Vertikální efektivita pro procesy s LSR: Jak ENGEL zkracuje cykly o polovinu a maximalizuje kvalitu

Mobilita na vodíkový pohon je považována za klíčovou technologii pro klimaticky neutrální budoucnost. Zejména palivové články jako ústřední prvek kladou nejvyšší nároky na výrobní techniku. Kritickým procesem je přesné a procesně spolehlivé nanášení těsnění z tekutého silikonu (LSR) na citlivé vrstvy pro difúzi plynu (GDL). Společnost ENGEL představila vstřikovací stroje které spojuje maximální přesnost s vysokou ekonomickou efektivitou a vysokým výkonem.

Palivový článek je komplexní systém, ve kterém musí každá součást fungovat bezchybně a přesně. Klíčovou roli hrají vrstvy pro difúzi plynu (GDL membrány): zajišťují rovnoměrné rozložení vodíku a kyslíku na katalytické vrstvě, odvádějí elektrony a cíleně odvádějí reakční vodu. Aby tyto úkoly spolehlivě plnily, musí být membrány GDL zpracovány absolutně těsně – aniž by došlo k poškození jejich jemné, porézní struktury. Obalování těchto citlivých komponent tenkou těsnicí vrstvou z tekutého silikonu klade nejvyšší nároky na výrobu a vyžaduje přesně sladěnou součinnost vstřikovacího stroje, nástroje a automatizace.

Membrány GDL jsou mimořádně citlivé a je třeba s nimi zacházet s nejvyšší opatrností. Götz Scheibe, obchodní manažer ve společnosti ACH Solution – specialistovi na silikonové vstřikovací formy a dávkovací techniku – popisuje požadavky: „Výzva začíná již při jednotlivém vyjímání membránových fólií, které jsou dodávány naskládané na sobě. Přitom je nutné odebrat přesně jeden kus, aniž by došlo k poškození sousedních membrán.“ Po vyjmutí je nutné přesné umístění do formy, k čemuž obvykle dochází prostřednictvím předcentrovací stanice s tolerancí ±0,1 mm.

V nástroji musí být těsnicí plocha navržena tak, aby se silikon nedostal pod membránu GDL a aby membrána GDL nebyla poškozena tlakem při uzavření. Nejvyšší požadavky na přesnost se však týkají tloušťky stěny těsnění: „Mluvíme zde o tloušťce stěny v celém průřezu ±0,01 mm při délce dílu 550 mm,“ vysvětluje Scheibe. Tato přesnost je rozhodující, protože v palivovém článku se na sebe skládá až 300 těchto těsnicích prvků. „I ty nejmenší odchylky v toleranci by se sčítaly – s rizikem mechanického napětí nebo funkčních poruch v palivovém článku.“

Aby bylo možné tento proces s kritickými požadavky na přesnost převést do sériové výroby a zároveň jej realizovat ekonomicky, navrhla společnost ENGEL vysoce automatizované výrobní řešení na bázi vertikálního vstřikovacího stroje řady insert. Ústředním prvkem řešení představeného na veletrhu K 2025 je 150 rotary US s uzavírací silou 1 500 kN a integrovaným otočným stolem. Tento koncept umožňuje paralelní procesy: zatímco se v jedné stanici nástroje vstřikuje těsnění, ve druhé stanici dochází současně k vyjmutí hotového dílu a vložení další membrány GDL. Díky cyklu trvajícímu pouhých 50 sekund lze tak téměř zdvojnásobit výstup dílů.

Stejně jako všechny bezslouposloupkové vstřikovací stroje společnosti ENGEL se i řada vertikálních strojů s vkládáním vyznačuje kromě dobré přístupnosti formy také velmi rovnoměrným rozložením uzavírací síly po celé upínací ploše. Franz Pressl, vedoucí produktového managementu pro bezsloupkové a vertikální stroje, to vysvětluje takto: „U vertikálních vstřikovacích lisstrojů insert od společnosti ENGEL je rovnoběžnost desek zajištěna osvědčenou technologií FlexLink, která automaticky kompenzuje roztažnost rámu. Na druhé straně silné upínací desky přispívají k velmi rovnoměrnému stlačení formy. To zajišťuje u tak velkých a zároveň tenkých dílů mimořádně konstantní tloušťku stěny.“

Vertikální konstrukce nabízí pro tuto aplikaci ještě další rozhodující výhody. Götz Scheibe vysvětluje: „Vertikální konstrukce optimálně využívá gravitaci. Tím nevznikají žádné boční točivé momenty, nástroj se uzavírá výhradně ve směru pádu. To šetří vedení a přispívá k trvalé rozměrové přesnosti a stabilitě procesu – což je jasná výhoda oproti horizontálním strojům.“ Kromě toho je koncepce strojů řady ENGEL insert obzvláště kompaktní: rozvaděč je vertikálně integrován do stroje, čímž se výrazně zmenšuje zástavbová plocha výrobní buňky – což je důležitý aspekt při navrhování omezených výrobních ploch. Zde použitý stroj je vybaven hydraulickým vstřikovacím agregátem, který je poháněn energeticky úsporným pohonným systémem ENGEL ecodrive. U strojů ENGEL disponují i hydraulické vstřikovací jednotky již ve standardní výbavě takovou přesností, která takové aplikace umožňuje.

Řada insert nabízí vstřikovací firmám maximální flexibilitu: díky široké škále kombinací elektrických a hydraulických pohonů lze každý stroj konfigurovat individuálně a specificky pro danou aplikaci.

K konceptu otočného stolu Scheibe vysvětluje: „V zásadě by bylo možné tuto aplikaci realizovat i bez otočného stolu. Vzhledem k požadovaným počtům kusů si však nemůžeme dovolit žádné prostoje nástrojů. Kombinace vertikálního vstřikovacího stroje a otočného stolu umožňuje využít dobu vstřikování paralelně k manipulaci s díly – to zvyšuje produktivitu téměř na dvojnásobek.“

O přesné tvarování filigránské geometrie těsnění se stará inovativní forma se dvěma dutinami od společnosti ACH Solution. Vybavená systémem ACH SERVOSHOT 2G umožňují servomotorické jehlové uzavírací trysky vysoce přesné a individuálně řízené plnění dutin. „Dosahujeme přesnosti nastavení na dvě tisíciny milimetru,“ zdůrazňuje Götz Scheibe. Tato vysoká míra přesnosti je rozhodující pro zamezení nedoplnění dutin a tvorby otřepů. Celý systém je plně integrován do řídicího systému CC300 stroje ENGEL. Scheibe v tom vidí jasnou výhodu: „Integrace do řídicího systému ENGEL je obzvláště pohodlná. Úpravy lze provádět souběžně s probíhajícím procesem nebo externě, aniž by došlo k přerušení výroby.“

Integrace nabízí také grafickou vizualizaci, na které je okamžitě vidět, jak jsou jednotlivé trysky jemně seřízeny. Dalším prvkem pro stabilitu procesu je tepelně a reologicky přesně vyvážený studený kanál. To usnadňuje aplikačnímu technikovi po delších prostojích rychlý návrat do procesu. Scheibe vysvětluje: „Náš systém SERVOSHOT umožňuje přesnou optimalizaci spojovacích švů. Tím zajišťujeme, že k spojení materiálu dochází vždy přesně na určeném místě – což je základní předpoklad pro stabilní a opakovatelné procesy.“

O přesné dávkování nízkoviskózního materiálu LSR – v tomto případě ELASTOSIL® LR 3003/30 od společnosti WACKER – se stará systém ACH MAXIMIX 3G Pro. Je speciálně navržen pro malé hmotnosti vstřiku, jako v tomto případě pouze 20,3 gramů, a zaručuje přesný poměr míchání a vysokou stabilitu procesu. I tento systém je plně integrován do řídicího systému CC300 od společnosti ENGEL.

Celou manipulaci s citlivými membránami GDL a hotovými díly zajišťuje robot ENGEL easix s kloubovým ramenem , který je plně integrován do řídicího systému. V prvním kroku odebírá membránové fólie z podávacího systému a přesně je umisťuje do přední stanice nástroje otočného stolu. Po otočení stolu o 180 stupňů proběhne v zadní stanici proces vstřikování. Současně robot vpředu vyjme hotové díly a vloží nové membránové fólie. Úzká synchronizace mezi procesem vstřikování a pohybem robota prostřednictvím centrálního řízení CC300 zajišťuje stabilní a přesně sladěný průběh.

Zvláštní výzvou je vyjímání obalových membrán z horké formy. „Silikon je známý svou silnou přilnavostí a při zvýšených teplotách je kritická jeho odolnost proti roztržení,“ vysvětluje Götz Scheibe. „Tenká silikonová vrstva se v horkém stavu velmi snadno poškodí. Zde jsou nutné individuálně přizpůsobené strategie vyhazování.“ Cílené vyhazovací pomůcky ve formě zajišťují, že se filigránní těsnění spolehlivě oddělí od stěny dutiny. Po vyjmutí se v samostatném pracovním kroku odstraní přebytky vtoku.

K zajištění trvale vysoké kvality dílů se používá digitální asistenční systém iQ weight control od společnosti ENGEL, který je součástí systému. Tento systém analyzuje křivku vstřikovacího tlaku v reálném čase a kompenzuje kolísání viskozity materiálu v rámci stejného cyklu. „Systém iQ weight control rozpoznává rozdíly viskozity v reálném čase a automaticky je vyrovnává,“ říká Götz Scheibe. „To výrazně zvyšuje stabilitu procesu, i když u LSR není zapotřebí žádná dodatečná síla proti smršťování dílů. O to důležitější je, aby objem vstřiku zůstal vždy konstantní.“ Výsledkem konstantního objemu vstřiku je stálá hmotnost dílu. Scheibe zdůrazňuje: „Primárním cílem je konstantní hmotnost vstřiku. Jedná se o rozhodující standard kvality, protože hmotnost dílu vypovídá mnoho o kvalitě výrobku.

Systém naplno prokazuje své přednosti zejména při změnách barvy, které jsou u silikonu často spojeny s někdy i značnými změnami viskozity. Scheibe vysvětluje: „Změny barvy jsou u silikonu obzvláště kritické, protože různé pigmentace mohou výrazně ovlivnit viskozitní vlastnosti. Asistenční systém iQ weight control tyto výkyvy vyrovnává a zajišťuje tak stálou kvalitu dílů.“

Po vyjmutí prochází každý díl integrovanou kamerovou kontrolou. Ta kontroluje LSR těsnění a zajišťuje, že dutina byla zcela vyplněna a těsnění nevykazuje žádné vady ani otřepy. „Při tomto procesu jsou současně odříznuty přebytky,“ doplňuje Scheibe. Kombinace přesné technologie nástrojů, inteligentního řízení procesu a integrované 100% kontroly vede k mimořádně stabilní a procesně spolehlivé výrobě.

Volba tekutého silikonu jako těsnicího materiálu není náhoda. Tento materiál naplno rozvíjí své přednosti zejména v oblasti mobility budoucnosti. „Zejména u elektromobilů s funkcí rychlého nabíjení se dosahuje stále vyšších teplot. Silikon je zde díky své vysoké teplotní odolnosti nepostradatelný,“ shrnuje Götz Scheibe. Silikonové materiály se stále častěji používají také v chladicích systémech a bateriích, protože mají vlastnosti odvádějící teplo. Tyto vlastnosti činí z LSR ideální materiál pro náročné těsnicí aplikace v elektromobilitě a technologii palivových článků.

Výrobní buňka realizovaná společností ENGEL a jejími partnery je navržena s ohledem na sériovou výrobu a působivě ukazuje, jak lze kombinovat nejvyšší přesnost s krátkými cykly. Zařízení je navrženo pro vysoké výkony – na jeden svazek palivových článků je potřeba 50 až 300 článků, pro které je třeba vyrobit dvě vrstvy GDL na jeden článek. Celý koncept je zaměřen na maximální efektivitu výroby a co nejnižší spotřebu energie. Díky kompaktní konstrukci a úplné integraci všech komponent – od stroje přes automatizaci a řízení nástrojů až po dávkovací techniku – lze buňku bez problémů začlenit do stávajících výrobních linek. Společnosti ENGEL a ACH dodávají perfektně sladěné systémové řešení a podtrhují tak svou kompetenci v oblasti náročných vícekomponentních procesů.

Automatizovaná výroba těsnění z LSR na membránách z GDL je příkladem toho, jak lze pomocí moderní technologie vstřikování plastů zvládnout výzvy spojené s vodíkovou mobilitou. Souhra vysoce přesného vertikálního stroje, inovativní technologie nástrojů a studených kanálů a hladce integrované automatizace umožňuje stabilní, ekonomický a vysoce kvalitní sériový proces. Představené řešení pro obalování tenkých membránových fólií přesně umístěným LSR těsněním na omezeném prostoru je obzvláště efektivní a lze jej bez problémů integrovat do stávajících výrobních linek. Taková řešení jsou klíčem k tomu, aby se technologie palivových článků prosadila a aby byla mobilita budoucnosti udržitelnější.