OPTYMALIZACJA KONSTRUKCJI FORMY WTRYSKOWEJ POD KĄTEM
EFEKTYWNOŚCI CHŁODZENIA WYPRASKI
Krzysztof Mrozek
1a1Instytut Technologii Mechanicznej, Politechnika Poznańska
akrzysztof.mrozek@put.poznan.pl
Streszczenie
W pracy podjęto się rozwiązania zagadnienia optymalizacji konstrukcji formy wtryskowej pod kątem efektywno- ści chłodzenia wyprasek wykorzystywanych w przemyśle elektrotechnicznym i elektronicznym. Przeprowadzono bilans cieplny formy traktując wtryskiwane tworzywo jako główne źródło ciepła, zaś przewodzenie, konwekcję termiczną oraz promieniowanie jako procesy chłodzenia. Dokonano identyfikacji problemu chłodzenia wyprasek cienkościennych o małej masie oraz dużej liczbie wypychaczy, a także zaprezentowano bariery technologiczne pod- czas konstruowania układów chłodzenia. Wykonano szereg obliczeń i symulacji dla różnych układów o średnicach kanałów od 6 do 10 mm. Forma poddana analizie wyposażona jest w zimnokanałowy układ wtrysku o jednej po- wierzchni podziału. W pracy nie uwzględniono problematyki doboru parametrów technologicznych procesu wtry- sku i wykorzystano wartości zalecane przez producenta formy.
Słowa kluczowe: formy wtryskowe, układy chłodzenia, efektywność chłodzenia
OPTIMIZATION OF THE INJECTION MOLD DESIGN
IN TERMS OF COOLING EFFICACY OF MOULDED PIECE
Summary
Hereby in the paper the problem of the optimization of the injection mold design in terms of cooling efficacy of molded piece is presented. Focused on the moldings used in the electrical and electronic industry. Heat balance of the injection mold is presented taking melt as the main source of high temperature and the heat conduction, con- vection and radiation as cooling processes. The problem of cooling of thin-walled and lightweight moldings with a large number of ejectors is identified and technological barriers of the cooling channels design are presented. Series of calculations and simulations for different systems of channels with diameters from 6 to 10 mm were prepared.
The analyzed mold is equipped with a cold runner system with one parting surface. The study did not include the issue of selection of technological parameters of the injection molding process and used the values recommended by the manufacturer of the mold.
Keywords: injection molds, cooling systems, cooling efficiency
1. WSTĘP
Formy wtryskowe stanowią najważniejsze ogniwo procesu wtryskiwania tworzyw sztucznych i odpowiadają za kształt, estetykę, właściwości techniczne oraz użyt- kowe wyprasek. Pomijając parametry technologiczne, sam proces wtrysku sprowadza się do uplastycznienia tworzywa, wypełnienia nim wnęki formującej i schłodze- nia kształtującej się wypraski. Podczas prowadzenia
procesu na konwencjonalnych formach temperatura całego układu utrzymywana jest na stałym poziomie (najczęściej w zakresie 30 – 120 °C w zależności od rodzaju tworzywa) [1]. Mając do czynienia z tworzywami termoplastycznymi, temperatura formy jest zawsze niższa od temperatury wtryskiwanego tworzywa, dlatego układ ten przyjęto nazywać układem chłodzenia.
Jednym z ważniejszych problemów występujących w trakcie procesu wtrysku jest zapewnienie efektywnego i równomiernego odprowadzenia ciepła od ochładzanego tworzywa [1] tak, aby uniknąć powstania nadmiernych naprężeń własnych mogących powodować deformacje wypraski [2]. Należy w tym miejscu podkreślić fakt, iż w większości przypadków proces chłodzenia stanowi około 50 – 80 % czasu całego cyklu i jest jednym z najważniejszych etapów procesu wtrysku tworzyw sztucznych [3].
Rosnące oczekiwania w stosunku do jakości, estetyki, właściwości technicznych i użytkowych wyprasek z tworzyw sztucznych powodują, że w większości kon- cernów światowych oraz instytutach naukowych prowa- dzone są badania na temat poprawy efektywności i równomierności chłodzenia form wtryskowych.
W pracy [4] przeanalizowano wpływ średnic i roz- mieszczenia kanałów chłodzących, a także kierunek przepływu cieczy na jakość chłodzenia formy. Wykaza- no, że istnieje wpływ kierunku przepływu chłodziwa na proces chłodzenia. Huang Z. podjął się optymalizacji systemu chłodzenia formy, budując uproszczony model matematyczny układu [3]. W opracowaniu [5] skupiono się na dwukryterialnej optymalizacji systemu chłodzenia, wykorzystując metodę gradientu sprzężonego. Głównym celem badań było znalezienie kompromisu między mak- symalnym skróceniem czasu chłodzenia a zachowaniem akceptowalnej równomierności procesu.
W niniejszym opracowaniu skupiono się na minima- lizacji czasu chłodzenia w szerszym aspekcie, ponieważ nie wyizolowano układu chłodzenia z formy, a rozpatry- wano cały układ formujący wraz z układem wlewowym i wkładami chłodzącymi. W pracy przeanalizowano również wpływ grubości ścianki na szybkość chłodzenia wypraski przy zachowaniu stałych parametrów techno- logicznych i konstrukcyjnych.
2. BILANS CIEPLNY
KONWENCJONALNEJ FORMY WTRYSKOWEJ
Głównym źródłem ciepła dostarczonego do formy wtryskowej jest uplastycznione tworzywo wtryśnięte przez układ wlewowy do wnęki formującej (rys. 1).
Opcjonalnie forma może zostać wyposażona w system gorącokanałowy, który ma za zadanie podgrzewać uplastycznione tworzywo między następującymi po sobie cyklami wtrysku. Odprowadzanie ciepła od układu odbywa się na drodze przewodzenia, konwekcji [6] oraz promieniowania termicznego do sąsiednich ośrodków o niższej temperaturze, między innymi do chłodziwa znajdującego się w zamkniętym układzie chłodzenia, stołu wtryskarki, z którym bezpośrednio stykają się
wprowadzające do układu dodatkowe medium grzejne lub chłodzące w celu poprawy jakości wyprasek [7, 8, 9].
Rys. 1. Bilans cieplny konwencjonalnej formy wtryskowej
Bilans cieplny konwencjonalnej formy wtryskowej (rys. 1) przedstawia się następująco:
∑Q = QTW + QW + QPC + QPR + QKT + QGK + QDM = 0 (1)
Szukany strumień ciepła Q płynący od rozgrzanej powierzchni formującej do kanału chłodzącego można przedstawić za pomocą wzoru (rys. 2):
̇ = ( − ) (2)
gdzie A jest polem powierzchni gniazda czynnie oddają- cego ciepło, λ jest współczynnikiem przewodności ciepl- nej materiału, z którego wykonano wkład formujący, l to odległość kanałów chłodzących od powierzchni gniazda, TG jest średnią temperaturą gniazda formującego,TKjest średnią temperaturą powierzchni ściany kanału chłodzą- cego.
Korzystając z prawa Newtona, można określić war- tość strumienia ciepła przejmowanego przez chłodziwo:
̇ = α ( − ) (3)
gdzie α jest współczynnikiem przejmowania ciepła, S to pole powierzchni kanałów chłodzących, TC jest tempera- turą chłodziwa.
Po uwzględnieniu strat ciepła (promieniowanie, kon- wekcja oraz przepływ ciepła z formy do stołów wtry- skarki) można wyznaczyć czas chłodzenia wypraski od momentu wypełnienia gniazda do momentu osiągnięcia temperatury wypychania:
= (( )) (4)
gdzie s to grubość ścianki wypraski, a jest współczynni- kiem przewodzenia temperatury, T jest temperaturą
3. PROBLEM CHŁODZENIA FORM WTRYSKOWYCH
Jak już wspomniano, jednym z ważniejszych proble- mów występujących podczas procesu wtrysku tworzyw sztucznych jest technologia chłodzenia. Dotychczas najczęściej stosowaną metodą odbioru ciepła są kanały chłodzące wykonywane konwencjonalną metodą wierce- nia, przez które przepływa medium chłodzące (rys. 2).
Rys. 2. Wkładka formująca wyposażona w konwencjonalny układ chłodzenia
Po stronie matrycowej nie jest to problemem, nato- miast po stronie stemplowej częstokroć kanały chłodzące wykonywane są poza obszarem formowania. Wynika to z faktu, że po stronie stemplowej pracuje szereg wypycha- czy, a także umieszczane są wszelkiego rodzaju wymien- ne wkładki formujące, znakowniki, datowniki i inne.
Powoduje to, że w stemplowym wkładzie formującym wykonuje się ogromną liczbę otworów, między którymi trudno jest poprowadzić proste kanały chłodzące. W takiej sytuacji nie ma możliwości uzyskania efektywnego i równomiernego chłodzenia formy (rys. 3).
Rys. 3. Przepływ ciepła od powierzchni formującej do kanałów chłodzących
W tabeli 1 przedstawiono metody, którymi można wpłynąć na jakość procesu chłodzenia.Najlepszym rozwiązaniem byłoby symultaniczne zastosowanie wszystkich przedstawionych wariantów, jednakże jest to niemożliwe, ponieważ w większości przypadków zastoso- wanie jednego wyklucza kolejne.
Tab. 1. Obszary wpływające na jakość chłodzenia
W pracy podjęto się analizy działania przedstawio- nych wariantów oraz możliwości ich równoczesnego zastosowania pod kątem osiągnięcia możliwie najwyższej efektywności działania układu chłodzenia przy jednocze- snym dążeniu do równomiernego rozkładu pól tempera- tury na powierzchniach formujących.
4. PROCECES OPTYMALIZACJI
4.1 OBIEKT BADAŃ
Na rys. 4 przedstawiono wypraskę oraz jej podsta- wowe parametry. Obiekt jest wykorzystywany do pro- dukcji złączy elektrycznych jako pokrywa obudowy. Od strony technologicznej wypraska charakteryzuje się prostą budową geometryczną (jedna powierzchnia po- działu formy) oraz dość intensywnym użebrowaniem wymagającym zastosowania 12 – 15 wypychaczy oraz 8 rdzeni formujących zaczepy na jedno gniazdo.
Obiekt badań to dwugniazdowa forma wtryskowa o masie 295 kg i wymiarach gabarytowych 392×270×446 mm (rys. 5). Materiałem wtryskiwanym jest PA 6.6 (Frianyl A63 V0) o temperaturze 275°C.
Temperaturę formy ustalono na poziomie 70°C, nato- miast ciśnienie maksymalne wtrysku to 90MPa.
Rys. 4. Wypraska, dla której podjęto się optymalizacji układu chłodzenia
Rys. 5. Optymalizowana forma wtryskowa
4.2 WSTĘPNY PROCES WTRYSKU
Symulację wykonano za pomocą programu Autodesk Moldflow Adviser 2010 i rozpoczęto od wstępnego proce- su wtrysku, na podstawie którego zaobserwować można kierunki płynięcia tworzywa, linie łączenia oraz przewi- dywane spadki temperatury i ciśnienia (rys. 5, 6).
Linie łączenia są jedną z najczęściej pojawiających się wad podczas procesu wtrysku. Wpływają one nie tylko na właściwości estetyczne wypraski, ale i na jej parametry techniczne [10]. Obok naprężeń wewnętrznych są one głównym powodem pękania wyprasek podczas procesu montażu oraz w okresie ich użytkowania. Fak- tem jest, że nie ma możliwości wyeliminowania linii łączenia, jednakże podczas etapu konstrukcji formy w dużym stopniu można wpłynąć na warunki, w jakich one się kształtują. Miejsca powstawania linii łączenia powinny w dużym stopniu determinować budowę układu chłodzenia w szczególności wtedy, gdy pojawia się tam spadek ciśnienia. Spadkowi ciśnienia zwykle towarzyszy spadek temperatury płynącego tworzywa, co powoduje, że trudno jest uzyskać poprawne połączenie zderzają- cych się strug. W takich miejscach należy unikać inten- sywnego chłodzenia i umożliwić płynącym strugom utworzenie spoiny w całym przekroju wypraski.
Rys. 5. Proces wypełniania gniazda w czasie
Wstępna symulacja pozwoliła również wyznaczyć rozkład pól temperatury w momencie wypełnienia wnęki formującej (rys. 6b). Można zauważyć, że różnice tempe- ratury w poszczególnych miejscach sięgają nawet 80 °C.
w tym obszarze. W miejscach B i C nastąpił wzrost do wartości 280 °C, co jest wynikiem odpowiednio lokalnego pogrubienia ścianki (B) oraz wzrostu ciśnienia i tarcia tworzywa (C).
Rys. 6. Wyniki wstępnej symulacji wypełnienia gniazda a) występowanie linii łączenia w wyprasce, b) rozkład tempera-
tury w wyprasce
4.3 RÓWNOMIERNOŚĆ PROCESU CHŁODZENIA
O jakości układu decyduje nie tylko jego efektyw- ność, ale i równomierność. Nierównomierne chłodzenie może doprowadzić do powstawania dużych naprężeń w wyprasce, które w efekcie objawią się jej zniekształce- niem lub nawet pęknięciem (rys. 7).
Rys. 7. Kierunek i stopień odkształcenia w zależności od temperatury występującej w wyprasce
Na równomierność procesu chłodzenia wpływają bezpośrednio: średnica, kształt i rozmieszczenie kanałów chłodzących. Te z kolei w dużej mierze zależą od innych obszarów konstrukcji formy, jak m. in. liczba wypycha- czy, liczba i kształt wkładek formujących, przebieg i rodzaj układu wlewowego, etc. W praktyce wielu konstruktorów w pierwszej kolejności skupia się na obszarze formującym, a dopiero na końcowym etapie uzupełnia formę o układ chłodzenia. Takie działanie może bardzo niekorzystnie wpłynąć na jakość wypraski.
4.4 KONSTRUKCJA UKŁADU CHŁODZENIA
Podczas konstrukcji układu chłodzenia wzięto pod uwagę średnicę, liczbę i przebieg kanałów chłodzących, a także ich odległość od powierzchni formujących.
W pierwszym etapie opracowano chłodzenie wkładu dla strony stemplowej z uwagi na występujące tam otwory pod wypychacze oraz wkładki formujące, a następnie dostosowano do niego obieg po stronie matryco- wej.Przeprowadzono szereg symulacji, na podstawie których wyznaczono optymalny pod względem efektyw- ności i równomierności układ chłodzenia. Na rys. 8
Rys. 8. Wybrane układy chłodzenia poddane symulacji
5. WYNIKI I WNIOSKI
Na rys. 9 przedstawiono wyniki przeprowadzonych badań symulacyjnych.
Na podstawie otrzymanych wyników można stwier- dzić, że:
– zwiększenie średnicy kanałów chłodzących dla wypra- sek małogabarytowych w niewielkim stopniu wpływa na szybkość ich chłodzenia i może w negatywny sposób wpłynąć na równomierność procesu,
– wzrost efektywności chłodzenia następuje wraz ze spadkiem odległości powierzchni chłodzenia od po- wierzchni formujących,
– w celu poprawy równomierności chłodzenia zalecane jest zwiększenie liczby kanałów chłodzących kosztem spadku ich średnicy,
– przy rozpatrywaniu procesu wtrysku z układem zimno- kanałowym nie ma możliwości optymalizacji procesu chłodzenia (ochłodzenie układu wlewowego, który w tym
przypadku jest dużym węzłem cieplnym zajmuje zbyt dużo czasu w porównaniu do procesu chłodzenia samej wypraski),
– jeżeli istnieje taka możliwość, wskazane jest zmniejsze- nie grubości ścian i żeber wypraski kosztem zwiększenia ich liczby w celu poprawy równomierności i efektywności chłodzenia.
Rys. 9. Wyniki badań symulacyjnych
Na podstawie przedstawionych wniosków przeprowa- dzono symulacje weryfikacyjne, w których uwzględniono możliwość zastosowania układu wlewowego gorącokana- łowego. Wyniki przedstawiono na rys. 10.
Rys. 10. Wyniki symulacji weryfikacyjnych – efekt końcowy optymalizacji
Podsumowując, można stwierdzić, że w celu osią- gnięcia efektywnego i równomiernego procesu chłodzenia wypraski należy zaprojektować układ o dużej liczbie kanałów chłodzących rozmieszczonych w pobliżu po- wierzchni formujących kosztem ich średnicy (chłodzenia
konformalne) [11]. W przypadku wyprasek cienkościen- nych należy dążyć do zastosowania układu gorącokana- łowego w celu uniknięcia węzłów cieplnych, które stano- wią zimne kanały wlewowe.
Praca została wykonana w ramach projektu nr INNOTECH-K2/IN2/60/182932/NCBR/13 finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju.
Literatura
1. Zawistowski H., Frenkler D.: Konstrukcja form wtryskowych do tworzyw termoplastycznych. Warszawa: WNT, 1984.
2. Chen S.C., Chang Y., Huang S.T.: Solving injection molded part warpage under asymmetric mold cooling condi- tions by corrugated variations in part thickness. “International Polymer Processing” 2012, Vol. 27, p. 3 - 8.
3. Huang Z.: The optimal design of injection mold cooling system. “Advanced Materials Research” 2012, Vol. 490 - 495, p. 2647 - 2651.
4. Bello-Ochende T., Olakoyejo O.T., Meyer J.P., Bejan A., Lorente S.: Constructal flow orientation in conjugate cooling channels with internal heat generation. “International Journal of Heat and Mass Transfer” 2013, 57, p. 241 - 249.
5. Huang J.H., Fadel G.M.: Bi-objective optimization design of heterogenous injection mold design systems. “Jour- nal of Mechanical Design” 2001, Vol. 123, p. 226 - 239.
6. Goldstein R.J., Eckert E.R.G., Ibele W.E., Patankar S.V., Simon T.W., Kuehn T.H., Strykowski P.J., Tamma K.K., Heberlein J.V.R., Davidson J.H., Bischof J., Kulacki F.A., Kortshagen U., Garrick S.: Heat transfer – a review of 2001 literature. “International Journal of Heat and Mass Transfer” 2003, 46, p. 1887 - 1992.
7. Wang G.L., Zhao G.Q., Guan Y.J.: Thermal response of an electric heating rapid heat cycle molding mold and its effect on surface appearance and tensile strength of the molded part. “Journal of Applied Polymer Science”
2013, Vol. 128, p. 1339 - 1352.
8. Chen S.C., Jong W.R., Chang J.A.: Dynamic mold surface temperature control using induction heating and its effects on the surface appearance of weld line. “Journal of Applied Polymer Science” 2006, Vol. 101, p. 1174 - 1180.
9. Srithep Y., Nealey P., Turng L.S.: Effects of annealing time and temperature on the crystallinity and heat resistance behavior of injection-molded poly(lactic acid). “Polymer Engineering and Science” 2013, Vol. 53, p. 580 - 588.
10. Demiter A., Deniz S.: Investigation of the effects of weld lines on the mechanical properties and energy con- sumption for injection moulded thermoplastics. “Energy Education Science and Technology Part A-Energy Science and Research” 2012, Vol. 29, p. 1055 - 1062.
11. Saifullah A.B.M., Masood S.H., Sbarski I.: Thermal-structural analysis of bi-metallic conformal cooling for injection moulds. “International Journal of Advanced Manufacturing Technology” 2012, Vol. 62, p. 123 - 133.
