Badania symulacyjne procesu nagrzewania

Na wykresach (rys. 4.38 – 4.52) przedstawiono symulacyjny przebieg procesu nagrzewania wkładki formującej dla trzech rozpatrywanych wariantów. Wykresy sporządzono w oparciu o najwyższe temperatury zarejestrowane w przekroju wkładki.

Model 1

Dla pierwszego modelu, gdzie nagrzewano powierzchnię płaską o wymiarach 18 x 18 mm, wykonano 24 analizy wpływu kształtu oraz odległości cewki na efektywność procesu.

Rys. 4.38. Przebieg procesu nagrzewania czołowej powierzchni wkładki formującej o wymiarach 18 x 18 mm przy użyciu cewki o przekroju okrągłym

183.634

50 70 90 110 130 150 170 190 210

0 0,5 1 1,5 2 2,5

T [°C]

Δl:

0,5 mm 1 mm 1,5 mm 2 mm 2,5 mm 3 mm

t [s]

rura

T₁

a) b) c)

d) e) f)

T [°C]

151,13 131,01 110,89 90,77 70,65 50,01

65

Do rozważań przyjęto 4 kształty przekroju poprzecznego wzbudnika o jednakowym polu powierzchni, aby zachować unitarną wartość gęstości prądu. Kształty przekrojów wytypowano na podstawie istniejących rozwiązań oraz narzuconych barier technologicznych. Badania przeprowadzono dla sześciu pozycji wzbudnika. Przed rozpoczęciem analiz było wiadomo, że redukcja szczeliny między cewką a powierzchnią nagrzewania wpłynie na wzrost dynamiki procesu nagrzewania, jednakże ich celem było określenie stopnia tego wpływu. Ponadto, do każdego wykresu załączono rozkład temperatury w przekroju poprzecznym wkładki zarejestrowany po czasie nagrzewania równym 2,5 s dla szczeliny Δl = 1 mm.

Na rysunku 4.38 przedstawiono charakterystykę nagrzewania dla cewki o kształcie rurowym.

Otrzymane wyniki są bardzo zbliżone do wartości uzyskanych podczas zastosowania wzbudnika o przekroju kwadratowym (rys. 4.39) z nieznacznym wskazaniem na drugie rozwiązanie.

Rys. 4.39. Przebieg procesu nagrzewania czołowej powierzchni wkładki formującej o wymiarach 18 x 18 mm przy użyciu cewki o przekroju kwadratowym

Rys. 4.40. Przebieg procesu nagrzewania czołowej powierzchni wkładki formującej o wymiarach 18 x 18 mm przy użyciu cewki o przekroju prostokątnym

50

66

Zwiększenie szerokości cewki (rys. 4.40) umożliwia uzyskanie bardziej równomiernego rozkładu temperatur przy zachowaniu dynamiki na stałym poziomie. Wynika to ze zmiany natężenia pola magnetycznego (rys. 4.42). W obu przypadkach wyraźny wpływ na przebieg procesu ma wartość szczeliny Δl. Dla wartości równej 0,5 mm uzyskano temperatury nieznacznie przekraczające 150 °C, co daje przyrost 40 °C/s. Zwiększenie szczeliny o 2,5 mm pozwala na uzyskanie temperatur bliskich 135 °C (34 °C/s).

Rys. 4.41. Przebieg procesu nagrzewania czołowej powierzchni wkładki formującej o wymiarach 18 x 18 mm przy użyciu cewki o przekroju podwójnym kwadratowym

Zastosowanie dwóch przewodów o jednakowym kierunku przepływu prądu znacząco poprawia efektywność nagrzewania (rys. 4.41). Po czasie 2,5 s temperatura na powierzchni czołowej wkładki formującej wyniosła 173 °C (49 °C/s). Taką samą wartość zanotowano na środku i w narożniku wkładki z tą różnicą, że wewnętrzne obszary wykazują czterokrotnie większą głębokość wnikania.

Podobnie jak w poprzednich przypadkach kształtuje się wpływ lokalizacji wzbudnika na efektywność nagrzewania. Dla szczeliny równej 3 mm przyrost temperatury średnio wyniósł 40,5 °C/s.

Ogromne znaczenie na przebieg procesu nagrzewania ma zastosowanie koncentratora pola (rys. 4.42e, f). Umożliwia on kontrolowanie przebiegu pola magnetycznego poprzez wymuszenie przepływu strumienia magnetycznego w zamkniętej pętli w bliskim sąsiedztwie cewki indukcyjnej.

Rys. 4.42. Rozkład natężenia pola magnetycznego w zależności od przekroju cewki: a) okrągły, b) kwadratowy, c) prostokątny, d) podwójny kwadratowy, e) prostokątny z koncentratorem 2 mm, f) prostokątny z

koncentratorem 8mm

67

Na rysunku 4.43 a) przedstawiono przepływ strumienia magnetycznego w przekroju koncentratora o grubości 6 mm, z którego wynika, że strumień przepływa w bliskim sąsiedztwie cewki aż do momentu wyjścia z materiału. Materiał magnetycznie miękki, jakim jest fluxtrol, zapewnia skupienie linii pola magnetycznego na małym obszarze, tym samym zwiększa natężenie pola magnetycznego (rys. 4.43 b).

Rys. 4.43. Symulacje magnetyczne: a) przepływ strumienia magnetycznego w przekroju koncentratora, b) rozkład natężenia pola magnetycznego

Rys. 4.44. Przebieg procesu nagrzewania czołowej powierzchni wkładki formującej o wymiarach 18 x 18 mm przy użyciu cewki o przekroju prostokątnym z koncentratorem pola

Dla szczeliny Δl = 1 mm uzyskano temperaturę równą 197 °C, co daje średni przyrost blisko 59 °C/s. Na powierzchni wkładki widoczny jest gradient temperatury wynoszący 6 % względem wartości maksymalnej (częściowo skutek uboczny koncentracji strumienia magnetycznego). Z pewnością poszerzenie cewki pozwoliłoby na fragmentaryczne zniwelowanie różnic wartości temperatur, jednakże, w celu zachowania stałej wartości gęstości prądu wymagałoby to redukcji jej wysokości. Efektem tego byłoby również ograniczenie przepływu wody przez wnętrze wzbudnika, czego stanowczo nie zaleca producent generatora indukcyjnego i wzbudników.

W ramach pracy przebadano również wpływ zmiany grubości koncentratora pola magnetycznego w zakresie 1 – 8 mm na efektywność nagrzewania. Powyżej wartości 2 mm nie odnotowano różnicy w dynamice procesu. Wynika to z faktu, iż gęstość strumienia magnetycznego skupia się w pobliżu powierzchni styku z wzbudnikiem.

50

68

Rys. 4.45. Wpływ zmiany grubości koncentratora pola magnetycznego na efektywność procesu nagrzewania Dalsze badania prowadzone były dla koncentratora o grubości 6 mm, wiązało się to z technologią jego wykonania oraz możliwością modyfikacji na potrzeby kolejnych analiz.

Model 2

W trakcie realizacji badań symulacyjnych dla drugiego modelu wykorzystano wyniki otrzymane we wcześniejszych analizach, dlatego nie było konieczności badania charakteru zmian procesu nagrzewania w funkcji zmiany odległości cewki od powierzchni nagrzewanej. W tym przypadku skupiono się przede wszystkim na osiągnieciu wysokiej temperatury na powierzchniach formujących zawiasy błonowe o wymiarach 4 x 2 mm oddalonych od siebie o 14 mm (rys 4.4). W pierwszej kolejności sprawdzono efektywność procesu nagrzewania z wykorzystaniem wzbudnika wyposażonego w koncentrator opracowany dla modelu pierwszego (rys. 4.46).

Rys. 4.46. Nagrzewanie powierzchni formujących zawiasy błonowe przy pomocy wzbudnika i koncentratora ustawionego wzdłużnie, 1 – powierzchnie formujące zawiasy błonowe

50

69

W pierwszym przypadku wzbudnik ustawiono wzdłuż kierunku przepływu tworzywa przez nagrzewane powierzchnie formujące zawiasy. Nieregularny kształt przekroju poprzecznego wkładki sprawił, że zaburzony został przepływ strumienia magnetycznego (rys. 4.47a). Rozkład temperatury jednoznacznie wskazuje na brak zastosowania tego typu konfiguracji kształtu i pozycji wzbudnika. Po czasie 2,5 s powierzchnie formujące zawiasy nagrzały się do średniej temperatury 81 °C. Najwyższe wartości zanotowano na powierzchniach zamykających (153 °C), co jest zjawiskiem niekorzystnym, ponieważ przenoszą one najwyższe naprężenia w trakcie zamykania formy.

Rys. 4.47. Symulacje magnetyczne: a) przepływ strumienia magnetycznego w przekroju koncentratora, b) rozkład natężenia pola magnetycznego

W drugim przypadku sprawdzono efektywność cewki w ustawieniu poprzecznym do kierunku płynięcia tworzywa. W tym celu zamodelowano kolejny przekrój 2D wkładki oraz wzbudnika z koncentratorem. Uzyskane wyniki daleko odbiegają od założonych wartości temperatur (rys. 4.48).

Kształt cewki oraz użycie koncentratora powoduje, że powierzchnia nagrzewana znajduje się poza obszarem działania pola magnetycznego.

Rys. 4.48. Nagrzewanie powierzchni formujących zawiasy błonowe przy pomocy wzbudnika i koncentratora ustawionego poprzecznie, 1 – powierzchnia formująca zawias błonowy

W kolejnym przypadku wykorzystano kształt wzbudnika przeznaczony do nagrzewania powierzchni bocznej jak dla trzeciego modelu wypraski (rys. 4.49). Zredukowane wymiary przekroju poprzecznego cewki w sposób znaczący przyczyniły się do zmiany rozkładu natężenia pola

70

Rys. 4.49. Nagrzewanie powierzchni formujących zawiasy błonowe przy pomocy wzbudnika zlokalizowanego poprzecznie do kierunku płynięcia tworzywa

Po czasie 2,5 s wkładka na powierzchni formującej uzyskała temperaturę 181,5 °C, co daje przyrost w wysokości 52,6 °C/s. Uzyskana efektywność nie wymaga implementacji dodatkowego koncentratora pola, a rozproszone pole magnetyczne przyczynia się do nagrzania sąsiednich powierzchni do temperatury nieznacznie przekraczającej 100 °C, co niewątpliwie również wpłynie pozytywnie na proces wtryskiwania.

Rys. 4.50. Symulacje magnetyczne: a) przepływ strumienia magnetycznego w przekroju koncentratora, b) rozkład natężenia pola magnetycznego

Model 3

Badania symulacyjne nagrzewania indukcyjnego dla trzeciego modelu wypraski różnią się od dwóch poprzednich specyfiką procesu. Cewkę indukcyjną w kształcie pętli zamkniętej pozycjonowano w taki sposób, aby wkładka formująca stanowiła nagrzewany rdzeń (rys. 4.51, 4.52). Jest to najefektywniejsza metoda nagrzewania indukcyjnego, ponieważ strumień pola magnetycznego przenika w kierunku prostopadłym lub zbliżonym do prostopadłego do powierzchni nagrzewanego wsadu.

W celu zamodelowania zjawiska w programie ANSYS zmieniono tryb pracy z obciążenia płaskiego (plane strain) na osiowo-symetryczny (axisymmetric). Model 2D uproszczono do półprzekroju z oznaczeniem osi centralnej (rys. 4.52).

50

71

Rys. 4.51. Model 2D opracowany w programie ANSYS dla trzeciej wypraski badawczej

Zgodnie z założeniami, dla tego przypadku uzyskano najwyższe przyrosty temperatury. Średnia szybkość nagrzewania w czasie 2,5 s wyniosła 210 °C/s. Zmianie uległ również charakter krzywej nagrzewania. Otrzymany przebieg jest wyraźnie zbliżony do zależności liniowej.

Rys. 4.52. Nagrzewanie powierzchni formujących ściany boczne wypraski – przebieg symulacji dla modelu 3 W trakcie procesu wtryskiwania należy unikać nagrzewania ścian formujących do wartości wyższych niż temperatura stopu, gdyż prowadzi to do degradacji tworzywa. Wiąże się to również ze spadkiem efektywności energetycznej procesu produkcyjnego oraz wydłużeniem czasu cyklu wynikającym z wydłużenia czasu chłodzenia kształtującej się wypraski.

W trakcie realizacji badań symulacyjnych uzyskano różne wartości temperatur w zależności od kształtu i położenia cewki indukcyjnej. W tabeli 4.18 zestawiono wartości przyporządkowane poszczególnym modelom badawczym wyprasek.

50 150 250 350 450 550

0 0,5 1 1,5 2 2,5

T [°C]

t [s]

Prostokunt

T [°C]

575,52 470,42 365,32 260,22 155,12 50,01

a) b)

1

72

Tabela 4.18 Wartości temperatur uzyskane dla poszczególnych modeli wyprasek

Temperatura [°C] Czas nagrzewania [s]

Model 1

197 2,5

Model 2

182 2,5

Model 3

576 2,5