Zarządzanie procesem produkcyjnym, zarządzanie produkcją
Narzedziownie.pl - portal dla firm produkujących formy wtryskowe, tłoczniki, wykrojniki i inne narzędzia

Drukuj | Prześlij link znajomemu | Wyszukaj w serwisie

Projektowanie formy: Podstawy sukcesu. Wpływ różnych materiałów formy na chłodzenie.

Bardzo często można usłyszeć narzekania producentów form: dlaczego klient wybrał ten materiał na formę? Czy jest wystarczająco dużo obiegów wodnych żeby efektywnie schłodzić odlew i pozwolić na prawidłową krystalizację? Klienci chcą nierealnie krótkiego czasu cyklu. Klienci sugerują, że to ja powinienem ocenić, gdzie powinno przebiegać chłodzenie.

W tym artykule skoncentrujemy się na:
  • Wpływie różnych materiałów formy na chłodzenie
  • Jak określić położenie kanałów chłodzących żeby otrzymać optymalne chłodzenie
  • Umiejscowieniu chłodzenia w miejscu koncentracji ciepła
  • Jak wybrać podstawę formy w zależności od używanego urządzenia

Wybór materiału wkładki formującej

Wybierając materiał na wkładkę musimy po pierwsze zastanowić się nad rodzajem materiału, który będzie formowany. Czy jest agresywny z dużą ilością szklanych lub ostrych wypełniaczy? Czy materiał podczas degradacji wydziela erodujące gazy tak jak PCW? Jeśli tak możemy wziąć pod uwagę jedynie materiały odporne na te czynniki.

Następnie, jaka jest temperatura procesu? Czy materiał jest semi krystaliczny jak polipropylen gdzie trzeba rozważyć ukryte ciepło topnienia czy też jest to amorficzny materiał jak polistyren, który ma różne wymagania, co do chłodzenia? Na podstawie odpowiedzi na te pytania musimy podjąć decyzję, gdzie umieścić obiegi chłodzące i jakiej powinny być średnicy.

Następny czynnik podlegający rozwadze podczas wyboru materiału na wkładkę formującą to redukcja czasu cyklu. Ponieważ od 60 do 80 procent cyklu jest przeznaczone na chłodzenie i trzeba usunąć około 60 procent ciepła z plastiku za pomocą układu chłodzenia formy, przewodnictwo cieplne materiału formy wpływa znacząco na redukcję czasu cyklu. Niemniej, w niektórych przypadkach dobór tego współczynnika może nie mieć aż takiego wpływu, jakiego byśmy oczekiwali. Poniżej przeanalizujemy przykład kombinacji forma i jej materiał w typowej formie, policzymy współczynnik przewodności cieplnej (U), a następnie zmienimy materiał matrycy i położenie kanału chłodzącego, po czym przeanalizujemy osiągnięte wyniki. Na początek zakładamy, że wypraska jest wykonana z polistyrenu. Forma będzie wykonana ze stali narzędziowej P-20. Nominalna grubość ścianki wypraski będzie wynosić 2.5 mm a kanał chłodzący będzie przebiegać 6.4 Mm od wierzchu formy.

Po pierwsze musimy obliczyć współczynnik przewodności cieplnej biorąc pod uwagę dwie główne przeszkody w przekazywaniu ciepła: materiał wypraski (tworzywo sztuczne) oraz materiał formy (stal). Istnieją również dwa współczynniki, których nie bierzemy pod uwagę: warstwa powierzchniowa formy oraz osad (kamień) w kanałach chłodzenia.

Wzór na współczynnik przewodności cieplnej wygląda następująco:

1/U = a/Up + b/Um

Gdzie:
a = t/4,
t - grubość wypraski w stopach,
a – średnia efektywna odległość, jaką musi pokonać ciepło, aby opuścić wypraskę
b – odległość od góry formy do kanałów chłodzących mierzona w stopach
Up = przewodność cieplna materiału wypraski
Um = przewodność cieplna materiału formy

W wyniku obliczeń otrzymujemy, że U dla tego zestawu wynosi 34.
Po zamianie materiału formy na aluminium i ponownym wykonaniu obliczeń okazuje się, że prędkość usuwania ciepła jest wyższa tylko o 2,65 procenta, pomimo wyższego przewodnictwa tego materiału. Czym jest spowodowana ta oczywista rozbieżność?

Problem polega na tym, że ciepło jest usuwane z i przez plastik, nie tylko zaś przez materiał formy. Kiedy wypraska jest stosunkowo gruba, przepływ ciepła przez plastik ogranicza efektywność całkowitego chłodzenia i to jest element, który jest zazwyczaj pomijany w rozważaniach na temat chłodzenia. Niska zdolność plastiku do przewodzenia ciepła niweluje przewodnictwo cieplne formy, zatem wybór materiału formy jest mniej istotny przy wypraskach grubościennych.

Co gorsze, czasami istnieje potrzeba przesunięcia kanałów chłodzących w wyniku zastosowania danego materiału formy. W przypadku aluminium, kanały chłodzące powinny być odsunięte o 127 mm od powierzchni formy, aby uniknąć jej popękania. Gdybyśmy przeprowadzili obliczenia jeszcze raz to okazałoby się, że zdolności chłodzące formy aluminiowej byłyby zmniejszone o około 3 procent. Po przeprowadzeniu obliczeń dla stali nierdzewnej niskowęglowej okazuje się, że właściwości chłodzące nie wzrastają znacząco. Powtórzmy, zatem, dla wyprasek grubościennych przepływ ciepła przez plastik ogranicza szybkość chłodzenia niezależnie od materiału formy.

Gdyby klient zażądał bardzo krótkiego czasu cyklu, czy możemy zmniejszyć grubość ścianek wypraski? Na przykład, jeśli zastosujemy grubość ścianki 1.27 mm zamiast 2.5 mm to efektywność chłodzenia zwiększy się o 94 procent a ilość ciepła do usunięcia zmaleje o połowę. To ponownie pokazuje znaczącą rolę plastiku w chłodzeniu.

Oczywiście nie sugerujemy, że materiał formy nie jest istotny. Próbujemy jedynie powiedzieć, że wybór materiału formy jest jednym z czynników i że materiały wysokoprzewodzące będą miały wpływ na tempo usuwania ciepła tylko wtedy, gdy usuwanie ciepła z plastiku nie jest ograniczeniem.

Położenie kanałów chłodzących dla optymalnego chłodzenia.

Żeby matematycznie obliczyć położenie kanałów chłodzących w formie, potrzebujemy temperaturę topnienia, grubość wypraski oraz pożądaną różnicę temperatury pomiędzy powierzchnią formy i chłodziwem. Załóżmy, że temperatura topnienia wynosi 232,2 °C, średnia temperatura wyciągania wypraski wynosi 121,1 °C a grubość części wynosi 4.1 mm. Zakładamy również, że pożądana temperatura powierzchni formy powinna osiągnąć 15,5 °C przy temperaturze chłodziwa równej 10 °C.

Jeżeli chcemy zrobić to w najprostszy, najbardziej efektywny w zakresie chłodzenia sposób, montujemy kanały chłodzące w odległości jednej średnicy kanały chłodzącego od wewnętrznej ściany formy i z odstępami, co dwie, trzy średnice kanału chłodzącego. Jednakże, mimo że jest to najbardziej efektywny i jednocześnie gwarantujący utrzymanie wytrzymałości formy, często nie da się go zastosować ze względu na konfigurację formy.

Wielokrotnie zdarza się, iż mimo braku takiej potrzeby, wiele pracy wkładane jest w optymalizowanie położenia kanałów chłodzących. W większości przypadków podwojenie a nawet potrojenie odległości kanałów chłodzących od powierzchni formy nie redukuje zdolności chłodzących formy, jeżeli temperatura powierzchni formy nie musi być poniżej 15,5 lub 10°C. Wyjątkiem jest, kiedy używane są długie, głębokie rdzenie lub w ostrych rogach stojących rdzeni, gdzie ciepło jest skoncentrowane na niewielkiej ilości stali formy. Problem polega na przeniesieniu ciepła ze stali do chłodziwa. Kanały chłodzące powinny zawsze koncentrować się w miejscu koncentracji ciepła i chłodzić jak najmniej w innych obszarach, jako że naszym celem jest usunięcie ciepła z całej wypraski jak najszybciej to możliwe. W rdzeniach, powierzchnia formy powinna być najchłodniejsza tak gdzie są grube przekroje i ostre rogi i jednocześnie powinna być cieplejsza w innych obszarach.

Gdy już określimy położenie kanałów chłodzących, musimy określić ich ilość i średnicę. W naszej przykładowej formie użyjemy kanałów o średnicy 1/4" rozwierconych do średnicy 11.1 mm (ta firma używa kanałów 1/4” jako standard). To będzie wymagało 265 litrów wody na minutę, aby otrzymać przepływ turbulentny. Przepływ turbulentny zwiększa efektywność kanałów wodnych i jest najłatwiej osiągalny poprzez zapewnienie odpowiedniej przepływu wody w przeciwieństwie do używania skręconych przegród lub innych urządzeń mechanicznych. Średnica ¼” jest zazwyczaj najlepszym kompromisem. Cieńsze kanały chłodzące chłodzą lepiej niż duże (oczywiście przy odpowiednim rozstawie) i rurki o średnicy ¼” są nadal wystarczająco duże żeby być łatwe w obróbce i czyszczeniu.

Kanały chłodzące powinny być rozstawione co 2-3 średnice własne. Powinny one wynosić około 25,4 mm dla średnicy ¼” (rozwierconej do 11.1 mm). Naszym celem jest spadek temperatury o 2 – 4 stopni na całej powierzchni formy. Takie rozstawienie rurek powinno to zapewnić.

Inne czynniki

Pewne założenia muszą zostać przyjęte na podstawie informacji klienta. Czy formy mają mieć standardowe kanały chłodzące lub złączki? Jaki jest rozmiar kontrolerów temperatury? Czy rozgałęźniki będą zamontowane na formie czy też kanały chłodzące będą podłączane do rozgałęźników na wtryskarce?

Następnym ważnym elementem jest pokrycie płyty mocującej. Uchwyty mocujące formy muszą pokrywać minimum dwie trzecie płyty mocującej wtryskarki, aby uniknąć uszkodzenia urządzenia na skutek ugięcia płyty. Płyty mocujące często uginają się nawet od 0.3 mm do 1.7 mm w centrum w czasie, gdy forma jest napełniana. Jednocześnie trudno uzyskać precyzyjne kształty w środku odkształcającej się formy. Przyczyną tego zachowania są małe rozmiary lub słaba konstrukcja formy. Mogą występować krzywki lub komponenty utrudniające dopasowanie formy do określonego urządzenia. Jeżeli forma ma być poddana wielu zmianom lub mocowana w wielu różnego rozmiaru i marki maszynach wtedy użycie podstawy z wysokiej jakości stali oraz ze wzmocnieniem środka i z blokadą jest dobrym rozwiązaniem.

Jeżeli dobrze rozwiążemy chłodzenie, wybierzemy odpowiedni materiał na wkładkę formującą oraz odpowiednią podstawę formy stworzymy formę przystosowaną do wymagań klienta. Oczywiście wszystkie te elementy wiążą się z ceną i ważne jest uświadomienie klientowi, jakie są różnice i korzyści albo stracimy klienta na rzecz formy gorszej jakości, lecz tańszej

Podsumowanie

Wybierając materiał formy redukujący czas cyklu roboczego musimy wziąć pod uwagę ograniczenia przewodzenia ciepła przez tworzywo sztuczne tak samo jak przez jak przewodzenie przez stal. Prawidłowe zrozumienie tego procesu umożliwia projektantom formy dobranie materiału odpowiedniego do sytuacji. Następnie, przy ustalaniu prawidłowego rozmiaru kanałów chłodzących oraz ich rozmieszczenia, należy wziąć pod uwagę wpływ średnicy kanału chłodzącego na transport ciepła (mniejsze średnice są zazwyczaj lepsze) oraz problem usuwania ciepła ze stref gdzie jest ono skoncentrowane w małej ilości stali formy.

Rysunki

Optymalizowanie projektu formy pod kątem napełniania, chłodzenia i wyjmowania wypraski jest najodpowiedniejszym etapem do rozważania ergonomii produkcji.

Dobry inżynier form musi rozumieć proces formowania, jako że głównym naszym celem jest przewidywanie i kontrolowanie zachowania tworzywa

W dzisiejszych czasach, aby przeprowadzić prawidłowy naukowy proces formowania, forma musi być przygotowana pod kątem procesu, a nie warunki procesu wynikać by miały z ograniczeń, jakie nakłada forma.

Liczba wyświetleń tego artykułu: 16190

Artykuł pochodzi ze strony: www.Narzedziownie.pl
© 2005 - Galactica Sp.j.