Kľúčové poznatky
- Zohľadňuje sa čas chladenia a výdrže 50 – 75 % celkového času cyklu, vďaka čomu je optimalizácia chladenia najvplyvnejším nástrojom na zvýšenie produktivity vstrekovania plastov.
- Konvenčné rovno vŕtané kanály často nedokážu rovnomerne ochladiť zložité geometrie, čo vedie k prehriatiu, dlhším časom cyklov a nízkej kvalite dielov.
- Konformné chladiace kanály kopírujú kontúry formy a umiestňujú chladenie bližšie k povrchu dielu pre rýchlejšie a rovnomernejšie odvádzanie tepla.
- DMLS (priame spekanie kovov laserom) umožňuje zložité geometrie kanálov potrebné pre konformné chladenie, ktoré sa nedá dosiahnuť konvenčným vŕtaním.
- Medzi overené výsledky patrí skrátenie doby cyklu až 40 %, spolu so zlepšeniami v deformácii, povrchovej úprave a rozmerovej presnosti.
- Konformné chladenie dopĺňa existujúcu výrobu foriem a zvyčajne sa rýchlo zaplatí – ale na spoľahlivú prevádzku si vyžaduje starostlivé riadenie kvality vody a preventívnu údržbu.
Vďaka pokroku v aditívnej výrobe sa výroba zložitých kovových vložiek chladiacich kanálov stala jednoduchou. Konformné chladenie je konštrukčný koncept v technológii vstrekovania plastov implementovaný s cieľom zlepšiť kvalitu plastových dielov, znížiť spotrebu energie a výrobné náklady.
Prečo je pri vstrekovaní plastov dôležitý čas chladenia
Pozadie
Chladenie a doba zotrvania spolu tvoria približne 50 – 75 % celkového času cyklu pri vstrekovaní plastov. Chladenie je kritický proces pre vstrekovacie formy na plasty, ktorý ovplyvňuje čas cyklu aj kvalitu konečného dielu. Existujú prijateľné spôsoby optimalizácie celkového času chladenia, čo by viedlo k priamemu komerčnému úžitku so skrátením celkového času cyklu a zlepšením kvality komponentov.
Chladenie formy
Vstrekovacia forma v podstate funguje ako jednotka prenosu tepla. Počas vstrekovania plastov sa všetko teplo alebo tepelná energia z plastovej taveniny odvádza z formy chladiacim médiom. Teplota formy je veľmi dôležitá, pretože riadi rýchlosť prenosu tepla. Medzi faktory patria:
- Návrh chladiaceho kanála
- Chladiaca kvapalina
- Tlak
- Prietok
zohrávajú kľúčovú úlohu pri udržiavaní konštantnej teploty formy a pri zabezpečovaní efektívneho chladiaceho systému.
Obmedzenia konvenčných chladiacich kanálov vo vstrekovacích formách
Vo vnútri formy sa nachádzajú štandardné konvenčné chladiace kanály, ktoré sú vytvorené vyvŕtaním otvorov v priamkach, ktoré sa navzájom pretínajú. Ďalšie zátky a prepážky sú pridané na usmernenie prúdenia vody tam, kde je potrebné chladenie. Hoci tieto konvenčné chladiace kanály slúžili svojmu účelu mnoho rokov, boli za cenu dlhšieho času chladenia a energie (tlak vody a prietok). V závislosti od konštrukcie súčiastky a konštrukcie nástroja sú tieto chladiace kanály často neefektívne a nedokážu odvádzať teplo, čo vedie k vzniku horúcich oblastí.
Čo je konformné chladenie a ako funguje
S pokrokom v technológii vstrekovania plastov však výrobcovia a konštruktéri objavili výhody vývoja chladiacich kanálov, ktoré sa v porovnaní s konvenčnými kanálmi presne prispôsobujú povrchovým kontúram jadra alebo dutinových vložiek, čo umožňuje chladenie bližšie k povrchu dielu. Táto konštrukčná koncepcia je v technológii vstrekovania vstrekovaním známa ako konformné chladenie. Účinnosť tejto konštrukčnej koncepcie pomáha pri rýchlom a rovnomernom chladení po celom povrchu dielu, čo vedie k lepšej kvalite plastových dielov, kratším časom lisovacích cyklov atď.
Vzhľadom na konštrukciu plastových komponentov musí konštruktér nástrojov vyhodnotiť uskutočniteľnosť začlenenia konformného chladiaceho kanála, ktorý vyžaduje výrobu špeciálnych vložiek, berúc do úvahy zložitosť konštrukcie a výzvy, ktorým čelí preventívna údržba.
Výhody konformného chladenia vo vstrekovacích formách
Skrátenie času cyklu a zvýšenie produktivity
Vďaka tejto technológii je možné optimalizovať polohu a dráhu chladiacich kanálov s požadovanou veľkosťou a tvarom prierezu. Podľa štúdie spoločnosti Stratasys môže konformné chladenie skrátiť čas cyklu pre uzávery Fliptop až o 40 % spolu s výrazným zlepšením kvality dielov.
Kratší čas chladenia zodpovedá rýchlejšiemu cyklu, spotrebuje menej energie a poskytuje kvalitnejšie komponenty.
Zlepšená kvalita dielov a rozmerová stabilita
Tu je niekoľko tipov na zlepšenie kvality súčiastok:
-
- Znížte deformáciu a skreslenie – udržiavaním rovnomerného rozloženia teploty v celých vložkách.
- Vylepšená povrchová úprava – znížením pravdepodobnosti vzniku horúcich alebo studených miest na povrchu formy, čo môže viesť k hladšej a konzistentnejšej povrchovej úprave finálnych plastových dielov.
- Zlepšená rozmerová presnosť – Konformne chladené kovové vložky pomáhajú znižovať odchýlky v rozmeroch súčiastok, čo vedie k plastovým komponentom s užšími toleranciami a väčšou rozmerovou presnosťou.
-
Úloha aditívnej výroby (DMLS) v konformnom chladení
Technológia aditívnej výroby pre konformné chladenie
Priemysel teraz široko používa techniky priameho laserového spekania kovov (DMLS), nazývaného aj selektívne laserové spekanie, na výrobu týchto špeciálnych konformných vložiek chladiacich kanálov. DMLS je typ procesu aditívnej výroby kovov (AM). V tomto procese sa laserom taviteľný kovový prášok nanáša vo vrstvách, čím sa vytvára požadovaný tvar chladiacich kanálov. Táto technika využíva rovnaký princíp ako stereolitografia (SLA), proces bežne používaný v technológii AM, ktorý vyrába plastové prototypy pomocou živice, zatiaľ čo DMLS používa kovový prášok.
Detailný pohľad na proces 3D tlače s použitím priameho laserového spekania kovov na výrobu detailných kovových mechanických súčiastok s použitím pokročilej výrobnej technológie.
Vďaka tejto technológii je možné optimalizovať polohu a dráhu chladiacich kanálov s požadovanou veľkosťou a tvarom prierezu.
Reálna aplikácia: Príklad prípadu konformnej chladiacej vložky
V tomto prípade sme prešli z konvenčného dizajnu chladiaceho kanála na konformne chladené vložky, pretože sme čelili problémom so zmršťovaním a pracovali sme s pomerne dlhším časom chladenia. Z konvenčného dizajnu chladiacej linky je zrejmé, že odvod tepla v blízkosti kruhového obrysu ocele nebol dostatočný kvôli priestorovým obmedzeniam pri tradičnom prístupe. Implementáciou dizajnu konformného chladiaceho kanála na vtokovej vložke sme dokázali odvádzať teplo z horúcich miest a pozorovali sme výrazné zlepšenie času chladenia o 8 sekúnd.
Úvahy o návrhu a údržbe konformných chladiacich kanálov
Kľúčové faktory pre konformne chladené rezné doštičky s použitím technológie aditívneho spracovania
1. Možnosti materiálu
V dnešnom priemysle existujú obmedzenia, pokiaľ ide o možnosti materiálových tried nehrdzavejúcej ocele dostupných na výrobu konformne chladených vložiek pomocou technológie aditívneho spracovania. S rastúcim počtom inovácií v materiáloch je k dispozícii viac ako 32 rôznych legovaných materiálov kompatibilných s technológiou laserového spekania. Tieto sa dajú použiť vo formách a vložkách s nízko až vysokoobjemovou výrobou bez toho, aby to ohrozilo životnosť nástrojov a záručnú dobu od výrobcov nástrojov. Napriek tomu musí výrobca nástrojov počas prevádzky a údržby prijať dodatočné opatrenia.
2. Koncepčný návrh
Mnohé softvérové platformy pre návrh, ako napríklad Fusion 360 a ďalšie, poskytujú širokú škálu funkcií, ktoré umožňujú vývoj regeneratívneho návrhu s minimálnym namáhaním a sú vhodné pre reálne aplikácie. To dokazuje, že implementácia tejto technológie je pohodlná z hľadiska návrhu aj výroby. Takýto regeneratívny prístup k návrhu je možné implementovať do našich vstrekovacích foriem tak, aby zodpovedal tvaru konkrétneho prvku plastového komponentu. Tieto koncepčné organické návrhy pomáhajú odvádzať teplo z horúcich oblastí, a tým skracujú čas chladenia.
3. Veľkosť chladiaceho kanála
V nasledujúcej tabuľke je zhrnutý všeobecný rozsah veľkostí a poznámky na základe našich skúseností s realizáciou projektov s konvenčnými aj konformnými chladiacimi kanálmi.
Pre dosiahnutie efektívnych výsledkov konformného chladiaceho kanála by mal mať lisovací stroj dobré štandardy kvality vody. Dobrá kvalita vody znamená nízky TDS (celkový obsah rozpustených pevných látok) a pH menej ako 8. Okrem toho by mal lisovací stroj nasadiť špeciálnu filtračnú jednotku pre vstrekovacie formy s konformným chladením.
Bežnými problémami sú upchaté vodovodné potrubia s konformným chladením aj pri vyššie uvedených normách kvality vody, a preto je potrebné počas programu preventívnej údržby vykonať dodatočné čistiace činnosti.
Záver: Oplatí sa implementovať konformné chladenie?
Implementácia konformného chladenia vo vstrekovacích formách pomocou výrobného procesu laserového spekania nenahrádza existujúci proces výroby foriem, ale dopĺňa ho z hľadiska nákladov, kvality a času. V odvetví vstrekovania plastov existuje mnoho príkladov, kde sa úspešné začlenenie konformného chladenia pomocou technológie DMLS v krátkom čase amortizovalo a prinieslo ďalšie úspory vďaka nižšej miere odpadu.
Spoločnosť Efficient Innovations úspešne pracovala na projektoch s konformne chladenými vložkami, pričom zaviedla systematické procesy a zabezpečila dodržiavanie všetkých relevantných protokolov s cieľom minimalizovať riziká a zlepšiť výkonnosť aktív našich klientov.
Často kladené otázky
1. Čo je konformné chladenie pri vstrekovaní plastov?
Konformné chladenie je pokročilá konštrukcia chladenia formy, kde chladiace kanály sledujú obrysy dutiny alebo jadra formy. Na rozdiel od tradičných rovno vŕtaných kanálov sú konformné kanály tvarované tak, aby zostali bližšie k povrchu dielu, čo umožňuje rýchlejšie a rovnomernejšie odvádzanie tepla a lepší výkon formy.
2. Aký je rozdiel medzi konformným chladením a konvenčnými chladiacimi kanálmi?
Konvenčné chladiace kanály sa vŕtajú v priamych líniách a často majú problém s rovnomerným chladením zložitých geometrií. Konformné chladiace kanály, zvyčajne vyrábané pomocou aditívnej výroby, presnejšie sledujú tvar dielu, čím zabezpečujú konzistentný odvod tepla a minimalizujú prehriate miesta vo forme.
3. Prečo je konformné chladenie dôležité pre výkon vstrekovacej formy?
Chladenie predstavuje významnú časť cyklu vstrekovania plastov. Konformné chladenie zlepšuje reguláciu teploty vo forme, znižuje tepelnú nerovnováhu a zvyšuje celkovú účinnosť. Výsledkom sú kratšie cykly, nižšia spotreba energie, zvýšená produktivita a konzistentnejšia kvalita dielov.
4. Ako pomáha konformné chladenie skrátiť čas cyklu?
Umiestnením chladiacich kanálov bližšie k povrchu formy a horúcim bodom konformné chladenie urýchľuje prenos tepla z roztaveného plastu. Rýchlejšie a rovnomernejšie chladenie skracuje fázu chladenia, čo priamo znižuje celkový čas cyklu a zvyšuje výrobný výkon.
5. Aký vplyv má konformné chladenie na kvalitu súčiastok a rozmerovú presnosť?
Rovnomerné rozloženie teploty znižuje deformáciu, zmeny zmršťovania a vnútorné napätie. To vedie k zlepšenej povrchovej úprave, prísnejším rozmerovým toleranciám a väčšej konzistencii dielov. Konformné chladenie pomáha výrobcom dosiahnuť vyššiu kvalitu komponentov s menším počtom nepodarkov a zníženým počtom prepracovaní.
6. Ktoré typy vstrekovaných dielov najviac profitujú z konformného chladenia?
Najväčší úžitok z konformného chladenia majú diely so zložitou geometriou, hrubými profilmi, hlbokými jadrami alebo kruhovými prvkami. Tieto konštrukcie zvyčajne vytvárajú nerovnomerné tepelné zóny, s ktorými si konvenčné chladenie ťažko poradí, vďaka čomu je konformné chladenie ideálne pre presné a vysokovýkonné aplikácie.
7. Akú úlohu zohráva aditívna výroba v technológii konformného chladenia?
Technológie aditívnej výroby, ako napríklad priame laserové spekanie kovov (DMLS), umožňujú vytvárať zložité chladiace kanály sledujúce obrysy, ktoré nie je možné konvenčne vŕtať. Tento výrobný prístup umožňuje konštruktérom optimalizovať umiestnenie a geometriu kanálov pre maximálnu tepelnú účinnosť.
8. Sú s konformným chladením spojené nejaké problémy alebo obmedzenia?
Konformné chladenie si vyžaduje špecializované odborné znalosti v oblasti dizajnu, možnosti aditívnej výroby a starostlivý výber materiálov. Pre zabezpečenie dlhodobého výkonu a spoľahlivosti je potrebné zvážiť aj údržbárske aspekty, ako je kvalita vody a potenciálne upchatie kanálov.
9. Dá sa konformné chladenie implementovať do existujúcich konštrukcií vstrekovacích foriem?
Áno, konformné chladenie je často možné integrovať výmenou vybraných vložiek v existujúcich formách. Realizovateľnosť však závisí od konštrukcie dielu, dostupného priestoru a nákladových faktorov. Pred dodatočnou montážou konformných chladiacich riešení je nevyhnutné podrobné technické vyhodnotenie.
