O que são linhas de resfriamento?
Linhas de resfriamento em aplicações de moldes especiais
Trabalho com moldes há 18 anos. Passou a primeira década em uma loja cativa em Michigan, administrando automóveis. Nos últimos oito anos, consultoria, principalmente médica e eletrônica de consumo. Se há uma coisa que separa as lojas que ganham dinheiro daquelas que não ganham, é o esfriamento. Não as coisas sofisticadas que você lê em revistas especializadas. Apenas um layout básico e cuidadoso da linha de resfriamento.
A maioria dos fornecedores de ferramentas de moldagem por injeção informará que o resfriamento é responsável por 60-70% do seu ciclo. Esse número flutua pela indústria como um evangelho. O valor real depende da espessura da parede, da resina e de cerca de quinze outras variáveis. Já vi moldes de embalagens-de paredes finas em que o resfriamento ocorria em 80% do ciclo. Certa vez, executei uma carcaça automotiva de seção espessa onde estava perto de 45%. A questão é que as porcentagens genéricas não ajudam muito. O que ajuda é compreender o fluxo de calor em sua peça específica.
Ferramentas de precisão requerem gerenciamento térmico preciso.
A realidade-e{1}}do plugar
O resfriamento convencional é feito-e-plug. Você pega seu bloco de molde, coloca-o na fresadora ou na furadeira e faz furos retos. Conecte-os com furadeiras ou mangueiras externas. Conecte as pontas que você não precisa. Este método funciona. Funcionou desde que meu pai estava neste negócio. O ferramental é barato, qualquer loja pode fazer isso, e quando algo entupir você pode removê-lo.
O problema aparece quando a geometria fica complicada. Trabalhei em um trabalho no ano passado-revestimento de eletrônicos de consumo, muitas curvas, parede nominal de 1,2 mm com saliências descendo para 0,8 mm. O designer industrial não tinha nenhum interesse no que eu poderia realmente ser legal. O lado do núcleo tinha talvez 6 mm de aço atrás da cavidade em três zonas diferentes. Você não pode colocar um canal de 10 mm lá. Também não dá para colocar canal de 6mm aí, não com margem de segurança.
O que acabamos fazendo foi uma abordagem combinada. Borbulhadores nos núcleos profundos, defletores onde tínhamos carne suficiente e uma inserção conformada no pior ponto quente. A peça conformada adicionou US$ 11.000 ao custo da ferramenta. O cliente não quis pagar no início. Então mostramos a eles a diferença de tempo do ciclo
-14 segundos com conformado versus 22 sem. Eles pagaram.
Resfriamento conformado-Quando faz sentido
A impressão 3D de metal mudou esse negócio. Há dez anos, o resfriamento conformal era uma curiosidade, algo que você veria em uma feira e pensaria “isso é legal”. Agora, todos os principais fabricantes de moldes de injeção personalizados oferecem isso, ou deveriam. A tecnologia amadureceu. Os preços caíram. Os prazos de entrega ficaram razoáveis.
Os materiais funcionam. Eu usei pastilhas de aço maraging MS1 além de 400.000 tiros sem problemas. As impressões H13 estão melhorando, mas a metalurgia do pó ainda não está pronta para aplicações de alto-desgaste, na minha experiência. Para núcleos e inserções de cavidade que não apresentam impacto direto na porta, o aço impresso mantém-se bem.
É aqui que as pessoas erram: elas acham que conformar significa que você pode esfriar qualquer coisa. Você não pode. Os canais ainda precisam de fluxo. Vejo designs chegando à minha mesa com lindos canais de resfriamento orgânico que parecem vasos sanguíneos. Muito bonito em CAD. Impossível passar pelo fluxo turbulento. A queda de pressão mata você ou o fluxo se torna laminar e seus tanques de transferência de calor.
Regra que uso: mantenha a seção transversal-do canal acima de 5 mm de diâmetro equivalente, não exceda a proporção de 4:1 em qualquer seção não{4}}circular e limite o comprimento total do circuito ao que sua TCU pode realmente enviar. A maioria das unidades de controle de temperatura de chão de fábrica atinge cerca de 4-5 bar. Seu circuito conformal mais o coletor e as mangueiras precisam funcionar dentro disso.
Defletores e borbulhadores ainda têm seu lugar
Antes de ligar para o seu fornecedor de soluções de resfriamento para moldagem por injeção sobre um encarte impresso de US$ 15.000, considere as opções da velha escola. Os defletores custam talvez US $ 30 cada. Bolhas, $ 40-50. Os tubos de calor custam entre US$ 150 e 400, dependendo do comprimento e do diâmetro.
Os defletores funcionam muito bem em núcleos retangulares. A lâmina plana divide o furo em fornecimento e retorno. A água desce por um lado, contorna o fundo e sobe pelo outro. Você perde alguma capacidade de fluxo-cerca de 60-65% do que um canal aberto lhe proporcionaria. Para a maioria das aplicações isso é suficiente.
Modo de falha comum
O modo de falha que vejo com mais frequência com defletores: os caras perfuram muito fundo, o defletor chega ao fundo, o fluxo fica restrito na ponta. Deixe uma folga de 3-4 mm na parte inferior. Mais se a qualidade da água for questionável e você esperar acúmulo de incrustações.
Os borbulhadores são melhores para núcleos redondos. O arranjo tubo-em{2}}tubo oferece mais área de superfície do que um defletor no furo do mesmo diâmetro. A desvantagem é que eles são mais sensíveis à tolerância dimensional. A lacuna anular entre o tubo interno e o orifício externo controla o fluxo de retorno. Muito apertado e você deixa o circuito sem energia. Muito solto e toda a água entra em curto-circuito-pela abertura sem chegar à ponta.
Escolhas materiais sobre as quais ninguém fala
Cada folheto de serviços de fabricação de moldes de precisão menciona o resfriamento conformal. Poucos falam sobre a seleção de materiais para desempenho de refrigeração.
As inserções BeCu existem desde sempre. Condutividade térmica em torno de 105 W/m·K versus 29 para H13. Esse é um grande número. Em um ponto quente onde você fisicamente não consegue chegar perto o suficiente da água, uma inserção de liga de cobre pode salvar o trabalho. Eu os usei atrás de costelas finas, em corpos de elevadores, em núcleos pequenos onde um borbulhador não cabe.
O problema é o desgaste. BeCu funciona talvez 35{4}}38 HRC após tratamento térmico. Você não vai entrar diretamente nele. Você não vai passar náilon cheio de vidro por um milhão de ciclos. Mas em locais protegidos onde você só precisa extrair calor, funciona.
As ferramentas de alumínio são subestimadas para a aplicação certa. Um cliente médico veio até mim querendo protótipos de moldes, volumes esperados em torno de 50.000 peças por ano, vida útil do produto de três{3}}anos. As cotações que eles tinham para ferramentas P20 eram absurdamente-longas, com alto custo e estariam obsoletas antes de se desgastarem. Fizemos os núcleos e cavidades em alumínio QC-10 por cerca de 40% do preço do aço. Os tempos de ciclo chegaram em 12 segundos, em comparação com os 18-20 que estimamos para o aço. Três anos depois, essas ferramentas ainda estão em funcionamento. Pouco desgaste na linha de partição, nada que afete a qualidade da peça.
O controle de temperatura fica complicado
Moldes simples executam um circuito de resfriamento por metade. Entra água, sai água, pronto. Moldes especiais-e eu colocaria a maior parte do que passa pela minha mesa hoje em dia nessa categoria-precisam de múltiplas zonas.
Um consultor de engenharia de moldes de injeção com quem trabalho tem um ditado: cada ponto crítico precisa de sua própria resposta. Às vezes, essa resposta é mais fluida. Às vezes é água mais fria. Às vezes é uma mudança material. Às vezes é aceitar um ciclo mais longo e seguir em frente. A questão é que você não pode tratar um molde como uma massa térmica uniforme.
O controle em cascata ajuda. Sua TCU monitora a temperatura do molde por meio de termopar e ajusta a vazão ou a posição da válvula misturadora para manter o ponto de ajuste. Funciona bem para estado-estacionário. Não ajuda muito com o transitório-aquela explosão de calor quando o plástico de 300 graus atinge a cavidade, depois o resfriamento gradual-e depois outra explosão. A massa térmica do aço faz a maior parte do trabalho suavizando isso.
Variotérmico é real, mas caro. A temperatura da superfície do molde é alta antes do preenchimento e, em seguida, cai rapidamente para resfriamento. Já vi isso eliminar linhas de solda em peças de alto-brilho. Também vi um acréscimo de US$ 80 mil a um programa de ferramentas e seis meses de tempo de desenvolvimento. Para a aplicação certa,-interior automotivo Classe A, dispositivo médico com zero-requisitos cosméticos de defeito-pode ser eliminado. Para a maioria dos empregos, isso não acontece.
O que realmente importa
Depois de todos esses anos, eis o que digo aos engenheiros mais jovens: acerte primeiro o básico. Mantenha suas linhas d'água dentro de 2D da superfície sempre que possível. Execute fluxo suficiente para permanecer turbulento. Não deixe os circuitos ficarem tão longos que o aumento da temperatura mate você - o delta máximo de 10 graus da entrada à saída é um bom alvo. Equilibre seus circuitos para que todos vejam restrições semelhantes.
Faça essas coisas e você resolverá 80% dos seus problemas de refrigeração. Os outros 20% são onde acontece o trabalho interessante. É aí que você pode precisar de conformal, ou cobre, ou variotérmico, ou alguma combinação que ninguém experimentou antes.
As ferramentas existem. Os fornecedores existem. O conhecimento existe. O que faz a diferença é reservar um tempo para pensar no fluxo de calor em sua peça específica, em seu molde específico, em seu processo específico. Nenhuma simulação substitui isso. Nenhuma regra prática cobre todos os casos. Você tem que fazer o trabalho.
Vinte-anos neste ramo e ainda estou aprendendo. Essa é a melhor ou a pior parte, dependendo do dia.