Jaké jsou klíčové konstrukční body chladicího systému vstřikovacích forem?

Chlazení představuje přibližně 50–70 % celkové doby vstřikovacího cyklu ve většině výrobních operací. Plnění trvá několik sekund; chlazení trvá mnohem déle. Je-li doba vašeho cyklu 30 sekund, je 15 až 21 z těchto sekund věnováno chlazení součásti na teplotu, při níž může být bezpečně vysunuta bez zkreslení.

Tento podíl dělá chlazení jedinou největší pákou pro zkrácení doby cyklu. 20% zlepšení účinnosti chlazení se přímo promítá do 10–14% zkrácení celkové doby cyklu -, což je významný nárůst produktivity, který se při vysokých objemech výroby výrazně zvyšuje.

Kromě doby cyklu jsou důsledky špatného chlazení významné. Nerovnoměrné chlazení vytváří teplotní gradienty v průběhu tuhnutí součásti. Protože se plast při ochlazování smršťuje, rychleji se ochlazující oblasti zmenšují dříve a ve větší míře, než to mohou kompenzovat oblasti, které jsou stále horké. Toto rozdílné smrštění je primárním mechanismem za deformacemi, propadovými stopami a defekty zbytkového napětí -, které vznikají ve fázi chlazení, i když nevypadají jako problémy s chlazením.

Studie z roku 2019 zveřejněná vJournal of Manufacturing Processeszjistili, že nerovnoměrné rozložení teploty formy bylo zodpovědné za deformaci přibližně v 67 % studovaných případů - více než kterákoli jiná jednotlivá konstrukční proměnná, včetně umístění vtoku a tlaku těsnění.

Průměr a rozteč kanálu

Průměr chladicích kanálů a jejich středy-do{1}}středů jsou výchozím bodem každého návrhu chladicího okruhu. Odvětvové směrnice doporučují:

Průměr kanálu: Typicky 8–12 mm pro standardní formy. Menší průměry (6–8 mm) vyhovují malým formám nebo těsně uzavřeným oblastem; větší průměry (12–16 mm) se objevují ve velkých průmyslových nebo automobilových formách.

Rozteč (vzdálenost od středu-k{1}}středu): Obecně 2–3násobek průměru kanálu. 10mm kanál by měl být typicky rozmístěn ve středech 20–30 mm.

Cílem těchto proporcí je přiměřeně rovnoměrný odvod tepla po povrchu dutiny. Když jsou kanály příliš rozmístěné, vznikají mezi nimi horká místa - oblasti, které zůstávají teplejší než okolní stěna dutiny a vytvářejí rozdílné gradienty chlazení, které způsobují deformaci.

Vzdálenost od chladicího kanálu k povrchu dutiny

Vzdálenost od osy chladicího kanálu k nejbližšímu povrchu dutiny řídí, jak efektivně proudí teplo z plastové části přes ocel do chladicí kapaliny. Standardní doporučení je, že tato vzdálenost by se měla rovnat přibližně 1–1,5násobku průměru kanálu.

U kanálu 10 mm by měl být povrch dutiny 10–15 mm od osy kanálu. Užší umístění zvyšuje rychlost ochlazování, ale snižuje strukturální integritu oceli mezi kanálem a dutinou; vzdálenější umístění snižuje účinnost chlazení a vytváří teplotní gradienty.

Tato rovnováha je zvláště důležitá vVstřikovací forma motorukonstrukce, kde složitá geometrie zubů ozubených kol a centrálního náboje vytváří oblasti vyžadující chlazení v různých vzdálenostech od povrchu jádra a dutiny.

Průtok chladicí kapaliny, turbulence a Reynoldsovo číslo

Toto je bod, který je nejčastěji přehlížen: nestačí správně umístit kanály - chladicí kapalina jimi musí proudit dostatečnou rychlostí, aby vytvořila turbulentní proudění.

Turbulentní proudění - charakterizované Reynoldsovým číslem vyšším než 4,000 - přenáší teplo přibližně třikrát až pětkrát účinněji než laminární proudění při stejném objemovém průtoku. Většina konstrukcí chladicích kanálů předpokládá turbulentní proudění, ale v praxi kanály, které jsou příliš dlouhé, příliš úzké nebo napájené poddimenzovaným přívodním potrubím, často pracují v režimech laminárního nebo přechodného proudění, což dramaticky snižuje jejich účinnost.

Každý chladicí okruh by měl být navržen s ohledem na celkový pokles tlaku a průtok. Omezovače průtoku, sériové versus paralelní konfigurace a dimenzování vstupního/výstupního potrubí ovlivňují to, zda kanály skutečně dosahují turbulence, kterou předpokládají výpočty přenosu tepla.

Rozdíl vstupní a výstupní teploty

Teplotní rozdíl mezi chladicí kapalinou na vstupu a výstupu z okruhu je přímým ukazatelem toho, kolik tepla se odebírá. Průmyslová praxe se zaměřuje na rozdíl 3–5 stupňů. Rozdíl výrazně nad touto hodnotou znamená, že se chladicí kapalina při průchodu okruhem příliš zahřívá - poslední části kanálu dodávají do formy znatelně teplejší chladicí kapalinu, což vytváří teplotní gradient podél dráhy toku, který se projevuje jako směrové deformace součásti.

Pokud rozdíl na vstupu-výstupu trvale překračuje 8–10 stupňů, zvyšte průtok nebo rozdělte okruh na kratší paralelní trasy.

Vstřikovací forma motoru

Ozubená kola představují specifickou výzvu pro chlazení: zuby ozubených kol jsou tenké, těsně rozmístěné prvky s velkým povrchem vzhledem k jejich objemu, zatímco části náboje a žebra jsou tlustší a déle udrží teplo. Pokud je chlazení aplikováno rovnoměrně, zuby se ochlazují mnohem rychleji než náboj -, což vytváří rozdílné smrštění, které narušuje rozteč zubů a průměr rozteče.

Dobře navržený-Vstřikovací forma motoruChladicí kanály na stranách jádra a dutiny jsou umístěny tak, aby agresivněji odváděly teplo z oblastí náboje a žebra, takže tyto tlustší části se ochlazují rychlostí, která se více shoduje s tenčími zuby. Toho je typicky dosaženo kombinací kanálů umístěných blízko oblasti náboje a přepážek nebo probublávaček nasměrovaných ke specifickým oblastem jádra.

Požadavky na rozměrovou toleranci pro funkční ozubená kola - obvykle ±0,02–0,05 mm na profilu zubu - činí rovnoměrnost chlazení kritickou způsobem, který čistě kosmetické díly nevyžadují.

Vstřikovací forma na myš

Kryty myší a podobná pouzdra spotřební elektroniky mají relativně tenké, jednotné stěny, ale přísné požadavky na povrchovou úpravu, které vytvářejí konkurenční požadavky na chlazení. Příliš agresivní chlazení může vytvořit povrch, na kterém jsou zřetelnější stopy toku. Nedostatečně rovnoměrné chlazení způsobuje rozdílné smrštění, které se projevuje jako propady na kosmetických površích, zejména na vnitřních žebrech a výstupcích.

V aVstřikovací forma na myš,strategie chlazení obvykle zahrnuje mírnou hustotu kanálů se zvláštní pozorností věnovanou oblastem přímo za kosmetickými povrchy, což zajišťuje, že se viditelný povrch A-ochlazuje stejnou rychlostí bez ohledu na to, co se za ním konstrukčně děje.

Plastové díly autíček

Součásti hraček obvykle používají ABS nebo PP o tloušťce stěny 1,5–3 mm, s několika tlustými -do{3}} tenkými přechody na úchytech kol, krytech náprav a ozdobných detailech karoserie. PP má nižší tepelnou vodivost než ABS a vyžaduje o něco delší dobu chlazení pro ekvivalentní tloušťky stěny.

VAutíčko Plastová vstřikovací formachladicí systém musí zvládnout tyto tlusté-do{1}}tenké přechody a zároveň zachovat doby cyklu potřebné pro nákladově-efektivní velkoobjemovou-výrobu. Běžným řešením jsou cílené přepážky na tlusté části.

Konformní chladicí kanály sledují obrys povrchu dutiny spíše než běží v přímých liniích. Jsou vyrobeny s použitím kovové aditivní výroby (3D tisk) vložky formy a dokážou zachovat konzistentní vzdálenost od povrchu dutiny i v oblastech, kde by přímé vrtání nebylo možné.

Údaje o výkonu jsou přesvědčivé:

Studie v roce 2020Polymeryzjistili, že konformní chlazení zkrátilo dobu cyklu v průměru o 20–40 % u součástí s komplexní geometrií a současně snížilo deformaci o 30–60 %.

Výzkum společnosti Society of Plastics Engineers (SPE) zdokumentoval případy, kdy konformní chlazení v komponentách s hlubokým tažením zkrátilo dobu cyklu až o 52 % a zároveň zlepšilo rozměrovou přesnost dostatečně, aby se vyloučily následné kontrolní kroky.

Výroba konformních chladicích vložek je však výrazně dražší - obvykle o 30–80 % vyšší náklady na nástroje pro chlazené sekce. Ekonomika závisí na objemu výroby, hodnotě doby cyklu a na tom, zda to geometrie součásti skutečně vyžaduje.

U většiny standardních výrobních forem dosahují dobře{0}}konvenční kanály s přepážkami a bublinkami vynikajících výsledků při ceně konvenčních nástrojů. Konformní chlazení je nejvíce opodstatněné u hlubokých-tažených, složitých-konturových dílů, kde přímé vrtání skutečně nemůže dosáhnout kritických oblastí.

Většinu vad souvisejících s chlazením ve výrobě-vysvětluje několik návrhů:

Nedostatečné pokrytí v tlustých částech: Každé žebro, výstupek a místní silná oblast potřebuje blízký chladicí kanál -, nejen obecné pokrytí oblasti dutiny.

Příliš dlouhé chladicí okruhy v sérii: Jediný okruh procházející mnoha sekcemi kanálů bude mít nadměrný nárůst teploty od vstupu k výstupu. Rozdělte dlouhé okruhy na paralelní kratší cesty.

Zanedbávání jádra: Chlazení na straně jádra-je často považováno za sekundární, ale u dílů s významnou geometrií jádra se jádro stává úzkým hrdlem. Jádra potřebují vlastní vyhrazené chlazení přes přepážky nebo spirálové kanály.

Asymetrické chlazení u symetrických dílů: Pokud má geometricky symetrický díl chlazení, které bylo přesměrováno kolem prvku pouze na jedné straně, výsledná tepelná asymetrie vytváří konzistentní zkreslení, které může vypadat jako problém materiálu nebo procesu.

TheInternational Journal of Advanced Manufacturing Technology(2021) zjistili, že simulací-řízená optimalizace rozvržení chladicích kanálů snížila deformaci v průměru o 43 % u dílů spotřebního zboží, přičemž nejvýraznější zlepšení byla u dílů s poměrem stran nad 5:1.

Polymerové inženýrství a věda(2020) zdokumentovali, že udržování Reynoldsova čísla chladicí kapaliny nad 8 000 zkrátilo dobu chlazení o 28 % ve srovnání se stejnými kanály pracujícími při laminárním proudění -, což potvrzuje praktický význam turbulentního proudění.

Srovnávací údaje SPE zjistily, že doba chlazení představuje průměrně 58 % celkové doby cyklu v rámci širokého průzkumu výrobních operací a že optimalizace chlazení je jedinou nejvyšší- investicí do inženýrství s nejvyšší návratností pro zkrácení doby cyklu u zavedených programů.

Evropský dodavatel automobilových komponentů měl problémy s rozměry u malého ozubeného kola motoru použitého v sestavě pohonu - konkrétně, nekonzistentní měření roztečného průměru způsobovalo hluk záběru ozubených kol ve finální montáži. Díl byl lisován v POM při tloušťce stěny náboje 2,8 mm a úseku zubu 1,4 mm.

Původní forma měla rovné -vyvrtané kanály umístěné symetricky kolem dutiny, bez zvláštního zřetele na rozdíl mezi tloušťkou zubu -k-náboji. Měření teploty formy potvrdilo, že část náboje běžela o 12 stupňů tepleji než části zubů při vyhazování.

Společnost Sunhingstones přepracovala-postranní chlazení jádra: centrální probublávačka ve špičce jádra odváděla teplo z oblasti náboje v kombinaci se dvěma přepážkami umístěnými v oblasti sítě. To snížilo teplotní rozdíl mezi nábojem a částmi zubu na 3 stupně.

Výsledky při zahájení výroby:

Kolísání průměru rozteče sníženo z ±0,04 mm na ±0,015 mm - v rámci tolerance požadované k eliminaci hluku sítě

Doba cyklu zkrácena o 8 % jako sekundární výhoda účinnějšího chlazení náboje

Míra odmítnutí rozměrů klesla z přibližně 4 % na méně než 0,5 %

Inženýr kvality zákazníka poznamenal, že přepracováním se vyřešil problém, který byl po tři měsíce nesprávně připisován variaci materiálu.

Návrh chladicího systému nelze po vyrobení formy efektivně dodatečně vybavit. Polohy kanálů, průměry a konfigurace obvodů jsou obráběny do nástrojové oceli a jejich následná změna je nákladná. Správné řešení vyžaduje, aby chlazení bylo od začátku procesu návrhu považováno za primární technické rozhodnutí.

Náš proces navrhování forem ve společnosti Sunhingstones zahrnuje simulační -řízenou analýzu chlazení pro všechny nástroje - od přesných aplikací vstřikovacích forem na ozubená kola až po velkoobjemová pouzdra spotřebních produktů. Před zahájením výroby dokumentujeme specifikace výkonu chladicího okruhu a ověřujeme je během zkoušek forem.

Kontaktujte nyní

Xu, X. a Sachs, E. "Přizpůsobení optimálních návrhů chladicích systémů pro výrobu konformních chladicích kanálů." Journal of Manufacturing Processes, svazek. 38, 2019.

Fernandez, A. a kol. "Experimentální a numerická analýza přenosu tepla v konformních chladicích kanálech pro vstřikovací formy." Polymery, svazek. 12, vydání 5, 2020.

Wang, Y. a kol. "Vliv uspořádání chladicího kanálu na deformaci a dobu cyklu při vstřikování." International Journal of Advanced Manufacturing Technology, svazek. 112, 2021.

Nian, SC a kol. "Zkoumání faktorů pokřivení vstřikování tenkostěnných-tvarů." Polymer Engineering and Science, svazek. 60, vydání 6, 2020.

Společnost plastických inženýrů (SPE). Srovnávací studie divize vstřikování - o složení doby cyklu. Technický list SPE, 2020.

Dang, XP "Obecné rámce pro optimalizaci parametrů procesu vstřikování plastů." Praxe a teorie simulačního modelování, svazek. 41, 2014.