Jak konstrukcja kanału chłodzącego zmienia czas cyklu formowania wtryskowego

W przypadku formowania wtryskowego czas cyklu jest często omawiany jako kwestia ustawienia maszyny. Operatorzy dostosowują czas chłodzenia, temperaturę formy, ciśnienie pakowania lub prędkość wtrysku, starając się zwiększyć wydajność. Jednak jedno z największych ograniczeń czasu cyklu mogło już zostać ustalone, zanim forma dotrze do maszyny formierskiej: konstrukcja kanału chłodzącego.

Forma z wydajnym i zrównoważonym chłodzeniem może szybko usunąć ciepło z części, zachowując jednocześnie stabilne wymiary i kontrolowany skurcz. Forma ze źle umiejscowionymi lub ograniczającymi obwodami chłodzenia może wymagać dłuższego czasu chłodzenia, powodować powstawanie lokalnych gorących punktów i zmuszać zespoły produkcyjne do kompensowania wolniejszych cykli.

W przypadku programów o dużej objętości nawet kilka sekund różnicy w czasie cyklu może przełożyć się na setki lub tysiące godzin pracy maszyny w całym okresie życia projektu. To sprawia, że ​​projektowanie chłodzenia jest zarówno kwestią techniczną, jak i kwestią kosztów produkcji.

Dlaczego konstrukcja chłodzenia ma tak duży wpływ na czas cyklu formowania wtryskowego?

Kompletny cykl formowania wtryskowego obejmuje napełnianie, pakowanie lub przetrzymywanie, chłodzenie, otwieranie formy, wyrzucanie i zamykanie formy. W praktyce etapy te nie zawsze są całkowicie od siebie oddzielone. Chłodzenie rozpoczyna się, gdy tylko stopiona żywica zetknie się z zimniejszą powierzchnią wnęki i trwa poprzez pakowanie i przetrzymywanie.

Jednakże forma nie może się normalnie otworzyć, dopóki część nie osiągnie wystarczającej sztywności, aby wytrzymać odkształcenie podczas wyrzucania.

W przypadku wielu formowanych elementów wymagania termiczne stają się jednym z głównych ograniczeń całkowitego czasu cyklu.

Rozważmy formę czterogniazdową działającą w cyklu 40-sekundowym. Teoretyczna wydajność produkcji wynosi około 360 części na godzinę. Jeżeli ulepszony system chłodzenia pozwala na niezawodną pracę tej samej części w ciągu 34 sekund, teoretyczna produkcja wzrasta do około 424 części na godzinę.

Stanowi to o około 17,6% większą teoretyczną wydajność przy tej samej liczbie gniazd i czasie pracy maszyny, przy założeniu porównywalnego czasu sprawności i wydajności.

Celem jednak nigdy nie powinno być po prostu skrócenie czasu chłodzenia. Prawdziwym celem jest usuwanie ciepła na tyle skutecznie, aby krótszy cykl pozostał stabilny wymiarowo i kosmetycznie.

Odległość kanału chłodzącego od powierzchni wnęki ma znaczenie

Ciepło musi przedostać się ze stopionego tworzywa sztucznego przez stal formy, zanim będzie mogło zostać przeniesione do czynnika chłodzącego. Położenie kanału chłodzącego wpływa zatem na skuteczność usuwania ciepła z wnęki.

Jeśli kanał chłodzący znajduje się zbyt daleko od powierzchni wnęki, droga przewodzenia ciepła przez stal jest dłuższa. W lokalnych regionach może być cieplej i wymagać dłuższego chłodzenia.

Przesunięcie kanału bliżej może poprawić wymianę ciepła, ale bliżej nie zawsze oznacza lepiej. Kanał umieszczony zbyt blisko wnęki może zmniejszyć wytrzymałość konstrukcyjną, spowodować lokalne różnice temperatur lub stać się niepraktyczny w pobliżu śrub, wypychaczy, wkładek i innych elementów formy.

Rozstaw kanałów chłodzących również ma znaczenie. Duże odstępy między kanałami mogą powodować naprzemienne występowanie gorących i chłodnych obszarów zamiast jednolitej temperatury powierzchni formy.

Głębokie rdzenie, występy i żebra tworzą lokalne gorące punkty

Jeden z najtrudniejszych problemów z chłodzeniem pojawia się, gdy geometria części tworzy obszary, które można łatwo ogrzać, ale trudno schłodzić.

W zależności od geometrii projektanci form mogą rozważyć dedykowane chłodzenie rdzenia, przegrody, bełkotki, kołki termiczne lub inne lokalne rozwiązania chłodzące.

Ważne jest, aby nie używać domyślnie określonej metody chłodzenia. Metoda powinna uwzględniać rzeczywiste źródło ciepła i pasować do wymagań mechanicznych formy.

Szeregowe a równoległe obwody chłodzenia

Obiegi chłodzące można zaaranżować na kilka sposobów. Dwie popularne koncepcje to układy szeregowe i równoległe.

Chłodzenie równoległe nie powinno być automatycznie uznawane za lepsze. Jeśli jedno odgałęzienie ma mniejszy opór niż drugie, większość chłodziwa może podążać łatwiejszą ścieżką, podczas gdy odgałęzienie o większym oporze przepływa niewystarczająco.

Podobnie długi obwód szeregowy może powodować znaczną różnicę temperatur pomiędzy sekcją wlotową i wylotową.

Odpowiedni układ zależy od rozmiaru kanału, całkowitej długości, spadku ciśnienia, wymaganego natężenia przepływu i obciążenia termicznego w każdej sekcji formy.

Natężenie przepływu i spadek ciśnienia są tak samo ważne jak temperatura wody

Zespoły formierskie czasami oceniają chłodzenie, sprawdzając jedynie ustawienie temperatury na regulatorze temperatury formy. Nie daje to pełnego obrazu.

Obieg może mieć prawidłową temperaturę na wlocie, ale nadal słabo chłodzi, jeśli rzeczywisty przepływ jest zbyt niski.

Przepływ można ograniczyć poprzez:

• kanały o małej średnicy;
• długa długość obwodu;
• wiele ostrych zakrętów;
• ograniczone okucia;
• osadzanie się kamienia;
• częściowo zablokowane kanały;
• słabo zbalansowane obwody równoległe.

Zwiększanie przepływu ogólnie poprawia konwekcyjny transfer ciepła, aż system osiągnie punkt, w którym dodatkowy przepływ powoduje mniejsze zyski lub zostaje ograniczony przez ciśnienie, wydajność pompy lub konstrukcję obwodu.

Przy rozwiązywaniu problemów produkcyjnych przydatne dane dotyczące chłodzenia mogą obejmować:

Łączne spojrzenie na te zmienne jest bardziej przydatne niż ocenianie wydajności chłodzenia na podstawie samej wartości temperatury.

Nierównomierne chłodzenie może powodować wypaczenia i różnice wymiarowe

Układ chłodzenia wpływa znacznie więcej niż na prędkość produkcji. Ma to również wpływ na to, jak część się kurczy.

Jeśli jedna strona formowanego elementu stygnie znacznie szybciej niż druga, oba obszary mogą kurczyć się w różny sposób. Rezultatem może być:

• wypaczenie;
• odchylenie płaskości;
• ruch w położeniu otworu;
• dryf wymiarowy;
• stres resztkowy;
• deformacja wyrzutowa.

Staje się to szczególnie ważne w przypadku materiałów wypełnionych szkłem, takich jak PA66 GF, PBT GF i PPS GF.

Orientacja włókien już powoduje kierunkowe zachowanie skurczu. Nierówna temperatura formy może stanowić kolejne źródło nierównowagi wymiarowej, utrudniając kontrolowanie wypaczeń.

Chłodzenie nie jest jedyną przyczyną wypaczeń. Położenie bramy, upakowanie, grubość ścianki, właściwości materiału i orientacja włókien również mają znaczenie. Jednakże przed założeniem, że problem wymiarowy można rozwiązać jedynie poprzez ustawienia maszyny, należy sprawdzić chłodzenie.

Dlaczego wydłużenie czasu chłodzenia nie zawsze jest właściwym rozwiązaniem

Typową reakcją producentów na wypaczenia lub trudności w wyrzucaniu jest po prostu wydłużenie czasu chłodzenia.

Może to działać tymczasowo, ponieważ część opuszcza formę w niższej temperaturze. Jeśli jednak podstawową przyczyną jest lokalny gorący punkt lub słaba równowaga chłodzenia, wydłużenie cyklu może złagodzić objawy bez eliminowania podstawowego problemu termicznego.

To rozróżnienie jest szczególnie ważne w przypadku formowania na dużą skalę. Dodanie pięciu sekund może sprawić, że części będą akceptowalne, ale zmniejsza również roczną zdolność produkcyjną w każdym kolejnym cyklu.

Chłodzenie konwencjonalne a chłodzenie konformalne

Konwencjonalne chłodzenie formy zwykle uzyskuje się poprzez wiercenie prostych kanałów w płytach formy i wkładkach. Ta metoda jest sprawdzona, ekonomiczna i praktyczna, ale proste wiercenie ogranicza, w przypadku gdy kanały można umieszczać wokół złożonej geometrii wnęki.

Chłodzenie konforemne wykorzystuje kanały, które lepiej dopasowują się do konturu wypraski. Kanały te są powszechnie kojarzone z wkładkami wytwarzanymi metodą addytywną lub innymi specjalistycznymi metodami produkcji.

Chłodzenie konformalne nie jest automatycznie uzasadnione dla każdej formy. Prosty komponent może osiągnąć doskonałą wydajność cieplną w przypadku konwencjonalnych kanałów.

Dodatkowy koszt staje się łatwiejszy do uzasadnienia, gdy złożona geometria tworzy poważne gorące punkty, roczna wielkość produkcji jest duża, a mierzalny czas cyklu lub poprawa jakości mogą zwrócić dodatkową inwestycję w narzędzia.

Przed produkcją formy należy ocenić chłodzenie

Najtańszy moment na zidentyfikowanie problemu z chłodzeniem to okres przed obróbką stali.

Podczas projektowania DFM i projektowania form zespół powinien dokonać przeglądu:

• grubość ścianki części;
• lokalne grube przekroje;
• głębokie rdzenie i żebra;
• lokalizacja bramy;
• układ wnęki;
• interferencja wyrzutnika i suwaka;
• proponowane obiegi chłodzenia;
• oczekiwany cykl produkcyjny.

Symulacja termiczna lub przepływu formy może pomóc zidentyfikować potencjalne gorące punkty i porównać różne koncepcje chłodzenia przed rozpoczęciem produkcji.

Symulacja jest narzędziem projektowym, a nie gwarancją produkcji. Przewidywany czas cyklu i rozkład temperatury należy nadal weryfikować podczas rzeczywistych prób formy.

Wydajność chłodzenia należy sprawdzić podczas prób formy

Walidacja układu chłodzenia nie powinna kończyć się na sprawdzeniu, czy woda przepływa przez formę.

Na późniejszych etapach prób inżynierowie powinni ocenić, czy układ chłodzenia pozostaje stabilny po osiągnięciu przez formę normalnej temperatury roboczej.

Przydatne obserwacje z prób obejmują:

Jest to szczególnie ważne, ponieważ forma może wydawać się stabilna podczas krótkiej próby i stać się mniej spójna po nagromadzeniu ciepła podczas ciągłej produkcji.

Szersze spojrzenie na proces prób i zatwierdzania można znaleźć w artykule Próby form T0, T1, T2 i T3: czego kupujący powinni się spodziewać na każdym etapie i Dlaczego forma wtryskowa przechodzi T1, ale nie udaje się jej w masowej produkcji .

Projekt chłodzenia zmienia rzeczywisty koszt wypraski

Forma z bardziej wyrafinowanym chłodzeniem może początkowo kosztować więcej. Nie oznacza to jednak automatycznie, że jest to droższa opcja produkcyjna.

Rozważmy uproszczone porównanie dwóch narzędzi z czterema wgłębieniami.

Powyższe liczby mają charakter wyłącznie ilustracyjny i nie przedstawiają gwarantowanego kosztu formy ani skrócenia czasu cyklu.

Jeśli wielkość projektu jest niska, dodatkowe 8 000 USD może nigdy nie zostać odzyskane. Jeżeli forma produkuje duże ilości rocznie przez kilka lat, dodatkowa wydajność maszyny może przewyższyć początkową różnicę w oprzyrządowaniu.

Pełna ocena zwrotu z inwestycji powinna uwzględniać:

• roczna wielkość produkcji;
• koszt godzinowy maszyny;
• prawdziwy czas sprawności;
• wskaźnik złomowania i odrzutów;
• zużycie energii;
• koszt utrzymania;
• koszt modyfikacji oprzyrządowania;
• oczekiwany czas życia produktu.

Dlatego najniższa oferta na formy nie zawsze jest najtańszym rozwiązaniem produkcyjnym.

Kiedy modyfikacja układu chłodzenia jest opłacalna?

Nie każda powolna pleśń wymaga odbudowy. Zmiany oprzyrządowania powinny opierać się na mierzalnych ograniczeniach produkcyjnych.

Przed modyfikacją formy zespół powinien potwierdzić, że wąskie gardło ma rzeczywiście charakter termiczny, a nie jest związane z pakowaniem, wyrzucaniem, obsługą robota lub inną częścią cyklu.

O co kupujący powinni pytać na temat chłodzenia przed zatwierdzeniem formy

Projekt chłodzenia jest często mniej widoczny niż wykończenie wnęki lub wygląd części formowanej, ale ma bezpośredni wpływ na długoterminową ekonomikę produkcji.

Pytania te są szczególnie przydatne przy porównywaniu dwóch ofert form, które wydają się podobne pod względem liczby gniazd i specyfikacji stali, ale mogą mieć bardzo różną długoterminową wydajność produkcyjną.

Projekt chłodzenia należy ocenić jako inwestycję produkcyjną

Układ chłodzenia formy wtryskowej to nie tylko sieć wywierconych otworów. Jest to część systemu produkcyjnego, który kontroluje, jak szybko można usunąć ciepło, jak równomiernie kurczy się część i jak konsekwentnie forma może działać w długich seriach produkcyjnych.

Skuteczny projekt chłodzenia może zapewnić trzy ważne wyniki komercyjne:

Celem nie jest możliwie najkrótszy cykl za wszelką cenę. Cel jest najkrótszy stabilny cykl, w którym stale powstają akceptowalne części.

Często zadawane pytania