Что такое линии охлаждения?
Линии охлаждения в специальных формах
Я занимаюсь формованием уже 18 лет. Первое десятилетие провел в автомастерской в Мичигане, занимаясь автомобильным бизнесом. Последние восемь лет консультировал, в основном по медицинской и бытовой электронике. Если есть что-то, что отличает магазины, которые зарабатывают деньги, от тех, которые этого не делают, так это охлаждение. Не те причудливые вещи, о которых вы читаете в отраслевых журналах. Просто базовая, продуманная компоновка линии охлаждения.
Большинство поставщиков инструментов для литья под давлением скажут вам, что на охлаждение приходится 60-70 % вашего цикла. Эта цифра ходит по отрасли, как Евангелие. Реальная цифра зависит от толщины стенок, смолы и примерно пятнадцати других переменных. Я видел формы для упаковки с тонкими-стенками, в которых охлаждение занимало 80 % цикла. Однажды я проверил толстосекционный автомобильный корпус, где показатель был ближе к 45%. Дело в том, что общие проценты вам мало что помогут. Что помогает, так это понимание теплового потока в вашей конкретной части.
Прецизионные инструменты требуют точного управления температурой.
Реальность, связанная с дрелью-и-вилкой
Обычное охлаждение осуществляется-и-пробкой. Вы берете блок формы, кладете его на фрезу или ружейную дрель и делаете прямые отверстия. Соедините их с помощью поперечных сверл или внешних шлангов. Закройте концы, которые вам не нужны. Этот метод работает. Это работало с тех пор, как мой отец занимался этим бизнесом. Инструменты дешевые, их можно сделать в любой мастерской, а когда что-то засорится, вы сможете это вытолкнуть.
Проблема проявляется, когда геометрия усложняется. В прошлом году я работал-корпусом для бытовой электроники, много изгибов, номинальная толщина стенки 1,2 мм с выступами, уменьшающимися до 0,8 мм. Промышленный дизайнер не проявлял никакого интереса к тому, что я действительно могу круто сделать. Сторона сердцевины имела около 6 мм стали позади полости в трех разных зонах. Швеллер 10 мм туда не поставишь. Швеллер 6мм туда тоже не поставишь, не с каким запасом прочности.
В итоге мы использовали комбинированный подход. Барботеры в глубоких ядрах, перегородки там, где было достаточно мяса, и одна конформная вставка в самой горячей точке. Конформная деталь добавила к стоимости инструмента 11 000 долларов. Клиент сначала не хотел платить. Затем мы показали им разницу во времени цикла.
-14 секунд с конформным против 22 без. Они заплатили.
Конформное охлаждение-Когда это имеет смысл
3D-печать металлом изменила этот бизнес. Десять лет назад конформное охлаждение было диковинкой, можно было увидеть на выставке и подумать: «Это здорово». Теперь каждый крупный производитель нестандартных литьевых форм предлагает или должен это предложить. Технология созрела. Цены упали. Сроки выполнения стали разумными.
Материалы работают. Я без проблем использовал вставки из мартенситностареющей стали MS1 более 400 000 выстрелов. Отпечатки H13 становятся лучше, но, по моему опыту, порошковая металлургия все еще не совсем подходит для применений с высоким-изнашиванием. Для сердечников и вставок полостей, которые не подвергаются прямому столкновению с затвором, напечатанная сталь отлично выдерживает.
Вот в чем люди ошибаются: они думают, что конформность означает, что можно охладить что угодно. Вы не можете. Каналы все еще нуждаются в потоке. Я вижу на своем столе проекты с красивыми органическими охлаждающими каналами, похожими на кровеносные сосуды. Очень красиво в CAD. Невозможно пропустить турбулентный поток. Падение давления убьет вас, или поток станет ламинарным и ваши резервуары для теплопередачи станут ламинарными.
Правило, которое я использую: следите за тем, чтобы поперечное-сечение канала превышало эквивалентный диаметр 5 мм, не превышайте соотношение сторон 4:1 на любом не-круглом участке и ограничивайте общую длину цепи до уровня, который фактически может вытолкнуть ваш TCU. Большинство устройств контроля температуры в цехах имеют максимальное давление около 4-5 бар. Ваша конформная схема плюс коллектор плюс шланги должны работать в рамках этого.
Перегородки и барботеры все еще имеют свое место
Прежде чем позвонить своему поставщику решений для охлаждения для литья под давлением по поводу печатной вставки стоимостью 15 000 долларов, рассмотрите варианты старой школы. Перегородки стоят около 30 долларов каждая. Бабблеры, 40-50 долларов. Тепловые трубки стоят 150–400 долларов в зависимости от длины и диаметра.
Перегородки отлично работают с прямоугольными сердечниками. Плоское лезвие разделяет просверленное отверстие на подачу и возврат. Вода стекает с одной стороны, вокруг дна и возвращается вверх с другой. Вы теряете некоторую пропускную способность-, примерно 60–65 % от того, что дал бы вам открытый канал. Для большинства приложений этого достаточно.
Общий режим отказа
Режим отказа, который я чаще всего наблюдаю у перегородок: ребята сверлят слишком глубоко, перегородка достигает дна, поток на кончике ограничивается. Оставьте зазор 3-4 мм внизу. Больше, если качество вашей воды сомнительно и вы ожидаете образования накипи.
Барботеры лучше подходят для круглых сердечников. Расположение трубы-в-трубке обеспечивает большую площадь поверхности, чем перегородка в отверстии того же диаметра. Обратной стороной является то, что они более чувствительны к размерным допускам. Кольцевой зазор между внутренней трубкой и внешним отверстием контролирует обратный поток. Слишком туго, и вы заморите трассу голодом. Слишком рыхлый, и вся вода-коротко пройдет через зазор, не достигнув кончика.
Выбор материалов, о которых никто не говорит
В каждой брошюре по прецизионному изготовлению пресс-форм упоминается конформное охлаждение. Мало кто говорит о выборе материала для обеспечения эффективности охлаждения.
Вставки BeCu существуют всегда. Теплопроводность около 105 Вт/м·К против 29 у H13. Это большое число. В горячей точке, где вы физически не можете получить воду достаточно близко, вставка из медного сплава может спасти работу. Я использовал их за тонкими ребрами, в корпусах лифтеров, в маленьких сердечниках, где барботер не помещается.
Загвоздка в износе. После термообработки BeCu имеет твердость около 35-38HRC. Вы не собираетесь попасть прямо на него. Вы не собираетесь протирать его стеклонаполненным нейлоном в течение миллиона циклов. Но в защищенных местах, где нужно просто отвести тепло, это работает.
Алюминиевые инструменты недооценены для правильного применения. Ко мне обратился заказчик из медицинской сферы с просьбой предоставить прототипы форм. Ожидаемый объем производства — около 50 000 штук в год, срок службы — три-года. Расценки на инструменты P20 были сумасшедшими:-долгий срок поставки, высокая стоимость, и они устареют раньше, чем изнашиваются. Мы сделали сердечники и полости из алюминия QC-10 примерно за 40% от цены стали. Время цикла составило 12 секунд по сравнению с 18-20 секундами, которые мы оценили для стали. Три года спустя эти инструменты все еще работают. Незначительный износ линии разъема, ничего не влияющего на качество детали.
Контроль температуры усложняется
В простых формах на каждую половину приходится один контур охлаждения. Вода налита, вода слита, готово. Специальные формы,-а я бы отнес большую часть того, что сейчас стоит на моем столе, к этой категории,-требуют нескольких зон.
Консультант по разработке литьевых форм, с которым я работаю, говорит: на каждую горячую точку нужен свой ответ. Иногда этот ответ — больше потока. Иногда это холодная вода. Иногда это материальные изменения. Иногда нужно принять более длинный цикл и двигаться дальше. Дело в том, что вы не можете рассматривать форму как одну однородную тепловую массу.
Каскадное управление помогает. Ваш TCU контролирует температуру пресс-формы с помощью термопары и регулирует положение расхода или смесительного клапана для поддержания заданного значения. Хорошо работает в устойчивом-состоянии. Не очень помогает при кратковременном-выбросе тепла, когда пластик, нагретый до 300 градусов, попадает в полость, затем постепенное охлаждение-, а затем еще один взрыв. Термическая масса стали выполняет большую часть работы, сглаживая это.
Вариотермик реален, но дорог. Циклически высокая температура поверхности формы перед заполнением, а затем быстрое ее снижение для охлаждения. Я видел, как с его помощью исчезали линии сварки на-глянцевых деталях. Я также видел, как это добавило 80 000 долларов к инструментальной программе и шесть месяцев времени на разработку. Для правильного применения-автомобильный салон класса А, медицинское устройство с нулевыми-требованиями к косметическим дефектам-может быть исключено. Для большинства работ это не так.
Что на самом деле важно
Вот что я говорю молодым инженерам после всех этих лет: сначала разберитесь в основах. Держите ватерлинии в пределах 2D от поверхности, где это возможно. Управляйте достаточным потоком, чтобы оставаться турбулентным. Не позволяйте цепям работать настолько долго, что повышение температуры убьет вас - максимальная разница в 10 градусов от входа до выхода - хорошая цель. Сбалансируйте свои цепи, чтобы все они видели одинаковые ограничения.
Сделайте это, и вы решите 80% проблем с охлаждением. Остальные 20% — это место, где происходит интересная работа. Вот тут-то и может понадобиться конформная, или медная, или вариотермальная, или какая-то комбинация, которую еще никто не пробовал.
Инструменты существуют. Поставщики существуют. Знания существуют. Разница заключается в том, что нужно время, чтобы продумать тепловой поток в вашей конкретной детали, вашей конкретной форме, вашем конкретном процессе. Никакое моделирование этого не заменит. Ни одно эмпирическое правило не охватывает всех случаев. Вы должны сделать работу.
Двадцать-лет в этой профессии, а я все еще учусь. Это либо лучшая часть, либо худшая часть, в зависимости от дня.