co odróżnia go od zamarzniętej wody. Rozpędzony gaz wnika w mikroszczeliny w zanieczyszczeniach i dosłownie porywa brud ze sobą. Dodatkowo w procesie sublimacji suchy lód ponad 800-krotnie zwiększa swoją objętość, tworząc strumień sprężonego gazu, co dodatkowo ułatwia odrywanie trudnych zanieczyszczeń.
Mimo że metoda ta niekiedy nazywana jest piaskowaniem suchym lodem, nie ma ona charakteru ściernego – strumień CO2 nie powoduje zmian w strukturze czyszczonych powierzchni, a tym samym można go stosować także do usuwania zabrudzeń z delikatnych materiałów. Co więcej, suchy lód jest bezbarwny, bezwonny i nietoksyczny, a czyszczone nim powierzchnie zyskują właściwości bakteriostatyczne, dzięki czemu są bardziej odporne na namnażanie się drobnoustrojów.
Jedną z ważniejszych zalet czyszczenia suchym lodem jest także mobilny charakter urządzeń wykorzystywanych w tym procesie, co sprawia, że metodą tą można czyścić narzędzia i maszyny na miejscu – i to bez stosowania wody, chemikaliów czy konieczności chłodzenia formy. Znacznie skraca to czas całej operacji i zachęca do jej regularnego powtarzania, co z kolei ma pozytywny wpływ na jakość finalnych detali i całe utrzymanie ruchu.
Pewnym cieniem na tym pozytywnym obrazie kładzie się fakt, że suchy lód może być przechowywany tylko przez krótki czas – ok. 12-16 godzin. Składowany zbyt długo, traci bowiem na twardości, co przekłada się na efektywność procesu czyszczenia. Znacznie zwiększa to koszty stosowania tej metody, zwłaszcza że maszyny do czyszczenia suchym lodem także nie należą do tanich. Korzystanie z nich wymaga też pewnej wprawy i stosowania odzieży ochronnej – kontakt z dwutlenkiem węgla o temperaturze blisko -80°C może bowiem skończyć się odmrożeniami. Z tego samego względu trzeba zachować ostrożność przy jego rozpylaniu na niewielkich przestrzeniach.
Na koniec warto wspomnieć jeszcze o kontrowersjach natury ekologicznej związanych z wykorzystywaniem CO2 – gazu, który obok pary wodnej należy do grupy tzw. głównych gazów cieplarnianych (odpowiadających za powstawanie efektu cieplarnianego). Ponieważ do uzyskania optymalnych efektów czyszczenia konieczne są duże ilości dwutlenku węgla, jego stosowanie nie jest do końca obojętne dla środowiska. Zwolennicy tej metody argumentują co prawda, że jest to gaz występujący naturalnie w otoczeniu. Nie zmienia to jednak faktu, że czyszczenie suchym lodem przyczynia się do wzrostu jego stężenia w atmosferze ziemskiej. Dlatego też niektórzy producenci stosują CO2 odzyskiwany z innych procesów przemysłowych lub wychwytywany z atmosfery.
Ablacja laserowa
Jeśliby uszeregować nieinwazyjne metody czyszczenia pod względem wieku, na czele rankingu znalazłoby się bez wątpienia czyszczenie laserowe. Ta młodziutka technika początkowo stosowana była do stacjonarnego czyszczenia komponentów w komorze urządzeń laserowych. Z czasem jednak trafiła do hal produkcyjnych, rewolucjonizując procesy usuwania zanieczyszczeń z maszyn i narzędzi obróbczych, w tym z wtryskarek, wytłaczarek, rozdmuchiwarek i form wtryskowych. W porównaniu z opisanymi wyżej metodami jest ona równie obojętna dla struktury czyszczonej powierzchni, ale jednocześnie znacznie bardziej elastyczna w aplikacji – choćby ze względu na fakt, że nie wymaga stosowania materiałów pomocniczych ani środków czyszczących. A dodatkowo przekonuje trwałością źródeł laserowych, stanowiąc jedną z najdroższych pod względem inwestycyjnym, ale jednocześnie najszybciej zwracających się metod czyszczenia.
W procesie ablacji laserowej wykorzystuje się lasery impulsowe, które generują impulsy o wysokiej mocy i zakresie długości fali niewidocznym dla czyszczonych powierzchni, ale bardzo dobrze absorbowanym przez zanieczyszczenia. W momencie kontaktu z brudem energia impulsu laserowego rozprasza się na jego powierzchni, powodując gwałtowny miejscowy wzrost temperatury, który inicjuje proces sublimacji lub odparowania zanieczyszczeń z detalu.
Ponieważ w zależności od składu zanieczyszczeń w procesie odparowywania mogą powstawać duże ilości oparów, producenci urządzeń do czyszczenia laserowego zalecają stosowanie dodatkowych urządzeń filtracyjnych separujących i odprowadzających powstające w tym procesie gazy. I to właśnie owe filtry są jedną z dwóch głównych części eksploatacyjnych podlegających tu okresowej wymianie. Drugą są zwykle soczewki lasera, które należy okresowo czyścić z osadów i zabrudzeń powstających podczas ablacji. Producenci są jednak i na to przygotowani: przykładowo firma Laserax oferuje specjalne soczewki Vortex zaprojektowane tak, by przeciwdziałać odkładaniu się na nich zanieczyszczeń.
Poza minimalnymi nakładami na serwis i konserwację czyszczenie laserowe ma jeszcze co najmniej dwie istotne zalety: pozwala na bardzo dokładną kontrolę procesu czyszczenia, łącznie z możliwością precyzyjnego dostosowania mocy impulsu, szybkości posuwu i toru wiązki do potrzeb danego procesu. Po drugie, w zależności od potrzeb użytkownika czyszczenie laserem może być realizowane ręcznie, częściowo automatycznie lub w pełni automatycznie. W pierwszym przypadku źródło i głowica laserowa zabudowane są w mobilnym urządzeniu na kółkach i wyposażone w specjalne ramię umożliwiające ręczne prowadzenie wiązki wzdłuż wybranej trajektorii. Z kolei w systemach w pełni zautomatyzowanych proces czyszczenia odbywa się bądź w zamkniętej komorze, co wymusza demontaż poszczególnych komponentów maszyny, bądź na linii produkcyjnej. Laser stanowi wówczas element linii zintegrowany z przenośnikiem, a elementem ruchomym są komponenty poruszające się po taśmie. Rozwiązanie to stosowane jest jednak głównie w procesach czyszczenia detali po obróbce.
Najmłodszą, a jednocześnie bardzo ciekawą propozycją jest połączenie elastyczności systemu manualnego z precyzją systemu automatycznego. W tym wariancie (np. w urządzeniu REP MLC 500 firmy Laselec dedykowanym przetwórcom gumy) komponenty mogą być czyszczone na miejscu – bez konieczności demontażu, ale za prowadzenie głowicy laserowej odpowiedzialny jest nie człowiek, lecz oprogramowanie, które ustala tor wiązki na podstawie pliku CAD czyszczonego detalu.
Która z technologii ma największe szanse na podbicie serc i umysłów przetwórców tworzyw? Wydaje się, że wiele zależy tu od aplikacji i zasobności portfela inwestora. Laser jako opcja najdroższa okaże się bowiem niezastąpiony tam, gdzie zasób komponentów wymagających regularnego czyszczenia jest szczególnie duży, a także w sektorach o najwyższych wymogach względem czystości – tak samego procesu czyszczenia, jak i produkowanych detali. Z kolei suchy lód jako metoda bardziej dostępna ma szansę znaleźć swoją niszę rynkową przede wszystkim w grupie małych i średnich przedsiębiorstw.
Plastime Magazine
Artykuł ukazał się w nr 2/2021 „Plastime Magazine”. Wszystkie wydania „Plastime Magazine” otrzymasz w prenumeracie: https://plastime.pl/prenumerata (już od 150 zł/rok!). Pełna wersja cyfrowa aktualnego wydania jest też dostępna w naszym bezpłatnym Polimerowym Przeglądzie Prasy – aby uzyskać dostęp, zapisz się: https://plastime.pl/biuletyn
Chcesz być na bieżąco? Zapisz się na nasz newsletter:
Podobne:
Brak powiązanych wpisów.