Chłodzenie form

Chłodzenie form

wtryskowych

wtryskowych

Mariusz
Ambroziak

WADIM PLAST

Temperatura formy ( powierzchni formującej T

f

) zależy od

rodzaju wtryskiwanego materiału. Tworzywa amorficzne
wymagają raczej niskiej wartości T

f

, w przeciwieństwie do

tworzyw częściowo krystalicznych. Temperatura
powierzchni formującej realizowana jest m. in. poprzez
kanały chłodzące co wpływa na:

a) wydajność produkcji (materiały amorficzne)

podstawowe parametry: krótki czasu cyklu

b) jakość produkcji (materiały częściowo krystaliczne)

podstawowe parametry:
- wygląd powierzchni,
- skurcz,
- naprężenia,
- jednorodność struktury, zawartość fazy krystalicznej
- stałość wymiarów,
- wielkość deformacji (paczenie).

Dlaczego kontrolujemy temperaturę

Dlaczego kontrolujemy temperaturę

narzędzia?

narzędzia?

Dlaczego kontrolujemy temperaturę

Dlaczego kontrolujemy temperaturę

narzędzia?

narzędzia?

Czas chłodzenia stanowi aż do 70 % czasu cyklu (dotyczy
wyprasek grubościennych).

Odpowiednio intensywne chłodzenie skraca czas cyklu poprzez
skrócenie czasu chłodzenia.

czas
maszynowy
(otwarcie,
zamknięcie
formy)

15%

czas wtrysku

5%

czas docisku

10%

czas chłodzenia

70%

Czas cyklu wtrysku

Ad a) Zwiększenie wydajność produkcji:

Dlaczego kontrolujemy temperaturę

Dlaczego kontrolujemy temperaturę

narzędzia?

narzędzia?

Ad b) Wzrost wydajności i jakości
produkcji

Gęsto i równomiernie rozmieszczone kanały chłodzące nie
tylko zwiększają wydajność produkcji, ale i poprawiają jej
jakość (

brak deformacji wypraski gdy jest równomiernie

chłodzona

)

Lepsza wypraska w krótszym
czasie

Gorsza wypraska w dłuższym
czasie

Dlaczego kontrolujemy temperaturę

Dlaczego kontrolujemy temperaturę

narzędzia?

narzędzia?

TEORETYCZNY WZÓR DO OBLICZANIA CZASU
CHŁODZENIAWYPRASKI

S - grubość ścianki wypraski [mm]



M –

temperatura wtrysku [C]



W

–

średnia

temperatura powierzchni formującej [C]



E

–

średnia

temperatura wyrzucania wypraski [deg C]

a

eff

– efektywna dyfuzja termiczna polimeru [mm/s] – stała

materiałowa

(a

eff

= przewodność cieplna / (ciepło właściwe * gęstość)

Empiryczny, skrócony
wzór:

t

k

=(2÷3)*s

2

Zalecane temperatury formy, płynnego tworzywa i

Zalecane temperatury formy, płynnego tworzywa i

wyrzucania wypraski dla różnych termoplastów

wyrzucania wypraski dla różnych termoplastów

Zalecane temperatury formy, płynnego tworzywa i

Zalecane temperatury formy, płynnego tworzywa i

wyrzucania wypraski dla termoplastów technicznych firmy

wyrzucania wypraski dla termoplastów technicznych firmy

Bayer

Bayer

Dlaczego stosujemy regulatory temperatury powierzchni

Dlaczego stosujemy regulatory temperatury powierzchni

formującej (mikrochłodziarki lub termostaty)?

formującej (mikrochłodziarki lub termostaty)?

Forma nie
termostatowana:

- w dłuższym czasie
osiąga właściwą
temperaturę pracy
(dłuższa faza
rozruchu, więcej
braków
produkcyjnych)

-większe opory
wtrysku tj większe
ciśnienie

- gorsza jakość
wypraski

Czas rozruchu
formy

Temperatura powierzchni
formującej dla formy

z

termostatem

i

bez termostatu

–

faza rozruchu formy

90C

t

1

t

2

t

1

<

t

2

Forma termostatowana zapewnia precyzję regulacji temperatury
bez ograniczenia wielkości przepływu medium – powtarzalność
produkcji

Budowa formy

Budowa formy

oraz technologia

oraz technologia

przetwórstwa

przetwórstwa

zależy od

zależy od

rodzaju

rodzaju

przetwarzanego

przetwarzanego

materiału

materiału

(amorficzny czy

(amorficzny czy

krystaliczny)

krystaliczny)

tworzywa
amorficz
ne

tworzywa
krystalicz
ne

Temperatura formy - stopień krystalizacji

Temperatura formy - stopień krystalizacji

Wpływ temperatury powierzchni
formującej na gęstość i stopień
krystalizacji wypraski

A

B

C

A- wypraska z tworzywa

częściowo krystalicznego

w

stanie wyjściowym (tuż po
wtrysku)

– krystalizacja

pierwotna

B – wypraska wygrzewana w
temperaturze 70°C przez 24
godziny

– krystalizacja wtórna

C - wypraska wygrzewana w
temperaturze 100°C przez 24
godziny

– krystalizacja wtórna

Wzrost zawartości fazy
krystalicznej jest wprost
proporcjonalny do wzrostu
właściwości
mechanicznych,
termicznych i chemicznych
wypraski

Im wyższa temperatura
powierzchni formującej tym
większa zawartość fazy
krystalicznej co jest
zazwyczaj bardziej
korzystne.

Temperatura formy – skurcz (krystalizacja)

Temperatura formy – skurcz (krystalizacja)

Skurcz pierwotny

(kolor czerwony) i

skurcz wtórny

(kolor

zielony) zależnie od temperatury formy dla Durethan B30 S (PA 6
nie wzmocniony)

krystaliza

cja

pierwotna

(Sferolity)

krystaliza

cja wtórna

(pomiędzy
sferolitam

i)

Skurcz wtórny jest
mniejszy dla wyższych
temperatur powierzchni
formującej

Temperatura formy-struktura

Temperatura formy-struktura

Struktura warstwy wierzchniej dla różnych temperatur powierzchni formującej

Warstwa
wierzchni
a -
amorficz
na

Rdzeń -
struktura
krystalicz
na

Struktura z
reguły
niekorzystna

(warstwa
amorficzna ma
znacznie niższe
właściwości
mechaniczne niż
warstwa
krystaliczna)

Tg

T
m

Szybkość
krystalizacji w
funkcji
temperatury

ma
x

Struktura korzystna

(jednorodna faza
krystaliczna w całym
przekroju)

Temperatura formy - naprężenia

Temperatura formy - naprężenia

Pęknięcia naprężeniowe w wyprasce z

tworzywa

amorficznego

w zależności od temperatury formy

(wypraska składowana w n-Heptanie)

Boki mogą się odkształcać a naroże nie. Im temp formy
niższa tym mniejsza zdolność do relaksacji naprężeń

Pęknięcia
naprężeniowe

Temperatura formy-naprężenia

Temperatura formy-naprężenia

Naprężenia w wyniku
chłodzenia

Naprężenia  gdy:

-różnica temperatur ,

- współczynnik rozszerzalności
liniowej polimeru ,

- moduł Younga polimeru ,

Temperatura formy-deformacje

Temperatura formy-deformacje

Wpływ temperatur powierzchni formujących na
deformacje wypraski

NIEROWNOMIER
NE CHŁODZENIE
przyczyną
deformacji !

Plastyczny rdzeń

Temperatura formy-deformacje

Temperatura formy-deformacje

Wpływ temperatur
powierzchni formujących
na deformacje wypraski

NIERÓWNOMIER
NE CHŁODZENIE
– Przyczyna
deformacji

RÓWNOMIERNE
CHŁODZENIE

Naprężenia

Naprężenia

1. „

Rozwój” naprężeń w wyprasce

wywołanych przepływem
tworzywa w gnieździe
formującym.

Parametry wtrysku, które

obniżają naprężenia ścinające płynącego
tworzywa obniżają również jego naprężenia
szczątkowe. Do parametrów tych należą:
wyższe temperatury wtrysku, wyższe
temperatury powierzchni formującej,
dłuższy czas wypełniania gniazda (mniejsze
prędkości), obniżenie ciśnienia docisku,
krótsze drogi płynięcia.

2. „Rozwój” naprężeń
wywołanych
równomiernym
chłodzeniem wypraski

2a „Rozwój” naprężeń
wywołanych
nierównomiernym
chłodzeniem wypraski

Temperatura formy-wygląd powierzchni

Temperatura formy-wygląd powierzchni

Zmiana połysku wywołana
różną temperaturą formy –
obudowa lusterka
samochodowego z Novodur
(ABS)

Zmiana wyglądu powierzchni
wypraski zależnie od
temperatury formy.
Durethan BKV 30 (PA 6,
GF30)

Włókna
szklane
na
powierzc
hni
wypraski

Powierzch

nia

błyszcząca

Powierzchnia

matowa

(tworzywo

lepiej

odwzorowuje

się w

nierównościa

ch

powierzchni

formującej)

Brak
włókien
szklanych
na
powierzch
ni
wypraski

Wymagania dla układu chłodzenia formy

Wymagania dla układu chłodzenia formy

wtryskowej

wtryskowej

1.Ustalona „średnia” temperatura powierzchni
formującej (podstawą ustalenia wysokości tej
temperatury jest doświadczenie przetwórcy i
wytyczne producenta tw.) powinna być utrzymana tak
dokładnie jak to możliwe –

stosuj termostaty lub

mikrochłodziarki

,

2.Temperatura powierzchni formującej w każdym jej
punkcie

powinna być jednakowa

, ponieważ jej różnice

spowodują różne własności wypraski co doprowadzi do
deformacji (skrzywienia, wypaczenia),

3.Czas chłodzenia a w efekcie czas cyklu powinien być
tak krótki jak to możliwe (dla wymaganej jakości
wypraski) aby zapewnić najniższe koszty wytwarzania

Temperatura formy

Temperatura formy

Średnia temperatura na powierzchni formującej:

Zmiana różnicy temperatur w
zależności od miejsca pomiaru

Zmiany temperatury (5-20
C) na powierzchni

formującej w funkcji czasu
cyklu.

Rzeczywiste
nierównomier
ności

Mierzone
nierównomierności
temperatury (znacznie
mniejsze niż
rzeczywiste)

wtrys
k

wyrzucenie

termopara

Temperatura formy

Temperatura formy

wtrys
k

wyrzucen
ie

Warunki wstępne dla uzyskania optymalnego rozkładu

Warunki wstępne dla uzyskania optymalnego rozkładu

temperatury

temperatury

Termostat, układ kanałów w formie i medium chłodzące tworzą wspólnie

system kontroli temperatury

. Każdy z tych trzech elementów posiada

określone właściwości które wzajemnie wpływają na siebie. Żeby
osiągnąć wcześniej określone cele należy wyznaczyć:

a) Geometria, położenie i liczba kanałów chłodzenia- muszą

gwarantować jednakową temperaturę dla całej wypraski

b) Średnica kanałów chłodzących – zbyt mała średnica powoduje duży

spadek ciśnienia a w efekcie skutkuje koniecznością doboru
specjalnego termostatu (pompa) i/lub wzrostem temperatury na
wyjściu układu chłodzenia.

Różnica

temperatur między wejściem a wyjściem z układu chłodzenia
powinna być jak najmniejsza - poniżej 4 st.C; dla wyprasek
precyzyjnych poniżej 2 st.C.

c) Medium chłodzące powinno posiadać takie parametry termiczne,

które zapewnią najlepszy transfer energii.

Najlepsza jest czysta

woda

d) Intensywność przepływu musi być na tyle duża aby uzyskać przepływ

turbulentny Re>2300

e) Termostat musi posiadać wymaganą moc grzania, chłodzenia oraz

odpowiednią pompę tak aby osiągnąć założoną średnią temperaturę
powierzchni formującej niezależnie od zmieniających się warunków
produkcji

f)

Kierunek przepływu wody w ukł. chłodz. musi być dopasowany do
geometrii wypraski i geometrii kanałów doprowadzających tworzywo
(liczba i lokalizacja przewężek, droga (ścieżka) płynięcia tworzywa,
różne grubości ścianki wypraski, żebra, słupki itp.).

Geometria, położenie i liczba kanałów chłodzenia

a)

a)

Największa równomierność
chłodzenia, mała sztywność
narzędzia

Mniejsza równomierność chłodzenia,
większa sztywność narzędzia, kanały
drogie w wykonaniu

Najmniejsza
równomierność
chłodzenia, większa
sztywność narzędzia,
kanały

tanie w wykonaniu

Geometria kanałów chłodzenia

a)

a)

Wyniki prac projektu europejskiego Hipermolding (symulacje wykonywane w programie do
kalkulacji przepływu ciepła)

Przepływ ciepła [W], przepływ medium [litr/min], Strumień ciepła
[W/mm2] – w zależności od kształtu kanału chłodzącego

a)

a)

Położenie i liczba kanałów chłodzenia

a)

a)

Prowadzenie kanałów chłodzenia

a)

a)

Prowadzenie kanałów chłodzenia w stemplach

a)

a)

Prowadzenie kanałów chłodzenia

a)

a)

a)

a)

Optymalizacja systemu
termostatowania dla naroża
stempla i matrycy z
wykorzystaniem programów do
symulacji MES np.. Cadmould

a)

a)

Wyniki prac projektu europejskiego
Hipermolding

Położenie i liczba
kanałów
chłodzenia

Specjalna geometria kanałów chłodzenia – możliwe do
wykonania technikami przyrostowymi

a)

a)

Wyniki prac projektu europejskiego Hipermolding

Wpływ zanieczyszczeń kanałów chłodzących na
przewodność cieplną

a)

a)

b)

b)

Średnica kanałów chłodzących – straty ciśnienia

Liniowa strata ciśnienia medium w
kanale chłodzącym (p

KK

) jest wprost

proporcjonalna do:

• współczynnika strat liniowych ()
• ilorazu długości kanału do średnicy
(l

TK

/D

KK

)

• gęstości medium (



TM

)

• kwadratu wydajności przepływu (

2

)

Miejscowa strata ciśnienia medium w
kanale chłodzącym (p

KN

) jest wprost

proporcjonalna do:

• ilości zagięć, kolan, przewężeń itp

• współczynnika strat miejscowych
(

KN

)

• gęstości medium (



TM

)

• kwadratu wydajności przepływu (

2

)

Charakterystyki pompy i układu

b)

b)

Straty ciśnienia w funkcji długości kanałów - dla różnych
wielkości przepływu i średnic kanałów

Średnica kanałów chłodzących

c)

c)

Czysta woda jest najlepsza

Porównanie wody i oleju

temperatura medium
średnica kanału
wielkość przepływu

Dla tych warunków współczynnik przejmowania
ciepła  jest następujący:

Woda
Olej

Rodzaj medium chłodzącego

d)

d)

Współczynnik przejmowania ciepła przez medium chłodzące  -

dla wody w funkcji liczby Reynolds’a

Re = (V *
d) / 

Przepływ

turbulentny
gdy Re >
2300

V- wydajność

przepływu

d – średnica

kanału

 - lepkość

kinematyczna

 

Re

d)

d)

Intensywność przepływu

Przepływ
turbulentny

e)

e)

Termostat z mieszaniem wody dla
obiegu zewnętrznego i obiegu
formy

Termostat z obiegiem formy
odseparowanym od obiegu
zewnętrznego

Diagram mocy chłodzenia dla termostatu jw..

Termostat

f)

f)

Przykład formy dwugniazdowej

z kanałami

doprowadzającymi tworzywo (z
centralnego punktu) oraz z 12 kanałami
chłodzącymi

Jeśli wykonamy wtryski bez przepływu
wody w kanałach chłodzących zauważymy
na czujnikach temperatury (termoparach),
że najgorętsze miejsce znajduje się przy
kanałach doprowadzających tworzywo a
najzimniejsze miejsce znajduje się na
końcu drogi płynięcia.

f)

f)

Dla optymalnego chłodzenia formy
(wypraska bez naprężeń i deformacji,
krótki czas cyklu)

należy intensywnie

chłodzić miejsca w obszarze
doprowadzenia tworzywa a mniej
intensywnie odbierać ciepło z końców
wyprasek.

Po to aby uzyskać wspomniane wyżej
warunki chłodzenia należy

podzielić kanały

chłodzące na strefy

według zasady

wspomnianej wcześniej.

Kierunek przepływu

f)

f)

Jeżeli dysponujemy termostatem o
dużej wydajności przepływu to
możemy strefy o mniejszej
intensywności odbioru ciepła
połączyć równolegle i stworzyć
jedną strefę.
W przeciwnym razie należało by
rozpatrywać oddzielnie 2 strefy o
mniejszej intensywności + 1 strefa o
większej intensywności. .

Przykład dla wysokiej
temperatury powierzchni
formującej

Dla przypadku

średniej temperatury

powierzchni formującej

można

zwiększyć obszar intensywnego
chłodzenia kanałów doprowadzających.

f)

f)

Dla przypadku

niskiej temperatury

powierzchni formującej –

tworzymy

jak najwięcej równoległych kanałów
chłodzących w celu maksymalnego
przepływu i odbioru ciepła.

f)

f)

Przykład formy jednogniazdowej

–

wypełnianie detalu z jednego końca

Rozkład temperatury:
najwyższa przy kanałach
doprowadzających,
najniższa na końcu drogi
płynięcia

Profil chłodzenia musi być odwrotny do
profilu rozkładu temperatury.

f)

f)

  Typowy przykład dla średniej
temperatury powierzchni formującej. 3
strefy regulacji temperatury.

Przykład dla niskiej temperatury
powierzchni formującej. W celu
zapewnienia maksymalnego przepływu w
3 strefach stosujemy

rozdzielacze

zapewniające równoległy przepływ
(zamiast szeregowego).

f)

f)

Tam gdzie najgorętsze miejsce tam doprowadzamy

najzimniejszą wodę

f)

f)

stemp
el

matryc
a

matryc
a

stemp
el

matryc
a

stemp
el

Czas chłodzenia

Czas chłodzenia

Równania do obliczania

czasu

chłodzenia dla różnych
geometrii wypraski

(płytki,

walca długiego, walca
krótkiego, sześcianu, kuli,
rury)

Czas chłodzenia

Czas chłodzenia

Dyfuzja termiczna polimeru - a [mm2/s] w funkcji temperatury powierzchni formującej

a –dyfuzja termiczna
polimeru [mm/s] – stała
materiałowa
(a = przewodność cieplna /
(ciepło właściwe * gęstość)

Nomogramy do określania czasu chłodzenia wypraski w postaci płyty i cylindra

s - Grubość ścianki [mm]
 - średnia temp powierzchni
formującej [C]

t

k

– czas cyklu [s]

Czas chłodzenia

Czas chłodzenia

Wielkości wpływające na czas chłodzenia:

Grubość ścianki wypraski

Temperatura usuwania wypraski

Temperatura powierzchni formującej

Temperatura wtryskiwanego tworzywa

Bilans cieplny

Bilans cieplny

Przepływ ciepła w formie
wtryskowej

-ciepło dostarczone przez uplastycznione tworzywo

-ciepło dopr./oddpr. od otoczenia przez przewodzenie

-ciepło dopr./oddpr. od otoczenia przez konwekcję
-ciepło odprowadzone przez promieniowanie
-ciepło dopr./odpr. Przez medium termostatujace

-ciepło dodatkowe, doprowadzone np. przez system GK

Bilans cieplny

Bilans cieplny

-masa wypraski
-czas cyklu
-różnica
entalpii

Entalpia właściwa dla
tworzyw amorficznych

Entalpia właściwa dla
tworzyw częściowo
krystalicznych

Bilans cieplny

Bilans cieplny

Wymiana ciepła z otoczeniem

Wymiana ciepła między narzędziem a
otoczeniem zależnie od temperatury
medium termostatującego

-temp. zewnętrznej
powie- rzchni formy
wtryskowej

-temp. otoczenia

Największe straty ciepła
wywołuje przewodzenie
ciepła do stołów wtryskarki,
później konwekcja z
powietrzem a najmniejsze
radiacja

Przepływ ciepła od powierzchni formującej

Przepływ ciepła od powierzchni formującej

do medium termostatującego

do medium termostatującego

Przebieg temperatury od powierzchni formującej do kanału

Kryterium projektowe:

Różnica temperatur pomiędzy powierzchnią formującą a cieczą w
środku kanału powinna być mniejsza od 30 st.C.

Przepływ ciepła od powierzchni formującej

Przepływ ciepła od powierzchni formującej

do medium termostatującego

do medium termostatującego

Przebieg temperatury od powierzchni
formującej do kanału dla różnych materiałów
formy

Strumień
q

Błąd termiczny

Błąd termiczny

dla tworzyw częściowo krystalicznych j=2.5-5%
dla tworzyw amorficznych j=5-10%

Możliwe rozwiązania dla
kanałów chłodzących

Błąd termiczny

Błąd termiczny

Przykład obliczeniowy

Zalecenia dla zwymiarowania układu
kanałów chłodzących

Kolejność obliczeń dla

Kolejność obliczeń dla

przeprowadzenia

przeprowadzenia

wstępnej analizy

wstępnej analizy

termicznej

termicznej

Równania dla kolejnych kroków

Równania dla kolejnych kroków

obliczeniowych

obliczeniowych

Równania dla kolejnych kroków

Równania dla kolejnych kroków

obliczeniowych

obliczeniowych

Równania dla kolejnych kroków

Równania dla kolejnych kroków

obliczeniowych

obliczeniowych

Dokładna analiza termiczna

Dokładna analiza termiczna

bazująca na segmentach

bazująca na segmentach

Opór przepływu ciepła i strumień ciepła dla segmentów prostokątnych

Przykładowy układ kanałów wyznaczony na podstawie
podziału wypraski na segmenty – kryterium
jednakowej temperatury na powierzchni formującej

MES (FEM)

MES (FEM)

-najbardziej precyzyjna analiza,
-metoda przeznaczona dla wyprasek o złożonej geometrii oraz dla
przepływu strumienia ciepła w więcej niż jednym kierunku,
-łatwość interpretacji wyników (wizualizacja wyników),
-szybki przegląd wariantów (parametry procesu, konfiguracja kanałów),
-dobre powiązanie z modułami obliczeniowymi dla fazy wypełniania i
docisku oraz analizy skurczu i deformacji.

Zalety MES w
porównaniu z
obliczeniami
analitycznymi:

Obliczenie MES
rozkładu temperatury
dla stempla w
przypadku braku
chłodzenia i z
chłodzeniem dla stali i
brązu berylowego.

MES (FEM)

MES (FEM)

Model obliczeniowy formy
wtryskowej na obudowę
wiertarki z Durethan BKV
30

Obliczone
temperatury
dla matrycy

Obliczone
temperatur
y dla
stempla

Obliczone śr.
temperatury
dla wypraski w chwili wyrzucania

Użytkownik określa:
-rodzaj medium (woda, olej, glikol),
-temperaturę medium na wejściu,
-wielkość przepływu,
-materiał stempla i matrycy (stal, brąz, itp..),
-czas cyklu i czas przerwy,
-temperaturę otoczenia.

Podsumowanie

Podsumowanie

Formy wtryskowe, które są projektowane z wykorzystaniem analizy
termicznej umożliwiają obniżenie kosztów produkcji i dają
gwarancję uzyskania oczekiwanej jakości wypraski. W chwili
obecnej konstruktor dysponuje dużą liczbą pomocy do
przeprowadzenia analiz termicznych.

Aby zrealizować następujące cele jak:
-precyzyjne utrzymanie temperatury na wymaganym poziomie dla
gniazda formującego,
-równomierny rozkład temperatury dla całego gniazda formującego,
-możliwie krótkie cykle przy wysokiej jakości wypraski.
konstruktor musi dobrze rozpoznać termiczne warunki pracy formy i
wpływać na nie przez odpowiednią konstrukcje układu chłodzenia.

Oprócz geometrii kanałów należy określić straty ciśnienia dla
wymaganego przepływu medium i dobrać odpowiedni termostat.

Wykorzystanie metod analitycznych i programów MES umożliwia
prawidłowe zaprojektowanie układów chłodzenia i poprawia pracę
formy.