Miks on jahutus kõige olulisem?
Enamikus tootmistoimingutes moodustab jahutamine ligikaudu 50–70% kogu survevalutsükli ajast. Täitmine võtab sekundeid; jahutamine võtab palju kauem aega. Kui teie tsükli kestus on 30 sekundit, kulub 15–21 sekundit osa jahutamisele temperatuurini, kus selle saab ohutult ilma moonutusteta väljutada.
See proportsioon muudab jahutuse tsükliaja vähendamise suurimaks hoovaks. Jahutusefektiivsuse 20% paranemine tähendab otseselt tsükli üldaja lühenemist 10–14% -, mis on oluline tootlikkuse tõus, mis suureneb märkimisväärselt suurte tootmismahtude korral.
Peale tsükliaja on halva jahutuse tagajärjed märkimisväärsed. Ebaühtlane jahutamine tekitab tahkumisel kogu osa temperatuurigradiente. Kuna plast kahaneb jahtudes, kahanevad kiiremini jahtuvad alad varem ja suuremal määral, enne kui veel kuumad alad suudavad seda kompenseerida. See diferentsiaalne kokkutõmbumine on peamine mehhanism kõveruse, vajumise jälgede ja jääkpinge defektide - taga, mis tekivad jahutusfaasis isegi siis, kui need ei tundu jahutusprobleemidena.
2019. aastal avaldatud uuringTootmisprotsesside ajakirileidis, et hallituse ebaühtlane temperatuurijaotus põhjustas deformatsiooni umbes 67% uuritud juhtudest - rohkem kui ükski teine üksik muutuja, sealhulgas värava asukoht ja tihendusrõhk.
Jahutuskanalite disaini põhiprintsiibid
Kanali läbimõõt ja samm
Jahutuskanalite läbimõõt ja nende tsentrite ---vahekaugus on mis tahes jahutusahela konstruktsiooni lähtepunktiks. Tööstusjuhised soovitavad:
Kanali läbimõõt: standardvormide puhul tavaliselt 8–12 mm. Väiksem läbimõõt (6–8 mm) sobib väikestele vormidele või tihedalt piiratud aladele; suuremad läbimõõdud (12–16 mm) ilmuvad suurtes tööstuslikes või autotööstuses kasutatavates vormides.
Samm (kesk---keskkoha vahe): tavaliselt 2–3 korda suurem kanali läbimõõdust. 10 mm kanal tuleks tavaliselt paigutada 20–30 mm keskpunktidesse.
Nende proportsioonide eesmärk on mõistlikult ühtlane soojuseraldus kogu õõnsuse pinnal. Kui kanalid on liiga laia vahega, tekivad nende vahele kuumad kohad - alad, mis jäävad ümbritsevast õõnsuse seinast kuumemaks ja tekitavad diferentsiaalseid jahutusgradiente, mis põhjustavad kõveruse.
Kaugus jahutuskanalist õõnsuse pinnani
Kaugus jahutuskanali keskjoonest lähima õõnsuse pinnani määrab, kui tõhusalt soojus voolab plastosast läbi terase jahutusvedelikku. Tavaline soovitus on, et see vahemaa peaks võrduma ligikaudu 1–1,5-kordse kanali läbimõõduga.
10 mm kanali puhul peaks õõnsuse pind olema kanali keskjoonest 10–15 mm kaugusel. Lähem paigutus suurendab jahutuskiirust, kuid vähendab terase struktuurset terviklikkust kanali ja õõnsuse vahel; kaugem paigutus vähendab jahutuse efektiivsust ja tekitab termilisi gradiente.
See tasakaal on eriti olulineMootori käigu sissepritsevormkonstruktsioonid, kus hammasratta hammaste ja keskrummu keeruline geomeetria loob jahutust nõudvaid piirkondi erinevatel kaugustel südamiku ja õõnsuse pindadest.
Jahutusvedeliku voolukiirus, turbulents ja Reynoldsi arv
See on kõige sagedamini tähelepanuta jäetud punkt: kanalite õigest positsioneerimisest ei piisa -, jahutusvedelik peab neid läbima piisava kiirusega, et tekitada turbulentset voolu.
Turbulentne vool -, mida iseloomustab Reynoldsi arv üle 4,000 - edastab soojust ligikaudu kolm kuni viis korda tõhusamalt kui laminaarne vool sama mahulise voolukiiruse juures. Enamik jahutuskanalite konstruktsioone eeldab turbulentset voolu, kuid praktikas töötavad kanalid, mis on liiga pikad, liiga kitsad või mida toidavad alamõõdulised toiteliinid, sageli laminaarses või üleminekurežiimis, vähendades oluliselt nende tõhusust.
Iga jahutusring peaks olema projekteeritud kogu rõhulangust ja voolukiirust silmas pidades. Voolu piirajad, järjestikused versus paralleelsed konfiguratsioonid ja sisselaske-/väljalaskekollektori suurus mõjutavad kõik seda, kas kanalid saavutavad soojusülekande arvutustes eeldatud turbulentsi.
Sisse- ja väljalaske temperatuuride vahe
Kontuuri siseneva ja vooluringist väljuva jahutusvedeliku temperatuuride erinevus näitab otseselt, kui palju soojust eraldatakse. Tööstuspraktika eesmärk on erinevus 3–5 kraadi. Sellest oluliselt suurem erinevus tähendab, et jahutusvedelik soojeneb liiga palju, kui see liigub läbi vooluringi - kanali viimased osad annavad vormi märgatavalt soojema jahutusvedeliku, luues vooluteel temperatuurigradiendi, mis ilmneb osa suunamuutusena.
Kui teie sisselaske-väljundi erinevus ületab pidevalt 8–10 kraadi, suurendage voolukiirust või jagage ahel lühemateks paralleelseteks radadeks.
Jahutusprobleemid keerulistes osades
Mootori käigu sissepritsevorm
Hammasrattad kujutavad endast spetsiifilist jahutusprobleemi: hammasratta hambad on õhukesed, tihedalt asetsevad elemendid, mille pindala on nende mahu suhtes suur, samas kui rummu ja võrgusektsioonid on paksemad ja hoiavad soojust kauem. Kui jahutamist rakendatakse ühtlaselt, jahtuvad hambad palju kiiremini kui rummu -, luues diferentsiaalse kokkutõmbumise, mis moonutab hammaste vahekaugust ja sammu läbimõõtu.
Hästi{0}}disainitudMootori käigu sissepritsevorm, jahutuskanalid südamiku ja õõnsuse külgedel on paigutatud nii, et need eraldavad agressiivsemalt soojust rummu- ja võrgupiirkondadest, nii et need paksemad osad jahtuvad kiirusega, mis sobib paremini peenemate hammastega. Tavaliselt saavutatakse see rummu piirkonna lähedal asuvate kanalite ja südamiku konkreetsete piirkondade poole suunatud deflektorite või mullitajate kombinatsiooniga.
Funktsionaalsete hammasrataste mõõtmete tolerantsi nõuded - tavaliselt ±0,02–0,05 mm hambaprofiilil - muudavad jahutuse ühtluse kriitiliseks viisil, mida puhtalt kosmeetilised osad ei vaja.
Mouse Shell süstimisvorm
Hiirekestadel ja sarnastel tarbeelektroonika korpustel on suhteliselt õhukesed ühtlased seinad, kuid ranged pinnaviimistlusnõuded, mis loovad konkureerivad jahutusnõuded. Liiga agressiivne jahutamine võib tekitada pinna, millel on voolujäljed paremini nähtavad. Ebaühtlane jahutamine tekitab diferentsiaalse kokkutõmbumise, mis ilmneb kosmeetilistel pindadel, eriti sisemiste ribide ja ülaosade kohal.
Aastal aMouse Shell süstimisvorm,jahutusstrateegia hõlmab tavaliselt mõõdukat kanalite tihedust, pöörates erilist tähelepanu otse kosmeetiliste pindade taga olevatele aladele, tagades nähtava A-pinna ühtlase jahtumise, olenemata sellest, mis selle taga struktuurselt toimub.
Mänguautode plastosad
Mänguasjade komponendid kasutavad tavaliselt ABS-i või PP-d seinapaksusega 1,5–3 mm ning rattakinnituste, teljekorpuste ja kere dekoratiivsete detailide juures on mitu paksust -kuni -peenikest üleminekut. PP-l on madalam soojusjuhtivus kui ABS-il ja see nõuab samaväärse seinapaksusega veidi pikemat jahutusaega.
sisseMänguauto plastist sissepritsevormkonstruktsioonide puhul peab jahutussüsteem haldama neid pakse{0}}õhukesi üleminekuid, säilitades samal ajal kulutõhusa-mahuga{3}}tootmise jaoks vajalikud tsükliajad. Levinud lahendus on sihipärased deflektorid paksudel osadel.
Konformne jahutus vs tavalised sirged{0}}puuritud kanalid
Konformaalsed jahutuskanalid järgivad õõnsuse pinna kontuuri, mitte ei kulge sirgjooneliselt. Valmistatud vormi sisestuse metallilisandite valmistamisel (3D-printimine), suudavad need säilitada ühtlase kauguse õõnsuse pinnast isegi piirkondades, kus sirge puurimine oleks võimatu.
Toimivusandmed on veenvad:
2020. aasta uuringPolümeeridleidis, et konformne jahutamine vähendas keeruliste geomeetriliste osade puhul tsükliaega keskmiselt 20–40%, vähendades samal ajal kõverust 30–60%.
Plastikuinseneride ühingu (SPE) uurimused dokumenteerisid juhtumeid, kus sügavtõmbekomponentide konformne jahutus{0}}vähendas tsükliaega kuni 52%, parandades samal ajal mõõtmete täpsust piisavalt, et vältida allavoolu kontrollimisetappi.
Konformsete jahutusdetailide tootmine on aga oluliselt kallim, - tavaliselt 30–80% kõrgemad jahutussektsioonide tööriistakulud. Majanduslikkus sõltub tootmismahust, tsükliaja väärtusest ja sellest, kas detaili geomeetria seda tõesti nõuab.
Enamiku standardsete tootmisvormide puhul saavutavad hästi{0}}disainitud tavapärased deflektorite ja mullidega kanalid suurepäraseid tulemusi tavapäraste tööriistade maksumusega. Konformne jahutus on kõige õigustatud sügavate-joonistega, keerukate-kontuuriosade puhul, kus sirge puurimine ei jõua kriitiliste piirkondadeni.
Levinud jahutuse disainivead ja kuidas neid vältida
Enamiku jahutusega{0}}seotud tootmisdefektidest on tingitud mõned disainiotsused:
Ebapiisav katvus paksudel lõikudel: iga ribi, ülaosa ja kohalik paks ala vajab lähedal asuvat jahutuskanalit -, mitte ainult üldist katvust kogu õõnsuse piirkonnas.
Jahutusahelad, mis on järjestikku liiga pikad: ühe vooluringi, mis kulgeb läbi paljude kanalite osade, temperatuuri tõus sisselaskeava ja väljalaske vahel on liiga suur. Lõika pikad ahelad paralleelseteks lühemateks teedeks.
Südamiku tähelepanuta jätmine: südamiku{0}}külgmist jahutust käsitletakse sageli teisejärgulisena, kuid mis tahes olulise südamiku geomeetriaga osade puhul muutub südamik kitsaskohaks. Südamikud vajavad eraldi jahutust deflektorite või spiraalkanalite kaudu.
Asümmeetriline jahutus sümmeetrilistes osades: kui geomeetriliselt sümmeetrilisel osal on jahutus, mis on ümber paigutatud ainult ühel küljel oleva objekti ümber, tekitab tekkiv termiline asümmeetria järjepideva kõveruse nihke, mis võib tunduda materjali- või protsessiprobleemina.
Mida uuringud näitavad
TheInternational Journal of Advanced Manufacturing Technology(2021) leidsid, et jahutuskanali paigutuse simulatsiooni{1}}juhitud optimeerimine vähendas tarbekaupade osade kõverust keskmiselt 43%, kusjuures kõige olulisemad täiustused olid osades, mille kuvasuhe on üle 5:1.
Polümeeritehnika ja teadus(2020) dokumenteerisid, et jahutusvedeliku Reynoldsi arvu hoidmine üle 8000 vähendas jahutusaega 28% võrreldes samade kanalitega, mis töötavad laminaarsel voolul -, kinnitades turbulentse voolu praktilist tähtsust.
SPE võrdlusandmed näitasid, et jahutusaeg moodustab tootmistoimingute laiaulatuslikus uuringus keskmiselt 58% tsükli koguajast ning jahutuse optimeerimine on suurim{1}}tasuvusinvesteering tsükliaja vähendamiseks väljakujunenud programmides.
Jahutussüsteemi ümberkujundamine mootori käigukasti jaoks
Euroopa autoosade tarnijal oli täiturmehhanismis kasutatud väikese mootori käiguga - mõõtmetega probleeme, konkreetselt ebaühtlased sammu läbimõõdu mõõtmised, mis põhjustasid lõppkokkuvõttes hammasratta võrgumüra. Osa valati POM-iga rummu seina paksusega 2,8 mm ja hambaosaga 1,4 mm.
Algsel valuvormil olid sirged-puuritud kanalid, mis paiknesid sümmeetriliselt ümber õõnsuse, pööramata erilist tähelepanu rummu- ja-hamba paksuse erinevusele. Hallituse temperatuuri mõõtmised kinnitasid, et rummuosa töötas väljaviskamisel 12 kraadi soojemalt kui hambasektsioonid.
Sunhingstones kujundas ümber südamiku-külje jahutuse: südamiku otsas olev keskne mulliseade eraldas soojust rummu piirkonnast koos kahe võrgupiirkonda paigutatud deflektoriga. See viis temperatuuride erinevuse rummu ja hambaosade vahel 3 kraadini.
Tulemused tootmise käivitamisel:
Sammu läbimõõdu muutust vähendati ±0,04 mm-lt ±0,015 mm-le - võrgumüra kõrvaldamiseks vajaliku hälbe piires
Tsükliaeg väheneb 8% võrra, mis on rummu tõhusama jahutuse teisene eelis
Mõõtmete tagasilükkamise määr langes ligikaudu 4%-lt alla 0,5%
Kliendi kvaliteediinsener märkis, et ümberkujundamine lahendas probleemi, mida oli kolme kuu jooksul valesti seostatud materjalide erinevusega.
KKK
K: Kuidas ma saan enne terase lõikamist teada, kas mu jahutussüsteemi konstruktsioon on piisav?
V: Vormivoolu simulatsioon (Moldex3D, Autodesk Moldflow või samaväärne) modelleerib jahutamise ajal soojusjaotust kogu õõnsuses ja tuvastab kuumad kohad enne mis tahes töötlemist. Enamik professionaalseid survevaluvormide tootjaid teostavad vormivoolu analüüsi standardse projekteerimisetapina. Simulatsiooni-juhitud jahutusdisain vähendab järjekindlalt esimest-defektide määra võrreldes kanali paigutuse-reegliga{6}}.
K: Mis põhjustab valamujälgi isegi hea{0}}jahutuskanali katvuse korral?
V: Valamu jäljed ribide ja ülaosade kohal on peaaegu alati lokaalne jahutusprobleem - kanali katvus tundub joonisel piisav, kuid konkreetsele paksule lõigule pole kanalit piisavalt lähedal. Välimine kest tahkub, kui sisemus on veel vedel; sisemus kahaneb seejärel jahtudes nahast eemale. Parandus on kanal, mis on paigutatud spetsiaalselt paksu sektsiooni, mitte ainult üldise ala katvuse jaoks.
K: Kas ma saan kõveruse parandada protsessi reguleerimise, mitte vormimuutuste abil?
V: Osaliselt. Diferentsiaalne vormitemperatuur, kasutades tsooni-kontrollitud veeringe ja hoidmisrõhu optimeerimist, võib vähendada jahutuskanalite kehvast paigutusest põhjustatud väändumist, kuid harva kõrvaldada. Protsessi kohandamine juhib pigem jahutuse disainiprobleemi sümptomeid kui ei tegele põhjusega.
K: Mis on süstimisvormide standardne jahutusvedeliku temperatuur?
V: Jahutusvedeliku temperatuur varieerub olenevalt materjalist. Üldised lähtekohad: ABS 40–60 kraadi, PP 20–40 kraadi, POM 60–90 kraadi, nailon 60–80 kraadi, PC 80–100 kraadi. Jahutusvedeliku temperatuur mõjutab tsükli kestust - madalamad temperatuurid võimaldavad üldiselt lühemat jahutusaega, kuid võivad teatud rakendustes mõjutada pinnaviimistlust.
K: Kas konformne jahutus on väärt lisakulusid{0}}suure mahuga tarbekaupade vormi eest?
V: Keeruliste kontuuridega osade puhul, mida ei saa suurte tootmismahtude juures tavaliste kanalite abil piisavalt jahutada, tasub konformne jahutus oma täiendavad tööriistakulud tagasi 3–12 kuu jooksul pärast tootmist. Lihtsamate geomeetriate puhul, kus tavakanalitega on võimalik saavutada ühtlane jahutus, ei ole lisainvesteering tavaliselt õigustatud.
K: Millist teavet peaksin andma survevormitehasele jahutusnõuete täpsustamisel?
V: Sihttsükli aeg, kriitilised mõõtmete tolerantsid, nähtavate pindade pinnaviimistlusnõuded, materjal koos andmelehega ja aastane tootmismaht. Kogenud survevaluvormide tootja kasutab seda teie konkreetsetele nõuetele ja ökonoomsusele vastava jahutussüsteemi kujundamiseks.
Jahutage õigesti disaini, mitte silumise juures
Jahutussüsteemi konstruktsiooni ei saa pärast vormi ehitamist tõhusalt moderniseerida. Kanalite asukohad, läbimõõdud ja vooluahela konfiguratsioonid töödeldakse tööriistaterasse ning nende muutmine pärast tõsiasja on kallis. Selle õigeks muutmiseks tuleb jahutust käsitleda peamise inseneriotsusena alates projekteerimisprotsessi algusest.
Sunhingstonesis hõlmab meie vormide kujundamise protsess simulatsiooni-juhitud jahutusanalüüsi kõigi tööriistade jaoks - alates täppismootori reduktori sissepritsevormide rakendustest kuni suure -mahuliste tarbekaupade korpusteni. Dokumenteerime jahutusahela jõudluse spetsifikatsioonid ja kinnitame need vormikatsetuste ajal enne tootmisse lubamist.
Viited ja lisalugemine
Xu, X. ja Sachs, E. "Optimaalsete jahutussüsteemide disainilahenduste kohandamine konformse jahutuskanali valmistamise jaoks." Journal of Manufacturing Processes, köide{3}}, 2019.
Fernandez, A. et al. "Soojusülekande eksperimentaalne ja numbriline analüüs survevaluvormide konformsetes jahutuskanalites." Polymers, köide{3}}, 5. väljaanne, 2020.
Wang, Y. et al. "Jahutuskanali paigutuse mõju survevalu kõverusele ja tsükliajale." International Journal of Advanced Manufacturing Technology, kd{3}}, 2021.
Nian, SC et al. "Õhukeseseinaliste survevalutegurite uurimine." Polymer Engineering and Science, köide{5}}, 6. väljaanne, 2020.
Plastiinseneride Ühing (SPE). Injektsioonvormimise osakond - Tsükliaja koostise võrdlusuuring. SPE tehniline raamat, 2020.
Dang, XP "Üldised raamistikud plasti survevalu protsessi parameetrite optimeerimiseks." Simulatsioonimudelite praktika ja teooria, kd{3}}, 2014.
