Chłodzenie konformalne form wtryskowych

Chłodzenie konformalne form wtryskowych

dr inż. Przemysław Postawa
Chłodzenie konformalne form wtryskowych
Całkowity czas procesu wtryskiwania jest w większości zależny od długości trwania fazy ochładzania
wypraski w formie. Czas ten jest konieczny do uzyskania przez wtryśnięty do formy płynny materiał
polimerowy wystarczającej sztywności, umożliwiającej jego bezpieczne usunięcie oraz struktury
gwarantującej uzyskanie założonych właściwości wytrzymałościowych i użytkowych. Efektywne
chłodzenie formy wtryskowej jest bardzo ważne, ponieważ nie tylko wpływa na czas trwania cyklu, ale
również na jakość produkowanych wyprasek wtryskowych. Tradycyjne kanały chłodzące są zwykle
wykonywane, jako proste otwory wiercone w bloku formy, co powoduje ograniczenia geometryczne w
ich kształcie i przebiegu, a tym samym w przepływie cieczy chłodzącej i odbiorze ciepła
w poszczególnych jej obszarach. W artykule przedstawiono nowoczesne metody wytwarzania form
wtryskowych z wykorzystaniem tak zwanych technik przyrostowych bezpośredniego topienia proszków
metalu promieniem lasera.
Metody termostatownia form wtryskowych
Metoda termostatowania formy wtryskowej oraz wykorzystany w niej osprzęt i urządzenia są związane
z:
rodzajem przetwarzanego tworzywa (termoplastyczne, termoutwardzalne);
strukturą morfologiczną tworzywa (częściowo krystaliczne lub bezpostaciowe);
wielkością formowanego detalu oraz liczbą gniazd formy (co jest związane z wielkością
narzędzia i systemem termostatowania);
wymaganiami stawianymi wyrobowi gotowemu.
W przypadku tworzyw termoutwardzalnych formę należy ogrzewać do temperatury umożliwiającej
proces sieciowania, dzięki którym materiał staje się sztywny. Tworzywa termoplastyczne ze względu
na swoją odmienną budowę i zachowanie się w podwyższonej temperaturze wtryskuje się do formy o
temperaturze znacznie niższej od temperatury wtrysku [6, 7] (wyjątek stanowi technologia heat-cool).
Ważne jest również rodzaj przetwarzanego tworzywa, jego budowa morfologiczna (częściowo
krystaliczna lub bezpostaciowa) wielkość detalu oraz liczba gniazd zastosowanych w narzędziu.
Kolejne kryterium związane jest z wymaganiami stawianymi gotowemu wyrobowi i dotyczy wymiarów
oraz ich tolerancji, powtarzalności cyklu, deformacji postaciowej oraz w wielu przypadkach wysokiej
estetyki powierzchni wyrobu. Wszystkie wspomniane czynniki determinują projekt oraz wykonanie
narzędzia, jakim jest forma wtryskowa i dobór urządzeń do jej termostatowania.
Układy termostatowania form
W skład układu termostatowania formy wchodzą następujące elementy i podzespoły:
układ termostatowania formy wtryskowej (kanały chłodzące lub grzewcze wykonane w formie
wtryskowej);
zewnętrzne urządzenie grzewcze lub chłodzące dostarczające medium termostatujące do
formy wtryskowej.
Zadaniem urządzeń termostatujących jest odpowiednie przygotowanie cieczy termostatującej
(podgrzanie do zadanej temperatury), a następnie przetransportowanie jej poprzez przewody
ciśnieniowe do formy wtryskowej, gdzie za pomocą systemów kanałów chłodzących następuje
wymiana ciepła pomiędzy formą rozgrzewaną przez płynne tworzywo a cieczą [1–4]. Przy czym
efektywność wymiany ciepła jest uzależniona od następujących czynników:
1
wielkości formy (jej pojemności
cieplnej);
różnicy temperatury formy i wtryskiwanego tworzywa;
materiału, z jakiego jest wykonana forma (przewodnictwo cieplne);
budowy układu chłodzącego (rozmieszczenie kanałów, ich przekroje oraz długość);
typu zastosowanego medium termostatującego;
wydajności urządzenia termostatującego.
Z powyższych względów duże formy wtryskowe wykonuje się w postaci wkładek formujących
odizolowanych od części konstrukcyjnej formy z pomocą przekładek zmniejszających wymianę ciepła
(straty) do części formy nie biorącej udziału w bezpośrednim formowaniu detalu. Wkładki wykonuje się
z materiałów o dużym współczynniku przewodnictwa cieplnego. Interesujący artykuł poświęcony
urządzeniom termostatującym ukazał się w nr 3 z 2011 r. Tworzywa Sztuczne w Przemyśle [5].
Kolejnym bardzo ważnym elementem formy jest system kanałów, którymi przepływa medium
termostatujące. Powinny one być umieszczone możliwie blisko powierzchni, a ich układ powinien
zapewniać szybką wymianę ciepła. Ich przekrój powinien wahać się od 4 do 10 mm – przy czym jest to
uzależnione między innymi od odległości od sąsiadujących kanałów i wielkości formy, a tym samym
ilości ciepła koniecznego do odebrania lub dostarczenia do lub od formy podczas procesu
technologicznego.
Rozwiązania konstrukcyjne układów chłodzenia form wtryskowych
Największe kłopoty związane z zapewnieniem zadanej temperatury występują przy formach
z ruchomymi rdzeniami oraz długimi częściami stemplowymi, ponieważ bardzo trudno zapewnić
w tych elementach odpowiedni przepływ medium, co w połączeniu z małą pojemnością cieplną
powoduje bardzo szybkie nagrzewanie się do temperatury uniemożliwiającej często poprawne
wyformowanie wypraski.
Stosuje się wtedy wiele zabiegów konstrukcyjnych mających na celu zintensyfikowanie przepływu
w celu odbioru ciepła (rys. 1). Dla części stemplowych o dużych rozmiarach stosuje się rdzenie ze
spiralnym nacięciem (toczonym lub frezowanym) zwiększające powierzchnię wymiany ciepła pomiędzy
wypraską, a cieczą termostatującą (rys. 2).
Istnieje jednak wiele rozwiązań konstrukcyjnych form wtryskowych, w których kształt gniazda (gniazd)
układ wypychaczy lub innych elementów funkcjonalnych formy uniemożliwia poprowadzenie w sposób
prawidłowy kanałów chłodzących. Obsługa takich form jest bardzo trudna i wymaga stosowania innych
zabiegów, które w pośredni sposób są w stanie schłodzić poszczególne jej obszary (nadmuch zimnego
powietrza przez dyszę w fazie wyformowania wypraski lub natrysk zimnej wody). Należy pamiętać, że
są to metody, które tylko połowicznie rozwiązują problem, ponieważ znacząco wydłużają czas cyklu
i nie pozwalają na powtarzalność procesu.
W takich przypadkach zasadne staje się wytwarzanie elementów form, gniazd (wkładek) lub części
suwaków, z wykorzystaniem tak zwanych technologii przyrostowych, umożliwiających wytwarzanie
kanałów termostatujących w dowolnych przekrojach i dowolnych kształtach.
a)
b)
c)
Rys. 1.Zastosowanie
różnych rozwiązań
konstrukcyjnych przy
chłodzeniu elementów
formy typu rdzeń: a)
przegroda; b) opływanie;
c) z wykorzystaniem
ciepłowodów
2
Rys. 2. Przykłady różnych odmian systemów chłodzenia części stemplowych form
Metody przyrostowe w wytwarzaniu elementów form wtryskowych
Metody przyrostowe swoją genezę wywodzą z metod szybkiego prototypowania (Rapid Prototyping),
w których to chodzi o szybkie wytwarzanie bardzo skomplikowanych kształtów detali z dużą
dokładnością, w bardzo krótkim czasie. Obecnie czas wdrażania nowych projektów do produkcji
wielkoseryjnej jest bardzo krótki, a ograniczeniami są tylko technologie wytwarzania prototypów oraz
narzędzi [6]. W dążeniu do skrócenia tego czasu, niejako naturalnym następstwem szybkiego
prototypowania jest ciągły rozwój metod szybkiego wytwarzania narzędzi RT (Rapie Tooling).
Zastosowanie i rozwój tych metod pozwala na bardzo szybkie i elastyczne reagowanie na potrzeby
i wymagania odbiorców swoich wyrobów (zmiana kształtu narzędzi), a ponadto pozwala uzyskiwać
wymierne korzyści wynikające ze skrócenia czasu produkcji zmniejszenia kosztów [7–9].
Jedną z odmian RT (Rapid Tooling) są metody przyrostowe wytwarzania narzędzi. A jedną z aplikacji
jest wytwarzanie wkładek form wtryskowych o dowolnym układzie kanałów termostatujących, co do
przekroju poprzecznego i przebiegu wewnątrz formy.
Daje to nieograniczone możliwości w projektowaniu i wytwarzaniu układów chłodzenia dostosowanych
do kształtu formowanego wytworu, dając jednocześnie w niektórych przypadkach skrócenie czasu
ochłodzenia a tym samym i czasu cyklu nawet o 40% [10–11].
a)
b)
Rys. 3. Kształt kanału chłodzącego formy wtryskowej: a) tradycyjny, b) wytworzony w oparciu o metody
przyrostowe
3
Metody przyrostowe w wytwarzaniu
narzędzi do przetwórstwa polegają na spiekaniu lub całkowitym przetapianiu proszków metali za
pomocą wiązki światła lasera. W pierwszym przypadku konieczna jest dodatkowa operacja
infiltrowania miedzią bądź brązem, ponieważ otrzymana struktura jest porowata. Natomiast
technologia przetapiania nie wymaga dodatkowych zabiegów technologicznych poza finalną obróbką
powierzchni (HSM, EDM, polerowanie, fakturowanie), ponieważ przetopieniu ulega
99,9% proszku metalu.
Narzędzie budowane jest warstwa po warstwie, a promień lasera topi tylko te obszary, które mają
zostać połączone z wcześniej nałożoną warstwą. Istnieje możliwość dowolnego prowadzenia kanałów,
które teraz mogą przebiegać w równej odległości od powierzchni formy, dając możliwość
równomiernej stabilizacji temperatury formy.
Na rysunku 3a przedstawiono przekrój przez formę wtryskową, w której zastosowano tradycyjny kanał
chłodzących w postaci wierconych, połączonych otworów. Tak wykonany kanał chłodzący jest
połączeniem kilku bądź kilkunastu otworów. Przepływ w takim kanale ma charakter turbulentny, co
powoduje duże opory przepływu, a tym samym duże spadki ciśnienia na drodze przepływu medium
termostatującego. Widoczne jest również, że w każdym miejscu formy odległość kanału chłodzącego
od powierzchni gniazda formy jest inna, co przyczynia się do nierównomiernego odbioru ciepła
z poszczególnych powierzchni, a tym samym do zróżnicowanego pola temperatury powierzchni
gniazda formy. Różna temperatura poszczególnych obszarów formy powoduje uzyskanie różnej
struktury wypraski i różnych jej właściwości (krystaliczność, połysk itp.).
Przedstawiony na rysunku 3b układ termostatowania jest pozbawiony tych niedoskonałości, a jego
efektywność i dokładność termostatowania jest znacząco korzystniejsza z punktu widzenia jakości
wypraski.
Podstawy procesu
Pierwszym etapem budowania formy metodami przyrostowymi jest stworzenie przestrzennego
modelu (1) w dowolnym środowisku CAD (rys. 4a). Następnie tak przygotowany model jest obrabiany
przez oprogramowanie maszyny drukującej. Bryła zamieniana jest na dwuwymiarowe obrazy
odpowiadające poszczególnym warstwom. Tak przygotowane dane przesyłane są do maszyny, która
następnie z magazynu proszku M przenosi na stół roboczy S pojedynczą warstwę proszku metalowego
(2). Naniesiona warstwa proszku jest następnie topiona za pomocą lasera drukującego (3). Informacja
o tym, które obszary w poszczególnych warstwach mają być stopione pochodzą z wcześniejszej
obróbki trójwymiarowej (przestrzennej) bryły. Po przetopieniu warstwy stół S obniża się i nakładana
jest kolejna warstwa proszku, po czym cała operacja się
powtarza (4).
a)
b)
Rys. 4. Etapy wytwarzania form wtryskowych metodami przyrostowymi DLMS (Direct Metal Laser Sintering) –
opis w tekście
4
Drukowanie z wykorzystaniem tej technologii jest uzależnione od wielkości, grubości warstwy,
dokładności i użytego materiału, a trwa od kilkunastu do kilkudziesięciu godzin. Opisywana
technologia umożliwia przetwarzanie proszków różnych metali od odmian stali narzędziowych poprzez
brąz, mosiądz a na tytanie skończywszy. Zastosowanie obróbki cieplnej po procesie drukowania
powoduje usunięcie naprężeń własnych, a dodatkowe hartowanie daje możliwość uzyskania twardości
na poziomie 50-54 HRC.
Rys. 5
Przekrój przez część
roboczą urządzenia DLMS
Część robocza urządzenia składa się ze stołu roboczego (rys. 5), na którym umieszcza się platformę
startową, na której będzie budowana zasadnicza część rdzenia, wkładki, czy małej formy. Następnie
układ pomiarowy wyznacza odległość do platformy startowej i zasypuje proszkiem metalu całą
komorę roboczą, aż do wysokości platformy startowej, po czym promień lasera kierowany poprzez
ruchome zwierciadło stapia cząsteczki proszku (rys. 6b) metalu w miejscach, które mają pozostać lite.
Pozostałe obszary pozostają niespojone. Na rysunku 6a przedstawiono widok komory roboczej
podczas spiekania kolejnej warstwy próbki do badań wytrzymałości na rozciąganie. W zależności od
założonej dokładności i ziarnistości stosowanego proszku metalu, można uzyskać chropowatość na
różnym poziomie.
a)
b)
Rys. 6. Proces bezpośredniego spiekania laserowego metalu: a) widok komory podczas pracy, b) powiększenie proszku
stali 1.2709 (Maraging Steel MS1)
5
Po procesie spiekania powierzchnia ma charakterystyczną strukturę (rys. 7a) i ostre krawędzie, co jest
spowodowane koncentracją naprężeń cieplnych na brzegach formowanego detalu. Jednak w
niektórych zastosowaniach jakość powierzchni i dokładność wymiarowa pozwala na bezpośrednie
wykorzystanie wytworzonego narzędzia do produkcji. W przypadku wkładek do form wtryskowych
zwykle zakłada się naddatek technologiczny (około 0,5 mm na każdą stronę), który następnie usuwa
się w procesach obróbki ubytkowej (wiercenie, frezowanie HSM, elektrodrążenie EDM itp.). Po
dokładnym ustaleniu wymiaru można jeszcze powierzchnię poddawać pozostałym metodom obróbki
jak: polerowanie (rys. 7b), fakturowanie fotochemiczne, trawienie itp.
a)
b)
Rys. 7. Przedmiot wykonany metodą DLMS: a) bezpośrednio po procesie wytwarzania, b) po obróbce wykańczającej
polerowanie).
Przykłady zastosowań
Dzięki zupełnie nowemu procesowi wytwarzania form wtryskowych lub ich części zmieniło się
podejście do konstruowania i ograniczeń, co do stosowania i wykonania układów termostatowania
form wtryskowych. Zastosowanie technologii przyrostowych oprócz zasadniczego skrócenia czasu
cyklu (nawet o 40%) poprzez możliwość bardziej intensywnego ochładzania, daje szereg innych
możliwości:
skrócenie czasu chłodzenia wyprasek wtryskowych poprzez zastosowanie równoodalonych od
powierzchni formy kanałów chłodzących;
zapewnienie małego gradientu temperatury na powierzchni narzędzia podczas przetwórstwa;
chłodzenie części suwaków lub rdzeni, gdzie poprowadzenie tradycyjnych kanałów jest
niemożliwe;
lokalne chłodzenie obszarów wyprasek w celu zmiany właściwości (stopień krystaliczności,
skurcz itp.);
chłodzenie newralgicznych obszarów dysz gorącokanałowych;
chłodzenie skomplikowanych elementów formujących form wtryskowych;
selektywny odbiór strumienia ciepła z poszczególnych obszarów wypraski, a tym samym
możliwość wytworzenia gradientu struktury (materiały gradientowe);
zmniejszenie deformacji wyprasek poprzez równomierny odbiór ciepła.
Chłodzenie stref dyszy gorącokanałowej.
Podczas wtryskiwania tworzyw z wykorzystaniem układów gorącokanałowych następuje podczas
przepływu tworzywa w dyszy jego intensywne rozgrzewanie na skutek ścinania i dużych ilości ciepła
generowanego (tarcie). Czasem pomimo odłączenia grzałek dyszy jej temperatura nadal rośnie.
Rozwiązaniem miały być kanały chłodzące, które odbierałyby nadmiar ciepła. Jednak zastosowanie
tradycyjnych wierconych daje bardzo nieefektywny odbiór ciepła, a sam obszar przewężki i tak
pozostaje mocno przegrzany (rys. 8 a). Natomiast zastosowanie kanału konformalnego uzyskanego za
pomocą metod przyrostowych budowania narzędzia pozwolił na bardzo intensywne wychłodzenie tego
newralgicznego obszaru dyszy.
a)
b)
Rys. 8. Dysza gorącokanałowa z
chłodzeniem obszaru
przewężki: a) tradycyjna, b) z
kanałem konformalnym
6
Chłodzenie trudnodostępnych obszarów form wtryskowych
Metoda przyrostowa przydatna jest wszędzie tam, gdzie bardzo trudno jest doprowadzić medium
chłodzące (żebra) i przeprowadzić kanały chłodzące z powodu bardzo ciasnej zabudowy formy i dużej
liczby elementów mocujących bądź ruchomych (rdzenie, suwaki) rys. 9 i 10.
Rys. 9. Zastosowanie kanałów chłodzących
konformalnych
w złożonych wkładkach i formach
Rys. 10. Elementy rdzeni i części stemplowych
chłodzonych kanałami konformalnymi
Technologia ta pozwala na pełną dowolność w prowadzeniu kanału oraz jego kształtu. Nie ma tu
ograniczeń kształtu narzędzia, jak w przypadku obróbki ubytkowej, a zatem kanał chłodzący tak
naprawdę może mieć kształt płaszczyzny chłodzącej, która poprzez duże pole powierzchni wymiany
ciepła znacznie szybciej realizuje fazę ochładzania wypraski (rys. 11 i 12). Na rysunku 11a
przedstawiono element wykonany w technologii przyrostowej. Wykonanie tu kanału chłodzącego z
wykorzystaniem tradycyjnych technologii byłoby niemożliwe lub bardzo kosztowne. Zaprojektowany
układ chłodzenia (rys. 11b) umożliwia bardzo intensywny odbiór ciepła. Ponadto należy zauważyć, że
tylko górna część stempla (ciemnoszary kolor) jest wytwarzana technologią DMLS, dolna część
wkładki jest przygotowana na tokarce. Na rysunku 11c przedstawiono przecięty kanał (płaszcz)
chłodzący wkładki.
a)
b)
c)
Rys. 11.
Przykład płaszcza chłodzącego
7
Rys. 12. Przykład płaszcza chłodzącego opartego na
kanałach okrągłych.
Na rysunku 13 przedstawiono tradycyjny kanał chłodzący jednego z suwaków formy i drugi, w którym
zastosowano kanał konformalny. Pozwala on na równomierny odbiór ciepła, a tym samym sprzyja
mniejszym naprężeniom własnym i późniejszym deformacjom i paczeniu się wypraski.
Rys. 13. Przykłady kanałów chłodzących:
tradycyjny i konformalny
Aby przedstawić korzyści płynące z zastosowania metod wytwarzania form w oparciu o technologie
przyrostowe, posłużę się rzeczywistym przykładem liczbowym. Produkowanym elementem była
wypraska przedstawiona na rysunku 14, o masie 175 g i maksymalnej grubości ścianki 9 mm.
Rys. 14. Przykład produkowanego elementu z PEHD:
a) widok detalu; b) widok części stemplowej
z użebrowaniem
Przy tak grubej ściance i mocnym użebrowaniu wewnątrz wypraski można się spodziewać długiego
czasu chłodzenia. Czas cyklu z wykorzystaniem konwencjonalnego chłodzenia wynosił 78 s.
Zastosowano technologię chłodzenia żeber Ampco® core. Po zastosowaniu chłodzenia konfromalnego
czas cyklu zmniejszył się do 62 s., co daje 20% oszczędności na jednym cyklu. Koszt wykonania formy
był większy o 3200 €. Zwrot poniesionych kosztów nastąpił po 4 tygodniach!
8
Podsumowanie
W technologii przetwórstwa tworzyw każdy element procesu technologicznego jest ważny, z punktu
widzenia jakości i powtarzalności produkcji, jednak proces termostatowania formy wtryskowej i
związane z nim urządzenia oraz układ kanałów w formie wydaje się być dominujący. Warunki
ochładzania tworzywa w formie wpływają nie tylko na właściwości fizyczne, jakość i estetykę, ale
przede wszystkim na cenę produktu finalnego, co nie pozostaje bez znaczenia na opłacalność
produkcji i zyski dla firmy. W czasach bezwzględnej walki o utrzymanie opłacalności produkcji w
krajach Europy w porównaniu z Chinami, każda nowa technologia powodująca skrócenie czasu
wytwarzania elementów z tworzyw polimerowych przy zachowaniu założonej jakości jest bezcenna i
bardzo szybko znajduje zastosowanie w szerokiej grupie wytwórców. Obserwując rozwój urządzeń i
technik termostatowania narzędzi można zauważyć, że idzie on w dwóch kierunkach: ekstremalnego
skrócenia czasu chłodzenia oraz uzyskania nowych właściwości wyprasek wtryskowych poprzez
świadome i sterowalne wytworzenie odpowiedniego pola temperatury w poszczególnych częściach
formy wtryskowej tak, aby lokalnie wpłynąć na strukturę (stopień krystaliczności). Celem tej publikacji
jest zainteresowanie tą stosunkowo jeszcze nową metodą wytwarzania części form i zwrócenie uwagi
na to, że zawsze konieczne jest dokonanie analizy ekonomicznej opłacalności takiego zabiegu
konstrukcyjnego. Pamiętać należy również, że większości wytwarzanych form do ich prawidłowej pracy
wystarczy w zupełności tradycyjny system termostatowania oparty na prostych wierconych kanałach.
Literatura:
[1] D.E. Dimla, M. Camilotto, F. Miani: Design and optimisation of conformal cooling channels in
injection moulding tools, Journal of Materials Processing Technology 164–165 (2005) 1294–1300.
[2] Y. Shiraishi, H. Norikane, N. Narazaki, T. Kikutami: Analysis of heat flux from molten polymers to
molds In injection molding processes, International Polymer Processing, vol. VI, nr 4, Hanser Publ.,
Munich, 2001, s. 166–-175.
[3] L. Sridhar, K. Narh: The effect of temperature dependent thermal properties on process parameter
prediction in injection molding, International Heat Mass Transfer, vol. 27, Elsevier Science, 2000, s.
325–332.
[4] T. Sterzyński: Interpretacja własności przetwórczych tworzyw termoplastycznych jako czynnik
determinujący właściwe prowadzenie procesu wtrysku, Praca zbiorowa pt. Wtrysk termoplastów,
Wydawnictwo PAN-SIMP, s. 10, Rydzyna 1983.
[5] „Wysokiej klasy termoregulatory” – Tworzywa Sztuczne w Przemyśle, nr 3, 2011r. s. 15-17
[6] K.E. Oczoś: Rozwój kształtowania przyrostowego wyrobów. Mechanik, 80(2007)2, 65–73.
[7] K.E. Oczoś: Intensywna ekspansja rapid-technologii. Mechanik, 80(2007)7, 539–545.
[8] www.kopp-metallveredlung.ch
[9] K.E. Oczoś: RAPID PROTOTYPING – aktualne dokonania w zakresie rozwoju konstrukcji urządzeń i
przetwarzanych tworzyw sztucznych. Mechanik, 79(2006)4, 247–261.
[10] K.E. Oczoś: Nowe materiały w procesach kształtowania przyrostowego wyrobów. Mechanik,
80(2007)3, 125–130.
[11] P. Park: Through the doors: Materialise. tct Magazine, 15 (2007)6, 24–25.
dr inż. Przemysław Postawa
Instytut Przetwórstwa Tworzyw i Zarządzania Produkcją
Politechnika Częstochowska
Al. Armii Krajowej 19C, 42-200 Częstochowa
e-mail: [email protected]
9