เครื่องฉีดพลาสติกไฮดรอลิก: ปั้มมาตรฐานกับปั้มเซอร์โวต่างกันยังไง?

Standard Hydraulic Machine VS Servo Drive Hydraulic IMM

ในอุตสาหกรรมพลาสติกการใช้พลังงานเป็นต้นทุนการผลิตที่สำคัญ และเครื่องฉีดพลาสติกเป็นหนึ่งในอุปกรณ์ที่มีการใช้พลังงานมาก การลดการใช้พลังงานของเครื่องฉีดพลาสติกได้กลายเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการลดต้นทุนของการฉีดขึ้นรูปและสร้างความสามารถในการแข่งขัน เครื่องฉีดได้มีการพัฒนามาอย่างต่อเนื่องเพื่อให้มีประสิทธิภาพและประหยัดพลังงานดียิ่งขึ้น

ผลการประหยัดพลังงานของระบบปั้มไฮดรอลิกที่ขับด้วยเซอร์โว สามารถประหยัดได้สูงสุดถึง 60%

ในยุคแรกเครื่องฉีดพลาสติกใช้ระบบไฮดรอลิกเต็มรูปแบบโดยมีมอเตอร์ความเร็วคงที่เป็นตัวขับเคลื่อนปั๊มน้ำมันไฮดรอลิก ( standard hydraulic machine) และมีการพัฒนาสู่ระบบการใช้เซอร์โวมอเตอร์ในการขับปั้มไฮดรอลิก ( servo drive system) และพัฒนาสู่ระบบไฟฟ้าเต็มรูปแบบ (fully electric system) ซึ่งใช้การขับเคลื่อนทุกระบบด้วยไฟฟ้า

 ในบทความนี้จะเป็นการเปรียบเทียบความแตกต่างของระบบ standard hydraulic machine กับ ระบบ servo drive system ซึ่งเป็นเครื่องฉีดที่ใช้ปั้มไฮดรอลิกเป็นตัวจ่ายกำลัง

รอบการทำงานของเครื่องฉีดพลาสติก (Cycle)

การทำงานในระหว่างรอบของการฉีดขึ้นรูปชิ้นงาน(Cycle) มีการเคลื่อนไหวพื้นฐานของแต่ละวงรอบประกอบด้วย 

1. การปิดล็อคแม่พิมพ์
2. แท่นหัวฉีดเดินหน้า
3. การฉีด
4. การรักษาความดัน
5. การหลอมละลายประจุพลาสติก
6. การหล่อเย็น
7. การเปิดแม่พิมพ์
8. การดีดปลดชิ้นงาน 

โดยในแต่ละขั้นตอนที่มีการเคลื่อนที่ของอุปกรณ์ จะมีการใช้พลังงานจากไฮดรอลิกที่มีค่าแรงดัน(pressure) และค่าอัตราการไหล(flow) ที่แตกต่างกันในการขับกลไกต่างๆ 

เครื่องฉีดพลาสติกระบบไฮดรอลิกมาตรฐาน(standard hydraulic machine)

เครื่องฉีดจะใช้มอเตอร์แบบความเร็วคงที่ร่วมกับปั๊มไฮดรอลิกแบบแปรผัน (variable-displacement pump) ที่มี Flow control valve ควบคุมอัตราการไหลและ Pressure control valve ควบคุมแรงดันของน้ำมันจากปั๊มให้ตรงกับความต้องการใช้งานของระบบไฮดรอลิกในขั้นตอนต่างๆ

โดยมอเตอร์ปั้มจะถูกเปิดทำงานด้วยความเร็วคงที่อยู่ตลอดเวลา แม้เครื่องฉีดไม่มีการเคลื่อนที่ใด(เช่นในช่วงการ cooling) ปั๊มจะยังคงทำงานอยู่แต่ไม่มีน้ำมันไหลออกไปที่อุปกรณ์ (สภาวะ idle) ทำให้สิ้นเปลืองพลังงานที่จ่ายให้กับมอเตอร์ตลอดเวลาในช่วงนี้

การปรับอัตราการไหลและแรงดันไฮดรอลิก ที่จําเป็นสำหรับเครื่องฉีดพลาสติกในขั้นตอนการทำงานต่างๆนั้นขึ้นอยู่กับการควบคุมวาล์วควบคุมอัตราการไหล(Flow control valve) และวาล์วควบคุมความดัน(Pressure control valve) ด้วยค่าแรงดันไฟฟ้า โดยอัตราการไหลและแรงดันไฮดรอลิกจะถูกปรับเทียบกับค่าแรงดันไฟฟ้าที่ได้กำหนดไว้ล่วงหน้า

ดังนั้นเมื่อเวลาผ่านไปหากค่าแรงดันไฟฟ้ามีการเปลี่ยนแปลง ทำให้อัตราการไหลและแรงดันไฮดรอลิกผิดไปจากเดิมได้

เครื่องฉีดไฮดรอลิกมาตรฐานสร้างความร้อนของน้ำมันที่มาจากการตัดเฉือนและแรงเสียดทานของน้ำมันในระหว่างการรอใช้งาน(Idle) ซึ่งส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการออกแบบและหลักการทํางานของปั๊มแบบแปรผัน (variable-displacement pump) ที่มอเตอร์ที่หมุนด้วยความเร็วคงที่ตลอดเวลา และการที่อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นทําให้การเสียดสีของวาล์วต่างๆรุนแรงขึ้น มอเตอร์มีเสียงดังและอายุการใช้งานสั้นลง

นอกจากนี้อัตราปริมาณน้ำมันของปั้มที่ใช้โดยทั่วไปจะสูงกว่าความต้องการที่แท้จริงของเครื่องจึงทําให้เกิดการสูญเสียพลังงานไฟฟ้าสูงขึ้น

ข้อเสีย

• สิ้นเปลืองพลังงานที่จ่ายให้กับมอเตอร์ตลอดเวลาแม้เครื่องฉีดไม่มีการเคลื่อนที่ใดๆ
• เมื่อเวลาผ่านไปหากค่าแรงดันไฟฟ้ามีการเปลี่ยนแปลง ทำให้อัตราการไหลและแรงดันไฮดรอลิกผิดไปจากเดิมได้
• การที่อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นทําให้การเสียดสีของวาล์วต่างๆรุนแรงขึ้น มอเตอร์มีเสียงดังและอายุการใช้งานสั้นลง
• การสูญเสียพลังงานไฟฟ้าที่สูงขึ้นเนื่องจากอัตราปริมาณน้ำมันของปั้มที่ใช้โดยทั่วไปจะสูงกว่าความต้องการที่แท้จริง

เครื่องฉีดแบบปั้มเซอร์โวมอเตอร์ ( servo drive system)

เครื่องฉีดไฮดรอลิกที่ปั้มขับเคลื่อนด้วยเซอร์โวมออเตอร์ เป็นเครื่องฉีดแบบ ไฮดรอลิกเต็มรูปแบบคล้ายกับเครื่องฉีดไฮดรอลิกมาตรฐาน โดยมีการเปลี่ยนจากการใช้มอเตอร์ความเร็วรอบคงที่ร่วมกับปั้มแบบแปรผัน(variable-displacement-pump) เป็นการใช้เซอร์โวมอเตอร์ซึ่งปรับความเร็วรอบและแรงบิดได้ร่วมกับปั๊มไฮดรอลิกแบบคงที่ (fixed-displacement-pump) แต่อาจมีการใช้ปั๊มไฮดรอลิกแบบแปรผัน (variable-displacement-pump) อยู่บ้าง

ปั้มที่ขับด้วยมอเตอร์เซอร์โวซึ่งสามารถควบคุมความเร็วและแรงบิดได้ จะสามารถให้เอาต์พุตของระบบไฮดรอลิกได้ตามความต้องขั้นตอนต่างๆ โดยอัตราการไหลจะขึ้นกับความเร็วของมอเตอร์และแรงดันน้ำมันขึ้นกับแรงบิดของมอเตอร์ และเมื่อไม่มีการทำงานของอุปกรณ์ใดๆ มอเตอร์จะหมุนช้าลงจนนิ่งได้ ซึ่งจะทำให้กำลังไฟฟ้าที่ใช้ขับมอเตอร์มีการปรับเปลี่ยนตามแรงดันและอัตราการไหลของไฮดรอลิก ทำให้เกิดการประหยัดพลังงานไฟฟ้า

นอกจากการลดการใช้พลังงานจากการปรับความเร็วรอบแล้ว ยังสามารถประหยัดพลังงานไฟฟ้าจากการสูญเสียค่าพาวเวอร์แฟกเตอร์ได้อีก โดยพาวเวอร์แฟกเตอร์ของมอเตอร์ปั๊มทั่วไปที่หมุนด้วยความเร็วคงที่มีค่าต่ำ อยู่ระหว่าง 0.6 ~ 0.8

หากใช้ระบบเซอร์โวมอเตอร์ซึ่งมีอุปกรณ์ควบคุมการทำงานของระบบไฟฟ้าของระบบเซอร์โว ค่าพาวเวอร์แฟกเตอร์จะได้รับการปรับปรุงให้สูงขึ้นกว่า 0.9 ซึ่งจะช่วยลดการสูญเสียพลังงาน

ปั้มแบบธรรมดาตอนสตาร์ทจะเป็นแบบตรง(Direct) หรือสตาร์ทแบบ Y / △ กระแสไฟฟ้าช่วงสตาร์ทจะสูงมากกว่า 3 เท่าของกระแสไฟฟ้าที่ทำงานปกติ ซึ่งจะส่งผลกระทบต่ออุปกรณ์มอเตอร์และพลังงานไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟ

หากใช้ระบบควบคุมการขับเคลื่อนด้วยเซอร์โวสามารถทําให้การสตาร์ทเริ่มต้นกระแสจากศูนย์(Soft start) และสามารถควบคุมให้ค่ากระแสสูงสุดไม่เกินค่าสูงสุดของกำลังไฟที่จ่ายได้ และค่าแรงดันของไฮดรอลิกจะไม่สูงเกินไป ซึ่งจะช่วยลดผลกระทบต่อแหล่งจ่ายไฟและยืดอายุการใช้งานของอุปกรณ์และแม่พิมพ์

ปั๊มที่ขับด้วยเซอร์โวมอเตอร์จะมีความร้อนที่เกิดในระบบไฮดรอลิกน้อยกว่าปั้มไฮดรอลิกมาตรฐาน น้ำมันจะไม่มีความเครียดมากทำให้การเสื่อมคุณภาพของน้ำมันช้ากว่าปั้มไฮดรอลิกมาตรฐาน แต่ว่าสิ่งนี้ขึ้นอยู่กับกระบวนการทำงานและปริมาณน้ำมันที่เคลื่อนที่ในระบบ

ในกรณีที่ต้องเปลี่ยนปั๊มไฮดรอลิกแบบปั๊มคงที่ (fixed-displacement pump) ไม่จําเป็นต้องมีการสอบเทียบ จะเร็วและง่ายต่อการเปลี่ยนมากกว่าการเปลี่ยนปั๊มแบบแปรผัน (variable-displacement pump) ปั๊มแบบคงที่มักจะมีราคาถูกกว่าปั๊มแบบแปรผัน แม้ว่าเซอร์โวมอเตอร์อาจมีราคาแพงกว่ามอเตอร์แบบความเร็วคงที่ ปั้มแบบเซอร์โวเต็มรูปแบบมักจะมีระดับความดังของเสียงที่ต่ำกว่าเครื่องไฮดรอลิกมาตรฐาน

ข้อดี

• สามารถประหยัดพลังงานไฟฟ้าจากการสูญเสียค่าพาวเวอร์แฟกเตอร์ได้
• ยืดอายุการใช้งานของอุปกรณ์และแม่พิมพ์เพราะสามารถควบคุมให้ค่ากระแสสูงสุดไม่เกินค่าสูงสุดของกำลังไฟที่จ่ายได้
• ปั๊มที่ขับด้วยเซอร์โวมอเตอร์จะมีความร้อนที่เกิดในระบบไฮดรอลิกน้อยกว่า
• มีระดับความดังของเสียงที่ต่ำกว่าเครื่องไฮดรอลิกมาตรฐาน

บทสรุป

เครื่องฉีดที่ปั๊มขับเคลื่อนด้วยเซอร์โว จะมีประสิทธิภาพการใช้พลังงานได้ดีกว่าเครื่องฉีดที่ขับด้วยมอเตอร์ความเร็วคงที่ระบบ เซอร์โวมอเตอร์บนเครื่องฉีดจะทํางานเฉพาะเมื่อระบบไฮดรอลิกต้องการอัตราการไหลของน้ำมัน ในช่วงเวลาที่ไม่มีส่วนใดทํางานจะไม่มีการทำงานของปั๊ม ดังนั้นจึงไม่มีการใช้พลังงานของปั๊ม

ทั้งนี้ปริมาณการประหยัดพลังงานขึ้นอยู่กับกระบวนการทำงานในวงรอบ การใช้งานเครื่องที่มีรอบการผลิตที่ทำงานรวดเร็วจะมีการประหยัดพลังงานเป็นเปอร์เซ็นต์ที่ต่ำกว่าการทำงานของเครื่องที่มีรอบการผลิตที่มีการทำงานนานกว่า(การหล่อเย็นนาน)

เนื่องจากเครื่องที่มีรอบการการผลิตที่เร็ว มอเตอร์ปั้มจะอยู่ในช่วง idle เป็นเวลาสั้นกว่าเครื่องที่มีรอบการผลิตนาน

ผลการประหยัดพลังงานของระบบปั้มไฮดรอลิกที่ขับด้วยเซอร์โว สามารถประหยัดได้สูงสุดถึง 60% และยิ่งไปกว่านั้นแรงดันของระบบไฮดรอลิกสามารถเริ่มอย่างรวดเร็ว การทํางานมีความน่าเชื่อถือและมีเสถียรภาพจากระบบการป้อนกลับของการควบคุมแรงดันไฮดรอลิกในระบบ