О КОНСТРУКЦИИ ЩЕЛЕВОЙ ГОЛОВКИ

Плоскощелевая головка – узел сложный. Сложность его в том, что требуется обеспечить равномерную раздачу расплава на выходе, а для этого нужна высокая точность, жесткость и прочность оформляющих деталей и возможность управления (пусть в небольших пределах) потоком расплава. Рассмотрим типовую схему устройства головки (рис. 1).

Головка состоит из двух половин, оформляющих коллектор (BD на рис. 1), переходную зону и выходную щель (DE на рис. 1). Одна половина головки (на рисунке - нижняя) массивна, другая имеет паз, оформляющий губку, способную прогибаться под давлением расплава (вверх) или регулирующего болта (вниз). Определим основные силы, действующие внутри системы.

Давление расплава в коллекторе и щели создаёт усилие F отделения одной половины головки от другой. Давление примерно постоянно по объёму коллектора и переходной зоны и линейно снижается вдоль выходной щели в сторону выхода расплава. Усилие F равно давлению расплава, умноженному на площадь внутренней полости головки, приходящуюся на один крепёжный болт. Эта площадь равна произведению BE (несколько меньше из-за спада давления вдоль щели) на S (шаг крепёжных болтов вдоль коллектора).

Эта площадь равна произведению BE на длину (ширину) головки, деленную на число крепежных болтов n. Рассмотрим баланс сил в системе.

Рис. 1

Усилие F создаёт момент вращения относительно точки О (рис. 1). Усилию F противодействует усилие N на крепёжном болте, которое создаёт свой момент относительно точки О . Усилие Т на регулирующем болте не рассматривается, поскольку цепь сил замкнута внутри массива верхней половины головки. Радиус действия силы F относительно точки О равен ОС , где точка С расположена примерно на середине длины BE (пренебрегаем спадом давления вдоль щели). Радиус действия силы N относительно точки О равен ОА . Устойчивость системы определяется равенством моментов F х ОС = N х ОА. Это означает, что чем больше длина ВЕ , тем больше усилие N на крепёжном болте, и нарастание идёт очень быстро – возрастает и само усилие F (из-за увеличения площади действия давления), и радиус ОС . Распорные усилия в головке обычно весьма велики (давление обычно находится в пределах 100-200 ат) из-за большой вязкости перерабатываемых расплавов, а потому велик размер крепёжных болтов и толщина головки (возможен прогиб половин головки, как нагруженных консолей длиной ВЕ ). Понятен поэтому повышенный интерес к тому, можно ли уменьшить протяженность участка ВЕ. Естественно, радиус коллектора не уменьшить, т.к. он обеспечивает однородность раздачи расплава по щели (обычно – не хуже 5%), а вот возможность уменьшить участок можно обсудить.

Участок возникает из-за использования гибкой губки (см. рис. 1), которая обеспечивает подстройку зазора для уменьшения разнотолщинности формуемого полотна. Например, если рабочий зазор щели составляет 1 мм (при формовании плёнок) изменение зазора на 1% (10 мкм) приводит к изменению расхода расплава, т.е. толщины плёнки на 3%. Для подстройки профиля губки требуется локальный прогиб до 30-40 мкм. Регулировочный болт предназначен именно для такой подстройки. Кроме того, он страхует губку от чрезмерного прогиба под действием давления расплава. Однако, на практике всё не так безоблачно. Губка – не прямая балка, она имеет на конце выступ (он необходим как опора регулирующего болта) который уменьшает податливость губки в продольном направлении (чтобы избежать «ямочного» прогиба губки). Дополнительные осложнения вносит потребность в автоматизации управления разнотолщинностью. Для этого применяют т.н. «термоболты» – обогреваемые стержни, которые давят на губку в результате увеличения длины при нагреве. Чтобы обеспечить достаточное изменение зазора, их длина должна быть много больше, чем простых болтов. Поэтому их располагают под углом к плоскости формования, что дополнительно удлиняет участок . В итоге, конечно, все трудности разрешаются, но головка оказывается достаточно громоздкой, и прежде всего из-за длинной переходной зоны и связанных с ней внутренних нагрузок.

Предпочтительным кажется применение теплового регулирования расхода расплава вдоль щели взамен механического регулирования.

Рис. 2

На рис. 2 показана схема такой головки. Она значительно меньше по размеру благодаря отсутствию переходной зоны (коллектор почти сразу переходит в щель). Вдоль щели по ширине полотна выделены зоны обогрева Т1, Т2, Т3, … с индивидуальным регулированием. Для снижения взаимного температурного влияния зоны отделены друг от друга прорезями в металле, так что возникает нечто вроде клавиш. Эффективность теплового регулирования очень высока – например, в лабораторной головке шириной 300 мм изменение толщины плёнки, выходящей на участке клавиши, составляло до 5% от общей толщины пленки на каждый градус изменения ее локальной температуры.

Щелевая головка с тепловым регулированием много меньше по габаритам и сложности конструкции (а, следовательно, и по цене), чем головка с механическим регулированием, однако это не единственное её преимущество. Важно, что она много проще в управлении. При тепловом регулировании изменение температуры в одной из зон изменяет расход полимера в этой зоне, следовательно, это изменение расхода вызывает отклик – изменение расхода в других зонах (впрочем, этот отклик невелик, поскольку распределяется на всю ширину головки). Этот эффект присущ обеим конструкциям. Однако, при механическом регулировании локальное механическое воздействие сильнее откликается по всей длине губки. Дело в том, что губка – это многоопорная нагруженная балка и изменение её деформации в одном месте меняет весь расклад сил и деформаций по длине балки. Мало того, расклад этот непредсказуем (или труднопредсказуем), что чрезвычайно затрудняет и замедляет отладку процесса уменьшения разнотолщинности как в ручном, так и в автоматическом режиме.

Для иллюстрации изложенного ниже показаны две лабораторные головки – шириной 100 мм и шириной 300 мм (рис. 3 и рис. 4). Головка 100 мм не имеет температурного управления вдоль щели (только общий нагрев). Из рис.3 видно, насколько компактной можно сделать головку. Из рис.4 следует, что температурное регулирование также легко исполнимо и обеспечивает весьма небольшие размеры головки.

Рис. 3

Рис. 4