КАК ИЗМЕРИТЬ ДАВЛЕНИЕ В ЛАМИНАТОРЕ С ВИНТОВЫМ ПРИЖИМОМ

Почти одновременно с изобретением ПВХ для струйной печати, в 2001 году в КНР появились винтовые ламинаторы, которые произвели революцию в производстве пластиковых карт, сделав карточное производство бывшим прерогативою небольшого количества крупных фабрик, доступным для малого бизнеса.

Конструкция винтового пресса для спекания листов термопластичных полимеров. На чертеже показаны силы, действующие на прижимной винт. Fd - сила, прикладываемая к колесу при сжатии пластин, Fu, - сила прикладываемая при разжимании пластин. R –радиус колеса, r- радиус винта, Fp – сила, давления на плиту.

Для того, чтобы винтовой̆ пресс можно было использовать для обработки листов пластика он должен обладать свойством самоторможения, то есть после затягивания, винт не должен сам раскручивается под действием контрдавления, создаваемого силой̆ упругости пластика. Записав уравнения равновесия в системе винт-фланец, можно получить условие самоторможения пресса
k > α,
где k – коэффициент трения в винтовой паре, а α – угол наклона резьбы. В винтовых парах значения k лежат в диапазоне 0,07 - 0,25, в зависимости от марки стали и типа смазки. В продаваемых на российском рынке моделях прессов радиус винта r =15 мм, шаг резьбы s = 4 мм, то есть α составляет 0,044 радиана или 2,5 градуса, таким образом k > α, чем обеспечивается самоторможение пресса. Если бы коэффициент трения между винтом и фланцем был бы очень мал, или угол наклона резьбы велик, так, что условие k > α не соблюдалось, то после затягивания винта, в процессе ламинирования штурвал пришлось бы удерживать руками или фиксировать замком. При этом связь между силой Fd, прикладываемой к штурвалу при затягивании и силой давления на пластик Fp и выражалась бы простой формулой рычага
Fp= Fd* R/rα
Подставив в эту формулу параметры пресса R=0,135 м, r =0,015 м, и α=0,044, получим Fp= Fd*204.
То есть, при отсутствии трения, винтовая пара увеличивала бы прикладываемую к штурвалу силу в 200 раз. На практике, из-за необходимости соблюдения условия самоторможения в прессах используются винтовые пары с коэффициентом трения порядка 0,23.
Можно записать два уравнения условий вывода зажатого пресса из равновесия, когда его выводят из равновесия «дожимая» силой Fd, и «ослабляя» силой Fu, из которых следует, что при k=0,23

Fp= (Fd+Fu)/2 * R/rk=Fc*R/rk= Fc*40

То есть реально, из-за трения в винтовой паре, винтовая передача, преобразующая силу затягивания в силу давления, усиливает первую не в 200, а только примерно в 40 раз. А связь между средней силой затягивания Fc=(Fd+Fu)/2 в Кг с давлением Pd на лист формата А4 в MPa определятся по полуэмпирической формуле: P=0,006*Fc
На практике удобней пользоваться динамометрическим ключом, который имеет шкалу в Н*м, измеряя моменты Md и Mu, при этом силу давления мы получим соответственно в ньютонах.

Fp =Mc/rk,

где Mc – среднее значение момента сил Mc=R*(Fd+Fu)/2=(Md+Mu)/2

Таким образом, оператор после затягивания штурвала, с помощью динамометрического ключа может определить силу сжатия пластин и давление на пластике по двум значениям моментов сил Md и Mu.

При измерении давления таким способом, вспоминается принцип неопределённости Гейзенбе́рга, который говорит о том, что положение квантовой частицы невозможно определить, не изменив ее состояние в процессе измерения. То есть процедура измерения воздействует на объект, изменяя его состояние. Так и в нашем случае, для того, чтобы измерить давление в винтовом ламинаторе, находящемся в неком стационарном состоянии, необходимо вывести его из равновесия, измерив Mu и Md, немного уменьшив, а затем снова немного увеличив давление.

Винтовой ламинатор с динамометрическим ключом

Ниже показана экспериментальная зависимость давления на пластике P в МПа от времени цикла, полученная по описанной̆ выше методике при типичных значениях ламинирования закладки из 10 слоев: заданная максимальная температура 125 С, время выдержки 200 с, температура окончания цикла 30С. Сила давления Fp, и соответственно давление P=Fp/S, где S – площадь листов пластика в ламинационном цикле винтового пресс-ламинатора сначала увеличиваются за счет теплового удлинения винта и увеличения толщин нагревательных и ламинационных пластин, затем уменьшаются из-за растискивания ПВХ и охлаждения оснастки.

Изменение давления P и температуры T в типичном ламинационном цикле 30С - 125С- 30С при водяном охлаждении. Начальная сила закручивания Fd=70 Кг.

В гидравлических ламинаторах запекание офсетного пластика производят при давлениях на листе 0,5 – 1,5 MPa. В винтовом ламинаторе максимальное давление удалось получить на уровне 0,35 Mpa, которое выросло до 0,45 Mpа за счет теплового удлинения винта. Для струйного пластика с клеем этого давления похоже достаточно.

Ниже PDF версия статьи "Измерение давления в винтовом ламинаторе"

ЛАМИНАТОРЫ

Пресс ламинаторы подразделяются на два вида: двухсекционные ламинаторы с раздельными нагревом и охлаждением, в которых лотки с листами пластика после термокомпресии в секции нагрева, перемещается в секцию охлаждения, и на односекционные ламинаторы совмещенного типа, в которых нагрев и охлаждение производится в одной̆ секции в течение всего цикла.

Схема загрузки, перемещения и выгрузки закладок в ламинаторах с раздельным и совмещенным нагревом и охлаждением (показана зелеными стрелками).

Двухбашенные ламинаторы с раздельным нагревом и охлаждением. С ручным и автоматическим перемещением лотков из нагревательной башни в охлаждающую. https://youtu.be/Vn0YRhWZwpw

Двух-секционные однобашенные ламинаторы выбирают в качестве бюджетного варианта, они имеют 2-4 пары просветов, и давление в нагревательных и охлаждающих секциях у них одинаковое.

Двухсекционый однобашенный ламинатор с двумя парами просветов с раздельным нагревом и охлаждением, и односекционный ламинатор совмещенного типа с 5-ю просветами.

Ламинаторы совмещенного типа обеспечивают более стабильное качество ламинирования, особенно при производстве RFID инлеев и преламов с чип-модулями для бесконтактных карт. Кроме того, такие ламинаторы проще и надежнее в эксплуатации. При использовании ламинаторов с раздельным нагревом и охлаждением возможен брак, если оператор, по какой-либо причине не успеет вовремя переставить закладки из нагревательной секции в охлаждающую.

Для ламинирования некоторых видов материалов с неоднородной структурой используют ламинаторы с вакуумом, с целью удаления воздуха из пустот между слоями.

Для производства карт с магнитной полосой и карт с контактными чипами могут использоваться относительно простые и дешевые ламинаторы с аналоговым управлением, в которых давление задается поворотом стрелки на манометре с реле давления.

Ламинатор с аналоговым и цифровым управлением

Для бесконтактных RFID карт – используют оснащенные контактными дисплеями ламинаторы с цифровым управлением, позволяющие плавно, без удара смыкать пластины и производить нагрев пластика с инлеями при минимальном начальном давлении, чтобы не повредить контакты антенн с чип-модулями. https://youtu.be/Y7FERKqIRtU

Стабильность температуры в ламинаторе зависит от климатических условий в помещении. На воспроизводилось качества ламинирования и энергопотребление могут влиять сквозняки в цехе. По этой причине нагревательную башню, или ламинатор целиком, часто термостатируют.

В ламинаторах могут использоваться либо бюджетные нагревательные пластины из стали, либо более легкие из алюминиевого сплава с высокой теплопроводностью. Последние обеспечивают более равномерное распределение температуры по поверхности и меньшую разницу в давлении на пластик в нижних и верхних просветах башни.

В башнях ламинаторов с размером пластин до А3+ обычно используют один гидроцилиндр с диаметром штока порядка 110 - 220 мм, в ламинаторах формата А2 – четыре цилиндра по 110 мм.

Ламинаторы совмещенного типа используют плиты, имеющие как нагревательные элементы, так и трубки для водяного охлаждения или систему обдува для воздушного охлаждения. Для сжатия пластин в пресс-ламинаторах преимущественно используется гидравлический привод, выпускаются также ламинаторы с винтовым прижимом и прижимом с помощью электродвигателя через редуктор. https://youtu.be/lq-qd3favNY

ВЫРУБКА ПЛАСТИКОВЫХ КАРТ

Вырубщики с линейной подачей

На достаотчно крупных карточных производствах применяют вырубщики с сервоприводом, автоматически подающим лист в зазор между матрицей и пуансонами вырубного штампа, который за удар высекает из листа один ряд карт.