Wydajność pionowa w procesach LSR: Jak ENGEL insert skraca o połowę czasy cyklu i maksymalizuje jakość

Mobilność wodorowa jest uważana za kluczową technologię dla przyszłości neutralnej dla klimatu. Szczególnie ogniwo paliwowe, jako centralny element, stawia najwyższe wymagania przed techniką produkcji. Kluczowym procesem jest precyzyjne i niezawodne nakładanie uszczelek z płynnego silikonu (LSR) na wrażliwe warstwy dyfuzyjne gazu (GDL). Podczas targów K 2025 firma ENGEL wraz z ACH Solution zaprezentowała, które łączy maksymalną precyzję z wysoką ekonomicznością i wydajnością.

Ogniwo paliwowe to złożony system, w którym każdy element musi działać bezbłędnie i precyzyjnie. Kluczową rolę odgrywają warstwy dyfuzyjne gazu (membrany GDL): zapewniają one równomierny rozkład wodoru i tlenu na warstwie katalizatora, odprowadzają elektrony i kierują wodę powstałą w wyniku reakcji do odpowiedniego miejsca. Aby niezawodnie spełniać te zadania, membrany GDL muszą być wykonane w sposób absolutnie szczelny – bez uszkadzania ich delikatnej, porowatej struktury. Obtryskiwanie tych wrażliwych elementów cienką uszczelką z płynnego silikonu stawia najwyższe wymagania wobec produkcji i wymaga precyzyjnie zgranej współpracy wtryskarki, narzędzia i automatyki.

Membrany GDL są niezwykle delikatne i należy obchodzić się z nimi z najwyższą ostrożnością. Götz Scheibe, kierownik ds. sprzedaży w ACH Solution – firmie specjalizującej się w silikonowych formach wtryskowych i technologii dozowania – opisuje wymagania: „Wyzwanie zaczyna się już przy wyjmowaniu pojedynczych folii membranowych, które są dostarczane w stosach. Należy przy tym wyjąć dokładnie jeden element, nie uszkadzając przy tym sąsiednich membran ”. Po wyjęciu konieczne jest precyzyjne pozycjonowanie w narzędziu, co zazwyczaj odbywa się za pomocą stacji wstępnego centrowania z tolerancją ±0,1 mm.

W matrycy powierzchnia uszczelniająca musi być tak zaprojektowana, aby silikon nie przedostał się pod membranę GDL, a sama membrana GDL nie uległa uszkodzeniu pod wpływem siły zamykania. Najwyższe wymagania dotyczące precyzji dotyczą jednak grubości ścianki uszczelki: „Mówimy tu o jednolitej grubości ścianki wynoszącej ±0,01 mm przy długości elementu wynoszącej 550 mm” – wyjaśnia Scheibe. Ta dokładność ma kluczowe znaczenie, ponieważ w ogniwie paliwowym ułożonych jest jeden na drugim nawet 300 takich elementów uszczelniających. „Nawet najmniejsze odchylenia tolerancji sumowałyby się – stwarzając ryzyko naprężeń mechanicznych lub zakłóceń funkcjonalnych w stosie ogniw paliwowych”.

Wtryskarka ENGEL aby przenieść ten proces, w którym precyzja ma kluczowe znaczenie, do produkcji seryjnej i jednocześnie zrealizować go w sposób ekonomiczny, firma ENGEL opracowała wysoce zautomatyzowane rozwiązanie produkcyjne oparte na pionowych wtryskarkach z serii insert. Centralnym elementem rozwiązania zaprezentowanego na targach K 2025 jest insert- 150 rotary US o sile zamykania 1500 kN i zintegrowanym stole obrotowym. Koncepcja ta umożliwia równoległe przebiegi procesów: podczas gdy w jednej stacji narzędziowej formowana jest uszczelka, w drugiej stacji jednocześnie odbywa się wyjmowanie gotowego elementu i wkładanie kolejnej membrany GDL. Dzięki cyklowi trwającemu zaledwie 50 sekund można w ten sposób niemal podwoić wydajność produkcji.

Podobnie jak wszystkie wtryskarki bezramowe firmy ENGEL, seria wtryskarek pionowych typu insert charakteryzuje się nie tylko łatwym dostępem do formy, ale także bardzo równomiernym rozkładem siły zamykania na całej powierzchni mocowania. Franz Pressl, kierownik ds. zarządzania produktami w zakresie wtryskarek bezramowych i pionowych, wyjaśnia to w następujący sposób: „W pionowych wtryskarkach insert firmy ENGEL równoległość płyt jest zapewniona dzięki sprawdzonej technologii FlexLink, która automatycznie kompensuje rozciąganie ramy. Z drugiej strony mocne płyty mocujące przyczyniają się do bardzo równomiernego docisku formy. Zapewnia to niezwykle stałą grubość ścianek w przypadku tak dużych, a jednocześnie cienkich elementów”.

Konstrukcja pionowa oferuje jeszcze inne decydujące zalety dla tego zastosowania. Götz Scheibe wyjaśnia: „Konstrukcja pionowa optymalnie wykorzystuje siłę grawitacji. Dzięki temu nie powstają momenty obrotowe w bok, a formierka zamyka się wyłącznie w kierunku opadania. Oszczędza to prowadnice i przyczynia się do trwałej dokładności wymiarowej oraz stabilności procesu – to wyraźna przewaga nad maszynami poziomymi.” Ponadto koncepcja maszyn serii ENGEL insert jest wyjątkowo kompaktowa: szafa sterownicza jest zintegrowana z maszyną w pionie, co znacznie zmniejsza powierzchnię zajmowaną przez komórkę produkcyjną – jest to ważny aspekt przy projektowaniu ograniczonych powierzchni produkcyjnych. Zastosowana tutaj maszyna jest wyposażona w hydrauliczny zespół wtryskowy, napędzany energooszczędnym systemem napędowym ENGEL ecodrive. W firmie ENGEL nawet hydrauliczne zespoły wtryskowe mają już w standardzie tak wysoką dokładność, która umożliwia takie zastosowania.

Seria insert oferuje firmom zajmującym się formowaniem wtryskowym maksymalną elastyczność: dzięki szerokiej gamie możliwości kombinacji napędów elektrycznych i hydraulicznych każdą maszynę można skonfigurować indywidualnie i dostosować do konkretnego zastosowania.

Scheibe wyjaśnia koncepcję stołu obrotowego: „Zasadniczo to zastosowanie byłoby możliwe również bez stołu obrotowego. Jednak biorąc pod uwagę wymagane ilości, nie możemy sobie pozwolić na przestoje narzędzi. Połączenie pionowej wtryskarki i stołu obrotowego pozwala na równoległe wykorzystanie czasu wtrysku do manipulacji częściami – to zwiększa wydajność niemal dwukrotnie”.

O dokładne ukształtowanie filigranowej geometrii uszczelki dba innowacyjne narzędzie z dwoma gniazdami firmy ACH Solution. Wyposażone w ACH SERVOSHOT 2G, serwomotoryczne dysze z zamknięciem igłowym umożliwiają bardzo precyzyjne, indywidualnie sterowane wypełnianie gniazd. „Osiągamy dokładność regulacji rzędu dwóch tysięcznych milimetra” – podkreśla Götz Scheibe. Ten wysoki poziom precyzji ma kluczowe znaczenie dla uniknięcia niedopełnienia wnęk i powstawania zadziorów. Cały system jest w pełni zintegrowany ze sterownikiem CC300 maszyny ENGEL. Scheibe dostrzega w tym wyraźną zaletę: „Integracja ze sterownikiem ENGEL jest szczególnie wygodna. Dostosowania można wprowadzać równolegle do trwającego procesu lub zewnętrznie, bez przerywania produkcji”.

Integracja oferuje również wizualizację graficzną, na której od razu widać, jak precyzyjnie wyregulowane są poszczególne dysze. Kolejnym elementem zapewniającym stabilność procesu jest kanał zimny, precyzyjnie wyważony pod względem termicznym i reologicznym. Ułatwia to technikowi aplikacyjnemu szybki powrót do procesu po dłuższych przestojach. Scheibe wyjaśnia: „Nasz system SERVOSHOT umożliwia precyzyjną optymalizację linii łączenia. W ten sposób zapewniamy, że połączenie materiałów zawsze następuje dokładnie w przewidzianym miejscu – co jest podstawowym warunkiem stabilnych i powtarzalnych procesów”.

O dokładne dozowanie materiału LSR o niskiej lepkości – w tym przypadku ELASTOSIL® LR 3003/30 firmy WACKER – dba system ACH MAXIMIX 3G Pro. Jest on specjalnie zaprojektowany do małych mas wtrysku, takich jak w tym przypadku zaledwie 20,3 grama, a funkcja „ ” zapewnia precyzyjny stosunek mieszania oraz wysoką stabilność procesu. Również ten system jest w pełni zintegrowany ze sterownikiem CC300 firmy ENGEL.

Całą obsługę delikatnych membran GDL oraz gotowych elementów przejmuje w pełni zintegrowany z układem sterowania robot ENGEL easix przegubowy firmy. W pierwszym etapie pobiera on folie membranowe z systemu podającego i precyzyjnie ustawia je w przedniej stacji narzędziowej stołu obrotowego. Po obróceniu stołu o 180 stopni w tylnej stacji następuje proces wtrysku. W tym samym czasie robot pobiera z przodu gotowe elementy i umieszcza nowe folie membranowe. Ścisła synchronizacja między procesem wtrysku a ruchem robota za pośrednictwem centralnego sterownika CC300 zapewnia stabilny i precyzyjnie skoordynowany przebieg procesu.

Szczególnym wyzwaniem jest wyjmowanie obtryskiwanych membran z gorącej formy. „Jak wiadomo, silikon ma dużą przyczepność, a jego wytrzymałość na rozdarcie w podwyższonych temperaturach jest krytyczna”, wyjaśnia Götz Scheibe. „Cienka powłoka silikonowa w stanie gorącym bardzo łatwo ulega uszkodzeniu. Wymaga to indywidualnie dostosowanych strategii wyjmowania z formy”. Specjalne elementy wspomagające wyjmowanie z formy zapewniają, że delikatna uszczelka niezawodnie odrywa się od ścianki gniazda. Po wyjęciu, w oddzielnym etapie pracy, usuwa się nadlewki.

Cyfrowy system wspomagający iQ weight control aby zapewnić niezmiennie wysoką jakość elementów, stosowany jest z firmy ENGEL. Analizuje on krzywą ciśnienia wtrysku w czasie rzeczywistym i kompensuje wahania lepkości materiału w ramach tego samego cyklu. „System iQ weight control rozpoznaje różnice w lepkości w czasie rzeczywistym i automatycznie je kompensuje”, mówi Götz Scheibe. „Znacznie zwiększa to stabilność procesu, nawet jeśli w przypadku LSR nie jest wymagany docisk przeciwdziałający skurczowi części. Tym ważniejsze jest, aby objętość wtrysku pozostawała zawsze stała”. Rezultatem stałej objętości wtrysku jest stała waga elementu. Scheibe podkreśla: „Głównym celem jest stała waga wtrysku. Jest to kluczowy standard jakości, ponieważ waga elementu mówi wiele o jakości produktu.

System ten wykazuje swoje zalety zwłaszcza podczas zmian koloru, które w przypadku silikonu często wiążą się ze znacznymi zmianami lepkości. Scheibe wyjaśnia: „Zmiany koloru są w przypadku silikonu szczególnie krytyczne, ponieważ różne pigmentacje mogą mieć czasami duży wpływ na właściwości lepkościowe. System wspomagający iQ weight control kompensuje te wahania, zapewniając w ten sposób stałą jakość elementów”.

Po wyjęciu każdy element przechodzi przez zintegrowaną kontrolę kamerową. Kontroluje ona uszczelkę z LSR i zapewnia, że wnęka została całkowicie wypełniona, a uszczelka nie ma żadnych ubytków ani zadziorów. „W trakcie tego procesu jednocześnie odcinane są nadlewy – dodaje Scheibe. Połączenie precyzyjnej technologii narzędziowej firmy , inteligentnego sterowania procesem oraz zintegrowanej kontroli 100-procentowej zapewnia niezwykle stabilną i niezawodną produkcję.

Wybór płynnego silikonu jako materiału uszczelniającego nie jest przypadkowy. Materiał ten szczególnie dobrze sprawdza się w dziedzinie mobilności przyszłości. „Zwłaszcza w pojazdach elektrycznych z funkcją szybkiego ładowania osiągane są coraz wyższe temperatury. Silikon jest tu niezbędny ze względu na swoją wysoką odporność na temperaturę” – podsumowuje Götz Scheibe. Materiały silikonowe są coraz częściej stosowane również w układach chłodzenia i akumulatorach, ponieważ mają właściwości odprowadzające ciepło. Cechy te sprawiają, że LSR jest idealnym materiałem do wymagających zastosowań uszczelniających w elektromobilności i technologii ogniw paliwowych.

Komórka produkcyjna zrealizowana przez firmę ENGEL i jej partnerów została zaprojektowana z myślą o produkcji seryjnej i w imponujący sposób pokazuje, jak można połączyć najwyższą precyzję z krótkimi czasami cyklu. Instalacja jest przystosowana do wysokich wydajności – na jeden stos ogniw paliwowych potrzeba od 50 do 300 ogniw, dla których należy wyprodukować dwie warstwy GDL na każde ogniwo. Cała koncepcja ma na celu maksymalną wydajność produkcji i jak najniższe zużycie energii. Dzięki kompaktowej konstrukcji i pełnej integracji wszystkich komponentów – od maszyny, przez automatyzację i sterowanie narzędziami, aż po technikę dozowania – komórkę można bez problemu włączyć do istniejących linii produkcyjnych. ENGEL i ACH dostarczają idealnie dopasowane rozwiązanie systemowe, podkreślając tym samym swoje kompetencje w zakresie wymagających procesów wieloskładnikowych.

Zautomatyzowana produkcja uszczelek LSR na membranach GDL stanowi doskonały przykład tego, jak dzięki nowoczesnej technologii formowania wtryskowego można sprostać wyzwaniom związanym z mobilnością wodorową. Połączenie precyzyjnej maszyny pionowej, innowacyjnej technologii narzędzi i kanałów zimnych oraz płynnie zintegrowanej automatyzacji umożliwia stabilny, ekonomiczny i wysokiej jakości proces seryjny. Przedstawione rozwiązanie do obtryskiwania cienkich folii membranowych dokładnie umieszczoną uszczelką z LSR w ograniczonej przestrzeni jest szczególnie wydajne i można je bez problemu zintegrować z istniejącymi liniami produkcyjnymi. Takie rozwiązania są kluczem do przełomu w technologii ogniw paliwowych i uczynienia mobilności przyszłości bardziej zrównoważoną.