Wat zijn koellijnen?
Koellijnen in speciale matrijstoepassingen
Ik doe al 18 jaar vormwerk. De eerste tien jaar heb ik in een autobedrijf in Michigan gewerkt, waar hij auto's runde. De afgelopen acht jaar advies, voornamelijk medische en consumentenelektronica. Als er één ding is dat de winkels scheidt die geld verdienen en de winkels die dat niet doen, dan is het afkoeling. Niet de mooie dingen waarover je leest in vakbladen. Gewoon een eenvoudige, doordachte koellijnindeling.
De meeste leveranciers van spuitgietgereedschap zullen u vertellen dat koeling 60-70% van uw cyclus uitmaakt. Dat aantal zweeft als een evangelie door de industrie. Het werkelijke cijfer hangt af van de wanddikte, hars en ongeveer vijftien andere variabelen. Ik heb dun-verpakkingsvormen gezien waarbij de koeling 80% van de cyclus in beslag nam. Had ooit een autobehuizing met dikke doorsnede, waar dit dichter bij 45% lag. Het punt is dat de generieke percentages je niet veel helpen. Wat helpt is het begrijpen van de warmtestroom in uw specifieke onderdeel.
Precisiegereedschap vereist nauwkeurig thermisch beheer.
De boor-en-plug-realiteit
Conventionele koeling is boren-en-pluggen. Je neemt je malblok, plaatst het op de frees- of pistoolboor en maakt rechte gaten. Verbind ze met dwarsboren of externe slangen. Sluit de uiteinden aan die u niet nodig hebt. Deze methode werkt. Het werkt al sinds mijn vader in dit bedrijf zat. Het gereedschap is goedkoop, elke winkel kan het doen, en als iets verstopt raakt, kun je het eruit halen.
Het probleem treedt op als de geometrie ingewikkeld wordt. Ik heb vorig jaar een baan gehad-behuizing voor consumentenelektronica, veel rondingen, nominale wand 1,2 mm met nokken tot 0,8 mm. De industrieel ontwerper had geen enkele interesse in wat ik daadwerkelijk kon koelen. De kernzijde had misschien 6 mm staal achter de holte in drie verschillende zones. Je kunt daar geen 10 mm-kanaal plaatsen. Je kunt daar ook geen 6 mm-kanaal plaatsen, zonder enige veiligheidsmarge.
Wat we uiteindelijk deden was een combinatieaanpak. Bubblers in de diepe kernen, schotten waar we genoeg vlees hadden, en een conforme insert op de ergste hotspot. Het conforme stuk voegde $ 11.000 toe aan de gereedschapskosten. Klant wilde eerst niet betalen. Vervolgens lieten we ze het cyclustijdsverschil zien
-14 seconden met conformeel versus 22 zonder. Zij betaalden.
Conformele koeling-Wanneer het zinvol is
Metaal 3D-printen heeft dit bedrijf veranderd. Tien jaar geleden was conformele koeling een curiosum, iets dat je op een beurs zag en dacht: 'dat is leuk'. Nu biedt elke grote fabrikant van spuitgietmatrijzen het aan, of zou dat moeten doen. De technologie werd volwassen. De prijzen daalden. De doorlooptijden werden redelijk.
De materialen werken. Ik heb MS1-maragingstalen inzetstukken zonder problemen meer dan 400.000 schoten gedraaid. H13-afdrukken worden steeds beter, maar de poedermetallurgie is naar mijn ervaring nog steeds niet helemaal geschikt voor toepassingen met hoge slijtage. Voor kernen en holte-inzetstukken die geen directe botsing met de poort zien, houdt bedrukt staal prima stand.
Dit is waar mensen het mis hebben: ze denken dat conformeel betekent dat je alles kunt afkoelen. Dat kun je niet. De kanalen hebben nog steeds stroming nodig. Ik zie ontwerpen op mijn bureau verschijnen met deze prachtige organische koelkanalen die op bloedvaten lijken. Zeer mooi in CAD. Onmogelijk om turbulente stroming er doorheen te krijgen. De drukval is dodelijk voor jou, of de stroming wordt laminair en je warmteoverdrachtstanks.
Regel die ik gebruik: houd de doorsnede van uw kanaal- boven een equivalente diameter van 5 mm, overschrijd de beeldverhouding van 4:1 niet op een niet-cirkelvormige sectie, en beperk uw totale circuitlengte tot wat uw TCU daadwerkelijk kan pushen. De meeste temperatuurregelaars op de werkvloer bereiken een temperatuur van rond de 4-5 bar. Uw conforme circuit plus spruitstuk plus slangen moeten daarin werken.
Baffles en Bubblers hebben nog steeds hun plaats
Voordat u uw leverancier van spuitgietkoelingsoplossingen belt over een bedrukte inleg van $ 15.000, moet u rekening houden met de ouderwetse opties. Baffles kosten misschien $ 30 per stuk. Bubbels, $ 40-50. Warmtepijpen kosten $ 150-400, afhankelijk van de lengte en diameter.
Baffles werken uitstekend in rechthoekige kernen. Het platte mes splitst het geboorde gat in aanvoer en retour. Het water stroomt aan de ene kant naar beneden, langs de bodem en aan de andere kant weer omhoog. Je verliest wat stroomcapaciteit-ongeveer 60-65% van wat een open kanaal je zou opleveren. Voor de meeste toepassingen is dat voldoende.
Algemene foutmodus
De faalwijze die ik het vaakst zie bij schotten: jongens boren te diep, het schot komt naar beneden, de stroom wordt beperkt aan de punt. Laat aan de onderkant een ruimte van 3-4 mm vrij. Zeker als uw waterkwaliteit twijfelachtig is en u kalkaanslag verwacht.
Bubblers zijn beter voor ronde kernen. De buis-in-buisopstelling geeft u meer oppervlakte dan een schot in een gat met dezelfde diameter. Nadeel is dat ze gevoeliger zijn voor maattolerantie. De ringvormige opening tussen de binnenbuis en het buitengat regelt uw retourstroom. Te strak en je verhongert het circuit. Te los en al je water maakt kortsluiting-door de opening zonder de punt te bereiken.
Materiële keuzes waar niemand over praat
Elke brochure over precisiematrijzen maakt melding van conforme koeling. Niet veel mensen praten over materiaalkeuze voor koelprestaties.
BeCu-inzetstukken zijn er altijd al geweest. Thermische geleidbaarheid rond 105 W/m·K versus 29 voor H13. Dat is een groot aantal. Op een hete plek waar je fysiek niet dichtbij genoeg water kunt komen, kan een inzetstuk van een koperlegering de klus redden. Ik heb ze gebruikt achter dunne ribben, in lifterlichamen, in kleine kernen waar een bubbler niet in past.
De vangst is slijtage. BeCu draait misschien 35-38 HRC na warmtebehandeling. Je gaat er niet rechtstreeks op in. Je gaat er geen miljoen cycli met glasgevuld nylon overheen laten lopen. Maar op beschermde locaties waar je alleen maar warmte hoeft af te voeren, werkt het.
Aluminiumgereedschap wordt onderschat voor de juiste toepassing. Een medische klant kwam naar mij toe en wilde prototypematrijzen, met een verwacht volume van ongeveer 50.000 stuks per jaar en een productlevensduur van drie- jaar. De offertes die ze hadden voor P20-gereedschappen waren belachelijk-lange levertijden, hoge kosten, en ze zouden verouderd zijn voordat ze versleten waren. De kernen en holtes hebben we in QC-10 aluminium gemaakt voor ongeveer 40% van de staalprijs. De cyclustijden bedroegen 12 seconden, vergeleken met de 18-20 die we voor staal hadden geschat. Drie jaar later zijn deze tools nog steeds actief. Weinig slijtage aan de scheidingslijn, niets dat de kwaliteit van het onderdeel beïnvloedt.
Temperatuurregeling wordt ingewikkeld
Eenvoudige mallen hebben één koelcircuit per helft. Water erin, water eruit, klaar. Speciale mallen-en ik zou het meeste van wat er tegenwoordig op mijn bureau komt in die categorie plaatsen-hebben meerdere zones nodig.
Een spuitgiettechnisch adviseur met wie ik werk, heeft een gezegde: elke hotspot heeft zijn eigen antwoord nodig. Soms is dat antwoord meer flow. Soms is het kouder water. Soms is het een materiële verandering. Soms is het een langere cyclus accepteren en verder gaan. Het punt is dat je een schimmel niet als één uniforme thermische massa kunt behandelen.
Cascaderegeling helpt. Uw TCU bewaakt de matrijstemperatuur via een thermokoppel en past de stroom- of mengkleppositie aan om het instelpunt vast te houden. Werkt goed voor een stabiele- toestand. Helpt niet veel tegen de voorbijgaande -die uitbarsting van hitte wanneer 300 graden plastic de holte raakt, dan de geleidelijke afkoeling-, en dan nog een uitbarsting. De thermische massa van het staal doet het meeste werk om dat glad te strijken.
Variotherm is reëel, maar duur. Laat de oppervlaktetemperatuur van de mal hoog lopen voordat deze wordt gevuld en laat deze vervolgens snel vallen om af te koelen. Ik heb gezien dat laslijnen op hoog-glanzende onderdelen worden geëlimineerd. Ik heb ook gezien dat het $80.000 toevoegt aan een toolprogramma en zes maanden ontwikkelingstijd. Voor de juiste toepassing-Klasse A auto-interieur, medisch hulpmiddel met nul-cosmetische vereisten- zou dit kunnen uitvallen. Voor de meeste banen geldt dat niet.
Wat er eigenlijk toe doet
Na al die jaren is dit wat ik tegen jongere ingenieurs zeg: zorg eerst dat de basis goed is. Houd uw waterlijnen waar mogelijk binnen 2D van het oppervlak. Zorg voor voldoende stroming om turbulent te blijven. Laat de circuits niet zo lang duren dat de temperatuurstijging fataal wordt - 10 graden delta max van inlaat tot uitlaat is een goed doelwit. Breng uw circuits in evenwicht, zodat ze allemaal dezelfde beperkingen zien.
Doe die dingen en je lost 80% van je koelingsproblemen op. De overige 20% is waar het interessante werk gebeurt. Dat is waar je misschien conformaal nodig hebt, of koper, of variothermisch, of een combinatie die niemand eerder heeft geprobeerd.
De hulpmiddelen bestaan. De leveranciers bestaan. De kennis bestaat. Wat het verschil maakt, is dat u de tijd neemt om na te denken over de warmtestroom in uw specifieke onderdeel, uw specifieke mal, uw specifieke proces. Geen enkele simulatie komt daarvoor in de plaats. Er is geen vuistregel die elk geval bestrijkt. Jij moet het werk doen.
Drieëntwintig-drie jaar in dit vak en ik leer nog steeds. Dat is óf het beste óf het slechtste deel, afhankelijk van de dag.