Points clés à retenir
- Le temps de refroidissement et de maintien est pris en compte pour 50 à 75 % du temps de cycle total, faisant de l’optimisation du refroidissement le levier ayant le plus d’impact sur la productivité du moulage par injection.
- Canaux droits conventionnels Ils échouent souvent à refroidir uniformément les géométries complexes, ce qui entraîne des points chauds, des temps de cycle plus longs et une mauvaise qualité des pièces.
- Canaux de refroidissement conformes Suivre les contours du moule, en positionnant le refroidissement plus près de la surface de la pièce pour une extraction de chaleur plus rapide et plus uniforme.
- DMLS (Frittage laser direct de métal) permet de réaliser les géométries de canaux complexes nécessaires au refroidissement conforme, ce qui est impossible par forage conventionnel.
- Les résultats prouvés incluent des réductions du temps de cycle de jusqu’à 40%, ainsi que des améliorations en matière de déformation, de finition de surface et de précision dimensionnelle.
- Refroidissement conforme complète la fabrication de moules existante et s’amortit généralement rapidement, mais nécessite une gestion rigoureuse de la qualité de l’eau et un entretien préventif pour fonctionner de manière fiable.
Grâce aux progrès de la fabrication additive, la production d’inserts métalliques complexes pour les canaux de refroidissement est devenue aisée. Le refroidissement conforme, un concept de conception en moulage par injection, vise à améliorer la qualité des pièces en plastique, à réduire la consommation d’énergie et les coûts de production.
Pourquoi le temps de refroidissement est important en moulage par injection
Arrière-plan
Le refroidissement et le maintien en température représentent ensemble environ 50 à 75 % du temps de cycle total en moulage par injection. Le refroidissement est une étape cruciale pour les moules d’injection plastique, car il influe à la fois sur le temps de cycle et sur la qualité de la pièce finale. Il existe des solutions pour optimiser le temps de refroidissement global, ce qui permettrait d’obtenir des avantages commerciaux directs grâce à une réduction du temps de cycle et à une meilleure qualité des composants.
Refroidissement du moule
Fondamentalement, le moule d’injection fonctionne comme un échangeur de chaleur. Lors du moulage par injection, toute la chaleur ou l’énergie thermique du plastique fondu est évacuée du moule par le fluide de refroidissement. La température du moule est primordiale car elle détermine la vitesse de transfert de chaleur. Des facteurs tels que :
- Conception du canal de refroidissement
- fluide de refroidissement
- Pression
- débit
jouer un rôle clé dans le maintien d’une température de moule constante et dans la mise en place d’un système de refroidissement efficace.
Limites des canaux de refroidissement conventionnels dans les moules d’injection
À l’intérieur du moule, des canaux de refroidissement classiques sont constitués de trous percés en lignes droites se croisant. Des bouchons et des chicanes sont ajoutés pour diriger le flux d’eau vers les zones à refroidir. Bien que ces canaux aient rempli leur fonction pendant de nombreuses années, ils nécessitent un temps de refroidissement et une consommation d’énergie (pression et débit d’eau) plus importants. Souvent, selon la conception de la pièce et de l’outillage, ces canaux sont inefficaces et ne parviennent pas à évacuer la chaleur, ce qui entraîne la formation de points chauds.
Qu’est-ce que le refroidissement conforme et comment fonctionne-t-il ?
However, with advancements in the injection moulding technology, moulders and designers have discovered the advantages in developing cooling channels that conform closely to the surface contours of the core or cavity inserts compared to conventional channels allowing cooling closer to the part surface, this design concept is known as Conformal cooling in IM technology. The effectiveness of this design concept helps in cooling rapidly and uniformly across the moulding surface resulting in better quality of plastic parts, shorter moulding cycle times, etc.
Considering the plastic component design, tool designer needs to evaluate the feasibility to incorporate the conformal cooling channel that require special inserts to be manufactured considering the design complexity and challenges faced with preventive maintenance.
Benefits of Conformal Cooling in Injection Moulds
Cycle Time Reduction and Productivity Gains
With this technology, the position and path of the cooling channels can be optimized with the desired cross-sectional size and shape. According to a study conducted by Stratasys, conformal cooling can reduce cycle time for Fliptop closures by upto 40% along with significant improvements in part quality.
Lesser cooling time equivalent to faster cycle time and utilize lesser energy and provide better quality components.
Improved Part Quality and Dimensional Stability
Here are few pointers with improvement in part quality:
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- Reduce Warpage and Distortion – by maintaining a uniform temperature distribution throughout the inserts.
- Improved Surface finish – by reducing the likelihood of hotspots or cold spots on the mold surface, which can result in a smoother, more consistent finish on the final plastic parts.
- Improved Dimensional accuracy – Conformally cooled metal inserts help reduce variations in part dimensions, resulting in plastic components with tighter tolerances and greater dimensional accuracy.
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Role of Additive Manufacturing (DMLS) in Conformal Cooling
Additive Manufacturing Technology for Conformal cooling
Industry has now widely adopted techniques of Direct metal laser sintering (DMLS), also called selective laser sintering, to manufacture these special conformal cooling channel inserts. DMLS is a type of metal Additive Manufacturing (AM) process. In this process, a laser-fusible metal powder is built up in layers to form the desired shape of cooling channels. This technique uses the same principle as Stereolithography (SLA), a process commonly used in AM technology that produces plastic prototypes using resin, while DMLS uses metal powder.
Close-up of a 3D printing process using Direct Metal Laser Sintering to fabricate a detailed metal mechanical part with advanced manufacturing technology.
With this technology, the position and path of the cooling channels can be optimized with the desired cross-sectional size and shape.
Real-World Application: Conformal Cooling Insert Case Example
Nous avons ici opté pour des inserts à refroidissement conforme, en remplacement des systèmes de refroidissement conventionnels, car nous rencontrions des problèmes de retrait et un temps de refroidissement considérablement plus long. Avec la conception classique, l’extraction de chaleur près du contour circulaire de l’acier était insuffisante en raison des contraintes d’espace. L’intégration d’un système de refroidissement conforme au niveau de l’insert de la grille nous a permis d’extraire la chaleur des points chauds et de réduire significativement le temps de refroidissement de 8 secondes.
Considérations relatives à la conception et à la maintenance des canaux de refroidissement conformes
Facteurs clés pour les inserts refroidis de manière conforme utilisant la technologie de fabrication additive
1. Options de matériaux
Dans l’industrie actuelle, le choix des nuances d’acier inoxydable disponibles pour la fabrication d’inserts refroidis de manière conforme par fabrication additive est limité. Cependant, les innovations en matière de matériaux ont permis de développer plus de 32 alliages différents compatibles avec le frittage laser. Ces alliages peuvent être utilisés dans les moules et les inserts, pour des productions en petites et grandes séries, sans compromettre la durée de vie des outils ni la période de garantie des outilleurs. Néanmoins, le mouleur doit prendre des précautions supplémentaires lors des opérations et de la maintenance.
2. Conception préliminaire
De nombreuses plateformes logicielles de conception, telles que Fusion 360, offrent une grande variété de fonctionnalités permettant de développer une conception régénérative avec un minimum de contraintes, adaptée aux applications concrètes. Ceci démontre la facilité de mise en œuvre de cette technologie, tant du point de vue de la conception que de la fabrication. Cette approche de conception régénérative peut être appliquée à nos moules d’injection afin d’épouser la forme d’une caractéristique particulière de la pièce en plastique. Ces conceptions organiques conceptuelles contribuent à évacuer la chaleur des zones critiques et à réduire ainsi le temps de refroidissement.
3. Dimensions du canal de refroidissement
Le tableau ci-dessous récapitule la gamme de tailles générales et les remarques basées sur notre expérience dans la réalisation de projets avec des canaux de refroidissement conventionnels et conformes.
Pour un fonctionnement optimal du canal de refroidissement conforme, le mouleur doit respecter des normes strictes de qualité d’eau. Une eau de bonne qualité se caractérise par une faible teneur en TDS (Total des Solides Dissous) et un pH inférieur à 8. De plus, le mouleur doit utiliser un système de filtration dédié aux moules d’injection à refroidissement conforme.
Les problèmes les plus fréquemment rencontrés sont des canalisations d’eau obstruées, même avec des systèmes de refroidissement conformes aux normes de qualité de l’eau mentionnées ci-dessus ; il est donc nécessaire de mettre en œuvre des opérations de nettoyage supplémentaires dans le cadre du programme de maintenance préventive.
Conclusion : Le refroidissement conforme vaut-il la peine d’être mis en œuvre ?
L’intégration du refroidissement conforme dans les moules d’injection par frittage laser ne remplace pas les procédés de fabrication existants, mais les complète en termes de coûts, de qualité et de délais. De nombreux exemples dans l’industrie du moulage par injection montrent que l’intégration réussie du refroidissement conforme grâce à la technologie DMLS a permis un retour sur investissement rapide et des économies supplémentaires grâce à la réduction des rebuts.
Efficient Innovations a mené à bien des projets intégrant des inserts refroidis de manière conforme en mettant en place des processus systématiques et en veillant au respect de tous les protocoles pertinents afin de minimiser les risques et d’améliorer les performances des actifs de nos clients.
FAQ
1. Qu’est-ce que le refroidissement conforme en moulage par injection ?
Le refroidissement conforme est une conception avancée de refroidissement de moules où les canaux de refroidissement épousent les contours de la cavité ou du noyau du moule. Contrairement aux canaux traditionnels à perçage droit, les canaux conformes sont profilés pour rester au plus près de la surface de la pièce, permettant une évacuation de la chaleur plus rapide et plus uniforme et améliorant ainsi les performances du moule.
2. En quoi le refroidissement conforme diffère-t-il des canaux de refroidissement conventionnels ?
Les canaux de refroidissement classiques sont percés en lignes droites et peinent souvent à refroidir uniformément les géométries complexes. Les canaux de refroidissement conformes, généralement fabriqués par impression 3D, épousent plus précisément la forme de la pièce, assurant une extraction de chaleur homogène et minimisant les points chauds dans le moule.
3. Pourquoi le refroidissement conforme est-il important pour les performances des moules d’injection ?
Le refroidissement représente une part importante du temps de cycle du moulage par injection. Le refroidissement conforme améliore le contrôle de la température à l’intérieur du moule, réduit les déséquilibres thermiques et accroît l’efficacité globale. Il en résulte des cycles plus courts, une consommation d’énergie réduite, une productivité accrue et une qualité de pièces plus homogène.
4. Comment le refroidissement conforme contribue-t-il à réduire le temps de cycle ?
En positionnant les canaux de refroidissement au plus près de la surface du moule et des points chauds, le refroidissement conforme accélère le transfert de chaleur du plastique fondu. Un refroidissement plus rapide et plus uniforme raccourcit la phase de refroidissement, ce qui réduit directement le temps de cycle global et augmente la productivité.
5. Quel est l’impact du refroidissement conforme sur la qualité des pièces et la précision dimensionnelle ?
Une répartition uniforme de la température réduit les déformations, les variations de retrait et les contraintes internes. Il en résulte une meilleure finition de surface, des tolérances dimensionnelles plus strictes et une plus grande homogénéité des pièces. Le refroidissement conforme permet aux fabricants d’obtenir des composants de qualité supérieure, avec moins de rebuts et moins de retouches.
6. Quels types de pièces moulées par injection bénéficient le plus du refroidissement conforme ?
Les pièces aux géométries complexes, aux sections épaisses, aux noyaux profonds ou aux formes circulaires bénéficient grandement du refroidissement conforme. Ces conceptions créent généralement des zones de chaleur irrégulières que le refroidissement conventionnel peine à gérer, ce qui rend le refroidissement conforme idéal pour les applications de précision et de haute performance.
7. Quel rôle joue la fabrication additive dans la technologie de refroidissement conforme ?
Les technologies de fabrication additive, telles que le frittage laser direct de métal (DMLS), permettent la création de canaux de refroidissement complexes épousant les contours, impossibles à réaliser par perçage conventionnel. Cette approche de fabrication permet aux concepteurs d’optimiser l’emplacement et la géométrie des canaux pour une efficacité thermique maximale.
8. Existe-t-il des défis ou des limitations associés au refroidissement conforme ?
Le refroidissement conforme exige une expertise pointue en conception, des capacités de fabrication additive et une sélection rigoureuse des matériaux. La maintenance, notamment la qualité de l’eau et la prévention du colmatage des canaux, doit également être assurée afin de garantir des performances et une fiabilité optimales sur le long terme.
9. Le refroidissement conforme peut-il être mis en œuvre dans les conceptions de moules d’injection existantes ?
Oui, le refroidissement conforme peut souvent être intégré en remplaçant certains inserts dans les moules existants. Cependant, sa faisabilité dépend de la conception de la pièce, de l’espace disponible et des contraintes budgétaires. Une évaluation technique détaillée est indispensable avant toute modernisation avec des solutions de refroidissement conforme.
