Dlaczego chłodzenie jest najważniejsze
Chłodzenie stanowi około 50–70% całkowitego czasu cyklu formowania wtryskowego w większości operacji produkcyjnych. Napełnianie zajmuje kilka sekund; chłodzenie trwa znacznie dłużej. Jeśli czas cyklu wynosi 30 sekund, od 15 do 21 z tych sekund jest przeznaczone na chłodzenie części do temperatury, w której można ją bezpiecznie wyrzucić bez zniekształceń.
Ta proporcja sprawia, że chłodzenie jest największą pojedynczą dźwignią skracającą czas cyklu. Poprawa wydajności chłodzenia o 20% przekłada się bezpośrednio na skrócenie całkowitego czasu cyklu o 10–14% -, co stanowi znaczący wzrost produktywności, który znacząco się zwiększa przy dużych wolumenach produkcji.
Poza czasem cyklu konsekwencje złego chłodzenia są znaczące. Nierównomierne chłodzenie powoduje powstawanie gradientów temperatury w części podczas jej krzepnięcia. Ponieważ tworzywo sztuczne kurczy się podczas chłodzenia, obszary, które schładzają się szybciej, kurczą się wcześniej i w większym stopniu, zanim obszary, które nadal są gorące, mogą to skompensować. Ten różnicowy skurcz jest głównym mechanizmem odpowiedzialnym za wypaczenia, zapadnięcia i defekty naprężenia szczątkowego -, które powstają na etapie chłodzenia, nawet jeśli nie wyglądają na problemy z chłodzeniem.
Badanie z 2019 roku opublikowane w czasopiśmie „Dziennik procesów produkcyjnychodkryli, że nierówny rozkład temperatury formy był odpowiedzialny za wypaczenia w około 67% badanych przypadków - częściej niż jakakolwiek inna pojedyncza zmienna projektowa, w tym położenie przewężki i ciśnienie uszczelnienia.
Podstawowe zasady projektowania kanałów chłodzących
Średnica kanału i podziałka
Średnica kanałów chłodzących i odstęp między ich środkami--są punktem wyjścia przy projektowaniu każdego obwodu chłodzącego. Wytyczne branżowe zalecają:
Średnica kanału: Zwykle 8–12 mm w przypadku standardowych form. Mniejsze średnice (6–8 mm) pasują do małych form lub ciasnych obszarów; większe średnice (12–16 mm) pojawiają się w dużych formach przemysłowych lub motoryzacyjnych.
Skok (odstęp od środka--od środka): zazwyczaj 2–3-krotność średnicy kanału. Kanał 10 mm powinien być zwykle rozmieszczony w odstępach 20–30 mm.
Celem tych proporcji jest w miarę równomierne odprowadzanie ciepła na powierzchni wnęki. Kiedy kanały są zbyt szeroko rozmieszczone, pomiędzy nimi tworzą się gorące punkty ({1}} obszary, które pozostają gorętsze niż otaczająca ściana wnęki i tworzą zróżnicowane gradienty chłodzenia, które powodują wypaczenia.
Odległość od kanału chłodzącego do powierzchni wnęki
Odległość od linii środkowej kanału chłodzącego do najbliższej powierzchni wnęki kontroluje efektywność przepływu ciepła z części z tworzywa sztucznego przez stal do chłodziwa. Standardowe zalecenie jest takie, że odległość ta powinna być równa około 1–1,5 średnicy kanału.
W przypadku kanału o średnicy 10 mm powierzchnia wnęki powinna znajdować się 10–15 mm od linii środkowej kanału. Bliższe umieszczenie zwiększa szybkość chłodzenia, ale zmniejsza integralność strukturalną stali pomiędzy kanałem a wnęką; dalsze umieszczenie zmniejsza wydajność chłodzenia i tworzy gradienty termiczne.
Ta równowaga jest szczególnie ważna wForma wtryskowa przekładni silnikakonstrukcje, w których złożona geometria zębów koła zębatego i piasty centralnej tworzy obszary wymagające chłodzenia w różnych odległościach od powierzchni rdzenia i wnęki.
Natężenie przepływu chłodziwa, turbulencja i liczba Reynoldsa
Jest to kwestia najczęściej pomijana: nie wystarczy prawidłowe ustawienie kanałów -, chłodziwo musi przez nie przepływać z wystarczającą prędkością, aby wytworzyć przepływ turbulentny.
Przepływ turbulentny - charakteryzujący się liczbą Reynoldsa powyżej 4,000 - przenosi ciepło około trzy do pięciu razy skuteczniej niż przepływ laminarny przy tym samym objętościowym natężeniu przepływu. Większość projektów kanałów chłodzących zakłada przepływ turbulentny, ale w praktyce kanały, które są zbyt długie, zbyt wąskie lub zasilane przez niewymiarowe przewody zasilające, często działają w warunkach przepływu laminarnego lub przejściowego, drastycznie zmniejszając ich skuteczność.
Każdy obwód chłodzenia powinien być zaprojektowany z uwzględnieniem całkowitego spadku ciśnienia i natężenia przepływu. Ograniczniki przepływu, konfiguracje szeregowe lub równoległe oraz wymiary kolektora wlotowego/wylotowego wpływają na to, czy kanały faktycznie osiągają turbulencje zakładane w obliczeniach wymiany ciepła.
Różnica temperatur na wlocie i wylocie
Różnica temperatur między czynnikiem chłodzącym wpływającym i opuszczającym obwód jest bezpośrednim wskaźnikiem ilości ciepła pobieranego. Praktyka branżowa zakłada różnicę 3–5 stopni. Różnica znacznie większa od tej oznacza, że płyn chłodzący przepływa przez obwód za bardzo się nagrzewa - końcowe sekcje kanału dostarczają do formy zauważalnie cieplejsze chłodziwo, tworząc gradient temperatury wzdłuż ścieżki przepływu, który objawia się kierunkowym wypaczeniem części.
Jeśli różnica na wlocie-wylocie stale przekracza 8–10 stopni, zwiększ natężenie przepływu lub podziel obwód na krótsze równoległe ścieżki.
Wyzwania związane z chłodzeniem w złożonych częściach
Forma wtryskowa przekładni silnika
Przekładnie stanowią szczególne wyzwanie w zakresie chłodzenia: zęby przekładni to cienkie, blisko siebie rozmieszczone elementy o dużej powierzchni w stosunku do ich objętości, podczas gdy piasta i sekcje środnika są grubsze i dłużej zatrzymują ciepło. Jeśli chłodzenie jest stosowane równomiernie, zęby schładzają się znacznie szybciej niż piasta -, powodując zróżnicowany skurcz, który zniekształca rozstaw zębów i średnicę podziałową.
W dobrze-zaprojektowanymForma wtryskowa przekładni silnikakanały chłodzące po stronie rdzenia i wnęki są rozmieszczone w taki sposób, aby agresywniej odprowadzać ciepło z obszarów piasty i środnika, dzięki czemu te grubsze sekcje schładzają się z szybkością bardziej zbliżoną do cieńszych zębów. Zwykle osiąga się to poprzez kombinację kanałów umieszczonych blisko obszaru piasty i przegród lub bełkotek skierowanych w stronę określonych obszarów rdzenia.
Wymagania dotyczące tolerancji wymiarowej funkcjonalnych kół zębatych -, zazwyczaj ± 0,02–0,05 mm na profilu zęba -, powodują, że równomierność chłodzenia ma kluczowe znaczenie w sposób, którego nie wymagają części czysto kosmetyczne.
Forma wtryskowa skorupy myszy
Obudowy myszy i podobne obudowy elektroniki użytkowej mają stosunkowo cienkie, jednolite ścianki, ale rygorystyczne wymagania dotyczące wykończenia powierzchni, które stwarzają konkurencyjne wymagania dotyczące chłodzenia. Zbyt agresywne chłodzenie może spowodować, że na powierzchni pojawią się wyraźniejsze ślady zapływania. Nierównomierne chłodzenie powoduje różnicowy skurcz, który objawia się opadaniem na powierzchniach kosmetycznych, szczególnie na wewnętrznych żebrach i występach.
wForma wtryskowa skorupy myszy,strategia chłodzenia zazwyczaj obejmuje umiarkowaną gęstość kanałów, ze szczególnym uwzględnieniem obszarów bezpośrednio za powierzchniami kosmetycznymi, dzięki czemu widoczna-powierzchnia schładza się ze stałą szybkością, niezależnie od tego, co strukturalnie dzieje się za nią.
Części plastikowe do samochodów zabawkowych
W elementach zabawek stosuje się zazwyczaj ABS lub PP o grubości ścianek 1,5–3 mm, z wieloma przejściami od grubych- do-cienkich przy mocowaniach kół, obudowach osi i ozdobnych detalach nadwozia. PP ma niższą przewodność cieplną niż ABS i wymaga nieco dłuższego czasu chłodzenia dla równoważnych grubości ścianek.
WForma wtryskowa z tworzywa sztucznego samochodu zabawkowegoprojektów, system chłodzenia musi zarządzać tymi grubymi--przejściami, zachowując przy tym czasy cykli niezbędne do-opłacalnej-produkcji wysokoseryjnej. Powszechnym rozwiązaniem są ukierunkowane przegrody w grubych przekrojach.
Chłodzenie konformalne a konwencjonalne-proste kanały wiercone
Konformalne kanały chłodzące dopasowują się do konturu powierzchni wnęki, a nie biegną po liniach prostych. Wyprodukowane przy użyciu wytwarzania przyrostowego metalu (druku 3D) wkładki formy, mogą utrzymywać stałą odległość od powierzchni wnęki nawet w obszarach, w których proste wiercenie byłoby niemożliwe.
Dane dotyczące wydajności są przekonujące:
Badanie z 2020 roku wPolimeryodkryli, że chłodzenie konforemne skraca czas cykli średnio o 20–40% w częściach o złożonej geometrii, jednocześnie zmniejszając wypaczenia o 30–60%.
Badania przeprowadzone przez Towarzystwo Inżynierów Tworzyw Sztucznych (SPE) udokumentowały przypadki, w których chłodzenie konformalne w-głęboko ciągnionych elementach skróciło czas cykli nawet o 52%, jednocześnie poprawiając dokładność wymiarową na tyle, aby wyeliminować dalszy etap kontroli.
Jednakże konforemne wkładki chłodzące są znacznie droższe w produkcji, - zazwyczaj o 30–80% wyższe koszty oprzyrządowania dla chłodzonych sekcji. Ekonomika zależy od wielkości produkcji, wartości czasu cyklu i tego, czy geometria części rzeczywiście tego wymaga.
W przypadku większości standardowych form produkcyjnych dobrze-zaprojektowane konwencjonalne kanały z przegrodami i bełkotkami pozwalają uzyskać doskonałe wyniki przy kosztach konwencjonalnego oprzyrządowania. Chłodzenie konforemne jest najbardziej uzasadnione w przypadku głęboko-wyciągniętych i skomplikowanych-części o konturach, gdzie wiercenie proste rzeczywiście nie może dotrzeć do obszarów krytycznych.
Typowe błędy w projektowaniu chłodzenia i sposoby ich unikania
Kilka decyzji projektowych odpowiada za większość-błędów produkcyjnych związanych z chłodzeniem:
Niewystarczające pokrycie w grubych przekrojach: każde żebro, piasta i lokalny gruby obszar wymagają pobliskiego kanału chłodzącego -, a nie tylko ogólnego pokrycia obszaru wnęki.
Obiegi chłodzenia połączone szeregowo: Pojedynczy obwód przebiegający przez wiele sekcji kanałów będzie charakteryzował się nadmiernym wzrostem temperatury od wlotu do wylotu. Podziel długie obwody na równoległe krótsze ścieżki.
Zaniedbywanie rdzenia: chłodzenie-po stronie rdzenia jest często traktowane jako drugorzędne, ale w przypadku części o dowolnej geometrii rdzenia rdzeń staje się wąskim gardłem. Rdzenie wymagają własnego, dedykowanego chłodzenia za pomocą przegród lub kanałów spiralnych.
Asymetryczne chłodzenie w symetrycznych częściach: Jeśli geometrycznie symetryczna część ma chłodzenie, które zostało przekierowane wokół elementu tylko z jednej strony, wynikająca z tego asymetria termiczna powoduje spójne odkształcenie wypaczenia, które może wyglądać na problem materiałowy lub procesowy.
Co pokazują badania
TheInternational Journal of zaawansowanej technologii produkcyjnej(2021) odkryli, że-optymalizacja układu kanałów chłodzących kierowana symulacją zmniejszyła wypaczenia średnio o 43% w przypadku części produktów konsumenckich, przy czym najbardziej znacząca poprawa nastąpiła w przypadku części o współczynniku kształtu powyżej 5:1.
Inżynieria i nauka polimerów(2020) udokumentowali, że utrzymanie liczby Reynoldsa chłodziwa powyżej 8000 skraca czas chłodzenia o 28% w porównaniu z tymi samymi kanałami pracującymi przy przepływie laminarnym -, potwierdzając praktyczne znaczenie przepływu turbulentnego.
Dane porównawcze SPE wykazały, że czas chłodzenia stanowi średnio 58% całkowitego czasu cyklu w szerokim badaniu operacji produkcyjnych, a optymalizacja chłodzenia jest pojedynczą-inwestycją inżynieryjną o najwyższym zwrocie, polegającą na skróceniu czasu cyklu w ustalonych programach.
Przeprojektowanie układu chłodzenia formy przekładni silnika
Europejski dostawca części samochodowych miał problemy z wymiarami małej przekładni silnika stosowanej w zespole siłownika, a konkretnie niespójne pomiary średnicy podziałowej, powodujące hałas zazębienia przekładni podczas końcowego montażu. Część została uformowana z POM o grubości ścianki piasty 2,8 mm i przekroju zęba 1,4 mm.
Oryginalna forma miała proste-wywiercone kanały rozmieszczone symetrycznie wokół wnęki, bez szczególnej uwagi na różnicę grubości piasty-w-zębie. Pomiary temperatury formy potwierdziły, że w chwili wypychania sekcja piasty była o 12 stopni cieplejsza niż sekcje zębów.
Firma Sunhingstones przeprojektowała chłodzenie-strony rdzenia: centralny bełkot w końcówce rdzenia pobierał ciepło z obszaru piasty w połączeniu z dwiema przegrodami umieszczonymi w obszarze wstęgi. Spowodowało to zmniejszenie różnicy temperatur pomiędzy piastą a sekcją zęba do 3 stopni.
Wyniki w momencie uruchomienia produkcji:
Zmniejszono zmienność średnicy podziałowej z ±0,04 mm do ±0,015 mm - w ramach tolerancji wymaganej do wyeliminowania szumu siatki
Czas cyklu skrócony o 8% jako dodatkowa korzyść wynikająca z bardziej efektywnego chłodzenia piasty
Współczynnik odrzuceń wymiarowych spadł z około 4% do poniżej 0,5%
Inżynier jakości klienta zauważył, że przeprojektowanie rozwiązało problem, który przez trzy miesiące był błędnie przypisywany zmianom materiałowym.
Najczęściej zadawane pytania
P: Skąd mam wiedzieć, czy projekt mojego układu chłodzenia jest odpowiedni przed cięciem stali?
Odp.: Symulacja przepływu formy (Moldex3D, Autodesk Moldflow lub odpowiednik) modeluje rozkład ciepła w gnieździe podczas chłodzenia i identyfikuje gorące punkty przed jakąkolwiek obróbką. Większość profesjonalnych zakładów produkujących formy wtryskowe przeprowadza analizę przepływu formy jako standardowy etap projektowania. Projekt chłodzenia oparty na symulacji-konsekwentnie zmniejsza-wskaźnik defektów już przy pierwszym podejściu w porównaniu z-z-kciukowym rozmieszczeniem kanałów.
P: Co powoduje zacieki nawet przy dobrze-wyglądającym pokryciu kanału chłodzącego?
Odp.: Ślady zapadnięcia się żeber i występów prawie zawsze powodują lokalny problem z chłodzeniem. - pokrycie kanałów na rysunku wygląda na odpowiednie, ale żaden kanał nie znajduje się wystarczająco blisko określonej grubej sekcji. Zewnętrzna powłoka twardnieje, podczas gdy wnętrze jest nadal płynne; wnętrze następnie kurczy się od skóry w miarę ochładzania. Poprawka polega na umieszczeniu kanału specjalnie w celu obsługi grubej sekcji, a nie tylko ogólnego pokrycia obszaru.
P: Czy mogę naprawić wypaczenia poprzez dostosowanie procesu, a nie zmianę formy?
O: Częściowo. Różnica temperatur formy przy użyciu-strefowych obiegów wody i optymalizacji ciśnienia docisku może zmniejszyć, ale rzadko eliminuje wypaczenia spowodowane złym układem kanałów chłodzących. Korekty procesu łagodzą objawy problemu związanego z projektowaniem układu chłodzenia, zamiast zajmować się jego przyczyną.
P: Jaka jest standardowa temperatura chłodziwa w formach wtryskowych?
Odp.: Temperatura płynu chłodzącego różni się w zależności od materiału. Typowe punkty początkowe: ABS 40–60 stopni, PP 20–40 stopni, POM 60–90 stopni, nylon 60–80 stopni, PC 80–100 stopni. Temperatura płynu chłodzącego wpływa na czas cyklu. - Niższe temperatury zazwyczaj umożliwiają krótszy czas chłodzenia, ale w niektórych zastosowaniach mogą mieć wpływ na wykończenie powierzchni.
P: Czy chłodzenie konformalne jest warte dodatkowych kosztów w przypadku formy-do produktów konsumenckich o dużej objętości?
Odp.: W przypadku części o skomplikowanych konturach, których nie można odpowiednio schłodzić konwencjonalnymi kanałami przy dużych nakładach produkcyjnych, chłodzenie konforemne zazwyczaj zwraca się poniesiony koszt dodatkowego oprzyrządowania w ciągu 3–12 miesięcy od produkcji. W przypadku prostszych geometrii, w których konwencjonalne kanały mogą zapewnić równomierne chłodzenie, dodatkowa inwestycja zwykle nie jest uzasadniona.
P: Jakie informacje powinienem przekazać fabryce form wtryskowych przy określaniu wymagań dotyczących chłodzenia?
Odp.: Docelowy czas cyklu, krytyczne tolerancje wymiarowe, wymagania dotyczące wykończenia powierzchni widocznych, materiał z arkuszem danych i roczna wielkość produkcji. Doświadczony producent form wtryskowych wykorzysta to do zaprojektowania układu chłodzenia dopasowanego do Twoich specyficznych wymagań i ekonomiki.
Uzyskaj chłodzenie już na etapie projektowania, a nie podczas debugowania
Projektu układu chłodzenia nie można skutecznie zmodernizować po zbudowaniu formy. Położenia kanałów, średnice i konfiguracje obwodów są obrabiane w stali narzędziowej, a ich zmiana po fakcie jest kosztowna. Prawidłowe wykonanie wymaga potraktowania chłodzenia jako podstawowej decyzji inżynierskiej już na początku procesu projektowania.
W firmie Sunhingstones nasz proces projektowania form obejmuje analizę-kierowaną symulacją chłodzenia wszystkich narzędzi -, od precyzyjnych form wtryskowych przekładni silnikowych po-obudowy produktów konsumenckich o dużej objętości. Dokumentujemy specyfikacje wydajności obwodu chłodzenia i sprawdzamy je podczas prób formy przed przystąpieniem do produkcji.
Referencje i dalsze czytanie
Xu, X. i Sachs, E. „Dostosowanie optymalnych projektów systemów chłodzenia do konformalnej produkcji kanałów chłodzących”. Journal of Manufacturing Processes, tom. 38, 2019.
Fernandez, A. i in. „Analiza eksperymentalna i numeryczna wymiany ciepła w kanałach chłodzenia konforemnego form wtryskowych.” Polimery, tom. 12, wydanie 5, 2020.
Wang, Y. i in. „Wpływ układu kanałów chłodzących na wypaczenia i czas cyklu wtryskowego.” International Journal of Advanced Manufacturing Technology, tom. 112, 2021.
Nian, SC i in. „Badania czynników wypaczenia w-formowaniu wtryskowym cienkościennym”. Inżynieria i nauka o polimerach, tom. 60, wydanie 6, 2020.
Towarzystwo Inżynierów Tworzyw Sztucznych (SPE). Dział Formowania Wtryskowego - Badanie porównawcze dotyczące składu w czasie cyklu. Dokument techniczny SPE, 2020.
Dang, XP „Ogólne ramy optymalizacji parametrów procesu formowania wtryskowego tworzyw sztucznych”. Praktyka i teoria modelowania symulacyjnego, tom. 41, 2014.
