Was sind Kühlleitungen?
Kühlleitungen für spezielle Formenanwendungen
Ich beschäftige mich nun schon seit 18 Jahren mit Formenbau. Verbrachte das erste Jahrzehnt in einer firmeneigenen Werkstatt in Michigan, in der er Automobile herstellte. Die letzten acht Jahre Beratung, hauptsächlich Medizin- und Unterhaltungselektronik. Wenn es eine Sache gibt, die die Läden, die Geld verdienen, von denen unterscheidet, die kein Geld verdienen, dann ist es die Abkühlung. Nicht das schicke Zeug, über das man in Fachzeitschriften liest. Nur ein einfaches, durchdachtes Kühlleitungslayout.
Die meisten Anbieter von Spritzgusswerkzeugen geben an, dass die Kühlung 60 -70 % Ihres Zyklus ausmacht. Diese Zahl kursiert wie ein Evangelium in der Branche. Der tatsächliche Wert hängt von der Wandstärke, dem Harz und etwa fünfzehn weiteren Variablen ab. Ich habe dünnwandige Verpackungsformen gesehen, bei denen die Kühlung 80 % des Zyklus betrug. Ich habe einmal ein dickwandiges Automobilgehäuse betrieben, bei dem der Wert eher bei 45 % lag. Der Punkt ist, dass Ihnen die allgemeinen Prozentsätze nicht viel helfen. Was hilft, ist das Verständnis des Wärmeflusses in Ihrem spezifischen Teil.
Präzisionswerkzeuge erfordern ein präzises Wärmemanagement.
Die Drill--und-Plug-Realität
Herkömmliche Kühlung erfolgt per Bohr-{0}}und-Stecker. Sie nehmen Ihren Formblock, legen ihn auf die Fräse oder Bohrmaschine und bohren gerade Löcher. Verbinden Sie sie mit Kreuzbohrern oder externen Schläuchen. Stecken Sie die Enden ein, die Sie nicht benötigen. Diese Methode funktioniert. Es hat funktioniert, seit mein Vater in diesem Geschäft war. Das Werkzeug ist billig, jede Werkstatt kann es herstellen, und wenn etwas verstopft ist, kann man es herausziehen.
Das Problem tritt auf, wenn die Geometrie kompliziert wird. Ich habe letztes Jahr einen Job gemacht-Gehäuse für Unterhaltungselektronik, viele Kurven, nominale Wandstärke 1,2 mm mit auf 0,8 mm abgesenkten Vorsprüngen. Der Industriedesigner hatte überhaupt kein Interesse daran, was ich tatsächlich cool machen konnte. Auf der Kernseite befanden sich in drei verschiedenen Zonen etwa 6 mm Stahl hinter dem Hohlraum. Sie können dort keinen 10-mm-Kanal platzieren. Dort kann man auch keinen 6-mm-Kanal anbringen, schon gar nicht mit Sicherheitsspielraum.
Letztendlich haben wir einen kombinierten Ansatz gewählt. Blasen in den tiefen Kernen, Leitbleche dort, wo wir genug Fleisch hatten, und ein konformer Einsatz an der schlimmsten heißen Stelle. Das konforme Teil erhöhte die Werkzeugkosten um 11.000 US-Dollar. Der Kunde wollte es zunächst nicht bezahlen. Dann zeigten wir ihnen den Zykluszeitunterschied
-14 Sekunden mit konformem gegenüber 22 Sekunden ohne. Sie haben bezahlt.
Konforme Kühlung-Wenn es Sinn macht
Der Metall-3D-Druck hat dieses Geschäft verändert. Vor zehn Jahren war konforme Kühlung eine Kuriosität, etwas, das man auf einer Messe sah und dachte: „Das ist toll.“ Mittlerweile bietet es jeder große Hersteller von kundenspezifischen Spritzgussformen an oder sollte es auch tun. Die Technologie ist ausgereift. Die Preise sind gesunken. Die Lieferzeiten wurden angemessen.
Die Materialien funktionieren. Ich habe MS1-Einsätze aus Maraging-Stahl über 400.000 Schüsse ohne Probleme laufen lassen. H13-Drucke werden immer besser, aber meiner Erfahrung nach ist die Pulvermetallurgie immer noch nicht ganz für Anwendungen mit hohem{6}Verschleiß geeignet. Für Kerne und Hohlraumeinsätze, bei denen kein direkter Anguss auftritt, hält bedruckter Stahl gut stand.
Hier liegen die Leute falsch: Sie denken, konform bedeutet, dass man alles kühlen kann. Das kannst du nicht. Die Kanäle brauchen noch Fluss. Ich sehe Designs auf meinem Schreibtisch mit diesen wunderschönen organischen Kühlkanälen, die wie Blutgefäße aussehen. Sehr hübsch im CAD. Eine turbulente Strömung ist nicht möglich. Der Druckabfall bringt Sie um, oder die Strömung wird laminar und Ihre Wärmeübertragungstanks werden zerstört.
Die von mir verwendete Regel lautet: Halten Sie Ihren Kanalquerschnitt über einem äquivalenten Durchmesser von 5 mm, überschreiten Sie bei keinem nicht-kreisförmigen Abschnitt ein Seitenverhältnis von 4:1 und begrenzen Sie die Gesamtlänge Ihres Schaltkreises auf das, was Ihre TCU tatsächlich schieben kann. Die meisten Temperiergeräte für den Werkstattbereich erreichen einen Höchstdruck von etwa 4–5 bar. Ihr konformer Kreislauf plus Verteiler und Schläuche müssen darin funktionieren.
Leitbleche und Bubbler haben immer noch ihre Berechtigung
Bevor Sie Ihren Anbieter von Spritzguss-Kühllösungen wegen eines gedruckten Einsatzes im Wert von 15.000 US-Dollar anrufen, sollten Sie die altmodischen Optionen in Betracht ziehen. Schallwände kosten vielleicht 30 $ pro Stück. Bubbler, 40-50 $. Heatpipes kosten je nach Länge und Durchmesser 150–400 US-Dollar.
Leitbleche eignen sich hervorragend für rechteckige Kerne. Das Flachmesser teilt das Bohrloch in Vor- und Rücklauf. Das Wasser läuft auf einer Seite nach unten, um den Boden herum, und auf der anderen Seite wieder nach oben. Sie verlieren etwas Flusskapazität-rechnen Sie mit 60–65 % dessen, was Ihnen ein offener Kanal bieten würde. Für die meisten Anwendungen ist das ausreichend.
Häufiger Fehlermodus
Den Fehlermodus, den ich am häufigsten bei Leitblechen sehe: Man bohrt zu tief, das Leitblech erreicht den Boden, der Durchfluss wird an der Spitze eingeschränkt. Lassen Sie unten einen Abstand von 3-4 mm. Mehr, wenn Ihre Wasserqualität fraglich ist und Sie mit Kalkablagerungen rechnen.
Bubbler eignen sich besser für runde Kerne. Die Rohr--in--Rohranordnung bietet Ihnen mehr Oberfläche als eine Schallwand in einem Loch mit demselben Durchmesser. Der Nachteil ist, dass sie empfindlicher auf Maßtoleranzen reagieren. Der Ringspalt zwischen Innenrohr und Außenloch steuert Ihren Rückfluss. Zu eng und Sie verhungern den Kreislauf. Zu locker und Ihr gesamtes Wasser fließt kurz-durch die Lücke, ohne die Spitze zu erreichen.
Materialentscheidungen, über die niemand spricht
In jeder Broschüre zum Präzisionsformenbau wird die konforme Kühlung erwähnt. Nicht viele reden über die Materialauswahl für die Kühlleistung.
BeCu-Einsätze gibt es schon immer. Wärmeleitfähigkeit etwa 105 W/m·K gegenüber 29 für H13. Das ist eine große Zahl. An einer heißen Stelle, an der das Wasser physisch nicht nah genug sein kann, kann ein Einsatz aus einer Kupferlegierung die Arbeit retten. Ich habe sie hinter dünnen Rippen, in Lifterkörpern und in kleinen Kernen verwendet, wo ein Bubbler nicht hineinpasst.
Der Haken ist Verschleiß. BeCu hat nach der Wärmebehandlung eine Temperatur von etwa 35-38 HRC. Sie werden nicht direkt darauf zugreifen. Sie werden es nicht eine Million Mal mit glasfaserverstärktem Nylon bespannen. Aber an geschützten Orten, an denen Sie nur Wärme abführen müssen, funktioniert es.
Aluminiumwerkzeuge werden für die richtige Anwendung unterschätzt. Ein Kunde aus der Medizinbranche kam zu mir und wollte Prototypformen mit einer erwarteten Stückzahl von etwa 50.000 Stück pro Jahr und einer Produktlebensdauer von drei{3} Jahren. Die Angebote, die sie für P20-Werkzeuge hatten, waren der Wahnsinn-lange Vorlaufzeit, hohe Kosten und sie würden veraltet sein, bevor sie abgenutzt wären. Wir haben die Kerne und Hohlräume aus QC-10-Aluminium für etwa 40 % des Stahlpreises hergestellt. Die Zykluszeiten betrugen 12 Sekunden gegenüber den von uns geschätzten 18–20 Sekunden für Stahl. Drei Jahre später laufen diese Tools immer noch. Geringer Verschleiß an der Trennfuge, nichts, was die Teilequalität beeinträchtigt.
Die Temperaturkontrolle wird kompliziert
Einfache Formen betreiben einen Kühlkreislauf pro Hälfte. Wasser rein, Wasser raus, fertig. Spezielle Formen-und ich würde das meiste, was heutzutage auf meinem Schreibtisch herumläuft, in diese Kategorie einordnen-benötigen mehrere Zonen.
Ein Berater für Spritzgusstechnik, mit dem ich zusammenarbeite, hat ein Sprichwort: Jeder Hotspot braucht seine eigene Antwort. Manchmal ist diese Antwort mehr Fluss. Manchmal ist es kälteres Wasser. Manchmal ist es eine materielle Veränderung. Manchmal geht es darum, einen längeren Zyklus zu akzeptieren und weiterzumachen. Der Punkt ist, dass man eine Form nicht als eine einheitliche thermische Masse behandeln kann.
Kaskadenregelung hilft. Ihre TCU überwacht die Formtemperatur über ein Thermoelement und passt die Durchfluss- oder Mischventilposition an, um den Sollwert zu halten. Funktioniert gut für den stationären-Zustand. Hilft nicht viel bei dem vorübergehenden -Hitzeausbruch, wenn 300 Grad heißes Plastik auf den Hohlraum trifft, dann dem allmählichen Abkühlen-und dann einem weiteren Ausbruch. Die thermische Masse des Stahls leistet den größten Teil der Ausgleichsarbeit.
Variothermie ist real, aber teuer. Erhöhen Sie die Oberflächentemperatur der Form vor dem Füllen und senken Sie sie dann schnell ab, um sie abzukühlen. Ich habe gesehen, dass es Bindenähte an hochglänzenden Teilen beseitigt. Ich habe auch gesehen, dass sich dadurch ein Tool-Programm um 80.000 US-Dollar und sechs Monate Entwicklungszeit erhöht. Für die richtige Anwendung-Automobilinnenraum der Klasse A, medizinisches Gerät ohne-Schadensfehleranforderung-kann es ausreichen. Bei den meisten Jobs ist dies nicht der Fall.
Was wirklich zählt
Nach all den Jahren sage ich jüngeren Ingenieuren Folgendes: Machen Sie zuerst die Grundlagen richtig. Halten Sie Ihre Wasserlinien so weit wie möglich im 2D-Bereich der Oberfläche. Lassen Sie genügend Strömung laufen, um turbulent zu bleiben. Lassen Sie die Schaltkreise nicht so lang werden, dass der Temperaturanstieg Sie umbringt – ein Delta von maximal 10 Grad vom Einlass zum Auslass ist ein gutes Ziel. Bringen Sie Ihre Schaltkreise ins Gleichgewicht, sodass alle dieselben Einschränkungen erfahren.
Wenn Sie diese Dinge tun, lösen Sie 80 % Ihrer Kühlprobleme. In den anderen 20 % findet die interessante Arbeit statt. Hier benötigen Sie möglicherweise Konform, Kupfer, Variothermie oder eine Kombination, die noch niemand zuvor ausprobiert hat.
Die Werkzeuge sind vorhanden. Die Lieferanten existieren. Das Wissen ist vorhanden. Was den Unterschied ausmacht, ist, dass Sie sich die Zeit nehmen, den Wärmefluss in Ihrem spezifischen Teil, Ihrer spezifischen Form, Ihrem spezifischen Prozess zu durchdenken. Keine Simulation ersetzt das. Es gibt keine Faustregel, die jeden Fall abdeckt. Du musst die Arbeit machen.
23-Jahre in diesem Beruf und ich lerne immer noch dazu. Das ist je nach Tag entweder der beste oder der schlechteste Teil.