Бюлетин

Анкета

Конструирането на охлаждащи канали при инжекционното моделиране е много важно, тъй като има огромно влияние върху времето за извършване на процеса. Традиционно, тези канали са монтирани в матричните компоненти чрез “gun-barrel” пробиване, като по този начин могат да се правят само стандартни канали. Един съвременен метод за охлаждаща система, който съответства на формата на детайла по отношение на ядрото, кухините и каналите може да бъде реализиран свободно или чрез 3D принтиране. В настоящия материал са представени подходи за оптимизиране на матричното конструиране чрез охлаждащи канали при пластмасови детайли. Ядрото и кухините са конструирани с помощта на Pro/Molddesign, а околните конфигурации на нестандартните охлаждащи канали са разработени със софтуера Pro/ENGI-NEER. Времето за охлаждане на детайлите е оптимизирано чрез използването на тези канали в сравнение с правите (директни) отвори в матричната конструкция, използвайки софтуера за термична симулация ANSYS. Представените резултати са базирани на разпределението на температурата и времето за охлаждане, използвайки краткотрайните условия за термичен анализ. Тези резултати осигуряват намаляване на времето на работния цикъл при пластмасовите детайли, което ще доведе до увеличаване на производствените обеми.

Шприцоването е високо ефективно средство за производство на пластмасови детайли [1]. Неговият успех зависи от оптималната конструкция на матрицата и самия формовъчен процес. Основният принцип на шприцоването е твърдотелният полимер да се разтопи и инжектира в кухините на матрицата, като след това се охлажда и детайлът

се изхвърля от машината. Основните етапи на процеса на шприцоване включват запълване, охлаждане и изтласкване (изхвърляне). Ефективността от гледна точка на себестойност на процеса зависи основно от времето за формоване, което включва впръскване, охлаждане, придвижване и изтласкване. Сред тях, фазата на охлаждане е най-важна. Времето, изразходвано за охлаждането в този цикъл определя нивото на производителност на детайла. Тъй като в повечето модерни производства, времето и разходите са силно свързани, колкото по-дълго е времето за производство на детайлите, толкова разходите са повече. Намаляването на времето, прекарано в охлаждане ще увеличи драстично производството и ще намали разходите. Така че е важно да се разберат и оптимизират процесите на топлопредаване, в рамките на типичния процес на формоване. Нивото на топлообмен между впръсканата пластмаса и матрицата е решаващ фактор за икономическите резултати при шприцоването. Топлината може да се отнема от пластмасовия материал, докато се постигне едно стабилно състояние, позволяващо свалянето на матрицата. Времето, необходимо за това се нарича време за охлаждане.

За оптимален процес на топлообмен между разтопеният пластмасов материал и шприцформата е необходимo правилнo проектирана система за охлаждане. Исторически погледнато, това е било постигнато чрез създаване на няколко директни отвора в ядрото и кухините на матрицата, като след това се вкарва охлаждаща течност (например вода), която да циркулира и отвежда излишната топлина далеч от разтопената пластмаса. Методите, използвани за направата на тези отвори са базирани на конвенционалните процеси на обработка като директно пробиване, чрез което могат да бъдат направени сложни канали. Един алтернативен метод на охлаждаща система, която съответства на формата на кухината и сър-

цевината на матрицата може да осигури по-добър пренос на топлина при процесите на формоване, а следователно и да се отрази при оптимизиране на времевия цикъл. Този алтернативен метод използва подобни на контур канали с различни сечения, конструирани възможно най-близо до повърхността на матрицата, за да повиши отделянето на топлина от разтопената пластмаса. Това гарантира, че този детайл се охлажда по еднакъв начин и по-ефективно. В наши дни, с появата на бързи технологии за прототипиране (например Di-rect Metal Deposition, Selective Laser Melting) и много напреднали компютърни софтуери, които подпомагат инженерите (computer aided engine-ering - CAE), в матрицата могат да бъдат конструирани и направени по-ефикасни канали за охлаждане с много сложно разположение и сечения.

По-голямата част от изследванията в областта на конвенционалните системи за охлаждане на шприцформите са насочени към оптимална охладителна система, за да се подобри ефикасността и ефективността на охлаждането. К. М. Au [2] представя скелетна архитектура на охлаждаща конструкция за бързо шприцоване на пластмаси. Tang et. al. [3] са разработили методика за оптимално конструиране на охладителни канали за шприц-форма с много кухини в зависимост от размера на каналите, местоположението и нивото на охлаждащия поток, чрез анализ на крайните елементи при решаване на проблема с топлинната проводимост. Li [4] описва бъдещия синтезен подход за разработване на охлаждаща система чрез първоначално разлагане на сложните форми до по-прости елементи и след това разработка на алгоритъм за генериране на охлаждащи канали. Изследванията в областта на системите за охлажданe главно се фокусират върху производството и изпитването на прототипи, използвайки свободно измислени техники. Sach et al. [5] описва производството на инструментална екипировка за шприцоване с канали за охлаждане, използвайки процеса тримерно принтиране - Three Dimensional Printing (3DP). Те сравняват ефективността на различните видове охлаждане на ядрото и кухината чрез експериментални тестове, както и чрез подхода на крайните разлики. Достига се до заключението, че нестандартната матрица е в състояние да поддържа по-постоянна температура. Този материал представя проучване на ефектите

от разположението на нестандартни канали за ох
лаждане и стандартното охлаждане при шприц
формите, използвайки Pro/ENGINEER,
Pro/Molddesign и ANSYS - софтуери за термична
симулация, които да определят кои от тях предла
гат най-ефективно отнемане на топлина.

Детайлът, избран за това проучване е шприцвана пластмасова кутия, направена от полипропиле-нова термопластмаса, както е показано на Фиг. 1. Матрицата за този пластмасов детайл се състои от кухина, сърцевина и базова плоча. Анализ на цялостната матрица е направен от ANSYS.

Фигура 1: 3D модел на кутия, проектиран чрез Pro/ENGINEER.

CAD моделирането на матрицата е направено с Pro/Molddesign модула на системата Pro/ENGI-NEER, използвайки този модел като работен. След получаване на сърцевината и кухината с помощта на Pro/Molddesign (Фигура 2), каналите за охлаждане и допълнителните устройства на матрицата са развити от Pro/ENGINEER. Каналите за охлаждане в матрицата конструирана с sweep-cut опцията на софтуера Pro/ENGINEER. Каналите са конструирани съгласно правилата за проектиране, които определят минималното разстояние между тях и площта им, която е в контакт с разтопената пластмаса, както и самия канал. Каналът за охлаждане е с диаметър 12 мм. Фигура 4 показва цялостния модел на ядрото, кухината и основата, заедно с нестандартните охлаждащи канали.

Нестандартните охладителни канали, които съответстват на формата на детайла правят матричната конструкция по-проста, следователно намаляват разходите за производство на матрицата.

Тези охладителни канали също увеличават бързината на процесите на трансфер на топлинна, съответстващи на формата на детайла, особено в областите на извивки на матричната форма, които трябва да бъдат разработени в съответствие с производствената формата на пластмасовия детайл.

Симулационният софтуер ANSYS се използва за анализ на детайли. Чрез ANSYS, инженерите могат лесно да оценят ефективността на продукта чрез симулиране на поведението на детайлите и на цялата конструкция при условия на топлинно натоварване. Симулационният модул на ANSYS може да представя състояние на покой и краткотрайни анализи на топлинните проблеми. Топлин-

ните анализи в състояние на покой се използват, за да се изчисли топлинното влияние при топлинно натоварване при зададените температури и/или конвекционни условия. Статичните термични анализи приемат, че всички топлинни натоварвания и гранични условия са в нормално състояние. Тази характеристика се използва за тестване на температурното разпределение на повърхността на матрицата. Преходните топлинни анализи се използват за изчисляване на топлинните ответни реакции по време на разглеждания период и затова се използват за оценка на времето за охлаждане. След проектиране на системи от охлаждащи канали за шприцформите, те трябва да бъдат оценени за ефективност в условия на температурно разпределение и време за охлаждане. При настоящото изследване са били направени термични анализи на цялостната конструкция с нестандартни и прави охлаждащи канали в матрицата. Направени са анализи на равновесното състояние, като и преходни анализи, но се обсъждат резултатите само от преходния анализ, тъй като дава широк диапазон от резултати в сравнение със стационарния. В преходните анализи, изискваните параметри са температура на матричната повърхност, която е 230-225 ° C. Пет различни температурни зони са разгледани като гранични състояния и съответния топлинен поток е пуснат като гранично условие. Уравнение (1) е използвано под формата на топлинен поток [6].

Условията на конвекция се прилагат към водните линии и следователно, като конвекция коефициентът на конвекция е изчислен предварително. Той се изчислява въз основава на Dittus-Boetler [8] уравнение (2) за принудително конвективно топло-преминаване от турбулентен поток в кръгла тръба и се оказа, че е 5927 Watt/m2°C.

Граничните условия на conformal охлаждащи канали на матрицата са показани на Фиг 5; същите гранични условия са приложени за правите канали за охлаждане на матриците.

Фигура 5: Гранични условия, приложени при краткотрайните анализи чрез ANSYS.

Резултатът е показан на диаграма на топлинното разпределение при различни части на матрицата и температурно-времева графика, получена именно от тези анализи чрез софтуера за топлинна симулация - ANSYS.

Фигура 6: Температурно разпределение в рамките на 23 секунди в матрица със стандартни охлаждащи канали.

Фиг. 6 и фиг. 7 показват диаграми на сравнителни температурни разпределения на анализираните резултати при матрици с двата вида охлаждане. При стандартните охлаждащи канали, може да се види, че максималната температура на повърхността на кухината е около 68°С и реалният времеви цикъл на процеса е 23 секунди, докато при нестандартните охлаждащи канали на матрицата тя е 47°C и температурното разпределение е по-равномерно. Така се стига до заключението, че използването на нестандартни канали за охлаждане температурата 21°C е редуцирана да същия времеви цикъл и е възможно по-постоянно разпределение на температурата, което е необходимо условие за пускане на качествен продукт.

Фигура 7: Температурно разпределение в рамките на 23 секунди при нестандартни охлаждащи матрични канали.

Друг значим резултат, получен при това проучване е изчислението на времето за охлаждане. Конкурентните резултати са показани на фигура 8. От нея може да се види, че нестандартните охлаждащи канали предоставят по-добро време за охлаждане в сравнение със стандартните канали. За този конкретен пластмасов детайл, температурата, при която се сваля матрицата е около 80°C. Времето за охлаждане или времето, което се изисква за пластмасови отливки достига 80°С от 230°C, за традиционните матрични канали то е 19 секунди, но в случай на нестандартни канали е 11 секунди. И така, 8 секунди от времето за охлаждане или времето за целия цикъл може да се съкрати, използвайки нестандартни канали за охлаждане, което всъщност е около 35% от общия времеви цикъл.

ността и качеството на шприцформите.